1. 煤層氣成藏條件、開(kāi)采特征及開(kāi)發适用技術分(fēn)析
2. 煤層氣地面開(kāi)發技術
3. 煤層氣田地面集輸工(gōng)藝技術

一(yī)、煤層氣成藏條件、開(kāi)采特征及開(kāi)發适用技術分(fēn)析

趙慶波 孫粉錦 李五忠 李貴中(zhōng) 孫 斌 王 勃 孫欽平 陳 剛 孔祥文

( 中(zhōng)國石油勘探開(kāi)發研究院廊坊分(fēn)院 廊坊 065007)

摘 要: 煤層氣成藏模式可劃分(fēn)爲自生(shēng)自儲吸附型、自生(shēng)自儲遊離(lí)型、内生(shēng)外(wài)儲型; 煤層氣成藏期可劃分(fēn)爲早期成藏、後期構造改造成藏和開(kāi)采中(zhōng)二次成藏，特别指出了開(kāi)采中(zhōng)二次成藏的條件。利用沉積相分(fēn)析厚煤層的層内微旋回，細劃分(fēn)出優質煤層富含氣段; 進一(yī)步利用沉積相探索成煤母質類型及其對煤層氣高産富集控制作用; 闡述了構造應力場及水動力對煤層氣成藏的作用機理。總結了煤層氣開(kāi)采特征: 指出了煤層氣井開(kāi)采中(zhōng)的阻礙、暢通、欠飽和三個開(kāi)采階段，并認爲欠飽和階段可劃分(fēn)爲多個階梯狀遞減階段; 由構造部位和層内非均質性的差異形成自給型、外(wài)輸型和輸入型三類開(kāi)采特征。根據地質條件分(fēn)析了二維地震 avo、定向羽狀水平井、超短半徑水力噴射、u 型井、v 型井鑽井技術的适用性及國内應用效果。

關鍵詞: 煤層氣 成藏模式 成煤母質 高産富集 開(kāi)采特征; 适用技術

作者簡介: 趙慶波，1950 年生(shēng)，教授級高級工(gōng)程師，中(zhōng)國石油天然氣集團公司高級技術專家，中(zhōng)國地質大(dà)學( 武漢) 兼職教授; 中(zhōng)國石油學會煤層氣學組副組長; 主要從事煤層氣勘探開(kāi)發工(gōng)作，編寫專著 17 部，發表學術論文 50 餘篇。地址: 河北(běi)省廊坊市萬莊 44 号信箱煤層氣所。電(diàn)話(huà): ( 010) 69213108。e mail: zhqib@ petrochi-na. com. cn

coalbed methane accumulation conditions，production characteristics and applicable technology analysis

zhao qingbo sun fenjin li wuzhong li guizhong sun bin wang bo sun qinping chen gang kong xiangwen

( reserch institute of petroleum exploration and development，petrochina，langfang branch， langfang 065007 china)

abstract: accumulation model of coalbed methane can be divided into three types: authigenic reservoir with adsorbed gas，authigenic reservoir with free gas and authigenic source rock with external reservoir. three accumu- lation stages are indicated as early stage accumulation，late stage accumulation with tectonic reworking and second- ary accumulation during development. conditions for secondary accumulation during development are specially in- dicated. micro-cycle in thick coal are analyzed using sedimentary facies. coalbed interval with high gas content is classified，and further more，coal-forming sources type and its controling on coalbed methane productive and en- richment is explored. mechanism of tectonic stess field and hydrodynamic force on coalbed methane accumulation is elaborated. production characteristics of coalbed methane wells is concluded as follows: blocked，unblocked and unsaturated production stages are indicated，and unsaturated stage is considered to be divided into several deple- tion stages; structure localization and inner layer heterogeneity result in three production characteristics-self-sup- porting，exporting and importing types. according to geological setting，the applicability and its effect of 2 dimen- tional seismic avo ( amplitude versus offset) ，pinnate horizontal multilateral well，ultrashort radius hyraulic jet- ting，u and v type well drilling technique is analyzed.

keywords: coalbed methane; accumulation model; coal-forming sources; productive and enrichment; pro- duction characteristics; applicable technology

1 煤層氣成藏條件分(fēn)析

1.1 煤層氣成藏模式和成藏期

1.1.1 煤層氣成藏模式劃分(fēn)爲三類

自生(shēng)自儲吸附型:煤層氣大(dà)部分(fēn)以吸附态存在于煤層中(zhōng)，構造相對穩定的斜坡帶富集。如沁水盆地南(nán)部潘莊水平井單井平均日産氣3萬m3;鄭試60井3#煤埋深1337m，日産氣2000m3。

自生(shēng)自儲遊離(lí)型:煤層吸附氣與遊離(lí)氣多少是相對的，多爲同源共生(shēng)互動，煤層氣一(yī)部分(fēn)以遊離(lí)态存在于煤層中(zhōng)，有的局部構造高點占主體(tǐ)，早期煤層埋藏深、生(shēng)氣量高，後期擡升煤層變淺壓實弱，次生(shēng)割理發育滲透性好，兩翼又(yòu)是烴類供給指向，在有利封蓋層條件下(xià)局部高點形成高滲透的高産富集區。準噶爾盆地彩南(nán)地區彩504井，構造發育的斷塊高點煤層次生(shēng)割理裂隙發育物(wù)性好，遊離(lí)氣與吸附氣同源共儲，煤層深2575m，日産氣6500m3。

内生(shēng)外(wài)儲型:煤層作爲烴源岩，生(shēng)成的氣體(tǐ)向上部或圍岩運移，在有利的圈閉條件下(xià)在砂岩、灰岩中(zhōng)形成遊離(lí)氣藏，使吸附氣、遊離(lí)氣具有同源共生(shēng)性、伴生(shēng)性、轉換性和疊置性，可在平面上疊加成大(dà)面積分(fēn)布。鄂爾多斯盆地東緣韓城地區wl2015井山西組煤層頂闆砂岩厚14.1m，壓裂後井口壓力爲2.32mpa，日産氣2400m3。

圖 1 煤層氣成藏模式圖

1.1.2 煤層氣成藏期劃分(fēn)爲三類

早期成藏:随着沉積作用的進行，煤層埋深逐漸增加，大(dà)量氣體(tǐ)持續生(shēng)成。充分(fēn)的生(shēng)氣環境，良好的運聚勢能，足夠的吸附作用，有利的可封閉、高飽和、高滲透成藏條件，爲早期成藏奠定了基礎。這類氣藏δ13c1相對重(表1)，表現爲原生(shēng)氣藏特征。

構造改造後期成藏:系統的動平衡一(yī)旦被構造斷裂活動打破，即煤層氣藏将被水打開(kāi)，煤層割理被方解石脈充填，則能量将再調整、烴類再分(fēn)配，古煤層氣藏遭受破壞，新的高産富集區塊開(kāi)始形成(圖2)。

