頁巖氣集輸管網(wǎng)適應(yīng)性評價分析

何國璽,唐鑫,黃小明,廖柯熹，王敏安,彭浩

(1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都 610500；2.中國石油天然氣有限公司西南油氣田，重慶 400014)

頁巖氣是以游離態(tài)和吸附態(tài)的形式存在于納米級或微米級的裂縫和孔隙中，分布在頁狀或薄片狀層理的沉積頁巖中[1-2]。根據(jù)頁巖氣井流參數(shù)特征及變化規(guī)律，頁巖氣不同生產(chǎn)階段內(nèi)的壓力和產(chǎn)量變化較大，開采初期產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量較大，但中后期氣水產(chǎn)量衰減快[3]，因此地面集輸管網(wǎng)與地下資源條件之間需要一定的適應(yīng)性。

近年來，針對頁巖氣集輸管網(wǎng)運行適應(yīng)性分析評價的相關(guān)研究較少，主要是對常規(guī)天然氣管網(wǎng)、煤層氣集輸管網(wǎng)進行拓撲優(yōu)化和方案評價。文獻[4-5]采用模擬軟件建立管網(wǎng)水力計算模型，以對集輸管網(wǎng)或外輸管網(wǎng)系統(tǒng)進行適應(yīng)性分析。文獻[6-8]基于數(shù)學拓撲優(yōu)化理論，以管網(wǎng)投資最小或井站距離之和最短為目標函數(shù)，建立集輸管網(wǎng)布局優(yōu)化模型。文獻[9-11]針對頁巖氣壓力優(yōu)化問題，依靠歸一化曲線模型來量化管線壓力變化對單井產(chǎn)量的影響，提出了混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，并應(yīng)用于現(xiàn)場實際。文獻[12-14]對頁巖氣田地面集輸管網(wǎng)規(guī)劃方案存在資源浪費的問題，通過數(shù)學拓撲方法優(yōu)化設(shè)計集氣站、處理廠等各級站的位置及管網(wǎng)的連接關(guān)系，降低頁巖氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)投資和生產(chǎn)運行費用。王博弘等[15]制定了評分等級標準，并確定可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟性評價的指標權(quán)重大小，以對煤層氣管網(wǎng)設(shè)計方案進行綜合評價。目前，中國關(guān)于氣液混輸工藝的適應(yīng)性研究主要局限于管網(wǎng)建模方法。何思宏[16]通過采用模擬軟件建立頁巖氣集輸管網(wǎng)模型，以分析氣液混輸條件下集輸管道的適應(yīng)性。岳興龍[17]采用OLGA軟件對混輸管道的瞬態(tài)工況進行模擬，分析了混輸管道內(nèi)氣液流量、壓力、溫度等之間的影響，對混輸管道中的流型進行了預測。王熒光[18]針對蘇里格氣田，提出了集氣閥組的“枝上枝”管網(wǎng)布局形式，將集氣站改為集氣閥組，單井來氣就近接入集氣閥組，閥組再將來氣輸送至中央處理廠進行工藝處理。

基于長寧某區(qū)塊頁巖氣集輸管網(wǎng)的現(xiàn)場運行問題及實際工況條件，從管網(wǎng)布局、輸送工藝和增壓工藝三個方面，優(yōu)化選取出相應(yīng)的適應(yīng)性評價指標，有針對性地對該集輸管網(wǎng)進行適應(yīng)性評價分析，并將評價結(jié)果和工藝調(diào)整建議應(yīng)用到工程實際生產(chǎn)中，以提高集輸管網(wǎng)在運行過程中的適應(yīng)性和輸送效率，從而為頁巖氣田高效低成本規(guī)模化開發(fā)提供技術(shù)支持和借鑒。

1 集輸管網(wǎng)運行工藝及適應(yīng)性評價流程

1.1 集輸管網(wǎng)運行工藝

1.1.1 管網(wǎng)布局形式

頁巖氣集輸管網(wǎng)有放射狀、枝狀、環(huán)狀及組合式等四種布局形式[19]。長寧區(qū)塊頁巖氣富集區(qū)域多處山地，管網(wǎng)沿線地形起伏大，單一布局形式的集輸管網(wǎng)難以實現(xiàn)氣田高效低成本開發(fā)。以總費用與可靠度比值為目標函數(shù)，因此長寧區(qū)塊頁巖氣集輸管網(wǎng)采用“放射狀+枝狀”的布局形式可得到最優(yōu)解[20-21]。在生產(chǎn)后期出現(xiàn)高低壓井后，改造方案多、費用低、工藝簡單，可以充分利用壓力能和適應(yīng)性高低壓輸送。

