油田地面集輸管網優化的發展

張 音，于 歡，吳玉國

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

油田地面集輸管網優化的發展

張 音，于 歡，吳玉國

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

油田地面集輸管網是油田地面工程建設中非常重要的一部分，集輸網的建設往往耗資巨大，從我國油田開采的現狀來看，油田生產過程中，低負荷、低效率成為普遍現象，所以對管路進行適當優化對提高管路的經濟效益具有很重要的意義對不同時期集輸管網布局和運行的優化模型和優化算法進行了較為詳細的介紹，并且總結了集輸管網現階段的發展趨勢，并提出了相關建議。

優化運行；集輸管網；布局優化；

油田地面工程包括油氣集輸與油氣礦場加工、油田采出水處理、供排水、注水、供電、通訊、道路、消防等與油田生產密切相關的各個系統。油田集輸管網是油田建設的一個重要組成部分，油氣集輸系統是油田地面管網系統的核心，該系統的投資十分巨大，這一系統的費用主要包括各級管道建設費用、各級站址造價以及管網系統生產運行、管理費用，通常占整個地面工程建設總費用60%～70%，占油田建設費用的40%左右，因此管網布局優化對提高油田經濟收益十分重要。目前，我國大多數油田已步入生產后期，原油含水率大幅度提高，導致現有的集輸系統已無法適應當前的運行要求，造成了能源的極大浪費。因此，對于管道運行的優化［1］也是提升管網經濟效益的關鍵。

1 油田地面集輸管網優化現狀

1.1 國內油田管網布局優化現狀

油田集輸管網的拓撲布局優化是一類包含大量離散型變量和連續型變量的復雜優化設計問題［2］。通常可以根據圖論知識，將集輸管網中的管段、站點抽象成圖的邊和節點。

于達［3］在對管網的優化過程中，以建設費用和營運費用為綜合指標提出目標函數，在遵循優化原則和現場實際的前提下，采用策略尋優方法。以圖論知識為基礎，把分布在油田區域中的油井看成是二維平面上無規律分布的點，把各點連線所圍成的區域近似看成凸多邊形 。把井的產量和它到某點的距離的乘積看作產量距離，最終可以證明使 產量距離的加和最小的點就是多邊形的幾何中心。在一定計量站所轄井數的約束下，對礦區油井進行劃分，以井群內不同井點到中心的距離差的平方和為井群緊致性度量，目標是確定一種使各群的總體緊致性最佳的劃分。最后以加權距離和最短為目標函數，考慮產量、管徑等因素，采用直接搜索法求解。

李宏偉等［4］為了解決海底油田群組單個儲量較小的問題，利用規模效應，對海底油田進行規劃以提高設施的利用率、提高經濟效益。利用加權中心法確定中心平臺的位置，與其他平臺相結合組合成一顆有向樹，以有向樹為基礎運用最小生成樹法求出各管段的流量，以此確定管道直徑，從而推算出海底集輸管網的建設投入費用。以具體情況為例，運用FORTRAN語言對海底管網的優化進行編譯。最后證明這中最小生成樹和網絡中心問題結合起來的方式對海底井群綜合開發可行性研究階段的費用初步估算和經濟評價比較有效。

喻西崇等［5］綜合考慮管路最初投資、動力費用和熱力費用這三方面建立目標函數，其中油氣水多相流壓降選用Beggs-Bill半經驗關系式進行計算，管路溫降選用蘇霍夫公式計算。對目標函數求解時，將懲罰函數的內點法和外點法結合運用，把有優化轉化為無約束的優化，然后黃金分割法進行搜索，確定可行域區間，在可行域內運用POWELL法求得最優解。作者以勝利淺海埋島油田為例，還使用了枚舉法，對比枚舉法必須確定可行域才能繼續優化的缺點，混合SUMT法收斂性和穩定性更好，得到的結果更令人滿意。

冷建成等［6］基于產量中心的思想，以原油的運量和運行距離的乘積來表示原油運輸的費用，基于對井與站點所屬關系的確定性、各站容積以及空間上的制約等約束條件的考慮，對多級星集輸管網建立了拓撲優化的模型。針對這種非線性混合整數規劃問題，采用神經網絡法對集輸管網進行布局優化并求解。雖然取得了一定效果，但作者發現優化過程中所選擇的參數的差別對迭代次數和優化結果有比較大的影響，認為應該加入遺傳算法能夠提高全局收斂性。

