鄭云萍，溫　馨，金俊卿

(1 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)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)

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化工機械

克拉美麗氣田集輸管網(wǎng)設(shè)計技術(shù)優(yōu)選分析

鄭云萍1，溫馨1，金俊卿2

(1 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)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(chǎn)量降低，出水量增加，導(dǎo)致原有集輸工藝不能滿足輸送要求，需對集輸管網(wǎng)進行優(yōu)化。對氣田井位布局分析認為應(yīng)采用放射狀管網(wǎng)類型，根據(jù)井位及井口壓力進行井組劃分，以管網(wǎng)系統(tǒng)總建造費用最小為目標(biāo)函數(shù)，以管道設(shè)計輸量、流速和承壓能力為約束條件，建立了地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化模型，采用分級優(yōu)化法求解該優(yōu)化模型。以D1區(qū)為例模擬計算，結(jié)果表明優(yōu)選后管網(wǎng)投資節(jié)省35%，集輸效率提高11%。

管網(wǎng)優(yōu)化；放射狀；集輸效率；MATLAB；HYSYS

克拉美麗氣田位于準(zhǔn)噶爾盆地陸梁隆起滴南凸起中段，是千億方儲量規(guī)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(fù)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(fēng)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(yīng)性研究，優(yōu)選工藝方案，充分利用地層能量，延長氣井的生產(chǎn)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(cè)鉆、補射層位、增壓開采、排水采氣工藝攻關(guān)等技術(shù)措施，實現(xiàn)其挖潛、提高儲量動用程度和開發(fā)效果。由于各個井區(qū)面積小，井口數(shù)多且相對集中，井區(qū)相對獨立。采用“邊評價、邊開發(fā)、井間逐次加密”方式部署井網(wǎng)。

氣田現(xiàn)有處理站1座、集氣站3座，處理站設(shè)計氣處理能力300×104m3/d，凝析油500 t/d；單個集氣站設(shè)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(xiàn)以下問題：①氣田初期生產(chǎn)壓力高達35 MPa，但壓力下降快，大部分時間處于低壓生產(chǎn)狀態(tài)。②單井產(chǎn)量低，產(chǎn)氣量穩(wěn)定，下降的速度緩慢。③氣井后期產(chǎn)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(dǎo)致原有集輸工藝不能滿足輸送要求，故需對集輸管網(wǎng)進行優(yōu)選比較。

2　管網(wǎng)適應(yīng)性評價

根據(jù)氣田井位布局，分析不同類型集氣管網(wǎng)對克拉美麗氣田整體的適應(yīng)性。

環(huán)狀管網(wǎng)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(qū)分布相對獨立，單個井區(qū)內(nèi)井口集中，井距較小。且環(huán)狀管網(wǎng)投資較大，因此環(huán)狀管網(wǎng)不適用于克拉美麗氣田。

枝狀管網(wǎng)投資少，但是氣田開發(fā)后期需增壓采氣時，天然氣壓縮機組只能設(shè)在井場，對每口井單獨增壓，難以集中使用。枝狀管網(wǎng)只針對氣藏面積狹長、井網(wǎng)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(wǎng)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(qū)相距5～8 km，而每個井區(qū)的井口相對集中，平均井距820 m，集氣半徑小。相比枝狀管網(wǎng)，放射狀管網(wǎng)更有利于氣田的滾動開發(fā)和單井管理，生產(chǎn)后期出現(xiàn)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(yīng)高低壓采氣生產(chǎn)。

3　管網(wǎng)優(yōu)選

對天然氣集輸系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計主要解決如下幾個決策問題：確定網(wǎng)絡(luò)的拓撲形式；確定集輸站的幾何位置；確定管道系統(tǒng)內(nèi)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(yōu)劃分的目標(biāo)就是確定氣井與集氣站間的最佳隸屬關(guān)系，本文以距離之和最短為原則對井組進行劃分。根據(jù)規(guī)定：放射型管網(wǎng)中混輸單井管線不宜超過5 km；集氣站所轄井?dāng)?shù)限制為6～10口井(產(chǎn)量較大)、11～16口井(產(chǎn)量較小)。以及克拉美麗氣田現(xiàn)狀：氣田最遠井間距約為16 km；單井產(chǎn)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(jié)果見表1。

表1　克拉美麗氣田井口分組結(jié)果

3.2集氣站站址優(yōu)選

(1)目標(biāo)函數(shù)

集氣站站址優(yōu)化的目標(biāo)是在確定了集氣站與各氣井的隸屬關(guān)系基礎(chǔ)上，以各氣井到相應(yīng)的集氣站距離之和最小。系統(tǒng)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(nèi)徑，m

n——優(yōu)化的井口個數(shù)

