油田地面集输管网优化的发展

张 音，于 欢，吴玉国

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

油田地面集输管网优化的发展

张 音，于 欢，吴玉国

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

油田地面集输管网是油田地面工程建设中非常重要的一部分，集输网的建设往往耗资巨大，从我国油田开采的现状来看，油田生产过程中，低负荷、低效率成为普遍现象，所以对管路进行适当优化对提高管路的经济效益具有很重要的意义对不同时期集输管网布局和运行的优化模型和优化算法进行了较为详细的介绍，并且总结了集输管网现阶段的发展趋势，并提出了相关建议。

优化运行；集输管网；布局优化；

油田地面工程包括油气集输与油气矿场加工、油田采出水处理、供排水、注水、供电、通讯、道路、消防等与油田生产密切相关的各个系统。油田集输管网是油田建设的一个重要组成部分，油气集输系统是油田地面管网系统的核心，该系统的投资十分巨大，这一系统的费用主要包括各级管道建设费用、各级站址造价以及管网系统生产运行、管理费用，通常占整个地面工程建设总费用60%～70%，占油田建设费用的40%左右，因此管网布局优化对提高油田经济收益十分重要。目前，我国大多数油田已步入生产后期，原油含水率大幅度提高，导致现有的集输系统已无法适应当前的运行要求，造成了能源的极大浪费。因此，对于管道运行的优化［1］也是提升管网经济效益的关键。

1 油田地面集输管网优化现状

1.1 国内油田管网布局优化现状

油田集输管网的拓扑布局优化是一类包含大量离散型变量和连续型变量的复杂优化设计问题［2］。通常可以根据图论知识，将集输管网中的管段、站点抽象成图的边和节点。

于达［3］在对管网的优化过程中，以建设费用和营运费用为综合指标提出目标函数，在遵循优化原则和现场实际的前提下，采用策略寻优方法。以图论知识为基础，把分布在油田区域中的油井看成是二维平面上无规律分布的点，把各点连线所围成的区域近似看成凸多边形 。把井的产量和它到某点的距离的乘积看作产量距离，最终可以证明使 产量距离的加和最小的点就是多边形的几何中心。在一定计量站所辖井数的约束下，对矿区油井进行划分，以井群内不同井点到中心的距离差的平方和为井群紧致性度量，目标是确定一种使各群的总体紧致性最佳的划分。最后以加权距离和最短为目标函数，考虑产量、管径等因素，采用直接搜索法求解。

李宏伟等［4］为了解决海底油田群组单个储量较小的问题，利用规模效应，对海底油田进行规划以提高设施的利用率、提高经济效益。利用加权中心法确定中心平台的位置，与其他平台相结合组合成一颗有向树，以有向树为基础运用最小生成树法求出各管段的流量，以此确定管道直径，从而推算出海底集输管网的建设投入费用。以具体情况为例，运用FORTRAN语言对海底管网的优化进行编译。最后证明这中最小生成树和网络中心问题结合起来的方式对海底井群综合开发可行性研究阶段的费用初步估算和经济评价比较有效。

喻西崇等［5］综合考虑管路最初投资、动力费用和热力费用这三方面建立目标函数，其中油气水多相流压降选用Beggs-Bill半经验关系式进行计算，管路温降选用苏霍夫公式计算。对目标函数求解时，将惩罚函数的内点法和外点法结合运用，把有优化转化为无约束的优化，然后黄金分割法进行搜索，确定可行域区间，在可行域内运用POWELL法求得最优解。作者以胜利浅海埋岛油田为例，还使用了枚举法，对比枚举法必须确定可行域才能继续优化的缺点，混合SUMT法收敛性和稳定性更好，得到的结果更令人满意。

冷建成等［6］基于产量中心的思想，以原油的运量和运行距离的乘积来表示原油运输的费用，基于对井与站点所属关系的确定性、各站容积以及空间上的制约等约束条件的考虑，对多级星集输管网建立了拓扑优化的模型。针对这种非线性混合整数规划问题，采用神经网络法对集输管网进行布局优化并求解。虽然取得了一定效果，但作者发现优化过程中所选择的参数的差别对迭代次数和优化结果有比较大的影响，认为应该加入遗传算法能够提高全局收敛性。

