頁巖氣集輸管網適應性評價分析

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)

頁巖氣是以游離態和吸附態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]。根據頁巖氣井流參數特征及變化規律，頁巖氣不同生產階段內的壓力和產量變化較大，開采初期產氣量、產水量較大，但中后期氣水產量衰減快[3]，因此地面集輸管網與地下資源條件之間需要一定的適應性。

近年來，針對頁巖氣集輸管網運行適應性分析評價的相關研究較少，主要是對常規天然氣管網、煤層氣集輸管網進行拓撲優化和方案評價。文獻[4-5]采用模擬軟件建立管網水力計算模型，以對集輸管網或外輸管網系統進行適應性分析。文獻[6-8]基于數學拓撲優化理論，以管網投資最小或井站距離之和最短為目標函數，建立集輸管網布局優化模型。文獻[9-11]針對頁巖氣壓力優化問題，依靠歸一化曲線模型來量化管線壓力變化對單井產量的影響，提出了混合整數非線性規劃模型，并應用于現場實際。文獻[12-14]對頁巖氣田地面集輸管網規劃方案存在資源浪費的問題，通過數學拓撲方法優化設計集氣站、處理廠等各級站的位置及管網的連接關系，降低頁巖氣集輸管網系統的基礎投資和生產運行費用。王博弘等[15]制定了評分等級標準，并確定可靠性、適應性和經濟性評價的指標權重大小，以對煤層氣管網設計方案進行綜合評價。目前，中國關于氣液混輸工藝的適應性研究主要局限于管網建模方法。何思宏[16]通過采用模擬軟件建立頁巖氣集輸管網模型，以分析氣液混輸條件下集輸管道的適應性。岳興龍[17]采用OLGA軟件對混輸管道的瞬態工況進行模擬，分析了混輸管道內氣液流量、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。

基于長寧某區塊頁巖氣集輸管網的現場運行問題及實際工況條件，從管網布局、輸送工藝和增壓工藝三個方面，優化選取出相應的適應性評價指標，有針對性地對該集輸管網進行適應性評價分析，并將評價結果和工藝調整建議應用到工程實際生產中，以提高集輸管網在運行過程中的適應性和輸送效率，從而為頁巖氣田高效低成本規?；_發提供技術支持和借鑒。

1 集輸管網運行工藝及適應性評價流程

1.1 集輸管網運行工藝

1.1.1 管網布局形式

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

1.1.2 輸送工藝

以減少設備投資、運行維護和管理費用最低為原則，頁巖氣正常生產初期采用氣液分輸方式，而生產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的流動狀態和管道沿線流動規律更為復雜[22]，因此有必要對不同工況條件下的輸送工藝進行適應性研究。

1.1.3 增壓工藝

中外頁巖氣田生產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 集輸管網運行適應性評價流程

頁巖氣田集輸管網運行適應性評價技術路線如圖1所示。首先基于管網布局、混輸工藝及增壓工藝3個方面的運行工況，擇優選取適應性評價指標并建立頁巖氣集輸管網運行適應性評價指標體系。根據頁巖氣田不同開發階段的生產特點，對頁巖氣集輸管網運行進行適應性評價?；谠u價結果提出建議，并將其應用于現場生產實際，從而提高頁巖氣田集輸管網的運行適應性。

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

2 集輸管網運行適應性評價指標的選取與評定

2.1 適應性評價指標的選取

2.1.1 管網布局適應性評價指標的選取

管網布局適應性選取相對可靠度、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管網安全輸送規定流量的概率，該指標可以表征管網系統的正常運行能力。通過統計集輸管網中節點的連接形式，并根據放射狀、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域內沿線地形相對高程之差，可描述一個區域地形特征的宏觀性指標，采用地理信息系統(Geographic Information System，GIS)求解地形起伏度的值。在頁巖氣集輸管網的系統中，管線長度會直接制約集輸系統的總投資成本，同時也可以表征集輸系統所處地形地貌的復雜程度，管線長度可以在管網布局圖或設計說明書上找到原始資料。

