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        石油開采注醇路線優(yōu)化現(xiàn)狀與研究

        2015-12-03 07:56:41孟雅蕾劉天時(shí)
        關(guān)鍵詞:蜜源鄰域氣田

        文|孟雅蕾 劉天時(shí)

        石油開采注醇路線優(yōu)化現(xiàn)狀與研究

        文|孟雅蕾 劉天時(shí)

        為降低石油開采的注醇成本,提高低滲透氣田的開發(fā)效益,在石油開采中出現(xiàn)了諸多注醇路線優(yōu)化方法。本文在總結(jié)收益比的基礎(chǔ)上,研究一種改進(jìn)的人工蜂群算法來優(yōu)化注醇路線。結(jié)果表明,該方法可以很好的優(yōu)化注醇路線,對(duì)提高低滲透氣田的開發(fā)效益具有一定參考價(jià)值。

        鄂爾多斯盆地廣泛分布著一些低孔、低滲、低豐度的“三低”氣田。由于該類氣田中氣井井筒溫度和壓力變化速度較快,因此易于形成天然氣水合物。為降低開發(fā)成本,提高開發(fā)效益。近年來,氣田大力改進(jìn)注醇工藝,變注醇管線為注醇工程車機(jī)動(dòng)注醇。但各低產(chǎn)井分散于氣田各部且距離較大,以往注醇車所走的路線并不是注醇井間的最短路徑,因此注醇路線的優(yōu)化對(duì)提高低滲透氣田的開發(fā)效益具有重要的意義。

        為降低注醇成本,提高低滲透氣田的開發(fā)效益,本文提出一種改進(jìn)人工蜂群算法來優(yōu)化注醇路線。針對(duì)傳統(tǒng)ABC算法收斂速度慢,容易陷入局部最優(yōu)等問題,通過引入角色轉(zhuǎn)化機(jī)制來討論跟隨蜂的路徑選擇機(jī)制和鄰域搜索策略,再將改進(jìn)的ABC算法應(yīng)用于注醇路線優(yōu)化,求出遍歷所有注醇井間的最短路徑。

        人工蜂群算法

        工蜂群(ABC,Artificial Bee Colony)算法在2005年由Karaboga等人提出,該算法在模仿蜂群覓食自組織行為的基礎(chǔ)上建立,是一種優(yōu)化多變量連續(xù)函數(shù)的非數(shù)值優(yōu)化方法,近年來很多學(xué)者利用ABC算法來解決組合優(yōu)化問題。ABC算法有2個(gè)重要的組成部分:蜜源和蜂群,而蜂群又分為偵察蜂、跟隨蜂、引領(lǐng)蜂,有3種基本的行為模式:搜索蜜源、為蜜源招募、放棄蜜源。

        假設(shè)ABC算法在 維解空間中有 個(gè)可行解。ABC算法中偵察蜂和跟隨蜂的食物源更新公式如下:

        跟隨蜂和偵察蜂在蜜源更新后會(huì)根據(jù)適應(yīng)度來確定新蜜源,蜜源的適應(yīng)度越高,被選擇的概率就越大,蜜源的選擇概率如下:

        其中,pi代表第i個(gè)蜜源被選擇的概率,SN為蜜源的總數(shù),fiti是適應(yīng)度,fi是被優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)值。

        當(dāng)采蜜工作的進(jìn)行到后期,蜜源的豐富度逐漸降低,蜜源很可能會(huì)出現(xiàn)枯竭的現(xiàn)象,因此,需要對(duì)蜜源的采集次數(shù)進(jìn)行限制,來防止蜜源枯竭的現(xiàn)象發(fā)生。規(guī)定算法中蜜源的最大采集次數(shù)為Limit ,當(dāng)同一蜜源被采集了Limit 次后,蜜源的適應(yīng)度將變得很低。若周圍搜索沒有找到比此蜜源適應(yīng)度更高的蜜源則放棄此蜜源,在整個(gè)解空間中隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)新的蜜源,引領(lǐng)蜂將變?yōu)閭刹旆淙ふ倚碌拿墼?,產(chǎn)生新蜜源的公式如下:其中,標(biāo)示第i個(gè)解的第j 維分量表示優(yōu)化參數(shù)j 決定的食物源質(zhì)量的最小值,表示優(yōu)化參數(shù)j 決定的食物源質(zhì)量的最大值,即上界與下界。

        改進(jìn)的人工蜂群算法

        角色轉(zhuǎn)換機(jī)制。隨機(jī)產(chǎn)生新的蜜源后,偵察蜂根據(jù)收益比進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換,加速算法收斂。收益比是偵察蜂找到新蜜源的質(zhì)量與所有偵察蜂尋找到蜜源質(zhì)量的比值,收益比越大則偵察蜂尋找到的蜜源就越優(yōu),收益比r 的計(jì)算公式如下:

