摘要 氣田調(diào)峰是天然氣調(diào)峰的主要方式之一，但目前國內(nèi)關(guān)于天然氣產(chǎn)量配產(chǎn)優(yōu)化模型主要適用于中長期規(guī)劃和年度計劃優(yōu)化，而對于短期調(diào)峰產(chǎn)量優(yōu)化配產(chǎn)方面的研究尚不多見。為此，分析了氣田調(diào)峰生產(chǎn)的性質(zhì)及其對氣田全生命周期成本的影響，提出了產(chǎn)量波動指數(shù)，并以該指數(shù)衡量調(diào)峰生產(chǎn)的間接成本。在此基礎(chǔ)上，建立了以調(diào)峰生產(chǎn)期間的直接成本、間接成本最小為目標(biāo)的多目標(biāo)調(diào)峰配產(chǎn)優(yōu)化模型。該模型綜合考慮了氣田各區(qū)塊的產(chǎn)量和總需求量約束，其特點是可以形成氣田不同區(qū)塊、井組的配產(chǎn)，為實現(xiàn)調(diào)峰生產(chǎn)作業(yè)的配產(chǎn)提供指導(dǎo)意見和方案選擇。該模型采用自適應(yīng)遺傳算法求解，實例計算結(jié)果表明，其產(chǎn)生的一組Pareto解在綜合成本方面優(yōu)于其他方法配產(chǎn)結(jié)果，并且所提供的一組解能為決策者提供更多選擇，因而實用性強。
關(guān)鍵詞 氣田調(diào)峰 短期調(diào)峰 配產(chǎn)優(yōu)化 多目標(biāo)優(yōu)化 成本 產(chǎn)量波動指數(shù)Pareto 解集
2011年我國天然氣表觀消費量達(dá)l 290×108 m3，同比增長20．6％。隨著天然氣需求量的快速增長[l-2]，天然氣調(diào)峰成為天然氣供給中的一個重要課題。目前的調(diào)峰方式包括：地下儲氣庫調(diào)峰、氣田調(diào)峰、LNG調(diào)峰、用氣項目調(diào)峰、管道調(diào)峰等[3]。由于國內(nèi)其他幾種調(diào)峰設(shè)施及相關(guān)機制還不完備，氣田調(diào)峰便成為保障高峰期需求的主要方式之一。因此，有必要分析氣田調(diào)峰期產(chǎn)量的各項成本，在保障供應(yīng)的前提下，建立能在各區(qū)塊內(nèi)進(jìn)行配產(chǎn)優(yōu)化的模型，以保證和維護(hù)氣田綜合效益。
但是，目前國內(nèi)關(guān)于氣田產(chǎn)量優(yōu)化配置的研究主要集中在產(chǎn)量構(gòu)成優(yōu)化[4-7]方面，以產(chǎn)量、效益或成本為單獨優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合多年氣田實際開發(fā)數(shù)據(jù)，通過研究構(gòu)成產(chǎn)量與優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在一定投入產(chǎn)出約束條件下，建立優(yōu)化模型。但上述優(yōu)化模型僅僅適用于中長期規(guī)劃或年度計劃。而對于氣田短期應(yīng)急調(diào)峰生產(chǎn)，由于不發(fā)生新增投資，需求量也是一定的，主要的投入體現(xiàn)在成本方面，所以目前已有的優(yōu)化模型均不適用。本文針對這一現(xiàn)狀，通過研究氣田調(diào)峰各種成本，建立了氣田優(yōu)化配產(chǎn)模型。
1 氣田調(diào)峰生產(chǎn)的成本
1．1 氣田調(diào)峰生產(chǎn)的間接成本
氣田調(diào)峰的實質(zhì)是通過采用放大生產(chǎn)壓差等手段來提高單井產(chǎn)量，實現(xiàn)總量增產(chǎn)保障供應(yīng)，是一種破壞原有穩(wěn)定生產(chǎn)規(guī)律的做法。但天然氣開發(fā)與其他工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程不同，不穩(wěn)定生產(chǎn)大幅增加了對氣藏動態(tài)特征認(rèn)識的難度，并將在一定程度上影響氣田最終采收率。此外，因不穩(wěn)定生產(chǎn)需要實時調(diào)整開發(fā)方案、開采方式等，增加了工作量和工作難度。這些都構(gòu)成了氣田因調(diào)峰引發(fā)不穩(wěn)定生產(chǎn)的間接成本。這些間接成本并不一定在調(diào)峰當(dāng)期表現(xiàn)，而是分布在氣田整個生命期內(nèi)，難以度量。但這種間接成本的大小，與氣田產(chǎn)量的波動程度相關(guān)，因此提出氣田在時刻的產(chǎn)量波動指數(shù)St：
式中m表示氣田內(nèi)的區(qū)塊數(shù)量；St表示區(qū)塊在時刻的產(chǎn)量波動指數(shù)；qit表示區(qū)塊在時刻的產(chǎn)量。為降低因調(diào)峰生產(chǎn)引起的間接成本，氣田應(yīng)盡可能保持平穩(wěn)生產(chǎn)，即盡可能減小氣田波動指數(shù)St。
1．2 氣田調(diào)峰生產(chǎn)的直接成本
