一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器及方法技术

本发明专利技术涉及一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器及方法，包括数据管理、管网水力模型建立、优化模型建立、优化求解四个单元，集管网仿真计算、新井接入管网时间优化、扩建管网连接关系优化、增压站布站及增压能力优化等多功能为一体。本发明专利技术提出的一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法，结合目标函数、约束条件构建模块，以气田收益最大建立管网优化目标函数；通过线性插值及优化模型边界条件处理方法，进行模型简化，可实现MINLP问题向LP、NLP、MILP三类优化问题的转变；采用CPLEX、GUROBI、SCIP等多种优化求解器依次对LP、NLP、MILP及MINLP问题进行寻优计算，制定出页岩气集输管网滚动开发最优方案。

An optimized solver and method for rolling development plan of shale gas surface gathering and transportation pipeline network

【技术实现步骤摘要】
一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器及方法
本专利技术涉及一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器及方法，属于油气集输管网系统优化设计

技术介绍
页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，其主要成分为甲烷。根据美国Mancini等结论以及我国实际情况，页岩气开发具有生产初期压降快、稳产产量低、在低压阶段生产时间长的特点。结合我国页岩气生产规律，将页岩气生产分为排液生产期和正常生产期。排液生产期：页岩气井在水力压裂、排液试气结束后，气井进行初期生产的阶段。在该生产期内，气井产量高、压力高，采出气中压裂返排液量较大，产量和压力下降较快，生产过程还将带有一定压裂返排液，生产时间较短，在半年至1年。正常生产期：在排液生产期结束后，气井进入生产较为稳定的生产阶段。在该生产阶段，气井产气量、压力有明显下降但下降缓慢，采出气基本不含压裂返排液，生产时间长，能持续十几年。在页岩气集输方面我国多采用放射－枝状组合式集气工艺，页岩气井通过采气管线输至多井井场，经过预处理后，距离集气站较远井组通过集气支线与集气干线相连接，输至集气站进行最终处理，距离集气站较近的井组则直接进入集气站。在集输管网的布局方面一般按生产井组投产时间不同进行集输管网的连接，将同一时间投产或投产时间相近的井组安排至同一集气干线，以达到利用后期投产井的地层压力能，减少增压设施的投资和能耗，同时在生产中后期集输管网可以实现高低压集气运行，方便后期增压工程分期实施。由于页岩气具有显著区别于常规天然气的地质、开发及井口物性特征，其地面工程在规划设计时也具有区别于常规气田的特殊性与难点，主要表现为：(1)集输规模不确定性强页岩气田普遍具有初期产量高、后期衰减快速和前后期产量变化较大等显著特点。美国多个页岩气田数据表示，页岩气单井约80％的产量可在10年内开采完，剩余总产量小但产能稳定，这不同于常规天然气田产量总体比较稳定且衰减缓慢的特点。因此，地面集输系统的设计规模不易确定是设计难点所在。针对页岩气田采用的滚动开发模式，后期新增产能很难准确评估，増加了地面集输设计规模的确定难度。(2)页岩气低压单井倒灌现象页岩气集输管网中，页岩气在开采初期压力高，之后压力很快衰减下来。由于单井初期压力不同或单井到集气站的压力降不同，致使集气阀组处气体倒流进入个别低压单井。在页岩气田开发一段时间之后，由于页岩气井压力衰减快，需要不断开发新井来维持管输流量，而连入管网的新井压力高，低压气井产生倒灌或被迫停产。(3)考虑未来接入的新井对集输管网的影响在气田后期，随着新井的加入，前期建设的气井产量将受到严重的影响，具体表现为：页岩气产量增加，集输系统管线压力也随之增加，由于气井产量与回压相互影响，当井口回压上升后，现有气井产量将急剧降低，严重的甚至出现停产现象，大大消减了页岩气井的产气量，难以达到集输系统理想的增产效果。(4)气田后期增压开采问题页岩气开采初期井口压力很高，但压力在短时间内迅速衰减，此后大部分时间处于低压生产状态，此时既要考虑如何充分利用页岩气新井较高的初期压力，又要应对老井长期低压生产的问题，导致地面集输管网设计压力确定困难，同时页岩气田在生产初期便需要考虑增压开采。因此，设计一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器及方法，制定出页岩气田滚动开发过程中集输管网的优化方案，确定集输管网的沿线压力分布、增压站布站及增压能力、新井接入管网的时间等，在考虑为未来接入的新井预留空间的同时可避免资源的浪费，提高页岩气田的生产运行经济效益。