克拉美丽气田集输管网设计技术优选分析

郑云萍，温　馨，金俊卿

(1 西南石油大学石油与天然气工程学院，四川　成都　6100172；2 中国石油大港油田采油工艺研究院，天津　300280)



化工机械

克拉美丽气田集输管网设计技术优选分析

郑云萍1，温馨1，金俊卿2

(1 西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都6100172；2 中国石油大港油田采油工艺研究院，天津300280)

克拉美丽气田开采中后期井口压力、温度及产量降低，出水量增加，导致原有集输工艺不能满足输送要求，需对集输管网进行优化。对气田井位布局分析认为应采用放射状管网类型，根据井位及井口压力进行井组划分，以管网系统总建造费用最小为目标函数，以管道设计输量、流速和承压能力为约束条件，建立了地面集输管网优化模型，采用分级优化法求解该优化模型。以D1区为例模拟计算，结果表明优选后管网投资节省35%，集输效率提高11%。

管网优化；放射状；集输效率；MATLAB；HYSYS

克拉美丽气田位于准噶尔盆地陆梁隆起滴南凸起中段，是千亿方储量规模的火山岩气田[1]。气藏叠合含气面积56.2 km2，凝析气储量690.9×108m3，天然气储量680.16×108m3，凝析油储量572×104t[2]。气藏岩性岩相变化快，储集空间复杂，储层渗透率低，属于中低孔、低渗储层。气田周边为典型的风积沙漠地貌，地表为沙漠覆盖，植被稀少，无山川河流，气候干燥，年温差为-40～45 ℃，年降雨量稀少。

随着气田开采进入中后期地面工艺配套方案有必要进行适应性研究，优选工艺方案，充分利用地层能量，延长气井的生产寿命，提高气田的采收率。

1　气田特点

气田利用新井部署、老井侧钻、补射层位、增压开采、排水采气工艺攻关等技术措施，实现其挖潜、提高储量动用程度和开发效果。由于各个井区面积小，井口数多且相对集中，井区相对独立。采用“边评价、边开发、井间逐次加密”方式部署井网。

气田现有处理站1座、集气站3座，处理站设计气处理能力300×104m3/d，凝析油500 t/d；单个集气站设计处理能力180×104m3/d，凝析油处理能力100 t/d[3]。目前开采出现以下问题：①气田初期生产压力高达35 MPa，但压力下降快，大部分时间处于低压生产状态。②单井产量低，产气量稳定，下降的速度缓慢。③气井后期产水量增加，井口温度低，易生成水合物，如采用以往防止水合物形成的方法，则注醇量很大。由于以上问题导致原有集输工艺不能满足输送要求，故需对集输管网进行优选比较。

2　管网适应性评价

根据气田井位布局，分析不同类型集气管网对克拉美丽气田整体的适应性。

环状管网适用于面积较大的方形、圆形或椭圆形气田。而克拉美丽气田三个井区分布相对独立，单个井区内井口集中，井距较小。且环状管网投资较大，因此环状管网不适用于克拉美丽气田。

枝状管网投资少，但是气田开发后期需增压采气时，天然气压缩机组只能设在井场，对每口井单独增压，难以集中使用。枝状管网只针对气藏面积狭长、井网距离较大的气田才适用，而对于各井间物流差距大、高低压井交叉分布的克拉美丽气田不适用。

放射状集气管网适合于气井相对集中或面积较小的气田，管理方便。克拉美丽气田三个井区相距5～8 km，而每个井区的井口相对集中，平均井距820 m，集气半径小。相比枝状管网，放射状管网更有利于气田的滚动开发和单井管理，生产后期出现高低压井后，改造方案多、费用省、工艺简单，能充分利用压力能和适应高低压采气生产。

