多氣合采地面集輸面臨的關(guān)鍵問(wèn)題及研究建議

洪炳沅，李曉平，李愚，周軍，周艷紅，韋寶成，宮敬*

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102200 2 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500

0 前言

世界油氣勘探的發(fā)展趨勢(shì)正在由常規(guī)轉(zhuǎn)向非常規(guī)，中國(guó)的非常規(guī)油氣資源發(fā)展?jié)摿Υ笥诔Ｒ?guī)油氣資源，煤層氣、頁(yè)巖油氣、致密油氣、油頁(yè)巖、油砂和天然氣水合物等都具備較大的資源潛力[1]。目前美國(guó)在煤層氣/頁(yè)巖氣/致密氣開(kāi)發(fā)方面均處于世界領(lǐng)先地位，掌握了成熟的地面開(kāi)發(fā)技術(shù)[2-5]；煤層氣實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開(kāi)發(fā)，形成了圣胡安、黑勇士等典型煤層氣田；近年來(lái)取得技術(shù)突破進(jìn)行了頁(yè)巖氣革命[6-7]。我國(guó)非常規(guī)天然氣的開(kāi)發(fā)起步較晚，2005年以來(lái)實(shí)現(xiàn)了蘇里格氣田經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)，推動(dòng)了鄂爾多斯盆地致密氣勘探開(kāi)發(fā)；2007年以來(lái)在四川盆地及其周邊地區(qū)陸續(xù)建立了威-201等多口頁(yè)巖氣井；十二五期間開(kāi)展的山西沁水盆地、鄂爾多斯東緣地區(qū)等國(guó)內(nèi)典型煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目獲得了技術(shù)突破，初步建立了適宜于煤層氣多井和低壓特點(diǎn)的地面集輸技術(shù)體系[8-9]。十三五期間我國(guó)設(shè)置了科技重大專項(xiàng)，對(duì)煤層氣及其周邊的頁(yè)巖氣、致密氣等3種氣體的組合開(kāi)采(以下稱“多氣合采”)進(jìn)行工程示范，但目前尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模性合采，仍處于探索階段?；诖耍疚南到y(tǒng)分析了多氣合采多壓力體系特性條件下地面集輸所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題及技術(shù)，可為多氣合采的技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新提供借鑒。

1 多氣合采

1.1 多氣資源非常規(guī)特性

煤層氣、頁(yè)巖氣和致密氣藏的非常規(guī)特性直接影響其地面集輸工藝，將其與常規(guī)氣藏進(jìn)行對(duì)比分析能夠?yàn)榈孛婕斕峁┲匾梃b，因此主要從儲(chǔ)層條件和開(kāi)發(fā)條件兩方面進(jìn)行對(duì)比。

從表1可看出，非常規(guī)特性決定了滾動(dòng)開(kāi)發(fā)模式，直接導(dǎo)致了地面集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性和相關(guān)難點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

(1)常規(guī)氣田產(chǎn)量整體比較穩(wěn)定，結(jié)合勘探資源確定開(kāi)采周期，地面集輸規(guī)模容易確定；非常規(guī)氣田初期產(chǎn)量低/高、后期逐漸變化，地面集輸設(shè)計(jì)規(guī)模不易確定[12-13]。

(2)常規(guī)氣田在氣田開(kāi)發(fā)方案和井網(wǎng)布置的基礎(chǔ)上，對(duì)地面集輸管網(wǎng)和站場(chǎng)進(jìn)行綜合規(guī)劃并分步實(shí)施；非常規(guī)氣田開(kāi)發(fā)周期內(nèi)產(chǎn)能變化很大，地面集輸系統(tǒng)需要不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整適應(yīng)產(chǎn)能變化，導(dǎo)致管網(wǎng)與站場(chǎng)布置不易確定[14-15]。

