李杰訓

1海峽能源有限公司

2東北石油大學

2018年，我國原油對外依存度首次突破70%，為有效應對低油價高成本和復雜國際環(huán)境的影響，保障國家能源安全與穩(wěn)定，各大油氣田都把降本增效提升為重要戰(zhàn)略目標。油氣田地面工程作為油氣資源生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其減資增效不僅對保障油氣資源有效開采具有重要意義，也是當下亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。隨著大型油氣田產(chǎn)能建設方案的階段化調整，采用一定技術手段獲得科學合理的地面工程規(guī)劃設計方案可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益，其中，最優(yōu)化方法是實現(xiàn)地面工程優(yōu)化設計的主要理論支撐。

油氣田地面工程是集成了油氣收集及輸運存儲、油氣處理、污水凈化、電力供給、驅替介質注入等諸多功能的超大型工程系統(tǒng)，其優(yōu)化需要在滿足相應運轉功能的基礎上實現(xiàn)生產(chǎn)建設參數(shù)的高效、體系化、常態(tài)化優(yōu)化設計。根據(jù)生產(chǎn)能耗占比和功能屬性，油氣田地面工程可以劃分為油氣集輸系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、配套工程系統(tǒng)三大生產(chǎn)子系統(tǒng)，諸多學者針對不同子系統(tǒng)及其總體優(yōu)化問題開展了長期攻關研究，取得了豐碩的研究成果。

1 油氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化

油氣集輸系統(tǒng)是油氣田地面工程的主體子系統(tǒng)，承擔著從生產(chǎn)井口收集油氣資源到聯(lián)合站統(tǒng)一處理的集輸處理功能，在油氣田地面建設投資中占有主導地位[1]。油氣集輸系統(tǒng)的優(yōu)化設計關系著油氣田生產(chǎn)的經(jīng)濟性和安全性[2]，很多學者對此開展了系統(tǒng)深入的研究。

根據(jù)影響油氣集輸系統(tǒng)建設投資的比例大小，其主要優(yōu)化問題可歸結為管網(wǎng)拓撲結構優(yōu)化和建設及運行參數(shù)優(yōu)化。就管網(wǎng)拓撲布局優(yōu)化問題而言，它包含了最優(yōu)集合劃分、最小生成樹、最短路徑、設施選址等優(yōu)化子問題，這些子問題中包含了NP類問題，進行有效求解難度很大。此外，優(yōu)化問題的維度隨著油氣集輸系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)目呈倍數(shù)增長，加之油氣集輸系統(tǒng)的復雜拓撲結構和多級管理屬性，優(yōu)化問題的維度可達幾千甚至上萬維，加劇了優(yōu)化求解的難度。由于油氣田開發(fā)模式的不同，國內多以密集分布的井網(wǎng)來保障油氣產(chǎn)量，而國外并不存在如此小井距的生產(chǎn)井位分布，因此，國外學者以干線[3]、規(guī)模較小管網(wǎng)[4]的研究為主，對于大型油氣集輸系統(tǒng)的優(yōu)化設計研究幾乎沒有。

大型油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化主要在于解決“維數(shù)災難”、超高計算復雜性的問題，劉揚等人率先建立了相對完善的大型油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化理論體系[5]，從網(wǎng)絡結構的本質特征出發(fā)，提出了大型油氣集輸系統(tǒng)多級星（MS）[6-8]式和多級星-環(huán)（MRS）[9-10]式網(wǎng)絡表征方法，據(jù)此適用性廣泛的網(wǎng)絡表征方法[11-12]構建了大型油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型，針對模型多變量、多約束、多目標的特點，創(chuàng)新性地構建了分級優(yōu)化求解方法[6，13]和模糊優(yōu)化求解方法[14-15]，并采用無需梯度信息的混合遺傳模擬退火算法進行了優(yōu)化模型的求解[16]，實現(xiàn)了大型新建油氣田集輸管網(wǎng)規(guī)劃和老油田集輸管網(wǎng)調整的優(yōu)化設計，大幅度降低了油氣集輸系統(tǒng)建設投資和運行費用。其中，混合遺傳模擬退火算法因其無需優(yōu)化模型數(shù)學性質、實現(xiàn)簡單的特點，在油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化研究中被廣泛接納并采用[17-18]。

