大型油气田地面工程优化设计方法研究进展

李杰训

1海峡能源有限公司

2东北石油大学

2018年，我国原油对外依存度首次突破70%，为有效应对低油价高成本和复杂国际环境的影响，保障国家能源安全与稳定，各大油气田都把降本增效提升为重要战略目标。油气田地面工程作为油气资源生产的重要环节，其减资增效不仅对保障油气资源有效开采具有重要意义，也是当下亟待解决的挑战性难题。随着大型油气田产能建设方案的阶段化调整，采用一定技术手段获得科学合理的地面工程规划设计方案可以产生显著的经济效益，其中，最优化方法是实现地面工程优化设计的主要理论支撑。

油气田地面工程是集成了油气收集及输运存储、油气处理、污水净化、电力供给、驱替介质注入等诸多功能的超大型工程系统，其优化需要在满足相应运转功能的基础上实现生产建设参数的高效、体系化、常态化优化设计。根据生产能耗占比和功能属性，油气田地面工程可以划分为油气集输系统、注水系统、配套工程系统三大生产子系统，诸多学者针对不同子系统及其总体优化问题开展了长期攻关研究，取得了丰硕的研究成果。

1 油气集输系统优化

油气集输系统是油气田地面工程的主体子系统，承担着从生产井口收集油气资源到联合站统一处理的集输处理功能，在油气田地面建设投资中占有主导地位[1]。油气集输系统的优化设计关系着油气田生产的经济性和安全性[2]，很多学者对此开展了系统深入的研究。

根据影响油气集输系统建设投资的比例大小，其主要优化问题可归结为管网拓扑结构优化和建设及运行参数优化。就管网拓扑布局优化问题而言，它包含了最优集合划分、最小生成树、最短路径、设施选址等优化子问题，这些子问题中包含了NP类问题，进行有效求解难度很大。此外，优化问题的维度随着油气集输系统中的节点数目呈倍数增长，加之油气集输系统的复杂拓扑结构和多级管理属性，优化问题的维度可达几千甚至上万维，加剧了优化求解的难度。由于油气田开发模式的不同，国内多以密集分布的井网来保障油气产量，而国外并不存在如此小井距的生产井位分布，因此，国外学者以干线[3]、规模较小管网[4]的研究为主，对于大型油气集输系统的优化设计研究几乎没有。

大型油气集输系统布局优化主要在于解决“维数灾难”、超高计算复杂性的问题，刘扬等人率先建立了相对完善的大型油气集输系统布局优化理论体系[5]，从网络结构的本质特征出发，提出了大型油气集输系统多级星（MS）[6-8]式和多级星-环（MRS）[9-10]式网络表征方法，据此适用性广泛的网络表征方法[11-12]构建了大型油气集输系统布局优化和参数优化数学模型，针对模型多变量、多约束、多目标的特点，创新性地构建了分级优化求解方法[6，13]和模糊优化求解方法[14-15]，并采用无需梯度信息的混合遗传模拟退火算法进行了优化模型的求解[16]，实现了大型新建油气田集输管网规划和老油田集输管网调整的优化设计，大幅度降低了油气集输系统建设投资和运行费用。其中，混合遗传模拟退火算法因其无需优化模型数学性质、实现简单的特点，在油气集输系统布局优化研究中被广泛接纳并采用[17-18]。

油气集输系统布局优化问题是典型的混合整数非线性规划问题（MINLP），已被证明是NP-hard问题，目前超大型油气集输系统的布局优化研究国内外鲜有报道。单纯依靠智能优化算法的随机搜索求解如此超大规模的优化模型，难以保证收敛速度和收敛精度。刘扬开展了智能优化算法的改进研究，提出了一种适用于求解高维优化问题的全局收敛的改进粒子群算法（MPSO），该算法相较于国际知名的粒子群算法（PSO）、引力搜索算法（GSA）、萤火虫算法（FA）等具有显著的优势[19]。另外，他首次提出了格栅剖分集合划分法、位域相近模糊集求解法、拓扑关联集优化法，并据此构建了超大型油气集输系统布局优化模型的组合式智能优化求解策略以及三维真实空间下油气集输系统的空间组合式智能优化求解策略[20]。格栅剖分集合划分法成功将LPT等经典算法的时间复杂度降低至线性阶，攻克了超高计算复杂性的求解难点；位域相近模糊集求解法显著降低了优化模型的维度，成功解决了“维数灾难”的求解难题，为油气集输系统降维规划求解开辟了新途径；组合式智能优化求解策略和空间组合式智能优化求解策略实现了超大型油气集输系统最优布局方案的高效、高精度求解。大型以及超大型油气集输系统布局优化理论方法的提出对油气田地面工程的优化设计具有重要理论意义和应用价值。

除油气集输系统布局优化外，油气集输系统的用能优化也是实现油气节能降耗开采的关键技术手段。用能优化是在明确油气集输过程中能耗分布情况的基础上，针对非正常能损过大的薄弱环节，通过优化设计来实现油气生产的节能降耗。刘扬首次建立了以总火用损最小为目标的用能优化算法，为实现管道系统从能质角度的用能改进提供了方法[21-24]，形成了胶凝原油集用输参数的优化方法，拓yong展了原油管道输送系统火用分析方法，可大幅度减少油气田能源消耗和CO2排放。

