煤层气计量影响因素分析及采取措施的探讨

李瑞峰 程星萍 梅永贵 陈勇智

1.中国石油华北油田分公司质量安全环保处（河北任丘062552）

2.中国石油华北油田分公司山西煤层气分公司（山西晋城048000）

煤层气计量影响因素分析及采取措施的探讨

李瑞峰1程星萍1梅永贵2陈勇智2

1.中国石油华北油田分公司质量安全环保处（河北任丘062552）

2.中国石油华北油田分公司山西煤层气分公司（山西晋城048000）

对于石油行业来讲，煤层气的开发与生产是一个新能源领域的尝试，国内尚无规模化生产的成熟经验和集输处理工艺流程，尤其是在煤层气生产计量问题上。通过对华北油田公司正式向西气东输主干线进行商业化输送煤层气一年多来生产中出现计量问题的分析和研究，总结出了计量准确性的几个方面影响因素，并探讨采取相应措施，改进生产工艺流程的可行性。

煤层气湿气计量影响因素

煤层气，俗称煤矿瓦斯，即非正常天然气。它是与煤伴生、共生的气体资源，其主要成分为甲烷，甲烷含量一般为90%~99%。每吨褐煤能生成38~50m3煤层气，无烟煤可生成346~422m3煤层气。按热值计算,甲烷的热值为33.5~33.7kJ，比1kg标准煤的发热量还要高。1 000m3标准甲烷相当于1t标准煤。

2009年10月，华北油田经过短短3年多时间，在山西沁水盆地建成国内第一个数字化、规模化煤层气田，掌握了煤层气成藏规律和产气机理，形成了樊庄、郑庄国内第一个千亿立方米规模储量区，实现煤层气商业化运营，并依托西气东输主干线，在国内第一个实现煤层气大规模管网外输。

1 煤层气领域中湿气对计量准确的影响

1.1 湿气概念

在油气田上游的开采过程中，大多数情况下，天然气的产出总是伴随着液态烃、游离水、饱和水蒸汽以及为防止水合物形成人工加入的注剂等。这些油气田采出的未经处理的含有少量凝析水或油、饱和水蒸汽及轻烃类或其他液体的天然气，在严格意义上讲，这种流体应属于两相流的范围。但是，在国内外的油气工业中，通常把含有油、气、水的两相流称为多相流，而湿气也是这种两相流或多相流的一个分支。国际上（如美国、挪威等国）通常将湿气定义为Lockhart Martineli数不大于0.3的天然气，即：0≤XLM≤0.3。

1.2 油气田内部集输过程中的天然气计量中大多属于湿气计量

对于凝析气井、伴生气井和一些开发后期的气井而言，无论采用什么的计量工艺，即使在计量前端都配备有分离器，但由于工况条件（压力、温度等）的变化、分离器跑油、间断计量时油水在计量管路中沉积等因素，经分离后的气体中还是不可避免地含有液体。因此，油气田内部集输中的计量大多是湿气计量，煤层气中央处理中心进行外输脱水处理前的煤层气也属于湿气。

1.3 湿气对计量器具选型和计量准确的影响

根据有关文献记载，湿气的计量与干气的计量有很大的不同，采用干气计量的计量器具来计量湿气，若未采取处理措施或处理不彻底，所引起的附加误差会达到±15%，一些严重情况下甚至可达到100%。由于煤层气的主要采出方式为排水采气法，煤层气直接从水中分离，决定了其属于湿气计量领域。

目前国内外的湿气计量技术均不够成熟，国内对湿气计量器具的研究尚处于起步阶段，据了解，国内仅有中国石油于2009年开始着手对湿气计量问题进行专题调研。因此，提高湿气计量技术水平，保障湿气计量准确可靠，对煤层气生产计量有重要意义，对国内湿气计量技术研究也有很好的指导意义，这方面的工作有待我们做进一步探讨和研究。

2 影响因素分析

由于目前煤层气的生产工艺设计尚无相应的国家标准，工艺流程和处理设备均采用天然气标准设计，国内也没有规模化生产的成熟经验和集输处理工艺流程，因此造成在天然气生产中运行正常的计量方式，在煤层气生产中就出现了很大的差异，如：单井生产计量误差大且不稳定、内部输差变化大、计量器具误差变化无规律等问题。针对这些情况，我们进行了初步的研究和探讨，通过一段时间实际运行经验的积累和对现象的分析，我们归纳总结出了以下几个方面影响煤层气计量准确的因素：

2.1 压力变化对计量的影响

由于集气站压缩机和处理中心压缩机都有停机检修、调节排量等操作，使得单井到集气站采气管线、集气站到处理中心的集气支干线内的气体压力有所波动，对于一些低压低产井可能会出现反注现象，表现为单井流量之和与集气站流量之和，以及与处理中心进站流量之和出现比较大的输差变化。

