氣田內部集輸管網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管理部

1 技術背景

氣田內部集輸系統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。因此,集輸系統工藝優化調整往往是最頻繁的，這常成為氣藏開發的制約性障礙。集輸工況調整主要包括現有工況優化調整、局部新增單元(站場和管線)工況調整和新增開發區塊工況調整三大類。傳統的氣田集輸系統管網建設多選擇人工優化法，隨著計算機技術的發展和數學求解法的不斷進步，逐步形成了數學解法。但由于氣田集輸系統自身的復雜性，各大油氣田對集輸工藝優化調整并沒有統一的方法。通過對不同建設工況的分析和對優化調整方法的研究，提出一套地面集輸管網適應性評價方法，解決集輸系統建設過程中工況調整及優化方案等問題[1]。

2 集輸管網適應性評價內容及方法研究

2.1 管網優化內容

現有工況優化調整和局部新增單元(站場和管線)工況調整解決辦法相對容易，求解通常具有唯一性，新增開發區塊工藝調整研究較復雜。目前，國內外多采用人工優化方法和數學方法求最優解。

2.2 管網優化方法

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

(2) 采用數學方法求最優解，分為局部最優化算法和全局最優化算法。局部最優化算法優勢是具有判斷局部極小點的最優性條件，無約束問題的一階必要條件、二階必要和充分條件；其中以分級優化法在實際生產過程中應用最多，它在遵循優化原則和現場實際的前提下，將問題分解為拓撲優化和參數優化兩個子問題，并通過各級別站的位置向量將這兩個子問題有機地結合在一起，從而構成優化的全過程。全局最優化算法是隨著計算機技術和最優化技術的發展，優化目標由單目標逐步過渡到多目標優化，解決多變量全局優化問題。缺點：關于環狀管網的布局優化研究較少，實際生產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建設的最重要最關鍵的部分；三維地形條件下的拓撲布局優化研究尚處于起步階段并未成熟應用；計算缺少終止準則，實際生產中使用較少。

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

2.3 管網水力計算方法

在管網適應性分析評價前[2-3]，應確定模擬分析所需的氣體狀態方程。國際上主要使用的氣體狀態方程有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應用。因此，需要找出最適用于該區域內部集輸管網水力壓降的計算方法。

已發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律，國內外的研究多數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式持液率相關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

整體方法研究結構圖如圖1所示。

3 實例分析

某氣田建設至今已有6年，現有規模為3 900×104m3/d，管網拓撲結構為復雜多環管網，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優化中的運用情況，包括：現有工況優化分析、局部新增單元(站場和管線)工況分析和新增開發區塊工況分析。

3.1 資料和現場調研情況

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

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

3.2 氣田集輸管網優化運行整體思路

該區域集輸系統建設是一個非常復雜的系統工程，從2013年至今，經歷了很多階段，靠純數學方法求最優解和優化一步到位是不現實的，需要根據不同建設周期的需求進行分階段適應性評價分析。因此，提出以人工優化方法為主，局部新增區塊以數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果與實際生產數據的誤差分析，優選出最適合該區域的水力壓降方法。基礎數據見表3。

根據整理的實際工況數據，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個壓差對比數據。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口單井站基礎數據表壓力/MPa5.5～8.3溫度/℃30～90高差/m<100產水量/(m3·d-1)5～25產氣量(104 m3·d-1)205080100120單井數量/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，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 集輸管網工況分析

3.4.1氣田建設初期某階段現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流程見圖16。東區集氣站產氣550×104m3/d；西區集氣站產氣580×104m3/d，西干線設計輸量600×104m3/d，管徑DN500，設計壓力8.5 MPa；待開發區塊產氣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，集輸管網富余量1 500×104m3/d，東區集氣站開始大量產水，單井站輸壓較高，清管頻繁；西區集氣站所轄范圍內發現高產氣井可新增布井，結合待開發區域考慮，調整開發方案為西區新增產能規模600×104m3/d。該時間段內，需要對東區集氣站、西區集氣站進行工藝調整，在保證東區單井站產氣量的同時，研究西區新增產能后集輸管網的適應性。

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

先進行現場調研熟悉工況，結合建設方意見得出解決東區井站產水問題只能調整集輸工藝為氣液分輸；西區當前產量已經達到集氣干線設計輸量的上限，新增產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進行數值建模，取設計壓力上限為約束條件，得出管道參數的最優解，并用聯合站A的最高壓力6.5 MPa驗算新管道的參數合理，氣田集輸管網可以平穩運行，數值模擬見圖17，集輸工藝計算數據見圖18。

研究得出：新建DN500管道與原有集氣干線并行敷設，可以解決開發區塊后續1 200×104m3/d產能規模，西區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，此為最優解。東區井站產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，并保證了產量。

3.4.2新增區塊管網優化

隨著氣田開發的不斷深入，地面系統已形成集輸和凈化處理能力3 300×104m3/d規模，待開發區塊開發方案生產規模為600×104m3/d，設計總井數70口井。待開發區塊布井見圖19。

(1) 根據提出的研究方法先進行調研可知，新增區塊位于經濟開發區周邊，淺丘地區，區域內規劃紅線較多，河流、道路等穿越較多，開發區域內有兩家氣田建設單位。根據以上特點，集輸管網優化布局選用局部優化數學方法的分級優化法求最優解。

(2) 經分析，新增區塊滿足外輸系統和現有地面系統的適應性，不需要新增凈化廠，同時氣質和現有單井氣質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，根據生產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-樹狀網絡結構(簡稱MST網絡結構)，最低級別點與上一級節點之間的連接形狀為星形，其余節點之間的連接形狀為樹枝狀，其同級節點之間可以相連接，初級規劃如圖20所示。

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

由于現場條件所限，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域中心站位置，集輸網絡采用2級布站的方式，流速控制在3～6 m/s，最優解采用建設投資最小值作為目標函數。

數學模型如下：

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) 拓撲級優化 。拓撲級優化是在節點的幾何位置已知的前提下進行，其數學模型可描述為：

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是集合最優劃分問題，可采用降維規劃法求解，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) 幾何位置優化。在拓撲級優化過程中，已經確定了節點之間的連接關系，幾何位置優化的目的是調整節點的幾何位置，以進一步降低系統投資。該問題可以采用懲罰函數法進行求解。問題的優化數學模型可表示為：

PMST2:求U

(11)

(12)

U∈UD

(13)

經過計算得出最優解，再通過人工進一步優化得出管網優化，見圖21。

通過優化分析，管網布局發生了較大改變，初級規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產氣輸送至集氣站3后，同集氣站3所轄單井站產氣集輸至集氣站5。通過優化算法后，管網結構變為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5集輸所轄單井站來氣和集氣站3、4井來氣。通過數學優化，27口單井站的路由發生了改變，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，經過管網優化后(如圖21)可以比優化前(如圖20)節省投資約2 000萬元。

根據現場經驗，聯合站最高壓力為6.5 MPa，以此驗證管網的適應性，能滿足集輸管網生產需求(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均為最小值。通過比較可以得出，經數學優化后的管網，可以有效地降低遠端井站的壓力約1.5 MPa。

通過數學分析可以得出，在某些特定條件和區域內數學方法能夠很好地解決集輸管網合理布局的難題。該方法的使用，在經濟最優化的同時，做到了集輸工藝的最優化。

4 結語

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

(2) 該套氣田內部集輸管網適應性評價方法成功運用于國內某大型氣田，在開發至今的6年時間內，只要有工藝調整，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的平穩運行[10-12]。