刘扬等［7］以星式集输管网为例，针对分级优化法受站点初始位置的影响很大，一般无法得到全局最优解的这种缺陷，在满足各级站的处理能力、空间几何位置以及各级站点的相互连接关系的前提下建立数学模型。将遗传算法和基于规划理论的拉格朗日松弛法结合起来进行求解。把原问题分为两个层次，在布局层用遗传算法对全局搜索，在分配层用拉格朗日松弛法运算求解，这样整个布局区域的搜索能够更为有效。针对实例进行对比计算，结论为采用混合遗传算法得到的结果比分级优化法更能令人满意。

魏立新［8］以投资和运行能耗最小为目标研究建立这MS、MST、MRS三种地面管网形态优化设计的数学模型，通过分析不同管网形态计算的复杂性，提出了模拟退火方法和遗传算法相结合的混合遗传模拟退火法的解决方案。在其论文中也针对实例系统比较了分级优化法和混合遗传模拟退火算法的优劣，结果表明，混合遗传模拟退火算法与分级优化法相比，在优化性能和抗变换性等方面均有不同程度的提高。

吴华丽等［9］以产量距离和最小为基础，对井组最优划分建立数学模型。为解决传统算法容易陷入局部极值的缺陷，采用基于整数编码的遗传算法进行全局优化，尽管在运算过程中，一些步骤（如淘汰、增殖、交叉、变异等）需要依靠经验来试运行，但依然达到了一定效果，最后求得的产量距离之和比上一个文献小了1381.07 km·t/d。

杨建军等［10］根据星型地面输油管网拓扑优化数学模型的特点，利用改进的整数编码遗传算法优化油井与各级站之间的所属关系，首先确定井点对应的上级站的最优位置。因为遗传算法有自身的缺陷，对运行流程进行了改进，融入模拟退火算法调整适应函数，推出初始温度的确定方法，改进选择复制的操作，最终构成混合遗传算法，在交叉操作中为避免群体早熟等缺点采用随机多父辈适应函数值加权交叉法，为优化效果更好，运用多种变异方法来拓展算法的搜索种类。通过努力提升了算法优化速率。运用实例论证了这种方式的可靠性。

黎彬等［11］依照输油管线投建费用、长度和直径的函数关系，建立集油管线的费用模型；根据设计人员以往的经验和资料，根据集油站的建造成本与容量间的函数关系建立的中间站费用模型由最小二乘法回归得出；为了使井点到对应站点的集油管网系统的造价最少，以产量中心为对应的集油站站址，确立井组最优划分数学模型。求解过程中根据各微粒个体位置编码中井与站的隶属关系信息划分井组，判断是否满足约束条件，然后初始化各微粒位置和速度，采用基于整数编码的PSO进化公式进行优化搜索来得出最佳井组划分以及各级站的空间位置。

刘扬，鞠志忠等［12］针对 MS网络的特点—顶点可被分成一系列不同级别的子集合，同种级别的顶点中的不同顶点的物理意义不同，低级的顶点与高级别的顶点有从属关系，且隶属关系是一定的［13］。以图论为基础对系统网络进行定义，构建网络拓扑优化问题的数学模型。将问题划分为两个层次，布局层确定各级节点的空间位置，采用混合遗传模拟退火算法对整个布局层进行搜索，然后确定不同级别站点之间的隶属关系，这么分配的原因是为了能有效搜索布局区域，最后可以得出最优解。通过对某区域原油集输管网进行优化，最后就够为管线总长度和管线投资分别比优化前降低了 10.86%和10.49%，优化效果明显。

陈坤明等［14］针对树状集输管网进行布局优化，为了能得到管网投入费用最少布局方式，在操作中以管网初步连接为依据，以管道造价为权值，转换最小的生成树问题。由于不同管网布局形式导致管道内分配的流量不同，管网投入费用以及水力性能差别较大，所以运用单亲遗传算法和深度优先搜索算法相结合的方法对问题进行求解，得到的结果对原问题有较好的适应性。

