氣田加密部署及井網(wǎng)優(yōu)化研究進(jìn)展

冷吉輝，廖柯熹，徐明軍，何國璽，劉 鑫，彭 浩

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500）

氣田地面工程優(yōu)化設(shè)計包含加密井部署、管網(wǎng)拓?fù)洳季值?。集輸管網(wǎng)是油氣田開發(fā)生產(chǎn)的重要組成部分[1]。隨著氣田的逐年開采，單井氣量逐漸減少，壓力也會隨之降低，氣田采收率降低，儲量動用程度減小，使地面集輸系統(tǒng)適應(yīng)性逐漸變差，影響地面集輸管線系統(tǒng)的安全性及氣田的綜合開發(fā)效益[2-3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對加密井部署、管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化兩方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，在各自領(lǐng)域獲得了顯著的成果。在此，將加密井部署、管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化兩方面國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理劃分，總結(jié)各自領(lǐng)域的主要研究方向與方法，并指明下一步研究的難點與發(fā)展趨勢。

1 加密井部署

加密井部署是對氣壓不足的井網(wǎng)實施打新井措施進(jìn)行管網(wǎng)調(diào)整，將新老井統(tǒng)一運行，增加氣田產(chǎn)氣量、提高采收率的有效方法。提高采收率是我國低滲氣田穩(wěn)產(chǎn)期間面臨的核心問題，確定合理的加密井方案是提高采收率與儲量動用程度的關(guān)鍵[4]。經(jīng)過多年持續(xù)攻關(guān)，我國形成了甜點區(qū)篩選、儲層改造、井型井網(wǎng)優(yōu)化等一系列關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)氣田規(guī)模效益開發(fā)[5-7]。加密井部署是改善氣田開發(fā)效果的關(guān)鍵[8]，目前國內(nèi)外存在多種加密井部署的開發(fā)方式，且技術(shù)成熟應(yīng)用于規(guī)模各異的氣藏。20世紀(jì)40年代，M.Muskat[9]首次對油氣領(lǐng)域井網(wǎng)的滲流機(jī)理開展研究。20世紀(jì)50年代末，有學(xué)者提出“稀井網(wǎng)大壓差”的實際生產(chǎn)方法，但是沒有成功。20世紀(jì)90年代，齊與峰[10]提出了幾個適應(yīng)合理開發(fā)的井網(wǎng)系統(tǒng)理論，程林松等[11]開始了水平井井網(wǎng)開采的研究。上述學(xué)者逐步引領(lǐng)井網(wǎng)開發(fā)的研究領(lǐng)域，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

1.1 數(shù)值模擬與智能算法結(jié)合

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，智能算法的應(yīng)用已經(jīng)逐步走進(jìn)各個領(lǐng)域，國內(nèi)外部分學(xué)者將不同的模型、智能算法與數(shù)值模擬相結(jié)合，應(yīng)用于加密井方案部署研究中，在油氣田開發(fā)規(guī)劃中起到了巨大的促進(jìn)作用。A.Salmachi等[12]以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，運用遺傳優(yōu)化算法和構(gòu)建流動模擬器綜合框架獲得最佳加密井?dāng)?shù)量和井位，收到較好效果，但方案中水處理的成本占主導(dǎo)因素，其成本高低對區(qū)塊加密井的布置方案影響較大。H.Darabi等[13]采用混合遺傳算法優(yōu)化技術(shù)和基于多重算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輔助函數(shù)，同時運用模糊推理系統(tǒng)解決基于稀缺數(shù)據(jù)構(gòu)建的數(shù)值模型模擬不準(zhǔn)確的問題，使井位優(yōu)化結(jié)果更具有可靠性。W.Al-Mudhafar等[14]建立精確的儲層模型，運用電子表格和自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，找出加密井的最佳數(shù)量和位置。智能算法的應(yīng)用為學(xué)者們研究節(jié)省了大量的工作時間，盡管智能算法計算結(jié)果與手動方法獲得的結(jié)果類似，但結(jié)果的準(zhǔn)確性可以進(jìn)一步優(yōu)化。同時，部分智能算法也存在收斂速度慢、局部搜索能力差、易陷入局部最優(yōu)解的缺點，需要結(jié)合不同的算法對單一算法的性能做一步優(yōu)化改進(jìn)。