油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化問題是典型的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題（MINLP），已被證明是NP-hard問題，目前超大型油氣集輸系統(tǒng)的布局優(yōu)化研究國內外鮮有報道。單純依靠智能優(yōu)化算法的隨機搜索求解如此超大規(guī)模的優(yōu)化模型，難以保證收斂速度和收斂精度。劉揚開展了智能優(yōu)化算法的改進研究，提出了一種適用于求解高維優(yōu)化問題的全局收斂的改進粒子群算法（MPSO），該算法相較于國際知名的粒子群算法（PSO）、引力搜索算法（GSA）、螢火蟲算法（FA）等具有顯著的優(yōu)勢[19]。另外，他首次提出了格柵剖分集合劃分法、位域相近模糊集求解法、拓撲關聯(lián)集優(yōu)化法，并據(jù)此構建了超大型油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化模型的組合式智能優(yōu)化求解策略以及三維真實空間下油氣集輸系統(tǒng)的空間組合式智能優(yōu)化求解策略[20]。格柵剖分集合劃分法成功將LPT等經(jīng)典算法的時間復雜度降低至線性階，攻克了超高計算復雜性的求解難點；位域相近模糊集求解法顯著降低了優(yōu)化模型的維度，成功解決了“維數(shù)災難”的求解難題，為油氣集輸系統(tǒng)降維規(guī)劃求解開辟了新途徑；組合式智能優(yōu)化求解策略和空間組合式智能優(yōu)化求解策略實現(xiàn)了超大型油氣集輸系統(tǒng)最優(yōu)布局方案的高效、高精度求解。大型以及超大型油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化理論方法的提出對油氣田地面工程的優(yōu)化設計具有重要理論意義和應用價值。

除油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化外，油氣集輸系統(tǒng)的用能優(yōu)化也是實現(xiàn)油氣節(jié)能降耗開采的關鍵技術手段。用能優(yōu)化是在明確油氣集輸過程中能耗分布情況的基礎上，針對非正常能損過大的薄弱環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化設計來實現(xiàn)油氣生產(chǎn)的節(jié)能降耗。劉揚首次建立了以總火用損最小為目標的用能優(yōu)化算法，為實現(xiàn)管道系統(tǒng)從能質角度的用能改進提供了方法[21-24]，形成了膠凝原油集用輸參數(shù)的優(yōu)化方法，拓yong展了原油管道輸送系統(tǒng)火用分析方法，可大幅度減少油氣田能源消耗和CO2排放。

雖然大型油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化理論方法已經(jīng)基本完善，但在智能優(yōu)化算法收斂速度的進一步提升、多復雜因素影響和多管網(wǎng)形態(tài)下的大型油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化研究等方面仍有繼續(xù)挖掘的空間[25]。此外，油氣集輸系統(tǒng)用能優(yōu)化正處于理論完善階段，構建考慮更加全面的用能優(yōu)化模型，提出高效、穩(wěn)定的優(yōu)化求解方法也是當務之急。

2 注水系統(tǒng)優(yōu)化

注水系統(tǒng)是油氣田地面工程中的主要子系統(tǒng)之一，也是油藏開發(fā)的主要動力來源。注水系統(tǒng)優(yōu)化研究主要包括系統(tǒng)運行優(yōu)化和拓撲布局優(yōu)化兩方面內容。其中，系統(tǒng)運行優(yōu)化旨在調整系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)以達到降低運行能耗的目的，包括運行參數(shù)優(yōu)化和運行方案優(yōu)化。注水系統(tǒng)優(yōu)化研究的難點在于通過建模求解實現(xiàn)協(xié)同調節(jié)各注水站的運行參數(shù)，以達到整體優(yōu)化的目的。

