非金属管材在煤层气采出水集输管网中的应用

2013-11-26杜邵先

中国煤层气 2013年4期

杜邵先

(中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司公用工程室，河北 062552)

目前，随着煤层气气田的不断开发，伴随着大量的高矿化度、高盐度的地下采出水，金属管材用于煤层气采出水集输管网，耐腐蚀性差、投资高、施工周期长、运输安装不便等缺点逐渐显露出来，我国适宜大规模开发煤层气的地区多分布在华北、西北干旱地区，而这些地区大多为湿陷性黄土地区及地形复杂的山地丘陵地区，金属管道可能产生断裂及大量渗漏而引起的土壤污染和水资源的浪费。在当地煤层气采出水不仅是污染物而且是宝贵的水资源，因此煤层气气田技术人员已经开始把眼光投向了非金属管材。

1 煤层气采出水集输现状

2012年CPE华北分公司对我国煤层气开发的主要地区进行调研，主要有长治、晋城、吉县、保德四个区块。现对不同区块的煤层气采出水水量和集输现状进行描述。

1.1 长治区块

长治区块共开井80多口，井深约700～800m。每座井场只有1口井，均为直井。排采初期水量大约10m3/d，持续约20至30天水量下降，中后期约2m3/d。采出水温度3～25℃，采出水排入井场附近水池进行自然蒸发或者拉运处理，无集输管网。

1.2 晋城区块

晋城区块共开井1600多口，井深约600～700m。每座井场只有1口井，均为直井。排采初期水量大约20～40m3/d，中后期约2m3/d。采出水排入井场附近水池进行自然蒸发或者拉运处理，无集输管网。

1.3 吉县区块

吉县区块共开井200多口，井深约600～700m。每个井场2～4口井不等，多为丛式井。排采初期水量大约20m2/d，中后期约2m2/d。采出水排入井场附近水池进行自然蒸发或者拉运处理，无集输管网。

1.4 保德区块

保德区块共开井200多口，井深约1000m。每个井场2～8口井，多为丛式井。排采初期单井水量大约35m3/d，有的甚至高达180m3/d，中后期水量减少，约10m3/d。每座井场均有采出水管线，通过集输管网输送至水处理站进行集中处理。

根据调研，不同地区煤层气井的排水量有着显著差异，从1m3/d到200m3/d不等，多数井场位于交通不方便的山坡上，分布较为分散。目前大多区块无煤层气采出水集输管网，大量的煤层气采出水散排到山沟。

2 煤层气采出水管材比选

2.1 管材选择考虑因素分析及优先序确定

影响管材选择的因素很多，比如管道直径、工作压力、工程地质、地形、外荷载状况、工程的工期要求、资金的控制等诸多方面。不同管材，在上述种种因素下，差异较大。以往实际工程应用中，多以经济性因素作为管材选择的最终评价指标，存在一定的局限性。选用何种管材，应首先应确定哪些因素作为主要因素，哪些因素作为次要因素，通过综合评价确定。

煤层气采出水能否顺利收集排出直接影响到周边环境以及煤层气气田的产气量，防止爆管、防止漏损是气田能安全稳定持续发展的重要因素。因此，安全性应该是采出水管材选择的首要考虑因素。所选管道材质，首先应满足安全要求，不爆管，不漏损，保证不会对周边环境和土壤造成污染。其次，应具有良好的力学性能，能够最大限度地满足管道敷设环境下各种可能出现的内外荷载情况，管道及施工安装等质量容易控制，从而保证管线的安全运行。再次，因为煤层气气田一般位于山区地带，交通不便，管材运输车辆安全性及费用显得较为重要。在保证安全以及维修、维护方便的基础上，再考虑投资与运行成本的合理性等。

管材选择考虑因素，按重要性从高到低排列为:(1)耐腐蚀性能好;(2)足够的韧性和机械强度，满足当地地质情况及实际运行工况的要求;(3)便于运输，安装;(4)综合成本合理;(5)阻力小，能耗低;(6)制造和施工容易控制，管材性能可靠;(7)寿命长，维修量小，便于管理。

本次研究根据对煤层气采出水水质水量特点的了解，主要研究钢管、钢丝网与孔网状钢骨架聚乙烯塑料复合管、普通PE管、U－PVC塑料管。

2.2 管材综合性能对比

2.2.1 普通钢管

普通钢管广泛用于输送流体。其优点为强度高，承压能力强，其缺点为管材耐腐蚀性能差，需做内外防腐处理，施工过程中需增加较多管件来避开障碍物，另外对于交通不便的山区，钢管重量较大，运输困难，施工周期较长。

2.2.2 聚乙烯管 (PE)

常用给水PE管一般分PE63、PE80和PE100三个等级，在煤层气采出水管网工程中，因为采出水管线设计压力为1.6MPa，根据最小强度一般选用PE100等级PE管。PE管的性能及特点有以下几点:

(1)连接可靠、不泄漏

PE管道在煤层气采出水管网工程中主要采用电熔连接，实现了管体与接头的一体化，抗拉强度以及抗爆破强度不亚于管材本身。

(2)耐腐蚀性，使用寿命长

化学稳定性好，内外均能抗各种酸类、碱类腐蚀，一般情况下，PE管的性能可以保持50年不变，一般不需要维护。

(3)重量轻，运输安装方便

PE管比钢管质量轻，不需要大型吊车设备，减轻施工人员的劳动强度，对于交通不便的山区，卡车一次性运输管线长度远大于钢管，节省运输投资和施工周期。

(4)内壁光滑，水头损失小

PE管内壁绝对粗造度为0.01，远小于钢管，对于长输管线减少了压力损失和能耗。

(5)柔韧性好

PE管断裂伸长率350%以上，可随地形变化敷设，尤其对于煤层气采出水管网所在的山区或湿陷性黄土地带，PE管柔韧性好的优越性更能得到充分体现。

PE管的缺点体现在:

(1)PE管刚性较低，管道易损伤。

(2)PE管抗紫外线能力弱，在阳光的直接照射下容易老化。

2.2.3 钢丝网骨架聚乙烯塑料复合管

钢丝网骨架聚乙烯塑料复合管 (简称钢塑复合管)是以优质低碳钢丝网为增强相、高密度聚乙烯为基体，连续挤出成型的新型双面防腐压力管，其成型过程是在生产线上首先制成PE内胆，在内胆的外层缠绕具有热熔粘结和憎水性能包覆层的高强度钢丝，按左右螺旋方向缠绕成型，两个缠绕方向的钢丝形成规则排列的菱形。钢丝网钢骨架聚乙烯塑料复合管的性能及特点如下:

(1)耐腐蚀性，使用寿命长

由于其特殊的材质、结构及生产工艺，既具有普通钢管的强度，又具有塑料复合管优良的耐化学腐蚀性。

(2)抗蠕变性能好，持久机械强度高

将网状钢丝骨架与塑料复合后，钢丝网骨架可有效地约束塑料的蠕变，使塑料本身的持久强度也大大地提高。

(3)重量轻，运输安装方便

钢丝网骨架聚乙烯塑料复合管比钢管质量轻，不需要大型吊车设备，减轻施工人员的劳动强度，对于交通不便的山区，卡车一次性运输管线长度原大于钢管，节省运输投资和施工周期。

(4)刚性、抗冲击性好，同时具有一定的柔性

钢的弹性模量通常是塑料的200倍，由于钢丝网骨架的增强作用，可使复合管的刚性、抗冲击性及尺寸的稳定性均优于任何一种纯塑管。同时由于网状钢骨架本身又是一种柔性结构，从而使复合管在轴向上具有一定的柔性，使管道具备刚柔相济，可有效地承担由于地质沉降、温差变化、滑移、荷载等引起的对管道的破坏，尤其在作直埋式用管时，可随地势起伏蜿蜒敷设布置，自然补偿，节省管配件 (膨胀节)。

(5)优良的耐磨性能

复合管的耐腐蚀能力为普通钢管的4～6倍以上，为不锈钢或衬塑管的3倍以上，为玻璃钢管的2～3倍以上。

(6)内壁光滑，降低能耗

该管道的粗糙系数为0.009(钢管的粗糙系数为0.012)，管道内部不易结垢，流体阻力损失小。流损比钢管小三分之一，从而降低了输送介质的能耗。

钢丝网钢骨架聚乙烯塑料复合管的缺点和PE管类似，管材易刮伤，抗紫外线能力弱。

2.2.4 孔网状钢骨架聚乙烯塑料复合管

孔网状钢骨架塑料复合管简称孔网钢塑管(简写SP管)，是以氩弧焊对接成型的多孔薄壁钢管为增强体，外层和内层双面复合热塑性塑料的一种新型复合管道。

孔网状钢骨架塑料复合管性能上的的优缺点与钢丝网骨架复合大体相同，既具有金属管的坚硬、刚直不易变形、耐热、耐压、抗静电等优点，又具有塑料管的质轻、耐腐蚀、不生锈、不易渍垢、管壁光滑、保温性能好、无毒、施工简易、维修方便、使用寿命长等优点，其优点与PE管和钢丝网钢骨架聚乙烯塑料复合管类似。

2.2.5 PVC塑料管

PVC管 (UPVC管)硬聚氯乙烯管，是由聚氯乙烯树脂与稳定剂、润滑剂等配合后用热压法挤压成型，是最早得到开发应用的塑料管材。

PVC管是当今世界上深受喜爱、颇为流行并且也被广泛应用的一种合成材料。它的全球使用量在各种合成材料中高居第二。据统计，仅仅1995年一年，PVC在欧洲的生产量就有500万t左右，而其消费量则为530万t。在德国，PVC的生产量和消费量平均为140万t。

UPVC管优点为抗腐蚀能力强、易于粘接、质量轻便于运输，但是由于有UPVC单体和添加剂渗出，只适用于输送温度不超过45℃的给排水系统中，而煤层气采出水温度为20℃左右，可以作为输送煤层气采出水的管材。

因UPVC管质地坚硬，因此不适用于土地凹凸不平的山区丘陵地带煤层气采出水的输送。

2.3 管材经济性对比

由于煤层气采出水管网井场压力一般不高于1.0MPa，结合煤层气采出水性质和现场实际情况。采出水管网的设计压力一般为1.6MPa，在此设计压力下，对不同材质制造厂进行询价，得出各种输水管材的费用情况见表1。

表1 管材经济性对比表

从以上各个方面的对比来看，非金属管材相比金属管，耐腐蚀，摩阻小，管材质量轻，施工周期短，管材费用低，PVC塑料管是作为输送地形平坦地带煤层气气田采出水的最佳管材;PE管是输送山区丘陵地带煤层气气田采出水的最合适管材;对于地形特别陡峭，高程超过100m的“U”型的特殊压力地段，为了防止爆管建议使用钢丝网骨架聚乙烯塑料复合管。