海上集输系统拓扑结构优化约束剖析及进展

马 晶

（中国石油大学（北京） 城市油气输配集输北京市重点实验室,北京102249）

海上集输系统拓扑结构优化约束剖析及进展

马 晶

（中国石油大学（北京） 城市油气输配集输北京市重点实验室,北京102249）

目前对陆上油气田布局优化研究较多，但针对海上集输系统优化研究较少。从优化模型建立角度，基于浅海与深海集输系统优化两方面，对国内外海上油气田集输管网拓扑结构优化研究成果进行评述，着重分析了在建立模型时应考虑的特征约束。整理汇总了常用的求解拓扑结构优化的方法并总结了每种方法的优缺点，最后对浅海和深海拓扑结构优化研究提出了建议，为未来海上油气田集输管网优化提供了研究思路。

海上集输系统；拓扑结构；优化；约束

海上集输管网系统承担着海上油田采出物的收集、处理及集中输送的功能，是海上油田开发的重要组成部分[1]。海上集输管网系统建设投资占整个油田开发投资的比重较大,其建设的合理与否直接决定了海上油气生产系统的运行效率和经济效益。因此，对集输管网进行整体优化设计是降低海上油田开发成本的关键，也是海上油气田开发的难点之一。

与陆上集输管网系统优化相类似[2]，海上油气田集输系统优化问题包含最优井组划分，点集的几何中心确定，管径的选择和最短路径等子问题，而且这些问题往往相互耦合，致使优化难度成倍增加。如果再考虑到三维地形，拓扑结构类型，海底地貌及障碍，生产工艺等因素，海上集输管网整体优化问题将十分复杂。与陆上集输系统不同的是，海上集输系统有特定的拓扑结构类型，因此，建立模型时需要考虑与之相对应的特定约束类型。

浅海与深海的集输系统因为水深的差异，导致生产设施及装备的不同，其对应的集输系统也呈现各自的特点。通常认为300 m以内是浅海，大于300 m水深为深海[3]。下面分浅海与深海两部分，分析其集输系统常用设施以及在模型建立过程中需要考虑的问题。

1 浅海拓扑结构

海上油气田开发中的工程模式主要分三大类：全陆式、半海半陆式和全海式。全陆式如人工岛，以及0～5 m的极浅海通常采用“滩海陆岸平台+进海路”模式[4]，这类开发模式拓扑结构形式单一，可采用简单枚举法进行优化，这里不予讨论。在浅海油田开发模式中，半海半陆式工程模式主要包括“井口平台+中心平台+海底管道+陆上终端”，全海式主要包括“井口平台+FPSO”，这两种类型是本文讨论的主要工程模式类型。

1.1 生产设施

不管半海半陆式还是全海式的工程模式，往往依靠固定式开发平台（如导管架平台，重力式混凝土平台等）进行钻井和开采，以该平台为中心的所有井口都会汇集到该平台上，采用干式井口进行开采，因此，多个井口会按规律布置在平台甲板上。不同于陆上集输系统以井口为单位连接外输管道，浅海集输系统通常以平台为单位，与陆上井组的概念类似。

浅海生产平台主要分为中心平台和井口平台，中心平台一般为较大型导管架平台，上面有油水分离和气体脱水等油气处理设施、发电机和外输泵等能源设备以及住房区等后勤设施；井口平台通常较小，不具备油气处理设施及能源设备。因此，井口平台往往呈星状分布在中心平台周围，依托中心平台提供动力，同时将产出油气汇集到中心平台统一处理。同时，只有中心平台之间相互连接和外输，井口平台一般不会相互连接。因此，浅海拓扑结构一般选取星状管网的形式。

1.2 优化点分析

在确定井口位置及其产量之后，需要确定平台的类型和各平台之间的连接方式，此为浅海集输系统拓扑结构优化需要考虑的子问题。

1.2.1 半海半陆式

半海半陆式拓扑结构优化点主要分为以下3个方面：

（1）平台分组：主要任务是划分哪几个平台为一组。由于浅海井口平台与中心平台连接方式一般是星状，且有最多连接个数限定，所以在平台分组的过程中就要进行比较，具体哪几个平台划分成一组最合适；

（2）中心平台选择：主要任务是在已确定平台分组的情况下，在其中选择一个作为中心平台，其它作为井口平台，井口平台均要连接到该组的中心平台上；

（3）次终端平台选择：主要任务是在中心平台中选择一个作为通往陆地的起点平台，在该平台和陆地之间要建设长输海底管道。

1.2.2 全海式

全海式拓扑结构优化点主要分为平台分组、中心平台选择和中心平台之间连接方式3个方面。平台分组和中心平台选择主要任务具体意义同半海半陆式，这里不再赘述。中心平台之间连接方式可以选择环状或枝状，主要任务是在满足水力要求条件下，使总体连接长度最小。