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器及方法，从确保管线安全运行的高度出发，综合分析页岩气田地面工程规划设计与运行中亟需解决的技术问题，结合页岩气的生产特殊性、管网水力计算理论及油气储运系统优化设计思想，进行页岩气集输管网滚动开发方案优化求解器设计，提出相应的优化求解方法，以确保页岩气田经济、高效运行。本专利技术主要解决以下问题：(1)设计数据管理单元，通过数据采集模块、执行器模块、网络传输模块及数据监控处理模块，实现页岩气集输系统压力、温度、气液流量、阀门启闭状态计开启程度监测与控制。(2)设计管网水力模型建立单元，在气体性质模拟计算模块进行管输流体的基础物性参数预测，结合数据管理单元，可通过3种不同方式进行页岩气集输管网水力计算。(3)以气田收益最高为目标，建立一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化模型，可进行集输管网最优设计方案制定，确定集输管网沿线压力最优分布、新井接入管网的最优时间，增压站布站及增压能力等。(4)设计优化求解单元，采用模型简化处理方法将混合整数非线性规划问题转变为LP、NLP、MILP问题，依次通过LP、NLP、MILP、MINLP寻优计算，实现混合整数非线性规划问题求解。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下。一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法，采用页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器对页岩气地面集输管网滚动开发方案进行优化；所述页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器包括数据管理单元、管网水力模型建立单元、优化模型建立单元、优化求解单元；所述页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法具体包括以下步骤；S1、将页岩气田开发方案、气体组分及基础物性参数导入数据管理单元；S2、结合气体组分、气液生产数据及管网节点压力、流量，在管网水力模型建立单元通过管道、节点连接建立管网拓扑结构图，结合地形参数、边界条件设定，完成页岩气地面集输管网水力计算模型建立；S3、在优化模型建立单元构建页岩气地面集输管网滚动开发方案优化模型；S31、目标函数建立：根据不同生产时期页岩气田配产方案确定待优化参数，考虑页岩气销售收益、压缩机运行费用及新井接入集输系统的投资费用，建立气田收益最大的优化目标函数；式中，t——页岩气田生产年限内的某一生产阶段；dr——年折扣率；w、p、n、i——分别表示页岩气井丛平台、集气站、增压站、气田外输节点；Qi——外输节点i的输气量；Ct——t时间段内天然气的销售价格；yw，p、yp，n——分别代表井丛平台与集气站的连接状态、集气站的增压状态；Cw,p(l，d)——管道长度与直径构成的费用关系式，代表新建管道投资费用；Wp,n——增压站n的压缩机所需功率；——与功率相关的压缩机天然气消耗系数；S32、约束条件建立：包括质量守恒约束、水力条件约束、集气站点处理量约束、管道强度条件约束、新井与管网连接状态、一段时间内可接入管网的新井数量约束及压缩机的压力约束、功率条件约束；S4、结合页岩气地面集输管网水力计算模型稳态模拟计算，进行优化计算模型预处理；S41、在水力约束条件下，以节点压力范围作为X轴、节点流量范围作为Y轴，采用网格划分方法获得100～10000个压力值与流量值的组合，通过页岩气地面集输管网水力计算模型完成不同压力、流量组合下的模拟计算，计算结果储存在数据管理单元；S42、依据模型简化处理方法，将步骤S31～S32建立的混合整数非线性规划问题转变为线性规划、非线性规划及混合整数线性规划三类优化问题；S5、采用多种优化求解器进行页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解计算，包括以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法，其特征在于：采用页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器对页岩气地面集输管网滚动开发方案进行优化；所述页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器包括数据管理单元、管网水力模型建立单元、优化模型建立单元、优化求解单元；所述页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法具体包括以下步骤；S1、将页岩气田开发方案、气体组分及基础物性参数导入数据管理单元；S2、结合气体组分、气液生产数据及管网节点压力、流量，在管网水力模型建立单元通过管道、节点连接建立管网拓扑结构图，结合地形参数、边界条件设定，完成页岩气地面集输管网水力计算模型建立；S3、在优化模型建立单元构建页岩气地面集输管网滚动开发方案优化模型；S31、目标函数建立：根据不同生产时期页岩气田配产方案确定待优化参数，考虑页岩气销售收益、压缩机运行费用及新井接入集输系统的投资费用，建立气田收益最大的优化目标函数；

