潘峰(大慶油田有限責任公司第六采油廠，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

油氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化問題可分為確定性優(yōu)化以及不確定性優(yōu)化，在油氣田地面實際生產(chǎn)中，受生產(chǎn)，技術(shù)、管理、環(huán)境等諸多因素影響，油氣集輸系統(tǒng)中眾多參數(shù)(原油物性及流變性參數(shù)、管道運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù))具有不確定性的特點，傳統(tǒng)的油氣田地面工程優(yōu)化方法沒有考慮到不確定性參數(shù)對優(yōu)化結(jié)果的影響。隨著智能化、數(shù)字化油田的逐步發(fā)展，多種混合智能優(yōu)化算法的逐步應(yīng)用，不確定性優(yōu)化也會逐步成為油氣田地面工程優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域新的突破口。本文給出了不確定性優(yōu)化的整體思路，并就難點進行了梳理，給出了未來的發(fā)展方向。

1 集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化模型構(gòu)建

1.1 水力熱力計算

集輸系統(tǒng)水力熱力計算是管網(wǎng)優(yōu)化的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到系統(tǒng)各節(jié)點水力熱力參數(shù)的取值。集輸系統(tǒng)水力熱力計算按管道走向的不同又分為水平管道和起伏管道，其中起伏管道的水力熱力計算需要分段進行。傳統(tǒng)的水力計算方法以Beggs-Brill 公式為主，熱力計算方法以蘇霍夫公式為主，其計算一般是取各參數(shù)的均值，沒有考慮到參數(shù)在一定區(qū)間的波動性。潘峰針對集輸管網(wǎng)，在傳統(tǒng)的水力熱力計算的基礎(chǔ)上，考慮到參數(shù)的不確定性，利用正態(tài)概率分布對不確定性參數(shù)進行描述，采用隨機(蒙特卡洛)模擬的方法對不確定性參數(shù)進行抽樣，計算出考慮參數(shù)不確定性的條件下，節(jié)點參數(shù)的數(shù)值分布基本呈正態(tài)分布，這與多位學(xué)者的假設(shè)相符，證明該方法具有一定的應(yīng)用價值。借鑒其他流體管網(wǎng)，田洪建針對流體管網(wǎng)水力計算，引入模糊集理論，利用三角模糊數(shù)的基本概念及性質(zhì)，將管道粗糙度作模糊化處理，建立了流體管網(wǎng)水力分析的模糊數(shù)學(xué)模型。毛立波針對供水管網(wǎng)，結(jié)合一階二次矩法與管網(wǎng)雅克比矩陣的解析式，提出了管網(wǎng)模型不確定性的解析計算方法，提高了管網(wǎng)節(jié)點求解效率，相比隨機抽樣方法，減小了計算量。

考慮參數(shù)不確定性的集輸管道水力熱力分析法還需開展室內(nèi)實驗以及運行模擬軟件進行進一步驗證，從而尋找更加精確和完善的計算方法。利用概率密度函數(shù)以及隸屬度函數(shù)對參數(shù)進行定義是主流做法，但都存在著一定的誤差，由此可見考慮參數(shù)不確定性的水力熱力計算難點在于如何準確的對不確定性參數(shù)進行描述。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能在石油領(lǐng)域的發(fā)展，建立在模糊理論和概率論的基礎(chǔ)上的云理論的不確定性定量描述方法會是新的突破口。

1.2 不確定性優(yōu)化目標函數(shù)

油氣田集輸系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化包括建設(shè)參數(shù)優(yōu)化以及運行參數(shù)優(yōu)化，油氣集輸系統(tǒng)建設(shè)參數(shù)優(yōu)化主要以管道建設(shè)總投資最省為目標，其中建設(shè)參數(shù)主要包括管道的管徑、壁厚等參數(shù)，其中管網(wǎng)布局形式根據(jù)地形的不同又可分為二維平面以及三維起伏地形，管網(wǎng)布局形式的不同導(dǎo)致目標函數(shù)的形式也稍有不同。

油氣集輸系統(tǒng)運行優(yōu)化主要以系統(tǒng)動力、熱力消耗最小為優(yōu)化目標，其大多為多目標優(yōu)化問題，優(yōu)化的運行參數(shù)根據(jù)集輸系統(tǒng)工藝流程的不同而不同，比如雙管摻水集輸流程主要優(yōu)化參數(shù)包括單井摻水量，摻水溫度等。

在確定性優(yōu)化目標函數(shù)的基礎(chǔ)上，不確定性參數(shù)優(yōu)化通常一種是將目標函數(shù)中的流量、電價、管道價格模糊化后帶入到確定化優(yōu)化函數(shù)中，從而構(gòu)建新的目標函數(shù)。另一種是通過模糊綜合評價，將多目標函數(shù)進行綜合配比，得到目標函數(shù)。前者通常是將不確定性參數(shù)的L-R 模糊數(shù)帶入確定性優(yōu)化目標函數(shù)中，對于單目標與多目標優(yōu)化問題都適用，而后者只適用于多目標優(yōu)化問題。