1.3 优化模型

目前针对海上油气集输管网建立数学模型求解拓扑结构的研究主要集中于海上天然气集输管网，这里列举了国外对于海上拓扑结构优化问题的几种典型的研究方法和思路。Kabirian[5]提出了结合安装和操作费用的混合整数非线性规划模型，通过合理选择压缩机站的位置进行管网拓扑结构优化。Baumrucker[6]建立了含平衡约束的天然气管网有效运行的数学模型（MPECs），将时间约束与最小资源花费和操作费用结合起来求解。Sahebi[7]提出了一种MIP模型来解决油田开发管网的设计问题，主要考虑了特征设备的分配问题，并且提出的模型支持运输系统选择和管网设备布置同时优化。Rose[8]在考虑压缩机布置问题时，尽可能简化其他约束，只考虑单个压缩机站存在的情况，建立MINLP和GDP 模型进行求解分析。上述学者的建模思路，约束的处理方法都是值得借鉴的。但是海上油田集输管网设计时通常需要布局结构与生产工艺综合考虑，比气田管网更加复杂，应用上述模型时需要做进一步调整。

2 深海拓扑结构

目前，深海石油开采主要采用全海式“水下井口+水下生产系统+浮式生产平台”的工程模式。其中，水下生产系统是连接水下井口与生产平台的桥梁和纽带，在深海石油开采方面起到至关重要的作用，其优化设计是深海集输系统拓扑结构优化的主要内容，也是本文研究的重点。目前，水下生产系统的典型布局形式主要有单井回接、菊花链式回接、基盘管汇和丛式管汇 4种形式[9]。在水下生产系统设计初期，需针对特定区块优选合理的布局形式。

2.1 生产设施

水下生产系统主要包括水下生产设施和水下控制系统2大群体结构，包含采油树，水下基盘，管汇，海管终端（PLEM），立管等诸多设备，本文主要研究对管网拓扑结构影响明显的设备：管汇和PLEM。

管汇优选主要是确定其井槽数。工程中根据管汇能够连接的水下井口的最大数量，将其分为不同井槽数的管汇。在设计阶段，水下井口的数量和位置已知，管汇的井槽数直接影响水下井口与管汇的连接方式，因而影响管汇的数量、类型以及安装方式[10]。因此，在建立模型时，要充分考虑管汇井槽数带来的约束问题。

PLEM是优化水下生产系统布局的关键设备，通过连接设施将多根流动管线汇集到PLEM上集中外输，可有效减少外输及相关连接设施的数量[10]。在水下生产系统的总体布局设计阶段，应充分考虑到合理应用PLEM 的可能性和适用性，实现布局的优化。从PLEM的结构特性可知，所有管线以星状连接到PLEM上，这是应用PLEM带来的约束限制。

2.2 优化点分析

管汇优化点主要分为井口分组、管汇井槽数优选和管汇位置优选3个方面。

井口分组，即如何划分哪些井口为一组，要考虑到每组井的个数影响到管汇井槽数。在划分井组后，优选合适井槽数的管汇，并且要找到中心位置，使得每组管汇连接到每个井口的管线总长度最短。井口呈星状直接连接到管汇上，每个井口只能连接一个管汇；各管汇之间不连接。例如，对于有8口井的油藏，可选择采用8个井槽管汇，或者4+4管汇或者 4+6管汇（预留两个井口），具体要采用哪一种方式，需要比选各种管汇费用以及总的管线连接长度，做出最优的选择。

PLEM优化点主要分为管汇分组、PLEM位置优选和立管管径选择个方面。

管汇分组，即如何划分哪些管汇为一组，在一组内，管汇均连接到PLEM上，再选择合适的立管管径，将PLEM连接到FPSO；立管管径的选择与管线流量有关，即要结合各汇点处流量进行优选；PLEM位置的选择要综合考虑各井口位置、井口区之间的距离、与处理设施（终端/平台）的距离。

2.3 优化模型

目前针对水下生产设施的优化主要采用枚举法，即针对具体问题，将可能采用的方案一一列举出来，进行经济比选，很少有学者采用数学模型的方法进行统一优化。Wang[11]针对海底丛式管网拓扑优化问题建立了数学模型，着重考虑到了丛式管汇约束，并提出了一种基于链接矩阵的启发式算法。之后，Wang[12]针对带有PLEM丛式管汇合理布置问题，以投资费用最小为目标函数建立数学模型，并利用分步优化的方法进行求解。上述模型较好的解决了带有管汇和PLEM的水下生产系统布局优化问题，但是其模型均建立在二维平面上，假设地形条件适宜，因此没有考虑到三维地形和障碍等约束，且所提出的算法只能求解特定的管网结构优化问题。

