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与流程

本发明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领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明主要解决以下问题：

(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，本发明的技术方案如下。

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。

进一步的，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、压力传感器、气体流量传感器、液体流量传感器、阀门开度传感器，实时监测管网的各种工况，将监测数据通过执行器模块和网络传输模块传送给数据监控处理模块，并储存在数据储存模块。

进一步的，所述数据储存模块中储存的数据具体包括；

a1、数据采集模块获得的集输管网中的节点压力、温度、气液流量、气液比、阀门开度；

a2、工作人员导入系统的气质组分、密度、体积发热量、气田开发方案的开发年限、稳产期、产量及压力递减变化数据；

a3、系统依据气体组分计算获得的相关物性参数，包括气体压缩因子、焓、沃泊指数、比热容、临界压力、临界温度、天然气水露点；

a4、权力要求1的步骤s41模拟计算结果；

a5、权力要求1的步骤s52与步骤s54中不同工况下的管网水力计算结果。

进一步的，所述管网水力计算模型建立单元包括气质组成管理模块、气体性质模拟计算模块、管网拓扑结构构建模块、管道水力计算模型、地形变化模型建立模块、边界条件定义模块；

所述气质组成管理模块用于计算流体组分定义，所述气体性质模拟计算模块用于气体基本物性参数预测，所述管网拓扑结构构建模块用于建立复杂管网连接关系，结合所述管道水力计算模型、地形变化模型建立模块、边界条件定义模块完成管网水力计算模型建立。

进一步的，步骤s31中所述的待优化参数具体包括；

b1、新的井丛平台接入集输系统时间；

b2、新的井丛平台接入管网的位置与管道长度；

b3、新建集气站、增压站位置；

b4、“井丛平台到集气站”、“集气站到增压站”、“集气站到中心处理厂”、“增压站到中心处理厂”的新建管道壁厚；

b5、增压站的压缩机安装数量及所需的增压能力。

进一步的，所述优化模型建立单元包括目标函数构建模块、约束条件构建模块；

所述目标函数构建模块用于确定优化问题中待优化参数，包括单项优化目标函数构建子模块、多项优化目标函数构建子模块，所述约束条件构建模块包括水力条件约束子模块、管道强度条件约束子模块、站点处理量约束子模块、增压条件约束子模块及其他约束条件自定义子模块。

进一步的，步骤s42所述的模型简化处理方法包括三类简化方法；

c1、以数据储存单元的管网节点压力、流量作为依托，采用线性插值法代替管道水力计算模型模拟计算方法，优化计算模型简化为混合整数线性规划问题；

c2、以优化模型的边界条件进行模型简化处理，考虑在新井或新的井丛平台接入生产系统前进行优化模型寻优计算，将优化计算模型简化为非线性规划问题；

c3、结合a、b两种方法进行模型的简化处理，将优化计算模型简化为非线性规划问题。

进一步的，步骤s51～s54所述寻优计算包括管网水力计算，所述管网水力计算采用两种不同方法计算；

d1、以数据储存单元的管网节点压力、流量作为依托，采用线性插值法计算；

d2、将方法d1计算值作为计算初值，在管网水力模型建立单元通过管道水力计算模型进行多次迭代计算，直至收敛；

其中，步骤s51与步骤s53采用d1方法进行管网水力计算，步骤s52与步骤s54采用d1或d2方法进行管网水力计算。

该发明的有益效果在于：

(1)本发明提出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，集管网仿真计算、沿线压力分布优化、增压站布站及增压能力优化、新井接入管网的时间优化等多功能为一体。

(2)设计数据储存模块，可完成集输管网监测及检测数据、优化系统中流体物性参数预测数据及优化迭代过程中管网仿真计算数据的储存与调用，结合线性插值法，可实现管网参数简化计算。

(3)设计优化模型建立单元，通过目标函数构建模块可建立用于解决不同优化问题的单目标优化函数或多目标优化函数，在约束条件构建模块可建立水力条件约束、管道强度条件约束、站点处理量约束、增压条件约束及其他自定义约束条件。

(4)提出一种页岩气地面集输管网滚动开发方案优化方法，优化模型简化处理后，采用cplex、gurobi、scip等多种优化求解器进行寻优迭代计算，制定出页岩气地面集输管网滚动开发方案。

附图说明

图1是本发明实施例中页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器的示意图。

图2是本发明实施例中页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解的流程示意图。

图3是本发明实施例中管数据管理单元的结构示意图。

图4是本发明实施例中网水力计算模型建立单元的结构示意图。

图5是本发明实施例中优化模型建立单元的结构示意图。

图6是本发明实施例中优化求解单元的结构示意图。

图7是本发明实施例中模型简化处理模块的原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本实施例中，图1是本发明实施例中页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解器的流程示意图，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。

所述管网水力模型建立单元根据数据管理单元提供的管道生产运行参数、气质组分及相关物性参数等建立管网水力模型，所述优化模型建立单元根据数据管理单元的气井产量、管道压力、流量及管网水力模型建立单元建立的管网水力模型完成优化模型建立，所述优化求解单元根据数据管理单元储存的与管网流量、压力、温度相关数据进行优化模型简化处理、寻优计算。

图2是本发明实施例中页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解的流程示意图，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。

