煤层气集输系统新增产能规划问题*

2014-03-22

油气田地面工程 2014年11期

煤层气集输系统新增产能规划问题*

李晓平张思琦周军邓涛成梦娅宫敬

中国石油大学（北京）机械学院

煤层气田的集输系统是生产开发过程的重要组成部分，随着煤层气田的不断开发，如何合理地规划煤层气集输系统成为研究者需要思考的问题之一。针对煤层气集输系统新增产能的分配问题在总结前人研究成果的基础上，提出一种通用性强的启发式算法，解决煤层气井网划分、井网加密和新增产能划分的问题。应用Java语言开发相应程序验证启发式算法的正确性，计算结果表明此方法在满足生产要求的前提下，得到了符合预期目的的最优产能分配方案，该算法对煤层气集输系统的规划具有一定的参考价值。

煤层气田；集输系统；启发式算法；产能规划

煤层气田的集输系统是生产开发过程的重要组成部分，随着煤层气田的不断开发，如何合理地规划煤层气集输系统成为研究者需要思考的问题之一。现有的煤层气管网系统是根据早期设计参数建设的，传统算法只适用解决某一特定情况，对于多种情况的组合问题没有进行研究，而煤层气田由于产量小，压力低等特点，现有的研究成果并不能很好地解决此类问题，在总结前人研究成果的基础上，提出一种通用性强的启发式算法，用于解决煤层气地面集输系统新增产能的规划问题。

1 应用启发式算法进行求解

启发式算法的定义是一种基于直观或者经验构造的算法，在可接受的花费下给出组合优化的一个可行解。

由于煤层气“低压，低产，多井”的特点，造成煤层气的井网规模大，节点数量多，而新增产能的分配问题本身又是NP类难题，这便增加了使用传统优化算法求解的难度，因为传统优化算法的计算时间极有可能让人无法忍受，或因问题的难度使计算时间随问题规模的增加以指数速度增长，所以采用启发式算法对煤层气新增产能的规划问题进行研究。

1.1 新增产能区块的处理方法

煤层气田滚动开发的模式使得新增气井出现在不同区域，这使得新增气井的属性有所不同，因此在进行产能分配时，可利用此属性将新增气井划分为不同的区域进行滚动计算。具体的操作方法如下：首先根据新增气井的属性将其划分成不同的区块，然后通过新增区块的数量设定滚动计算的次数，最后依次将每个新增区块内的气井进行产能分配计算。

对新增产能区块中气井进行处理有两个方面的原因，一方面是在实际生成过程中，工程师会将气井划分为不同区块进行生产管理；另一方面，直接处理错综复杂且毫无特征的大量数据会降低算法的运算效率和计算精度。

1.2 启发式算法的流程

启发式算法有3个基本约束：集气阀组与气井的距离不超过规定长度；与集气阀组连接的气井数量不超过规定数量；集气阀组的集气量达到规定集输范围。但煤层气集输系统在开发的初始阶段为了节省成本，在一定程度上忽略井式约束原则[1]，所以本算法对此模式进行了修正，严格要求产能分配方案遵守3个约束原则，当出现不满足井式约束的情况时，通过增加集气阀组的数量来保证算法的完整性和连续性。算法的主要流程如图1所示。

1.2.1 算法初始化

算法初始化阶段是指通过已知条件对产能数据进行预处理，进而生成一组初始产能分配方案的过程。该阶段包含4部分内容。

数据预处理：通过设定的参数和相应的原始生产数据，得到新增区块数量，各区块中气井的最小产气量和各区块新增集气阀组的数量等参数。

确定计算区块：启发式算法是以滚动开发形式对多个新增区块进行产能分配，所以在进行产能分配前需要确定区块信息。当所有区块都分配完毕后，可以得到最终的产能分配方案。

图1 启发式算法流程图

筛选集气阀组：集气阀组的筛选条件如公式（1）所示

式中QOldGroupN为第N个已建集气阀组的集气量；Qnmin为第n个区块中的最小产气量；Qmax为集气阀组的集气量上限值；NOldGroupN为与第N个集气阀组连接的气井数量；Nmax为井式约束。