受構造擡升後在局部出現斷裂背斜構造，擡升使煤層壓力降低，氣體(tǐ)發生(shēng)解吸，構造運動産生(shēng)的裂隙又(yòu)溝通了低部位的氣體(tǐ)，使之向局部構造高點運移聚集。當盆地沉降接受沉積時，壓力逐漸增大(dà)，再次生(shēng)氣，背斜翼部氣體(tǐ)再吸附聚集，這類氣藏多爲次生(shēng)型，δ13c1相對輕(表1)。

表 1 不同類型氣藏 ch4含量及 δ13c1分(fēn)布表

圖 2 煤層氣運聚成藏過程

開(kāi)采中(zhōng)二次成藏:煤層氣原始狀态爲吸附态，開(kāi)采中(zhōng)壓力降至臨界點後打破原平衡狀态轉變爲遊離(lí)态，氣水将重新分(fēn)配，解吸氣竄層或竄位，從而形成煤層氣開(kāi)采中(zhōng)的二次成藏，這是常規油氣不具備的條件。煤礦區這類氣藏由于鄰近采空區ch4含量較低。

(1)煤層氣二次成藏中(zhōng)的竄位

竄位是指煤層氣開(kāi)采中(zhōng)氣向高處或高滲區運移，水向低部位運移，形成煤粉、氣、水三相流，再開(kāi)發幾年進入殘餘态，微小(xiǎo)孔隙、深部氣大(dà)量産出。煤層氣開(kāi)采過程中(zhōng)，在同一(yī)地區，有些井高産，有些井低産，這與他們所處的構造部位有關，解吸氣向構造頂部或高滲通道差異流向或“遊離(lí)成藏”，煤層氣發生(shēng)竄位，使得高點氣大(dà)水少，甚至後期自噴，向斜水大(dà)氣少。如蒲池背斜煤層氣的開(kāi)發實例(圖3，表2)。

該地區早期整體(tǐ)排水降壓單相流，中(zhōng)期氣、水、煤粉三相流，後期低部位降壓，高部位自噴高産氣井單相流，4年後基本保持現狀。區塊中(zhōng)477口直井和57口水平井已開(kāi)采4年多，目前産氣不産水直井、水平井分(fēn)别爲29%、11%，産水不産氣分(fēn)别爲12%、19%。

(2)煤層氣二次成藏中(zhōng)的竄層

竄層是指煤層氣開(kāi)采中(zhōng)或煤層采空區上部塌陷中(zhōng)解吸氣沿斷層裂隙或後期開(kāi)發中(zhōng)形成的通道等向上再聚集到其他層位。主要有五種情況:①原斷層早期是封閉的，壓力下(xià)降到臨界點後是開(kāi)啓的;②水平井穿透頂底闆和斷層;③壓裂壓開(kāi)頂底闆;④開(kāi)采應力釋放(fàng)産生(shēng)裂縫使解吸氣穿透頂底闆進入砂岩、灰岩形成遊離(lí)氣;⑤煤層采空後頂闆坍塌應力釋放(fàng)，底部出現裂隙帶。

典型實例分(fēn)析:

①阜新煤礦區開(kāi)采應力釋放(fàng)導緻二次成藏

采動、采空區:阜新鑽井7口，采空區坍塌後在煤層頂部砂岩裂隙帶單井日産氣1.5萬～2.15萬m3，ch4含量大(dà)于50%。生(shēng)産1年，單井累計産氣折純最高260萬m3;陽泉年産氣7.16億m3，90%是鄰層抽采;鐵法70%煤層氣是采動區采出(圖4)。

圖3 蒲池背斜煤層氣開(kāi)發特征圖

表 2 蒲池背斜開(kāi)發井開(kāi)采情況

注: 日産氣及日産水兩欄中(zhōng)分(fēn)子爲四年前産量，分(fēn)母爲目前産量。

圖 4 采動、采空區煤層氣開(kāi)采示意圖

②直井壓裂竄層

蒲南(nán)38井壓裂顯示超低破裂壓力，爲9.6mpa，低于鄰井10mpa以上，初期日産水62m3，4年後目前爲54.8m3，累計産氣僅有3.8萬m3。

③水平井竄層

fzp031井煤層進尺4084m，鑽遇率81%，主、分(fēn)支共鑽遇斷層4條，明顯鑽入下(xià)部水層，開(kāi)發效果差(圖5):最高間歇日産氣1366m3，累計産氣29萬m3，累計産水4.3萬m3，目前日産氣392m3，日産水28m3;原水層的構造高點被解吸氣占據。而比該井淺75m的fzp03-3井日産氣3783m3，日産水5m3。

在煤層氣的勘探開(kāi)發中(zhōng)應形成一(yī)次開(kāi)發井網找煤層吸附氣，二次開(kāi)發井網找生(shēng)産中(zhōng)由于開(kāi)采中(zhōng)壓力下(xià)降，烴類由吸附态變遊離(lí)态使氣水重新分(fēn)配，打破原始平衡狀态，解吸氣竄層或竄位形成二次成藏的遊離(lí)氣藏的勘探開(kāi)發思路。

1.2 有利的成煤環境和煤層氣高産富集旋回段

以往油氣勘探上用沉積相分(fēn)析砂體(tǐ)變化特征，通過對大(dà)量煤層粘土礦物(wù)分(fēn)析、植物(wù)鑒定、測井特征，特别是全煤層取心觀察，以及煤質和含氣性分(fēn)析認爲:沉積環境對煤層氣的生(shēng)成、儲集、保存和滲透性能的影響是通過控制儲層物(wù)質組成來實現的，層内的非均質性和煤質的微旋回性受控于沉積環境，并控制層内含氣性和滲透性的非均質變化。

平面上:河間灣相煤層厚、煤質好、含氣量高、單井産量高，河邊高地和湖窪潟湖相相反(表3)。

圖5 fzp03 1、fzp03 3 水平井軌迹示意圖

表3 鄂東氣田 c—p 不同煤岩相帶煤質與産量數據表

縱向上: 受沉積環境影響，厚煤層往往縱向上形成夾矸、暗煤、亮煤幾個沉積旋回，亮煤鏡質組含量高、滲透率高、含氣量高。不同的煤岩組分(fēn)受成煤母質類型的控制，高等植物(wù)豐富，經凝膠化作用形成的亮煤，灰分(fēn)低、鏡質組高、割理發育、含氣量高; 碎屑物(wù)質、水溶解離(lí)子攜入或草本成煤環境的暗煤相反。

武試 1 井 9#煤可劃分(fēn)爲 4 個層内微旋回 ( 圖 6) 。灰分(fēn)含量: 暗煤 14% ～15%，亮煤3. 7% ～ 5. 1% ; 鏡質組含量: 暗煤 23% ～ 49% ，亮煤 66% ～ 79% 。

1.3 構造應力場對煤層氣成藏的控制作用

古應力場高值區斷裂發育，水動力活躍，煤層礦化嚴重，含氣量低; 低值區則煤層割理發育，處于承壓水封閉環境，煤層氣保存條件好，含氣量高。局部構造高點也往往是應力場相對低值區，并且煤層滲透率高、單井産量高，煤層氣保存條件好，煤層沒被水洗刷，含氣量高。

