一种基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法

技术领域

本发明涉及页岩气开采技术领域，具体为一种基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法。

背景技术

页岩气是一种重要的非常规能源，页岩气革命推动能源结构的变化，引起世界各国的重视；页岩气具有产能快速衰减的非常规特性，为了维持产量的稳定，常常采用滚动开发方式。天然气供应链是连接上游资源生产、中游产品运输和下游市场销售的有机组合复杂系统。上游资源生产形式多样，包括内陆气田生产(PNG)、海上天然气生产(PNG)、国外管道气进口(PNG)、液化天然气进口(LNG)、压缩天然气(CNG)及天然气合成油(GTL)等，由于不同生产方式导致生产成本差异较大；中游相应的有管道、轮船、槽车等多种运输方式，不同运输方式存在各自的经济范围，且输送路径影响输送成本；下游市场销售客户主要是发电、工业用气、商业用气和居民用气，不同用气客户在用气方式和用气量上存在差异，具有不均衡性，从而导致需求量和购买价格具有波动性。

天然气供应链的高效运行是油气能源安全的重要保障，是全球科学研究的热点。然而，天然气供给链系统具有供需不平衡、需求波动大、运输方式多样、运输工具灵活等特点，给天然气供应链系统的优化带来了难度。供应链规模和沿线用户数量的不断增加，市场需求不断变化，供应通道的不断连通，意味着油气输送路径的多样化，且不同输送路径的输送费用是不一样的，形成了多源多汇多途径的复杂供应链。天然气供应链高效运行的核心要求是根据用户需求情况确定供应链各个环节的配送方式、配送路径和配送量，使得系统维持最佳效益。然而，大部分已有研究没有将气田生产规划与供应链优化设计耦合起来，不能很好解决问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法，解决了页岩气田供应链设计过程中产能规划和供应链脱节的问题。为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法，包括以下步骤：

S1：处理前获取模型所需要的基础参数；

S11：气井信息：所研究区块气井的产能预测曲线；

S12：地理信息：区块与市场的空间距离；

S13：经济信息：管道建设价格，PNG、LNG、CNG的制备价格、运输价格，不同下游企业不同时期下对PNG、LNG、GTL的需求量及市场价格；

S2：运行求解：模型所求解主要决策变量；

S21：生产状态：所研究区块所有气井在不同时期下的开井和关井状态；

S22：产能规划：所研究区块所有气井在不同时期下的井口产气量、PNG、LNG、CNG产量；

S23：运输方案：所研究区块所有气井在不同时期下到不同市场的PNG、LNG、CNG运输量；

S24：经济费用：所研究气田不同时期下的净现值，所有区块不同时期下的油气产品生产及运输的费用、销售收入；

S3：模型假设：

S31：气田生命周期被划分为一系列等长的离散单位时期，在单位时期内认为气井的生产能力是固定值；

S32：本阶段侧重于战略层面上供应链的设计，暂时不考虑区块内部的设备调度与管网设计；

S4：目标函数：以全开发周期内利润净现值最大为目标函数；

S5：约束条件；

S51：经济费用约束；

S52：市场需求约束；

S6：后处理。

优选的，所述S1处理前获取模型所需要的基础参数时，可采用互联网获取和手动录入。

优选的，所述基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法在实施时需要用到数据加密系统，所述数据加密系统包括中央处理器。

优选的，所述中央处理器连接有数据存储模块，所述数据存储模块连接有数据获取模块。

优选的，所述中央处理器连接有加密机。

优选的，所述中央处理器连接有防火墙，所述防火墙连接有中心交换机。

优选的，所述中央处理器分别连接有云端服务器和移动终端

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)、该一种基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法及装置，通过建立MILP模型来求解页岩气供应链优化设计问题，所提出的模型将气田产能规划和供应链优化设计相耦合，考虑了不同的天然气产品形式，以总收益净现值最大为目标函数，包括经济费用约束、市场需求约束、管道建设约束、气井产能约束和气井生产状态约束，该模型可以转化为MILP数学模型，其中所有约束和目标函数都是线性的，因此可通过基于分支定界算法的商业MILP模型求解器GUROBI来求解，该算法是全局最优解的搜索算法，从而可以获得全开发周期下页岩气产能规划和供应链的最优设计方案，使用发明所得出的优化分配方案能够提高生产效率、降低生产成本。