2.1.2 混輸工藝適應性評價指標的選取

混輸工藝適應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，輸送效率較低，管網系統所需的能耗較高，從而影響投資成本，制約管網系統的整體安全。根據(SYT 5922—2012)《天然氣管道運行規范》，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《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》(GB/T 21391—2008)規定，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《輸氣管道工程設計規范》(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，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為天然氣的分子質量，g/mol；yi為天然氣中組分i的摩爾分數，%；ρ為天然氣的密度，kg/m3；Mi為天然氣中組分i的分子質量，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、流型流態產生影響，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。并結合《頁巖氣氣田集輸工程設計規范》(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 增壓工藝適應性評價指標的選取

增壓工藝適應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，因此規定壓縮機的每級壓縮比一般不大于4∶1?！俄搸r氣氣田集輸工程設計規范》(NB/T 14006—2015)中規定，頁巖氣地面集輸系統的最高操作壓力不能超過8.5 MPa，以避免增壓設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備的投資成本。

2.2 適應性評價指標的評定及權重

管網布局、混輸工藝和增壓工藝適應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，并可確定各適應性等級的評分范圍。根據專家打分法、相關現場生產經驗，結合管網布局適應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布局、混輸工藝和增壓工藝各單元的權重大小如表1所示。

表1 管網布局適應性評價指標的權重標準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

管網布局、混輸工藝和增壓工藝適應性指標的定量評價采用多因子分級加權指數和模型，計算公式為

(6)

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

2.3.2 定量評價標準

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

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

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

3 長寧區塊集輸管網運行適應性分析評價

3.1 管網布局適應性分析評價

3.1.1 相對可靠度

集輸管網在不同布局形式下的運行適應性和相對可靠度各不相同，管網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]。假設以放射狀為基準，設放射狀可靠度為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相對可靠度及總體可靠度如表4所示。長寧區塊頁巖氣采集氣管網總體布局是以“放射狀”管網為主，以“枝狀”管網為輔，因此，該管網布局形式下的總體可靠度為0.8，其值符合要求，適應性較高。

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

3.1.2 地形起伏度

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

圖2 長寧某區塊集氣干線的高程-里程數據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。長寧某區塊大部分采、集氣管線長度為3 km以上，因此，集輸系統的節點較少，經濟性較好，可以較好地適應頁巖氣高效、大規模的開發，適應性好。

3.2 混輸工藝適應性分析評價

3.2.1 輸送效率

根據各參數取值，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%，因此總體適應性評價較高。

表5 長寧某區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。長寧某區塊典型井組的氣液比較高，反映集輸管道內液相含量遠低于氣相含量。因此，頁巖氣排液工藝及其系統具有較好的適應性。

表6 長寧某區塊典型井組的產量及氣液比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《頁巖氣氣田集輸工程設計規范》(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，增壓裝置與管網適應性較差。

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

3.3 增壓工藝適應性分析評價

3.3.1 壓縮比

由表8可知，長寧某區塊井站內壓縮機的壓縮比均在正常范圍內(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場生產實際的適應性較差。

表8 某區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

根據井區已經設置井區中心站(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。通過井區管網模型計算得出各平臺增壓站最高應達到的排氣壓力值，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時間內超過6.3 MPa，但波動范圍不大，因此適應性一般。

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 工藝調整措施和改進建議

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

表10 評價單元各適應性等級的工藝調整措施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模式，并結合經濟效益因素，在“集中增壓+分散增壓模式”的基礎上，提出一種滾動式組合增壓模式，根據氣田開發方案、氣井壓力衰減情況，實現壓縮機組在不同平臺間的重復利用。

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

(3)流速。在采集氣管線最低點處設置分水器，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)管網組合形式。平坦地區可采用“枝上枝”管網形式，采用集氣閥組代替集氣站，閥組間可實現串接，增大集輸半徑(可達17 km)。

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

5 結論

基于上述頁巖氣田集輸管網常見的現場運行問題，對長寧某區塊頁巖氣集輸管網運行進行適應性分析評價，得出以下結論。

(1)長寧某區塊頁巖氣集輸管網的集輸規模較大，2020年可達到50×108m3/a的規模；集輸管線的地形起伏度較大，低則為50 m以內，高則為 300 m 以上；集輸管網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。如果管道在生產前期投產氣井較少，有段塞流風險；氣井全部投產后，段塞流風險較低。

(3)長寧某區塊井站內壓縮機的壓縮比均在正常范圍內(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。