頁巖氣地面集輸系統評價軟件開發與應用

任玉鴻，吳夢雨

中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院(北京102249)

頁巖氣地面集輸系統評價軟件開發與應用

任玉鴻，吳夢雨

中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院(北京102249)

頁巖氣集輸工藝的選擇與集輸管網拓撲結構相互耦合，綜合考慮集輸系統的經濟性、可靠性和工藝適應性，可以得出最優的頁巖氣地面集輸方案。討論枝狀和放射狀2種管網連接方式，確定連接方式交叉后的4種管網布局模式的經濟性;并將管網可靠性分析轉化為樹型網絡可靠度問題進行求解;運用層次分析法對集輸系統進行工藝指標評價。計算實例表明，此評價軟件具有綜合性評價、界面簡潔友好、通用性和指標多元化等優點，評價結果是“枝狀+放射狀”的地面集輸系統最優。

頁巖氣;集輸管網;經濟性;可靠性;適應性

頁巖氣初期井口的流動壓力高，在井口節流后由采氣管道輸至各氣田集氣閥組。氣液分離、計量后進入集氣管道，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拓撲結構是相互耦合的，綜合考慮集輸系統的經濟性、可靠性和工藝適應性，可以得出最優的頁巖氣地面集輸方案。

1 軟件需求分析

目前國內外的研究主要集中于在役長輸、凈化氣系統的運行維護階段，缺乏頁巖氣田集輸系統及其設計階段的研究，而且在頁巖氣地面工程開發過程中，針對其開采的特點，開發人員關于管網布置及集輸工藝會有不同的方案。管網的布置采用的拓撲結構、設備的選擇、工藝流程的選用等因素都關系到整個方案的優化設計［1-4］。因此亟需開展頁巖氣氣田集輸系統設計階段管理方面的研究。

對此，開發基于經濟性、可靠性及適應性的優化軟件，使用模糊層次分析的方法，參照國家標準及石油行業標準，選取評估的關鍵指標，通過優化算法，對每個方案進行量化評估，以期為現場的生產實際提供技術支持。

2 軟件的開發及設計原理

2.1 軟件簡介

針對頁巖氣田的實際生產特點，首先將經濟性、可靠性及適應性相關指標進行歸類;在此基礎上，使用模糊層次分析法對每個指標的權重進行賦值;最后，設計操作界面，將程序封裝成軟件，形成人機交互界面，方便現場設計人員的使用。同時，本軟件也適用于其他天然氣集輸系統評價。

2.2 軟件設計原理

2.2.1 經濟性評估

根據頁巖氣地面工程建設方案設計及技術經濟學相關內容選取投資收益率作為方案設計經濟性的評價指標。計算工程建設投資、建設期借款利息、流動資金、輔助材料費、外購動力費用、人員費用、維護及修理費用、攤銷費用、固定資產折舊、財務費、營業收入、稅金及附加等中間參數，最后計算出工程的投資收益率，與行業的基準收益率進行比較，得出經濟性參考分數。計算過程中對工程建設各方面的經濟指標考慮得較為詳細，最后的計算結果具有重要的參考意義［5］。具體各項費用計算如下。

1)投資成本:主要包括地面工程建設投資、建設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目內容;在建設期均不考慮還款，為簡化計算，貸款利率按中國人民銀行最新發布的5年期以上貸款年利率為準，即6.55%;流動資金按固定資產比例估算方法確定，頁巖氣開發項目中流動資金的預算要按照石油天然氣行業的預算方法進行，參見《石油工業建設項目經濟評價方法與參數》(第二版)。采用擴大指標法以流動資金占固定資產投資的4%進行預算。

2)采氣成本:主要包括輔助材料費、外購動力費用、人員費用、維護及修理費用。

3)稅金:主要包括增值稅、礦區使用費、企業所得稅、城建稅及教育附加費。

4)總產值:頁巖氣銷售過程中并不能將所有的氣都轉化為商品銷售。根據中國天然氣工業的經驗，天然氣商品率一般為96%，在本次經濟評價中頁巖氣的商品率取值為96%。頁巖氣開發項目的總產值可按照下列公式計算:

年總產值=(年產氣量-年消耗量)×商品率(96%)×(當年氣價+財政補貼)。

2.2.2 可靠性評估

管網系統主要包括單井、集氣站和管道3部分，是節點與邊的設備集。節點為單井或集氣站，邊是連接節點的管道，遵循最大流與最小割集定理可將其轉化為邊權傳輸網。樹枝狀集輸管網可靠度的求解問題可轉化為樹型網絡可靠度的求解問題［6-7］。求解集輸管網的可靠度時，管網是一棵以集氣站為匯點的有向樹，可將樹中每條邊的輸氣流量賦予該邊作為權。針對4種現場典型的管網拓撲結構:“枝狀+枝狀”、“枝狀+放射狀”、“放射狀+枝狀”、“放射狀+放射狀”，定義了一個可靠性函數，基于管網最大流可靠度、閾級、單元重要度等中間指標，分別從井場到閥組和從閥組到增壓站分步驟計算，進而得出整個集輸管網的總可靠度(以百分數形式表示)，乘以該部分的滿分，即可得到可靠性評估得分，具體計算流程如圖1所示。