【技术特征摘要】
1.一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法，其特征在于：采用页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器对页岩气地面集输管网滚动开发方案进行优化；所述页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器包括数据管理单元、管网水力模型建立单元、优化模型建立单元、优化求解单元；所述页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法具体包括以下步骤；S1、将页岩气田开发方案、气体组分及基础物性参数导入数据管理单元；S2、结合气体组分、气液生产数据及管网节点压力、流量，在管网水力模型建立单元通过管道、节点连接建立管网拓扑结构图，结合地形参数、边界条件设定，完成页岩气地面集输管网水力计算模型建立；S3、在优化模型建立单元构建页岩气地面集输管网滚动开发方案优化模型；S31、目标函数建立：根据不同生产时期页岩气田配产方案确定待优化参数，考虑页岩气销售收益、压缩机运行费用及新井接入集输系统的投资费用，建立气田收益最大的优化目标函数；式中，t——页岩气田生产年限内的某一生产阶段；dr——年折扣率；w、p、n、i——分别表示页岩气井丛平台、集气站、增压站、气田外输节点；Qi——外输节点i的输气量；Ct——t时间段内天然气的销售价格；yw，p、yp，n——分别代表井丛平台与集气站的连接状态、集气站的增压状态；Cw,p(l，d)——管道长度与直径构成的费用关系式，代表新建管道投资费用；Wp,n——增压站n的压缩机所需功率；——与功率相关的压缩机天然气消耗系数；S32、约束条件建立：包括质量守恒约束、水力条件约束、集气站点处理量约束、管道强度条件约束、新井与管网连接状态、一段时间内可接入管网的新井数量约束及压缩机的压力约束、功率条件约束；S4、结合页岩气地面集输管网水力计算模型稳态模拟计算，进行优化计算模型预处理；S41、在水力约束条件下，以节点压力范围作为X轴、节点流量范围作为Y轴，采用网格划分方法获得100～10000个压力值与流量值的组合，通过页岩气地面集输管网水力计算模型完成不同压力、流量组合下的模拟计算，计算结果储存在数据管理单元；S42、依据模型简化处理方法，将步骤S31～S32建立的混合整数非线性规划问题转变为线性规划、非线性规划及混合整数线性规划三类优化问题；S5、采用多种优化求解器进行页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解计算，包括以下步骤；S51、依次采用CPLEX、GUROBI优化求解器进行线性规划寻优计算；S52、GUROBI优化求解器计算的最优值作为非线性规划问题的初值，依次采用CONOPT、IPOPTH、KNITRO、MINOS优化求解器进行非线性规划寻优计算，不同工况下的管网水力计算结果储存在数据管理单元；S53、MINOS优化求解器计算的最优值作为混合整数线性规划问题的初值，依次采用CPLEX、GUROBI、MOSEK、XPRESS优化求解器进行混合整数线性规划寻优计算；S54、XPRESS优化求解器计算的最优值作为混合整数非线性规划问题的初值，依次采用ALPHAECP、DICOPT、BARON、SCIP优化求解器进行混合整数非线性规划寻优计算，管网水力计算结果储存在数据管理单元，最优值作为页岩气地面集输管网滚动开发最优方案。2.根据权利要求1所述的页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法，其特征在于：所述数据管理单元包括数据采集模块、执行器模块、网络传输模块、数据监控处理模块及数据储存模块；所述数据采集模块由多个传感器节点组组成，包括温度传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘武，郭琴，孟良，任魁杰，鲁玉婷，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51