1.2 數(shù)值模擬與評價方法結(jié)合

針對氣田評價方面的考慮，應(yīng)用多種評價方法與評價指標(biāo)，結(jié)合建模、數(shù)值模擬的方法，對加密井部署方案進(jìn)行優(yōu)化，取得了一定的成果與經(jīng)濟(jì)效益。周學(xué)民等[15]運用經(jīng)濟(jì)評價方法、定單井產(chǎn)能法、合理采氣速度法、豐度計算法分別進(jìn)行對比分析，運用數(shù)值模擬的方法，確定合理的加密井距。李躍剛等[16]首次提出了井間干擾概念，聯(lián)合砂體解剖、數(shù)值模擬、經(jīng)濟(jì)評價等方法，最終給出了采收率與井網(wǎng)密度之間的定量描述數(shù)學(xué)模型。賈愛林等[4]結(jié)合儲量動用程度評價，構(gòu)建了加密井開發(fā)評價指標(biāo)，結(jié)合地質(zhì)模型、數(shù)值模擬、加密井試驗數(shù)據(jù)驗證來綜合確定氣田的井網(wǎng)密度。文獻(xiàn)[15-16]均基于評價方法考慮井間干擾的影響，確定合理的井網(wǎng)密度，實現(xiàn)氣田較高的采收率。

1.3 數(shù)值模擬和其他方法結(jié)合

應(yīng)用數(shù)值模擬與數(shù)學(xué)分析、地質(zhì)模型、實驗設(shè)計相結(jié)合，對加密井優(yōu)化部署做進(jìn)一步深入分析。運用統(tǒng)計數(shù)據(jù)找到加密井的關(guān)鍵因素之間的線性關(guān)系。唐玉林等[17]研究發(fā)現(xiàn)，部分儲層滲透率與單井排泄半徑存在雙對數(shù)關(guān)系，并且在此基礎(chǔ)上提出井距為相鄰兩井排泄之和的初步井網(wǎng)方案，結(jié)合高滲區(qū)儲量及豐度，進(jìn)行加密井網(wǎng)布置。此研究提出了一種井網(wǎng)合理布置的新思路，對高滲區(qū)氣藏具有一定的借鑒價值，但優(yōu)化因素考慮較少，且在低滲氣藏中適應(yīng)性較低。

由于普通地質(zhì)模型與實際氣田差異大，擬合工作較難，從而建立新的模型進(jìn)行研究。姜艷東等[18]基于氣井試井資料建立阻流帶模型，克服了普通地質(zhì)模型與實際氣田差異大的缺點，使歷史擬合工作變得更加容易，并以此來設(shè)計加密井井位部署方案，提高氣田的采收率。此模型可以比較精確地計算剩余氣分布，給老氣田開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，但并不是所有的井都存在阻流帶，需結(jié)合井間干擾分析結(jié)果，對部分井間連通區(qū)域進(jìn)行修改。還有學(xué)者提出數(shù)值模擬與實驗設(shè)計相結(jié)合的方法。A.O.Arinkoola等[19]基于數(shù)值模擬和UD實驗設(shè)計量化加密井位置的不確定性，結(jié)合壓力和飽和度圖來確定加密井位置及其在儲層中的最佳位置，該方法直觀、簡單，在評估加密時機(jī)和選擇加密井位置中，具有很好的借鑒價值，但該方法也存在一些不確定因素，調(diào)整后才能使結(jié)果更好的匹配。

2 地面管網(wǎng)優(yōu)化

集輸管網(wǎng)是氣田地面工程的重要組成部分，包括老區(qū)加密井網(wǎng)、新井管網(wǎng)等部分。集輸管網(wǎng)優(yōu)化直接影響投資費用、輸送耗能甚至生產(chǎn)安全[20]。國內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)中，整個集輸管網(wǎng)的建設(shè)費用為集輸系統(tǒng)的50%～80%，在投資成本上有很大的節(jié)約空間[21]。因此，管網(wǎng)優(yōu)化一直是油氣田集輸系統(tǒng)中的工程難題。管網(wǎng)優(yōu)化不合理，會導(dǎo)致管理不方便、運行效率低、經(jīng)濟(jì)費用高等問題產(chǎn)生。