3　管网优选

对天然气集输系统进行优化设计主要解决如下几个决策问题：确定网络的拓扑形式；确定集输站的几何位置；确定管道系统内压力，流量分布以及各管道直径、壁厚等。

3.1井组划分

井组最优划分的目标就是确定气井与集气站间的最佳隶属关系，本文以距离之和最短为原则对井组进行划分。根据规定：放射型管网中混输单井管线不宜超过5 km；集气站所辖井数限制为6～10口井(产量较大)、11～16口井(产量较小)。以及克拉美丽气田现状：气田最远井间距约为16 km；单井产量较小，约为7～10×104m3/d。对气田52口井进行划分，得出至少要建立三个集气站。井组划分结果见表1。

表1　克拉美丽气田井口分组结果

3.2集气站站址优选

(1)目标函数

集气站站址优化的目标是在确定了集气站与各气井的隶属关系基础上，以各气井到相应的集气站距离之和最小。系统中集气站与所辖单井间管线投资费用可表示如下公式[4]：

(1)

式中：Wi——第i井到集气站管线单位长度造价，元/m

Li——第i井到所属集气站的管线长度，m

ρ——钢材密度，7.8×103kg/m3

a——钢材的单价，5000元/t

δi——第i管线的管道壁厚，m

di——第i管线的管道管内径，m

n——优化的井口个数

(x,y)和(xi,yi)——集气站坐标和井口坐标

(2)约束条件

约束条件包括井口压力、流量约束，管道、站等承压能力约束，节点输出入气量约束等[5]。①输送气量对管径的约束条件：采气管线的通过能力按气井产量确定，而管道的设计输送能力应大于管道实际输送能力。②压力等级及壁厚约束条件：根据克拉美丽气田单井物流压力和产量预测如表，2008-2015年集气压力为7.6 MPa，采气管线压力为10～21 MPa。各个管径的壁厚仍采用原克拉美丽气田设计值并作强度及稳定性验算。③管线流速约束条件：根据克拉美丽气田酸气含量少，应保证采气管线流速为4～6 m/s。既保证了气体一定的携液能力，又防止因气流速度过快所造成的冲刷腐蚀。④管道路线的约束：克拉美丽处于沙漠中央沙丘区，无穿跨越工程，其路线选择约束限制非常小。因此可将该工程建设费用看为管线长度的函数。

(3)计算结果

图1　D1区放射状优选后管网

图2　D2区放射状优选后管网

图3　D3区放射状优选后管网

利用MATLAB的工程规划计算模块优化计算[6-7]，D1区、D2区、D3区井口坐标和集气站结果分别见图1～图3。

3.3优选前后对比

根据优选前后管线长度计算管线用钢量及管线费用，计算结果见图4。

图4　D1、D2和D3区放射状管网优化前后投资费用对比

通过对克拉美丽气田放射状管网优化前后投资费用对比，理论上总体优化后的投资费用比优选前投资费用减少35%，其中D1区投资费用下降最为显著。

4　管网效率

气田集输系统效率评价方法是用来评价气田集输系统管网、站场运行效率状况的指标体系。数值为管网效率和集气站效率之积，可以用能量指标进行评价，用单位能量表示。管道效率计算公式如下[8]：

ηg=G2(C2t2+p2÷ρt)/G1(G1t1+p1÷ρt)×100%

(2)

式中：G1、G2——管道进、出口天然气质量流量，kg/h

C1、C2——管道进、出口天然气定容比热，kJ/(kg·℃)ρt——天然气相对密度，kg/m3

P1、P2——管道进、出口天然气压强，MPa

t1、t2——管道进、出口天然气温度，℃

表2　D1区优选前后管网集输效率对比

选取D1区来研究管道优化前后的适应性变化。优化调整后各井的管道规格不变，井口工艺和保温方式不变，只有管线的长度调整，利用HYSYS对采气管线模拟得到的进出口相关参数，并用集输效率公式计算得到D1区优化前后的管网效率见表2。

由表2可知D1区管网集输效率提高11%，效果明显。同理计算出D2区和D3区管网集输效率分别提高了5.1%和3.7%，且克拉美丽气田放射状管网优化后整体集输管网效率提高7.7%。以D1区为例，分析管网优选前后管线长度与集输效率之间的关系，以及管道长度减小量对集输效率提高量之间的关系，见图5。

