基于多层次灰色关联分析法的致密气田集输工艺评价

2024-03-15梁裕如韩建红艾昕宇

天然气勘探与开发 2024年1期

梁裕如李娜刘亮韩建红何鹏艾昕宇

1.陕西延长石油（集团）有限责任公司天然气研究院陕西西安 710075

2.陕西延长石油（集团）有限责任公司油气勘探公司陕西延安 716000

0 引言

在致密气田开发建设中，地面集输工程项目建设至关重要。致密气田地面集输工程具有建设投资高、工期长、影响因素多等特点，能否对气田集输工艺进行客观的评价与正确的决策，这是关系着气田开发建设全局的关键问题，对项目本身的效益、系统适应性及安全性等都会产生深远的影响。致密气田集输工艺指标的确定是一个多约束、多目标的综合优化问题，需要考虑的因素众多，多目标决策问题中各目标之间往往通过决策变量相互制约，对其中一个目标的优化必然以其他目标的劣化作为代价。要同时实现多项目标的最优值是不可能的，因此只能进行协调折中处理，尽可能使多目标达到相对最优。

现阶段关于致密气田集输工艺的决策分析，主要是依据气藏特征、稳产年限、气质组分及采气工程要求等，同时考虑地面集输工程各子项目综合造价，再结合项目运行成本（电、燃料气及甲醇等）、系统适应性及安全性等方面因素[1-9]来进行分析，作出最优方案的决策。但由于该问题涉及因素较多，各目标相互制约，目前国内外对于该问题的决策方法较为单一，不够全面，缺乏客观统一的评价标准，主观性较强。

气田集输工艺的优选属于多目标决策问题，通常的解决方法包括层次分析法、模糊评价法、灰色关联分析法、神经网络、Topsis法以及各种方法组合运用等[10-15]。在方法组合运用中，多层次灰色关联分析法首先通过层次分析法确定评价对象的各因素权重，再运用灰色关联分析法对各因素进行灰色量化处理，求出灰色关联系数，最后两相结合，将各因素权重与灰色关联系数进行加权，求得加权灰色关联度，从而作出评价与优选。由于具有将评价因素（或称评价指标）进行有效量化的优势，多层次灰色关联分析法在工程项目评价中应用广泛，如在储罐失效概率评估[16]、管道风险评价[17]、油气勘探开发项目风险评价[18]、沼气安全评价[19]、剩余可采储量品位评价[20]、机械加工工艺评价[21]、LNG工厂冬季保温[22]、城市燃气管道风险评估[23]等项目评价中都得到了很好的应用。

笔者以此为切入点，以延安气田延气2-延128井区地面集输工程为例，应用多层次灰色关联分析法，或可称为基于AHP（Analytical Hierarchy Process，层次分析法）的灰色关联分析方法，对不同集输工艺的灰色关联度进行计算，确定适用于该井区的最优集输工艺方案，从而为企业决策提供依据，并为今后国内外致密气田集输工艺方案的客观比选和决策，提供评价手段和参考依据。

1 集输工艺分析

延安气田延气2-延128井区地处陕北黄土高原，属于致密岩性气藏，气田开发主力层位为中二叠统石盒子组、下二叠统山西组、上石炭统本溪组等，砂体规模小、变化快，非均质性强，具有典型的“五低”特征（低孔隙度、低或特低渗透率、低地层压力、低储量丰度、低产量）。延安气田采用衰竭式开采，丛式井组开发（每个井场设置气井3～5口），单井平均配产（分配天然气产量）1.2×104m3/d，气田稳产期为7～8年。与同处鄂尔多斯盆地的大牛地、苏里格及榆林等气田相比，延安气田开发地面建设中存在以下显著不同的特征：①地形复杂，地貌变化大。区域基本地貌类型是黄土塬、梁、峁、沟，地面高低起伏大、沟壑纵横、地形支离破碎，生态环境脆弱，因此容易发生地质灾害，集输站场选址和管线路由选择困难，工程建设复杂，投资高。②天然气气质组分中CH4含量超过95%，不含H2S，CO2含量2.70%，含有少量C7+以上重烃组分（表1）。