(3)常規(guī)氣田氣井壓力、產(chǎn)量等參數(shù)的變化規(guī)律性相對(duì)較強(qiáng)，且不同氣井井口流動(dòng)壓力差別不大，地面集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力可根據(jù)氣田壓力能和商品氣外輸首站的壓力要求綜合平衡確定，到氣田開(kāi)發(fā)后期才會(huì)考慮增壓集輸；致密氣、頁(yè)巖氣井開(kāi)采初期井口壓力很高，但短時(shí)間內(nèi)迅速衰減，此后大部分時(shí)間處于低壓狀態(tài)，開(kāi)發(fā)后期會(huì)陸續(xù)接入井口壓力高的新井；煤層氣井投產(chǎn)后需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的排水過(guò)程，煤層氣開(kāi)始逐漸解析，產(chǎn)氣量和壓力逐漸升高。因此在地面集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮充分利用致密氣和頁(yè)巖氣高壓井較高的產(chǎn)氣壓力，還需使煤層氣井和低壓井能夠持續(xù)低壓生產(chǎn)，導(dǎo)致地面集輸管網(wǎng)壓力系統(tǒng)復(fù)雜，有時(shí)在生產(chǎn)初期便要考慮部分井的增壓集輸[16-17]。

1.2 多氣地質(zhì)條件及合采方式

我國(guó)近年來(lái)非常規(guī)油氣資源勘探發(fā)現(xiàn)，我國(guó)含煤巖系橫向上連續(xù)展布，縱向上儲(chǔ)層多層疊置、連續(xù)成藏[18]，不僅在煤層中蘊(yùn)藏有大量煤層氣資源，而且在煤層圍巖中也賦存有大量共生的頁(yè)巖氣、致密氣。針對(duì)目前發(fā)現(xiàn)的多氣共存氣藏，若采用單獨(dú)開(kāi)采方式，可能存在資源量小、產(chǎn)量低、開(kāi)發(fā)成本高、綜合效益差等問(wèn)題。借鑒常規(guī)油氣合層開(kāi)采模式，近年在鄂爾多斯盆地東緣的臨興地區(qū)開(kāi)展了煤層氣、致密砂巖氣共探合采試驗(yàn)，初步顯示多氣合采具有良好前景[19-20]。

目前，較為可行的多氣合采方案有同井同時(shí)合采、同井同時(shí)分壓合采、同井產(chǎn)層接替合采等：(1)同井同時(shí)合采：如果煤儲(chǔ)層與其他儲(chǔ)層直接接觸、多產(chǎn)層互層疊置，可以通過(guò)儲(chǔ)層有效溝通改造，實(shí)現(xiàn)多氣同井同時(shí)合采。(2)同井同時(shí)分壓合采：如果儲(chǔ)層滿足產(chǎn)氣(液)量要求、壓力體系滿足特定條件，則可通過(guò)構(gòu)造不同壓力體系，實(shí)現(xiàn)同井多產(chǎn)層多壓力體系同時(shí)開(kāi)采。(3)同井產(chǎn)層接替合采：先對(duì)某種最具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的儲(chǔ)層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，待該儲(chǔ)層產(chǎn)能下降或逐步枯竭，再調(diào)整開(kāi)發(fā)儲(chǔ)層進(jìn)行多層同時(shí)合采或接替合采，實(shí)現(xiàn)同井筒內(nèi)多種氣藏立體開(kāi)發(fā)。

表1 常規(guī)天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣和致密氣藏開(kāi)發(fā)特性對(duì)比[10-11]Table 1 Development characteristics comparison of conventional natural gas, coalbed methane, shale gas and tight gas reservoir

選擇高效經(jīng)濟(jì)的開(kāi)發(fā)模式，需要綜合考慮地質(zhì)、鉆井壓裂、采氣工藝和地面集輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)。同井同時(shí)合采對(duì)儲(chǔ)層要求較為嚴(yán)格；同井同時(shí)分壓開(kāi)采需要較為復(fù)雜的管柱結(jié)構(gòu)；同井產(chǎn)層接替開(kāi)采的關(guān)鍵在于選擇接替的時(shí)機(jī)和接替方式。由于煤層氣、頁(yè)巖氣和致密氣的賦存狀態(tài)、成藏特征、儲(chǔ)層敏感性、生產(chǎn)方式和關(guān)鍵技術(shù)存在較大差異，目前多氣合采技術(shù)仍處于起步探索階段，技術(shù)體系尚未建立，產(chǎn)層劃分、層間滲透機(jī)理、儲(chǔ)層改造等難題尚未攻克[21]，地面集輸也存在一系列有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 多氣合采地面集輸關(guān)鍵問(wèn)題