所述步骤s31中所述的待优化参数具体包括；

b1、新的井丛平台接入集输系统时间；

b2、新的井丛平台接入管网的位置与管道长度；

b3、新建集气站、增压站位置；

b4、“井丛平台到集气站”、“集气站到增压站”、“集气站到中心处理厂”、“增压站到中心处理厂”的新建管道壁厚；

b5、增压站的压缩机安装数量及所需的增压能力。

所述步骤s51～s54所述寻优计算包括管网水力计算，所述管网水力计算采用两种不同方法进行计算；

d1、以数据储存单元的管网节点压力、流量作为依托，采用线性插值法计算；

d2、将方法d1计算值作为计算初值，在管网水力模型建立单元通过管道水力计算模型进行多次迭代计算，直至收敛；

其中，步骤s51与步骤s53采用d1方法进行管网水力计算，步骤s52与步骤s54采用d1或d2方法进行管网水力计算。

图3是本发明实施例中管数据管理单元的结构示意图，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、压力传感器、气体流量传感器、液体流量传感器、阀门开度传感器，实时监测管网的各种工况，将监测数据通过执行器模块和网络传输模块传送给数据监控处理模块，并储存在数据储存模块。

所述的数据储存模块中储存的数据包括；

a1、数据采集模块获得的集输管网中的节点压力、温度、气液流量、气液比、阀门开度；

a2、工作人员导入系统的气质组分、密度、体积发热量、气田开发方案的开发年限、稳产期、产量及压力递减变化数据；

a3、系统依据气体组分计算获得的相关物性参数，包括气体压缩因子、焓、沃泊指数、比热容、临界压力、临界温度、天然气水露点；

a4、页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法中步骤s41的模拟计算结果；

a5、页岩气地面集输管网滚动开发方案优化求解方法中步骤s52与步骤s54在不同工况下的管网水力计算结果。

图4是本发明实施例中网水力计算模型建立单元的结构示意图，管网水力计算模型建立单元包括气质组成管理模块、气体性质模拟计算模块、管网拓扑结构构建模块、管道水力计算模型、地形变化模型建立模块、边界条件定义模块。

所述气质组成管理模块用于计算流体组分定义，所述气体性质模拟计算模块用于气体基本物性参数预测，包括气体压缩因子、焓、沃泊指数、比热容、临界压力、临界温度、天然气水露点等多种物性参数，所述管网拓扑结构构建模块用于建立复杂管网连接关系，结合所述管道水力计算模型、地形变化模型建立模块、边界条件定义模块完成管网水力计算模型建立。

图5是本发明实施例中优化模型建立单元的结构示意图，优化模型建立单元包括目标函数构建模块、约束条件构建模块，所述目标函数构建模块用于确定优化问题中待优化参数，包括单项优化目标函数构建子模块、多项优化目标函数构建子模块，所述约束条件构建模块包括水力条件约束子模块、管道强度条件约束子模块、站点处理量约束子模块、增压条件约束子模块及其他约束条件自定义子模块。

图6是本发明实施例中优化求解单元的结构示意图，优化求解单元包括模型简化处理模块、寻优计算模块，所述的寻优计算模块包括管网水力计算子模块与优化求解子模块，所述管网水力计算子模块包括数据线性插值计算、水力计算数学模型迭代求解两个功能模块，所述优化求解子模块设有cplex、gurobi、conopt、ipopth、knitro、minos、alphaecp、dicopt、baron、scip十种优化模型求解器，所述模型简化处理模块包括数据线性插值模型简化子模块、边界条件模型简化子模块、复合式模型简化子模块。

基于优化模型建立单元构建的优化数学模型，根据管网水力计算模型建立的管网水力计算模型及数据储存模块中储存数据，调用模型简化处理模块简化优化模型、管网水力计算子模块选择水力计算方法、优化求解子模块进行不同优化求解器的迭代寻优计算。

图7是本发明实施例中模型简化处理模块的原理流程图，模型简化处理模块包括数据线性插值模型简化、边界条件模型简化、复合式模型简化三个子模块，由于页岩气集输管网滚动开发方案优化模型是一个混合整数非线性规划问题，步骤s42所述的模型简化处理方法包括三类简化方法。

c1、以数据储存单元的管网节点压力、流量作为依托，采用线性插值法代替管道水力计算模型模拟计算方法，优化计算模型简化为混合整数线性规划问题；

c2、以优化模型的边界条件进行模型简化处理，考虑在新的井丛平台接入生产系统前进行优化模型寻优计算，新接入系统的井丛平台数量为0，将优化计算模型简化为非线性规划问题；

c3、结合a、b两种方法进行模型的简化处理，将优化计算模型简化为非线性规划问题。

以图7为例，假设已知当前工况下的运行数据x中管道终点压力、温度、节点流量、地温，求起点压力，所述的线性插值法代替管道水力计算模型模拟的计算方法包括以下步骤：

f1、在线性插值计算功能模块中输入终点压力、温度、流量、地温四个参数，在满足温度变化范围不超过3℃条件下，生成与相应的数据储存网格，网格横纵坐标分别为终点压力、流量；

f2、通过搜索功能，可得到最接近运行数据x的网格数据a、b、c、d，采用线性插值法，结合网格数据a、b的管道起点压力与流量，计算得到网格线数据e中的起点压力，结合网格数据c、d的管道起点压力与流量，计算得到网格线数据f中的起点压力；

f3、同样采用线性插值法，结合网格数据e、f的管道起点压力与流量，计算得到网格线数据x中的起点压力。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。