(2)、该一种基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法，通过所述基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法在实施时需要用到数据加密系统，所述数据加密系统包括中央处理器，所述中央处理器连接有数据存储模块，所述数据存储模块连接有数据获取模块，所述中央处理器连接有加密机，所述中央处理器连接有防火墙，所述防火墙连接有中心交换机，所述中央处理器分别连接有云端服务器和移动终端，达到了便于对数据进行加密的目的，避免数据的泄露，保证数据的安全。

附图说明

图1为本发明操作步骤的结构框图；

图2为本发明系统原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法，包括以下步骤：

S1：处理前：模型所需要的基础参数；所述S1处理前获取模型所需要的基础参数时，可采用互联网获取和手动录入。

S11：气井信息：所研究区块气井的产能预测曲线；

S12：地理信息：区块与市场的空间距离；

S13：经济信息：管道建设价格，PNG、LNG、CNG的制备价格、运输价格，不同下游企业不同时期下对PNG、LNG、GTL的需求量及市场价格；

S2：运行求解：模型所求解主要决策变量；

S21：生产状态：所研究区块所有气井在不同时期下的开井和关井状态；

S22：产能规划：所研究区块所有气井在不同时期下的井口产气量、PNG、LNG、CNG产量；

S23：运输方案：所研究区块所有气井在不同时期下到不同市场的PNG、LNG、CNG运输量；

S24：经济费用：所研究气田不同时期下的净现值，所有区块不同时期下的油气产品生产及运输的费用、销售收入；

S3：模型假设；为了提高建模和求解效率，进行了以下假设：

S31：气田生命周期被划分为一系列等长的离散单位时期，在单位时期内认为气井的生产能力是固定值；

S32：本阶段侧重于战略层面上供应链的设计，暂时不考虑区块内部的设备调度与管网设计；

S4：目标函数

净现值是评估项目获利能力的重要技术经济指标，因此，以全开发周期内利润净现值最大为目标函数；

S5：约束条件；

S51：经济费用约束

t时期的现金流(CFt)包括销售收入、生产费用、运输费用和管道建设费用，具体由十部分组成：出售合格PNG所获收益(Revpngt)、出售合格LNG所获收益(Revlngt)、出售GTL所获收益(Revgtlt)；生产合格PNG的费用(CostPpngt)、生产合格LNG的费用(CostPlngt)、生产合格GTL的费用(CostPgtlt)；PNG的运输费用(CostTpngt)、LNG的运输费用(CostTlngt)、GTL的运输费用(CostTgtlt)、管道建设费用(CostPipet)；

t时期出售合格PNG所获收益(Revpngt)等于各个市场的销售之和，即PNG数量(Epngi，g，t)与出售价格(ppngg，t)乘积的总和，δt是t时期的工作天数；

同理，出售合格LNG所获收益(Revlngt)和出售GTL所获收益(Revgtlt)分别由下式得到：

t时期生产合格PNG所需费用(CostPpngt)等于各个区块的生产费用之和，即PNG数量(Epngi，g，t)与生产价格(cpngi，t)乘积的总和，δt是t时期的工作天数；

同理，生产合格LNG的费用(CostPlngt)和生产合格GTL的费用(CostPgtlt)分别由下式得到：

t时期运输合格PNG所需费用(CostTpngt)等于各个区块到各个市场的输送费用之和，即PNG数量(Epngi，g，t)与运输价格(tpngi，g，t)及距离乘积(di，g)的总和，δt是t时期的工作天数；

同理，LNG的运输费用(CostTlngt)和GTL的运输费用(CostTgtlt)分别由下式得到：

管道建设费用取决于管道规格和管道长度，Bpipei，g，k，t是建设管道判别二元变量，如果t时期从区块i到市场g新建设直径为k的管道，则Bpipei，g，k，t＝1，否则Bpipei，g，k，t＝0，只有当管道是新建设的时候才需要计算管道建设费用；