表1 延安气田天然气气质组分表

不同气藏的地质特征、开发指标、稳产年限、采气工艺及气质组分等各不相同，所适用的集输工艺亦不相同。国内外致密气田的常用集输工艺有高压集输工艺、中压集输工艺及中低压集输工艺等3种方式。由于所选节流位置不同，这3种集输工艺所对应的管线积液、井下节流器失效、计量误差、征地面积、运行压力、管网压损、集气半径等方面具有明显的区别[24-26]，因此在项目建设投资、运行成本、系统适应性及安全性等方面也存在差异，各有优缺点（表2）。

表2 致密气田常用3种集输工艺优缺点对比表

从各集输工艺要点结合表2可以看出：①高压集输工艺采用不在井口进行加热节流、而是在集气站内集中加热节流的输送方式，具有计量精准的优势，不存在井下节流器失效风险；但由于采气管线设计压力高、集气站内工艺设计复杂等因素，故存在积液风险高、集气半径大、加热炉负荷大、征地面积大等问题，导致建设投资和运行能耗较高、内部收益率偏低。②中压集输工艺采用井下节流、井间串接、集气站常温分离的输送方式，有效降低采气管线运行压力，天然气携液能力相应有所提升，积液问题得到有效缓解，同时集气半径较小，减小了征地面积，进而采气管线工程量减少，集气站站内工艺相对简化，注醇量降低。因此，中压集输工艺在降低投资和运行成本方面优势明显，但同时带来气井计量精度偏低、井下节流器打捞失效频率较高等问题。③中低压集输工艺在井下工艺、管线连接方式方面均与中压集输工艺相同，仅仅由于采气管线运行压力的进一步降低，使天然气携液能力得以增强，管线积液风险降低，这是它的优点；但由于在建设初期将压缩机投资考虑在内，以及征地面积较大，因此较之中压集输工艺，中低压集输工艺的建设投资和运行能耗更高。

2 集输工艺评价

2.1 建立评价体系

致密气田集输工艺方案评价体系涉及面广泛、影响因素众多、目标多样，为了使建立的评价体系能够更真实、全面、合理地反映客观实际情况，针对延安气田延气2-延128井区地面集输工程，基于系统性、科学性、针对性、可量化性等原则，以确定最优集输工艺方案为目的，制订切实可操作的工艺评价指标体系。具体评价原则如下。

2.1.1 安全生产原则

安全生产原则，即在所有工艺方案中选择安全风险最低的一种方案。安全生产评价指标主要包括管线积液（风险）、井下节流器失效（风险）等，其中管线积液与天然气流速以及地形起伏情况密切相关，管线内天然气流速越低，管线积液风险越高；而井下节流器失效与气井生产工艺相关，下入井下节流器的气井对应的失效风险偏大。

2.1.2 工艺技术原则

工艺技术的选择关系着现场生产运行的便捷性、可操作性、系统适应性以及后期生产延续性。工艺技术评价指标包括计量误差、征地面积、运行压力、管网压损、集气半径等，详述如下：①计量误差指各单井气产量、水产量、井口压力等计量数据的准确性，而产量、压力构成的生产数据是单井动态分析的基础。②征地面积是指集气站的永久性征地面积，该因素与集气站内工艺流程的复杂性相关，工艺越复杂，占地面积越大，征地面积也就越大。③运行压力是指井口至集气站的采气管线运行压力。运行压力越大，管材壁厚越大，管线运行时水合物冻堵风险越高；而运行压力越小，则管径选择越大，水合物风险减小，但相应采气管线投资上升。④管网压损指从井口至净化厂的沿程压降，它是衡量集输工艺流程中能量损耗的关键因素，沿程压降越大，集输系统能量损耗越高。⑤集气半径为单井平均的采气管线长度，与集气站控制区域范围及采气管线连接方式相关；集气半径过大极易导致采气管线积液等问题，而集气半径太小则可能导致集气站控制范围小、集气站建设数量增加等问题；管线连接方式中，井间串接可有效降低集气半径。

2.1.3 经济效益原则

经济效益原则，即在所有工艺方案中选择经济效益最高的方案。经济效益评价指标主要包括投资、运行成本和内部收益率。其中，投资为地面工程建设的总投资，运行成本指每千立方米天然气的运行成本，内部收益率为在不同集输工艺条件下计算得到的气田内部收益率。