2 集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化界限

油氣集輸系統(tǒng)的優(yōu)化界限關(guān)系著油氣田生產(chǎn)的經(jīng)濟性和安全性，在集輸系統(tǒng)中，水力、熱力條件為集輸系統(tǒng)最主要的動力來源，限制著系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)模，其中水力條件以井口回壓為約束，它直接影響油井的生產(chǎn)能力。熱力條件以進站來液溫度為約束，其不僅影響著集油區(qū)的安全運行，而且影響著進站含水原油的加熱能耗。集輸系統(tǒng)優(yōu)化界限也具有一定的不確定性，一方面，確定性的優(yōu)化界限不夠科學(xué)合理，比如原油進站溫度一般要求高于凝點3℃，但略低于這個安全值管道依然能夠安全運行，因此確定性優(yōu)化界限會導(dǎo)致集輸系統(tǒng)能耗較高，另一方面，不同驅(qū)替方式下，集輸界限也存在著不確定性。

劉揚率先將井口回壓、進站溫度約束用模糊數(shù)學(xué)中的降半梯形隸屬度函數(shù)表示，張其敏則考慮管道強度、穩(wěn)定性、雷諾數(shù)等約束條件，將其用隸屬度函數(shù)表示，潘峰在隸屬度函數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮集輸管網(wǎng)節(jié)點參數(shù)概率分布函數(shù)，應(yīng)用應(yīng)力-強度對抗模型建立了井口回壓和進站溫度的模糊可靠性約束。綜合來看，新的水力熱力約束方法主要以模糊數(shù)學(xué)結(jié)合不確定性數(shù)學(xué)的方法進行約束的重新描述，并由硬性約束向柔性約束轉(zhuǎn)變。

3 集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化模型算法

由于目前針對集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化研究較少，但由于集輸管網(wǎng)與其他能源管網(wǎng)的相似性，因此不確定性優(yōu)化模型算法可以借鑒其他管網(wǎng)的優(yōu)化求解算法。在電網(wǎng)與熱力管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域，張百甫提出了磷蝦群算法(KH)用以求解基于云理論的微電網(wǎng)不確定性模型，黃磊用貪婪隨機自適應(yīng)搜索算法求解建立的基于機會約束規(guī)劃的電網(wǎng)靈活規(guī)劃模型。劉孟軍采用遺傳模擬退火算法(GSAA)求解考慮變量隨機性的熱網(wǎng)的隨機規(guī)劃問題。在供水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域，Szu Wen Hung 考慮供水管網(wǎng)水流量以及質(zhì)量負荷的波動性，將混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題分解為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題和線性規(guī)劃問題進行求解，崔智敏針對實際生產(chǎn)過程中油田注水運行系統(tǒng)面臨的管道摩阻系數(shù)的不確定變化，提出將受外界環(huán)境影響的管道摩阻系數(shù)作為模糊參數(shù)，建立泵站的油田注水系統(tǒng)運行的模糊優(yōu)化模型。為最終得到優(yōu)化到系統(tǒng)的最小能耗，應(yīng)用基于模糊模擬的遺傳算法對泵站排量進行優(yōu)化。程小娟在樹狀管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計中引入了節(jié)點流量和管道阻力系數(shù)兩個隨機變量，建立了樹狀管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的機會約束模型，并采用基于隨機模擬技術(shù)的遺傳算法進行求解。

展望油氣集輸系統(tǒng)領(lǐng)域，根據(jù)建立的優(yōu)化模型以及優(yōu)化約束，在滿足收斂性的條件下，采用隨機模擬技術(shù)混合智能優(yōu)化算法，以及模糊數(shù)學(xué)與智能優(yōu)化算法的結(jié)合將會是不確定性優(yōu)化模型的主要求解算法。另一方面，尋求新的智能優(yōu)化方法如果蠅算法、混合蛙跳算法和螳螂算法來提高求解效率和求解精度是可行的研究方向。

4 結(jié)語

油氣田地面工程本質(zhì)上是隨油氣田階段性開發(fā)而動態(tài)變化的大型設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，油氣集輸系統(tǒng)作為地面工程的主體，在優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)考慮其不確定性。不確定性優(yōu)化模型的建立需要將目標函數(shù)，約束條件，求解算法進行統(tǒng)籌考慮，同時管網(wǎng)中的不確定性因素需要具體問題具體分析。開展不確定性優(yōu)化研究，可以促進生產(chǎn)管理更加精準化，實現(xiàn)油氣集輸系統(tǒng)全生命周期管理。

通過概率論、可能性理論、模糊理論、集對理論和室內(nèi)實驗等方法，開展了系統(tǒng)的理論和方法研究，認識不確定性數(shù)學(xué)理論與油氣集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化技術(shù)的結(jié)合機理；探索不確定性條件下油氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化理論模型建立、模型求解、算法評價、靈敏度分析的研究方法；解決不同地形、不同管網(wǎng)形態(tài)、不同工藝流程的管網(wǎng)優(yōu)化問題，為集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化的科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。