氣田內(nèi)部集輸管網(wǎng)建設適應性評價研究

吳國霈 徐勇 計維安

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司開發(fā)管理部

1 技術(shù)背景

氣田內(nèi)部集輸系統(tǒng)作為整個氣田建設的主體，在建設過程中會伴隨著大量不同的工況出現(xiàn)。因此,集輸系統(tǒng)工藝優(yōu)化調(diào)整往往是最頻繁的，這常成為氣藏開發(fā)的制約性障礙。集輸工況調(diào)整主要包括現(xiàn)有工況優(yōu)化調(diào)整、局部新增單元(站場和管線)工況調(diào)整和新增開發(fā)區(qū)塊工況調(diào)整三大類。傳統(tǒng)的氣田集輸系統(tǒng)管網(wǎng)建設多選擇人工優(yōu)化法，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和數(shù)學求解法的不斷進步，逐步形成了數(shù)學解法。但由于氣田集輸系統(tǒng)自身的復雜性，各大油氣田對集輸工藝優(yōu)化調(diào)整并沒有統(tǒng)一的方法。通過對不同建設工況的分析和對優(yōu)化調(diào)整方法的研究，提出一套地面集輸管網(wǎng)適應性評價方法，解決集輸系統(tǒng)建設過程中工況調(diào)整及優(yōu)化方案等問題[1]。

2 集輸管網(wǎng)適應性評價內(nèi)容及方法研究

2.1 管網(wǎng)優(yōu)化內(nèi)容

現(xiàn)有工況優(yōu)化調(diào)整和局部新增單元(站場和管線)工況調(diào)整解決辦法相對容易，求解通常具有唯一性，新增開發(fā)區(qū)塊工藝調(diào)整研究較復雜。目前，國內(nèi)外多采用人工優(yōu)化方法和數(shù)學方法求最優(yōu)解。

2.2 管網(wǎng)優(yōu)化方法

(1) 人工優(yōu)化方法求最優(yōu)解，主要通過人力來進行集輸系統(tǒng)的優(yōu)化，通過研究團隊自身的經(jīng)驗進行管網(wǎng)拓撲布局，確定管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、級數(shù)、集氣站數(shù)量、規(guī)模和位置，建立管網(wǎng)數(shù)值模型進行工藝參數(shù)優(yōu)化，研究幾種可行方案，比較得到最優(yōu)解。優(yōu)點：可直觀地反應出各種不確定因素、求解思路清晰，數(shù)值模擬技術(shù)相對成熟。缺點：工作量大，需要較多人力物力、主要依靠人的主觀判斷，優(yōu)化方案的優(yōu)劣受限于研究人員的經(jīng)驗及工作狀態(tài)等因素。這種方法廣泛應用于各大油氣田建設，但不一定得到最優(yōu)解。

(2) 采用數(shù)學方法求最優(yōu)解，分為局部最優(yōu)化算法和全局最優(yōu)化算法。局部最優(yōu)化算法優(yōu)勢是具有判斷局部極小點的最優(yōu)性條件，無約束問題的一階必要條件、二階必要和充分條件；其中以分級優(yōu)化法在實際生產(chǎn)過程中應用最多，它在遵循優(yōu)化原則和現(xiàn)場實際的前提下，將問題分解為拓撲優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化兩個子問題，并通過各級別站的位置向量將這兩個子問題有機地結(jié)合在一起，從而構(gòu)成優(yōu)化的全過程。全局最優(yōu)化算法是隨著計算機技術(shù)和最優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化目標由單目標逐步過渡到多目標優(yōu)化，解決多變量全局優(yōu)化問題。缺點：關(guān)于環(huán)狀管網(wǎng)的布局優(yōu)化研究較少，實際生產(chǎn)中更重要的還需要考慮風險因素、障礙因素、管理因素等，這往往是制約集輸管網(wǎng)建設的最重要最關(guān)鍵的部分；三維地形條件下的拓撲布局優(yōu)化研究尚處于起步階段并未成熟應用；計算缺少終止準則，實際生產(chǎn)中使用較少。

研究認為，在面臨氣田新增區(qū)塊時，如果采用數(shù)學方法存在邊界條件太過模糊不好界定的情況時，應采用人工優(yōu)化法，如果邊界條件比較清晰可以采用數(shù)學方法。

2.3 管網(wǎng)水力計算方法

在管網(wǎng)適應性分析評價前[2-3]，應確定模擬分析所需的氣體狀態(tài)方程。國際上主要使用的氣體狀態(tài)方程有SRK、PR和BWRS方程[4-7]，由于沒有適用于各種管徑、流型、既精確又簡單的多相混輸管線計算模型可供工業(yè)應用。因此，需要找出最適用于該區(qū)域內(nèi)部集輸管網(wǎng)水力壓降的計算方法。