图5　优化前后管道的集输效率和管线长度分布图

比较可得：经过对放射状管网的优化，采气管线的长度减少使得管网沿程的热损失和沿程压力损失减小，不仅降低了管线投资，而且使得管网效率提高，最终降低能耗，降低运行费用。

5　结　论

通过对克拉美丽气田管网优化问题的研究，建立了基于最优化原理的放射状管网优化模型。可见，在进行天然气集输管网系统的设计过程中，应注意结合集输管网规划建设的具体情况，确定相应的规划设计准则，选择合理的设计方案，以提高优化设计的合理性与适用性。对已知井位，根据地面集输管网的连接特点，以管网总投资费用最省为目标，建立优化模型，并考虑输气管线的输送要求和安全因素。应用MATLAB中线性规划功能模块，可得到快速简便的优化算法。对克拉美丽气田采用放射状管网优选后的管网投资比原管网节省35%，管网集输效率提高7.7%。

D1区井区已建集气站毗邻天然气处理站建设，处于井区边缘，单井集输半径较大，导致该区多数采气管线较长，造成管线投资增加和能量的浪费。对其采用放射状方式优化之后，集气站建在井区内部，平均单井管线距离由2.586 km减少为1.4 km，投资显著下降。可见，缩短单井集气管线长度对集输效率的提高有明显的作用，管线长度缩短比例与集输效率提高比例呈正相关，体现出合理规划布局管线的重要性。

[1]胥金江,杨肇琰,高书俭,等. 滴西14井区高含水气井地面集输工艺优化研究[J]. 化学工程与装备, 2011(7):117-120.

[2]胥金江,李红刚, 韩薇, 等. 克拉美丽气田井口地面防砂工艺应用[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2011(4):239-240.

[3]张锋, 蒋洪, 张东平,等. 克拉美丽气田油气处理装置工艺改进[J]. 石油与天然气化工, 2013, 42(5):452-456.

[4]李征. 天然气集输管网优化设计方法研究[J]. 内蒙古石油化工, 2009(6):19-21.

[5]刘武, 徐源, 赵绪, 等. 气田集输管网优化运行方案[J]. 油气储运, 2010, 29(7):501-504.

[6]李自力, 孙云峰, 张子波, 等. 基于遗传算法的气田集输管网整体优化方法[J]. 天然气工业, 2011, 31(8):86-89.

[7]刘文艳,叶枫. 单亲遗传算法在天然气管网布局优化中的应用[J]. 科学技术与工程, 2011, 11(6):1351-1354.

[8]李德选, 李文广, 李文婷. 气田集输系统效率评价方法[J], 油气田地面工程, 2012, 31(6):13-14.

Optimization Analysis of the Pipeline Network in Kelameili Gas Field

ZHENGYun-ping1,WENXin1,JINJun-qin2

(1 Oil and Gas Engineering Institute，Southwest Petroleum University，Sichuan Chengdu 6100172；2 Oil Production Technology Institute of Dagang Oilfield，Tianjin 300280，China)

With the decrease of wellhead pressure, temperature and output as well as the increase in water yield in the mid-to-late process of oil extraction in Kelameili gas field, the current gathering technics could not meet the transportation demands which required optimizing the design of gathering pipe network. After dividing the wells into groups based on the different well locations and wellhead pressure and by analyzing the factual situations of the pipe system, such as the gas carriage amount, the gas-flow rate as well as other restricted conditions, the model of the gathering and transportation pipe network on the ground was established on the condition of the minimum all-in expenditure of construction as the objective function. In the case of D1 district, the total project cost had 35% saved while the gas gathering and transportation efficiency had 11% increased.

pipe network optimization; gathering and transportation efficiency; MATLAB; HYSYS

赵鹏(1989-)，男，硕士研究生，主要从事硅材料表面分析。

童跃进，教授，博士生导师。

TQ914.1

B

1001-9677(2016)02-0136-04