一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法。其技術(shù)方案是采用分級優(yōu)化與集成策略，將井組優(yōu)化劃分問題轉(zhuǎn)化為三級優(yōu)化問題：以頁巖氣田各開發(fā)年份集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用最省為目標(biāo)函數(shù)，建立不同開發(fā)年份的集氣站站址優(yōu)化模型；采用層次聚類法將各開發(fā)年份最優(yōu)集氣站站址劃分為若干個聚類簇，將每個簇的聚類中心作為全局最優(yōu)集氣站站址；以各全局最優(yōu)集氣站與井場的距離之和最短為目標(biāo)函數(shù)，建立頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站與井場之間隸屬關(guān)系的優(yōu)化模型。本發(fā)明考慮了頁巖氣井產(chǎn)量衰減快且不斷有新井投產(chǎn)的非常規(guī)特性，為確定頁巖氣田全生命周期內(nèi)集氣管網(wǎng)建設(shè)費用最省的井組劃分方案提供了新方法，對降低頁巖氣地面工程建設(shè)成本具有重要意義。
【專利說明】
一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種頁巖氣田井組劃分優(yōu)化方法，屬于頁巖氣田集輸管網(wǎng)系統(tǒng)布局優(yōu) 化技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 頁巖氣作為一種極具開發(fā)價值的非常規(guī)天然氣資源，在世界天然氣資源總量中所 占比例正逐年攀升，受到世界各國的高度關(guān)注。但由于頁巖氣井具有產(chǎn)量衰減速率快、上產(chǎn) 時間長、采用大規(guī)模滾動開發(fā)等非常規(guī)特征，導(dǎo)致開發(fā)成本高，投資風(fēng)險大，必須實施低成 本策略才能實現(xiàn)盈利。對頁巖氣地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，是降低頁巖氣開發(fā)成本 的重要途徑之一。
[0003] 頁巖氣地層滲透性差，在開發(fā)過程中需要鉆大量生產(chǎn)井。為節(jié)約開發(fā)成本和減少 對環(huán)境的影響，往往在同一井場內(nèi)鉆4~20 口不等的從式井。井組劃分是指確定頁巖氣田大 量井場的分團方案，即確定集氣站的數(shù)量、位置及其與井場之間的隸屬關(guān)系。目前，頁巖氣 田井組劃分一般采用方案比選或綜合評價的方式。其基本思想是根據(jù)工程經(jīng)驗，建立幾種 相對合理的井組劃分方案，再對其進行相互比選，從中選出較優(yōu)方案作為最終方案。這種方 式簡單易行，但與工程人員的經(jīng)驗密切相關(guān)，優(yōu)化結(jié)果難以實現(xiàn)全局最優(yōu)。目前，國內(nèi)外學(xué) 者在常規(guī)氣田井組優(yōu)化方法上已有了大量研究成果，在工程實踐中已得到較為廣泛的應(yīng) 用，對頁巖氣氣田井組優(yōu)化劃分有一定的借鑒意義。其通常采用建立數(shù)學(xué)模型的方法，即通 過構(gòu)造反映優(yōu)化目標(biāo)與變量之間關(guān)系的目標(biāo)函數(shù)，在約束條件下，求解目標(biāo)函數(shù)的極值，以 得到對應(yīng)的井組優(yōu)化劃分方案。常見的數(shù)學(xué)模型大致分為三類，即分別以管道建設(shè)費用最 省、管線長度最短、管線產(chǎn)量距離最短作為目標(biāo)函數(shù)，選擇集氣站站址、井場與集氣站隸屬 關(guān)系作為決策變量，在集氣站所轄井場數(shù)目和集輸半徑等約束條件下，建立相應(yīng)井組優(yōu)化 劃分模型。但這些模型均基于以下假設(shè):各井場同時投產(chǎn);各井場產(chǎn)量為常量，不隨開發(fā)時 間變化而變化。因此，以上模型只能用于開發(fā)周期長且產(chǎn)量穩(wěn)定的常規(guī)氣田，不適合具有產(chǎn) 量衰減速率快、上產(chǎn)時間長、采用大規(guī)模滾動開發(fā)等顯著非常規(guī)特征的頁巖氣田井組優(yōu)化 劃分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有優(yōu)化方法存在的缺陷，提供一種適應(yīng)頁巖氣井產(chǎn)量衰 減快、不斷有新井投產(chǎn)等非常規(guī)特性的井組優(yōu)化劃分方法，為獲得頁巖氣田全生命周期內(nèi) 集氣管網(wǎng)建設(shè)費用最省的井組劃分方案提供依據(jù)，以降低頁巖氣地面工程建設(shè)成本。