我國注水系統(tǒng)運行優(yōu)化研究起步于20世紀90年代，經(jīng)過各高校和科研院所的持續(xù)攻關，取得了積極成果。陳淼鑫[26]通過“壓力谷”將注水系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，并采用關聯(lián)平衡法進行迭代，實現(xiàn)了對注水系統(tǒng)優(yōu)化運行方案的壓力、流量分布的求解。劉揚[27]、關曉晶[28]分析了注水系統(tǒng)高能耗、低效率的主要原因，創(chuàng)新性地以注水系統(tǒng)總能耗最小為目標建立了多源注水系統(tǒng)運行方案優(yōu)化數(shù)學模型，并采用混合遺傳算法對優(yōu)化模型進行了求解。魏立新[29]采用罰函數(shù)法和混合遺傳模擬退火算法對注水系統(tǒng)運行方案優(yōu)化和運行參數(shù)優(yōu)化數(shù)學模型進行了求解，為了加速求解，舍棄了迭代過程中明顯不可行的染色體。常玉連[30]針對注水站內恒速泵和調速泵并存的系統(tǒng)，以總能耗最低建立了運行方案優(yōu)化模型。在注水系統(tǒng)水力分析計算的基礎上開展了調整改造研究。楊建軍[31-32]采用雙重編碼的遺傳算法對注水系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和運行方案優(yōu)化數(shù)學模型進行求解，分別對適應度函數(shù)、變異算子進行了優(yōu)化設計。鄒龍慶[33]對注水系統(tǒng)能量損失規(guī)律進行了分析，揭示了總能量是由供給地層進行有效注入的能量和注水站內泵-管壓差以及注水管網(wǎng)的損耗能量構成的，進而基于能量分析開展了注水系統(tǒng)運行優(yōu)化研究。

對于注水系統(tǒng)運行優(yōu)化的研究，國內學者早期的研究成果集中于傳統(tǒng)優(yōu)化法和“壓力谷”法，傳統(tǒng)優(yōu)化方法依賴于優(yōu)化模型的數(shù)學性質且容易陷入局部最優(yōu)，“壓力谷”的邊界劃分十分復雜且難以用程序實現(xiàn)，限制了二者在注水系統(tǒng)運行優(yōu)化領域的推廣應用。近年來的研究多著重于應用遺傳算法和改進的遺傳算法進行運行參數(shù)和運行方案優(yōu)化模型的求解，但遺傳算法作為隨機優(yōu)化方法一般存在著收斂速度慢、易陷入局部最優(yōu)的不足，因而尋求新的智能優(yōu)化方法來提高求解效率和求解精度是可行的研究方向。

注水系統(tǒng)布局優(yōu)化是通過構建優(yōu)化數(shù)學模型和求解方法來確定最優(yōu)的注水系統(tǒng)拓撲布局和管網(wǎng)建設參數(shù)，使得建設投資最低。注水系統(tǒng)拓撲布局優(yōu)化側重于優(yōu)化注水站、配水間的幾何位置和注水管道的布置走向；管網(wǎng)建設參數(shù)優(yōu)化是在給定拓撲布局的基礎上優(yōu)化管徑、壁厚等參數(shù)。國外研究成果中鮮有相關報道，注水系統(tǒng)布局優(yōu)化技術的研究主要依賴于國內學者的攻關和突破。楊建軍等[34-35]將注水系統(tǒng)拓撲布局優(yōu)化問題分解為分配層和幾何層，分別采用遺傳算法和非線性優(yōu)化方法進行求解，確定了樹狀注水管網(wǎng)的優(yōu)化拓撲布局。武曉勇[36]將樹狀注水管網(wǎng)的拓撲布局優(yōu)化分解為注水井到配水間和配水間到注水站兩個優(yōu)化子問題，在對標準蟻群算法進行適當改進的基礎上求解了優(yōu)化子問題。