3 算法探讨

海上集输管网整体优化问题往往十分复杂，所建立的模型往往含有非线性项，求解比较困难。通过文献调研，分析模型求解常用的算法（数学规划法，智能算法和启发式算法），并给出算法的优缺点及适用范围。

早期有学者针对海上油田开发的油气集输管网，应用数学规划法进行研究。于达[13]针对原油集输管道建立数学规划模型，并用枚举法和直接搜索法求解。李宏伟[14]以海底管网投资费用最小为目标建立整数线性规划模型，并采用图论和网络分析中的生成树方法进行求解。同时，前文1.3提到的方法多数属于数学规划法，这里不再赘述。

随着智能算法研究的不断深化，有些学者应用智能算法求解复杂的油气集输管网拓扑结构优化问题，其中遗传算法应用较广。张启阳[15]和李征[16]基于遗传算法进行油气混输管网参数优化，吴华丽[17]解决了井组划分问题。还有学者用粒子群，优先级算法，模拟退火等其他智能算法。黎彬[18]应用粒子群算法求解最优的井组组合。Ruan[19]等人针对陆上天然气输送管道，提出减少管网和压缩机的投资费用的模型，并提出新的优先级算法来求解。Dolan[20]结合模拟退火算法提出了管网设计问题的不同方法。但是随着模型规模的增大，采用智能算法计算所得结果的最优性难以保证。并且，智能算法随机性较强，容易收敛到局部最优解，其计算效果还需进一步讨论。

有些学者运用启发式算法，尝试求解管网拓扑结构优化的问题。喻西崇[21]提出油气集输管网系统的整体优化问题包括两个子问题：确定油气集输管网系统的拓扑形式和基于拓扑形式进行的参数优化设计。但该方法属于分步优化，即需在集输系统的拓扑结构已知的情况下才进行管径的优化，求得的方案无法保证是全局最优解。Brimberg[22]针对近岸管网配置和管型优化问题建立了混合整数规划模型，并运用禁忌搜索和可变邻域搜索相结合的启发式算法进行求解。然而，上述启发式算法只是解决特定的问题，受模型约束条件制约，通用性较差。

4 结论与建议

结论：

本文从海上集输系统所涉及生产设施出发，分别从浅海和深海两个方面，详细剖析海上油田拓扑结构优化问题，着重分析了在建立模型时应考虑的特征约束，并且分析了最新研究进展。考虑到模型求解困难，整理汇总了常用的求解方法并分析了每种方法的优缺点，方便学者深入研究。

建议：

（1）现实中海底地面是凹凸不平的，且会存在海沟等障碍因素，模型中应把障碍考虑在内，并且，要从二维平面转向三维空间，确保模型更贴切实际；

（2）因管径与输量密切相关，集输系统拓扑结构优化时可考虑耦合生产工艺，整体统一求解出中心平台位置、增压设施和脱水设施的位置及用量、各条管线路径以及尺寸；

（3）水下生产系统优化可以同时考虑管汇和PLEM等设施，即建立模型时统一优化从井口到FPSO所用到的设备；

（4）海上开发周期往往耗时较长，油田滚动开发要求集输系统在设计时考虑将来新井接入约束。与之相对，在依托现有平台开发时，所建模型要能够把已有设施作为边界条件，给出新平台接入的具体实施方案；

（5）由于油藏产量是随着开采年限变化和波动的，在集输系统设计优化时，应要考虑油藏的不确定性，即要考虑产量波动带来的影响，确保所设计的生产系统满足各种输量的要求。

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Analysis and Advance of the Topology Optimization of Offshore Gathering System

MA Jing

（Beijing Key Laboratory of Urban oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum-Beijing ,Beijing,102249, China）

At present, researches focus more on the layout optimization of onshore oil and gas field but less on offshore gathering system. Based on the optimal models considering gathering pipeline system of shallow and deep sea, researches on topology optimization of gathering pipelines of offshore oil and gas field at home and abroad were introduced, and the feature constraints of models were analyzed. Considering the difficulties of establishing models, common solution methods were summarized, and strengthens and weaknesses of each method were discussed. At last, suggestions for the research of topology optimization of shallow and deep sea were proposed, which could offer thoughts for future studies on pipeline optimization of offshore oil and gas field.

Offshore gathering system; Topology; Optimization; Constraints analysis

TE 866

A

1671-0460（2017）04-0779-04

2017-02-15

马晶（1991-），男，北京市人，硕士研究生，2015年毕业于中国石油大学（北京）船舶与海洋工程专业，研究方向：从事海上油气田集输方面的研究。E-mail：cupmajing@163.com。