1.4 熱演化作用對煤層氣孔隙結構的控制作用

高煤階以小(xiǎo)于 0. 01μm 的微孔和 0. 01 ～1μm 中(zhōng)孔爲主，一(yī)般在 80% 以上，中(zhōng)、微孔是煤層氣主要吸附空間，靠次生(shēng)割理、裂隙疏通運移;

圖6 武試1井9#煤沉積旋回圖

低煤階以>1μm大(dà)孔和中(zhōng)孔爲主，演化程度低，裂隙不發育，大(dà)孔是吸附氣、遊離(lí)氣主要儲集空間和擴散、滲流和産出通道;

中(zhōng)煤階以中(zhōng)、大(dà)孔爲主，中(zhōng)、大(dà)孔是煤層氣擴散、滲流通道。

核磁共振:煤層氣藏儲層的t2弛豫時間譜，爲特征的雙峰結構，與常規低滲透儲層t2弛豫時間譜相對照，煤層氣儲層的兩個峰之間有明顯的間隔，這說明對于煤層氣儲層，束縛水與可動流體(tǐ)并不能有效溝通。然而不同煤階煤儲層t2譜的結構不同，這源于不同的孔隙結構(圖7、圖8)，低煤階以大(dà)孔爲主、高煤階以微孔小(xiǎo)孔爲主，高煤階曲線峰值煤層左峰高右峰低，峰值中(zhōng)間零值，低煤階相反，左峰爲不可流動孔隙，右峰爲可流動的次生(shēng)割理裂隙儲集體(tǐ);高煤階右峰可流動峰值越高(割理發育)，氣井産量越高(圖9)。

1.5 水動力場對煤層氣藏的控制作用

圖7 高、低煤階孔隙結構特征

局部構造高點滞留水區低産水高産氣，向斜承壓區高産水。地下(xià)水一(yī)般在斜坡溝谷活躍，符合水往低處流、氣向高處運移的機理。樊莊區塊滞流—弱徑流區域多爲>2500m3/d高産井;東部地下(xià)水補給區含氣量<10m3/t、含氣飽和度55%，見氣慢(màn)，單井産量200～500m3/d(圖10)。

圖8 不同煤階孔隙分(fēn)布特征圖

圖9 不同煤階煤儲層t2弛豫時間譜

2 煤層氣開(kāi)采特征

對于中(zhōng)國中(zhōng)低滲透性煤層，煤層氣井一(yī)般爲300m×300m井距，單井産量穩産期4～6年，水平井更短，開(kāi)采中(zhōng)劃分(fēn)爲上升期、穩産期、遞減期三個階段，遞減期又(yòu)可劃分(fēn)爲多個階梯狀遞減階段。

2.1 構造部位和層内非均質性的差異形成三類開(kāi)采特征

自給型:往往位于構造平緩、均質性強的地區。氣産量爲本井降壓半徑之内解吸的氣從本井産出。排采井一(yī)般處于構造平緩部位，層内均質性強。日産氣上升—穩産—遞減三個階段，這類井多低産(圖11)。

圖10 樊莊區塊地下(xià)水與含氣量、煤層氣高産區關系圖

圖11 煤層氣單井開(kāi)采特征圖

外(wài)輸型:位于構造翼部、非均質性強的地區。氣産量一(yī)部分(fēn)通過本井降壓解吸半徑内從本井産出，而大(dà)部分(fēn)通過高滲通道或沿上傾部位擴散到其他井内産出。排采井一(yī)般處于構造翼部、非均質性強。日産氣低産或不産—上升—緩慢(màn)遞減，這類井多低産，并且産量遞減快。

蒲池背斜的p111、pn11、pn25、hp110、hp2113井位于背斜的翼部，屬于構造的相對低部位，基本上沒有氣産出，而産水量較大(dà)，分(fēn)析由于降壓而解吸出來的氣體(tǐ)向構造高部位運移而沒有産出，具有輸出型的開(kāi)采特征。

輸入型:多位于構造高點。初期本井降壓解吸氣随降壓漏鬥從本井産出，後期構造下(xià)傾部位解吸氣又(yòu)運移到本井産出。排采井處于構造高點，這類井一(yī)般高産、穩産期長。日産氣上升—穩産—上升—遞減。

蒲池背斜中(zhōng)位于構造高點的pn14、p13、pn27、p15井産氣量高而産水量低，這與低部位氣體(tǐ)的擴散輸入有關，具有典型的輸入型開(kāi)采特征。

2.2 降壓速率不同形成三類開(kāi)采效果

2.2.1 暢通型解吸

抽排液面控制合理，降壓速率接近解吸速率，有效應力引起的負效應小(xiǎo)于基質收縮引起的正效應，滲透率随開(kāi)采的束縛水、氣産出上升—穩定，氣泡帶出部分(fēn)束縛水，産量理想(圖12Ⅰ)。以固x1井爲例，該井排采制度合理，經半年的排水降壓後液面基本保持穩定，日産氣穩定在4320m3/d以上，目前還保持穩産高産。

圖12 不同措施煤層氣井産氣影響特征曲線

2.2.2 超臨界型解吸

解吸速率小(xiǎo)于降壓速率，降壓液面下(xià)降速度太快，煤層裂縫、割理産生(shēng)應力閉合，日産氣急劇上升—急劇下(xià)降，滲透率下(xià)降—穩定，産氣效果差(圖12Ⅱ)。以固y2井爲例，該井經30餘天的排水降壓，液面降至煤層以下(xià)，由于抽排速度過快，前期産氣效果差，2010年7月二次壓裂及排采制度調整後，氣體(tǐ)日産氣量最高達4000m3/d，後期穩定在1600m3/d以上;pzp03井在産氣高峰期日降液面63～87m，造成該井初期是全國單井産量最高(10.5萬)而目前是該區單井産量最低的井。

2.2.3 阻礙型解吸

降液速率過慢(màn)，解吸速率大(dà)于降壓速率，有效應力引起的負效應大(dà)于基質收縮的正效應，氣泡變形解吸困難，降壓早期受煤粉堵塞，液面阻力作用解吸不暢通，日産氣不穩定，開(kāi)發效果差(圖12Ⅲ)。fzp03-3井開(kāi)采770天關井26次以上，開(kāi)發效果很差。

2.3 煤層水類型及其開(kāi)采特征

煤層水可劃分(fēn)爲層内水、層間水和外(wài)源水;高産氣區爲層内、層間水，有外(wài)源水區爲低産氣區。

(1)層内水:煤層割理、裂隙中(zhōng)的水。日産水小(xiǎo)，開(kāi)采中(zhōng)後期高部位幾乎不産，低部位遞減。層内水又(yòu)可進一(yī)步劃分(fēn)爲可動水(洞縫)、吸附水(煤粒面)、濕存水(<10－5cm毛管内)、結晶水(碳酸鈣)四類。

(2)層間水:薄夾層水滲入煤層。開(kāi)采中(zhōng)産水量明顯遞減，可控制。

有層間水的氣井連續降壓可控制水産量，提高開(kāi)發效果。沁水樊莊fzp111井煤層總進尺4710m。2009年4月投産，最高日産水175m3，目前日産氣21436m3，日産水20.7m3，套壓0.15mpa，液面4m，累計産水3.7萬m3，累計采氣814萬m3。可以看出，對有層間水進入煤層氣井的情況，短期加大(dà)排水量，後期日産氣持續上升，開(kāi)發效果較好。