1.2 国内油田管网参数优化现状

最近几年，随着油田的持续开采，多数油田都已经进入了三四次开采阶段，一些现有的油田地面管路设施无法适应油田企业经济效益的提高。在各站场的布局、设备和管材等因素已经确定的情况下，科研针对管路运行进行的优化研究对油气集输节能降耗尤为重要。

魏立新［15］为减小生产运行中的能耗，以集输系统能耗费用最小为目标函数。把井口回压、进站温度等作约束条件，创建优化数学模型。分析该模型并使用序列二次规划法计算出结果。

娄红洋，张宏波［16］针对油田地面多相混输运行参数建立了优化数学模型，并选用遗传算法进行求解。

崔淑红［17］选取计量间所辖油井井口至转油站进口的地面集输管网为对象。在管网的各参数给定的情况下，对树状双管掺水集输系统参数优化问题进行了研究。以能耗费用最低建立目标函数，创建树状双管掺水集输系统参数优化设计的数学模型。该模型属于约束非线性规划问题，采用 POWELL 法结合混合SUMT 法进行优化的方法对此模型进行计算得解。

耿丽丽［18］采用双管掺热水伴热方法对地面集输系统进行了运行优化设计。确定了整个目标函数所涉及的热能费用和电能费用。并根据热经济学原理，建立了稠油掺热水集输管路参数优化的数学模型。对此模型进行了分析，该模型属于约束非线性规划问题。为了解决此问题，首先使用混合SUMT方法将约束优化转化为无约束优化，然后运用共轭梯度法和黄金分割法联合求解。

孟振虎［19］采用优化理论对输量和热油管道运行成本的关系进行分析。得出了最佳输量界限和它们之间的变化关系以及各输量点的最佳进站温度。结论显示，运行费用随输量的增大而减小。即打输量可减小热油管道的运行成本。

刘万丰［20］把集输管路向外界扩散的能量算为能耗，并以能耗费用最小创建目标函数，优化运行参数，依据此情况，作者使用序列二次规划法计算。

王志华［21］研制了一套可以在不同工况条件（掺水量、掺水温度、流速）下优化运行参数的室内试验装置。在此基础上，在宋方屯油田新老区块进行低温集输现场试验，取得了一定的成果。对比不同方案，低温集输方案大大降低了生产成本。

邵宝力［22］选取计量站所辖油井井口到转油站进口这一段距离的地面管网为研究对象。管网各方面的参数已知，对单管环状掺水集输系统参数优化进行了研究。以总能耗费用最小为目标函数，创建单管环状掺水集输系统参数优化设计的数学模型。该模型属于约束非线性规划问题，采用针对多维的共轭方向法结合针对一维的黄金分割法进行优化的方法对模型进行计算。

梁永图，刘增哲［23］建立的目标函数为在周期内运行费用最小，并根据运行时的能量平衡和各压力站的压力等约束条件建立了管道优化运行数学模型，作者运用的计算方法为是态规划法。给出了关于在输送周期内管路各时段的最佳泵组合方案。

南松玉［24］使用能量平衡分析方法，研究集输系统的各部分能耗比例。现场试验实现了低温输送和常温输送。提高了电能利用率和热能利用率。进而达到节能的目的。

崔鹏，杨志淑等［25］以动能以及热能能耗费用之和最小为目标函数，选用多个约束条件（如系统的热力、水力平衡、井口的回压及掺水压力）。对比线性规划过程，针对此目标函数的计算过程非常复杂。为解决这类非线性规划问题，运用SUMT法来进行计算。运算过程中将有约束优化转变成无约束优化问题进而求解。

王经天［26］为了减少集输系统的生产运行成本，提供经济效益，对集输系统管道运行进行了优化。以管道运行总能耗费用为目标函数，选去原油的进出站压力、温度为决策变量。创建管道优化运行数学模型，并采用合适的方法对其进行了求解。

