崔鵬楊志淑姬磊磊

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

前言

在實際的油田地面集輸管網(wǎng)的建設(shè)過程中，積極地對油田地面集輸管網(wǎng)的設(shè)計與施工過程進行優(yōu)化對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)濟效益，更利于節(jié)能降耗的實現(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輸通道，油田地面集輸管網(wǎng)將油庫、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)在整個油田地面建設(shè)成本中占據(jù)了較大比重，故積極的引進和應(yīng)用管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)來完成系統(tǒng)的設(shè)計十分必要。同時，現(xiàn)代油田地面技術(shù)管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計工作綜合性強，除了相關(guān)的數(shù)學以及工程理論，還涉及計算機等技術(shù)的應(yīng)用。對油田的集輸管網(wǎng)進行設(shè)計，應(yīng)當依據(jù)地下、地面情況和油田性質(zhì)，通過科學的方法最大程度的滿足油田開發(fā)以及運行的實際需求。對油田地面集輸管網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計是當確定相關(guān)的中轉(zhuǎn)站以及油井位置后，通過科學的網(wǎng)絡(luò)拓撲的規(guī)劃調(diào)整，實現(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)計涉及運行參數(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)管道和油庫幾個部分，在對油田地面集輸管網(wǎng)進行設(shè)計時，應(yīng)當通過油田采用的生產(chǎn)工藝確定相關(guān)轉(zhuǎn)油站建設(shè)的實際規(guī)模、計量，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，計算機技術(shù)日益發(fā)展及應(yīng)用推動了油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的進步，新的優(yōu)化方法不斷出現(xiàn)，借助先進的計算機技術(shù)，現(xiàn)代油田地面集輸管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計通常通過以下幾個環(huán)節(jié)完成：(1)實際中油田地面集輸管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)的確定；(2)對數(shù)學模型進行優(yōu)化，并對相關(guān)約束條件進行科學的設(shè)置；(3)通過目標函數(shù)的構(gòu)建和分析，選定具體的優(yōu)化設(shè)計方案；(4)通過最優(yōu)方法完成相關(guān)數(shù)學模型的求解；(5)對相關(guān)數(shù)學模型的解進行檢驗，并據(jù)此完成計算方法以及模型的改進和完善[2]。

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

2.油田混輸管網(wǎng)的優(yōu)化分析

以多級集輸流程為例，油井產(chǎn)出物通過計量及轉(zhuǎn)油站等環(huán)節(jié)，最終集輸至相關(guān)的油庫。目前廣泛使用的集輸管網(wǎng)一般包括樹狀以及環(huán)型網(wǎng)絡(luò)兩種。在對上述兩種網(wǎng)絡(luò)進行拓撲優(yōu)化時，應(yīng)當從集輸管網(wǎng)的級數(shù)、各生產(chǎn)平臺間及生產(chǎn)平臺和中心平臺間的連接幾個方面入手。過去對集輸管網(wǎng)進行優(yōu)化時，往往依靠經(jīng)驗來完成網(wǎng)絡(luò)拓撲以及管網(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，更不利于經(jīng)濟效益的提高。

(1)環(huán)型集輸管網(wǎng)的拓撲優(yōu)化

與樹狀集輸管網(wǎng)不同，環(huán)型集輸管網(wǎng)的井經(jīng)過相關(guān)的管道環(huán)路和計量站進行連接。通常，環(huán)型管網(wǎng)能夠降低網(wǎng)絡(luò)管線的資金投入，并能夠削減一定的中間環(huán)節(jié)，增加集輸?shù)陌霃健Ｈ欢?，對環(huán)型集輸管網(wǎng)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計涉及到復雜的離散優(yōu)化設(shè)計，該過程相對于連續(xù)優(yōu)化問題難度較大。對環(huán)型集輸管網(wǎng)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，一般涉及計量站數(shù)目和位置的最優(yōu)化、各集輸環(huán)路中相關(guān)管線連接的最優(yōu)化、每個集輸環(huán)和計量站隸屬關(guān)系的最優(yōu)化等問題。以二級環(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，建立相關(guān)的數(shù)學模型如下表所示。

表2 油氣集輸系統(tǒng)摻水流程的優(yōu)化模型舉例

上表中，模型目標函數(shù)中各變量依次代表相關(guān)計量站的固定和可變資金投入、油田集輸環(huán)管線的資金投入、計量站和下級站的相關(guān)管線資金投入。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)和計量站的隸屬關(guān)系限制、相關(guān)計量站的容量限制、限制各集輸環(huán)僅經(jīng)過一個計量站。

對于該優(yōu)化模型的求解，可以通過分治策略，把該問題細分為4個小問題，同時，借助迭代的方法把各問題聯(lián)系到一起，具體的4個優(yōu)化問題可以表示為：1)油田井號集合的劃分；2)集輸環(huán)路的優(yōu)化；3)相關(guān)計量站的位置優(yōu)化；集輸環(huán)的優(yōu)化分配。上述4個問題由變量構(gòu)建相互間的聯(lián)系，能夠獨立進行求解。通過合理的進行迭代，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)運行方案的優(yōu)化

油田地面集輸管網(wǎng)生產(chǎn)運行方案的優(yōu)化涉及油氣集輸系統(tǒng)和油田注水系統(tǒng)的運行方案等方面，本文以油氣集輸系統(tǒng)的運行優(yōu)化為例，不同于油田地面集輸管網(wǎng)的設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化問題，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)備的運行參數(shù)的方式來實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的節(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程等，具體的優(yōu)化模型如表2所示。

上表中，模型的目標函數(shù)依次代表系統(tǒng)的動力和熱力能量消耗費用。四個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、原油的進站溫度。剩余三個約束條件表示泵的揚程、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)運行方案的優(yōu)化模型涉及高度非線性的數(shù)學規(guī)劃，相對于線性規(guī)劃，其求解的過程更加復雜。對于此類非線性數(shù)學規(guī)劃，SUMT法通過把有約束優(yōu)化轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化求解來完成。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)計及其建設(shè)施工具有系統(tǒng)性強、復雜程度高等特點，這就決定了相關(guān)優(yōu)化工作的難度。同時，國內(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.油氣冶煉.2013(8).

[2]謝芳芳.油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及軟件開發(fā).軟件設(shè)計開發(fā).2012(5).

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