煤层气田采集系统优化方法

摘要

本发明提供了一种煤层气田采集系统优化方法，所述方法包含：建立采气管网总产气量与各气井产量的关系目标函数；根据地面管网数据，建立地面管网流动模型；根据气井结构数据，建立气筒流动模型；根据地层约束情况，分别建立产能约束模型和井底流压约束模型；将所述地面管网流动模型、所述气筒流动模型、所述产生约束模型和所述井底流压约束模型作为约束条件带入所述关系目标函数中，根据各气井参数，计算获得各气井产量。

说明书

技术领域

本发明涉及天然气集输管网设计领域，尤指一种煤层气田采集系统优化方法。

背景技术

煤层气目前已经从最初被简单排放的“瓦斯”逐步变成了有利于可持续发展的清洁能源，变成了重要的“非常规能源”。由于开发时间较短(在中国刚刚经历了大约两个五年计划的时间)，煤层气的集输往往借用天然气气田的技术。但由于赋存方式不同，煤层气的集输也存在着一定的特殊性。国家“十一五”、“十二五”科技重大专项对此进行了研究。“十一五”提出了“多点接入、柔性集输”的集输方式，“十二五”以此为基础，重点研究了集输系统优化(设计)问题。“十二五”在研究煤层气田集输系统运行优化时指出集输系统的“匹配性”是制约运行成本的关键因素之一，但未作详细探讨。

煤层气田的开发是由地下开发和地面运营两部分组成，二者有机地结合为一个整体，共同发挥作用(如图1)。若只针对煤层气田的某个局部加以研究、决策和优化，绝对不会得到最佳的结果；即便优化了其中几个部分，整个系统也未必最优，例如：密集布井增加气井数，产气量可能会短时间上升，增加短期效益，但总投资将会大幅增加。无论是从能源消耗，还是从工艺参数方面来看，地下开发和地面建设之间是分不开的，两者相互作用，相互影响，关系密切。若想达到气田整体的最佳状态，就需要将煤层气田的开采、集输系统作为一个整体进行优化，从而达到整体上最优，使气田效益最大化。然而，当前煤层气集输系统的工艺技术研究主要是针对输气管网布局、投资和能耗等问题，常规气田的地层开发、地面建设两部分的相关技术研究都已较为全面，但将两者结合进行优化的研究较少，煤层气田地面与地下工艺一体化优化有待进一步的研究。

发明内容

本发明目的在于提供一种煤层气田采集系统优化方法，以典型的星枝状采气管网、套管采气的煤层气直井、均质的煤层作为研究对象，综合考虑地面、地下的各种约束条件，包括，煤层的孔隙结构、煤层气的解析规律，煤层气井的流入动态、煤层气田的配产规则，以及地面管网的流动规律等，以产量最大化为目标函数，建立数学模型。

为达上述目的，本发明具体提供一种煤层气田采集系统优化方法，所述方法包含：建立采气管网总产气量与各气井产量的关系目标函数；根据地面管网数据，建立地面管网流动模型；根据气井结构数据，建立气筒流动模型；根据地层约束情况，分别建立产能约束模型和井底流压约束模型；将所述地面管网流动模型、所述气筒流动模型、所述产生约束模型和所述井底流压约束模型作为约束条件带入所述关系目标函数中，根据各气井参数，计算获得各气井产量。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，所述建立采气管网总产气量与各气井产量的关系目标函数包含：以采气管网中包含气井的总产气量作为关系目标函数建立以下模型：

在上式中，Q为整个采气管网的总产气量；qi为采气管网所辖的各气井产量。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，所述根据地面管网数据，建立地面管网流动模型包含：根据地面管网数据和各气井之间管道压力建立以下地面管网流动模型：