2.1.4 评价指标体系

为了确保评价指标的客观真实性、避免指标权重分散，对致密气田集输工艺方案建立综合评价指标体系（图1）。

图1 致密气田集输工艺综合评价指标体系图

如图1所示，该体系分为目标层、准则层、指标层、方案层共4个层次。

1）最优集气工艺方案是目标层。

2）评价指标分为两级：①一级评价指标包括安全生产、工艺技术、经济效益共3项（同时，这一层次作为准则层）；②二级评价指标细分为井下节流器失效、管线积液、管网压损、集气半径、运行压力、征地面积、计量误差、内部收益率、投资、运行成本共10项（同时，这一层次作为指标层）。

3）待选的3种集输工艺（高压、中压、中低压）是方案层。

2.2 层次分析法确定指标权重

层次分析法是定性和定量相结合的决策分析法，主要用于解决多约束多目标的复杂问题。建立了致密气田集输工艺评价指标体系之后，采用层次分析法确定各级指标的权重系数，具体计算步骤如下。

2.2.1 构造判断矩阵

按照不同指标重要性的不同，分别对一级指标和二级指标进行两两对比分析，建立判断矩阵，取数字1～9及其倒数作为标度，数字越大，两个因素相比重要性越强。

根据专家评判，二级指标中的内部收益率在同级气田开发指标中最为重要，应作为这一层次的主要评价指标，其他因素作为次要评价指标。这也就决定了内部收益率所属的经济效益是最重要的一级指标。

一级指标按重要性排序，从大到小依次为：经济效益、工艺技术、安全生产。

经济效益下二级指标按重要性排序，从大到小依次为：内部收益率、投资、运行成本。

工艺技术下二级指标按重要性排序，从大到小依次为：管网压损、集气半径、运行压力、征地面积、计量误差。

安全生产下二级指标同样按重要性排序，从大到小依次为：井下节流器失效、管线积液。

由此建立包含一级指标的1个判断矩阵（A）和包含二级指标的3个判断矩阵（B1、B2、B3）分别如下。

式中A为最优集气工艺方案判断矩阵，它包含3个一级指标（B1、B2、B3）；B1为一级指标安全生产的判断矩阵，包含2个二级指标（C1、C2）；B2为一级指标工艺技术的判断矩阵，包含5个二级指标（C3～C7）；B3为一级指标经济效益的判断矩阵，包含3个二级指标（C8～C10）；C1为井下节流器失效；C2为管线积液；C3为管网压损；C4为集气半径；C5为运行压力；C6为征地面积；C7为计量误差；C8为内部收益率；C9为投资；C10为运行成本。

2.2.2 计算特征值和特征向量

针对包含一级指标的矩阵A及包含二级指标的3个矩阵（B1、B2、B3），采用和积法分别求取各矩阵的最大特征根和最大特征向量。计算结果如下：①包含一级指标的矩阵A，最大特征值为=3.053 6，最大特征向量为ω1=（0.195 8，0.310 8，0.493 4）；②包含二级指标的矩阵B1，最大特征值为=2，最大特征向量ω2(1)=（0.666 7，0.333 3）；③包含二级指标的矩阵B2，最大特征值为λ2(2)max=5.068 1，最大特征向量ω2(2)=（0.418 5，0.262 5，0.159 9，0.097 3，0.061 8）；④包含二级指标的矩阵B3，最大特征值为λ2(3)max=3.053 6，最大特征向量=（0.493 4，0.310 8，0.195 8）。

2.2.3 一致性检验

对矩阵的一致性检验，采用以下计算公式。

式中CI为一致性指标；n为判断矩阵的阶数；RI为平均随机一致性指标；CR为一致性比例。

当CR＜0.1时，可以判断矩阵一致性检验结果为是否可接受，即判断矩阵的一致性检验是否通过；当CR≥1时，认为矩阵不符合要求，需对矩阵进行重新修正。

经一致性检验，矩阵A的一致性比例CR1=0.051 8，矩阵B1的一致性比例CR2(1)=0，矩阵B2的一致性比例CR2(2)=0.015 3，矩阵B3的一致性比例CR2(3)=0.051 8，4个矩阵的CR值均小于0.1，一致性检验结果为可接受，即一致性检验通过。