其中，端容量Qmax，all為所有起點到增壓站所能傳輸的最大流量，故障流量Qmax，all(ei)為管段ei失效后管網系統仍能夠輸送到增壓站的最大流量，閾級T(ei)表示當管段ei發生故障失效時，其對到達增壓站的總輸氣量的影響程度:

圖1 管網總可靠度計算流程圖

單元重要度I(ei)表示ei管段對管網系統可靠度的影響程度:

節點i與增壓站連通的概率P(i)為

式中:Pi為各節點的可靠度，Pei為各管段的可靠度，P(i-1)為節點i的前啟節點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系統總可靠度為:

2.2.3 適應性評估

頁巖氣田地面工藝設計適應性評價需要針對頁巖氣地面集輸系統的特點，融入完整性管理理念和模糊層次分析法，對工藝設計指標進行評價，識別出設計指標的適應性，不斷改進完善設計方案，實現集輸系統在結構和功能上的完整性［8-10］。這樣不僅可以大大降低事故發生率，而且可以有效避免不必要的運行維護和無計劃的維修更換，從而實現集輸系統完整性管理的動態循環、持續改進和安全可控，為頁巖氣田地面工程的完整性管理提供堅實基礎。具體分3部分:管道適應性評估、集氣站適應性評估、井場適應性評估。每個小部分均含若干指標，各部分的指標又分為關鍵性指標和一般指標，權重大小不一。根據每部分得分加和匯總，得到適應性評估的最終得分。

在進行適應性評價之前要先確定設計方案的可行性，因此需要在適應性評價指標體系中挑選出關鍵設計指標。若關鍵指標符合要求，則說明該設計方案可行，可進行后續一般指標的適應性評價;若關鍵指標中有一項或多項不滿足要求，則認為該設計方案不可行，需要更改設計參數才能進行下一步適應性評價。一般指標中各指標項分值設為1、0.8、0.6和0分。1分表示該設計指標優于規范是目前的最好選擇，適應性最高;0.8分表示該設計指標符合頁巖氣田設計的規范要求，適應性高;0.6分表示該設計指標符合常規的規范要求，但低于頁巖氣田集輸系統設計的要求，適應性較低;0分表示該設計指標在設計中是絕不能出現的，適應性最低。另外，在進行指標項分值設計時，部分指標現階段最高分值只能達到0.8分，即該項不存在優于規范要求的最優選擇，也說明設計指標仍有改進的空間。

權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:

然后進行行變換:

3)指標權重計算。

計算模糊一致矩陣每行元素的和:

其中li表示指標i相對于上層目標的重要性。

計算不含對角線元素的和:

對li歸一化即可得到各指標權重:

3 軟件的應用

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

圖2 四川某頁巖氣區塊及氣井分布

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種模式進行計算得出4組方案，對管線建設投資進行對比，可得出最優的連接方式和管網布置方案。

利用Visual Studio平臺C#語言開發的《頁巖氣地面集輸系統評價軟件》，導入井口坐標，產量參數，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拓撲圖，如圖3所示。

雙擊圖標進入歡迎界面，分別點擊“經濟性評估”、“可靠性評估”和“適應性評估”按鈕，可得出對應的詳細分析報告，其中經濟性評估報告和可靠性評估報告如圖4、圖5所示。

圖3 頁巖氣地面集輸管網拓撲圖

圖4 經濟性評估詳細報告

圖5 可靠性分析詳細報告

經濟性、可靠性和適應性分別取權值30%、40%、30%，根據圖4、圖5，可得綜合評價指標(表1)，因而“枝狀+放射狀”型地面集輸系統最優。

4 結論

基于現有技術，本軟件具有以下創新:

1)綜合性的評價方法:相對于前人管網單一性評價方法，本軟件從3個方面對一個方案設計進行綜合性的評價，并且以量化的方式呈現出來，是目前考慮較為全面的模型。并且軟件可以根據方案制定者對經濟性、可靠性和適應性的重視程度來滿足決策者的評估需求。

2)界面簡潔友好:除必須的參數輸入模塊以外，大部分數據依據文獻資料及現場經驗內置，使得界面清爽干凈。軟件界面全部用英文顯示，在油田生產國際化程度日益增強的今天，為國際技術交流提供了方便。

3)具備一定的通用性:經濟性模塊依托于工程技術經濟學，計算方法詳盡，考慮因素全面且涉及面廣。投資估算，投資為建設投資、建設期利息和流動資金的現值，其中，建設投資包括鉆井、采氣、地面建設、凈化廠和公用工程投資等。成本費用估算含采氣成本、輔助材料購入、外購動力等。可靠性給出了相對主流的若干種管網布置形式，適用于各大氣田。適應性指標涉及面從井場到輸氣站到管道，覆蓋面廣泛且全面。

4)指標多元化:在參考了眾多設計標準的前提下，評估指標不僅是可以量化的指標，還包括對重要的相關設施建設進行的審核評估，更為細致和全面，從而實現系統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生率，而且可以避免運行維護管理過程中不必要或無計劃的維修和更換。

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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

山西省自然科學基金項目“煤層氣地面集輸系統優化設計與運行控制”(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。