上式为包含x口煤层气井的“采气地面管网”的整体流动模型：其中第一个等式为“井1”到“集气站”的总管道流动模型，同理依次为“井2”、“井3”“井x”到“集气站”的管道流动模型。其中，P₁至Px为各气井的流出压力；Qm₁至Qmx为采气管段中气体产量；num₁至numx为气体进站前流经的点的数量；Pstation为集气站进站压力；Cm₁至Cmx，At₁至Atx为与管道有关的参数，为定值。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，所述根据气井结构数据，建立气筒流动模型包含：将各气井内纯气柱产生的压力作为井口压力，建立以下气筒流动模型：

在上式中，△P_welli为第i口井井底流压与井口套压的压差；P_i为井口套压；P_wf为井底流压；f(P_i)为井筒内只有气体时，△P_welli与P_i的关系函数。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，所述根据地层约束情况，分别建立产能约束模型和井底流压约束模型包含：通过二项式法产能方程作为气井的产能模型，建立以下产能约束模型：

上式中，上式中，P_wf1至P_wfx为各气井的井底流压；P_R1至P_Rx为各气井的地层压力；q₁至q_x为各气井在标况下的气体流量；A₁至A_x、B₁至B_x为试井数据得到的参数。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，所述根据地层约束情况，分别建立产能约束模型和井底流压约束模型包含：

所述井底流压约束模型包含第一流压约束模型和第二流压约束模型；根据井壁出砂的临界产生压差建立以下第一流压约束模型：

上式中：σ_ze为远处地层垂向应力，MPa；S₀为岩石内聚力，MPa；α为岩石内摩擦角，rad；p_r为油藏边界压力；△p_c为出砂临界生产压差，MPa；β为流动惯性阻力系数；μ为岩石泊松比，无量纲。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，所述根据地层约束情况，分别建立产能约束模型和井底流压约束模型包含：根据井壁的稳固角度建立以下第二流压约束模型：

上式中：C为产层岩石抗压强度，MPa；V为岩石泊松比；ρ为上覆岩石平均密度，Kg/m³；g为重力加速度，m/s²；H为产层中部深度，m；P_e为地层孔隙流体压力，MPa；P_wf为井底压力，MPa；△p为井壁稳固临界生产压差。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，所述地层约束条件如下：

上式中，为由第一流压约束模型求得的井i的流量下限；为由第一流压约束模型求得的井i的流量上限；为由第二流压约束模型求得的井i的流量下限；为由第二流压约束模型求得的井i的流量上限；q_i为第i口井的产量。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，所述计算获得各气井产量还包含：各气井产量为所述约束条件下，计算获得的最大产气量。

在上述煤层气田采集系统优化方法中，优选的，将所述地面管网流动模型、所述气筒流动模型、所述产生约束模型和所述井底流压约束模型作为约束条件带入所述关系目标函数中，根据各气井参数，计算获得各气井产量还包含：将所述约束条件带入所述关系目标函数后，根据各气井参数，利用管网流动物质守恒原则计算获得各气井产量；其中，通过所述管网流动物质守恒原则获得以下关系模型：

上式中：Q_i为i节点流入流量；流量q_well为i节点上游某气井的产量；all.well为贡献给i节点流量的全部气井。利用本发明所提供的煤层气田采集系统优化方法，可实现煤层气田采集系统一体化运行优化，不仅是针对地面设施的运行状况进行研究，还考虑地层产出、渗流等机理，考虑地面生产对气井产能的动态影响，将地面设施运行状况与气井产能联系在一起，有效而准确的评价地面设备对产能的贡献，并及时预测与调整地面生产制度去适应储层的变化，从而最大化节约成本与发挥储层产能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明所提供的煤层气田采集系统优化方法的流程示意图；

图2为本发明所提供的煤层气田采集系统优化方法中煤层气采集系统示意图；

图3为本发明所提供的煤层气田采集系统优化方法中典型采气管网结构示意图；

图4为本发明所提供的煤层气田采集系统优化方法中典型采气井筒结构示意图；

图5为本发明所提供的煤层气田采集系统优化方法中管网结构拓扑示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参考图1所示，本发明具体提供一种煤层气田采集系统优化方法，所述方法包含：S101建立采气管网总产气量与各气井产量的关系目标函数；S102根据地面管网数据，建立地面管网流动模型；根据气井结构数据，建立气筒流动模型；根据地层约束情况，分别建立产能约束模型和井底流压约束模型；S103将所述地面管网流动模型、所述气筒流动模型、所述产生约束模型和所述井底流压约束模型作为约束条件带入所述关系目标函数中，根据各气井参数，计算获得各气井产量。

