吳國(guó)霈 徐勇 計(jì)維安

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國(guó)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(gè)氣田建設(shè)的主體，在建設(shè)過程中會(huì)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(chǎng)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(shè)多選擇人工優(yōu)化法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)學(xué)求解法的不斷進(jìn)步，逐步形成了數(shù)學(xué)解法。但由于氣田集輸系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，各大油氣田對(duì)集輸工藝優(yōu)化調(diào)整并沒有統(tǒng)一的方法。通過對(duì)不同建設(shè)工況的分析和對(duì)優(yōu)化調(diào)整方法的研究，提出一套地面集輸管網(wǎng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，解決集輸系統(tǒng)建設(shè)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(yīng)性評(píng)價(jià)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(chǎng)和管線)工況調(diào)整解決辦法相對(duì)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(fù)雜。目前，國(guó)內(nèi)外多采用人工優(yōu)化方法和數(shù)學(xué)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(jìn)行集輸系統(tǒng)的優(yōu)化，通過研究團(tuán)隊(duì)自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管網(wǎng)拓?fù)洳季?，確定管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、級(jí)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(jìn)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(diǎn)：可直觀地反應(yīng)出各種不確定因素、求解思路清晰，數(shù)值模擬技術(shù)相對(duì)成熟。缺點(diǎn)：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(yàn)及工作狀態(tài)等因素。這種方法廣泛應(yīng)用于各大油氣田建設(shè)，但不一定得到最優(yōu)解。

(2) 采用數(shù)學(xué)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(shì)是具有判斷局部極小點(diǎn)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(jí)優(yōu)化法在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多，它在遵循優(yōu)化原則和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的前提下，將問題分解為拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)優(yōu)化兩個(gè)子問題，并通過各級(jí)別站的位置向量將這兩個(gè)子問題有機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化目標(biāo)由單目標(biāo)逐步過渡到多目標(biāo)優(yōu)化，解決多變量全局優(yōu)化問題。缺點(diǎn)：關(guān)于環(huán)狀管網(wǎng)的布局優(yōu)化研究較少，實(shí)際生產(chǎn)中更重要的還需要考慮風(fēng)險(xiǎn)因素、障礙因素、管理因素等，這往往是制約集輸管網(wǎng)建設(shè)的最重要最關(guān)鍵的部分；三維地形條件下的拓?fù)洳季謨?yōu)化研究尚處于起步階段并未成熟應(yīng)用；計(jì)算缺少終止準(zhǔn)則，實(shí)際生產(chǎn)中使用較少。

研究認(rèn)為，在面臨氣田新增區(qū)塊時(shí)，如果采用數(shù)學(xué)方法存在邊界條件太過模糊不好界定的情況時(shí)，應(yīng)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(xué)方法。

2.3 管網(wǎng)水力計(jì)算方法

在管網(wǎng)適應(yīng)性分析評(píng)價(jià)前[2-3]，應(yīng)確定模擬分析所需的氣體狀態(tài)方程。國(guó)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(jiǎn)單的多相混輸管線計(jì)算模型可供工業(yè)應(yīng)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(jì)算方法。

已發(fā)表的多種兩相流壓降計(jì)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(jī)理和能量損失規(guī)律，國(guó)內(nèi)外的研究多數(shù)傾向于這兩種類型的計(jì)算[8-9]。

本文分析了主要的兩相流計(jì)算方法，并進(jìn)行了優(yōu)選。其中，Lockhart-Martinelli計(jì)算法和杜克勒計(jì)算法采用分相流模型，其余9種計(jì)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(shí)例分析

某氣田建設(shè)至今已有6年，現(xiàn)有規(guī)模為3 900×104m3/d，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為復(fù)雜多環(huán)管網(wǎng)，見圖2。以此為例，挑選建設(shè)過程中兩個(gè)具有典型工況的案例，講述該適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法在集輸管網(wǎng)優(yōu)化中的運(yùn)用情況，包括：現(xiàn)有工況優(yōu)化分析、局部新增單元(站場(chǎng)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(chǎng)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(shì)總體起伏小，高差不超過100 m。集輸管網(wǎng)建設(shè)采用非常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)存在各類大中小型穿跨越、經(jīng)濟(jì)林地、水源保護(hù)地等控制點(diǎn)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(shè)同時(shí)進(jìn)行等不確定性因素的特點(diǎn)。集輸管網(wǎng)工藝特點(diǎn)見表2。

表2 管網(wǎng)特點(diǎn)集輸管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)同時(shí)具有多級(jí)星、環(huán)和樹狀管網(wǎng)高壓差5.5～8.3 MPa遠(yuǎn)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(shè)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(yùn)行整體思路

該區(qū)域集輸系統(tǒng)建設(shè)是一個(gè)非常復(fù)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(xué)方法求最優(yōu)解和優(yōu)化一步到位是不現(xiàn)實(shí)的，需要根據(jù)不同建設(shè)周期的需求進(jìn)行分階段適應(yīng)性評(píng)價(jià)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(xué)方法為輔的整體研究思路。

3.3 水力計(jì)算方法選取

通過研究，選用具備較強(qiáng)的溫度、壓力和組分適應(yīng)性的PR方程。以地面建設(shè)初期工程36口單井站、5個(gè)集氣站為基礎(chǔ)分析，通過不同水力計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果與實(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)見表3。

