油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究

崔鵬楊志淑姬磊磊

(1長(zhǎng)慶油田采油三廠 寧夏銀川 7500062長(zhǎng)慶油田采油九廠 寧夏銀川750006)

前言

在實(shí)際的油田地面集輸管網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中，積極地對(duì)油田地面集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化對(duì)于降低地面集輸管網(wǎng)的整體建設(shè)成本、減少相關(guān)轉(zhuǎn)油站以及管材的資金投入具有重要作用，通過(guò)油田地面集輸管網(wǎng)的優(yōu)化技術(shù)，不僅能夠提高企業(yè)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，更利于節(jié)能降耗的實(shí)現(xiàn)[1]。

一、現(xiàn)代油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化的內(nèi)涵

作為相關(guān)伴生氣以及原油的運(yùn)輸通道，油田地面集輸管網(wǎng)將油庫(kù)、功能站和工藝管道連為一體。由于油田地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)在整個(gè)油田地面建設(shè)成本中占據(jù)了較大比重，故積極的引進(jìn)和應(yīng)用管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)來(lái)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分必要。同時(shí)，現(xiàn)代油田地面技術(shù)管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作綜合性強(qiáng)，除了相關(guān)的數(shù)學(xué)以及工程理論，還涉及計(jì)算機(jī)等技術(shù)的應(yīng)用。對(duì)油田的集輸管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)地下、地面情況和油田性質(zhì)，通過(guò)科學(xué)的方法最大程度的滿(mǎn)足油田開(kāi)發(fā)以及運(yùn)行的實(shí)際需求。對(duì)油田地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)確定相關(guān)的中轉(zhuǎn)站以及油井位置后，通過(guò)科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)劃調(diào)整，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。通常，油田集輸管網(wǎng)的相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及運(yùn)行參數(shù)、管網(wǎng)位置、站址以及井群的優(yōu)化等方面。

二、現(xiàn)代油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)分析

1.管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

現(xiàn)代油田集輸管網(wǎng)系統(tǒng)一般包含油井、中間站、相關(guān)管道和油庫(kù)幾個(gè)部分，在對(duì)油田地面集輸管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)油田采用的生產(chǎn)工藝確定相關(guān)轉(zhuǎn)油站建設(shè)的實(shí)際規(guī)模、計(jì)量，以及中轉(zhuǎn)站和各油井間管網(wǎng)的具體連接方式。近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展及應(yīng)用推動(dòng)了油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)步，新的優(yōu)化方法不斷出現(xiàn)，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代油田地面集輸管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常通過(guò)以下幾個(gè)環(huán)節(jié)完成：(1)實(shí)際中油田地面集輸管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定；(2)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)相關(guān)約束條件進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置；(3)通過(guò)目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建和分析，選定具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；(4)通過(guò)最優(yōu)方法完成相關(guān)數(shù)學(xué)模型的求解；(5)對(duì)相關(guān)數(shù)學(xué)模型的解進(jìn)行檢驗(yàn)，并據(jù)此完成計(jì)算方法以及模型的改進(jìn)和完善[2]。

表1 環(huán)型管網(wǎng)優(yōu)化的數(shù)學(xué)建模舉例

2.油田混輸管網(wǎng)的優(yōu)化分析

以多級(jí)集輸流程為例，油井產(chǎn)出物通過(guò)計(jì)量及轉(zhuǎn)油站等環(huán)節(jié)，最終集輸至相關(guān)的油庫(kù)。目前廣泛使用的集輸管網(wǎng)一般包括樹(shù)狀以及環(huán)型網(wǎng)絡(luò)兩種。在對(duì)上述兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，應(yīng)當(dāng)從集輸管網(wǎng)的級(jí)數(shù)、各生產(chǎn)平臺(tái)間及生產(chǎn)平臺(tái)和中心平臺(tái)間的連接幾個(gè)方面入手。過(guò)去對(duì)集輸管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，往往依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约肮芫W(wǎng)連接方式的選擇、相關(guān)管徑的優(yōu)化等工作，不僅容易造成資源的浪費(fèi)，更不利于經(jīng)濟(jì)效益的提高。