除了具有單種非常規(guī)天然氣田開(kāi)采難點(diǎn)外，多氣合采存在多種組合，如煤層氣&頁(yè)巖氣、煤層氣&致密氣、致密氣&頁(yè)巖氣等等，不同組合都會(huì)帶來(lái)不同問(wèn)題，但存在共同的問(wèn)題，即多氣合采不同壓力體系產(chǎn)出氣的匹配，因而本文未針對(duì)具體的組合，主要針對(duì)其具有共性的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析。由于這3種非常規(guī)天然氣的成藏和開(kāi)采方式不同、地層壓力存在差異，在不同時(shí)期，其生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)井口壓力可能相差很大。同一套地面集輸管網(wǎng)及設(shè)備要適應(yīng)、匹配不同壓力流量體系下的集輸要求，這就需要探究不同壓力體系氣體集輸?shù)南嗷ビ绊懗潭燃斑m應(yīng)性。如何協(xié)調(diào)各產(chǎn)出氣壓力變化，使地面集輸管網(wǎng)和集輸設(shè)備能夠充分利用，形成一體化集輸技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)多氣高效合采的關(guān)鍵。

2.1 產(chǎn)層、井間、井與管網(wǎng)之間匹配問(wèn)題

同井內(nèi)不同壓力體系的產(chǎn)層會(huì)相互影響，需要防止高壓產(chǎn)層抑制低壓產(chǎn)層；不同壓力體系的井之間也存在相互影響，需要防止低壓井因產(chǎn)生“倒灌”而抑制生產(chǎn)；不同時(shí)期，生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)井口壓力可能相差很大，而各井產(chǎn)氣最終要進(jìn)入統(tǒng)一的集輸管網(wǎng)。因此，多氣合采地面集輸工藝與氣藏特點(diǎn)緊密相關(guān)，尤其需要與采氣工藝進(jìn)行緊密結(jié)合，制定合理的工藝流程，保證多種不同壓力體系的井協(xié)調(diào)地進(jìn)入統(tǒng)一的管網(wǎng)，不僅最大限度地發(fā)揮每口井產(chǎn)能，而且協(xié)調(diào)地進(jìn)行后期處理，最終實(shí)現(xiàn)有效外輸，這樣才能最大限度地實(shí)現(xiàn)整體開(kāi)發(fā)效益最大化。解決產(chǎn)層、井間、井與管網(wǎng)之間匹配問(wèn)題，就是確定適合多氣合采的工藝流程，實(shí)現(xiàn)不同合采方式下的有效集輸。

