淺談油氣集輸管網布局優化的發展

摘 要：油氣集輸系統工程是繼油氣藏勘探、開發和油氣田開采之后的一個非常重要的生產階段。對油氣集輸系統進行優化研究會取得顯著的經濟效益。文中詳細介紹了不同時期集輸管網布局優化的模型和求解方法及現階段發展趨勢。

關鍵詞：油氣集輸 管網系統 布局優化 優化算法

中圖分類號：TE83231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0125-01

油氣集輸系統是油田地面管網工程的核心，這一系統由礦井、計量間、中轉站、聯合站等多級站點結構組成。油氣集輸系統整體投資一般占整個油田地面工程的60%～70%，占整個油田工程的40%左右。耗費除了各級站點及相連接的管道建設費用外還涉及各級站址及管網的生產、運行、安全、管理投資。通常因管材質地不同而價格不等，有些管材費用平均每公里十幾萬元。即使是一個計量間的建設投資也達到數百萬元[1]。同時油氣集輸管網水力、熱力耗散巨大，在油田生產能耗中占主導地位，所以對集輸管網進行優化可收到顯著的經濟效益。

1 管網布局優化的概況

20世紀70～80年代的油田的開發和建設對集輸系統的優化主要靠人工規劃，優化效果不理想，隨意性較強。楊廷覺建立了輸氣管道數學模型，這一模型以年成本費用最小化為優化目標。盡管模型比較簡單，但為最優化理論在油田集輸技術上的應用奠定了基礎。以后的集輸優化研究均以極小化成本費用為目標函數進行探索。李書文、姚亦華提出新的求解算法，利用約束函數雙速下降法和混合罰函數法求解了枝狀天然氣集輸優化模型，這兩種算法混合使用是優化效果的到了提升。之后李書文針對天然氣田合理規劃問題求解算法又進行了深入的研究先后又提出了Kruskal算法、Steiner最短樹法，這些算法對油氣田優化規劃設計的求解提供了有效的求解途徑。

90年中后期，油田生產能耗升高，產油量的提升進入瓶頸期，對集輸系統優化的認識顯著提高，借助計算機技術來解決油氣集輸系統優化問題已成為一種趨勢。這一時期劉揚教授在針對油氣集輸管網系統的優化設計問題的研究中引入模糊優化思想，將約束條件如溫度、壓力等進行了模糊化處理，建立了對應的數學模型并采用數值求解方法進行求解[2]。之后劉揚等人又考慮到環形結構的布局方法可以擴大集輸半徑，縮短長度，減少各級站點個數，節省建設投資等優點又研究了環形集輸管網的布局優化設計問題。星狀模型和環形模型的建立使集輸優化的模型理論趨于成熟，但實際上仍然有許多難題沒有考慮或是沒有找到圓滿的解決方案。例如在理論上設計出來的建設地點并不能進行施工或者不適合施的問題如何解決；帶障礙約束問題的管網布局優化問題的求解。

隨著新世紀的到來，陸地主要油田進入二次、三次開采階段，這一時期的特點是油田高含水、特高含水并且外圍礦井開采難度加大，油田生產成本逐年增加。如何進一步優化集輸系統，降低油田生產建設成本，成為亟待解決的問題。這時期集輸管網優化研究的主要方向轉為既具有實用價值又能高效求解的算法研究。

2001年，李長俊等人針對含有的大量離散變量和連續變量的數學模型嘗試利用一種組合型算法進行求解，優化結果令人滿意。之后劉震和潘斌等人在利用圖論和網絡分析理論的基礎上，針對海底油氣集輸管網的布局方式進行了優化，提出了圖的所有生成樹并結合圖的加權中心逐步生長法思想，依靠這兩種方法成功的在有效時間內求的可行最優解，并且能夠有效的保證經過N-1次迭代后必收斂于最優解[3]。劉揚等人采用遺傳算法等多種啟發式算法，以極小化油井與上一級站點以及各級站點之間的距離和為目標函數，將原有問題劃分為連接關系的拓撲優化問題和各級站址的位置優化問題，確定油氣集輸系統最優布局優化。而魏立新教授在運用遺傳算法和模擬退火算法的全局搜索能力的基礎上創立了混合遺傳算法，其運算能力，收斂效果，優化結果均優于分級優化法[4]。

2 管網布局優化的發展趨勢

從布局優化發展歷程可以發現，針對集輸管網的規劃設計最初只是解決例如計算最優管徑等簡單的局部單一目標的優化問題，這類問題求解算法簡單，優化效果不明顯，所以應用范圍小。隨著最優化技術的發展與完善，利用計算機求解復雜的多目標、多變量、全局優化問題，例如在優化管網系統時，不但要考慮管道建設投資問題還要涉及安全運行、站址和管線維護投資、管道水力熱力能耗等多個目標進行綜合優化。優化問題的研究和應用范圍逐步擴大，優化效果顯著提高。由于優化問題涉及的目標增加了，影響規劃效果的隱變量也相應增多，在優化過程中可以采用模糊優化的方法進行處理，例如限定注水井的注水用量不得大于15 t/d，但是實際用量是15.43 t/d，計算機會判定不滿足約束要求，而實際上是能夠接受的。現階段油田地面集輸管網優化僅僅以總建設費用最少來確定的，這必定存在一定的優化缺陷。因此利用灰色系統理論進行模糊優化處理評判最優方案，有利于克服某些不足[5]。

就求解算法而言，80～90年代油氣集輸系統的優化各方面研究主要還是依靠傳統經典優化算法。例如將油區內礦井劃分為井組的問題常常用分支定界算法、分級優化法、動態規劃法進行求解。雖然這些算法取得了經濟效益，但優化效果有待提高。隨著優化理論在油田應用的深入，傳統經典優化算法的求解不能滿足油田規劃。進入兩千年以后，以禁忌搜索，模擬退火遺傳算法，人工神經網絡為代表的啟發式算法求解能力明顯優于傳統經典優化算法，優化效果得到了很大的提高。隨著算法研究的深入，求解算法呈現出智能化的發展趨勢。通過將各種算法的優點有機融合，形成各種混合算法，提高求解能力，規劃問題的優化效果也趨于完善。

但考慮到油氣集輸系統是一個巨大的多網絡、多目標、多變量規劃問題，較高的技術難度和巨大的工作量使得這一領域的許多問題的解決效果有待提高，這需要科技工作者和工程技術人員近一步努力。

參考文獻

[1]袁宗明.天然氣集輸管網最優規劃研究[D].西南石油學院，2002：1～2.

[2]劉揚.集輸管網系統模糊優化設計[J].大慶石油學院學報，1996，6.

[3]劉震，潘斌.可靠性約束下的海底油氣集輸管線網絡拓撲分析[J].中國海洋平臺，2008，18（2）：75～78

[4]魏立新.基于智能計算的油田地面管網優化技術研究[D].大慶：大慶石油學院，2005：12～13.

[5]汪玉春，李長俊.油氣管道的投資灰色與計算[J].天然氣工業，1998（6）.