S52：市场需求约束：

气田天然气合格产品要满足市场需求约束，t时期气田总合格PNG产量等于各区块的PNG产量，且大于最小市场需求，小于最大市场需求；

同理，LNG和GTL满足同样市场需求约束：

气田各区块t时期井口总产气量(Fsi，t)等于区块内各气井产气量(Fwi，w，t)之和；

气田各区块t时期各种产品的原料之和等于区块井口总产气量；

管道建设约束：

i区块到g市场只有不存在初始已建管道时，才能建设新管道，且新建后可用管道的规格唯一；

管道一旦建设好处于可用状态则一直都可用；

管道建设需要一定时间(tp)，最少建设时间之前没有新建好的可用管道，如果要进行PNG输送，只能通过已有的管道，否则无法输送；

最少建设时间之后，如果进行PNG输送，可能是通过已有管道或者是新建的管道；

管道输送的油气井产物流量需要保持在一个限制的范围之内，管道输送能力没有下限限制，因为直径较大的管道也可以输送较少的流体，模型首选直径较小的管道，以降低成本；

S6：后处理：

钻井压裂后气井就具备了一定的生产能力，且随时间发生变化，可用产能曲线用来表征气井的生产能力，随着时间的推移，气井产能发生衰减，为了保证市场需求及获得最大收益，需要制定最优生产计划来进行接替生产，页岩气气井具有明显的快速衰减特征，开发后短时间内生产能力便会急剧下降，不利于气田的稳定生产，需要不断开发新的气井来弥补产量的衰减，需要注意的是，此处以页岩气产能曲线为例进行说明，但本文所构建模型对产能曲线的衰减形式没有特殊限定，模型也可用于描述煤层气、致密气及常规天然气；

气田区块只有在生产时间范围内才能生产天然气。本文定义布尔变量Yopeni，w，t’来确定区块i气井w开始生产天然气的时期t’，toi，w为该气井产能曲线的生产时间跨度，[t’，t’+toi，w]为该气井的生命周期，在此区间，气井产量不大于产能预测曲线；

可通过定义二元变量Bopeni，w，t将上述数学析取模型转化为混合整数线性规划模型，定义Bopeni，w，t是气井开始生产判别二元变量，如果气田区块i气井w在t时期开始生产，则Bopeni，w，t＝1，否则Bopeni，w，t＝0，因此，当布尔变量Yopeni，w，t为真时，Bopeni，w，t＝1，否则Bopeni，w，t＝0；

每一个区块的气井在气田生命周期内最多且只能选择某个确定时期t’开始生产。

气田区块只有在生命周期内才能生产天然气，当气井在时期t’开始生产时，先前时期产气量为0；

上式中fmaxi，w是区块i气井w生命周期内的最大生产能力，可从产能曲线获得，需要注意的是，上式当Bopeni，w，t＝0时，约束被松弛；

同理，当气井在生命周期[t’，t’+toi，w]完成生产，后续时期将无法继续生产天然气，因此后续时期产气量为0；

生产时期内，井产产量小于产能预测曲线的最大产量；

如果到t时期时仍未开井生产，则t时期及之前该井无流量；

每一个区块的气井在气田生命周期内最多且只能选择某个确定时期t’开始生产。

符号说明

为了便于读者阅读及理解，模型中所涉及的参数均用以小写字母开头的符号表示，变量则用以大写字母开头的符号表示。

索引和集合

已知参数

连续决策变量

整数(离散)决策变量

所述基于最优生产规划的页岩气田供应链设计方法在实施时需要用到数据加密系统，所述数据加密系统包括中央处理器，所述中央处理器连接有数据存储模块，所述数据存储模块连接有数据获取模块，所述中央处理器连接有加密机，所述中央处理器连接有防火墙，所述防火墙连接有中心交换机，所述中央处理器分别连接有云端服务器和移动终端。

达到了便于对数据进行加密的目的，避免数据的泄露，保证数据的安全。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。