虽然大型油气集输系统布局优化理论方法已经基本完善，但在智能优化算法收敛速度的进一步提升、多复杂因素影响和多管网形态下的大型油气集输系统布局优化研究等方面仍有继续挖掘的空间[25]。此外，油气集输系统用能优化正处于理论完善阶段，构建考虑更加全面的用能优化模型，提出高效、稳定的优化求解方法也是当务之急。

2 注水系统优化

注水系统是油气田地面工程中的主要子系统之一，也是油藏开发的主要动力来源。注水系统优化研究主要包括系统运行优化和拓扑布局优化两方面内容。其中，系统运行优化旨在调整系统的状态参数以达到降低运行能耗的目的，包括运行参数优化和运行方案优化。注水系统优化研究的难点在于通过建模求解实现协同调节各注水站的运行参数，以达到整体优化的目的。

我国注水系统运行优化研究起步于20世纪90年代，经过各高校和科研院所的持续攻关，取得了积极成果。陈淼鑫[26]通过“压力谷”将注水系统分解为若干子系统，并采用关联平衡法进行迭代，实现了对注水系统优化运行方案的压力、流量分布的求解。刘扬[27]、关晓晶[28]分析了注水系统高能耗、低效率的主要原因，创新性地以注水系统总能耗最小为目标建立了多源注水系统运行方案优化数学模型，并采用混合遗传算法对优化模型进行了求解。魏立新[29]采用罚函数法和混合遗传模拟退火算法对注水系统运行方案优化和运行参数优化数学模型进行了求解，为了加速求解，舍弃了迭代过程中明显不可行的染色体。常玉连[30]针对注水站内恒速泵和调速泵并存的系统，以总能耗最低建立了运行方案优化模型。在注水系统水力分析计算的基础上开展了调整改造研究。杨建军[31-32]采用双重编码的遗传算法对注水系统参数优化和运行方案优化数学模型进行求解，分别对适应度函数、变异算子进行了优化设计。邹龙庆[33]对注水系统能量损失规律进行了分析，揭示了总能量是由供给地层进行有效注入的能量和注水站内泵-管压差以及注水管网的损耗能量构成的，进而基于能量分析开展了注水系统运行优化研究。

对于注水系统运行优化的研究，国内学者早期的研究成果集中于传统优化法和“压力谷”法，传统优化方法依赖于优化模型的数学性质且容易陷入局部最优，“压力谷”的边界划分十分复杂且难以用程序实现，限制了二者在注水系统运行优化领域的推广应用。近年来的研究多着重于应用遗传算法和改进的遗传算法进行运行参数和运行方案优化模型的求解，但遗传算法作为随机优化方法一般存在着收敛速度慢、易陷入局部最优的不足，因而寻求新的智能优化方法来提高求解效率和求解精度是可行的研究方向。

注水系统布局优化是通过构建优化数学模型和求解方法来确定最优的注水系统拓扑布局和管网建设参数，使得建设投资最低。注水系统拓扑布局优化侧重于优化注水站、配水间的几何位置和注水管道的布置走向；管网建设参数优化是在给定拓扑布局的基础上优化管径、壁厚等参数。国外研究成果中鲜有相关报道，注水系统布局优化技术的研究主要依赖于国内学者的攻关和突破。杨建军等[34-35]将注水系统拓扑布局优化问题分解为分配层和几何层，分别采用遗传算法和非线性优化方法进行求解，确定了树状注水管网的优化拓扑布局。武晓勇[36]将树状注水管网的拓扑布局优化分解为注水井到配水间和配水间到注水站两个优化子问题，在对标准蚁群算法进行适当改进的基础上求解了优化子问题。

由于树状注水系统在我国各油田的应用更为广泛，针对树状系统的布局优化研究成果相对更多，研究内容包括优化模型的建立和优化解法的开发两方面，多数研究成果在数学模型构建时考虑因素单一，仅考虑总管道长度或总建设费用最低，而安全性、管理便捷性也是进行管网规划设计时不容忽视的客观因素。贴近现场实际、综合多因素的注水系统布局优化研究是未来的发展方向。

3 配套工程系统优化

配套工程系统涵盖着辅助油气集输和注水系统正常生产的设施、工艺和技术，可划分为供配电子系统、污水处理子系统、道路子系统和通信子系统等，其中，供配电子系统对配套工程系统中的建设和运行起主导作用，因而现有成果主要针对供配电子系统的优化设计开展研究。