请参考图2所示，由于煤层气发展的最大难题为：高投入、低产出；如何使煤层气井发挥其最大产能，提高地面管网的运行效率就成了煤层气技采气管网运行优化的目标，为此在上述步骤S101中，主要将一个独立的采气管网所辖的全部气井的总产气量最大作为目标函数，具体的所述建立采气管网总产气量与各气井产量的关系目标函数包含：以采气管网中包含气井的总产气量作为关系目标函数建立以下模型：

在上式中，Q为整个采气管网的总产气量；qi为采气管网所辖的各气井产量；所有生产井都拥有各自的产量范围，产量并非一定会随着生产压差的增大而增大，不可能无限制提高产量；而会受到地层应力，基质收缩等因素的影响，拥有最佳的产量范围；单独生产时，各口井都有自己的最佳产量。同样，采集系统也有其最佳产量或产量极值；采集系统的整体产能除了会受到各个产层特性的影响，还会受到地面集输管网的结构、尺寸以及生产参数的影响。

其后，气井的产量并不是任意的，它要受到来自地层，以及地面管网状况的约束，下面建立目标函数的约束条件。

请参考图3所示，通常煤层气田采气管网的管道较短，忽略管道中间起伏，只考虑起点与终点的高差h，将输气管道等温流量公式化为下面式子：

上式中，Q是管道的理论输量，m³/d；P_q,P_z分别是管道起点与终点的压力，Pa；A、C为中间变量。

假设“点i”的流出压力为P_i，流量为Q_i；“点i”到“点i+1”的管道记为“管i”，其各项参数为：C_i，A_i。由“点1”到“点i”所经“路径”的气体流动模型为：

记为：

其中，A₀＝1。

记因为各条管道的A、C均为定值，因此C'_m也是定值。

由此可知，“井1”到“集气站”的总管道流动模型：

上式中，num1为气体进站前流经的点的数量。

结合以上条件，在上述步骤S102中，所述根据地面管网数据，建立地面管网流动模型主要是根据地面管网数据和各气井之间管道压力建立以下地面管网流动模型，此时包含x口煤层气井的“采-集管网”的整体流动模型为：

上式为包含x口煤层气井的“采气地面管网”的整体流动模型：其中第一个等式为“井1”到“集气站”的总管道流动模型，同理依次为“井2”、“井3”“井x”到“集气站”的管道流动模型。其中，P₁至Px为各气井的流出压力；Qm₁至Qmx为采气管段中气体产量；num₁至numx为气体进站前流经的点的数量；Pstation为集气站进站压力；Cm₁至Cmx，At₁至Atx为与管道有关的参数，为定值。进一步的，根据物质守恒原理，集输管网中各个节点的流入流量必须等于流出流量，某个节点流量应为其上游所辖全部气井的产量之和。即：

上式中，Q_i为i节点的流入流量；q_well为i节点上游某气井的产量；all.well为贡献给i节点流量的全部气井。

请参考图4所示，通常，若在不造成井壁垮塌，渗透率降低等不利情况的前提下，井筒中动液面越低，气嘴开口越大，煤层气井的产量就会越大；而动液面与气嘴属于人为控制因素，视作纯粹的调节产量的手段——使得生产状况能够满足模型中的各种约束条件。因此，本发明首先通过假设气井在井口无气嘴，井筒中无液体的极限状况下生产，当产量超过模型约束条件时，再将气嘴动液面“回填”回去即可；此时△P最小，为井筒中纯气柱产生的压力，井的产量将达到最大值；将井筒内纯气柱产生的压力视作井口压力的线性函数，则在上述步骤S102中，所述根据气井结构数据，建立气筒流动模型包含：将各气井内纯气柱产生的压力作为井口压力，建立以下气筒流动模型：