2.2 高低壓流體能量利用問(wèn)題

不同產(chǎn)層產(chǎn)出氣壓力差異大(0.2～15 MPa)；煤層氣產(chǎn)層壓力較低，需要增壓外輸；頁(yè)巖氣、致密氣產(chǎn)層壓力較高，需要節(jié)流外輸，但壓力隨生產(chǎn)時(shí)間衰減較快。多壓力體系條件下常采用高低壓分輸或者統(tǒng)一到同一壓力等級(jí)，前者地面建設(shè)費(fèi)用巨大，后者需要對(duì)高壓氣節(jié)流或者對(duì)低壓氣增壓，造成能量浪費(fèi)或投資增大。近年來(lái)快速發(fā)展的引射技術(shù)提供了能量利用的新方式，即通過(guò)高低壓氣體間的壓力能傳遞對(duì)低壓氣體進(jìn)行增壓[22-24]。高壓氣體從噴嘴高速流出，在接受室形成射流產(chǎn)生卷吸流動(dòng)，繼而出現(xiàn)一個(gè)負(fù)壓區(qū)將低壓氣體吸入，兩者在混合室內(nèi)混合并進(jìn)行動(dòng)量交換，使得低壓氣體動(dòng)能增加，最后通過(guò)擴(kuò)散管將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能。整個(gè)過(guò)程無(wú)須外力驅(qū)動(dòng)，適用于高低壓氣體并存的情況，若與壓縮機(jī)聯(lián)立使用，可降低壓縮機(jī)功耗、延長(zhǎng)低壓氣井開(kāi)采周期、提高開(kāi)發(fā)工藝的整體效率[25-27]。如圖1-a所示，通過(guò)閥組直接相連會(huì)造成井1“倒灌”抑制生產(chǎn)，對(duì)井2節(jié)流會(huì)造成能量浪費(fèi)，對(duì)井1增壓會(huì)增大建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用。圖1-b采用引射裝置，井1井2皆可正常生產(chǎn)，且提高了能量利用率。如何利用頁(yè)巖氣、致密氣的高壓，解決煤層氣低壓外輸，合理利用高壓氣井的壓力能延長(zhǎng)低壓氣井開(kāi)采周期，從而提高非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)工藝的整體效率，是研究的一個(gè)重要內(nèi)容。高低壓流體能量利用問(wèn)題，就是研究引射裝置在集輸系統(tǒng)中的適應(yīng)性問(wèn)題，研究引射裝置的設(shè)備參數(shù)和位置參數(shù)，研究包含引射裝置的集輸系統(tǒng)模擬及優(yōu)化問(wèn)題。

2.3 集輸系統(tǒng)工藝參數(shù)智能匹配問(wèn)題

多氣合采時(shí)氣田壓力分布和區(qū)域產(chǎn)量隨時(shí)間的變化，與采氣工藝、氣田接替生產(chǎn)及地層接替生產(chǎn)關(guān)系巨大，不同的井型和生產(chǎn)工藝給地面集輸系統(tǒng)提出了不同的要求，頁(yè)巖氣、致密氣的壓力衰減及穩(wěn)定時(shí)間也不盡相同。地面集輸系統(tǒng)需不斷進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)產(chǎn)能和系統(tǒng)工藝參數(shù)(壓力、溫度及產(chǎn)量)變化的要求。同時(shí)，為了安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，需要對(duì)全生命周期內(nèi)的地面工藝系統(tǒng)進(jìn)行不斷的優(yōu)化和調(diào)整，尤其是集輸管網(wǎng)、集輸設(shè)備及采氣工藝之間的匹配。因此，需要研究采氣工藝對(duì)集輸系統(tǒng)的影響規(guī)律，確定管網(wǎng)系統(tǒng)工藝參數(shù)的變化范圍及特征，研究不同集輸模式下的配套工藝和設(shè)備選擇原則，研究可調(diào)式靜態(tài)引射器、氣波引射器等新集輸設(shè)備的匹配及具體參數(shù)要求，提出不同時(shí)段的一體化和模塊化的集輸生產(chǎn)方法，以提高多氣合采的經(jīng)濟(jì)效益。集輸系統(tǒng)工藝參數(shù)智能匹配問(wèn)題，就是研究全開(kāi)發(fā)周期內(nèi)，采氣工藝和集輸設(shè)備邊界條件發(fā)生變動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題。

圖1 高低壓井連接方式示意圖Fig. 1 Schematic diagram of connection types between two highly different pressure systems

3 多氣合采地面集輸研究建議

為解決以上關(guān)鍵問(wèn)題，一是需要與采氣工藝緊密配合，綜合分析層間、井間、井與管網(wǎng)之間的流動(dòng)關(guān)系，發(fā)展適合多氣合采的集輸工藝技術(shù)；二是集輸工藝與新型集輸設(shè)備緊密配合，發(fā)展多氣合采集輸系統(tǒng)模擬及優(yōu)化技術(shù)；三是以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，全面考慮系統(tǒng)效率、參數(shù)匹配等技術(shù)目標(biāo)，發(fā)展集輸工藝參數(shù)智能匹配技術(shù)。三者依次遞進(jìn)，一二是空間上的優(yōu)化，三是時(shí)間上的優(yōu)化，最終形成多氣合采全開(kāi)發(fā)周期集輸和處理工藝，為未來(lái)規(guī)?；_(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支持和保障。