劉揚等［7］以星式集輸管網為例，針對分級優化法受站點初始位置的影響很大，一般無法得到全局最優解的這種缺陷，在滿足各級站的處理能力、空間幾何位置以及各級站點的相互連接關系的前提下建立數學模型。將遺傳算法和基于規劃理論的拉格朗日松弛法結合起來進行求解。把原問題分為兩個層次，在布局層用遺傳算法對全局搜索，在分配層用拉格朗日松弛法運算求解，這樣整個布局區域的搜索能夠更為有效。針對實例進行對比計算，結論為采用混合遺傳算法得到的結果比分級優化法更能令人滿意。

魏立新［8］以投資和運行能耗最小為目標研究建立這MS、MST、MRS三種地面管網形態優化設計的數學模型，通過分析不同管網形態計算的復雜性，提出了模擬退火方法和遺傳算法相結合的混合遺傳模擬退火法的解決方案。在其論文中也針對實例系統比較了分級優化法和混合遺傳模擬退火算法的優劣，結果表明，混合遺傳模擬退火算法與分級優化法相比，在優化性能和抗變換性等方面均有不同程度的提高。

吳華麗等［9］以產量距離和最小為基礎，對井組最優劃分建立數學模型。為解決傳統算法容易陷入局部極值的缺陷，采用基于整數編碼的遺傳算法進行全局優化，盡管在運算過程中，一些步驟（如淘汰、增殖、交叉、變異等）需要依靠經驗來試運行，但依然達到了一定效果，最后求得的產量距離之和比上一個文獻小了1381.07 km·t/d。

楊建軍等［10］根據星型地面輸油管網拓撲優化數學模型的特點，利用改進的整數編碼遺傳算法優化油井與各級站之間的所屬關系，首先確定井點對應的上級站的最優位置。因為遺傳算法有自身的缺陷，對運行流程進行了改進，融入模擬退火算法調整適應函數，推出初始溫度的確定方法，改進選擇復制的操作，最終構成混合遺傳算法，在交叉操作中為避免群體早熟等缺點采用隨機多父輩適應函數值加權交叉法，為優化效果更好，運用多種變異方法來拓展算法的搜索種類。通過努力提升了算法優化速率。運用實例論證了這種方式的可靠性。

黎彬等［11］依照輸油管線投建費用、長度和直徑的函數關系，建立集油管線的費用模型；根據設計人員以往的經驗和資料，根據集油站的建造成本與容量間的函數關系建立的中間站費用模型由最小二乘法回歸得出；為了使井點到對應站點的集油管網系統的造價最少，以產量中心為對應的集油站站址，確立井組最優劃分數學模型。求解過程中根據各微粒個體位置編碼中井與站的隸屬關系信息劃分井組，判斷是否滿足約束條件，然后初始化各微粒位置和速度，采用基于整數編碼的PSO進化公式進行優化搜索來得出最佳井組劃分以及各級站的空間位置。

劉揚，鞠志忠等［12］針對 MS網絡的特點—頂點可被分成一系列不同級別的子集合，同種級別的頂點中的不同頂點的物理意義不同，低級的頂點與高級別的頂點有從屬關系，且隸屬關系是一定的［13］。以圖論為基礎對系統網絡進行定義，構建網絡拓撲優化問題的數學模型。將問題劃分為兩個層次，布局層確定各級節點的空間位置，采用混合遺傳模擬退火算法對整個布局層進行搜索，然后確定不同級別站點之間的隸屬關系，這么分配的原因是為了能有效搜索布局區域，最后可以得出最優解。通過對某區域原油集輸管網進行優化，最后就夠為管線總長度和管線投資分別比優化前降低了 10.86%和10.49%，優化效果明顯。

陳坤明等［14］針對樹狀集輸管網進行布局優化，為了能得到管網投入費用最少布局方式，在操作中以管網初步連接為依據，以管道造價為權值，轉換最小的生成樹問題。由于不同管網布局形式導致管道內分配的流量不同，管網投入費用以及水力性能差別較大，所以運用單親遺傳算法和深度優先搜索算法相結合的方法對問題進行求解，得到的結果對原問題有較好的適應性。

1.2 國內油田管網參數優化現狀

最近幾年，隨著油田的持續開采，多數油田都已經進入了三四次開采階段，一些現有的油田地面管路設施無法適應油田企業經濟效益的提高。在各站場的布局、設備和管材等因素已經確定的情況下，科研針對管路運行進行的優化研究對油氣集輸節能降耗尤為重要。