20世紀(jì)中葉，有部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始了管網(wǎng)優(yōu)化方面的研究，由于管網(wǎng)連接規(guī)模較大，人工計算的方式不可行，需要結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化。20世紀(jì)60年代初，美國管道公司與國際商業(yè)機(jī)器公司合作，對輸氣管網(wǎng)進(jìn)行模擬與優(yōu)化[22]。隨著計算機(jī)技術(shù)在生活中的迅速發(fā)展，20世紀(jì)70年代初，A.P.Cheeseman[23]運用管網(wǎng)優(yōu)化軟件，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)初步實現(xiàn)了管網(wǎng)布局優(yōu)化，但是并沒有采用更好的方法與模型，只能使部分參數(shù)達(dá)到最優(yōu)值。

2.1 模型優(yōu)化

針對前期管網(wǎng)優(yōu)化程度較低的問題，通過建立優(yōu)化模型的方法，分別對不同的參數(shù)施加約束，進(jìn)行求解。T.F.Edgar等[24]綜合考慮管線參數(shù)、壓縮機(jī)站進(jìn)出站參數(shù)等建立模型，運用廣義降階梯度法求解，提高了管道的設(shè)計質(zhì)量和效率。文獻(xiàn)[25-26]采用動態(tài)規(guī)劃方法實現(xiàn)管網(wǎng)壓力優(yōu)化，雖均已達(dá)到了優(yōu)化的目的，但是動態(tài)規(guī)劃存在運算量隨著變量數(shù)目呈指數(shù)型增長的缺點，耗費時間較多。文獻(xiàn)[27-28]基于確定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，建立優(yōu)化模型，編寫程序結(jié)合計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行求解，以壓力、溫度為約束條件，構(gòu)造目標(biāo)模糊優(yōu)化模型，解決動態(tài)決策問題，均具有很好的應(yīng)用價值。模型構(gòu)建是管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化的難點，上述管網(wǎng)模型優(yōu)化對后續(xù)的研究具有非常重要的促進(jìn)作用，但不足之處是停留在尋求管網(wǎng)優(yōu)化下的局部最優(yōu)解，還未走向全局最優(yōu)解，需建立優(yōu)化程度和適應(yīng)性更高的優(yōu)化模型進(jìn)行計算，這也是研究的難點[29]。

2.2 分級優(yōu)化

在尋求最優(yōu)解的研究進(jìn)程中，諸多學(xué)者運用分級優(yōu)化法處理氣田集輸工程中較為復(fù)雜的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。S.Bhaskaran等[30]將管網(wǎng)布局問題分為系統(tǒng)布局、節(jié)點位置與直徑分派三個子問題，采用線性規(guī)劃方法對直徑分派問題進(jìn)行研究分析，這種方法為分級優(yōu)化方法解決管網(wǎng)優(yōu)化問題提供了思路。王洪元等[31]采用分級優(yōu)化法，提出管網(wǎng)布局和運行參數(shù)的優(yōu)化方案，通過仿真計算得出優(yōu)化結(jié)果。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，分級優(yōu)化的方法在煤層氣集輸工藝中適應(yīng)性很強(qiáng)。蔣洪等[32]進(jìn)行煤層氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化研究時，應(yīng)用分級優(yōu)化方法，在工程實踐中得到了很好的應(yīng)用結(jié)果。王菲菲等[33]運用分級優(yōu)化方法進(jìn)行煤層氣井組劃分時，采用Prim算法和改進(jìn)的遺傳算法分別對管網(wǎng)布局和運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。分級優(yōu)化法將管網(wǎng)優(yōu)化問題分為布局和參數(shù)兩個子問題進(jìn)行求解，尋求各自的最優(yōu)解，工程適應(yīng)性強(qiáng)，但也容易陷入局部的最優(yōu)解。