已發(fā)表的多種兩相流壓降計算公式中分相流模型和混和模型在理論上能更好地反映氣液兩相流的機理和能量損失規(guī)律，國內(nèi)外的研究多數(shù)傾向于這兩種類型的計算[8-9]。

本文分析了主要的兩相流計算方法，并進行了優(yōu)選。其中，Lockhart-Martinelli計算法和杜克勒計算法采用分相流模型，其余9種計算方法采用混合模型，組合公式分析見表1。

表1 組合公式分析組合公式流型劃分相關(guān)式持液率相關(guān)式摩阻壓降高程壓降加速壓降BBMEBBEatonBBBBBBBBMBBNO-SlipBBBBBBEF無EatonEatonFlaniganEatonDF無DuklerDuklerFlanigan無DEF無EatonDuklerFlaniganEatonOLIM無EatonOliemansOliemansOliemans

2.4 整體方法研究

整體方法研究結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 實例分析

某氣田建設至今已有6年，現(xiàn)有規(guī)模為3 900×104m3/d，管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)為復雜多環(huán)管網(wǎng)，見圖2。以此為例，挑選建設過程中兩個具有典型工況的案例，講述該適應性評價方法在集輸管網(wǎng)優(yōu)化中的運用情況，包括：現(xiàn)有工況優(yōu)化分析、局部新增單元(站場和管線)工況分析和新增開發(fā)區(qū)塊工況分析。

3.1 資料和現(xiàn)場調(diào)研情況

該氣田屬于淺丘陵及丘間平壩地形平坦區(qū)地區(qū)，地勢總體起伏小，高差不超過100 m。集輸管網(wǎng)建設采用非常用拓撲結(jié)構(gòu)，同時存在各類大中小型穿跨越、經(jīng)濟林地、水源保護地等控制點工程，所轄片區(qū)多部門、多屬地管理，耕種農(nóng)田較多難以短期協(xié)調(diào)和勘探與建設同時進行等不確定性因素的特點。集輸管網(wǎng)工藝特點見表2。

表2 管網(wǎng)特點集輸管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜多環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)同時具有多級星、環(huán)和樹狀管網(wǎng)高壓差5.5～8.3 MPa遠端單井站至聯(lián)合站A之間壓差高溫差16～98 ℃98 ℃為單井站井口最高溫度單井產(chǎn)量差異大(20～140)×104 m3/d輸送方式氣液兩相流輸送介質(zhì):天然氣和水氣質(zhì)分析含硫天然氣建設周期6年單井產(chǎn)水量3～90 m3/d

3.2 氣田集輸管網(wǎng)優(yōu)化運行整體思路

該區(qū)域集輸系統(tǒng)建設是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，從2013年至今，經(jīng)歷了很多階段，靠純數(shù)學方法求最優(yōu)解和優(yōu)化一步到位是不現(xiàn)實的，需要根據(jù)不同建設周期的需求進行分階段適應性評價分析。因此，提出以人工優(yōu)化方法為主，局部新增區(qū)塊以數(shù)學方法為輔的整體研究思路。

3.3 水力計算方法選取

通過研究，選用具備較強的溫度、壓力和組分適應性的PR方程。以地面建設初期工程36口單井站、5個集氣站為基礎分析，通過不同水力計算方法計算的結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的誤差分析，優(yōu)選出最適合該區(qū)域的水力壓降方法?；A數(shù)據(jù)見表3。

根據(jù)整理的實際工況數(shù)據(jù)，選取4天具有明顯差異的工況進行分析，每次分析涵蓋一期工程全部36口井，每個計算方法共有144個壓差對比數(shù)據(jù)。每種水力壓降模型計算誤差分析見圖3～圖15。

表3 建設初期36口單井站基礎數(shù)據(jù)表壓力/MPa5.5～8.3溫度/℃30～90高差/m<100產(chǎn)水量/(m3·d-1)5～25產(chǎn)氣量(104 m3·d-1)205080100120單井數(shù)量/口231849

比較圖3～圖15可看出，計算值普遍低于實測值，BBME法計算值最接近實測值，BBME法的平均誤差在10%以內(nèi)，其余的計算方法誤差均在10%以上。壓降計算方法誤差BBME法