2.2.4 层次总排序

根据指标特征重要度进行层次总排序，计算矩阵最大特征向量，求得总体指标权重。计算公式及过程、结果为：

式中ω为4个矩阵A、B1、B2、B3的综合最大特征向量，其结果为总体指标权重；ω1为矩阵A的最大特征向量；ω2为包含全部二级指标的3个矩阵的综合最大特征向量；ω2(1)、ω2(2)、ω2(3)分别为矩阵B1、B2、B3的最大特征向量。

各二级评价指标的权重系数计算结果如表3所示，指标权重系数从大到小依次为内部收益率、投资、井下节流器失效、管网压损、运行成本、集气半径、管线积液、运行压力、征地、计量误差。

表3 二级评价指标权重系数计算结果表

2.3 灰色关联分析

灰色关联分析法是一种采用定量方法对不同方案进行描述和比较的评价方法。采用灰色关联分析法，将层次分析法计算得到的各指标权重系数引入灰色关联度计算，确定适用于延气2-延128井区的最优集输工艺。

构建集输工艺方案指标集，即汇总3套集输工艺中安全生产、工艺技术和经济效益的10项指标参数（表4）。各指标参数取自方案设计数据。

表4 延气2-延128井区3套集输工艺方案各指标参数汇总表

2.3.1 选取理想方案（最优参数集）

理想方案分为效益型指标、成本型指标和中间最优指标。本次集输工艺指标中部分采用效益型指标，即指标的值越大越好，如内部收益率；部分采用成本型指标，即指标的值越小越好。在各方案的指标集（表4）中选取最优指标，组成理想方案（表5）。

表5 延气2-延128井区最优指标参数汇总表

2.3.2 数据归一化处理

为了统一指标单位，实现数据序列的可对比性，采用极差归一化方法对各指标参数进行无量纲化处理，得到可对比的数据序列。

对于成本型指标的归一化公式为：

对于效益型指标的归一化公式为：

式中ri（j）为方案j对目标i的相对优属度；P为幂指数，取值为1；xij为方案j的第i项指标，i=1，2，…，m；ximin、ximax为矩阵中每列数据的最小值和最大值。

2.3.3 关联度计算

灰色关联度是描述评价方案中各因素之间相关程度的值，本次研究采用邓氏关联系数计算，灰色关联度系数矩阵计算公式为：

式中ξi（j）为灰色关联系数，表示比较数据列的第j个因素与参考数列相应元素的相对差值；ρ为分辨系数，0＜ρ＜1，一般取ρ=0.5。

计算结果为：

2.4 最优方案确定

引入层次分析法计算出的总指标权重值（ωk），计算各集输工艺方案与理想方案的关联度（Rj），计算公式如下。

式中Rj为比较数据列相对于参考数据列的关联度。

3套集输工艺方案的灰色关联度计算结果及方案按关联度大小的优越程度排序如表6所示。

表6 3套集输工艺方案灰色关联度计算结果表

从表6显而易见，方案2（中压集输工艺）与理想方案的灰色关联度为0.853，明显高于另两套方案[方案1（高压集输工艺）、方案3（中低压集输工艺）与理想方案的灰色关联度分别为0.638、0.505]，那么将方案2（中压集输工艺）确定为最优方案。

根据层次分析法指标权重计算结果，内部收益率和投资是方案优选评价中最重要的两个指标，同时气藏开发建设也是以效益最大化和投资最省作为主要目标。从表4可知，方案2的内部收益率最大、投资最低，并且方案2在管网压损、集气半径、征地面积、运行成本等方面均具有一定的优势，符合气田开发建设基本要求。同时，气田集输系统的安全生产运行也非常重要，要考虑井下节流器失效和管线积液的风险。如表2所示，方案2存在井下节流器打捞失效风险较高、管线积液为中等风险等问题，那么在现场生产运行中，应重点关注井下节流器作业问题，加强管线积液预防措施，以减少集输系统安全隐患。从经济效益、工艺技术及安全生产方面综合考虑，方案2亦为最优方案。

综上所述，将方案2确定为最优方案，即延气2-延128井区地面集输工程推荐采用中压集输工艺。