[0005] 其技術(shù)方案包含以下步驟：
[0006] 步驟a、根據(jù)頁巖氣田先導(dǎo)性開發(fā)試驗獲得的探井生產(chǎn)動態(tài)曲線，采用冪律指數(shù)遞 減法或雙曲線遞減法得到相應(yīng)區(qū)塊單井的產(chǎn)量衰減特性曲線;根據(jù)各單井投產(chǎn)計劃安排和 產(chǎn)量衰減特性曲線，確定各井場產(chǎn)量衰減曲線；
[0007] 步驟b、以頁巖氣田自投產(chǎn)以來各開發(fā)年份集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用最省為目標(biāo)函 數(shù)，以集氣站站址、井場與集氣站的隸屬關(guān)系作為決策變量;在井場隸屬關(guān)系約束、開發(fā)時 間約束、集氣站處理量約束、集氣站所轄井場數(shù)目約束、集輸半徑約束、集氣站站址約束等 約束條件下，建立頁巖氣田在不同開發(fā)年份的集氣站站址優(yōu)化模型；
[0008] 步驟C、采用層次聚類法，將頁巖氣田各開發(fā)年份的最優(yōu)集氣站站址劃分為若干個 聚類簇，每個簇的聚類中心作為頁巖氣田全局最優(yōu)的集氣站站址；
[0009] 步驟d、以頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站站址到井場之間的距離之和最短為目標(biāo)函數(shù)， 以井場與集氣站的隸屬關(guān)系作為決策變量;在井場隸屬關(guān)系約束、集氣站處理量約束、集氣 站所轄井場數(shù)目約束、集輸半徑約束等約束條件下，建立頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站與井場 之間隸屬關(guān)系的優(yōu)化模型。
[0010] 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法，其特征在于，步驟 b中所述的頁巖氣田集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用包括集氣管線和集氣站的建設(shè)費用。
[0011]根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法，其特征在于，步驟 b和步驟d中所述的約束條件:井場隸屬關(guān)系約束是指對于任一井場，有且只有一個集氣站 與其相連;開發(fā)時間約束是指將頁巖氣田不同開發(fā)時期投產(chǎn)的井場都納入到相應(yīng)優(yōu)化模型 中；集氣站處理量約束是指任一集氣站的處理量上限和下限，應(yīng)滿足處理所轄井場在各開 發(fā)年份的全部產(chǎn)量;集氣站所轄井場數(shù)目約束是指單個集氣站可管轄井場的最大數(shù)量;集 輸半徑約束是指集氣管道長度應(yīng)不超過經(jīng)濟的集氣半徑;集氣站站址約束是指集氣站設(shè)在 所轄井組的產(chǎn)量中心。
[0012] 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法，其特征在于，步驟 c中所述的層次聚類法采用single-linkage聚類方法。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:考慮了頁巖氣井產(chǎn)量衰減快且不斷有新井場投產(chǎn)的特性， 采用分級優(yōu)化與集成的策略，將頁巖氣井組劃分問題轉(zhuǎn)化為三級優(yōu)化問題。通過建立相應(yīng) 的優(yōu)化模型，分別確定頁巖氣田在不同開發(fā)年份的最優(yōu)集氣站站址、頁巖氣田全局最優(yōu)集 氣站站址及其與井場之間的最佳隸屬關(guān)系。本發(fā)明為確定頁巖氣田全局集氣管網(wǎng)建設(shè)費用 最省的井組劃分方案提供了新思路，對降低頁巖氣田地面工程建設(shè)成本具有重要意義。
【附圖說明】
[0014] 圖1為某頁巖氣田不同區(qū)塊兩個典型井場的產(chǎn)量衰減曲線 [0015]圖2為某頁巖氣田開發(fā)第六年的最優(yōu)井組劃分方案
[0016]圖3為某頁巖氣田2014~2030年之間所有的年度最優(yōu)集氣站站址 [0017]圖4為某頁巖氣田全局最優(yōu)的集氣站站址 [0018]圖5為某頁巖氣田全生命周期內(nèi)的最優(yōu)井組劃分方案 [0019]圖6為頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法的流程圖