        其中,g 是偵察蜂的總數(shù);is 標(biāo)識(shí)當(dāng)前是哪一只偵察蜂;表示第is 個(gè)偵察蜂所找到的蜜源的質(zhì)量;l 指該偵察蜂未走過的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);dij為蜜源i 到蜜源j的距離。若r≥0.5,則此偵察蜂轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)蜂,否則繼續(xù)偵查,0.5為闕值[8]。

        路徑選擇。偵察蜂在發(fā)現(xiàn)新的蜜源后會(huì)返回到蜂巢內(nèi)的舞蹈區(qū),將蜜源的相關(guān)信息,蜜源的適應(yīng)度告訴跟隨蜂。跟隨蜂再根據(jù)蜜源的適應(yīng)度選擇是否跟隨這只偵察蜂去采蜜。本文根據(jù)蟻群優(yōu)化的信息素更新策略對(duì)公式(2)、(3)做出如下改進(jìn),使算法收斂到較好的蜜源上。被選擇概率的計(jì)算公式如下:其中,適應(yīng)度fiti的計(jì)算公式如下:其中,dij為蜜源i到蜜源j 的距離,距離越短被選擇的可能性越大;a 和是用來控制信息和距離的參數(shù);ρij是蜜源i 到蜜源j 的信息值,計(jì)算公式如下:

        跟隨蜂的信息值計(jì)算分為兩種:①可選擇的路徑包含引領(lǐng)蜂走過的道路。若選擇引領(lǐng)蜂走過的道路,則此時(shí)的信息值ρij=γ;若不選擇引領(lǐng)蜂走過的道路,則其中,l為集合的元素?cái)?shù)目,表示蜜蜂未走過的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);表示引領(lǐng)蜂的引導(dǎo)性強(qiáng)弱,其中Q為引領(lǐng)常數(shù),LK為第k只蜜蜂在本次迭代中所走過的路徑長度。②可選擇路徑不含引領(lǐng)蜂走過道路。此時(shí),l 同樣指蜜蜂未走過的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

        跟隨蜂的鄰域搜索策略。在原始的ABC算法中,跟隨蜂階段執(zhí)行與偵察蜂階段相同的搜索策略,雖然全局搜索能力相對(duì)良好,但局部搜索能力相對(duì)偏弱。因此,本文根據(jù)當(dāng)前局部最優(yōu)解制定跟隨蜂的鄰域搜索策略,幫助蜂群跳出局部最優(yōu)。隨機(jī)選取每一代當(dāng)前解中的p%個(gè)解,這些解中的最優(yōu)解best 在某種程度上可以起到平衡全局搜索能力和局部開發(fā)能力的作用,跟隨蜂的鄰域搜索公式如下:

        注醇路線優(yōu)化

        優(yōu)化過程:

        Step1 初始化所有的參數(shù):蜂群的數(shù)量N、最大采集次數(shù)Limit 、最大迭代次數(shù)Cycle 、蜜源Foods ,優(yōu)化前的初始路線等。

        Step2 初始時(shí)刻所有蜜蜂都是偵察蜂,根據(jù)式產(chǎn)生新的蜜源位置。

        Step3 根據(jù)式(5)計(jì)算新蜜源的收益比,偵察蜂進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換。

        Step4 跟隨蜂根據(jù)式(6)、式(7)、式(8)選擇要跟隨的引領(lǐng)蜂,并依據(jù)式(9)進(jìn)行鄰域搜索。若搜索到的新蜜源的收益大于原來的蜜源,則取代舊的蜜源。

        Step5 若蜜源的訪問次數(shù)Trail>Limit,則引領(lǐng)蜂和跟隨蜂舍棄本蜜源,其中引領(lǐng)蜂轉(zhuǎn)變?yōu)閭刹旆?,進(jìn)行隨機(jī)搜索,新的蜜源位置由式(4)計(jì)算可得;否則保留本蜜源。

        Step6 如果迭代次數(shù)達(dá)到Cycle ,則停止運(yùn)行程序,輸出優(yōu)化后的路線,否則跳轉(zhuǎn)至Step2。

        優(yōu)化結(jié)果:

        采用傳統(tǒng)的ABC算法優(yōu)化后的注醇路線長度為315.72km,而采用本文算法優(yōu)化后的注醇路線長度為287.45km,注醇路線的長度縮短了8.95%。傳統(tǒng)的ABC算法的迭代次數(shù)為345次,而改進(jìn)后的ABC算法的迭代次數(shù)下降到310次。

        本文研究了一種改進(jìn)的ABC算法來優(yōu)化注醇路線。改進(jìn)的ABC算法引入角色轉(zhuǎn)換機(jī)制,突顯引領(lǐng)蜂的精英作用,保持優(yōu)良的蜜源;路徑選擇機(jī)制和鄰域搜索策略則加速算法的收斂速度并且?guī)椭惴ㄌ鼍植孔顑?yōu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法可以很好的實(shí)現(xiàn)注醇路線優(yōu)化,降低了注醇的成本,提高了低滲透氣田的開發(fā)效益。

        西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院)

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