氣田調(diào)峰生產(chǎn)的直接成本變化體現(xiàn)在操作成本的變化上。受氣藏類型、氣體性質(zhì)、地理環(huán)境和開發(fā)階段、工藝技術(shù)不同的影響，不同區(qū)塊操作成本互不相同。因此，通常按照地質(zhì)單元或產(chǎn)能建設(shè)單元將氣田劃分成相對獨立的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)，并以生產(chǎn)作業(yè)區(qū)作為油氣成本核算單位，則對于同一作業(yè)區(qū)，天然氣物性、開采工藝等趨于相同，在特定研究期，有唯一的油氣成本值。
天然氣操作成本按規(guī)定由材料費、燃料費、動力費、生產(chǎn)人員工資、職工福利費、井下作業(yè)費、測井試井費、維護(hù)及修理費、天然氣凈化費、運輸費、其他直接費、廠礦管理費、自用天然氣產(chǎn)品等組成。根據(jù)天然氣操作成本性態(tài)分析，可將生產(chǎn)人員工資、職工福利費、廠礦管理費等不受產(chǎn)量變化影響費用歸集為固定成本，這部分成本不因產(chǎn)量變化而變化。將材料費中的化學(xué)藥品、燃料費、井下作業(yè)費、測井試井費、天然氣凈化費等與天然氣產(chǎn)量密切相關(guān)的費用歸集為可變成本[8]，可變成本隨著產(chǎn)量的增加而增加。由此可獲得氣田產(chǎn)量與成本的關(guān)系：
式中Ct表示氣田在t時刻的總操作成本；cit表示區(qū)塊i的操作成本；cfi表示區(qū)塊i的固定成本；cvi表示區(qū)塊i的變動成本。
氣田調(diào)峰生產(chǎn)時，一定階段內(nèi)總需求量和價格是確定的，因此在氣田不同區(qū)塊內(nèi)配產(chǎn)時，成本是決定當(dāng)期效益的直接指標(biāo)。
2 氣田調(diào)峰生產(chǎn)優(yōu)化模型
2．1 決策變量
由上述分析可知，調(diào)峰階段氣田內(nèi)各區(qū)塊的產(chǎn)量決定了氣田生產(chǎn)的直接成本和間接成本，所以采用氣田內(nèi)各區(qū)塊在t時刻的產(chǎn)量qti為決策變量。
2．2 目標(biāo)函數(shù)
氣田調(diào)峰生產(chǎn)一般是通過在現(xiàn)有區(qū)塊上增加產(chǎn)量保障供給，不涉及新增投資，所以本文以滿足一定產(chǎn)量需求下的成本最低為模型優(yōu)化目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)以上對調(diào)峰生產(chǎn)間接成本、直接成本的分析，提出氣田調(diào)峰生產(chǎn)中的優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)如下：
式(3)～(5)構(gòu)成優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，該函數(shù)以氣田產(chǎn)量變化幅度最小和氣田成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，從而控制了因調(diào)峰生產(chǎn)發(fā)生的間接成本和直接成本。
2．3 約束條件
氣田調(diào)峰生產(chǎn)的目的是為了滿足特定需求量，同時，還要考慮各個區(qū)塊實際生產(chǎn)能力。因此，本模型的約束條件為：
式中Dt表示調(diào)峰期需求總量；Qi表示區(qū)塊的實際最大生產(chǎn)能力。
2．4 模型求解方法
以上建立的模型是一個具有多變量多約束的多目標(biāo)優(yōu)化問題(Multi-object programming，MOP)。MOP問題求解的難點在于：大多數(shù)情況下，各子目標(biāo)可能是相互沖突的，需要權(quán)衡和折中處理，由此得到的解是一組均衡解，即Pareto最優(yōu)解。Pareto最優(yōu)解的定義為：在決策空間Ω中，對于任意解x，不存在x＇∈Ω，使得F(x＇)=[f1(x＇)，f2(x＇)，…，fk(x＇)]優(yōu)于F(x)=[f1(x)，f2(x)，…，fk(x)]，則稱x為Ω上的Pareto最優(yōu)解[9-10]。
遺傳算法(Genetic Algorithm，簡寫為GA)是一種模擬生命進(jìn)化機制的搜索方法，通過模擬生物演化過程，從一個初始種群出發(fā)，不斷重復(fù)執(zhí)行選擇、交叉和變異操作，使種群進(jìn)化越來越接近某一目標(biāo)，從而獲得最優(yōu)解或滿意解。由于遺傳算法具備高度并行性，能很好地逼近非凸性或不連續(xù)的均衡曲線和曲面的能力，成為求解多目標(biāo)優(yōu)化問題應(yīng)用較多的搜索算法。本文采用自適應(yīng)遺傳算法[11]求解模型的Paret0前沿。
3 應(yīng)用實例
