克拉美麗氣田集輸管網設計技術優選分析

鄭云萍，溫　馨，金俊卿

(1 西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川　成都　6100172；2 中國石油大港油田采油工藝研究院，天津　300280)

?

化工機械

克拉美麗氣田集輸管網設計技術優選分析

鄭云萍1，溫馨1，金俊卿2

(1 西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都6100172；2 中國石油大港油田采油工藝研究院，天津300280)

克拉美麗氣田開采中后期井口壓力、溫度及產量降低，出水量增加，導致原有集輸工藝不能滿足輸送要求，需對集輸管網進行優化。對氣田井位布局分析認為應采用放射狀管網類型，根據井位及井口壓力進行井組劃分，以管網系統總建造費用最小為目標函數，以管道設計輸量、流速和承壓能力為約束條件，建立了地面集輸管網優化模型，采用分級優化法求解該優化模型。以D1區為例模擬計算，結果表明優選后管網投資節省35%，集輸效率提高11%。

管網優化；放射狀；集輸效率；MATLAB；HYSYS

克拉美麗氣田位于準噶爾盆地陸梁隆起滴南凸起中段，是千億方儲量規模的火山巖氣田[1]。氣藏疊合含氣面積56.2 km2，凝析氣儲量690.9×108m3，天然氣儲量680.16×108m3，凝析油儲量572×104t[2]。氣藏巖性巖相變化快，儲集空間復雜，儲層滲透率低，屬于中低孔、低滲儲層。氣田周邊為典型的風積沙漠地貌，地表為沙漠覆蓋，植被稀少，無山川河流，氣候干燥，年溫差為-40～45 ℃，年降雨量稀少。

隨著氣田開采進入中后期地面工藝配套方案有必要進行適應性研究，優選工藝方案，充分利用地層能量，延長氣井的生產壽命，提高氣田的采收率。

1　氣田特點

氣田利用新井部署、老井側鉆、補射層位、增壓開采、排水采氣工藝攻關等技術措施，實現其挖潛、提高儲量動用程度和開發效果。由于各個井區面積小，井口數多且相對集中，井區相對獨立。采用“邊評價、邊開發、井間逐次加密”方式部署井網。

氣田現有處理站1座、集氣站3座，處理站設計氣處理能力300×104m3/d，凝析油500 t/d；單個集氣站設計處理能力180×104m3/d，凝析油處理能力100 t/d[3]。目前開采出現以下問題：①氣田初期生產壓力高達35 MPa，但壓力下降快，大部分時間處于低壓生產狀態。②單井產量低，產氣量穩定，下降的速度緩慢。③氣井后期產水量增加，井口溫度低，易生成水合物，如采用以往防止水合物形成的方法，則注醇量很大。由于以上問題導致原有集輸工藝不能滿足輸送要求，故需對集輸管網進行優選比較。

2　管網適應性評價

根據氣田井位布局，分析不同類型集氣管網對克拉美麗氣田整體的適應性。

環狀管網適用于面積較大的方形、圓形或橢圓形氣田。而克拉美麗氣田三個井區分布相對獨立，單個井區內井口集中，井距較小。且環狀管網投資較大，因此環狀管網不適用于克拉美麗氣田。

枝狀管網投資少，但是氣田開發后期需增壓采氣時，天然氣壓縮機組只能設在井場，對每口井單獨增壓，難以集中使用。枝狀管網只針對氣藏面積狹長、井網距離較大的氣田才適用，而對于各井間物流差距大、高低壓井交叉分布的克拉美麗氣田不適用。

放射狀集氣管網適合于氣井相對集中或面積較小的氣田，管理方便。克拉美麗氣田三個井區相距5～8 km，而每個井區的井口相對集中，平均井距820 m，集氣半徑小。相比枝狀管網，放射狀管網更有利于氣田的滾動開發和單井管理，生產后期出現高低壓井后，改造方案多、費用省、工藝簡單，能充分利用壓力能和適應高低壓采氣生產。