(3)外(wài)源水:斷層或裂縫溝通高滲奧灰水及其他水層。産水大(dà)，難控制。

3 煤層氣勘探開(kāi)發适用技術分(fēn)析

3.1 地震avo技術預測高産富集區

煤層與圍岩波阻抗差大(dà)，煤層本身是強反射。其内含氣、含水的差異在局部異常突出:高含氣後振幅随偏移距增大(dà)而減少産生(shēng)avo異常(亮點)，這與常規天然氣高阻抗振幅随偏移距增大(dà)而增大(dà)出現的亮點概念不同，具有以下(xià)特征:高産井強avo異常(高含氣量低含水)，煤層段爲大(dà)截距、大(dà)梯度異常，即亮點中(zhōng)的強點;低産井弱avo異常(低含氣量高含水)爲低含氣、低飽和、低滲透特征。

煤層氣高産區強avo異常區的吉試1井5#煤含氣量21m3/t，日産氣2847m3(圖13);低産區弱avo異常的吉試4井5#煤含氣量12m3，日産氣64m3，産水90m3。據此理論，可用地震avo技術預測高産富集區。

圖13 吉試1井5#煤avo特征圖

3.2 定向羽狀水平井鑽井适用地質條件

全國已鑽定向羽狀水平井160餘口，單井最高日産氣10.5萬m3。定向羽狀水平井技術适合于開(kāi)采較低滲透儲層的煤層氣，集鑽井、完井與增産措施于一(yī)體(tǐ)，能夠最大(dà)限度地溝通煤層中(zhōng)的天然裂縫系統，使同一(yī)個地區單井産量可提高5～10倍，适用地質條件有以下(xià)10點:

(1)構造穩定無較大(dà)斷層:fzp031鑽遇4條斷層，日産氣最高1366m3，目前687m3，日産水32～75m3;韓城04、07、09井日産水20～48m3，日産氣小(xiǎo)于60m3。

(2)遠離(lí)水層封蓋條件好:三交頂闆泥岩厚<2m，水大(dà)氣少，sj61井9#煤厚9.4m，頂闆6.8m灰岩，煤層進尺4137m，鑽遇率100%，最高日産水465m3，19個月産水4.6萬m3，不産氣。

(3)軟煤構造煤不發育:韓城、和順12口井單井平均日産氣720m3。

(4)煤層埋深小(xiǎo)于1000m:煤層深800～1000m的武m11、fz151井日産氣<500m3。

(5)煤厚>5m:柳林cl3井煤層厚4m，最高日産氣0.95萬m3，穩産160天遞減，日産氣2807m3，累計121萬m3。

(6)含氣量>15m3/t:潘莊東部8m3/t(蓋層厚2～5m)，北(běi)部15～22m3/t(蓋層厚>10m)，盡管東部比北(běi)部淺100～200m，而北(běi)部6口井單井平均日産氣3.0萬m3，東部7口爲1869m3，最高3697m3，相距6km單井産量差20倍。

(7)主分(fēn)支平行煤層或上傾:單井平均日産氣、階段累計和地層下(xià)降1mpa采氣效果分(fēn)析，水平井軌迹:平行煤層産狀最好，其次上傾，下(xià)傾差;“凸”“凹”型最差。

(8)煤層有效進尺>3000m:水平段煤層進尺<2000m的單井最高日産氣<800m3，階段累計采氣<2.0萬m3。

(9)分(fēn)支展布合理:主支長1000m左右，分(fēn)支間距200～300m，夾角10°～20°。

(10)煤層有效鑽遇率>85%:10口井煤層鑽遇率<85%，并投産1年以上，單井平均日産氣800m3，最高<2000m3，階段平均累計采氣27萬m3。

3.3 超短半徑水力噴射鑽井适用條件

我(wǒ)國利用該技術已鑽煤層氣井23口以上，效果均不理想。主要原因爲低滲透，噴孔直徑小(xiǎo)、彎曲大(dà)，前噴後堵;水力噴射開(kāi)窗直徑28mm，孔徑小(xiǎo)，排采中(zhōng)易被煤粉和水堵塞。可進行旋轉式大(dà)口徑噴咀和裸眼噴射試驗。

3.4 “山”型井、u型井、v型井鑽井适用條件

由于中(zhōng)國煤層氣藏具有低滲透的特點，且多屬斷塊氣藏，u型水平井溝通煤層面積小(xiǎo)，應用效果較差。我(wǒ)國鑽u型水平井16口以上，增産效果不明顯。

sj12-1井分(fēn)段壓裂日産氣穩産1750m3，累計産氣19.1萬m3，開(kāi)采3個半月後已遞減。水平段下(xià)油管、玻璃鋼管都取得成功，低滲透氣藏效果差。較高滲透區［(1.0～3.6)×10－3μm2］效果好:彬長、寺河單井日産氣0.56萬～1.4萬m3。

今後可進行1口水平井穿多個直井的“山”字型井組試驗，目前國外(wài)利用該技術開(kāi)發鹽岩已成功。

4 結論

(1)根據中(zhōng)國煤層氣勘探開(kāi)發實踐認識将煤層氣成藏模式劃分(fēn)爲自生(shēng)自儲吸附型、自生(shēng)自儲遊離(lí)型、内生(shēng)外(wài)儲型三類;同時，認爲煤層氣成藏期劃分(fēn)早期成藏、後期構造改造成藏和開(kāi)采中(zhōng)二次成藏三類，開(kāi)采中(zhōng)二次成藏将是煤層氣開(kāi)發二次井網的主要産量接替領域。

(2)利用沉積相分(fēn)析厚煤層、優質煤層和高産富集區;分(fēn)析厚煤層的層内微旋回，成煤母質控制煤岩組分(fēn)和單井産量，高等植物(wù)豐富，經凝膠化作用形成的亮煤，灰分(fēn)低、鏡質組高、割理發育、含氣量高，是高産富集段;碎屑物(wù)質、水溶解離(lí)子攜入或草本成煤環境的暗煤相反。

(3)古應力場低值區則煤層割理發育，處于承壓水封閉環境，煤層氣保存條件好，含氣量高;滞留水區低産水高産氣，向斜承壓區高産水。

(4)由構造部位和層内非均質性的差異形成自給型、外(wài)輸型和輸入型三類開(kāi)采特征，由降壓速率不同形成暢通型、阻礙型和超臨界型三類開(kāi)采效果。

(5)高産井強avo異常，即亮點中(zhōng)的強點;低産井弱avo異常，爲低含氣、低飽和、低滲透特征。定向羽狀水平井在适用的地質條件和鑽井方式下(xià)才能取得較好的開(kāi)發效果;超短半徑水力噴射應首選滲透率較高、煤層構造相對穩定、含氣量和飽和度較高煤層應用;u型、v型水平井鑽井技術在低滲透氣藏中(zhōng)效果差，高滲透區效果好。