3.4 集輸管網(wǎng)工況分析

3.4.1氣田建設初期某階段現(xiàn)有與局部新增單元工況分析

氣田建設初期某段工況的集輸管網(wǎng)流程見圖16。東區(qū)集氣站產(chǎn)氣550×104m3/d；西區(qū)集氣站產(chǎn)氣580×104m3/d，西干線設計輸量600×104m3/d，管徑DN500，設計壓力8.5 MPa；待開發(fā)區(qū)塊產(chǎn)氣46×104m3/d。凈化廠A和凈化廠B處理量分別為300×104m3/d和3 000×104m3/d；站場設計壓力8.5 MPa。此時，集輸管網(wǎng)富余量1 500×104m3/d，東區(qū)集氣站開始大量產(chǎn)水，單井站輸壓較高，清管頻繁；西區(qū)集氣站所轄范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)氣井可新增布井，結(jié)合待開發(fā)區(qū)域考慮，調(diào)整開發(fā)方案為西區(qū)新增產(chǎn)能規(guī)模600×104m3/d。該時間段內(nèi)，需要對東區(qū)集氣站、西區(qū)集氣站進行工藝調(diào)整，在保證東區(qū)單井站產(chǎn)氣量的同時，研究西區(qū)新增產(chǎn)能后集輸管網(wǎng)的適應性。

依據(jù)本項目提出的研究方法，該類問題解決辦法具有唯一性，具有明確最優(yōu)解。因此，采用人工優(yōu)化法。

先進行現(xiàn)場調(diào)研熟悉工況，結(jié)合建設方意見得出解決東區(qū)井站產(chǎn)水問題只能調(diào)整集輸工藝為氣液分輸；西區(qū)當前產(chǎn)量已經(jīng)達到集氣干線設計輸量的上限，新增產(chǎn)能只能通過新建管道解決輸氣瓶頸，并且具備唯一解，即新建西干線復線；然后利用PIPEPHASE進行數(shù)值建模，取設計壓力上限為約束條件，得出管道參數(shù)的最優(yōu)解，并用聯(lián)合站A的最高壓力6.5 MPa驗算新管道的參數(shù)合理，氣田集輸管網(wǎng)可以平穩(wěn)運行，數(shù)值模擬見圖17，集輸工藝計算數(shù)據(jù)見圖18。

研究得出：新建DN500管道與原有集氣干線并行敷設，可以解決開發(fā)區(qū)塊后續(xù)1 200×104m3/d產(chǎn)能規(guī)模，西區(qū)井站最高壓力會接近設計壓力上限值8.5 MPa，但不會超壓，取設計壓力上限為約束條件，此為最優(yōu)解。東區(qū)井站產(chǎn)水量高的單井改為氣液分輸可以很好地解決兩相流壓力過高的情況，并保證了產(chǎn)量。

3.4.2新增區(qū)塊管網(wǎng)優(yōu)化

隨著氣田開發(fā)的不斷深入，地面系統(tǒng)已形成集輸和凈化處理能力3 300×104m3/d規(guī)模，待開發(fā)區(qū)塊開發(fā)方案生產(chǎn)規(guī)模為600×104m3/d，設計總井數(shù)70口井。待開發(fā)區(qū)塊布井見圖19。

(1) 根據(jù)提出的研究方法先進行調(diào)研可知，新增區(qū)塊位于經(jīng)濟開發(fā)區(qū)周邊，淺丘地區(qū)，區(qū)域內(nèi)規(guī)劃紅線較多，河流、道路等穿越較多，開發(fā)區(qū)域內(nèi)有兩家氣田建設單位。根據(jù)以上特點，集輸管網(wǎng)優(yōu)化布局選用局部優(yōu)化數(shù)學方法的分級優(yōu)化法求最優(yōu)解。

(2) 經(jīng)分析，新增區(qū)塊滿足外輸系統(tǒng)和現(xiàn)有地面系統(tǒng)的適應性，不需要新增凈化廠，同時氣質(zhì)和現(xiàn)有單井氣質(zhì)混合后滿足凈化廠來氣要求。

(3) 布井位置呈條狀，氣體走向是自下而上，根據(jù)生產(chǎn)單位管轄范圍和集氣覆蓋5 km范圍初步劃分，需要5個集氣站和一個中心站，并采用多級星-樹狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)(簡稱MST網(wǎng)絡結(jié)構(gòu))，最低級別點與上一級節(jié)點之間的連接形狀為星形，其余節(jié)點之間的連接形狀為樹枝狀，其同級節(jié)點之間可以相連接，初級規(guī)劃如圖20所示。

(4) 分級優(yōu)化法建模。將模型劃分成兩個子問題：拓撲級優(yōu)化和幾何位置優(yōu)化。這兩個子問題之間可以獨立求解并通過變量聯(lián)系在一起，直接構(gòu)造一個迭代過程，求出MST網(wǎng)絡布局優(yōu)化問題的一個改進解。

由于現(xiàn)場條件所限，集氣站選址位置具備唯一性。首先確定5個集氣站位置和一個區(qū)域中心站位置，集輸網(wǎng)絡采用2級布站的方式，流速控制在3～6 m/s，最優(yōu)解采用建設投資最小值作為目標函數(shù)。

數(shù)學模型如下：

PMST：求e,U,?