【具體實施方式】
[0020] 具體實施例：以國內(nèi)某頁巖氣田為例，并結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的內(nèi)容及實現(xiàn)原 理：
[0021] 本發(fā)明的技術(shù)方案是采用分級優(yōu)化與集成策略，將井組優(yōu)化劃分問題轉(zhuǎn)化為三級 優(yōu)化問題：以頁巖氣田各開發(fā)年份集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用最省為目標(biāo)函數(shù)，建立不同開發(fā) 年份的集氣站站址優(yōu)化模型;采用層次聚類法將各開發(fā)年份的最優(yōu)集氣站站址劃分為若干 個聚類簇，將每個簇的聚類中心作為全局最優(yōu)集氣站站址；以各全局最優(yōu)集氣站與井場的 距離之和最短為目標(biāo)函數(shù)，建立頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站與井場之間的隸屬關(guān)系優(yōu)化模 型。具體過程如下：
[0022] 1、井場基本概況及產(chǎn)量衰減規(guī)律預(yù)測
[0023]某頁巖氣田目前已完成前期試采評估，證實該區(qū)塊儲層厚度大、資源量豐富。計劃 在2014-2030年之間共計部署鉆井1050余口、井場86個，穩(wěn)產(chǎn)階段設(shè)計產(chǎn)能1500 X 104m3/d。 根據(jù)頁巖氣地面工程建設(shè)方案，頁巖氣田開發(fā)與建設(shè)時間安排，如表1所不。井場分布如圖5 所示。
[0024]表1某頁巖氣田開發(fā)與建設(shè)時間安排
[0025]基于頁巖氣田先導(dǎo)性開發(fā)試驗得到的部分單井生產(chǎn)動態(tài)曲線，分別采用冪律指數(shù) 遞減法和雙曲線遞減法對各區(qū)塊所有井的平均產(chǎn)量曲線進行擬合，選取擬合程度較高的曲 線作為該區(qū)塊的單井產(chǎn)量衰減曲線。結(jié)合各井場投產(chǎn)計劃安排，通過疊加方法得到各井場 的產(chǎn)量衰減曲線，如圖2所示。
[0026] 2、頁巖氣田不同開發(fā)年份的集氣站站址優(yōu)化模型的建立
[0027]以頁巖氣田自投產(chǎn)以來各開發(fā)年份集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用最省為目標(biāo)函數(shù)，選取 集氣站站址、井場與集氣站的隸屬關(guān)系作為決策變量。在井場隸屬關(guān)系約束、開發(fā)時間約 束、集氣站處理量約束、集氣站所轄井場數(shù)目約束、集輸半徑約束以及集氣站站址約束等約 束條件下，建立頁巖氣田在不同開發(fā)年份的集氣站站址優(yōu)化模型。其具體步驟包括：
[0028] (1)建立目標(biāo)函數(shù)
[0029]頁巖氣田集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用包括集氣管線和集氣站的建設(shè)費用。其中，集氣 管線的建設(shè)費用主要與其長度、管徑及壁厚等參數(shù)有關(guān)。但頁巖氣田內(nèi)部集輸管道一般屬 于同一壓力等級，管道壁厚相差不大。此外，在集氣管道長度一定的情況下，管道流量主要 與管徑有關(guān)。由于每個井場只能與一個集氣站相連，井場和集氣站之間集氣管道流量即為 井場的實時產(chǎn)氣量。因此，集氣管線的建設(shè)費用可以表示為長度和井場產(chǎn)氣量的函數(shù)。同 時，集氣站建設(shè)費用主要與其處理能力有關(guān)?？筛鶕?jù)以往的設(shè)計資料，采用最小二乘回歸等 方法得到集氣站建設(shè)費用與其處理量之間的函數(shù)關(guān)系。各開發(fā)年份集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用 最少的方案即為該年份的井組最優(yōu)劃分方案。其中，第t年的井組劃分目標(biāo)函數(shù)為：
[0030]
(I)
[0031] 式中:mt、m分別為頁巖氣田開發(fā)第t年的井場數(shù)目和集氣站數(shù)目；Clj為井場i到集 氣站j之間的集氣管線建設(shè)費用，元;C j為集氣站j建設(shè)費用，元;Llj為井場i到集氣站j之間 的集氣管道長j