魏立新［15］為減小生產運行中的能耗，以集輸系統能耗費用最小為目標函數。把井口回壓、進站溫度等作約束條件，創建優化數學模型。分析該模型并使用序列二次規劃法計算出結果。

婁紅洋，張宏波［16］針對油田地面多相混輸運行參數建立了優化數學模型，并選用遺傳算法進行求解。

崔淑紅［17］選取計量間所轄油井井口至轉油站進口的地面集輸管網為對象。在管網的各參數給定的情況下，對樹狀雙管摻水集輸系統參數優化問題進行了研究。以能耗費用最低建立目標函數，創建樹狀雙管摻水集輸系統參數優化設計的數學模型。該模型屬于約束非線性規劃問題，采用 POWELL 法結合混合SUMT 法進行優化的方法對此模型進行計算得解。

耿麗麗［18］采用雙管摻熱水伴熱方法對地面集輸系統進行了運行優化設計。確定了整個目標函數所涉及的熱能費用和電能費用。并根據熱經濟學原理，建立了稠油摻熱水集輸管路參數優化的數學模型。對此模型進行了分析，該模型屬于約束非線性規劃問題。為了解決此問題，首先使用混合SUMT方法將約束優化轉化為無約束優化，然后運用共軛梯度法和黃金分割法聯合求解。

孟振虎［19］采用優化理論對輸量和熱油管道運行成本的關系進行分析。得出了最佳輸量界限和它們之間的變化關系以及各輸量點的最佳進站溫度。結論顯示，運行費用隨輸量的增大而減小。即打輸量可減小熱油管道的運行成本。

劉萬豐［20］把集輸管路向外界擴散的能量算為能耗，并以能耗費用最小創建目標函數，優化運行參數，依據此情況，作者使用序列二次規劃法計算。

王志華［21］研制了一套可以在不同工況條件（摻水量、摻水溫度、流速）下優化運行參數的室內試驗裝置。在此基礎上，在宋方屯油田新老區塊進行低溫集輸現場試驗，取得了一定的成果。對比不同方案，低溫集輸方案大大降低了生產成本。

邵寶力［22］選取計量站所轄油井井口到轉油站進口這一段距離的地面管網為研究對象。管網各方面的參數已知，對單管環狀摻水集輸系統參數優化進行了研究。以總能耗費用最小為目標函數，創建單管環狀摻水集輸系統參數優化設計的數學模型。該模型屬于約束非線性規劃問題，采用針對多維的共軛方向法結合針對一維的黃金分割法進行優化的方法對模型進行計算。

梁永圖，劉增哲［23］建立的目標函數為在周期內運行費用最小，并根據運行時的能量平衡和各壓力站的壓力等約束條件建立了管道優化運行數學模型，作者運用的計算方法為是態規劃法。給出了關于在輸送周期內管路各時段的最佳泵組合方案。

南松玉［24］使用能量平衡分析方法，研究集輸系統的各部分能耗比例。現場試驗實現了低溫輸送和常溫輸送。提高了電能利用率和熱能利用率。進而達到節能的目的。

崔鵬，楊志淑等［25］以動能以及熱能能耗費用之和最小為目標函數，選用多個約束條件（如系統的熱力、水力平衡、井口的回壓及摻水壓力）。對比線性規劃過程，針對此目標函數的計算過程非常復雜。為解決這類非線性規劃問題，運用SUMT法來進行計算。運算過程中將有約束優化轉變成無約束優化問題進而求解。

王經天［26］為了減少集輸系統的生產運行成本，提供經濟效益，對集輸系統管道運行進行了優化。以管道運行總能耗費用為目標函數，選去原油的進出站壓力、溫度為決策變量。創建管道優化運行數學模型，并采用合適的方法對其進行了求解。