1.1.2 輸送工藝

以減少設(shè)備投資、運行維護和管理費用最低為原則，頁巖氣正常生產(chǎn)初期采用氣液分輸方式，而生產(chǎn)中后期采用氣液混輸方式。相比氣液分輸工藝，氣液混輸工藝中介質(zhì)的流動狀態(tài)和管道沿線流動規(guī)律更為復雜[22]，因此有必要對不同工況條件下的輸送工藝進行適應(yīng)性研究。

1.1.3 增壓工藝

中外頁巖氣田生產(chǎn)后期主要有平臺增壓、集氣站增壓和脫水站增壓等三種增壓工藝。長寧頁巖氣田推薦采用以集氣站集中增壓為主、平臺增壓為輔的方案。并且針對增壓工藝的變工況操作特性，往復式壓縮機較為靈活，因此長寧區(qū)塊頁巖氣平臺站場廣泛采用往復式壓縮機[23]。

1.2 集輸管網(wǎng)運行適應(yīng)性評價流程

頁巖氣田集輸管網(wǎng)運行適應(yīng)性評價技術(shù)路線如圖1所示。首先基于管網(wǎng)布局、混輸工藝及增壓工藝3個方面的運行工況，擇優(yōu)選取適應(yīng)性評價指標并建立頁巖氣集輸管網(wǎng)運行適應(yīng)性評價指標體系。根據(jù)頁巖氣田不同開發(fā)階段的生產(chǎn)特點，對頁巖氣集輸管網(wǎng)運行進行適應(yīng)性評價。基于評價結(jié)果提出建議，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)實際，從而提高頁巖氣田集輸管網(wǎng)的運行適應(yīng)性。

圖1 頁巖氣田集輸管網(wǎng)運行適應(yīng)性評價流程Fig.1 Adaptability assessment process of gathering and transportation pipeline network in shale gas Fields

2 集輸管網(wǎng)運行適應(yīng)性評價指標的選取與評定

2.1 適應(yīng)性評價指標的選取

2.1.1 管網(wǎng)布局適應(yīng)性評價指標的選取

管網(wǎng)布局適應(yīng)性選取相對可靠度、地形起伏度及管線長度作為評價指標[24]。相對可靠度是指在一定的條件和時間內(nèi)管網(wǎng)安全輸送規(guī)定流量的概率，該指標可以表征管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行能力。通過統(tǒng)計集輸管網(wǎng)中節(jié)點的連接形式，并根據(jù)放射狀、枝狀、組合式3種連接形式可以確定其相對可靠度。地形起伏度是指在特定的區(qū)域內(nèi)沿線地形相對高程之差，可描述一個區(qū)域地形特征的宏觀性指標，采用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)求解地形起伏度的值。在頁巖氣集輸管網(wǎng)的系統(tǒng)中，管線長度會直接制約集輸系統(tǒng)的總投資成本，同時也可以表征集輸系統(tǒng)所處地形地貌的復雜程度，管線長度可以在管網(wǎng)布局圖或設(shè)計說明書上找到原始資料。

2.1.2 混輸工藝適應(yīng)性評價指標的選取

混輸工藝適應(yīng)性評價選取管道輸送效率、氣液比、平均流速作為評價指標。管道輸送效率與管道輸送能力、管道運行安全性、能耗和投資成本有關(guān)，輸送效率較低，管網(wǎng)系統(tǒng)所需的能耗較高，從而影響投資成本，制約管網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全。根據(jù)(SYT 5922—2012)《天然氣管道運行規(guī)范》，管道輸送效率計算公式為

(1)

式(1)中：η為管道輸送效率，%；Qprac為在同一運行工況下管道的實際輸送氣量，m3/d；Qcal為在同一運行工況下管道的計算輸送氣量，m3/d；根據(jù)《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》(GB/T 21391—2008)規(guī)定，p0為標準大氣壓，計算時取0.101 325 MPa，T0為常溫，計算時取293.15 K。

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50251—2015)，管道的計算輸氣量可以采用潘漢德(Panhandle)輸氣計算公式，即

(2)