(x,y)和(xi,yi)——集氣站坐標(biāo)和井口坐標(biāo)

(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(jié)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(chǎn)量確定，而管道的設(shè)計輸送能力應(yīng)大于管道實際輸送能力。②壓力等級及壁厚約束條件：根據(jù)克拉美麗氣田單井物流壓力和產(chǎn)量預(yù)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(shè)計值并作強度及穩(wěn)定性驗算。③管線流速約束條件：根據(jù)克拉美麗氣田酸氣含量少，應(yīng)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(qū)，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(shè)費用看為管線長度的函數(shù)。

(3)計算結(jié)果

圖1　D1區(qū)放射狀優(yōu)選后管網(wǎng)

圖2　D2區(qū)放射狀優(yōu)選后管網(wǎng)

圖3　D3區(qū)放射狀優(yōu)選后管網(wǎng)

利用MATLAB的工程規(guī)劃計算模塊優(yōu)化計算[6-7]，D1區(qū)、D2區(qū)、D3區(qū)井口坐標(biāo)和集氣站結(jié)果分別見圖1～圖3。

3.3優(yōu)選前后對比

根據(jù)優(yōu)選前后管線長度計算管線用鋼量及管線費用，計算結(jié)果見圖4。

圖4　D1、D2和D3區(qū)放射狀管網(wǎng)優(yōu)化前后投資費用對比

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

4　管網(wǎng)效率

氣田集輸系統(tǒng)效率評價方法是用來評價氣田集輸系統(tǒng)管網(wǎng)、站場運行效率狀況的指標(biāo)體系。數(shù)值為管網(wǎng)效率和集氣站效率之積，可以用能量指標(biāo)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(zhì)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(qū)優(yōu)選前后管網(wǎng)集輸效率對比

選取D1區(qū)來研究管道優(yōu)化前后的適應(yīng)性變化。優(yōu)化調(diào)整后各井的管道規(guī)格不變，井口工藝和保溫方式不變，只有管線的長度調(diào)整，利用HYSYS對采氣管線模擬得到的進出口相關(guān)參數(shù)，并用集輸效率公式計算得到D1區(qū)優(yōu)化前后的管網(wǎng)效率見表2。

由表2可知D1區(qū)管網(wǎng)集輸效率提高11%，效果明顯。同理計算出D2區(qū)和D3區(qū)管網(wǎng)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(wǎng)優(yōu)化后整體集輸管網(wǎng)效率提高7.7%。以D1區(qū)為例，分析管網(wǎng)優(yōu)選前后管線長度與集輸效率之間的關(guān)系，以及管道長度減小量對集輸效率提高量之間的關(guān)系，見圖5。

圖5　優(yōu)化前后管道的集輸效率和管線長度分布圖

比較可得：經(jīng)過對放射狀管網(wǎng)的優(yōu)化，采氣管線的長度減少使得管網(wǎng)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(wǎng)效率提高，最終降低能耗，降低運行費用。

5　結(jié)　論

通過對克拉美麗氣田管網(wǎng)優(yōu)化問題的研究，建立了基于最優(yōu)化原理的放射狀管網(wǎng)優(yōu)化模型?？梢?，在進行天然氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計過程中，應(yīng)注意結(jié)合集輸管網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的具體情況，確定相應(yīng)的規(guī)劃設(shè)計準(zhǔn)則，選擇合理的設(shè)計方案，以提高優(yōu)化設(shè)計的合理性與適用性。對已知井位，根據(jù)地面集輸管網(wǎng)的連接特點，以管網(wǎng)總投資費用最省為目標(biāo)，建立優(yōu)化模型，并考慮輸氣管線的輸送要求和安全因素。應(yīng)用MATLAB中線性規(guī)劃功能模塊，可得到快速簡便的優(yōu)化算法。對克拉美麗氣田采用放射狀管網(wǎng)優(yōu)選后的管網(wǎng)投資比原管網(wǎng)節(jié)省35%，管網(wǎng)集輸效率提高7.7%。

D1區(qū)井區(qū)已建集氣站毗鄰天然氣處理站建設(shè)，處于井區(qū)邊緣，單井集輸半徑較大，導(dǎo)致該區(qū)多數(shù)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(yōu)化之后，集氣站建在井區(qū)內(nèi)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?？梢?，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(guān)，體現(xiàn)出合理規(guī)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(qū)高含水氣井地面集輸工藝優(yōu)化研究[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2011(7):117-120.

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[4]李征. 天然氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法研究[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2009(6):19-21.

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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(dǎo)師。

TQ914.1

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1001-9677(2016)02-0136-04