2 油田地面集輸管網優化發展趨勢

從布局優化方面來看，在工程實際規劃設計過程中，對于油氣管網的布局優化，根據開發進程或者規劃者的不同喜好，所習慣采用的目標函數和求解方法也存在很多不同。在管網的布局優化的發展進程中，最開始只是針對一些簡單的局部的問題進行優化求解，所應用的方法也比較簡單，因此不容易達到預期效果，只能在小范圍內應用。伴隨著技術的不斷發展，使得運用計算機求解一些高難度的布局優化問題成為可能，一些利用傳統的優化方法難以解決的具有復雜性、約束性、非線性、建模困難等特點的優化問題被克服，也取得了一定的經濟效益。由于優化過程中涉及的條件變多了，影響最終優化結果的因素也相應變多，因此很多時候在優化過程中就需要采用模糊優化的方法對問題進行處理。現階段油田地面集輸管網優化大多只是依靠總建設費用最少來確定的，這種方法以定會存在一定的缺陷，所以對優化方案進行灰色系統理論進行模糊優化處理，有助于解決很多問題［27］。因此可以說，油田地面集輸管網優化發展方向是多目標，灰色化和模糊化的。現階段，受限于優化理論和計算機技術的不完善，布局優化問題多采用分階段優化的方法，整合不同階段的局部最優解來估算全局最優解，這樣的方法難以確保最終的結果就是全局最優解。還有一個問題，目前研究的布局優化問題大多都是基于二維空間直線距離的管道提出目標函數，雖然在部分情況下考慮障礙因素，但是對于三維情況下障礙地形對管段影響的研究還依然不足。

從參數優化方面來看目前，由于大部分老油田已經進入高含水期階段，而該階段的特點是油井出油溫度升高、采出液呈現牛頓流體的流動特性、集油管道的結蠟量明顯下降的特點。因此，借助該階段這些有利條件，油田集輸管路的優化運行的研究一般從摻水量、摻水溫度、土壤溫度、進站溫度、加熱爐和泵等設備等方面著手。針對某些特定的有中間熱泵站的管道優化運行，可以采用熱力越站、壓力越戰和全越戰三種優化方案來減少熱力費用和動力費用，降低運行成本。對于投產運行的油田來說，管路運行中的參數決定了油的生產成本，重點優化運行參數（如摻水量、摻水溫度、流量、流速等）是很好的選擇。但是，用于某些特定網絡結構的參數求解方法并不一定適用于其他結構，研究正逐步朝著多參數聯合求解的方向研究。

從算法這一方面來看，20世紀80、90年代在優化過程中主要還是采用傳統算法，例如劃分井組的問題經常采用分級優化法、動態規劃法或者分支定界法進行求解。從20世紀末到現在，針對油氣田集輸地面管網的軟件設計不斷飛速發展，在優化過程中通過理論基礎把集輸管網的全局模擬出來，然后電腦中得出不同的規劃設計方案，這樣讓操作人員就能夠在這些方案中選擇最合適的優化方案。與此同時，優化方法也逐漸向啟發式的智能算法和多種算法混合的方向發展，其中禁忌搜索法，模擬退火遺傳算法，人工神經網絡法等算法得到廣泛使用。但很多算法依然無法保證計算結果的最優性，與此同時，管網也由高壓集輸系統向中低壓集輸的新能源集輸系統發展，節點數目變多，對求解速度的要求也進一步增高。目前還沒有能夠比較通用的集輸系統優化軟件。

3 結 論

本文對近幾年對有關地面集輸管路運行優化的研究進行了綜述，隨著計算機的普及，僅憑借經驗去投產運行的傳統方法的時代已經過去，選擇合適的優化方案不僅能夠提高油田集輸系統的穩定性，還能降低油田集輸管網的工程造價，而且能增加油田開發的經濟收益。但是，這一領域中依然還有很多問題亟待解決，為了使優化結果更能令人滿意，相關工作人員需要進一步努力。

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Research Progress in Optimization of Oilfield Surface Gathering Pipeline Network

ZHANG Yin，YU Huan，WU Yu-Guo
（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

Oil gathering pipeline network is a very important part in oilfield surface engineering construction， the construction of gathering network is often costly. From the current situation of oil exploration in China， low-load and low efficiency during oil production process become a common phenomenon， so proper pipeline optimization to improve the economic benefits of the pipeline has important significance. In this paper， the gathering pipeline network layout optimization model and optimization algorithm and run at different times were introduced， and the development trend of pipeline networks at this stage was summarized， and relevant proposals were put forward.

Optimal operation； Gathering and transportation pipeline； Layout optimization

TE 832

A

1671-0460（2015）12-2879-04

2015-07-31

張音（1990-），女，遼寧盤錦人，在讀研究生，研究方向：石油天然氣儲運方向。E-mail：1164302237@qq.com。

吳玉國（1977-），男，副教授，博士，研究方向：油氣儲運。