页岩气地面集输系统评价软件开发与应用

任玉鸿，吴梦雨

中国石油大学(北京)机械与储运工程学院(北京102249)

页岩气地面集输系统评价软件开发与应用

任玉鸿，吴梦雨

中国石油大学(北京)机械与储运工程学院(北京102249)

页岩气集输工艺的选择与集输管网拓扑结构相互耦合，综合考虑集输系统的经济性、可靠性和工艺适应性，可以得出最优的页岩气地面集输方案。讨论枝状和放射状2种管网连接方式，确定连接方式交叉后的4种管网布局模式的经济性;并将管网可靠性分析转化为树型网络可靠度问题进行求解;运用层次分析法对集输系统进行工艺指标评价。计算实例表明，此评价软件具有综合性评价、界面简洁友好、通用性和指标多元化等优点，评价结果是“枝状+放射状”的地面集输系统最优。

页岩气;集输管网;经济性;可靠性;适应性

页岩气初期井口的流动压力高，在井口节流后由采气管道输至各气田集气阀组。气液分离、计量后进入集气管道，通过集气管道将页岩气输送到页岩气处理厂。页岩气集输工艺的选择与集输管网拓扑结构是相互耦合的，综合考虑集输系统的经济性、可靠性和工艺适应性，可以得出最优的页岩气地面集输方案。

1 软件需求分析

目前国内外的研究主要集中于在役长输、净化气系统的运行维护阶段，缺乏页岩气田集输系统及其设计阶段的研究，而且在页岩气地面工程开发过程中，针对其开采的特点，开发人员关于管网布置及集输工艺会有不同的方案。管网的布置采用的拓扑结构、设备的选择、工艺流程的选用等因素都关系到整个方案的优化设计［1-4］。因此亟需开展页岩气气田集输系统设计阶段管理方面的研究。

对此，开发基于经济性、可靠性及适应性的优化软件，使用模糊层次分析的方法，参照国家标准及石油行业标准，选取评估的关键指标，通过优化算法，对每个方案进行量化评估，以期为现场的生产实际提供技术支持。

2 软件的开发及设计原理

2.1 软件简介

针对页岩气田的实际生产特点，首先将经济性、可靠性及适应性相关指标进行归类;在此基础上，使用模糊层次分析法对每个指标的权重进行赋值;最后，设计操作界面，将程序封装成软件，形成人机交互界面，方便现场设计人员的使用。同时，本软件也适用于其他天然气集输系统评价。

2.2 软件设计原理

2.2.1 经济性评估

根据页岩气地面工程建设方案设计及技术经济学相关内容选取投资收益率作为方案设计经济性的评价指标。计算工程建设投资、建设期借款利息、流动资金、辅助材料费、外购动力费用、人员费用、维护及修理费用、摊销费用、固定资产折旧、财务费、营业收入、税金及附加等中间参数，最后计算出工程的投资收益率，与行业的基准收益率进行比较，得出经济性参考分数。计算过程中对工程建设各方面的经济指标考虑得较为详细，最后的计算结果具有重要的参考意义［5］。具体各项费用计算如下。

1)投资成本:主要包括地面工程建设投资、建设期借款利息和流动资金。其中地面工程投资包括页岩气集输、供电、自动控制、道路、通信及配套等工程项目内容;在建设期均不考虑还款，为简化计算，贷款利率按中国人民银行最新发布的5年期以上贷款年利率为准，即6.55%;流动资金按固定资产比例估算方法确定，页岩气开发项目中流动资金的预算要按照石油天然气行业的预算方法进行，参见《石油工业建设项目经济评价方法与参数》(第二版)。采用扩大指标法以流动资金占固定资产投资的4%进行预算。

2)采气成本:主要包括辅助材料费、外购动力费用、人员费用、维护及修理费用。

3)税金:主要包括增值税、矿区使用费、企业所得税、城建税及教育附加费。

4)总产值:页岩气销售过程中并不能将所有的气都转化为商品销售。根据中国天然气工业的经验，天然气商品率一般为96%，在本次经济评价中页岩气的商品率取值为96%。页岩气开发项目的总产值可按照下列公式计算:

年总产值=(年产气量-年消耗量)×商品率(96%)×(当年气价+财政补贴)。

2.2.2 可靠性评估

管网系统主要包括单井、集气站和管道3部分，是节点与边的设备集。节点为单井或集气站，边是连接节点的管道，遵循最大流与最小割集定理可将其转化为边权传输网。树枝状集输管网可靠度的求解问题可转化为树型网络可靠度的求解问题［6-7］。求解集输管网的可靠度时，管网是一棵以集气站为汇点的有向树，可将树中每条边的输气流量赋予该边作为权。针对4种现场典型的管网拓扑结构:“枝状+枝状”、“枝状+放射状”、“放射状+枝状”、“放射状+放射状”，定义了一个可靠性函数，基于管网最大流可靠度、阈级、单元重要度等中间指标，分别从井场到阀组和从阀组到增压站分步骤计算，进而得出整个集输管网的总可靠度(以百分数形式表示)，乘以该部分的满分，即可得到可靠性评估得分，具体计算流程如图1所示。

其中，端容量Qmax，all为所有起点到增压站所能传输的最大流量，故障流量Qmax，all(ei)为管段ei失效后管网系统仍能够输送到增压站的最大流量，阈级T(ei)表示当管段ei发生故障失效时，其对到达增压站的总输气量的影响程度:

图1 管网总可靠度计算流程图

单元重要度I(ei)表示ei管段对管网系统可靠度的影响程度:

节点i与增压站连通的概率P(i)为

式中:Pi为各节点的可靠度，Pei为各管段的可靠度，P(i-1)为节点i的前启节点i-1与增压站连通的概率，增压站与自身连通的概率为其正常工作的概率。于是枝状或放射状管网系统总可靠度为:

2.2.3 适应性评估

页岩气田地面工艺设计适应性评价需要针对页岩气地面集输系统的特点，融入完整性管理理念和模糊层次分析法，对工艺设计指标进行评价，识别出设计指标的适应性，不断改进完善设计方案，实现集输系统在结构和功能上的完整性［8-10］。这样不仅可以大大降低事故发生率，而且可以有效避免不必要的运行维护和无计划的维修更换，从而实现集输系统完整性管理的动态循环、持续改进和安全可控，为页岩气田地面工程的完整性管理提供坚实基础。具体分3部分:管道适应性评估、集气站适应性评估、井场适应性评估。每个小部分均含若干指标，各部分的指标又分为关键性指标和一般指标，权重大小不一。根据每部分得分加和汇总，得到适应性评估的最终得分。

在进行适应性评价之前要先确定设计方案的可行性，因此需要在适应性评价指标体系中挑选出关键设计指标。若关键指标符合要求，则说明该设计方案可行，可进行后续一般指标的适应性评价;若关键指标中有一项或多项不满足要求，则认为该设计方案不可行，需要更改设计参数才能进行下一步适应性评价。一般指标中各指标项分值设为1、0.8、0.6和0分。1分表示该设计指标优于规范是目前的最好选择，适应性最高;0.8分表示该设计指标符合页岩气田设计的规范要求，适应性高;0.6分表示该设计指标符合常规的规范要求，但低于页岩气田集输系统设计的要求，适应性较低;0分表示该设计指标在设计中是绝不能出现的，适应性最低。另外，在进行指标项分值设计时，部分指标现阶段最高分值只能达到0.8分，即该项不存在优于规范要求的最优选择，也说明设计指标仍有改进的空间。

权重的选取采用模糊层次分析法，具体步骤如下:

1)建立比较矩阵F=(fij)m×n。

其中s(i)和s(j)分别表示指标fi和fj的相对重要度。

若矩阵R=(rij)m×m满足rij=rik-rjk+0.5，则该矩阵为模糊一致矩阵。

2)将比较矩阵F改造成模糊一致矩阵R。

首先对F按行求和:

然后进行行变换:

3)指标权重计算。

计算模糊一致矩阵每行元素的和:

其中li表示指标i相对于上层目标的重要性。

计算不含对角线元素的和:

对li归一化即可得到各指标权重:

3 软件的应用

四川某页岩气区块(图2)为丘陵山地，受到来自北西方向挤压应力作用，以正向构造为主，各背斜带之间以宽缓向斜带为界。该区块的面积为41.5km2，海拔最高675m，最低250m，多在400～600m之间，目标区块在图中以红色区域标注。本区块生产的页岩气需要输送到已建管线中，接口位置(S点)及井口分布如图2所示。

图2 四川某页岩气区块及气井分布

井口到集气阀组有放射状与枝状2种连接方式，集气阀组到集气站也有2种连接方式，因此交叉后共有4种管网连接模式，分别是“放射状+放射状”、“放射状+枝状”、“枝状+放射状”和“枝状+枝状”，按照4种模式进行计算得出4组方案，对管线建设投资进行对比，可得出最优的连接方式和管网布置方案。

利用Visual Studio平台C#语言开发的《页岩气地面集输系统评价软件》，导入井口坐标，产量参数，阀组辖井约束、集气量约束，可以得出以下4种不同连接形式的管网拓扑图，如图3所示。

双击图标进入欢迎界面，分别点击“经济性评估”、“可靠性评估”和“适应性评估”按钮，可得出对应的详细分析报告，其中经济性评估报告和可靠性评估报告如图4、图5所示。

图3 页岩气地面集输管网拓扑图

图4 经济性评估详细报告

图5 可靠性分析详细报告

经济性、可靠性和适应性分别取权值30%、40%、30%，根据图4、图5，可得综合评价指标(表1)，因而“枝状+放射状”型地面集输系统最优。

4 结论

基于现有技术，本软件具有以下创新:

1)综合性的评价方法:相对于前人管网单一性评价方法，本软件从3个方面对一个方案设计进行综合性的评价，并且以量化的方式呈现出来，是目前考虑较为全面的模型。并且软件可以根据方案制定者对经济性、可靠性和适应性的重视程度来满足决策者的评估需求。

2)界面简洁友好:除必须的参数输入模块以外，大部分数据依据文献资料及现场经验内置，使得界面清爽干净。软件界面全部用英文显示，在油田生产国际化程度日益增强的今天，为国际技术交流提供了方便。

3)具备一定的通用性:经济性模块依托于工程技术经济学，计算方法详尽，考虑因素全面且涉及面广。投资估算，投资为建设投资、建设期利息和流动资金的现值，其中，建设投资包括钻井、采气、地面建设、净化厂和公用工程投资等。成本费用估算含采气成本、辅助材料购入、外购动力等。可靠性给出了相对主流的若干种管网布置形式，适用于各大气田。适应性指标涉及面从井场到输气站到管道，覆盖面广泛且全面。

4)指标多元化:在参考了众多设计标准的前提下，评估指标不仅是可以量化的指标，还包括对重要的相关设施建设进行的审核评估，更为细致和全面，从而实现系统在功能和物理两方面的完整性。这样不仅可以大大减小事故发生率，而且可以避免运行维护管理过程中不必要或无计划的维修和更换。

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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

山西省自然科学基金项目“煤层气地面集输系统优化设计与运行控制”(编号:2014012012)

:任玉鸿(1990-)，男，硕士研究生，主要从事多相管流与油气田集输方向的研究。