柯文超，張金磊，鄧?yán)?，徐壯飛，趙德喜，姜顯英

中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459

在海上油田開發(fā)生產(chǎn)中，油氣混輸管道具有輸送量大、長(zhǎng)距離輸送壓損小、熱能損失偏低等優(yōu)點(diǎn)而在海上油田生產(chǎn)中大量運(yùn)用。對(duì)海底管道（以下簡(jiǎn)稱海管）壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及準(zhǔn)確分析海管壓力波動(dòng)原因是保障油田安全生產(chǎn)的必備工作。海管壓力波動(dòng)不僅對(duì)油田生產(chǎn)流程產(chǎn)生沖擊，還可能引起海管高高壓關(guān)斷或者手動(dòng)停運(yùn)電潛泵，從而影響油田原油產(chǎn)量。一旦實(shí)際運(yùn)行壓力產(chǎn)生的高高壓引起海管泄漏，則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故，因此，研究海管運(yùn)行壓力規(guī)律具有重要意義。有學(xué)者指出引起海管高壓的原因有溫度、含水、黏度等因素，也有學(xué)者對(duì)氣液混輸管路的清管時(shí)間和清管球運(yùn)行速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前，在油田現(xiàn)場(chǎng)觀察海管壓力主要采用壓力變送器傳輸?shù)确绞?。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，油氣混輸海管中氣液在各種不同情況下的流態(tài)主要由段塞流、水平流、純液流等組成；其中，段塞流對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流程實(shí)際影響較為明顯，容易引起下游分離器油相液位大范圍波動(dòng)，出現(xiàn)高高液位或低低液位產(chǎn)生的生產(chǎn)關(guān)停[1-2]。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介紹

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要模仿人類大腦思維方式，采用信號(hào)前向傳遞、誤差反向反饋算法，通常由輸入層、隱含層、輸出層等組成。在傳播過程中，如果輸出層的值達(dá)不到預(yù)設(shè)值，則繼續(xù)反向修正，根據(jù)誤差調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)不斷接近期望輸出值，如圖1所示。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

當(dāng)出現(xiàn)的問題不能用常規(guī)數(shù)學(xué)模型表示時(shí)（如故障預(yù)判、特征向量提取和數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)等問題），常規(guī)線性函數(shù)關(guān)系不能夠有效建模，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前最佳利用工具。位云生等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水力壓裂，霍雅迪用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)重復(fù)壓裂技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，其他一些學(xué)者也證明了前饋性（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可行性[3-5]。

對(duì)于輸入量X=X1，X2，…，Xk，對(duì)海管壓力賦值Xk，壓力波動(dòng)的最大值與最小值能夠反映出海管壓力變化的強(qiáng)烈程度。

Xmax=max （X1，X2，…，Xk）

Xmin=min （X1，X2，…，Xk）

海管壓力平均值的計(jì)算：

海管壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差SD的離散度：

1.1 海管運(yùn)行壓力模型構(gòu)建

構(gòu)建合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)海管壓力預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)流程如圖2所示。

圖2 預(yù)測(cè)流程

1.2 S油田WHP1平臺(tái)海管壓力數(shù)據(jù)波動(dòng)原因分析

S油田WHP1無人值守平臺(tái)2006年投產(chǎn)，采用以下模式生產(chǎn)：一條油氣混輸海管、一根輸送電力的復(fù)合電纜、一座井口平臺(tái)。WHP1平臺(tái)油井采取電潛泵舉升，單泵產(chǎn)液量為30～350 m3/d，目前共有10口電泵井生產(chǎn)。油井產(chǎn)物流在地面加熱處理后，由油氣混輸管道輸送至中心平臺(tái)。海管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示，海管當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)如表2所示，在對(duì)海管壓力分析過程中選取了海管12 h壓力數(shù)據(jù)，如表3所示。

表1 海管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 海管當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)

表3 海管實(shí)際運(yùn)行壓力值

計(jì)算海管流體雷諾數(shù)Re:

式中：Q為輸氣量，m3/s；d為管道內(nèi)徑，m；v為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。根據(jù)流體力學(xué)可以判斷此流態(tài)屬于混合摩擦流態(tài)。

當(dāng)油井中出現(xiàn)不同形態(tài)的井產(chǎn)物流時(shí)，混合物的密度也在發(fā)生變化，由上述公式可知，海管中出現(xiàn)一段純氣流或純液流是導(dǎo)致海管產(chǎn)生不同壓力的主要原因。純氣流狀態(tài)下，密度?。患円毫鳡顟B(tài)下，密度大。對(duì)于純氣體狀態(tài)下的這種摩擦，可以引用潘漢特爾輸氣公式：