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

表3 建設(shè)初期36口單井站基礎(chǔ)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?dāng)?shù)量/口231849

比較圖3～圖15可看出，計(jì)算值普遍低于實(shí)測(cè)值，BBME法計(jì)算值最接近實(shí)測(cè)值，BBME法的平均誤差在10%以內(nèi)，其余的計(jì)算方法誤差均在10%以上。壓降計(jì)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(shè)初期某階段現(xiàn)有與局部新增單元工況分析

氣田建設(shè)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(shè)計(jì)輸量600×104m3/d，管徑DN500，設(shè)計(jì)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(chǎng)設(shè)計(jì)壓力8.5 MPa。此時(shí)，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(shí)間段內(nèi)，需要對(duì)東區(qū)集氣站、西區(qū)集氣站進(jìn)行工藝調(diào)整，在保證東區(qū)單井站產(chǎn)氣量的同時(shí)，研究西區(qū)新增產(chǎn)能后集輸管網(wǎng)的適應(yīng)性。

依據(jù)本項(xiàng)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研熟悉工況，結(jié)合建設(shè)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(dāng)前產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到集氣干線設(shè)計(jì)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(fù)線；然后利用PIPEPHASE進(jìn)行數(shù)值建模，取設(shè)計(jì)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(yàn)算新管道的參數(shù)合理，氣田集輸管網(wǎng)可以平穩(wěn)運(yùn)行，數(shù)值模擬見圖17，集輸工藝計(jì)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(shè)，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(huì)接近設(shè)計(jì)壓力上限值8.5 MPa，但不會(huì)超壓，取設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)總井?dāng)?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(jìn)行調(diào)研可知，新增區(qū)塊位于經(jīng)濟(jì)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(shè)單位。根據(jù)以上特點(diǎn)，集輸管網(wǎng)優(yōu)化布局選用局部?jī)?yōu)化數(shù)學(xué)方法的分級(jí)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(yīng)性，不需要新增凈化廠，同時(shí)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(gè)集氣站和一個(gè)中心站，并采用多級(jí)星-樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱MST網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))，最低級(jí)別點(diǎn)與上一級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的連接形狀為星形，其余節(jié)點(diǎn)之間的連接形狀為樹枝狀，其同級(jí)節(jié)點(diǎn)之間可以相連接，初級(jí)規(guī)劃如圖20所示。

(4) 分級(jí)優(yōu)化法建模。將模型劃分成兩個(gè)子問題：拓?fù)浼?jí)優(yōu)化和幾何位置優(yōu)化。這兩個(gè)子問題之間可以獨(dú)立求解并通過變量聯(lián)系在一起，直接構(gòu)造一個(gè)迭代過程，求出MST網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化問題的一個(gè)改進(jìn)解。

由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，集氣站選址位置具備唯一性。首先確定5個(gè)集氣站位置和一個(gè)區(qū)域中心站位置，集輸網(wǎng)絡(luò)采用2級(jí)布站的方式，流速控制在3～6 m/s，最優(yōu)解采用建設(shè)投資最小值作為目標(biāo)函數(shù)。

數(shù)學(xué)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?fù)浼?jí)優(yōu)化 。拓?fù)浼?jí)優(yōu)化是在節(jié)點(diǎn)的幾何位置已知的前提下進(jìn)行，其數(shù)學(xué)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(gè)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(diǎn)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?fù)浼?jí)優(yōu)化過程中，已經(jīng)確定了節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的幾何位置，以進(jìn)一步降低系統(tǒng)投資。該問題可以采用懲罰函數(shù)法進(jìn)行求解。問題的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表示為：

PMST2:求U

(11)

(12)

U∈UD

(13)

經(jīng)過計(jì)算得出最優(yōu)解，再通過人工進(jìn)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(jí)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(xué)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(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合站最高壓力為6.5 MPa，以此驗(yàn)證管網(wǎng)的適應(yīng)性，能滿足集輸管網(wǎng)生產(chǎn)需求(見圖22)。中心站接受3個(gè)集氣站和周邊單井站來氣，集氣站5接收2個(gè)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(shè)計(jì)壓力為9.9 MPa，集氣站2～5的個(gè)別遠(yuǎn)端井站由于壓力較高，設(shè)計(jì)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(xué)優(yōu)化后的管網(wǎng)，可以有效地降低遠(yuǎn)端井站的壓力約1.5 MPa。

通過數(shù)學(xué)分析可以得出，在某些特定條件和區(qū)域內(nèi)數(shù)學(xué)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(jì)最優(yōu)化的同時(shí)，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(yīng)性評(píng)價(jià)方法。通過前期調(diào)研，知悉了管網(wǎng)各方面的情況，當(dāng)工況調(diào)整時(shí)，首先確認(rèn)調(diào)整內(nèi)容，提出對(duì)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(shí)，直接利用數(shù)值模擬方法建立多相流模型進(jìn)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(xué)方法求解，最后核實(shí)最優(yōu)解的適應(yīng)性。

(2) 該套氣田內(nèi)部集輸管網(wǎng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法成功運(yùn)用于國(guó)內(nèi)某大型氣田，在開發(fā)至今的6年時(shí)間內(nèi)，只要有工藝調(diào)整，均采用該方法進(jìn)行分析，取得了很好的效果，為氣田地面建設(shè)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(yùn)行[10-12]。