基于水供应链视角的页岩气开发中水资源优化配置与管理研究

Shale gas industry has been included in China’s strategic emerging industries. However, the enormous consumption of water resources during hydraulic fracturing becomes the bottleneck of shale gas production. On the one hand, the main shale gas areas in China are located near populous areas or areas suffering from acute water shortage, where water scarcity is an increasingly serious problem. On the other hand, there is a lack of efficient water allocation in the process of shale gas exploration, which intensifies water scarcity. Hence, it is imperative to pursue research in optimum management of the water resources related to shale gas exploration and production..Based on the practices of shale gas exploitation in Hefeng, Laifeng and Xianfeng shale gas areas in Hubei province, this study provides systemic optimization for water supply chains and hydraulic fracturing operations, using the mixed-integer linear programming model and mixed-integer linear fractional programming model and the state-task network (STN). We present three global optimization algorithms for computing these mixed-integer programming models and select the optimal one. By analyzing the computational results, this study aims to provide optimization model for water management. It will evaluating the overall performance of the models from the aspects of water resources distribution, cost-benefit issues and production operations..This study optimizes both water-use efficiency and economic performance in producing shale gas. It is of crucial importance for sustainable development of the shale gas industry in China.

页岩气开发已被纳入我国战略性新兴产业，但水力压裂开采对水资源的巨大消耗已成为制约页岩气产业发展的瓶颈。一方面，我国主要页岩气区临近人口聚集或严重缺水的区域，水资源紧张状况较为突出。另一方面，页岩气开采的水资源利用缺乏合理配置和规划，加剧了水资源的紧张。因此，开展页岩气开发的水资源优化管理研究势在必行。.本课题根据湖北鹤峰和来凤咸丰页岩气区开发实践，运用混合整数线性规划和混合整数线性分式规划模型，并结合状态任务网，系统地优化水供应链网络和开采作业规划。采用三种全局优化算法对已构建的混合整数规划模型进行计算，并选取最优算法。通过分析计算结果，从水资源优化配置、成本收益及开采作业规划多维度评估模型的综合表现，提出页岩气生产过程中水资源管理的最优模式。.本研究不仅有利于水资源高效利用，而且有助于提升页岩气开发的经济效益，这对推动我国页岩气产业的可持续发展具有重大的理论和应用价值。

作为一种储量丰富的非常规天然气资源，页岩气在我国虽有着巨大的经济潜力及环境效益，但水力压裂开采对水资源的大量消耗已成为制约页岩气产业发展的瓶颈。一方面，我国主要页岩气产区多位于人口聚集或严重缺水的区域，水资源紧张状况较为突出。另一方面，目前国内页岩气开采的水资源利用缺乏合理的规划，更加剧了水资源的紧张。因此，开展页岩气开发过程中的水资源优化管理研究势在必行。本课题根据湖北省鹤峰和来凤咸丰页岩气区的开发实践，运用混合整数线性规划和混合整数线性分式规划模型，并结合状态任务网，寻求系统地优化水供应链网络和开采作业的方法。.本项目解决了以下关键科学问题：首先，本项目构建了适宜的模型（基于混合整数线性规划模型和混合整数线性分式规划模型）实现了同时优化水供应链的经济效益和水资源的利用效率。此外，本项目比较了混合整数线性规划模型和混合整数线性分式规划模型在水资源优化管理、成本收益等方面的表现，优选了适用于页岩气实际生产过程中的水资源优化模型，确定了求解混合整数规划模型的算法，从而简化了求解过程、提高了算法精确度和计算效率。.本项目基于不确定性条件（包括水源供给的时间不确定和页岩气生产收益随时间变化不确定），建立了页岩气生产周期中的水供应链优化模型和水资源高效配置的全局规划。根据以上总体目标，本项目进一步实现了如下三个具体目标：1. 通过分析页岩气开发中淡水获取、水的运输及废水处理等主要水供应链环节，构建整个水供应链中所发生总成本的评估体系；2. 综合运用混合整数线性规划模型和混合整数线性分式规划模型，实现页岩气开发全过程中生产利润及单位水消耗所获利润的最大化；3. 对水资源配置、页岩气开发作业及作业进程进行规划协调，建立页岩气开发中水资源优化管理的新机制。.本项目的研究结果未来可用于页岩气开发工程的实践中，这对我国页岩气开发中的水资源优化配置和高效利用及当地水资源的保护都具有重要的应用价值。