3.1 結(jié)合采氣工藝的多氣合采集輸工藝技術(shù)

集輸工藝流程是地面工程的主體部分及集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的先行環(huán)節(jié)，是集輸系統(tǒng)模擬及優(yōu)化的基礎(chǔ)，決定了流體的地面流通途徑和各集輸設(shè)備進(jìn)出口關(guān)鍵參數(shù)(壓力流量等)的范圍。不同氣藏的地質(zhì)及開(kāi)發(fā)特性對(duì)地面集輸工藝產(chǎn)生重大影響，地面服從地下。整體而言，國(guó)外地質(zhì)條件及開(kāi)發(fā)特性較好，可以直接采用常規(guī)天然氣集輸技術(shù)或者進(jìn)行部分改進(jìn)優(yōu)化，尤其是美國(guó)典型的各大非常規(guī)氣田基本沿用常規(guī)天然氣田的集輸技術(shù)[28-32]。我國(guó)受制于地質(zhì)及氣藏原因，發(fā)展了多種適用于不同非常規(guī)天然氣田的集輸工藝：沁水盆地煤層氣“分片集輸一級(jí)增壓”的集輸工藝[33-34]；蘇里格氣田“井下節(jié)流，井口不加熱、不注醇，中低壓集氣，井口帶液計(jì)量，井間串接，常溫分離，二級(jí)增壓，集中處理”的集輸新工藝技術(shù)[35]；靖邊氣田的“多井高壓集氣、集中注醇、集氣站脫水、干氣集氣、統(tǒng)一脫水脫硫脫碳”工藝技術(shù)。

由上可知，非常規(guī)氣田集輸工藝并無(wú)固定模式，而是由氣田開(kāi)發(fā)方案、氣井壓力、產(chǎn)量、溫度、井網(wǎng)布置、井間距、地形地貌、開(kāi)采年限、產(chǎn)品方案等眾多因素綜合決定。以上單氣集輸工藝往往局限于單一壓力體系，層間、井間、井與管網(wǎng)之間的流動(dòng)關(guān)系較為簡(jiǎn)單，多壓力體系特點(diǎn)下的多氣合采地面集輸并不是單氣集輸?shù)暮?jiǎn)單疊加，需要與采氣工藝緊密配合，在充分借鑒以往集輸模式的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：

(1)不同合采方式的輸送方案。單氣集輸中，井口只有一條氣體管道且為同種氣體；同井同時(shí)合采、同井同時(shí)分壓合采和同井產(chǎn)層接替合采的井筒流動(dòng)通道有差異，井口有多條氣體管道，同一時(shí)間不同井口的氣體種類及壓力范圍相差較大(同井同時(shí)產(chǎn)致密氣和煤層氣、同井交替產(chǎn)致密氣和煤層氣等情況)，需要綜合考慮對(duì)不同氣體進(jìn)行高低壓分輸或高低壓混合輸送及混合的位置。

(2)井下節(jié)流及引射技術(shù)的優(yōu)選。井下節(jié)流浪費(fèi)原有高壓能量，同時(shí)需考慮水合物防治問(wèn)題，節(jié)流程度和效果受氣體組分、地溫等條件影響；引射技術(shù)能夠同時(shí)接收高低壓氣源，實(shí)現(xiàn)壓力自平衡，在油田天然氣處理站[36]和天然氣調(diào)峰裝置[37]均成功利用引射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高低壓氣源的有效平衡，應(yīng)該開(kāi)展引射技術(shù)在多氣合采集輸系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

(3)抗井間干擾技術(shù)。頁(yè)巖氣井、致密氣井可采用井下節(jié)流解決井間干擾，但不適用于低壓煤層氣，多氣合采各井相連后要考慮由高壓井對(duì)低壓井的“倒灌”現(xiàn)象。文獻(xiàn)[38][39]提出了煤層氣田“井間匹配性”的概念和定量分析方法，但這只是針對(duì)單一煤層氣低壓系統(tǒng)的匹配性研究。多氣合采涉及到不同壓力體系和不同集輸模式，更為復(fù)雜，目前尚未見(jiàn)到其他已發(fā)表的資料，還需進(jìn)一步研究。

