摘 要：煤层气原料气中煤粉颗粒微小、含量较高，易造成管输系统磨损，且严重影响压缩机的运行效率和流量计的计量准确率。为此，合理选取测试取样点，采用滤筒捕集称重方法测得了煤层气原料气中固体粉尘的平均浓度，采用在线检测方法测得了煤层气原料气中固体粉尘浓度的动态变化和粒径分布，采用在线水露点仪和分子筛吸附等方法计算出水蒸气含量和游离水含量，进而分析得知煤层气原料气中固体粉尘的基本成分，计算出了固体粉尘颗粒物的平均分子量和密度，掌握各采气区块的气体含杂质状况。利用现场调研、方案设计、现场试验和数据综合分析的方法，可获得小型煤层气集输管线系统中固体粉尘和水含量的运移规律，了解阀组个体的工况状态和集气场站的运行状况，有助于对存在的问题制订出针对性的措施。该成果对沁水盆地煤层气集输管网平稳高效运行具有指导意义。
关键词：沁水盆地 煤层气 煤粉 集输管网 检测 滤筒称重法 在线测试法
Coal dust detection and analysis of the gathering and flow lines of the Qinshui CBM Gas Field
Abstract：CBM gas containing a high content of tiny coal dusts will be detrimental to gathering and flow lines and associated facilities，and have a bad impact on a compressor’s efficiency and a flowmeter’s accuracy．Therefore，a case studv was conducted in the Qinshui CBM Gas Field．First，selecting a proper testing point on the gathering and flow lines，we adopted a filter cartridge to capture and weigh the solid dusts and calculated their concentration in the CBM gas．Then，we applied the on-line testing method to obrain the variations of solid dust concentration and particle size distribution．We also calculated the in-line water vapor and free water content through a water dew-point meter，sieve absorber，etc．On this basis，we found out the basic constituents of solid dusts and further calculated the average molecular weight and density of solid dust particles．In this way，we could know the status of impurities contained in the produced gas at various CBM gas production blocks in this field．Through field investigation，scheme design，pilot test，and data analysis，we knew how solid dusts and water content are changing in a small pipeline system and how an individual valve group or a gas gathering station is working．Thus，we can work out targeted control measures and positive proposals．Providing an important guidance for the operators to ensure the steady，safe and high-efficiency operation of gathering and flow lines in the Qinshui CBM Gas Field．
Keywords：Qinshui CBM Gas Field，coal dust，gathering and flow lines，detection，filter cartridge，capturing and weighing method,online testing method
1 基本情况
在煤层气开发过程中，部分煤层气不但携带有固体粉尘，还会同时携带游离水等液体，有时甚至液体量远大于固体粉尘量[1-2]。这些煤粉和液滴会沉积在管道中，磨蚀阀门和仪表等设备[3]。相关研究结果表明：粒径大于5mm的固体粉尘颗粒和液滴主要造成管输系统磨损，且颗粒粒径越大、浓度越高，磨损越严重；而粒径为2～5mm的固体粉尘颗粒则主要沉积在压缩机阀片、阀门以及流量计等部位，严重影响压缩机的运行效率以及流量计的准确性[4]。
2 检测分析方法与流程
针对煤层气原料气压力为中低压、所含粉尘颗粒微小、原料气杂质含量高等特点[5]，为了保证测试工作不影响正常生产，针对不同位置(井口和阀组、集气站进出口等)选取不同的取样流程[6]。
2．1 测试方法
2．1．1取样位置选择
井口管道的直径为63mm，站内汇管管径为500mm。考虑到站内实际情况，井口的取样位置选择在流量计前的短接处，更换为专门加工带有采样孔的短接[7]；站内汇管取样位置首选能够插入采样嘴的位置，若无此类位置供选择，就选择压力表口进行取样[8]。采样装置如图1所示。
2．1．2管道内固体粉尘颗粒物测量