參考文獻

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二、煤層氣地面開(kāi)發技術

綜合國内外(wài)煤層氣産業化發展曆程，煤層氣開(kāi)發領域逐漸擴展，已從最初的中(zhōng)煤階氣肥煤逐步擴展到低煤階褐煤和高煤階貧煤、無煙煤；同時，煤層氣開(kāi)發技術也不斷發展，初步形成針對不同地質條件下(xià)煤層滲透性、力學性質、井壁穩定性的煤層氣開(kāi)發技術系列，針對中(zhōng)國煤層氣地質特點（表8-12），逐步探索适合我(wǒ)國煤層氣勘探開(kāi)發的工(gōng)藝技術。

1.中(zhōng)低煤階高滲區空氣鑽井裸眼/洞穴完井開(kāi)采煤層氣技術

低煤階區煤層滲透率一(yī)般大(dà)于5×10-3μm2，中(zhōng)煤階高滲區煤層滲透率也能大(dà)于5×10-3μm2。對于此類高滲煤層的煤層氣開(kāi)采，不需壓裂改造（低煤階煤層機械強度低，壓裂易形成大(dà)量煤粉堵塞割理），可對煤層段裸眼下(xià)篩管完井或采用洞穴完井方式，根據煤層在應力發生(shēng)變化時易坍塌的特點造洞穴，擴大(dà)煤層裸露面積，提高單井産量；同時對高滲透煤層采用空氣鑽井，既可提高鑽速，又(yòu)可有效減小(xiǎo)煤層污染。

（1）煤層氣空氣鑽井技術

空氣鑽井的主要優點是可實現欠平衡鑽井，煤層損害小(xiǎo)、鑽速快、鑽井周期短，綜合鑽井成本低。但空氣鑽井也存在局限性，并不是任何地層都适用。由于空氣不能攜帶保持井眼穩定的添加劑，所以不能直接用空氣鑽穿不穩定地層。當鑽遇含水層時，岩屑及更細的粉塵會變爲段塞。由于液體(tǐ)在環空中(zhōng)出現，會潤濕水敏性頁岩，這會導緻井塌而卡鑽。而且濕岩屑會黏附在一(yī)起在鑽杆外(wài)壁上形成泥餅環，不能被空氣從環空中(zhōng)帶上來，當填充環空時，阻止了空氣流動并産生(shēng)卡鑽。而且随着這些間歇的空氣大(dà)段塞沿着井眼向上運移，它們會堵塞地面設備并且對井壁産生(shēng)不穩定性效應。因此，空氣鑽井的關鍵在于保持井壁的穩定性。

（2）煤層氣洞穴完井技術

裸眼洞穴完井作爲一(yī)種新興的完井方法，目前在國外(wài)如美國聖胡安盆地、粉河盆地的一(yī)些煤層氣田開(kāi)發中(zhōng)應用取得了意想不到的良好效果，特别是在高滲透率、超高壓的煤層氣田開(kāi)發中(zhōng)得到很好的應用效果。該技術在2007年新疆昌吉地區昌試1井進行了試驗，取得了一(yī)定的效果。

2.中(zhōng)高煤階中(zhōng)滲區大(dà)井組直井壓裂技術

中(zhōng)高煤階中(zhōng)滲區煤層滲透率一(yī)般0.5～5 ×10-3 μm2 ，采用套管射孔加砂壓裂提高單井産量效果最明顯。其技術關鍵在于鑽大(dà)井組壓裂後長期、連續抽排，實現大(dà)面積降壓後，煤層吸附的甲烷氣大(dà)量解吸而産氣。同一(yī)口井比未壓裂時的産量提高數十倍。适用于沁水盆地南(nán)部、鄂爾多斯盆地東南(nán)緣、甯武盆地南(nán)部、準噶爾盆地東南(nán)緣、二連盆地等。

3.中(zhōng)高煤階多分(fēn)支水平井技術

該技術主要适用于機械強度高、井壁穩定的中(zhōng)高煤階含煤區，通過鑽多分(fēn)支井增加煤層裸露面積，溝通天然割理、裂隙，提高單井産量和采收率，效果相當顯著。同時，對于低滲（<0.5×10-3μm2）薄煤層（<2m）地區，也是解決單井産量低、經濟效益差的主要技術手段。經試驗晉城地區樊莊區塊羽狀水平井單井平均日産氣1.6×104m3，潘莊地區單井日産量達10×104m3，比單井直井産量平均提高6～10倍。适用于沁水盆地南(nán)部、甯武盆地南(nán)部、鄂爾多斯盆地東南(nán)緣中(zhōng)高煤階區。

表8-12 煤層氣勘探适用技術分(fēn)析表

4.u型鑽井及水平井鑽井技術

鑽遇煤層水平段長1～2km，然後與另一(yī)直井進行末段兩井間穿針對接，比單井直井産量提高2～3倍。适用于沁水盆地南(nán)部、甯武盆地南(nán)部、鄂爾多斯盆地東南(nán)緣、準噶爾盆地東南(nán)緣、吐哈盆地三塘湖等中(zhōng)高煤階區。

5.超短半徑水力噴射鑽井技術

在煤層中(zhōng)分(fēn)幾段沿360°方向水力噴射鑽進100～200m，單井産量可提高2～5倍。适用于沁水盆地南(nán)部、鄂爾多斯盆地東南(nán)緣、阜新盆地、霍林河盆地、準噶爾盆地東南(nán)緣等各類煤階煤層分(fēn)布區。

三、煤層氣田地面集輸工(gōng)藝技術

王熒光

( 中(zhōng)油遼河工(gōng)程有限公司 遼甯盤錦 124010)

摘 要: 由于煤層氣田“低産、低壓、低滲”和地區地形複雜(zá)，相對高差較大(dà)的特點，不同程度地加大(dà)了工(gōng)程設計與建設的難度，開(kāi)采與輸送成本相當較高。如繼續沿用傳統技術和石油天然氣工(gōng)程相關标準，将無法大(dà)幅度降低工(gōng)程投資(zī)、減少操作成本、節省土地，無法實現煤層氣田的效益開(kāi)發。根據煤層氣田集輸工(gōng)藝特點，堅持地面與地下(xià)充分(fēn)結合的原則，研究出了一(yī)套先進合理、經濟适用并符合中(zhōng)國煤層氣特點的煤層氣田地面集輸技術 “枝上枝‘閥組布站’”工(gōng)藝技術。并從集輸半徑、壓縮機的選型、管材的選擇、節能和水力學等方面進行了研究。結果表明新技術的應用極大(dà)地改善了流體(tǐ)流動環境，簡化了流程。

關鍵詞: 煤層氣 地面集輸 低壓 低産 低滲 節能

基金項目: 國家科技重大(dà)專項項目 39 ( 20092 ×05039) 資(zī)助。國家高技術發展項目 “沁南(nán)煤層氣開(kāi)發利用高技術産業化示範工(gōng)程”資(zī)助。

作者簡介: 王熒光，男，工(gōng)程師，2005 年畢業于遼甯石油化工(gōng)大(dà)學，化學工(gōng)程與工(gōng)藝專業，碩士學位，現主要從事石油天然氣工(gōng)程設計及研究工(gōng)作。地址: ( 124010) 遼甯省盤錦市興隆台區石油大(dà)街 93 号。電(diàn)話(huà): ( 0427)7806753，15842701850; e mail: wangyingguang7@ 126. com.