(1)環(huán)型集輸管網(wǎng)的拓?fù)鋬?yōu)化

與樹(shù)狀集輸管網(wǎng)不同，環(huán)型集輸管網(wǎng)的井經(jīng)過(guò)相關(guān)的管道環(huán)路和計(jì)量站進(jìn)行連接。通常，環(huán)型管網(wǎng)能夠降低網(wǎng)絡(luò)管線(xiàn)的資金投入，并能夠削減一定的中間環(huán)節(jié)，增加集輸?shù)陌霃?。然而，?duì)環(huán)型集輸管網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)涉及到復(fù)雜的離散優(yōu)化設(shè)計(jì)，該過(guò)程相對(duì)于連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題難度較大。對(duì)環(huán)型集輸管網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，一般涉及計(jì)量站數(shù)目和位置的最優(yōu)化、各集輸環(huán)路中相關(guān)管線(xiàn)連接的最優(yōu)化、每個(gè)集輸環(huán)和計(jì)量站隸屬關(guān)系的最優(yōu)化等問(wèn)題。以二級(jí)環(huán)型集輸管網(wǎng)為例，假定以油田地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的總投資為優(yōu)化目標(biāo)，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型如下表所示。

表2 油氣集輸系統(tǒng)摻水流程的優(yōu)化模型舉例

上表中，模型目標(biāo)函數(shù)中各變量依次代表相關(guān)計(jì)量站的固定和可變資金投入、油田集輸環(huán)管線(xiàn)的資金投入、計(jì)量站和下級(jí)站的相關(guān)管線(xiàn)資金投入。相關(guān)約束條件依次表示溫度及回壓等油田集輸工藝的限制、各個(gè)油井和集輸環(huán)的關(guān)系限制、集輸環(huán)中油井的環(huán)路約束、各集輸環(huán)和計(jì)量站的隸屬關(guān)系限制、相關(guān)計(jì)量站的容量限制、限制各集輸環(huán)僅經(jīng)過(guò)一個(gè)計(jì)量站。

對(duì)于該優(yōu)化模型的求解，可以通過(guò)分治策略，把該問(wèn)題細(xì)分為4個(gè)小問(wèn)題，同時(shí)，借助迭代的方法把各問(wèn)題聯(lián)系到一起，具體的4個(gè)優(yōu)化問(wèn)題可以表示為：1)油田井號(hào)集合的劃分；2)集輸環(huán)路的優(yōu)化；3)相關(guān)計(jì)量站的位置優(yōu)化；集輸環(huán)的優(yōu)化分配。上述4個(gè)問(wèn)題由變量構(gòu)建相互間的聯(lián)系，能夠獨(dú)立進(jìn)行求解。通過(guò)合理的進(jìn)行迭代，能夠得出該系統(tǒng)布局優(yōu)化的最優(yōu)解[3]。

(2)油田地面集輸管網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行方案的優(yōu)化

油田地面集輸管網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行方案的優(yōu)化涉及油氣集輸系統(tǒng)和油田注水系統(tǒng)的運(yùn)行方案等方面，本文以油氣集輸系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化為例，不同于油田地面集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，油氣集輸系統(tǒng)的生產(chǎn)優(yōu)化指基于已有的生產(chǎn)設(shè)施，以調(diào)整相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能降耗。例如，摻水流程中能夠調(diào)節(jié)的參數(shù)涉及加熱爐的出站溫度、輸油以及摻水泵的揚(yáng)程等，具體的優(yōu)化模型如表2所示。

上表中，模型的目標(biāo)函數(shù)依次代表系統(tǒng)的動(dòng)力和熱力能量消耗費(fèi)用。四個(gè)約束條件依次涉及系統(tǒng)的水力、熱力平衡、井口的回壓及摻水壓力、原油的進(jìn)站溫度。剩余三個(gè)約束條件表示泵的揚(yáng)程、流體出加熱爐溫度、油井摻水量的相關(guān)變量的數(shù)值范圍。

上述生產(chǎn)運(yùn)行方案的優(yōu)化模型涉及高度非線(xiàn)性的數(shù)學(xué)規(guī)劃，相對(duì)于線(xiàn)性規(guī)劃，其求解的過(guò)程更加復(fù)雜。對(duì)于此類(lèi)非線(xiàn)性數(shù)學(xué)規(guī)劃，SUMT法通過(guò)把有約束優(yōu)化轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化求解來(lái)完成。序列二次規(guī)劃法除了能夠保持整體收斂，還能保持局部的超一次收斂，具有一定的優(yōu)越性。

總結(jié)

現(xiàn)代油田的地面集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)及其建設(shè)施工具有系統(tǒng)性強(qiáng)、復(fù)雜程度高等特點(diǎn)，這就決定了相關(guān)優(yōu)化工作的難度。同時(shí)，國(guó)內(nèi)用于油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化的相關(guān)軟件的發(fā)展尚不成熟，這也成為未來(lái)發(fā)展的方向。

[1]楊飛.淺談石油地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì).油氣冶煉.2013(8).

[2]謝芳芳.油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及軟件開(kāi)發(fā).軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā).2012(5).

[3]郭和.長(zhǎng)慶油田采油三廠地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究.中國(guó)石油大學(xué).2007(10).