式中：Q為產(chǎn)氣量，E為輸氣效率，d為海底管道直徑，Pb為起點(diǎn)壓力，Pe為終點(diǎn)壓力，T為輸氣平均溫度，Z為壓縮因子，L為管道長(zhǎng)度，ρ為天然氣相對(duì)密度。

由潘漢特爾輸氣公式可知：對(duì)于輸送距離較短的輸氣海管，產(chǎn)氣量Q的變化會(huì)導(dǎo)致海管內(nèi)能量發(fā)生變化，導(dǎo)致管道前后壓能發(fā)生較大變化[6-9]。

2 數(shù)據(jù)歸一化處理

本模型選取海管實(shí)際運(yùn)行壓力值作為樣本數(shù)據(jù)。由于海管壓力波動(dòng)，需要對(duì)壓力運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化在區(qū)間[0，1]之間。

首先，在整個(gè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)確定最大值Xmax和最小值Xmin。；然后，將運(yùn)行壓力數(shù)據(jù)Xi代入公式：Xj=（Xi-Xmin） /（Xmax-Xmin），求取歸一化后壓力數(shù)據(jù)Xj。壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，每個(gè)值都在[0，1]之間，消除了壓力數(shù)據(jù)由于不同量綱導(dǎo)致的變化，從而構(gòu)建出海管實(shí)際運(yùn)行壓力矩陣。

3 應(yīng)用實(shí)例

利用整理好的段塞流海管壓力數(shù)據(jù)樣本P進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，利用未參與訓(xùn)練的樣本Ptest對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，通過調(diào)整隱含層的層數(shù)、學(xué)習(xí)率、訓(xùn)練方法和訓(xùn)練次數(shù)，經(jīng)過多次的反復(fù)訓(xùn)練，使海管壓力誤差達(dá)到了預(yù)測(cè)的要求。最終，隱含層第一層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為30，隱含層第二層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為40，訓(xùn)練次數(shù)設(shè)置為10 000次。在Matlab軟件中進(jìn)行運(yùn)行計(jì)算，即輸入訓(xùn)練樣本中海管壓力數(shù)據(jù)，運(yùn)行代碼如圖3所示。

圖3 運(yùn)行代碼

圖4是經(jīng)過10 000次的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)的誤差下降到了0.001，達(dá)到了誤差精度要求；圖5為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差。

圖4 實(shí)際值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖5 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差

通過收集海管壓力運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)用前饋性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)海管壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，可知WHP1平臺(tái)海管實(shí)際運(yùn)行壓力高于1 550 kPa（接近1 600 kPa的生產(chǎn)關(guān)停保護(hù)壓力、高于1 330 kPa的實(shí)際操作壓力）的頻次為1.6 h/d。根據(jù)WHP1平臺(tái)海管運(yùn)行當(dāng)中出現(xiàn)的高運(yùn)行壓力次數(shù)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)油水混合物的黏度、溫度、含水以及海管出口背壓等因素分析，研究WHP1平臺(tái)海管高壓原因，得出降低下游中心平臺(tái)生產(chǎn)分離器操作壓力是一種保障WHP1平臺(tái)海管壓力正常運(yùn)行的方法，故改變現(xiàn)有流程中壓油系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、生產(chǎn)污水系統(tǒng)入口壓力值，有效降低了WHP1平臺(tái)海管實(shí)際運(yùn)行壓力，避免了WHP1平臺(tái)由于海管高高壓產(chǎn)生的生產(chǎn)關(guān)停。

4 結(jié)論

（1）海管壓力波動(dòng)頻繁受很多因素影響，S油田WHP1平臺(tái)海管輸送距離短、管徑小、單井瞬時(shí)產(chǎn)氣量波動(dòng)范圍大，是導(dǎo)致海管壓力波動(dòng)大的主要原因，具有建立良好壓力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)樣本集的基礎(chǔ)。

（2）對(duì)于受段塞流影響較大的海管，前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法能夠充分考慮各種因素對(duì)海管壓力波動(dòng)影響，對(duì)海管壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，為后期流程改造和流程調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

（3） 利用前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)S油田WHP1平臺(tái)海管壓力波動(dòng)準(zhǔn)確率達(dá)到99%，證明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在非線性常規(guī)數(shù)學(xué)方法中可以運(yùn)用。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)海管高壓出現(xiàn)的頻次，S油田通過調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)原油流程、生產(chǎn)污水處理流程、天然氣流程運(yùn)行參數(shù)，有效降低了海管實(shí)際運(yùn)行壓力，可確保海管運(yùn)行安全。