式(2)中：d為管線內(nèi)徑，cm；p1為管線起點壓力，MPa；p2為管線終點壓力，MPa；T為天然氣平均溫度，K；L為管線長度，km；ρrelative為天然氣相對密度，無量綱；Z為天然氣的平均壓縮因子，無量綱；E為輸氣管道的效率系數(shù)，無量綱，E一般小于1，當管線外徑大于325 mm時，E值取0.90～0.94，當管線外徑小于325 mm時，E值取0.85～0.90。

(3)

式(3)中：M為天然氣的分子質(zhì)量，g/mol；yi為天然氣中組分i的摩爾分數(shù)，%；ρ為天然氣的密度，kg/m3；Mi為天然氣中組分i的分子質(zhì)量，g/mol；ρair為標準條件下空氣的密度，取1.293 kg/m3。

(4)

式(4)中：pm為管道內(nèi)氣體平均壓力的絕對值，MPa。

(5)

氣液比會對管道積液、流型流態(tài)產(chǎn)生影響，氣液比降低，低洼處積液容易導致管道堵塞，增加壓力降，從而降低管道的輸送效率。管線的攜液量可以通過OLGA軟件并結(jié)合不同工況條件(不同氣液比、流體組分、壓力、溫度、流量和管線幾何條件)進行模擬計算。頁巖氣集輸管道在極端工況下的高流速可能會對管線、彎頭部分造成過大的沖蝕。并結(jié)合《頁巖氣氣田集輸工程設(shè)計規(guī)范》(NB/T 14006—2015)，需要將流體的平均流速控制在5～12 m/s范圍。集輸管道內(nèi)的流體流速可通過測速儀進行準確、高效、實時地測量。

2.1.3 增壓工藝適應(yīng)性評價指標的選取

增壓工藝適應(yīng)性評價選取壓縮比及最高操作壓力作為評價指標。壓縮比是指壓縮機排出總壓力與吸入總壓力之比。壓縮比越大，壓縮機所需級數(shù)就越多，其功耗也越大；當壓縮比過低時，則會浪費電能，增大投資成本。由于天然氣壓縮機對排氣溫度的要求，因此規(guī)定壓縮機的每級壓縮比一般不大于4∶1。《頁巖氣氣田集輸工程設(shè)計規(guī)范》(NB/T 14006—2015)中規(guī)定，頁巖氣地面集輸系統(tǒng)的最高操作壓力不能超過8.5 MPa，以避免增壓設(shè)備及其工藝管線的壓力等級過高，同時也可降低增壓工藝設(shè)備的投資成本。

2.2 適應(yīng)性評價指標的評定及權(quán)重

管網(wǎng)布局、混輸工藝和增壓工藝適應(yīng)性評價指標可劃分為“高(90～100分)、較高(80～90分)、中等(70～80分)、較低(60～70分)、低(<60分)”5個等級，并可確定各適應(yīng)性等級的評分范圍。根據(jù)專家打分法、相關(guān)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，結(jié)合管網(wǎng)布局適應(yīng)性評價指標的相對重要性比例，采用層次分析法計算得到管網(wǎng)布局、混輸工藝和增壓工藝各單元的權(quán)重大小如表1所示。

表1 管網(wǎng)布局適應(yīng)性評價指標的權(quán)重標準Table 1 Weight standard of the evaluation index of the adaptability of the pipeline network layout

2.3 多因子定量評價模型及綜合評價標準

2.3.1 定量評價模型

管網(wǎng)布局、混輸工藝和增壓工藝適應(yīng)性指標的定量評價采用多因子分級加權(quán)指數(shù)和模型，計算公式為

(6)

式(6)中：S為適應(yīng)性綜合定量評價計算分值，S以高分值為優(yōu)，無量綱；Bi為第i項評價指標的定量得分，無量綱；Wi為第i種評價指標的權(quán)重，無量綱；n為參與評價的因子數(shù)量，無量綱。

2.3.2 定量評價標準

通過采集現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)，可以確定集輸系統(tǒng)各工藝適應(yīng)性評價指標在各適應(yīng)性等級內(nèi)的具體取值。結(jié)合適應(yīng)性評價指標的權(quán)重大小，可判定各指標的適應(yīng)性評價指標等級，其等級可作為管網(wǎng)布局的適應(yīng)性判定基準，適應(yīng)性評價指標的判定基準如表2所示。綜合多指標評價結(jié)果，將管網(wǎng)布局、混輸工藝和增壓工藝的適應(yīng)性程度分為5個等級：高適應(yīng)性、較高適應(yīng)性、中等適應(yīng)性、較低適應(yīng)性、低適應(yīng)性，具體的分級判定標準如表3所示。

