任玉鴻，吳夢雨

中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院(北京102249)

頁巖氣地面集輸系統(tǒng)評價(jià)軟件開發(fā)與應(yīng)用

任玉鴻，吳夢雨

中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院(北京102249)

頁巖氣集輸工藝的選擇與集輸管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互耦合，綜合考慮集輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和工藝適應(yīng)性，可以得出最優(yōu)的頁巖氣地面集輸方案。討論枝狀和放射狀2種管網(wǎng)連接方式，確定連接方式交叉后的4種管網(wǎng)布局模式的經(jīng)濟(jì)性;并將管網(wǎng)可靠性分析轉(zhuǎn)化為樹型網(wǎng)絡(luò)可靠度問題進(jìn)行求解;運(yùn)用層次分析法對集輸系統(tǒng)進(jìn)行工藝指標(biāo)評價(jià)。計(jì)算實(shí)例表明，此評價(jià)軟件具有綜合性評價(jià)、界面簡潔友好、通用性和指標(biāo)多元化等優(yōu)點(diǎn)，評價(jià)結(jié)果是“枝狀+放射狀”的地面集輸系統(tǒng)最優(yōu)。

頁巖氣;集輸管網(wǎng);經(jīng)濟(jì)性;可靠性;適應(yīng)性

頁巖氣初期井口的流動壓力高，在井口節(jié)流后由采氣管道輸至各氣田集氣閥組。氣液分離、計(jì)量后進(jìn)入集氣管道，通過集氣管道將頁巖氣輸送到頁巖氣處理廠。頁巖氣集輸工藝的選擇與集輸管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是相互耦合的，綜合考慮集輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和工藝適應(yīng)性，可以得出最優(yōu)的頁巖氣地面集輸方案。

1 軟件需求分析

目前國內(nèi)外的研究主要集中于在役長輸、凈化氣系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)階段，缺乏頁巖氣田集輸系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)階段的研究，而且在頁巖氣地面工程開發(fā)過程中，針對其開采的特點(diǎn)，開發(fā)人員關(guān)于管網(wǎng)布置及集輸工藝會有不同的方案。管網(wǎng)的布置采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備的選擇、工藝流程的選用等因素都關(guān)系到整個(gè)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)［1-4］。因此亟需開展頁巖氣氣田集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段管理方面的研究。

對此，開發(fā)基于經(jīng)濟(jì)性、可靠性及適應(yīng)性的優(yōu)化軟件，使用模糊層次分析的方法，參照國家標(biāo)準(zhǔn)及石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，選取評估的關(guān)鍵指標(biāo)，通過優(yōu)化算法，對每個(gè)方案進(jìn)行量化評估，以期為現(xiàn)場的生產(chǎn)實(shí)際提供技術(shù)支持。

2 軟件的開發(fā)及設(shè)計(jì)原理

2.1 軟件簡介

針對頁巖氣田的實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，首先將經(jīng)濟(jì)性、可靠性及適應(yīng)性相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行歸類;在此基礎(chǔ)上，使用模糊層次分析法對每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行賦值;最后，設(shè)計(jì)操作界面，將程序封裝成軟件，形成人機(jī)交互界面，方便現(xiàn)場設(shè)計(jì)人員的使用。同時(shí)，本軟件也適用于其他天然氣集輸系統(tǒng)評價(jià)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)原理

2.2.1 經(jīng)濟(jì)性評估

根據(jù)頁巖氣地面工程建設(shè)方案設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)相關(guān)內(nèi)容選取投資收益率作為方案設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)指標(biāo)。計(jì)算工程建設(shè)投資、建設(shè)期借款利息、流動資金、輔助材料費(fèi)、外購動力費(fèi)用、人員費(fèi)用、維護(hù)及修理費(fèi)用、攤銷費(fèi)用、固定資產(chǎn)折舊、財(cái)務(wù)費(fèi)、營業(yè)收入、稅金及附加等中間參數(shù)，最后計(jì)算出工程的投資收益率，與行業(yè)的基準(zhǔn)收益率進(jìn)行比較，得出經(jīng)濟(jì)性參考分?jǐn)?shù)。計(jì)算過程中對工程建設(shè)各方面的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮得較為詳細(xì)，最后的計(jì)算結(jié)果具有重要的參考意義［5］。具體各項(xiàng)費(fèi)用計(jì)算如下。

