气田加密部署及井网优化研究进展

冷吉辉，廖柯熹，徐明军，何国玺，刘 鑫，彭 浩

（西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500）

气田地面工程优化设计包含加密井部署、管网拓扑布局等。集输管网是油气田开发生产的重要组成部分[1]。随着气田的逐年开采，单井气量逐渐减少，压力也会随之降低，气田采收率降低，储量动用程度减小，使地面集输系统适应性逐渐变差，影响地面集输管线系统的安全性及气田的综合开发效益[2-3]。

目前，国内外学者针对加密井部署、管网拓扑优化两方面已经进行了大量的研究，在各自领域获得了显著的成果。在此，将加密井部署、管网拓扑优化两方面国内外研究现状进行梳理划分，总结各自领域的主要研究方向与方法，并指明下一步研究的难点与发展趋势。

1 加密井部署

加密井部署是对气压不足的井网实施打新井措施进行管网调整，将新老井统一运行，增加气田产气量、提高采收率的有效方法。提高采收率是我国低渗气田稳产期间面临的核心问题，确定合理的加密井方案是提高采收率与储量动用程度的关键[4]。经过多年持续攻关，我国形成了甜点区筛选、储层改造、井型井网优化等一系列关键开发技术，实现气田规模效益开发[5-7]。加密井部署是改善气田开发效果的关键[8]，目前国内外存在多种加密井部署的开发方式，且技术成熟应用于规模各异的气藏。20世纪40年代，M.Muskat[9]首次对油气领域井网的渗流机理开展研究。20世纪50年代末，有学者提出“稀井网大压差”的实际生产方法，但是没有成功。20世纪90年代，齐与峰[10]提出了几个适应合理开发的井网系统理论，程林松等[11]开始了水平井井网开采的研究。上述学者逐步引领井网开发的研究领域，为后续的研究奠定了基础。

1.1 数值模拟与智能算法结合

近年来，随着计算机技术的快速发展，智能算法的应用已经逐步走进各个领域，国内外部分学者将不同的模型、智能算法与数值模拟相结合，应用于加密井方案部署研究中，在油气田开发规划中起到了巨大的促进作用。A.Salmachi等[12]以经济最优为目标函数，运用遗传优化算法和构建流动模拟器综合框架获得最佳加密井数量和井位，收到较好效果，但方案中水处理的成本占主导因素，其成本高低对区块加密井的布置方案影响较大。H.Darabi等[13]采用混合遗传算法优化技术和基于多重算法和神经网络的辅助函数，同时运用模糊推理系统解决基于稀缺数据构建的数值模型模拟不准确的问题，使井位优化结果更具有可靠性。W.Al-Mudhafar等[14]建立精确的储层模型，运用电子表格和自适应遗传算法进行优化，找出加密井的最佳数量和位置。智能算法的应用为学者们研究节省了大量的工作时间，尽管智能算法计算结果与手动方法获得的结果类似，但结果的准确性可以进一步优化。同时，部分智能算法也存在收敛速度慢、局部搜索能力差、易陷入局部最优解的缺点，需要结合不同的算法对单一算法的性能做一步优化改进。

1.2 数值模拟与评价方法结合

针对气田评价方面的考虑，应用多种评价方法与评价指标，结合建模、数值模拟的方法，对加密井部署方案进行优化，取得了一定的成果与经济效益。周学民等[15]运用经济评价方法、定单井产能法、合理采气速度法、丰度计算法分别进行对比分析，运用数值模拟的方法，确定合理的加密井距。李跃刚等[16]首次提出了井间干扰概念，联合砂体解剖、数值模拟、经济评价等方法，最终给出了采收率与井网密度之间的定量描述数学模型。贾爱林等[4]结合储量动用程度评价，构建了加密井开发评价指标，结合地质模型、数值模拟、加密井试验数据验证来综合确定气田的井网密度。文献[15-16]均基于评价方法考虑井间干扰的影响，确定合理的井网密度，实现气田较高的采收率。

1.3 数值模拟和其他方法结合

应用数值模拟与数学分析、地质模型、实验设计相结合，对加密井优化部署做进一步深入分析。运用统计数据找到加密井的关键因素之间的线性关系。唐玉林等[17]研究发现，部分储层渗透率与单井排泄半径存在双对数关系，并且在此基础上提出井距为相邻两井排泄之和的初步井网方案，结合高渗区储量及丰度，进行加密井网布置。此研究提出了一种井网合理布置的新思路，对高渗区气藏具有一定的借鉴价值，但优化因素考虑较少，且在低渗气藏中适应性较低。

由于普通地质模型与实际气田差异大，拟合工作较难，从而建立新的模型进行研究。姜艳东等[18]基于气井试井资料建立阻流带模型，克服了普通地质模型与实际气田差异大的缺点，使历史拟合工作变得更加容易，并以此来设计加密井井位部署方案，提高气田的采收率。此模型可以比较精确地计算剩余气分布，给老气田开发提供科学依据，但并不是所有的井都存在阻流带，需结合井间干扰分析结果，对部分井间连通区域进行修改。还有学者提出数值模拟与实验设计相结合的方法。A.O.Arinkoola等[19]基于数值模拟和UD实验设计量化加密井位置的不确定性，结合压力和饱和度图来确定加密井位置及其在储层中的最佳位置，该方法直观、简单，在评估加密时机和选择加密井位置中，具有很好的借鉴价值，但该方法也存在一些不确定因素，调整后才能使结果更好的匹配。

2 地面管网优化

集输管网是气田地面工程的重要组成部分，包括老区加密井网、新井管网等部分。集输管网优化直接影响投资费用、输送耗能甚至生产安全[20]。国内管网系统中，整个集输管网的建设费用为集输系统的50%～80%，在投资成本上有很大的节约空间[21]。因此，管网优化一直是油气田集输系统中的工程难题。管网优化不合理，会导致管理不方便、运行效率低、经济费用高等问题产生。