3　管網優選

對天然氣集輸系統進行優化設計主要解決如下幾個決策問題：確定網絡的拓撲形式；確定集輸站的幾何位置；確定管道系統內壓力，流量分布以及各管道直徑、壁厚等。

3.1井組劃分

井組最優劃分的目標就是確定氣井與集氣站間的最佳隸屬關系，本文以距離之和最短為原則對井組進行劃分。根據規定：放射型管網中混輸單井管線不宜超過5 km；集氣站所轄井數限制為6～10口井(產量較大)、11～16口井(產量較小)。以及克拉美麗氣田現狀：氣田最遠井間距約為16 km；單井產量較小，約為7～10×104m3/d。對氣田52口井進行劃分，得出至少要建立三個集氣站。井組劃分結果見表1。

表1　克拉美麗氣田井口分組結果

3.2集氣站站址優選

(1)目標函數

集氣站站址優化的目標是在確定了集氣站與各氣井的隸屬關系基礎上，以各氣井到相應的集氣站距離之和最小。系統中集氣站與所轄單井間管線投資費用可表示如下公式[4]：

(1)

式中：Wi——第i井到集氣站管線單位長度造價，元/m

Li——第i井到所屬集氣站的管線長度，m

ρ——鋼材密度，7.8×103kg/m3

a——鋼材的單價，5000元/t

δi——第i管線的管道壁厚，m

di——第i管線的管道管內徑，m

n——優化的井口個數

(x,y)和(xi,yi)——集氣站坐標和井口坐標

(2)約束條件

約束條件包括井口壓力、流量約束，管道、站等承壓能力約束，節點輸出入氣量約束等[5]。①輸送氣量對管徑的約束條件：采氣管線的通過能力按氣井產量確定，而管道的設計輸送能力應大于管道實際輸送能力。②壓力等級及壁厚約束條件：根據克拉美麗氣田單井物流壓力和產量預測如表，2008-2015年集氣壓力為7.6 MPa，采氣管線壓力為10～21 MPa。各個管徑的壁厚仍采用原克拉美麗氣田設計值并作強度及穩定性驗算。③管線流速約束條件：根據克拉美麗氣田酸氣含量少，應保證采氣管線流速為4～6 m/s。既保證了氣體一定的攜液能力，又防止因氣流速度過快所造成的沖刷腐蝕。④管道路線的約束：克拉美麗處于沙漠中央沙丘區，無穿跨越工程，其路線選擇約束限制非常小。因此可將該工程建設費用看為管線長度的函數。

(3)計算結果

圖1　D1區放射狀優選后管網

圖2　D2區放射狀優選后管網

圖3　D3區放射狀優選后管網

利用MATLAB的工程規劃計算模塊優化計算[6-7]，D1區、D2區、D3區井口坐標和集氣站結果分別見圖1～圖3。

3.3優選前后對比

根據優選前后管線長度計算管線用鋼量及管線費用，計算結果見圖4。

圖4　D1、D2和D3區放射狀管網優化前后投資費用對比

通過對克拉美麗氣田放射狀管網優化前后投資費用對比，理論上總體優化后的投資費用比優選前投資費用減少35%，其中D1區投資費用下降最為顯著。

4　管網效率

氣田集輸系統效率評價方法是用來評價氣田集輸系統管網、站場運行效率狀況的指標體系。數值為管網效率和集氣站效率之積，可以用能量指標進行評價，用單位能量表示。管道效率計算公式如下[8]：

ηg=G2(C2t2+p2÷ρt)/G1(G1t1+p1÷ρt)×100%

(2)

式中：G1、G2——管道進、出口天然氣質量流量，kg/h

C1、C2——管道進、出口天然氣定容比熱，kJ/(kg·℃)ρt——天然氣相對密度，kg/m3

P1、P2——管道進、出口天然氣壓強，MPa

t1、t2——管道進、出口天然氣溫度，℃

表2　D1區優選前后管網集輸效率對比

選取D1區來研究管道優化前后的適應性變化。優化調整后各井的管道規格不變，井口工藝和保溫方式不變，只有管線的長度調整，利用HYSYS對采氣管線模擬得到的進出口相關參數，并用集輸效率公式計算得到D1區優化前后的管網效率見表2。

由表2可知D1區管網集輸效率提高11%，效果明顯。同理計算出D2區和D3區管網集輸效率分別提高了5.1%和3.7%，且克拉美麗氣田放射狀管網優化后整體集輸管網效率提高7.7%。以D1區為例，分析管網優選前后管線長度與集輸效率之間的關系，以及管道長度減小量對集輸效率提高量之間的關系，見圖5。

