加压煤层气集输管道堵塞分析及防治_工程实践

摘要

摘要：结合工程实例，针对加压煤层气集输管道生产运行中的堵塞问题，分析了堵塞原因，指出影响管道堵塞的主要因素为地形、粉尘含量、气质组分、温度和压力、管径和流速等。提出了针

摘要：结合工程实例，针对加压煤层气集输管道生产运行中的堵塞问题，分析了堵塞原因，指出影响管道堵塞的主要因素为地形、粉尘含量、气质组分、温度和压力、管径和流速等。提出了针对性的防治措施，为制定合理防堵方案提供了理论依据。

关键词：煤层气；加压输送；堵塞；防治

Analysis，Prevention and Control of Pressure Coalbed Methane Gathering Pipeline Blockage

WANG Xiao-chuan，KANG Yong，XIA Bin-wei，CHEN Jiu-fu

Abstract：Based on the analysis of blockage problem of pressure coalbed methane gathering pipeline，the blockage reasons are analyzed with an example. It is pointed out that the main factors influencing the pipeline blockage are terrain，dust content，gas composition，temperature，pressure，pipe diameter and flow rate. Targeted prevention and control measures are proposed to provide theoretic basis for establishing a reasonable blockage prevention scheme.

Key words：coalbed methane；pressure transmission；blockage：prevention and control

1 概述

煤层气是在煤炭开采过程中，由于煤体减压，从煤体中释放出的可燃性气体，是一种混合气体^[1]，组分为CH₄、N₂、0₂及少量的H₂、CO₂、S0₂、H₂S。煤层气作为煤的一种伴生资源，属清洁能源，而且热效率高。与燃煤相比，煤层气燃烧的灰分排放量为燃煤的1/148倍，SO₂排放量为燃煤的1/700倍，CO₂排放量为燃煤的3/5倍。由于其主要组分为CH₄，与天然气的主要组分极为相近，所以它是常规天然气最现实可靠的补充或替代能源，可以为工业和民用等提供重要的天然气替代能源^[2]。然而，在利用过程中还存在一些问题，针对这些问题进行分析研究有利于煤层气的推广利用。

随着井下煤层气开采利用规模不断加大，煤层气采用压力管道输送至城市利用的工程越来越多。例如，抚顺矿务局至沈阳市的煤层气集输管道，以及调兵山市至铁岭市的煤层气长距离集输管道都已建成，并安全运行；沁水煤田至晋城市区的煤层气集输管道正在建设中^[3，4]；此外，许多大型矿区煤层气的中、短距离压力管道输送也已相当普遍。在采用压力管道输送煤层气时，由于煤层气含杂质较多、管道经过地区地形复杂、运行压力高、冬季气温低等原因，使得管道频繁堵塞，造成终端用户供气量不足、供气中断，严重影响了用户的正常用气。本文以重庆松藻矿区为例，对管道堵塞原因进行分析并提出一些行之有效的防治措施，以求对煤层气的广泛利用有所帮助。

2 管道堵塞状况

重庆松藻矿区位于渝、黔两省交界的綦江县赶水、打通、石壕、安稳境内，矿区地质构造为二叠系乐平煤系龙潭煤组，共含煤9～12层，属中灰-高灰、富硫-高硫、低磷的无烟煤，各矿井煤层气含量均很高，涌出量大，给矿井生产带来了重大安全隐患。矿区煤层气的抽采始于1969年，2008年抽采量达到2.23×10⁸m³，2009年达2.40×10⁸m³；2014年矿区达到扩建生产能力后，煤层气抽采量将达到4.32×10⁸m³以上。每年约有50%左右的煤层气通过压力管道输送至电厂及附近村镇使用，产生了较好的经济效益及社会效益。目前我国煤层气加压输送工程实例中，一般压力不是很高，距离也较短。重庆松藻矿区煤层气集输管道，设计压力为2.5MPa，运行压力为0.8MPa，煤层气中CH₄体积分数大于30%。自投产运营以来，每年都要花大量的人力物力进行管道的疏通工作。2009年6月—2010年5月，松藻矿区有逾10条集输气支(干)管发生多次不同程度的水堵、灰堵、水合物堵塞现象。从统计结果可知，水合物的堵塞最为严重，堵塞也最频繁，特别在冬季堵塞现象尤为突出。表1为重庆松藻矿区某集输气支管堵塞情况统计。