(4)集輸模式的評(píng)價(jià)研究。目前集輸模式往往基于工程試驗(yàn)，從經(jīng)濟(jì)可行的角度進(jìn)行選擇，缺乏系統(tǒng)性考核及評(píng)價(jià)，應(yīng)引入系統(tǒng)工程方法，從可行性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、安全性等多維度建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開(kāi)展集輸模式的評(píng)價(jià)研究。

3.2 包含引射裝置的多氣合采集輸系統(tǒng)模擬及優(yōu)化技術(shù)

集輸工藝確定后需要進(jìn)行集輸系統(tǒng)模擬及優(yōu)化。系統(tǒng)模擬包括水力和熱力計(jì)算，得到管網(wǎng)的流動(dòng)參數(shù)，如流量、壓力和溫度；系統(tǒng)優(yōu)化通過(guò)對(duì)管網(wǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)、管網(wǎng)布局、管網(wǎng)參數(shù)等優(yōu)化，使得集輸系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)性；前者是后者的基礎(chǔ)。因此應(yīng)該開(kāi)展以下研究：

(1)井筒流動(dòng)規(guī)律探究。當(dāng)井口未達(dá)到臨界流動(dòng)時(shí)，地層壓力的變化導(dǎo)致井口壓力和產(chǎn)氣量隨之變化，在井筒與地面管網(wǎng)模擬中需要將氣藏、井筒和地面管網(wǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，分析氣體在氣藏、井筒和地面管網(wǎng)內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程，從而對(duì)氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[40-41]。但以往的一體化研究中井筒結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且做了一定的簡(jiǎn)化。多氣合采需要在井筒中構(gòu)造相應(yīng)的壓力體系，使不同儲(chǔ)層產(chǎn)出物順利進(jìn)入井筒，且保證固體顆?；蚍e液排出井筒維持通道的通暢，因而井筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同環(huán)空輸送不同的流體，整體的流動(dòng)規(guī)律及傳熱規(guī)律復(fù)雜。

(2)包含引射裝置的復(fù)雜管網(wǎng)計(jì)算技術(shù)。常規(guī)天然氣集輸管道中主要為氣液兩相流；煤層氣采用排水開(kāi)采，集輸管道中存在氣、水、煤粉顆粒；頁(yè)巖氣采用水力壓裂，集輸管道中存在氣、水、凝析油及砂礫；而多氣合采產(chǎn)出的天然氣中含有大量的水、微小的煤顆粒和砂等固相雜質(zhì)以及凝析油，這種多相并存的狀態(tài)使工藝計(jì)算和流動(dòng)管理變得更加復(fù)雜。雖然國(guó)內(nèi)外在復(fù)雜管道管網(wǎng)工藝計(jì)算上開(kāi)展了大量研究并取得了一定成果[42-44]，但大多仍然停留在氣液兩相上，專門針對(duì)氣液固三相及煤層氣、頁(yè)巖氣特定管網(wǎng)的研究非常少；多氣合采產(chǎn)出物復(fù)雜、流動(dòng)規(guī)律更加復(fù)雜，多相作用下水、煤粉及凝析油對(duì)管道的壓降影響尚不清楚；過(guò)去國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多以管道作為研究對(duì)象，針對(duì)管網(wǎng)熱力計(jì)算研究很少，尚無(wú)完整、統(tǒng)一的管網(wǎng)熱力計(jì)算理論。此外，多氣合采集輸中可采用引射裝置提高集輸效率，但以往地面集輸研究中很少涉及引射裝置，目前尚無(wú)學(xué)者開(kāi)展包含引射裝置的復(fù)雜管網(wǎng)計(jì)算研究，各大模擬軟件也無(wú)法模擬。因此，需要研究氣液固多相管流流動(dòng)規(guī)律，研究顆粒沉積特性、液相積液特性和臨界參數(shù)的確定方法，研究管網(wǎng)熱力計(jì)算理論，研究引射裝置在集輸系統(tǒng)中的特性及適應(yīng)性，從而完成包含引射裝置的復(fù)雜管網(wǎng)水力熱力計(jì)算。