表2 適應(yīng)性評價指標的等級劃分Table 2 The classification of adaptability evaluation index

表3 評價單元適應(yīng)性程度分級判定Table 3 Evaluation unit adaptability degree classification

3 長寧區(qū)塊集輸管網(wǎng)運行適應(yīng)性分析評價

3.1 管網(wǎng)布局適應(yīng)性分析評價

3.1.1 相對可靠度

集輸管網(wǎng)在不同布局形式下的運行適應(yīng)性和相對可靠度各不相同，管網(wǎng)可靠度從高到低依次是放射狀+放射狀、放射狀+枝狀、枝狀+放射狀、枝狀+枝狀[23]。假設(shè)以放射狀為基準，設(shè)放射狀可靠度為1.0，則枝狀、組合式的相對可靠度分別為0.8、0.9，不同布局形式下的集輸管網(wǎng)相對可靠度及總體可靠度如表4所示。長寧區(qū)塊頁巖氣采集氣管網(wǎng)總體布局是以“放射狀”管網(wǎng)為主，以“枝狀”管網(wǎng)為輔，因此，該管網(wǎng)布局形式下的總體可靠度為0.8，其值符合要求，適應(yīng)性較高。

表4 不同布局形式下的集輸管網(wǎng)相對可靠度Table 4 Relative reliability of gathering and transportation network under different layouts

3.1.2 地形起伏度

圖2為長寧某區(qū)塊頁巖氣田集輸支線的高程-里程數(shù)據(jù)，地形起伏度(高程差)較大，低則為50 m以內(nèi)，高則達到300 m以上。因此，在地形起伏較大情況下，管網(wǎng)布局難度較大，建設(shè)施工難度大，集輸管網(wǎng)布局的適應(yīng)性較差。

圖2 長寧某區(qū)塊集氣干線的高程-里程數(shù)據(jù)Fig.2 Elevation-mileage data of a gas gathering trunk line in a block of Changning

3.1.3 管線長度

長寧頁巖氣田集輸管道主要分為采氣管道、集氣管道。采氣管道為平臺井站至集氣站管道，集氣管道為集氣站至脫水站管道。長寧某區(qū)塊大部分采、集氣管線長度為3 km以上，因此，集輸系統(tǒng)的節(jié)點較少，經(jīng)濟性較好，可以較好地適應(yīng)頁巖氣高效、大規(guī)模的開發(fā)，適應(yīng)性好。

3.2 混輸工藝適應(yīng)性分析評價

3.2.1 輸送效率

根據(jù)各參數(shù)取值，由式(1)～式(5)計算得各管線輸送效率，如表5所示。由表5可知，長寧某區(qū)塊集輸管道的平均輸送效率約為85%，平臺4-中心站、平臺5-平臺4、平臺3-平臺4管線的輸送效率超過90%，但平臺1-平臺2管線的輸送效率甚至低于70%，因此總體適應(yīng)性評價較高。

表5 長寧某區(qū)塊頁巖氣不同集輸管線的輸送效率Table 5 Transportation efficiency of different shale gas gathering and transportation pipelines in a block of Changning

3.2.2 氣液比

通過OLGA軟件計算不同工況下管線的攜液量，如表6所示。長寧某區(qū)塊典型井組的氣液比較高，反映集輸管道內(nèi)液相含量遠低于氣相含量。因此，頁巖氣排液工藝及其系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性。

表6 長寧某區(qū)塊典型井組的產(chǎn)量及氣液比Table 6 Production andthe gas-liquid ratio of a typical well group in a block in Changning

3.2.3 平均流速

根據(jù)《頁巖氣氣田集輸工程設(shè)計規(guī)范》(NB/T 14006—2015)，集氣管道流速宜控制在5～12 m/s，既保證管線一定的攜液能力，又防止因氣流速度過快所造成的沖刷腐蝕。由表7可知，上述集輸管線的平均流速基本上都在2～5 m/s，說明管道運行壓力過低，增壓裝置與管網(wǎng)適應(yīng)性較差。