(1)

(2)

(3)

(4)

eij∈{0,1}；i=1,2,?,m0;j=1,2,?,m1

λij∈{0,1}；i=1,2,?,ms″;j=1,2,?,ms″U∈UD

(1) 拓撲級優(yōu)化 。拓撲級優(yōu)化是在節(jié)點的幾何位置已知的前提下進行，其數(shù)學模型可描述為：

P:求e，？

(5)

(6)

(7)

(8)

eij∈{0,1}；i=1,2,?,m0;j=1,2,?,m1

λij∈{0,1}；i=1,2,?,ms″;j=1,2,?,ms″

該問題可以分解成P′MST1和P″MST1兩個子問題。

P′MST1是集合最優(yōu)劃分問題，可采用降維規(guī)劃法求解，求e。

(9)

P″MST1是生成頂點為集合S″的最小生成樹，可采用Kruskal算法求解，求？。

(10)

(2) 幾何位置優(yōu)化。在拓撲級優(yōu)化過程中，已經(jīng)確定了節(jié)點之間的連接關(guān)系，幾何位置優(yōu)化的目的是調(diào)整節(jié)點的幾何位置，以進一步降低系統(tǒng)投資。該問題可以采用懲罰函數(shù)法進行求解。問題的優(yōu)化數(shù)學模型可表示為：

PMST2:求U

(11)

(12)

U∈UD

(13)

經(jīng)過計算得出最優(yōu)解，再通過人工進一步優(yōu)化得出管網(wǎng)優(yōu)化，見圖21。

通過優(yōu)化分析，管網(wǎng)布局發(fā)生了較大改變，初級規(guī)劃是中心站集輸所轄單井站來氣和集氣站1、2、5井來氣，集氣站4產(chǎn)氣輸送至集氣站3后，同集氣站3所轄單井站產(chǎn)氣集輸至集氣站5。通過優(yōu)化算法后，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)變?yōu)橹行恼炯斔爢尉緛須夂图瘹庹?、2、5井來氣，集氣站5集輸所轄單井站來氣和集氣站3、4井來氣。通過數(shù)學優(yōu)化，27口單井站的路由發(fā)生了改變，其中DN80管道減少8.5 km，DN100管道增加6.5 km，DN150管道減少3.4 km，DN250管道減少7.5 km，經(jīng)過管網(wǎng)優(yōu)化后(如圖21)可以比優(yōu)化前(如圖20)節(jié)省投資約2 000萬元。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，聯(lián)合站最高壓力為6.5 MPa，以此驗證管網(wǎng)的適應性，能滿足集輸管網(wǎng)生產(chǎn)需求(見圖22)。中心站接受3個集氣站和周邊單井站來氣，集氣站5接收2個集氣站和周邊單井來氣，在約束流速的情況下，得到集氣站1和中心站以及所轄單井站的設計壓力為9.9 MPa，集氣站2～5的個別遠端井站由于壓力較高，設計壓力為12 MPa，以此保證所有管道參數(shù)均為最小值。通過比較可以得出，經(jīng)數(shù)學優(yōu)化后的管網(wǎng)，可以有效地降低遠端井站的壓力約1.5 MPa。

通過數(shù)學分析可以得出，在某些特定條件和區(qū)域內(nèi)數(shù)學方法能夠很好地解決集輸管網(wǎng)合理布局的難題。該方法的使用，在經(jīng)濟最優(yōu)化的同時，做到了集輸工藝的最優(yōu)化。

4 結(jié)語

(1) 本次研究提出了一套氣田集輸管網(wǎng)適應性評價方法。通過前期調(diào)研，知悉了管網(wǎng)各方面的情況，當工況調(diào)整時，首先確認調(diào)整內(nèi)容，提出對現(xiàn)有管網(wǎng)工藝調(diào)整或局部新增工藝單元等最優(yōu)解容易求解時，直接利用數(shù)值模擬方法建立多相流模型進行求解。如果是新增區(qū)塊則根據(jù)前期調(diào)研情況結(jié)合開發(fā)方案確定采用人工求解或數(shù)學方法求解，最后核實最優(yōu)解的適應性。

(2) 該套氣田內(nèi)部集輸管網(wǎng)適應性評價方法成功運用于國內(nèi)某大型氣田，在開發(fā)至今的6年時間內(nèi)，只要有工藝調(diào)整，均采用該方法進行分析，取得了很好的效果，為氣田地面建設提供了有效的理論支撐，保證了地面集輸系統(tǒng)的平穩(wěn)運行[10-12]。