(3)包含引射裝置的集輸系統(tǒng)優(yōu)化。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量集輸系統(tǒng)優(yōu)化研究[45-52]，確定管網(wǎng)形態(tài)后采用分級(jí)優(yōu)化策略，分解為布局優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化等子問(wèn)題，采用傳統(tǒng)優(yōu)化方法和現(xiàn)代智能算法(圖2)對(duì)模型進(jìn)行求解，取得了一定效果。但考慮復(fù)雜影響因素、多管網(wǎng)形態(tài)的集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化，全局最優(yōu)算法開(kāi)發(fā)，三維地形條件下的最優(yōu)管網(wǎng)布置等問(wèn)題尚需開(kāi)展深入研究[53]，且已有的研究并未包含引射裝置。集輸管網(wǎng)本身復(fù)雜的約束條件要求集輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究朝著“多結(jié)構(gòu)類型、多參數(shù)融合、高維空間、高效算法”的方向發(fā)展，需要多種方法有機(jī)結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[54]。因此，未來(lái)應(yīng)該繼續(xù)從模型和算法兩方面進(jìn)行探究，很難尋找一種優(yōu)化方法，即高效又具有高精度，關(guān)鍵問(wèn)題在于如何簡(jiǎn)化問(wèn)題，在保證其一定精度的基礎(chǔ)上改進(jìn)算法。對(duì)多氣合采計(jì)算應(yīng)該模塊化，不同問(wèn)題模型分塊，降低模塊內(nèi)部自由度，使之能夠兼顧精度和速度，避免容易陷入局部最優(yōu)解，且滿足多氣合采海量節(jié)點(diǎn)的計(jì)算要求。

3.3 考慮系統(tǒng)效率的集輸工藝參數(shù)智能匹配技術(shù)

非常規(guī)天然氣的滾動(dòng)開(kāi)發(fā)是一個(gè)涵蓋產(chǎn)能建設(shè)期、穩(wěn)定生產(chǎn)期和產(chǎn)能遞減期的全開(kāi)發(fā)周期過(guò)程，不同時(shí)段地面集輸系統(tǒng)需進(jìn)行不斷調(diào)整以適應(yīng)地層引起的產(chǎn)能變化的要求。但已有的研究大多集中于產(chǎn)能建設(shè)期，僅有部分學(xué)者針對(duì)煤層氣集輸系統(tǒng)采用Prime算法解決穩(wěn)定生產(chǎn)期中井網(wǎng)加密設(shè)計(jì)時(shí)新井接入已有管網(wǎng)的問(wèn)題，采用聚類分析算法識(shí)別新老區(qū)塊，完成產(chǎn)能遞減期外擴(kuò)井新增產(chǎn)能建設(shè)的設(shè)計(jì)。此外，系統(tǒng)效率往往只從能耗角度考慮。多氣合采隨著滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，集輸管網(wǎng)日益復(fù)雜，管網(wǎng)中各井之間的運(yùn)行操作相互干擾、運(yùn)行參數(shù)相互影響，給系統(tǒng)分析、優(yōu)化帶來(lái)了巨大的困難，需要研究煤層氣、頁(yè)巖氣和致密氣井在不同分布形式和不同時(shí)段的一體化和模塊化的集輸生產(chǎn)方法，形成考慮系統(tǒng)效率的集輸工藝參數(shù)智能匹配技術(shù)。研究思路如下：

圖2 常見(jiàn)集輸管網(wǎng)優(yōu)化方法Fig. 2 Common optimization methods of gathering pipeline network

(1)研究采氣工藝對(duì)地面的影響規(guī)律。以系統(tǒng)工程原理為指導(dǎo)，與采氣工程結(jié)合，綜合分析煤層氣、頁(yè)巖氣、致密氣的衰減規(guī)律，在不同多氣合采方式下，全面考慮井、管網(wǎng)、處理設(shè)備等多種因素的協(xié)調(diào)一致性，將地下采氣與地面集輸進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確定管網(wǎng)系統(tǒng)工藝參數(shù)變化的范圍及特征。