km;K、γ均為系數(shù)，可根據(jù)以往的設(shè)計資料采 用最小二乘回歸等方法得到;Qj為集氣站j的日處理量，l〇4m3/d。
[0032] (2)建立約束條件
[0033] 井場隸屬關(guān)系約束：對于任一井場，有且只有一個集氣站與其相連;開發(fā)時間約 束：頁巖氣田開發(fā)年份的取值應(yīng)在第一批井場投產(chǎn)年份與所有井場進入穩(wěn)產(chǎn)期的年份之 間；集氣站處理量約束:任一集氣站的處理量上限和下限應(yīng)滿足處理所轄井場在各開發(fā)年 份的全部產(chǎn)量;集氣站所轄井場數(shù)目約束：單個集氣站所轄井場的最大數(shù)量;集輸半徑約 束:集氣管道長度應(yīng)不超過經(jīng)濟集氣半徑;集氣站站址約束:集氣站設(shè)在所轄井組的產(chǎn)量中 心，可表示為：
[0034]
[0035]式中：（Xi，yi)，（XjJj)分別為井場i和集氣站j的位置坐標(biāo);qi,t表示在開發(fā)年份t 時，井場i的產(chǎn)氣量;mt為開發(fā)年份t時的井場數(shù)量;δ?」為0-1變量，表不井場i與集氣站j的隸 屬關(guān)系，即當(dāng)k的值取1時，表示二者相連接;當(dāng)S lj的值取0時，表示二者不相連。
[0036]通過對模型的求解，可得到頁巖氣田各開發(fā)年份對應(yīng)的集氣站數(shù)量、站址及其與 井場之間的隸屬關(guān)系。各開發(fā)年份所需集氣站的數(shù)量如表2所示，頁巖氣田在開發(fā)第六年的 最優(yōu)集氣站站址及其與井場之間的隸屬關(guān)系如圖3所示。將獲得的2014-2030年之間各年最 優(yōu)集氣站站址進行匯總，如圖4所示。由圖4和表2可得，頁巖氣田全局所需最大集氣站數(shù)目 為8個，共計99個年度最優(yōu)集氣站站址。
[0037]表2頁巖氣田各開發(fā)年份所需集氣站的數(shù)量
[0038] 3、頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站站址的確定
[0039]根據(jù)獲得的頁巖氣田全局所需最大集氣站數(shù)目及99個年度最優(yōu)集氣站站址，采用 層次聚類法將99個年度最優(yōu)集氣站站址劃分為8個聚類簇，將每個簇的聚類中心作為頁巖 氣田全局最優(yōu)的集氣站站址。其具體步驟如下：
[0040] (1)建立分析樣本集
[0041] 將頁巖氣田各開發(fā)年份的最優(yōu)集氣站站址作為分析樣本集。
[0042] (2)建立距離矩陣
[0043]首先，每個集氣站被看成一個聚類簇。此時，兩個簇之間的距離即為兩個集氣站之 間的距離，任意兩簇之間的距離可表示為：
[0044]
[0045]式中，dki為第k號集氣站與第1號集氣站之前的距離；（xk，yk)、Ui，yi)分別為Xk、Yk 的坐標(biāo)，即為第k號和第1號集氣站站址;k、l分別為樣本的編號;N為樣本的數(shù)量。各集氣站 之間的距離矩陣為：
[0046]
[0047] (3)確定頁巖氣田全局最優(yōu)的集氣站站址
[0048]采用single-linkage聚類方法將頁巖氣田各開發(fā)年份的最優(yōu)集氣站站址劃分為8 個聚類簇，并將每個簇的聚類中心作為頁巖氣田全局最優(yōu)的集氣站站址，可表示為：
[0049]
[0050] 式中：為第j個簇的聚類中心的坐標(biāo)，即為第j個簇的全局最優(yōu)集氣站站址； ykJ為0-1變量，表示第k號集氣站與第j個聚類簇之間的隸屬關(guān)系，即當(dāng)?shù)闹等?時，表示 第k號集氣站隸屬于第j個聚類簇；當(dāng)Slj的值取〇時，反之。因此，確定8個全局最優(yōu)的集氣站 站址，如圖5所示。
[0051] 4、頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站與井場之間的隸屬關(guān)系優(yōu)化模型的建立
[0052]以頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站站址到井場之間的距離之和最短為目標(biāo)函數(shù)，選取井 場與集氣站的隸屬關(guān)系作為決策變量。在井場隸屬關(guān)系約束、集氣站處理量約束、集氣站所 轄井場數(shù)目約束以及集輸半徑約束等約束條件下，建立頁巖氣田全生命周期最優(yōu)集氣站與 井場之間的隸屬關(guān)系優(yōu)化模型。其具體步驟如下：
[0053] (1)建立目標(biāo)函數(shù)