ground gathering and transportation technology of coal bed methane ( cbm)

wang yingguang

( petrochina liaohe petroleum engineering co. ，ltd. ，panjin 124010，liaoning ，china)

abstract: exploitation and construction of cbm field has just started up stage in china. neither specification nor successful experience can be learnt for design of cbm field yet. it is inevitable that copying indiscriminately the petrleum industial standards leads to increase project investment，which lowers the whole economic benefit of the cbm field. technologies of independent innovation are formed in panhe cbm field in the south qinshui basin in accordance with the characteristics of low yield，low pressure，low permeability，relative complicated topography and large height difference，etc. the main contribution includes the following aspects: diamond well spacing，run- ning in tandem between two wells，simple measurement at valve block，gas collection under low pressure，cent ral- ized turbocharged，which is called“multi branch manifold”disposal station to own its special ground const ruc- tion style. the new technology is character by low investment，quick results，convenient for managing and maintai- ning，fewer operators ＆ equipments and less energy consumed，active organization，environmental protection and less land occupation，etc.

keywords: coal bed methane，ground gathering and transportation，low pressure，low production，low per- meability，energy saving

引言

我(wǒ)國油氣資(zī)源短缺，2010年中(zhōng)國天然氣供需缺口達到(210～250)×108m3，而成分(fēn)、熱值與常規天然氣相似，且資(zī)源豐富的煤層氣自然是目前最現實的天然氣接替資(zī)源。目前，煤層氣地面已實現大(dà)規模商(shāng)業化開(kāi)采的國家僅爲美國和加拿大(dà)，其中(zhōng)美國是煤層氣商(shāng)業化開(kāi)發最爲成功、煤層氣産量最高的國家。我(wǒ)國由于煤層氣田“低産、低壓、低滲”和地區地形複雜(zá)，相對高差較大(dà)的地勢特點，如繼續沿用傳統的集輸技術，将無法實現煤層氣田的效益開(kāi)發，減慢(màn)了我(wǒ)國煤層氣産業進入實質性商(shāng)業化生(shēng)産的進程。所有這一(yī)切，都說明，要達到煤層氣田高效低成本的規模性開(kāi)發，實現我(wǒ)國煤層氣工(gōng)業自主創新的要求，就必須研究出一(yī)套先進的全新工(gōng)藝技術來指導目前及今後的煤層氣田的地面工(gōng)程建設。因此根據國内煤層氣資(zī)源和開(kāi)發情況，以實現大(dà)幅度降低煤層氣田地面建設工(gōng)程投資(zī)、減少操作成本、節省土地和煤層氣田的效益開(kāi)發爲目标。通過對煤層氣田集輸工(gōng)藝特點的詳盡分(fēn)析，堅持地面與地下(xià)充分(fēn)結合的原則，緊緊圍繞煤層氣集輸工(gōng)藝技術開(kāi)展大(dà)量的創新、研究、比選等工(gōng)程技術攻關工(gōng)作，研究出了一(yī)套先進合理、經濟适用并符合我(wǒ)國煤層氣特點的煤層氣田地面集輸技術———“枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術。新技術突破了從我(wǒ)國解放(fàng)到現在的60多年間标準規範中(zhōng)一(yī)直規定的采氣管道長度不宜大(dà)于5km的限制，極大(dà)地降低了投資(zī)、能耗和操作複雜(zá)程度，多項指标均處于國際先進水平。

1 煤層氣地面集輸工(gōng)藝新技術

1.1 “枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術的原理［1］

圖1“枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術原理圖

1.1 “枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術的原理［1］

“枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術(圖1)是對傳統的布站技術的挑戰，它将集氣計量站改爲閥組，而閥組在天然氣集氣幹管與大(dà)量采氣支線之間形成了結點，通過這個節點将若幹條采氣管道中(zhōng)的天然氣集中(zhōng)到集氣幹管中(zhōng)。集氣站的外(wài)輸管道就像是樹(shù)幹，閥組到集氣站的集氣支線就像是樹(shù)枝，每一(yī)個閥組又(yòu)像樹(shù)枝上的結點，而所有與結點連接的采氣管道就像是小(xiǎo)的樹(shù)枝。新技術與傳統技術之間的本質區别在于:傳統技術是用一(yī)個站(有值班間、儀表、電(diàn)氣、設備、門衛、維修、圍牆及大(dà)門等有人值守的站)，把10～20口采氣管道彙集在一(yī)起;新技術是用一(yī)個閥組(通常位于采氣井口周邊，相當于一(yī)個普通管件)把大(dà)量的采氣管道彙集在一(yī)起，理論上講，新技術的應用取消了傳統技術中(zhōng)需要建設的無數個有人值守的站，最重要的是極大(dà)地簡化了流程和投資(zī)。

1.2 “枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術的理論驗證

1.2.1 按允許壓降計算出的采氣半徑

采用國内公認的《油氣集輸設計規範》中(zhōng)規定使用的威莫斯(weymouth)公式，根據實際壓降計算得:“枝上枝”閥組布站中(zhōng)采氣井口至閥組部分(fēn)長度8.3km，閥組至集氣站23.5km，采氣管道總長31.8km;傳統布站中(zhōng)采氣管道總長11.3km(圖2)。

圖2 不同布站方式采氣半徑計算示意圖

1.2.2 “枝上枝”閥組布站采氣半徑較傳統布站方式增加的原因分(fēn)析

(1)閥組布站與傳統分(fēn)散增壓布站非共有管段的采氣管道長度之比y/z的理論推導。管道共有段根據《油氣集輸設計規範》的威莫斯(weymouth)公式:

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

将其兩側平方并變形得到如下(xià)公式:

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

在本計算中(zhōng)兩種布站方法管道共有段的5033.112(p12－p22)/△zt可看成常數，因此根據實際計算數據得“枝上枝”閥組布站(d8/3)1/傳統布站(d8/3)2爲

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

“枝上枝”閥組布站(1/qv)1/傳統布站(1/qv)2得

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

最後得［(d8/3/qv)1/(d8/3/qv)2］2=(35.63/12)2=8.8，即y/z=8.8。

(2)“枝上枝”閥組布站閥組至集氣增壓站采氣管道長度與共有段采氣管道長度之比y/x的理論推導。

管道共有段根據《油氣集輸設計規範》的威莫斯(weymouth)公式:

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

将其兩側平方并變形得到如下(xià)公式:

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

在本計算中(zhōng)取決于(d8/3/qv)2與(p12－p22)/t。将實際數據帶入得

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

得y/x=3.3

解方程組:

圖3“枝上枝”閥組布站與傳統分(fēn)散增壓布站采氣半徑計算示意圖

y/x=3.3，y/z=8.8得(x+y)/(x+z)=3.13

即“枝上枝”閥組布站采氣管道長度是傳統分(fēn)散增壓采氣管道長度的3.13倍。

(3)“枝上枝”閥組布站與傳統的集中(zhōng)增壓布站之間的比較。

圖4“枝上枝”閥組布站與傳統集中(zhōng)增壓布站采氣半徑計算示意圖

管道共有段根據《油氣集輸設計規範》的威莫斯(weymouth)公式:

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

将其兩側平方并變形得到如下(xià)公式:

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

在本計算中(zhōng)取決于(d8/3/qv)2與(p12－p22)/t。将實際數據帶入得

中(zhōng)國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研讨會論文集

得y/x=3.3。

則得(y+x)/x=4.3，即“枝上枝”閥組布站采氣管道長度是傳統集中(zhōng)增壓采氣管道長度的4.3倍。

1.3 “枝上枝”閥組布站工(gōng)藝技術的創新點

(1)新技術極大(dà)地簡化了流程。與傳統的三級布站或二級布站相比，一(yī)步簡化成一(yī)級布站;

(2)由節點技術取代了集氣計量站，使得工(gōng)藝得到實質性的簡化，取消了所有建築、容器設備、值班人員(yuán)，閥組占地小(xiǎo)于井口占地，投資(zī)得到大(dà)幅度降低，新技術與傳統技術相比投資(zī)降低了55%;

(3)采氣半徑由規範規定的小(xiǎo)于5km，延長到3倍以上，不僅進一(yī)步簡化了采集氣系統，投資(zī)得到進一(yī)步降低，而且産能規模成倍擴大(dà);

(4)新技術使氣田能耗僅爲5431.56mj/104m3，遠低于國内6949mj/104m3能耗先進指标;

(5)新技術使氣田占地面積由67.8畝減少到42.3畝，減幅達37.6%;

(6)操作人員(yuán)由63人減少到21人，減幅達66.7%。

1.4 井口集輸工(gōng)藝

煤層氣井采用排水降壓采氣工(gōng)藝(圖5)，通過抽油機把地下(xià)煤層裏的水從油管裏抽出，直接排放(fàng)到井場附近的晾水坑，進行晾曬，自然蒸發;煤層氣随地下(xià)水的采出地層壓力降低而不斷的析出，當套管壓力被節流到0.2mpa(g)時，通過采氣管道，進入煤層氣采集系統。

圖5 井口采氣原理示意圖

1.5 集氣閥組工(gōng)藝

由于目前煤層氣中(zhōng)含水量很少，故閥組不設分(fēn)離(lí)器，既節約了占地又(yòu)節省了投資(zī)。

井口來的煤層氣到達集氣閥組後壓力爲0.15mpa(g)，進入集氣閥組的生(shēng)産彙管，經總計量後進入集氣管道;在集氣閥組設置單井輪換計量，可以根據需要輪換計量每口井的産氣量。每口井的采氣管道在集氣閥組都有放(fàng)空流程，當采氣管道檢修時，打開(kāi)放(fàng)空閥，進入放(fàng)空彙管，經放(fàng)空管排入大(dà)氣;閥組的總流量以及溫度、壓力參數通過rtu利用無線傳輸系統傳輸至增壓站。生(shēng)産閥組彙管上設有安全閥，當采、集氣管道壓力達到0.4mpa(g)安全閥起跳，将超壓部分(fēn)氣體(tǐ)排放(fàng)至放(fàng)空管(圖6)。

圖6 閥組工(gōng)藝原理示意圖

1.6 集中(zhōng)增壓站工(gōng)藝

在進站彙管上設有緊急關斷和緊急放(fàng)空閥，當出現事故時立即關閉緊急關斷閥，同時打開(kāi)緊急放(fàng)空閥，進入火(huǒ)炬系統。在進、出站煤層氣管道上設有溫度、壓力等參數以及壓縮機的運行等參數進入儀表間的過程控制系統，進行檢測、顯示。在集氣站的外(wài)輸管道上設有流量計量裝置，煤層氣的外(wài)輸氣量進入儀表間的過程控制系統，進行檢測、顯示。在壓縮機的進、出口分(fēn)離(lí)器設有液位計及液體(tǐ)自動排污裝置，進入儀表間的過程控制系統，進行檢測、顯示(圖7)。

圖7 集氣增壓站工(gōng)藝流程示意圖

2 煤層氣田地面集輸其他配套技術

2.1 互換式煙氣節能轉換技術研究［2］

對燃氣發電(diàn)機的廢熱利用是通過煙氣采集、廢熱鍋爐換熱，再配以驅動泵，讓水在換熱系統中(zhōng)循環來吸收煙氣熱能這一(yī)途徑來達到廢熱利用的目的。完成換熱後的熱水或者水蒸汽用來采暖或者做功，其實質就是提高燃氣的利用率，以達到節約燃氣的目的。

互換式煙氣節能轉換系統主要由兩部分(fēn)組成。第一(yī)，采熱裝置:熱交換器。第二，動力設備:循環水驅動泵(如果集氣站比較大(dà)，可增設能量轉換裝置，如蒸汽發電(diàn)機及乏汽回收裝置冷凝塔)。将上述設備利用管路連接，循環水在其間循環流動，構成廢熱利用系統。完成熱交換後的煙氣還可以送入吸收式空調(溴化锂空調)，完成供暖或制冷。

發動機煙氣和循環水同時通過熱交換器，進行熱交換，達到溫度要求後的循環水在動力泵的作用下(xià)進入循環，提供采暖和生(shēng)活用水，在水源缺乏的地區，廢水回收處理後可進入系統進行循環利用。換熱器内設有換熱管，水在換熱管内循環，發動機排放(fàng)的煙氣通過換熱管間隙，在對流過程中(zhōng)完成換熱，對煙氣的熱能進行利用。

2.2 煤層氣增壓設備的優選［2］

壓縮機的種類有很多、分(fēn)類的方法各異，按工(gōng)作原理的不同可分(fēn)爲兩大(dà)類:容積式壓縮機和速度式壓縮機。在容積式壓縮機中(zhōng)，氣體(tǐ)壓力的提高是由于壓縮過程中(zhōng)氣體(tǐ)的體(tǐ)積密度增加所造成的;而速度型壓縮機是先使氣體(tǐ)在動力作用下(xià)達到很高的速度(動能)，然後在擴散器中(zhōng)急劇降速，使氣體(tǐ)的動能轉化爲壓力能(勢能)，提高被壓縮氣體(tǐ)的動力。在煤層氣礦場集輸中(zhōng)，一(yī)般經常采用的是容積型的往複式壓縮機或速度型的離(lí)心式壓縮機。

2.2.1 壓縮機的比較

從表1可以看出，往複式壓縮機與離(lí)心式壓縮機相比，其特點爲:

(1)壓力适用範圍廣:從低壓到超高壓都可适用，目前工(gōng)業上使用到350mpa，實驗室中(zhōng)使用的壓力更高。

(2)效率高:由于活塞兩側高、低壓流體(tǐ)間的密封性好，往複式壓縮機的效率比離(lí)心式壓縮機高得多。

(3)适應性強:往複式壓縮機的排氣量可在大(dà)範圍内變動，氣體(tǐ)的密度變化對壓縮機工(gōng)作的影響不如速度型的顯著，對負荷變動和氣質變化的适應能力都強。