(2)采用柔性規(guī)劃方法確定關(guān)鍵參數(shù)?？紤]不確定因素，使系統(tǒng)有靈活的應(yīng)對(duì)能力，不是尋找未來(lái)某種預(yù)測(cè)場(chǎng)景最優(yōu)規(guī)劃方案，而是以最小的代價(jià)適應(yīng)可能出現(xiàn)環(huán)境變化。從管網(wǎng)系統(tǒng)工藝參數(shù)中確定關(guān)鍵參數(shù)，研究其對(duì)管網(wǎng)壓力級(jí)制及管網(wǎng)形態(tài)的影響，確定影響管網(wǎng)布局的采氣臨界參數(shù)，確定各種不同形態(tài)管網(wǎng)的適用范圍、組合使用方式和評(píng)價(jià)方法。

(3)研究集輸系統(tǒng)效率、匹配性的表征形式及計(jì)算方法，建立目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)不同采氣工藝的井口壓力及產(chǎn)量變化規(guī)律，調(diào)研各種井口開(kāi)采設(shè)備(包括引射增壓設(shè)備)的特性，以能量利用為重點(diǎn)，研究系統(tǒng)效率與集輸工藝及設(shè)備的關(guān)系。研究集輸規(guī)模隨開(kāi)發(fā)進(jìn)程、開(kāi)發(fā)模式的變化關(guān)系；研究不同開(kāi)發(fā)階段，集輸模式的適應(yīng)性；不同集輸模式下，配套技術(shù)工藝、設(shè)備選擇的適應(yīng)性，尤其是不同壓力體系下引射設(shè)備的作用機(jī)理、不同階段引射設(shè)備的適用范圍。

(4)考慮時(shí)間因素，確定約束條件，提出不同時(shí)段一體化和模塊化集輸工藝方法(不同生產(chǎn)時(shí)期井口壓力變化條件下的高效集輸問(wèn)題)。考慮不同產(chǎn)層、不同井的接替，將集輸工藝、處理工藝以及集輸設(shè)備進(jìn)行匹配，在多氣合采條件下，統(tǒng)籌考慮各項(xiàng)參數(shù)隨時(shí)間的變化，以系統(tǒng)效率和成本為目標(biāo)建立管網(wǎng)優(yōu)化模型，從而統(tǒng)籌考慮各方面的因素，充分發(fā)揮各種資源的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)采收率最大化。研究生產(chǎn)井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)控制對(duì)集輸系統(tǒng)的影響，使得集輸系統(tǒng)在保持較高的系統(tǒng)效率下適應(yīng)不同的采氣動(dòng)態(tài)參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)近年來(lái)的地質(zhì)勘探及先導(dǎo)性試驗(yàn)表明將煤層氣、頁(yè)巖氣及致密氣進(jìn)行多氣合采具有良好的開(kāi)發(fā)前景及經(jīng)濟(jì)效益，但目前仍處于起步探索階段，較為可行的合采方案有同井同時(shí)合采、同井同時(shí)分壓合采、同井產(chǎn)層接替合采。

(2)單種非常規(guī)天然氣的地面集輸技術(shù)無(wú)法滿足多氣合采多壓力體系特性條件下的集輸要求，不同多氣組合都會(huì)帶來(lái)不同問(wèn)題，但壓力匹配問(wèn)題是其突出共性，也是經(jīng)濟(jì)高效地面集輸?shù)年P(guān)鍵，具體表現(xiàn)為產(chǎn)層、井間、井與管網(wǎng)之間匹配，高低壓流體能量利用，集輸系統(tǒng)工藝參數(shù)智能匹配等3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

(3)針對(duì)以上3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，提出了3個(gè)對(duì)應(yīng)的主要研究方向，具體包括：①結(jié)合采氣工藝的新集輸工藝，②包含引射裝置的集輸系統(tǒng)模擬及優(yōu)化，③考慮系統(tǒng)效率的集輸工藝參數(shù)智能匹配?？赏ㄟ^(guò)研究形成相應(yīng)技術(shù)，為多氣合采地面集輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新提供借鑒。

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