[0054]基于已確定的8個全局最優(yōu)的集氣站站址，結(jié)合各井場位置，以最優(yōu)集氣站站址到 井場之間的距離之和最短為目標(biāo)函數(shù)，可表示如下：
[0055]
[0056]式中:m為全局集氣站的數(shù)目，η為頁巖氣田井場總數(shù)。
[0057] (2)建立約束條件
[0058] 井場隸屬關(guān)系約束:對于任一井場，有且只有一個集氣站與其相連;集氣站處理量 約束:任一集氣站的處理量上限和下限應(yīng)滿足處理所轄井場在頁巖氣全局的全部產(chǎn)量;集 氣站所轄井場數(shù)目約束:單個集氣站所轄井場的最大數(shù)量;集輸半徑約束:集氣管道長度應(yīng) 不超過經(jīng)濟集氣半徑。
[0059] 通過對模型的求解，得到頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站與井場之間的最佳隸屬關(guān)系， 如圖5所示。本發(fā)明所提供的頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法的流程如圖6所示。
【主權(quán)項】
1. 一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法，其特征是包含以下步驟： 步驟a、根據(jù)頁巖氣田先導(dǎo)性開發(fā)試驗獲得的探井生產(chǎn)動態(tài)曲線，采用冪律指數(shù)遞減法 或雙曲線遞減法得到相應(yīng)區(qū)塊單井的產(chǎn)量衰減特性曲線;根據(jù)各單井投產(chǎn)計劃安排和產(chǎn)量 衰減特性曲線，確定各井場產(chǎn)量衰減曲線； 步驟b、以頁巖氣田自投產(chǎn)以來各開發(fā)年份集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用最省為目標(biāo)函數(shù)，以 集氣站站址、井場與集氣站的隸屬關(guān)系作為決策變量;在井場隸屬關(guān)系約束、開發(fā)時間約 束、集氣站處理量約束、集氣站所轄井場數(shù)目約束、集輸半徑約束、集氣站站址約束等約束 條件下，建立頁巖氣田在不同開發(fā)年份的集氣站站址優(yōu)化模型； 步驟c、采用層次聚類法，將頁巖氣田各開發(fā)年份的最優(yōu)集氣站站址劃分為若干個聚類 簇，每個簇的聚類中心作為頁巖氣田全局最優(yōu)的集氣站站址； 步驟d、以頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站站址到井場之間的距離之和最短為目標(biāo)函數(shù)，以井 場與集氣站的隸屬關(guān)系作為決策變量;在井場隸屬關(guān)系約束、集氣站處理量約束、集氣站所 轄井場數(shù)目約束、集輸半徑約束等約束條件下，建立頁巖氣田全局最優(yōu)集氣站與井場之間 隸屬關(guān)系的優(yōu)化模型。2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法，其特征在于，步驟b 中所述的頁巖氣田集氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)費用包括集氣管線和集氣站的建設(shè)費用。3. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法，其特征在于，步驟b 和步驟d中所述的約束條件:井場隸屬關(guān)系約束是指對于任一井場，有且只有一個集氣站與 其相連;開發(fā)時間約束是指將頁巖氣田不同開發(fā)時期投產(chǎn)的井場都納入到相應(yīng)優(yōu)化模型 中；集氣站處理量約束是指任一集氣站的處理量上限和下限，應(yīng)滿足處理所轄井場在各開 發(fā)年份的全部產(chǎn)量;集氣站所轄井場數(shù)目約束是指單個集氣站可管轄井場的最大數(shù)量;集 輸半徑約束是指集氣管道長度應(yīng)不超過經(jīng)濟的集氣半徑;集氣站站址約束是指集氣站設(shè)在 所轄井組的產(chǎn)量中心。4. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種頁巖氣田井組劃分三級優(yōu)化方法，其特征在于，步驟c 中所述的層次聚類法采用single-linkage聚類方法。
【文檔編號】G06Q50/06GK106056252SQ201610414003
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】岑康, 鄭昕, 姚婷, 張優(yōu), 賈敏, 黃金明
【申請人】西南石油大學(xué)