20世纪中叶，有部分发达国家已经开始了管网优化方面的研究，由于管网连接规模较大，人工计算的方式不可行，需要结合机器学习进行管网优化。20世纪60年代初，美国管道公司与国际商业机器公司合作，对输气管网进行模拟与优化[22]。随着计算机技术在生活中的迅速发展，20世纪70年代初，A.P.Cheeseman[23]运用管网优化软件，结合计算机技术初步实现了管网布局优化，但是并没有采用更好的方法与模型，只能使部分参数达到最优值。

2.1 模型优化

针对前期管网优化程度较低的问题，通过建立优化模型的方法，分别对不同的参数施加约束，进行求解。T.F.Edgar等[24]综合考虑管线参数、压缩机站进出站参数等建立模型，运用广义降阶梯度法求解，提高了管道的设计质量和效率。文献[25-26]采用动态规划方法实现管网压力优化，虽均已达到了优化的目的，但是动态规划存在运算量随着变量数目呈指数型增长的缺点，耗费时间较多。文献[27-28]基于确定的网络拓扑关系，建立优化模型，编写程序结合计算机技术进行求解，以压力、温度为约束条件，构造目标模糊优化模型，解决动态决策问题，均具有很好的应用价值。模型构建是管网拓扑优化的难点，上述管网模型优化对后续的研究具有非常重要的促进作用，但不足之处是停留在寻求管网优化下的局部最优解，还未走向全局最优解，需建立优化程度和适应性更高的优化模型进行计算，这也是研究的难点[29]。

2.2 分级优化

在寻求最优解的研究进程中，诸多学者运用分级优化法处理气田集输工程中较为复杂的管网结构。S.Bhaskaran等[30]将管网布局问题分为系统布局、节点位置与直径分派三个子问题，采用线性规划方法对直径分派问题进行研究分析，这种方法为分级优化方法解决管网优化问题提供了思路。王洪元等[31]采用分级优化法，提出管网布局和运行参数的优化方案，通过仿真计算得出优化结果。在研究过程中发现，分级优化的方法在煤层气集输工艺中适应性很强。蒋洪等[32]进行煤层气集输管网优化研究时，应用分级优化方法，在工程实践中得到了很好的应用结果。王菲菲等[33]运用分级优化方法进行煤层气井组划分时，采用Prim算法和改进的遗传算法分别对管网布局和运行参数进行优化。分级优化法将管网优化问题分为布局和参数两个子问题进行求解，寻求各自的最优解，工程适应性强，但也容易陷入局部的最优解。

2.3 算法优化

随着科学技术的迅速发展，遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、粒子群算法、禁忌搜索算法等的涌现，给管网优化系统带来了一场技术革命。学者们灵活运用这些算法及混合算法，结合评价方法和数学模型等，给管网优化问题提供了独特的技术手段，也迈进了全局最优解的优化领域。H.M.Shau等[34]以经济费用最低为目标提出一种适应管网优化的遗传算法，为管网设计优化算法提供一种新的思路与看法。魏立新[35]针对分级优化方法容易陷入局部最优解的不足，采取一种混合遗传模拟退火算法，对多个目标优化设计函数进行求解，简化复杂管网问题。2012年，E.C.Marcoulaki等[36]考虑管网系统的建造、运行、维护等方面建立混合整数非线性优化模型，运用模拟退火算法，以优化管网中的管线参数。A.Demissie等[37]为不同管网结构建立数学模型，采用NSGA-II执行模型的优化，得出一组帕累托最优点，决策者可从中选择特定的优选解。智能算法收敛速度快、寻优能力强、适应性广，大大促进了管网优化的发展进程，但也有部分算法存在稳定性不高、易陷入局部最优等缺点，使智能算法的改进和混合应用还有待完善和发展。

2.4 三维地形管网优化

存在障碍、地形起伏的三维环境下，二维平面管网布局方法已不适用，使管网优化不得不向三维优化方向发展，目前国内尚处于起步阶段。周军等[38]以气田管网为基础，运用最小生成树算法完成平面枝状结构布局，采用曲面函数表征三维地形寻找曲面最优路径。房东[39]通过GIS软件得到气田的三维地形数据，约束管网压降、温降等建立总费用最优数学模型，运用自适应算法对模型进行求解。刘钊等[40]针对三维环境下管道寻优问题，分析了遗传算法中适应度函数形式对求解效果的影响，通过Java语言实现模型求解。相比二维平面管网布局优化，三维管网寻优需考虑地形起伏的影响，使管网布局增加了空间维度约束和理论难度，是管网布局优化的难点问题，国内相关研究成果较少。

3 结论及展望

（1）将国内外研究成果按研究内容和方法进行了梳理划分，明确指出了加密井部署、管网拓扑优化方面的难点和发展方向。

（2）国内外对常规天然气加密井部署的研究已形成比较成熟的技术和方法，但加密井部署方案中还存在算法改进和井网密度确定的难点，同时加密井技术在非常规页岩气田领域中，存在井眼轨迹精度高、水平段长、井间距短、井间干扰等诸多难点，需开展进一步研究。

（3）结合数值模拟方法，从不同的创新方法角度，对加密井部署提出可行的研究思路和改进方案，是开展加密井部署深入研究的难点。

（4）改进和开发能克服稳定性差、收敛性差、易陷入局部最优解等缺点的智能算法迫在眉睫。同时，三维地形管网布局研究在国内处于尚起步阶段，如何考虑三维地形起伏与障碍的影响，建立管网优化模型寻求路径最优，是目前国内研究的难点，也是未来的发展方向。