1)投資成本:主要包括地面工程建設(shè)投資、建設(shè)期借款利息和流動資金。其中地面工程投資包括頁巖氣集輸、供電、自動控制、道路、通信及配套等工程項(xiàng)目內(nèi)容;在建設(shè)期均不考慮還款，為簡化計(jì)算，貸款利率按中國人民銀行最新發(fā)布的5年期以上貸款年利率為準(zhǔn)，即6.55%;流動資金按固定資產(chǎn)比例估算方法確定，頁巖氣開發(fā)項(xiàng)目中流動資金的預(yù)算要按照石油天然氣行業(yè)的預(yù)算方法進(jìn)行，參見《石油工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法與參數(shù)》(第二版)。采用擴(kuò)大指標(biāo)法以流動資金占固定資產(chǎn)投資的4%進(jìn)行預(yù)算。

2)采氣成本:主要包括輔助材料費(fèi)、外購動力費(fèi)用、人員費(fèi)用、維護(hù)及修理費(fèi)用。

3)稅金:主要包括增值稅、礦區(qū)使用費(fèi)、企業(yè)所得稅、城建稅及教育附加費(fèi)。

4)總產(chǎn)值:頁巖氣銷售過程中并不能將所有的氣都轉(zhuǎn)化為商品銷售。根據(jù)中國天然氣工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，天然氣商品率一般為96%，在本次經(jīng)濟(jì)評價(jià)中頁巖氣的商品率取值為96%。頁巖氣開發(fā)項(xiàng)目的總產(chǎn)值可按照下列公式計(jì)算:

年總產(chǎn)值=(年產(chǎn)氣量-年消耗量)×商品率(96%)×(當(dāng)年氣價(jià)+財(cái)政補(bǔ)貼)。

2.2.2 可靠性評估

管網(wǎng)系統(tǒng)主要包括單井、集氣站和管道3部分，是節(jié)點(diǎn)與邊的設(shè)備集。節(jié)點(diǎn)為單井或集氣站，邊是連接節(jié)點(diǎn)的管道，遵循最大流與最小割集定理可將其轉(zhuǎn)化為邊權(quán)傳輸網(wǎng)。樹枝狀集輸管網(wǎng)可靠度的求解問題可轉(zhuǎn)化為樹型網(wǎng)絡(luò)可靠度的求解問題［6-7］。求解集輸管網(wǎng)的可靠度時(shí)，管網(wǎng)是一棵以集氣站為匯點(diǎn)的有向樹，可將樹中每條邊的輸氣流量賦予該邊作為權(quán)。針對4種現(xiàn)場典型的管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):“枝狀+枝狀”、“枝狀+放射狀”、“放射狀+枝狀”、“放射狀+放射狀”，定義了一個(gè)可靠性函數(shù)，基于管網(wǎng)最大流可靠度、閾級、單元重要度等中間指標(biāo)，分別從井場到閥組和從閥組到增壓站分步驟計(jì)算，進(jìn)而得出整個(gè)集輸管網(wǎng)的總可靠度(以百分?jǐn)?shù)形式表示)，乘以該部分的滿分，即可得到可靠性評估得分，具體計(jì)算流程如圖1所示。

其中，端容量Qmax，all為所有起點(diǎn)到增壓站所能傳輸?shù)淖畲罅髁?，故障流量Qmax，all(ei)為管段ei失效后管網(wǎng)系統(tǒng)仍能夠輸送到增壓站的最大流量，閾級T(ei)表示當(dāng)管段ei發(fā)生故障失效時(shí)，其對到達(dá)增壓站的總輸氣量的影響程度:

圖1 管網(wǎng)總可靠度計(jì)算流程圖

單元重要度I(ei)表示ei管段對管網(wǎng)系統(tǒng)可靠度的影響程度:

節(jié)點(diǎn)i與增壓站連通的概率P(i)為

式中:Pi為各節(jié)點(diǎn)的可靠度，Pei為各管段的可靠度，P(i-1)為節(jié)點(diǎn)i的前啟節(jié)點(diǎn)i-1與增壓站連通的概率，增壓站與自身連通的概率為其正常工作的概率。于是枝狀或放射狀管網(wǎng)系統(tǒng)總可靠度為:

2.2.3 適應(yīng)性評估

頁巖氣田地面工藝設(shè)計(jì)適應(yīng)性評價(jià)需要針對頁巖氣地面集輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，融入完整性管理理念和模糊層次分析法，對工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，識別出設(shè)計(jì)指標(biāo)的適應(yīng)性，不斷改進(jìn)完善設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)集輸系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上的完整性［8-10］。這樣不僅可以大大降低事故發(fā)生率，而且可以有效避免不必要的運(yùn)行維護(hù)和無計(jì)劃的維修更換，從而實(shí)現(xiàn)集輸系統(tǒng)完整性管理的動態(tài)循環(huán)、持續(xù)改進(jìn)和安全可控，為頁巖氣田地面工程的完整性管理提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。具體分3部分:管道適應(yīng)性評估、集氣站適應(yīng)性評估、井場適應(yīng)性評估。每個(gè)小部分均含若干指標(biāo)，各部分的指標(biāo)又分為關(guān)鍵性指標(biāo)和一般指標(biāo)，權(quán)重大小不一。根據(jù)每部分得分加和匯總，得到適應(yīng)性評估的最終得分。

在進(jìn)行適應(yīng)性評價(jià)之前要先確定設(shè)計(jì)方案的可行性，因此需要在適應(yīng)性評價(jià)指標(biāo)體系中挑選出關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)。若關(guān)鍵指標(biāo)符合要求，則說明該設(shè)計(jì)方案可行，可進(jìn)行后續(xù)一般指標(biāo)的適應(yīng)性評價(jià);若關(guān)鍵指標(biāo)中有一項(xiàng)或多項(xiàng)不滿足要求，則認(rèn)為該設(shè)計(jì)方案不可行，需要更改設(shè)計(jì)參數(shù)才能進(jìn)行下一步適應(yīng)性評價(jià)。一般指標(biāo)中各指標(biāo)項(xiàng)分值設(shè)為1、0.8、0.6和0分。1分表示該設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)于規(guī)范是目前的最好選擇，適應(yīng)性最高;0.8分表示該設(shè)計(jì)指標(biāo)符合頁巖氣田設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，適應(yīng)性高;0.6分表示該設(shè)計(jì)指標(biāo)符合常規(guī)的規(guī)范要求，但低于頁巖氣田集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，適應(yīng)性較低;0分表示該設(shè)計(jì)指標(biāo)在設(shè)計(jì)中是絕不能出現(xiàn)的，適應(yīng)性最低。另外，在進(jìn)行指標(biāo)項(xiàng)分值設(shè)計(jì)時(shí)，部分指標(biāo)現(xiàn)階段最高分值只能達(dá)到0.8分，即該項(xiàng)不存在優(yōu)于規(guī)范要求的最優(yōu)選擇，也說明設(shè)計(jì)指標(biāo)仍有改進(jìn)的空間。

權(quán)重的選取采用模糊層次分析法，具體步驟如下:

1)建立比較矩陣F=(fij)m×n。

其中s(i)和s(j)分別表示指標(biāo)fi和fj的相對重要度。

若矩陣R=(rij)m×m滿足rij=rik-rjk+0.5，則該矩陣為模糊一致矩陣。

2)將比較矩陣F改造成模糊一致矩陣R。

首先對F按行求和:

然后進(jìn)行行變換:

3)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。

計(jì)算模糊一致矩陣每行元素的和:

其中l(wèi)i表示指標(biāo)i相對于上層目標(biāo)的重要性。

計(jì)算不含對角線元素的和:

對li歸一化即可得到各指標(biāo)權(quán)重:

3 軟件的應(yīng)用

四川某頁巖氣區(qū)塊(圖2)為丘陵山地，受到來自北西方向擠壓應(yīng)力作用，以正向構(gòu)造為主，各背斜帶之間以寬緩向斜帶為界。該區(qū)塊的面積為41.5km2，海拔最高675m，最低250m，多在400～600m之間，目標(biāo)區(qū)塊在圖中以紅色區(qū)域標(biāo)注。本區(qū)塊生產(chǎn)的頁巖氣需要輸送到已建管線中，接口位置(S點(diǎn))及井口分布如圖2所示。

圖2 四川某頁巖氣區(qū)塊及氣井分布

井口到集氣閥組有放射狀與枝狀2種連接方式，集氣閥組到集氣站也有2種連接方式，因此交叉后共有4種管網(wǎng)連接模式，分別是“放射狀+放射狀”、“放射狀+枝狀”、“枝狀+放射狀”和“枝狀+枝狀”，按照4種模式進(jìn)行計(jì)算得出4組方案，對管線建設(shè)投資進(jìn)行對比，可得出最優(yōu)的連接方式和管網(wǎng)布置方案。