2.3 算法優(yōu)化

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法、粒子群算法、禁忌搜索算法等的涌現(xiàn)，給管網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)帶來了一場技術(shù)革命。學(xué)者們靈活運用這些算法及混合算法，結(jié)合評價方法和數(shù)學(xué)模型等，給管網(wǎng)優(yōu)化問題提供了獨特的技術(shù)手段，也邁進(jìn)了全局最優(yōu)解的優(yōu)化領(lǐng)域。H.M.Shau等[34]以經(jīng)濟(jì)費用最低為目標(biāo)提出一種適應(yīng)管網(wǎng)優(yōu)化的遺傳算法，為管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化算法提供一種新的思路與看法。魏立新[35]針對分級優(yōu)化方法容易陷入局部最優(yōu)解的不足，采取一種混合遺傳模擬退火算法，對多個目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計函數(shù)進(jìn)行求解，簡化復(fù)雜管網(wǎng)問題。2012年，E.C.Marcoulaki等[36]考慮管網(wǎng)系統(tǒng)的建造、運行、維護(hù)等方面建立混合整數(shù)非線性優(yōu)化模型，運用模擬退火算法，以優(yōu)化管網(wǎng)中的管線參數(shù)。A.Demissie等[37]為不同管網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，采用NSGA-II執(zhí)行模型的優(yōu)化，得出一組帕累托最優(yōu)點，決策者可從中選擇特定的優(yōu)選解。智能算法收斂速度快、尋優(yōu)能力強(qiáng)、適應(yīng)性廣，大大促進(jìn)了管網(wǎng)優(yōu)化的發(fā)展進(jìn)程，但也有部分算法存在穩(wěn)定性不高、易陷入局部最優(yōu)等缺點，使智能算法的改進(jìn)和混合應(yīng)用還有待完善和發(fā)展。

2.4 三維地形管網(wǎng)優(yōu)化

存在障礙、地形起伏的三維環(huán)境下，二維平面管網(wǎng)布局方法已不適用，使管網(wǎng)優(yōu)化不得不向三維優(yōu)化方向發(fā)展，目前國內(nèi)尚處于起步階段。周軍等[38]以氣田管網(wǎng)為基礎(chǔ)，運用最小生成樹算法完成平面枝狀結(jié)構(gòu)布局，采用曲面函數(shù)表征三維地形尋找曲面最優(yōu)路徑。房東[39]通過GIS軟件得到氣田的三維地形數(shù)據(jù)，約束管網(wǎng)壓降、溫降等建立總費用最優(yōu)數(shù)學(xué)模型，運用自適應(yīng)算法對模型進(jìn)行求解。劉釗等[40]針對三維環(huán)境下管道尋優(yōu)問題，分析了遺傳算法中適應(yīng)度函數(shù)形式對求解效果的影響，通過Java語言實現(xiàn)模型求解。相比二維平面管網(wǎng)布局優(yōu)化，三維管網(wǎng)尋優(yōu)需考慮地形起伏的影響，使管網(wǎng)布局增加了空間維度約束和理論難度，是管網(wǎng)布局優(yōu)化的難點問題，國內(nèi)相關(guān)研究成果較少。

3 結(jié)論及展望

（1）將國內(nèi)外研究成果按研究內(nèi)容和方法進(jìn)行了梳理劃分，明確指出了加密井部署、管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化方面的難點和發(fā)展方向。

（2）國內(nèi)外對常規(guī)天然氣加密井部署的研究已形成比較成熟的技術(shù)和方法，但加密井部署方案中還存在算法改進(jìn)和井網(wǎng)密度確定的難點，同時加密井技術(shù)在非常規(guī)頁巖氣田領(lǐng)域中，存在井眼軌跡精度高、水平段長、井間距短、井間干擾等諸多難點，需開展進(jìn)一步研究。

（3）結(jié)合數(shù)值模擬方法，從不同的創(chuàng)新方法角度，對加密井部署提出可行的研究思路和改進(jìn)方案，是開展加密井部署深入研究的難點。

（4）改進(jìn)和開發(fā)能克服穩(wěn)定性差、收斂性差、易陷入局部最優(yōu)解等缺點的智能算法迫在眉睫。同時，三維地形管網(wǎng)布局研究在國內(nèi)處于尚起步階段，如何考慮三維地形起伏與障礙的影響，建立管網(wǎng)優(yōu)化模型尋求路徑最優(yōu)，是目前國內(nèi)研究的難點，也是未來的發(fā)展方向。