在上式中，△P_welli为第i口井井底流压与井口套压的压差；P_i为井口套压；P_wf为井底流压；f(P_i)为井筒内只有气体时，△P_welli与P_i的关系函数。

在上述步骤S102中，所述根据地层约束情况，分别建立产能约束模型和井底流压约束模型包含：通过二项式法产能方程作为气井的产能模型，建立以下产能约束模型，此处所建立的产能约束模型主要采用拥有严格理论依据的二项式法产能方程作为气井的产能模型：

上式中，P_wf为井底流压，MPa；P_R为地层压力，MPa；q为标况下的气体流量，m³/d；A、B为试井数据得到的参数。

基于该公式(9)，则系统整体的产能模型如下：

上式中，P_wf1至P_wfx为各气井的井底流压；P_R1至P_Rx为各气井的地层压力；q₁至q_x为各气井在标况下的气体流量；A₁至A_x、B₁至B_x为试井数据得到的参数。

其后，所述井底流压约束模型则包含第一流压约束模型和第二流压约束模型；从井壁稳定不出砂的角度考虑，根据井壁出砂的临界产生压差建立以下第一流压约束模型：

上式中：σ_ze为远处地层垂向应力，MPa；S₀为岩石内聚力，MPa；α为岩石内摩擦角，rad；p_r为油藏边界压力；△p_c为出砂临界生产压差，MPa；β为流动惯性阻力系数；μ为岩石泊松比，无量纲。

从井壁的稳固角度考虑；根据井壁的稳固角度建立以下第二流压约束模型：

上式中：C为产层岩石抗压强度，MPa；V为岩石泊松比；ρ为上覆岩石平均密度，Kg/m³；g为重力加速度，m/s²；H为产层中部深度，m；P_e为地层孔隙流体压力，MPa；P_wf为井底压力，MPa；△p为井壁稳固临界生产压差。

生产压差约束又可通过二项式方程转化为产量约束，因此，地层约束条件为：

上式中，为由第一流压约束模型求得的井i的流量下限；为由第一流压约束模型求得的井i的流量上限；为由第二流压约束模型求得的井i的流量下限；为由第二流压约束模型求得的井i的流量上限；q_i为第i口井的产量。

最后，在计算各气井产量，其中各气井产量为所述约束条件下计算获得的最大产气量。

综上所述，本发明所提供的完整模型如下：

目标函数：

约束条件包括：

(1)地面管网流动模型

(2)井筒流动模型

(3)地层产能模型

(4)管网流动物质守恒原则

(5)单井产能约束

各式函数定义同上；由此就得到了煤层气田采集系统一体化运行优化模型。

为更清楚的说明本发明所提供的煤层气田采集系统优化方法，以下以具体实例对上述实施例做更进一步说明，本领域相关技术人员当明了，其仅为本发明的一较佳实施例说明，并不构成对本发明保护范围的限定。

请参考图5所示，管网拓扑结构中集气站进站压力为0.41MPa，各井套管内径为99.6mm，油管外径为48.3mm；其余参数如表1～5所示，其中表1为煤层气井基本参数表，表2为地面采气管网基本参数表，表3为煤层气组成，表4为气井所属煤层气产层基本参数。

表1

表2

表3

表4

根据前述建立的各个模型及以上数据，计算可得到各井的生产压差以及产量约束条件参数和优化参数如表5所示，表5为通过计算后，获得的约束条件及优化结果；

表5

综上所述，利用本发明所提供的煤层气田采集系统优化方法，可实现煤层气田采集系统一体化运行优化，不仅是针对地面设施的运行状况进行研究，还考虑地层产出、渗流等机理，考虑地面生产对气井产能的动态影响，将地面设施运行状况与气井产能联系在一起，有效而准确的评价地面设备对产能的贡献，并及时预测与调整地面生产制度去适应储层的变化，从而最大化节约成本与发挥储层产能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。