该公式表明，当已建设的集气阀组的富余集气量在Qnmin和Qmax之间，且与之连接的气井数量小于Nmax时，则该集气阀组可以被继续利用。

需要说明的是，如果已建集气阀组无法连接当前区块内采气量最小的气井，则该阀组肯定无法容纳区块内其他的新增气井。

生成初始分配方案：分配方案以气井到各个集气阀组的距离为参考值，将气井分配到与其距离最近的阀组中。

1.2.2 检查井式约束

检查各集气阀组的连接情况时，按照井式约束的要求，将集气阀组中超出连接数量的气井筛选出来，然后通过气井与集气阀组的距离为参考值，将气井分配到与其次近且不超出井式约束的阀组中，从而保证各集气阀组能够满足井式约束的要求。

1.2.3 检查集输半径约束

检查各集气阀组与其所属气井的距离时，如果该距离值超出最大集输半径，则认为该气井不应当连入到此阀组中。由于在检查井式约束的环节中，气井是依照最短距离依次分配，所以出现距离不符合要求的情况时，可以认为该气井分配到其他集气阀组中也不满足距离约束。

1.2.4 检查集气量约束

检查各集气阀组的集气量时，如果阀组的集气量超出设定范围，则认为该阀组不符合集气量约束，需要对其进行调整。集气量约束的调整过程主要由两个步骤组成：

（1）寻找集气阀组在约束范围内的最佳组合形式。假如某个集气阀组中有n口气井，且阀组不满足集气量约束，则该集气阀组应当还有M种组成方式。集气阀组的M种组合方式各不相同，寻找集气量QM与Qmax最接近的组合，且QM＜Qmax。如果出现偏差值相同，则选取气井数量多的组合方式；如果气井数量相同，则选取与集气阀组距离值之和最小的组合方式。

（2）将筛选出来的气井分配到合适的集气阀组中。假如在第一个步骤中筛选出N口气井，则以气井采气量为基准，从大到小依次分配这N口气井。当气井拟分配给某个集气阀组后，根据相关数据，重新按照几何平均的方法确定阀组坐标，并在此基础上检查集气阀组的井式约束、集输半径约束和集气量约束。

1.2.5 收敛集气阀组的坐标

在启发式算法的流程中，有两个迭代循环流程，分别安置在完成井式约束的计算后和完成集气量约束的计算后，该流程是用来收敛集气阀组的坐标，加权平均法的收敛函数如式（2）所示

其中i∈Sj表示第j集气阀组所辖气井i；(xij，yij)表示第j阀组所辖气井i的坐标。x，y为气井坐标，p，q为阀组坐标，Q为气井产气量。

1.2.6 更新产能数据

当某个新增区块的气井分配完毕后，得到相应的分配方案，将该区块的集气阀组信息与已建集气阀组信息整合，由此完成煤层气集输系统的滚动开发。

2 计算实例

根据启发式算法编写相应的Java程序，并以仿真算例进行试算。算例中有已建气井23口，已建集气阀组3个，新增气井73口，井式约束为9，集气量上限为40000，集气量下限为14400，最大集输半径为35，允许误差精度为0.01，计算的收敛函数采用算术平均数的方法，将气井和集气阀组的信息绘制在二维坐标系中，如图2所示。

图2 算例示意图

黑色方块为已建集气阀组，算例中集气阀组的编号格式为OldGroupXXX，XXX代表第N个阀组；红色圆点为已建气井。算例中已建气井的编号格式为OldWellXXX，XXX代表第N口气井；其余颜色的圆点代表新增气井，不同颜色代表不同区块。算例中新建气井的编号格式为NewWellXYY，XYY代表第M个新增区域中的第N口气井。

该算例具有以下特点：

（1）新增区块有若干个，符合多区域滚动开发的特点。

（2）新增气井出现在已建区块的内部，符合井网加密的开发特点。

（3）新增气井出现在离已建区块较远的区域，符合井网划分的开发特点。

（4）新增气井出现在已建区块的边缘区域，符合检验算法是否能够利用已建集气阀组处理能力。

（5）区域内会出现只满足集气量约束、井式约束和集输半径约束中任意一种或者任意两种的情况，符合用检验算法验证是否能够满足煤层气管网建设中的3个约束条件。

通过开发的Java软件进行计算后，得到该区块的产能分配方案，计算结果如表1所示。新增集气阀组的格式为XNewGroupYY，代表第M个区域内的第N个新增集气阀组，相应的二维坐标图如图3所示。