在煤层气井场，利用更换流量计前短接以加装采样嘴的方式来取样，而在阀组和场站则通过压力表口取样。样品气通过流量控制器或浮子流量计采集，同时记录样品气累积流量；然后样品气进入高精度滤筒，固体粉尘颗粒被捕集；测试一段时间后对滤筒称重记录，待实验室干燥后再次称重，得到被滤筒捕集的粉尘含量[9]。
流程示意图如图2所示，整套装置由粉尘捕集器和游离水捕集器组成。含有水和固态粉尘颗粒的煤层气先经过粉尘捕集滤筒(过滤精度为0.3mm)将粉尘颗粒截留。
2．1．3固体粉尘在线检测的流程
在线检测仪器直接在线检测，实现管道内粉尘粒径分布和粉尘浓度的实时检测(图3)。
2．2 测试方案
固体粉尘在线检测目标是分析管网运行中粉尘运移情况，大体了解各集输区块内粉尘含量，对管网内不同季节的粉尘含量做相应的对比。
总体工作区域如图4所示，图中黄色圆形表示各测试点。所选工作区域属于沁水煤层气田内华北油田负责开采的区块，测试点的选择基本涵盖了煤层气井、阀组、集气场站和交接点等位置。
2．2．1管线系统
区块内小型管线系统如图5所示，共5个测试点(以黄色圆形表示)：华固18-2井(单井产气量为516m3／d)、华固18-3井(单井产气量为2774m3／d)、樊4集气站的18号阀组采气干线、樊4站进口汇管、樊4站出口。
2．2．2阀组个体测试
成庄6号阀组有l个测试点(图4)。该点上游气体部分来自粉尘含量较大的潘河区块[10]，通过测试可获知其气质状况。
2．2．3集气站测试
樊9站和樊10站的进气汇管和出口，共6个测试点(图4)。在生产过程中，两站均存在粉尘量较大的情况。以樊10站为例，按照其粉尘过滤器滤芯工艺要求，当差压达到15kPa时需更换滤芯[11]，现场实际更换频率约为10d，存在工作量大、成本较高的问题。需要测试进出口粉尘浓度，根据详细数据，确认现场过滤分离装备的使用情况，找出存在的问题，以指导场站的改造和保证安全生产。
3 检测结果及分析
依据测试方案，将检测结果分固体粉尘含量、固体粉尘成分、天然气含量和游离水含量对比分析[12-13]。
3．1 固体粉尘含量分析
分别采用光学仪器在线测试和离线滤筒捕集称重两种方法对比测试(表1)。
3．1．1结果对比
固体粉尘在一定的浓度范围内(0～30mg／m3)两种方法的结果较为吻合，能够较真实地反映出测试点粉尘浓度的平均值。而在郑村2号阀组、郑村8号阀组、郑村11号阀组和成庄6号阀组等粉尘浓度较高的测试点，两种测试方法的结果差别较大。分析认为离线滤筒捕集称重法能够基本反映l个测试点粉尘浓度的平均水平，但无法实时动态地监测粉尘浓度变化，而在线测试方法有一定的测试浓度范围和粒径范围，当超出仪器量程后，将难以得出准确数据。这也是上述4个阀组位置测试结果差别较大的原因。
3．1．2粉尘从单井到集气站出口的运移规律
以管线较简单的系统为例，两个单井的粉尘浓度为0.1g／m3，而进入集气站18号阀组出口位置的粉尘浓度降至0.03g／m3，说明在不经过滤分离且气量相对稳定的采气管道内，粉尘会存在沉积现象；集气站进站汇管的粉尘浓度又相对l8号阀组的粉尘浓度略高，说明与樊4站的整体进气相比，18号阀组来气的气质较好；在并入其他集气管道的气体后，进气汇管也能保持较低粉尘浓度，说明该集气站上游区块的整体粉尘含量较小。经压缩后的气体(绝对压力从130kPa升至1050kPa)单位体积的粉尘数量增大，使得出站气体粉尘浓度反而升高。原因在于过滤分离设备对较低浓度尤其是较小粒径的粉尘不能起到理想的分离效果[14]。
3．1．3设备运行情况分析
测试中，分别对樊3站、樊4站、樊9站和樊10站的进口汇管和出口的粉尘浓度进行测试，期望得到各站的进出口的粉尘浓度水平，间接分析场站过滤分离设备和压缩机的运行情况。由分析可知，在考虑到气体压力状态的情况下，樊3站、樊9站和樊l0站都能对进站气体进行较有效的分离，但同时出口处的粉尘浓度尚有较大的降低空间。以樊9站为例，通过比较滤芯的最佳过滤气速和实际过滤气速可知，由于生产气量的增大超出了过滤设备的最佳处理气量，该站的滤芯处于超负荷运行，同时由于樊9站进气粉尘浓度处在较高的水平，从而使得站内滤芯更换频率较高。
成庄6号阀组的游离水含量和水蒸气含量相对应，目前为止，该阀组是最干燥的、固体杂质较多的测试点，建议在此处增加煤粉过滤器，解决后部工艺流程受煤粉影响大、滤芯更换频繁的问题。
3．2 固体粉尘颗粒成分分析
固体粉尘颗粒主要以石英、斜长石等矿物质为主。一个系统内的样品成分差别较小，该分析方法较为可靠；樊3站和樊9站系统的固体粉尘颗粒成分差别在于是否存在绿泥石、方解石、磁铁矿和石膏等矿物质，这与采气区块的地质情况有较大关系[15]。
4 结束语
利用现场调研、方案设计、现场试验和数据综合分析的方法，研究了沁水煤层气田典型管线系统、阀组个体和集气场站工艺气体中的杂质含量，分别检测了不同测试点的固体粉尘含量、水蒸气含量和游离水含量，以评价煤层气井、集气阀组和集气场站的气质水平，较全面地得到各采气区块的气体含杂质状况，初步分析管道粉尘和液体运移规律、场站过滤分离设备的运行状况，并对现场生产提出一些问题及建议。
1)测试方案规划。测试点包括煤层气井口、集气阀组汇管、集气站进出口和采气交接点等各节点，能够基本反映出各采气区块的气质状况和场站设备的运行状况。
2)测试流程设计。采用滤筒捕集称重方法获得固体粉尘平均浓度，采用在线检测方法得到气质粉尘动态变化和粒径分布，采用在线水露点仪和分子筛吸附等方法计算出水蒸气含量和游离水含量，分析得知粉尘成分的基本组成，计算出固体粉尘颗粒物的平均分子量和密度，便于数据处理。同时，检测工作也存在一定的局限性：难以得到较高浓度固体粉尘含量的精确值，不能通过在线捕集方法在一个测试周期内得到固体粉尘颗粒成分所需的样品量等。
3)结果分析。通过分析固体粉尘颗粒含量、固体粉尘颗粒成分、水蒸气含量和游离水含量的基本情况，从整体上得出初步结论；通过分析各工作区域的详细数据，得到小型管线系统的固体粉尘和水含量的初步运移规律、阀组个体的工况状态和集气场站的运行状况，有助于对存在的问题制订有针对性的措施。
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本文作者：郭简 梅永贵 王景悦 薛占新 李雪琴
作者单位：中国石油华北油田煤层气勘探开发分公司
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