表1 重庆松藻矿区某集输气支管堵塞情况统计

时间	运行压力/MPa	大气温度/℃	地温/℃	堵塞次数/次	解决措施
2009年6月	0.7	28	17	1	放空
2009年7月	0.9	34	19	0	放空
2009年8月	0.6	36	20	2	放空
2009年9月	0.7	30	17	0	放空
2009年10月	0.7	29	15	1	放空
2009年11月	0.8	18	14	2	放空
2009年12月	0.8	10	12	2	放空及通球
2010年1月	0.6	4	11	4	放空及通球
2010年2月	0.7	3	11	3	放空及通球
2010年3月	0.8	11	12	1	放空
2010年4月	0.8	19	15	2	放空
2010年5月	0.9	24	16	0	放空

3 管道堵塞原因分析

① 地形的影响

松藻矿区所在位置处于高山地区，区内地势复杂，地形崎岖，集输管道极不平直，具有高差大、转弯多的特点。在设计及敷设管道时不可避免形成U形谷，在这种地形特征的环境中，煤层气携带的液体和管道中的凝析液很容易在管道U形谷低洼处或者在针形阀处聚集，造成水堵。

② 粉尘颗粒的影响

由于煤层气中含有大量的粉尘颗粒，在管道内流动的过程中，遇到转角或管道的断面变化流速锐减，颗粒会慢慢沉积下来，久而久之造成管道堵塞。此外，煤层气内含有的大量粉尘会加速其所含水蒸气的凝结，特别是经过温差较大地段时，煤层气内的粉尘就成了最好的凝结核，促使水蒸气凝结吸附在管道内壁，凝结的液滴又会去吸附煤层气中的粉尘，使大量的粉尘黏结在管子内壁，周而复始造成管道堵塞。管道内流速的变化还容易产生局部节流降温，为水合物的形成提供了便利条件，水合物一旦开始形成，就会减少管道的过流面积、产生节流效应，进一步加速水合物的形成，最终可能堵塞管道，造成管道憋压引发事故。

③ 煤层气组分的影响

松藻矿区的煤质硫分普遍较高，煤层气中含有大量的酸性气体如S0₂、H₂S、HCN、CO₂、HSCN，煤层气中的水蒸气在流动中随着流态和环境温度的变化会在管道内壁凝析成一层亲水膜，形成类似于原电池腐蚀条件，这些酸性气体在管道上冷凝的水溶液中发生电离，产生电化学反应，化学反应式为：

S0₂+H₂0→H₂S0₃→H++HSO₃^-

C0₂+H₂0→H₂C0₃→H++HCO₃^-

H₂S→H⁺+HS^-

HCN→H++CN^-

HSCN→H⁺+SCN^-

Fe+2H⁺→Fe²⁺+H₂

在这种情况下铁极易氧化成铁锈，不但腐蚀了管道，降低了管道的使用寿命，还可能堵塞管道。

④ 温度和输送压力的影响

在煤层气的输送过程中，温度是决定是否形成水及水合物的关键因素。从目前矿区煤层气管道堵塞的严重程度和堵塞部位来看，水合物的形成主要是因为天然气输送温度大大低于输送压力条件下的水合物形成温度，这种现象在冬季表现得尤为突出。松藻矿区位于云贵高原与四川盆地的结合部，冬季气温一般在-3～10℃，地温一般在3～7℃，远低于煤层气集输管道内水合物的形成温度11～13℃，这就为水合物的形成创造了条件，增大了集输管道堵塞的可能性。此外，根据水合物形成的平衡曲线可知^[5]，压力越高，水合物生成温度也越高，对于压力煤层气集输管道来说，这是极为不利的。对于给定的气质，在输送温度一定的情况下，压力越高，越容易发生堵塞；对于给定输送压力的气质，输送起点温度越低，不发生堵塞的输送距离也就越短；也就是说在直线距离给定的条件下，管道越长，发生堵塞的概率越高。

⑤ 煤层气管道管径、流速的影响

研究表明，水合物的形成和存在主要取决于两个条件：一是气体中有足够的水蒸气并有液滴存在；二是气体处于适宜的温度和压力^[5]。此外，在气流的速度和方向改变的区域(即气流的停滞区)容易使气体产生节流现象，这些气体产生节流的区域因节流效应导致气体温度急剧下降，可促使水合物形成。例如：弯头、阀门及其他局部阻力大的位置，高速湍流和脉动均是形成水合物的辅助条件^[6]。因此管径的大小、气体的流速对水合物形成的影响也较为重要。根据流体力学理论，在相同的流量、温度下，管径越大，气体的流速就越低，输气携带的灰分就越容易沉积，造成灰堵；由于过流面积大，节流效应相对较弱，管道的负荷压力也较小，但投资较高。在输送量不变的条件下，管径小，流速较大，灰堵现象的概率较低，但管道容易产生节流效应，温度变化较大，容易造成水堵及水合物的堵塞，清理堵塞维护费用较高，管道的负荷压力较高，但投资相对较低。所以在管径设计计算时，应根据流量、压力、携液能力等综合考虑，优化选择。