表7 長寧某區(qū)塊頁巖氣不同集輸管線內(nèi)的流體流速Table 7 Fluid flow velocity in different shale gas gathering and transportation pipelines in a block of Changning

3.3 增壓工藝適應(yīng)性分析評價

3.3.1 壓縮比

由表8可知，長寧某區(qū)塊井站內(nèi)壓縮機的壓縮比均在正常范圍內(nèi)(壓縮比nratio≤8)，但是大部分壓縮比分布在1～3，因此壓縮機的壓縮比與現(xiàn)場生產(chǎn)實際的適應(yīng)性較差。

表8 某區(qū)塊井站壓縮機的壓縮比Table 8 Compression ratio of a compressor station in a certain block

3.3.2 最高操作壓力

根據(jù)井區(qū)已經(jīng)設(shè)置井區(qū)中心站(含集氣裝置、脫水裝置)的特點，為保證脫水裝置的處理能力，裝置操作壓力應(yīng)維持在接近或等于裝置的最高操作壓力，即≤6.3 MPa。通過井區(qū)管網(wǎng)模型計算得出各平臺增壓站最高應(yīng)達到的排氣壓力值，如表9所示。由表9可知，平臺1、平臺2和平臺3的增壓站最高操作壓力在大多數(shù)時間內(nèi)超過6.3 MPa，但波動范圍不大，因此適應(yīng)性一般。

表9 典型平臺增壓站的最高操作壓力Table 9 Maximum operating pressure of a typical platform booster station

4 工藝調(diào)整措施和改進建議

頁巖氣地面集輸系統(tǒng)適應(yīng)性評價應(yīng)首先明確劃分評價單元和優(yōu)選評價指標，針對綜合評價結(jié)果，確定各工藝的適用范圍和條件，并提出有針對性的、高效的工藝調(diào)整措施，評價單元各適應(yīng)性等級的工藝調(diào)整措施如表10所示。

表10 評價單元各適應(yīng)性等級的工藝調(diào)整措施Table 10 Process adjustment measures for each adaptability level of the evaluation unit

(1)增壓模式。鑒于頁巖氣滾動開發(fā)模式，并結(jié)合經(jīng)濟效益因素，在“集中增壓+分散增壓模式”的基礎(chǔ)上，提出一種滾動式組合增壓模式，根據(jù)氣田開發(fā)方案、氣井壓力衰減情況，實現(xiàn)壓縮機組在不同平臺間的重復利用。

(2)管網(wǎng)效率。積液量增加，氣體流通截面減少，管網(wǎng)效率降低。制定合理的通球清液周期，提高管道流通截面積，減少摩阻，提高管網(wǎng)效率。

(3)流速。在采集氣管線最低點處設(shè)置分水器，增大采集氣管線的氣體流速，提高氣體攜液能力，減少積液。

(4)管網(wǎng)組合形式。平坦地區(qū)可采用“枝上枝”管網(wǎng)形式，采用集氣閥組代替集氣站，閥組間可實現(xiàn)串接，增大集輸半徑(可達17 km)。

(5)流型。針對生產(chǎn)前期管道存在的段塞流風險，建議在管線與站場之間設(shè)置段塞流捕集器或通式清管器。

5 結(jié)論

基于上述頁巖氣田集輸管網(wǎng)常見的現(xiàn)場運行問題，對長寧某區(qū)塊頁巖氣集輸管網(wǎng)運行進行適應(yīng)性分析評價，得出以下結(jié)論。

(1)長寧某區(qū)塊頁巖氣集輸管網(wǎng)的集輸規(guī)模較大，2020年可達到50×108m3/a的規(guī)模；集輸管線的地形起伏度較大，低則為50 m以內(nèi)，高則為 300 m 以上；集輸管網(wǎng)布局形式下的總體相對可靠度為0.8，其值較高。

(2)長寧某區(qū)塊60%的集輸管線輸送效率大于90%，平均輸送效率約為85%；集輸管線的平均流速基本都在2～5 m/s，管線攜液能力較強。如果管道在生產(chǎn)前期投產(chǎn)氣井較少，有段塞流風險；氣井全部投產(chǎn)后，段塞流風險較低。

(3)長寧某區(qū)塊井站內(nèi)壓縮機的壓縮比均在正常范圍內(nèi)(nratio≤8)，但是大部分壓縮比分布為1～3；其增壓站的最高操作壓力超過6.3 MPa。