圖5　優化前后管道的集輸效率和管線長度分布圖

比較可得：經過對放射狀管網的優化，采氣管線的長度減少使得管網沿程的熱損失和沿程壓力損失減小，不僅降低了管線投資，而且使得管網效率提高，最終降低能耗，降低運行費用。

5　結　論

通過對克拉美麗氣田管網優化問題的研究，建立了基于最優化原理的放射狀管網優化模型。可見，在進行天然氣集輸管網系統的設計過程中，應注意結合集輸管網規劃建設的具體情況，確定相應的規劃設計準則，選擇合理的設計方案，以提高優化設計的合理性與適用性。對已知井位，根據地面集輸管網的連接特點，以管網總投資費用最省為目標，建立優化模型，并考慮輸氣管線的輸送要求和安全因素。應用MATLAB中線性規劃功能模塊，可得到快速簡便的優化算法。對克拉美麗氣田采用放射狀管網優選后的管網投資比原管網節省35%，管網集輸效率提高7.7%。

D1區井區已建集氣站毗鄰天然氣處理站建設，處于井區邊緣，單井集輸半徑較大，導致該區多數采氣管線較長，造成管線投資增加和能量的浪費。對其采用放射狀方式優化之后，集氣站建在井區內部，平均單井管線距離由2.586 km減少為1.4 km，投資顯著下降。可見，縮短單井集氣管線長度對集輸效率的提高有明顯的作用，管線長度縮短比例與集輸效率提高比例呈正相關，體現出合理規劃布局管線的重要性。

[1]胥金江,楊肇琰,高書儉,等. 滴西14井區高含水氣井地面集輸工藝優化研究[J]. 化學工程與裝備, 2011(7):117-120.

[2]胥金江,李紅剛, 韓薇, 等. 克拉美麗氣田井口地面防砂工藝應用[J]. 中國石油和化工標準與質量, 2011(4):239-240.

[3]張鋒, 蔣洪, 張東平,等. 克拉美麗氣田油氣處理裝置工藝改進[J]. 石油與天然氣化工, 2013, 42(5):452-456.

[4]李征. 天然氣集輸管網優化設計方法研究[J]. 內蒙古石油化工, 2009(6):19-21.

[5]劉武, 徐源, 趙緒, 等. 氣田集輸管網優化運行方案[J]. 油氣儲運, 2010, 29(7):501-504.

[6]李自力, 孫云峰, 張子波, 等. 基于遺傳算法的氣田集輸管網整體優化方法[J]. 天然氣工業, 2011, 31(8):86-89.

[7]劉文艷,葉楓. 單親遺傳算法在天然氣管網布局優化中的應用[J]. 科學技術與工程, 2011, 11(6):1351-1354.

[8]李德選, 李文廣, 李文婷. 氣田集輸系統效率評價方法[J], 油氣田地面工程, 2012, 31(6):13-14.

Optimization Analysis of the Pipeline Network in Kelameili Gas Field

ZHENGYun-ping1,WENXin1,JINJun-qin2

(1 Oil and Gas Engineering Institute，Southwest Petroleum University，Sichuan Chengdu 6100172；2 Oil Production Technology Institute of Dagang Oilfield，Tianjin 300280，China)

With the decrease of wellhead pressure, temperature and output as well as the increase in water yield in the mid-to-late process of oil extraction in Kelameili gas field, the current gathering technics could not meet the transportation demands which required optimizing the design of gathering pipe network. After dividing the wells into groups based on the different well locations and wellhead pressure and by analyzing the factual situations of the pipe system, such as the gas carriage amount, the gas-flow rate as well as other restricted conditions, the model of the gathering and transportation pipe network on the ground was established on the condition of the minimum all-in expenditure of construction as the objective function. In the case of D1 district, the total project cost had 35% saved while the gas gathering and transportation efficiency had 11% increased.

pipe network optimization; gathering and transportation efficiency; MATLAB; HYSYS

趙鵬(1989-)，男，碩士研究生，主要從事硅材料表面分析。

童躍進，教授，博士生導師。

TQ914.1

B

1001-9677(2016)02-0136-04