A氣田6個主要區(qū)塊某年8～10月平均產(chǎn)氣量為7 917×104 m3／月，預(yù)計11月至次年3月凈需求量為9 600×104 m3／月，6個區(qū)塊的月固定成本、可變成本及最大產(chǎn)量、8～10月的月產(chǎn)量數(shù)據(jù)如表1所示。
如果各區(qū)塊按需求增長量同一比例增長配產(chǎn)，則每個區(qū)塊增長產(chǎn)量21．25％，調(diào)峰期氣田滿足需求9 600×104 m3的總操作成本為1 413萬元／月，氣田產(chǎn)量波動指數(shù)為21．25。
筆者根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立各區(qū)塊產(chǎn)量、成本關(guān)系，根據(jù)需求總量、區(qū)塊標(biāo)定產(chǎn)能建立優(yōu)化模型，利用自適應(yīng)遺傳算法求解，結(jié)果如表2所示。
表2給出模型的Pareto解集，該解集包含5個Pareto解，這5個解滿足約束條件，總操作成本介于1 395～1 403萬元／月，產(chǎn)量波動指數(shù)在14．3～15．6范圍內(nèi)，均優(yōu)于按同比例增長方案。決策者可以根據(jù)各區(qū)塊實際情況，在上述解中選取一組進(jìn)行調(diào)峰配產(chǎn)。
4 結(jié)論
1)本文對氣田短期調(diào)峰生產(chǎn)的直接成本、間接成本進(jìn)行分析，建立了綜合考慮氣田生命周期生產(chǎn)成本和調(diào)峰期成本的多目標(biāo)優(yōu)化模型，對氣田調(diào)峰產(chǎn)量優(yōu)化有實際意義。與以往的調(diào)峰期增產(chǎn)集中在成本較低的區(qū)塊，或產(chǎn)量基數(shù)大的區(qū)塊的做法相比，建立的優(yōu)化模型綜合考慮了以上兩個因素，避免了對低成本或高產(chǎn)量區(qū)塊的集中過度開發(fā)，對延長整個氣田的穩(wěn)產(chǎn)期有較大意義。
2)對模型求解獲得一組Pareto解，與傳統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化模型獲得一個解相比，能為決策者提供更多選擇，決策者可以根據(jù)實際情況及決策偏好進(jìn)行決策，大大增加了優(yōu)化模型的實用性。
3)利用自適應(yīng)遺傳算法能很好地求解建立的多目標(biāo)優(yōu)化模型的Pareto前沿，但由于該模型變量為實數(shù)變量，如何提高算法穩(wěn)定性是今后要重點研究的問題之一。
參考文獻(xiàn)
[1] 中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院．2011年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2012：143．
[2] 王亞莉，孔金平．天然氣開發(fā)投資現(xiàn)狀分析及政策建議[J]．天然氣工業(yè)，2009，29(9)：110-112．
[3] 朱紀(jì)憲，靳鳳蘭．不同天然氣調(diào)峰方式經(jīng)濟(jì)比選研究[J]．石油規(guī)劃設(shè)計，2011，22(1)：16-19．
[4] 鄧勇，劉志斌，陸燕妮．天然氣開發(fā)五年規(guī)劃產(chǎn)量分配優(yōu)化模型研究[J]．鉆采工藝，2005，28(6)：43 45．
[5] 鄧勇，劉志斌，陸燕妮．天然氣開發(fā)規(guī)劃產(chǎn)量構(gòu)成優(yōu)化模型及其應(yīng)用[J]．天然氣工業(yè)，2006，26(1)：149-152．
[6] 趙金洲，盧立澤，劉志斌，等．氣田開發(fā)規(guī)劃產(chǎn)量分配優(yōu)化模型及其應(yīng)用[J]．天然氣工業(yè)，2004，24(9)：86-89．
[7] 馮曦，鐘兵，劉義成，等．優(yōu)化氣井配產(chǎn)的多因素耦合分析方法及其應(yīng)用[J]．天然氣工業(yè)，2012，32(1)：53-56．
[8] 茍建宏．長慶油田采氣一廠天然氣成本趨勢預(yù)測研究[D]．東營：中國石油大學(xué)(華東)，2009．
[9] 鄧勇，劉志斌，陸燕妮．自適應(yīng)遺傳算法在氣田開發(fā)規(guī)劃產(chǎn)量分配優(yōu)化模型中的應(yīng)用[J]．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2006，25(3)：45-47．
[10] 王武，常毓文，曲德斌，等．產(chǎn)能建設(shè)項目兩目標(biāo)優(yōu)化模型及改進(jìn)的蟻群求解算法[J]．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2010，29(3)：84-88．
[11] 李豐，常毓文，楊仕敏，等．油田開發(fā)產(chǎn)能建設(shè)項目的收益——風(fēng)險目標(biāo)優(yōu)化模型[J]．石油學(xué)報，2008，29(3)：427-430．