利用Visual Studio平臺C#語言開發(fā)的《頁巖氣地面集輸系統(tǒng)評價(jià)軟件》，導(dǎo)入井口坐標(biāo)，產(chǎn)量參數(shù)，閥組轄井約束、集氣量約束，可以得出以下4種不同連接形式的管網(wǎng)拓?fù)鋱D，如圖3所示。

雙擊圖標(biāo)進(jìn)入歡迎界面，分別點(diǎn)擊“經(jīng)濟(jì)性評估”、“可靠性評估”和“適應(yīng)性評估”按鈕，可得出對應(yīng)的詳細(xì)分析報(bào)告，其中經(jīng)濟(jì)性評估報(bào)告和可靠性評估報(bào)告如圖4、圖5所示。

圖3 頁巖氣地面集輸管網(wǎng)拓?fù)鋱D

圖4 經(jīng)濟(jì)性評估詳細(xì)報(bào)告

圖5 可靠性分析詳細(xì)報(bào)告

經(jīng)濟(jì)性、可靠性和適應(yīng)性分別取權(quán)值30%、40%、30%，根據(jù)圖4、圖5，可得綜合評價(jià)指標(biāo)(表1)，因而“枝狀+放射狀”型地面集輸系統(tǒng)最優(yōu)。

4 結(jié)論

基于現(xiàn)有技術(shù)，本軟件具有以下創(chuàng)新:

1)綜合性的評價(jià)方法:相對于前人管網(wǎng)單一性評價(jià)方法，本軟件從3個(gè)方面對一個(gè)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合性的評價(jià)，并且以量化的方式呈現(xiàn)出來，是目前考慮較為全面的模型。并且軟件可以根據(jù)方案制定者對經(jīng)濟(jì)性、可靠性和適應(yīng)性的重視程度來滿足決策者的評估需求。

2)界面簡潔友好:除必須的參數(shù)輸入模塊以外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)依據(jù)文獻(xiàn)資料及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)內(nèi)置，使得界面清爽干凈。軟件界面全部用英文顯示，在油田生產(chǎn)國際化程度日益增強(qiáng)的今天，為國際技術(shù)交流提供了方便。

3)具備一定的通用性:經(jīng)濟(jì)性模塊依托于工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)，計(jì)算方法詳盡，考慮因素全面且涉及面廣。投資估算，投資為建設(shè)投資、建設(shè)期利息和流動資金的現(xiàn)值，其中，建設(shè)投資包括鉆井、采氣、地面建設(shè)、凈化廠和公用工程投資等。成本費(fèi)用估算含采氣成本、輔助材料購入、外購動力等?？煽啃越o出了相對主流的若干種管網(wǎng)布置形式，適用于各大氣田。適應(yīng)性指標(biāo)涉及面從井場到輸氣站到管道，覆蓋面廣泛且全面。

4)指標(biāo)多元化:在參考了眾多設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，評估指標(biāo)不僅是可以量化的指標(biāo)，還包括對重要的相關(guān)設(shè)施建設(shè)進(jìn)行的審核評估，更為細(xì)致和全面，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在功能和物理兩方面的完整性。這樣不僅可以大大減小事故發(fā)生率，而且可以避免運(yùn)行維護(hù)管理過程中不必要或無計(jì)劃的維修和更換。

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The optimal shale gas ground gathering and transportation system plan can be obtained through coupling of the selection of shale gas gathering and transportation technology with the topological structure of gathering and transportation network and comprehensively considering the economy，reliability and process adaptability of the gathering and transportation system.The economy of 4 kinds of network layout modes composed of branch-like and radial-like pipe connection forms is determined，their reliability evaluation is finished by reliability analysis being translated into the reliability of tree-shaped network，and the technological indexes of the gathering and transportation system are evaluated using analytic hierarchy process.The calculation example shows that the evaluation software has the advantages of comprehensive evaluation，simple and friendly interface，general purpose and index diversification.The evaluation result is that the surface gathering and transportation system composed of branch-like connection form+radial-like connection form is the best.

shale gas;gathering and transportation network;economy;reliability;adaptability

梅

2015-07-01

山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“煤層氣地面集輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制”(編號:2014012012)

:任玉鴻(1990-)，男，碩士研究生，主要從事多相管流與油氣田集輸方向的研究。