目前煤層氣礦場增壓的處理量小(xiǎo)，壓比波動幅度大(dà)，因此多采用往複式壓縮機。爲了适應礦場的實際工(gōng)作環境的條件，以天然氣爲燃料，由燃氣發動機提供的一(yī)體(tǐ)化活塞式壓縮機組在礦場增壓中(zhōng)得到了廣泛應用。

表1 壓縮機優缺點對比表

2.2.2 壓縮機原動機的比較

在煤層氣田上使用的往複式壓縮機，以燃氣發動機和電(diàn)動機爲驅動力爲宜。

最終采取何種驅動方式應作技術經濟對比後才能确定。方案對比應包括設備自身投資(zī)、供電(diàn)線路投資(zī)、管理方便等方面。如果外(wài)供電(diàn)條件好，應優先選用電(diàn)機驅動，電(diàn)機驅動具有操作簡單、管理方便的優點。燃氣驅動更适用于無外(wài)供電(diàn)條件或外(wài)供電(diàn)條件差的情況(表2)。

表2 壓縮機機驅動方式綜合對比表

2.3 管道材質的選用［3］

由于煤層氣井産出的煤層氣節流後的壓力爲0.2mpa(最大(dà)0.4mpa)、溫度≤20℃，因此，合理的選用采氣管道的材料對降低工(gōng)程造價，提高施工(gōng)速度起着關鍵的作用，根據目前生(shēng)産實際情況，采用pe管道和鋼制管道在技術上均是可行的。我(wǒ)們在經濟上對兩種管道材料進行了對比，由pe管、鋼管管道投資(zī)對比表及管徑與管道總投資(zī)關聯曲線看出，當采、集氣管道的公稱直徑dn≤250，采用pe管道材料等級爲pe100更爲經濟，當公稱直徑dn>300采用鋼制管道更爲經濟。

2.4 水力學計算的優化選擇

(1)根據大(dà)量研究數據發現，由于油氣集輸設計規範(gb503502005)中(zhōng)所用weymouth公式的管内壁粗糙度較大(dà)(0.0508mm)，且忽略了管線起伏變化過程中(zhōng)壓降的加速成分(fēn)，因此，計算結果較保守。同時，由于管道使用一(yī)段時間後，其粗糙度較新管道越來越大(dà)，計算結果也會較符合實際情況。

(2)對于計算軟件，pipelinestudio是專業計算調峰和水擊計算的，其優勢是動态分(fēn)析，盡管内部具有壓降計算方法，但方法有限，且有使用限制。而pipephase是專業進算管道壓降，段塞流和水合物(wù)的軟件，内置公式較多，通用性較強，且具有經過大(dà)量工(gōng)程驗證的校正系數，故本研究最終确定選用pipephase作爲煤層氣田水力學計算軟件。

(3)對于水力學計算方法，根據上述對比表明mukherjee-brill，dukler-eaton，beggs，brill ＆ moody，beggs ＆ brill計算結果一(yī)樣，均可作爲煤層氣田的水力學計算方法。但使用過程建議首選beggs，brill ＆ moody公式，因爲其具有經大(dà)量工(gōng)程驗證和被行業普遍采用的管道起伏校正因子，可使結果更接近實際情況，其次在不知(zhī)道選擇何種計算方法時可以選擇mukherjee-brill，因爲該方法适合使用到山區地形變化起伏的管道上，該水力學計算方法是唯一(yī)适合所有流體(tǐ)構造的計算流體(tǐ)狀态的模型。

3 煤層地面集輸工(gōng)藝技術的應用效果

3.1 應用情況

“枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術已應用推廣到我(wǒ)國兩大(dà)煤層氣産業基地建設中(zhōng)，如:沁南(nán)煤層氣開(kāi)發高技術産業化示範工(gōng)程、山西沁水盆地南(nán)部煤層氣直井開(kāi)發示範工(gōng)程、山西柿莊南(nán)項目2011年集輸系統、柿莊南(nán)區塊總體(tǐ)開(kāi)發規劃、鄂東氣田韓城區塊5億産能建設工(gōng)程、韓城市煤層氣集輸工(gōng)程(二期)。推廣速度較快，推廣範圍較大(dà)。其中(zhōng)“十一(yī)五”期間國家重大(dà)科技專項示範工(gōng)程項目———沁南(nán)煤層氣開(kāi)發高技術産業化示範工(gōng)程于2009年9月28日全部建成，一(yī)次投産成功，年創收入1.6億元，經濟效益顯著。通過實際生(shēng)産運行，各項參數均表明:該工(gōng)程所采用的“多點接入，柔性集輸”地面集輸工(gōng)藝技術已達到國際水平，爲國内今後煤層氣田的大(dà)規模開(kāi)發提供了良好的經驗，同時也對大(dà)型天然氣氣田的開(kāi)發建設有着十分(fēn)重要的指導意義。

3.2 經濟效益

沁南(nán)煤層氣開(kāi)發高技術産業化示範工(gōng)程及韓城市煤層氣集輸工(gōng)程(二期)分(fēn)别于2009年和2010年建成投産。沁南(nán)煤層氣開(kāi)發高技術産業化示範工(gōng)程年創收入1.6億元，應用新技術後，節省工(gōng)程投資(zī)1.97億元，使建設工(gōng)期提前了6個月，提前投産帶來的銷售收入達0.8億元。韓城市煤層氣集輸工(gōng)程(二期)應用新技術後節省工(gōng)程投資(zī)0.08億元，使建設工(gōng)期提前了3個月，提前投産帶來的銷售收入達0.063億元。

4 結論

煤層氣“枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術地面技術工(gōng)藝技術就在經濟和社會效益中(zhōng)取得如此成效，其技術優勢特别明顯［4］，爲煤層氣田實現規模化開(kāi)發提供了技術保障，在具有明顯的經濟效益的同時，具有顯著的社會效益。此外(wài)，煤層氣田及頁岩氣田在我(wǒ)國屬于剛剛起步階段。煤層氣田資(zī)源總量約爲31.46×1012m3，與陸上常規天然氣資(zī)源量相當;頁岩氣田在我(wǒ)國分(fēn)布廣泛，總資(zī)源量可達100×1012m3，相當于天然氣儲量的3倍。“枝上枝'閥組布站'”工(gōng)藝技術完全可以在上述各類氣田開(kāi)發建設中(zhōng)發揮作用，應用前景十分(fēn)廣闊。

參考文獻

［1］裴紅，劉文偉.2010.“枝上枝”集輸工(gōng)藝在大(dà)型低滲、低産天然氣田及煤層氣田建設中(zhōng)的應用，石油規劃設計，21(2)，12～15

［2］王熒光，裴紅，劉文偉等.2010.煤層氣田地面集輸技術研究.遼甯:中(zhōng)油遼河工(gōng)程有限公司(研究報告)

［3］裴紅，劉文偉.2008.煤層氣集輸工(gōng)程設計思想及在潘河項目中(zhōng)的實踐.北(běi)京:2008年煤層氣學術研讨會論文集

［4］王熒光.2009.蘇裏格氣田蘇10井區地面建設優化方案，天然氣工(gōng)業，29(4)，89～92