4 防治措施

目前煤层气大规模工业化利用程度还不高，该领域的探索研究还在进行，国内运营的煤层气管道也不多，对于煤层气加压输送管道堵塞问题的防治措施，多数是借鉴天然气管道的处理方法，在煤层气集输管道领域还没有形成较成熟、较完善的处理措施，深入研究煤层气管道堵塞原因，制定合理的解决措施，对保证煤层气大规模开发、高效连续供应有十分重要的意义。

① 提高煤层气的净化程度

煤层气是一种伴生资源，其主要组分与天然气相近，但不等同于天然气，它在抽采的过程中混入了大量的杂质、灰分及有害气体，特别是小粉尘颗粒在管道输送中很容易沉淀，造成堵塞，有必要在输送之前对杂质进行处理。但就现有技术和条件看，还不可能彻底清除煤层气中的杂质和有害气体，只能逐步提高标准，加大技术改造的投入，这样做虽然增加了一部分造价，却能减少维修的成本，符合长远利益。事实证明在集输管道上适当增加过滤装置，能有效降低灰堵的次数。

② 加注水合物抑制剂

煤层气集输管道堵塞最大的危害是水合物，也是最不容易处理的堵塞问题，加注水合物抑制剂是目前防治水合物形成的主要措施之一，也是比较行之有效的方法之一。水合物的防治效果与煤层气输送温度、抑制剂的种类、药剂投加量、加注时间和加注方式密切相关^[7]。因此，在现场实际操作时，必须针对不同的工况条件，选择适宜的水合物抑制剂和加注方法，并结合生产实际进行动态调整。这种方法在天然气管道的堵塞处理上应用已比较成熟，特别是冬季堵塞问题非常严重时，在矿区内各集输管道上加注乙二醇水合物抑制剂后，水合物造成的堵塞次数明显减少。

③ 制定适宜的综合防堵措施

目前，在天然气输送领域防治水合物的方法主要有加抑制剂法、加热法、降压解堵法、清管通球法等^[8]。这些方法虽然都能有效地解决清堵问题，但有效脱水才是防治管道水堵及水合物堵塞最根本的方法^[9]。无论是水堵还是水合物堵塞，归根到底都是由于煤层气中的水凝析造成的，以目前的技术手段来让煤层气完全脱水是不可能的，也是不现实的，但可以将凝析出来的水及时排掉，这样做的好处是不仅能及早地解决水堵，同时也破坏了水合物生成的环境，所以水合物防治不能单纯依靠加注抑制剂解决问题，必须是防与治相结合。

众所周知，管道中无论是水堵、灰堵、水合物堵塞都不是在瞬间形成并堵塞全部管道的，如果发现及时并处理迅速、得当，是不会严重影响下游用户的，否则，发展到管道全堵引发管道爆裂漏气，其后果十分严重。所以，建议在集输管道的u形谷低洼处设置排水管道附件，不定期放水，并对长距离的集输管道定期进行清扫，认真执行排污和清管通球制度是很有必要的，以防污水带入下游管道。根据管输效率和压差变化制定合理的清管周期，并结合每次清管排出的污物、污水量进行动态调整，建立完善的监控措施，保证管道的流通顺畅。

④ 优化设计参数

针对目前煤层气集输管道出现的问题，成立专门的课题研究小组，负责收集、整理相关资料，加强理论研究工作，使设计管道的结构参数、保温系统参数等更加优化^[10]，降低管道发生堵塞的概率。这样做不仅能为以后管道改造、新建工程设计提供理论支持，也为同类工程提供宝贵的技术经验资料，不仅节约了物力、财力，也实现了较好的经济、社会效益。

参考文献：

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[9] 邓雄，梁政，张艳玲，等.重庆气矿高压采气管线堵塞分析及应对措施[J].天然气工业，2009，29(11)：90-93.

[10] 刘烨，巴玺立，刘忠付，等.煤层气地面工程工艺技术及优化分析[J].石油规划设计，2008，19(4)：34-37.

(本文作者：王晓川¹ 康勇¹ 夏彬伟¹ 陈久福² 1.重庆大学复杂煤气层瓦斯开采国家地方联合工程实验室重庆 400044；2.重庆松藻煤电公司瓦斯地质研究院重庆 401445)