供配电子系统的优化研究主要在于寻求有效途径降低电力输配过程中的无用损耗，其研究难点在于如何构建准确的数学描述模型以及行之有效的优化解法。刘扬[37]以网损最小为目标函数，以电压降、线路电流值和电源容量的限制为约束条件，创新性地建立了配电网络重构优化数学模型，针对遗传算法容易陷入局部最优的不足，在优势融合模拟退火算法的基础上，改进了遗传算法的选择保留、交叉和变异算子，形成了可高效求解优化模型的混合遗传算法，实现了降低网损、消除载荷、改善电压分布、提高供电可靠性的目的。杨建军[38-39]基于环路和改进遗传算法进行了配电网络重构优化研究，同时以年运行费用最小为目标函数，建立了配电网集中无功补偿优化数学模型，提出了一种通过动态调整补偿容量上限值来避免产生过补偿现象的计算方法。

供配电子系统及配套工程系统的优化研究仍处于起步阶段，目前研究成果较少，考虑多目标、多因素的供配电系统重构优化还须进一步深入研究，并且污水处理子系统、道路子系统、通信子系统的优化理论方法也是未来需要探索的。

4 地面工程总体优化

虽然考虑管理上的便捷性和功能上的差异性，各子系统是独自管理的，但在油气田生产建设实际中，各子系统通过协同运作来保证油气田的正常生产，各子系统之间相互影响，是紧密联系的有机整体，应当从整体规划的角度来进行地面工程方案的优化设计。

对油气田地面工程进行总体优化需要处理各子系统之间的矛盾关系，找寻应对超大规模决策变量所引起“组合爆炸”问题的有效解法也是研究的重点。地面工程总体规划优化研究成果所见鲜少，刘扬考虑油气集输、污水处理、注水、供配电生产系统的联动制约关系，首次建立了超高维地面工程总体规划优化模型及其优化子模型，提出了地面网络的矩阵化表征方法和通用节点参数计算方法，建立了油气田地面工程网络布局优化问题的多级分解优化算法，编制了低渗透油田地面工程总体规划方案优化软件[40]，为油田开发建设方案的宏观规划提供了科学、高效的优化理论和决策工具。

油气田地面工程的总体优化对于减少建设及运行投资、保证生产平稳具有重要实用价值，对混合整数非线性规划问题的研究具有重要理论意义，应当继续深入地开展多目标、多系统的总体优化模型建立等相关问题的研究。

油气田地面工程本质上是随油气田阶段性开发而动态变化的大型设施网络，其方案的设计与地下油藏开发、采油生产方案的制定密不可分。刘扬于2001年首次建立了油气田地面地下一体化优化理论方法[41]，通过统筹考虑油藏、采油、集输、注水、供配电等地面地下生产系统之间的相互关系，构建了地面地下一体化优化数学模型及多级分解优化求解方法，实现了油气田开发建设地面地下一体化优化设计，填补了国际空白，在地面地下一体化理念的提出和优化理论方法的构建方面领先国际10余年。该理论成果对于实现油气田生产建设整体优化、节能降耗、减资增效的战略目标具有重要意义。刘扬还考虑油藏、采油、集输、污水处理、注入系统的关联耦合关系，首次提出了油气田地面地下亚闭环网络系统的概念[20]及优化理论方法，建立了地面地下亚闭环网络系统整体运行优化数学模型及优化子模型；提出了全局收敛的混合粒子群-烟花算法（PS-FW）[42]，较其他12种优化算法具有显著优势，并高效求解了大规模非线性优化问题的全局最优解；提出了具有普适性的随机优化算法收敛性定理；创新性地建立了“地下注入有效模糊区”和“机采系统模糊相似类”的概念，形成了高效的混合智能分解协调优化求解策略，大幅度规避了冗余计算，降低了优化求解维度，实现了油田地面地下生产运行方案的整体优化设计。

油气田地面地下一体化优化设计，是新时期油气田地面工程实现更大幅度减资增效的必然需求。但就目前国际范围内研究成果来看，地上地下一体化研究仍处于起步发展阶段，仍然需要加大研究力度，在多决策因素优化模型构建、高效求解方法开发等方面开展更加深入的研究工作。

5 结论与展望

油气田地面工程的优化理论方法经历了由其主要生产子系统——油气集输子系统和注水子系统的优化设计，到供配电子系统等配套工程系统的最优化设计，再到地面工程总体优化的研究历程。地面工程的优化研究正向着多系统、多目标、复杂结构、大型化、地面地下一体化的趋势发展，形成了以大型油气集输系统布局优化理论体系及用能优化方法、多源注水系统运行优化方法、配电网络重构优化方法、地面工程总体优化理论方法等为代表的油气田地面工程优化理论和方法。针对现有优化理论的不足和难点，提出了攻关多决策因素优化模型的构建、通用型高效优化算法的建立和多系统融合的大型生产系统优化设计等可行的未来研究方向。

基于国家下发的《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》（发改能源〔2016〕392号）、《关于印发〈中长期油气管网规划〉的通知》（发改基础〔2017〕965号）等指导性文件，我国将大力开展油气田地面工程的智能化、数字化建设，建立基于大数据的管理体系，构建融合人工智能技术的优化理论方法，以优化理论为决策中枢，以自动化技术为实施手段，实现对油气田地面工程的全局把控、统筹规划、精细设计，这是油气田地面工程未来可期的发展方向。