2 油田地面集输管网优化发展趋势

从布局优化方面来看，在工程实际规划设计过程中，对于油气管网的布局优化，根据开发进程或者规划者的不同喜好，所习惯采用的目标函数和求解方法也存在很多不同。在管网的布局优化的发展进程中，最开始只是针对一些简单的局部的问题进行优化求解，所应用的方法也比较简单，因此不容易达到预期效果，只能在小范围内应用。伴随着技术的不断发展，使得运用计算机求解一些高难度的布局优化问题成为可能，一些利用传统的优化方法难以解决的具有复杂性、约束性、非线性、建模困难等特点的优化问题被克服，也取得了一定的经济效益。由于优化过程中涉及的条件变多了，影响最终优化结果的因素也相应变多，因此很多时候在优化过程中就需要采用模糊优化的方法对问题进行处理。现阶段油田地面集输管网优化大多只是依靠总建设费用最少来确定的，这种方法以定会存在一定的缺陷，所以对优化方案进行灰色系统理论进行模糊优化处理，有助于解决很多问题［27］。因此可以说，油田地面集输管网优化发展方向是多目标，灰色化和模糊化的。现阶段，受限于优化理论和计算机技术的不完善，布局优化问题多采用分阶段优化的方法，整合不同阶段的局部最优解来估算全局最优解，这样的方法难以确保最终的结果就是全局最优解。还有一个问题，目前研究的布局优化问题大多都是基于二维空间直线距离的管道提出目标函数，虽然在部分情况下考虑障碍因素，但是对于三维情况下障碍地形对管段影响的研究还依然不足。

从参数优化方面来看目前，由于大部分老油田已经进入高含水期阶段，而该阶段的特点是油井出油温度升高、采出液呈现牛顿流体的流动特性、集油管道的结蜡量明显下降的特点。因此，借助该阶段这些有利条件，油田集输管路的优化运行的研究一般从掺水量、掺水温度、土壤温度、进站温度、加热炉和泵等设备等方面着手。针对某些特定的有中间热泵站的管道优化运行，可以采用热力越站、压力越战和全越战三种优化方案来减少热力费用和动力费用，降低运行成本。对于投产运行的油田来说，管路运行中的参数决定了油的生产成本，重点优化运行参数（如掺水量、掺水温度、流量、流速等）是很好的选择。但是，用于某些特定网络结构的参数求解方法并不一定适用于其他结构，研究正逐步朝着多参数联合求解的方向研究。

从算法这一方面来看，20世纪80、90年代在优化过程中主要还是采用传统算法，例如划分井组的问题经常采用分级优化法、动态规划法或者分支定界法进行求解。从20世纪末到现在，针对油气田集输地面管网的软件设计不断飞速发展，在优化过程中通过理论基础把集输管网的全局模拟出来，然后电脑中得出不同的规划设计方案，这样让操作人员就能够在这些方案中选择最合适的优化方案。与此同时，优化方法也逐渐向启发式的智能算法和多种算法混合的方向发展，其中禁忌搜索法，模拟退火遗传算法，人工神经网络法等算法得到广泛使用。但很多算法依然无法保证计算结果的最优性，与此同时，管网也由高压集输系统向中低压集输的新能源集输系统发展，节点数目变多，对求解速度的要求也进一步增高。目前还没有能够比较通用的集输系统优化软件。

3 结 论

本文对近几年对有关地面集输管路运行优化的研究进行了综述，随着计算机的普及，仅凭借经验去投产运行的传统方法的时代已经过去，选择合适的优化方案不仅能够提高油田集输系统的稳定性，还能降低油田集输管网的工程造价，而且能增加油田开发的经济收益。但是，这一领域中依然还有很多问题亟待解决，为了使优化结果更能令人满意，相关工作人员需要进一步努力。

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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

张音（1990-），女，辽宁盘锦人，在读研究生，研究方向：石油天然气储运方向。E-mail：1164302237@qq.com。

吴玉国（1977-），男，副教授，博士，研究方向：油气储运。