浅谈油气集输管网布局优化的发展

浅谈油气集输管网布局优化的发展

摘要:油气集输系统工程是继油气藏勘探、开发和油气田开采之后的一个非常重要的生产阶段。对油气集输系统进行优化研究会取得显著的经济效益。文中详细介绍了不同时期集输管网布局优化的模型和求解方法及现阶段发展趋势。

关键词:油气集输管网系统布局优化优化算法

油气集输系统是油田地面管网工程的核心,这一系统由矿井、计量间、中转站、联合站等多级站点结构组成。油气集输系统整体投资一般占整个油田地面工程的60%～70%,占整个油田工程的40%左右。耗费除了各级站点及相连接的管道建设费用外还涉及各级站址及管网的生产、运行、安全、管理投资。通常因管材质地不同而价格不等,有些管材费用平均每公里十几万元。即使是一个计量间的建设投资也达到数百万元[1]。同时油气集输管网水力、热力耗散巨大,在油田生产能耗中占主导地位,所以对集输管网进行优化可收到显著的经济效益。

1 管网布局优化的概况

20世纪70～80年代的油田的开发和建设对集输系统的优化主要靠人工规划,优化效果不理想,随意性较强。杨廷觉建立了输气管道数学模型,这一模型以年成本费用最小化为优化目标。尽管模型比较简单,但为最优化理论在油田集输技术上的应用奠定了基础。以后的集

输优化研究均以极小化成本费用为目标函数进行探索。李书文、姚亦华提出新的求解算法,利用约束函数双速下降法和混合罚函数法求解了枝状天然气集输优化模型,这两种算法混合使用是优化效果的到了提升。之后李书文针对天然气田合理规划问题求解算法又进行了深入的研究先后又提出了Kruskal算法、Steiner最短树法,这些算法对油气田优化规划设计的求解提供了有效的求解途径。

90年中后期,油田生产能耗升高,产油量的提升进入瓶颈期,对集输系统优化的认识显著提高,借助计算机技术来解决油气集输系统优化问题已成为一种趋势。这一时期刘扬教授在针对油气集输管网系统的优化设计问题的研究中引入模糊优化思想,将约束条件如温度、压力等进行了模糊化处理,建立了对应的数学模型并采用数值求解方法进行求解[2]。之后刘扬等人又考虑到环形结构的布局方法可以扩大集输半径,缩短长度,减少各级站点个数,节省建设投资等优点又研究了环形集输管网的布局优化设计问题。星状模型和环形模型的建立使集输优化的模型理论趋于成熟,但实际上仍然有许多难题没有考虑或是没有找到圆满的解决方案。例如在理论上设计出来的建设地点并不能进行施工或者不适合施的问题如何解决;带障碍约束问题的管网布局优化问题的求解。

随着新世纪的到来,陆地主要油田进入二次、三次开采阶段,这一时期的特点是油田高含水、特高含水并且外围矿井开采难度加大,油田生产成本逐年增加。如何进一步优化集输系统,降低油田生产建设

成本,成为亟待解决的问题。这时期集输管网优化研究的主要方向转为既具有实用价值又能高效求解的算法研究。

2001年,李长俊等人针对含有的大量离散变量和连续变量的数学模型尝试利用一种组合型算法进行求解,优化结果令人满意。之后刘震和潘斌等人在利用图论和网络分析理论的基础上,针对海底油气集输管网的布局方式进行了优化,提出了图的所有生成树并结合图的加权中心逐步生长法思想,依靠这两种方法成功的在有效时间内求的可行最优解,并且能够有效的保证经过N-1次迭代后必收敛于最优解[3]。刘扬等人采用遗传算法等多种启发式算法,以极小化油井与上一级站点以及各级站点之间的距离和为目标函数,将原有问题划分为连接关系的拓扑优化问题和各级站址的位置优化问题,确定油气集输系统最优布局优化。而魏立新教授在运用遗传算法和模拟退火算法的全局搜索能力的基础上创立了混合遗传算法,其运算能力,收敛效果,优化结果均优于分级优化法[4]。

2 管网布局优化的发展趋势

从布局优化发展历程可以发现,针对集输管网的规划设计最初只是解决例如计算最优管径等简单的局部单一目标的优化问题,这类问题求解算法简单,优化效果不明显,所以应用范围小。随着最优化技术的发展与完善,利用计算机求解复杂的多目标、多变量、全局优化问

题,例如在优化管网系统时,不但要考虑管道建设投资问题还要涉及安全运行、站址和管线维护投资、管道水力热力能耗等多个目标进行综合优化。优化问题的研究和应用范围逐步扩大,优化效果显著提高。由于优化问题涉及的目标增加了,影响规划效果的隐变量也相应增多,在优化过程中可以采用模糊优化的方法进行处理,例如限定注水井的注水用量不得大于15 t/d,但是实际用量是15.43 t/d,计算机会判定不满足约束要求,而实际上是能够接受的。现阶段油田地面集输管网优化仅仅以总建设费用最少来确定的,这必定存在一定的优化缺陷。因此利用灰色系统理论进行模糊优化处理评判最优方案,有利于克服某些不足[5]。

就求解算法而言,80～90年代油气集输系统的优化各方面研究主要还是依靠传统经典优化算法。例如将油区内矿井划分为井组的问题常常用分支定界算法、分级优化法、动态规划法进行求解。虽然这些算法取得了经济效益,但优化效果有待提高。随着优化理论在油田应用的深入,传统经典优化算法的求解不能满足油田规划。进入两千年以后,以禁忌搜索,模拟退火遗传算法,人工神经网络为代表的启发式算法求解能力明显优于传统经典优化算法,优化效果得到了很大的提高。随着算法研究的深入,求解算法呈现出智能化的发展趋势。通过将各种算法的优点有机融合,形成各种混合算法,提高求解能力,规划问题的优化效果也趋于完善。

但考虑到油气集输系统是一个巨大的多网络、多目标、多变量规

划问题,较高的技术难度和巨大的工作量使得这一领域的许多问题的解决效果有待提高,这需要科技工作者和工程技术人员近一步努力。

参考文献

[1] 袁宗明.天然气集输管网最优规划研究[D].西南石油学院,2002:1～2.

[2] 刘扬.集输管网系统模糊优化设计[J].大庆石油学院学报,1996,6.

[3] 刘震,潘斌.可靠性约束下的海底油气集输管线网络拓扑分析[J].中国海洋平台,2008,18(2):75～78

[4] 魏立新.基于智能计算的油田地面管网优化技术研究[D].大庆:大庆石油学院,2005:12～13.

[5] 汪玉春,李长俊.油气管道的投资灰色与计算[J].天然气工业,1998(6).