2.2 煤层气中杂质对计量的影响

由于采出气中除煤层气外，还夹杂一定量的煤粉以及输送管道中残存的其他颗粒，粒径比较小，在计量器具内部和主要生产设备中产生大量的杂质附着。目前设计的煤层气处理工艺只考虑了在集气站过滤5μm以上的颗粒，经过处理设备一年多的运行，证明确实处理掉了5μm以上的绝大部分颗粒，但小粒径的煤粉依然会附着在气体超声流量计探头等计量器具测量部件上，影响计量的准确性，需要频繁擦洗。同时，由于小于5μm固体颗粒的存在，也加大了压缩机缸体等机械部件的磨损，影响到设备的安全运行

2.3 煤层气中水分对计量的影响

华北油田山西煤层气分公司采出煤层气气体组份如表1。

从表1我们可以看到，原料气的含水量冬季和夏季分别为0.497 5mol%和0.500 0mol%，根据国际上通行的LM系数计算公式：

式中XLM—LM系数；

Qml—液体质量流量；

Qmg—气体质量流量；

ρGas—气体密度；

ρliquid—液体密度；

Qvl—液体体积流量；

Qvg—气体体积流量；

采用现场实际工况数据计算后，其XLM数虽均小于0.3，在湿气定义范围内，但季节引起的变化率已达到0.5%，因此，在用计量器具的补偿修正参数需要定期调整。

2.4 环境温度对计量的影响

由于山西沁水盆地昼夜温差较大，冬季夜间气温在零度以下，白天气温在零上几度。煤层气单井湿气的计量表现出下半夜和上午产气量高，下午和上半夜产量低的现象。经分析认为，未做保温处理的计量阀组，在低温环境下，湿气中的水分在速度式流量计表体内壁结冰，过流面减小，流速增加，表现出产量增加；白天气温升高，在流动介质热量影响下，表体内壁的冰溶化，过流面恢复，流速降低，表现出产量降低。经采取措施后证实，中等产气量的单井流量变化明显，经保温后产气量比较稳定。沁水盆地冬季低温环境下，温度对煤层气计量准确影响很大，经统计分析，最大可达到50%。

表1 华北油田山西煤层气分公司采出煤层气气体组份

3 采取措施探讨

针对以上几个方面计量影响因素的分析和探讨，可有针对性地采取以下处理措施：

（1）生产工艺中增加除湿除杂的流程。对于煤层气采出过程中携带的水分和杂质，目前仅在中央处理中心外输前进行了有效脱水处理，集气站的气液分离器目前没起到有效作用，所有生产工艺中尚无除杂方面的设计考虑。我们认为，今后的工艺设计中应考虑增加相应的处理流程，建议增加两级处理工艺，即：单井井口进行气固液的初级分离处理，集输站进行二级气固液分离处理。这样既可有效减少输送管网出现液体段塞的几率，也可大大减小中央处理中心外输脱水装置的负荷，保证脱水的有效性，又能够减少煤粉等固体杂质对计量器具准确性的不利影响，还能够有效减轻对压缩机缸体等机械部件的损害，同时，对保证单井计量器具的计量准确也大有益处。

（2）选择适当的计量器具。在单井工艺流程采取必要的处理措施前提下，通过对不同类型流量计进行现场试验和数据分析，筛选出适合现场工况的流量计。根据已有文献资料，建议单井井口计量器具可从差压式和速度式两种类型计量器具中选择，也可探索采用组合式计量器具的可行性。

（3）对流量计采取保温措施是克服煤层气计量器具冬季表体内壁结冰，提高计量精度的有效措施。针对这一情况，我们已经对可能结冰的单井采取了保温措施，新井建设进行了保温设计，把温度对煤层气单井计量的影响降到最低。

（4）对于集气支干线内压力波动，引起低压低产井出现反注问题，建议可在井口设计加装单流阀，以控制反注现象发生，减少输差。

4 结论

由于目前国内对天然气的湿气计量尚无标准可遵循，煤层气领域湿气的计量问题目前仍处于探索阶段，面对煤层气领域与湿气计量相关的计量器具的湿气修正系数如何测量、如何修正、如何选型等一系列问题，我们应积极摸索和积累经验，促进煤层气专业标准的建立与规范。

从本文的研究分析及采取措施中可以发现，煤层气生产具有一定的特殊性，决定了生产工艺流程必须有别于常规天然气生产，我们须针对目前煤层气生产工艺的现状，探索切合实际的煤层气各阶段生产的处理工艺流程，积极采用新的处理技术，研制开发适用的井口综合处理装置和集气站处理工艺，解决煤层气生产过程中计量数据的准确、减少对设备运行的不利影响等问题。如何通过我们的努力，促进煤层气生产工艺流程、设备的规范化、标准化，都是摆在我们面前亟待解决的新课题。

The development and production of CBM is an attempt of new energy field for petroleum industry,for there are no mature experiences of large-scale production and the technological flow of gathering and transportation,especially on the problems of CBM production measurement.Based on the analysis and research on the measuring problems appearing in the formal commercial transportation of CBM to“west-east gas transmission”main lines by Huabei oilfields company in one year,the paper summarizes several influencing factors about measurement accuracy,and also discusses the feasibility of improving the production technological process by applying corresponding methods.

CBM;wet gas;measurement;influencing factors

2010-11-02▎

李瑞峰（1962-），男，大学本科，高级工程师，主要从事计量技术和计量管理工作。