由于樹狀注水系統(tǒng)在我國各油田的應用更為廣泛，針對樹狀系統(tǒng)的布局優(yōu)化研究成果相對更多，研究內容包括優(yōu)化模型的建立和優(yōu)化解法的開發(fā)兩方面，多數(shù)研究成果在數(shù)學模型構建時考慮因素單一，僅考慮總管道長度或總建設費用最低，而安全性、管理便捷性也是進行管網(wǎng)規(guī)劃設計時不容忽視的客觀因素。貼近現(xiàn)場實際、綜合多因素的注水系統(tǒng)布局優(yōu)化研究是未來的發(fā)展方向。

3 配套工程系統(tǒng)優(yōu)化

配套工程系統(tǒng)涵蓋著輔助油氣集輸和注水系統(tǒng)正常生產(chǎn)的設施、工藝和技術，可劃分為供配電子系統(tǒng)、污水處理子系統(tǒng)、道路子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)等，其中，供配電子系統(tǒng)對配套工程系統(tǒng)中的建設和運行起主導作用，因而現(xiàn)有成果主要針對供配電子系統(tǒng)的優(yōu)化設計開展研究。

供配電子系統(tǒng)的優(yōu)化研究主要在于尋求有效途徑降低電力輸配過程中的無用損耗，其研究難點在于如何構建準確的數(shù)學描述模型以及行之有效的優(yōu)化解法。劉揚[37]以網(wǎng)損最小為目標函數(shù)，以電壓降、線路電流值和電源容量的限制為約束條件，創(chuàng)新性地建立了配電網(wǎng)絡重構優(yōu)化數(shù)學模型，針對遺傳算法容易陷入局部最優(yōu)的不足，在優(yōu)勢融合模擬退火算法的基礎上，改進了遺傳算法的選擇保留、交叉和變異算子，形成了可高效求解優(yōu)化模型的混合遺傳算法，實現(xiàn)了降低網(wǎng)損、消除載荷、改善電壓分布、提高供電可靠性的目的。楊建軍[38-39]基于環(huán)路和改進遺傳算法進行了配電網(wǎng)絡重構優(yōu)化研究，同時以年運行費用最小為目標函數(shù)，建立了配電網(wǎng)集中無功補償優(yōu)化數(shù)學模型，提出了一種通過動態(tài)調整補償容量上限值來避免產(chǎn)生過補償現(xiàn)象的計算方法。

供配電子系統(tǒng)及配套工程系統(tǒng)的優(yōu)化研究仍處于起步階段，目前研究成果較少，考慮多目標、多因素的供配電系統(tǒng)重構優(yōu)化還須進一步深入研究，并且污水處理子系統(tǒng)、道路子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)的優(yōu)化理論方法也是未來需要探索的。

4 地面工程總體優(yōu)化

雖然考慮管理上的便捷性和功能上的差異性，各子系統(tǒng)是獨自管理的，但在油氣田生產(chǎn)建設實際中，各子系統(tǒng)通過協(xié)同運作來保證油氣田的正常生產(chǎn)，各子系統(tǒng)之間相互影響，是緊密聯(lián)系的有機整體，應當從整體規(guī)劃的角度來進行地面工程方案的優(yōu)化設計。

對油氣田地面工程進行總體優(yōu)化需要處理各子系統(tǒng)之間的矛盾關系，找尋應對超大規(guī)模決策變量所引起“組合爆炸”問題的有效解法也是研究的重點。地面工程總體規(guī)劃優(yōu)化研究成果所見鮮少，劉揚考慮油氣集輸、污水處理、注水、供配電生產(chǎn)系統(tǒng)的聯(lián)動制約關系，首次建立了超高維地面工程總體規(guī)劃優(yōu)化模型及其優(yōu)化子模型，提出了地面網(wǎng)絡的矩陣化表征方法和通用節(jié)點參數(shù)計算方法，建立了油氣田地面工程網(wǎng)絡布局優(yōu)化問題的多級分解優(yōu)化算法，編制了低滲透油田地面工程總體規(guī)劃方案優(yōu)化軟件[40]，為油田開發(fā)建設方案的宏觀規(guī)劃提供了科學、高效的優(yōu)化理論和決策工具。

油氣田地面工程的總體優(yōu)化對于減少建設及運行投資、保證生產(chǎn)平穩(wěn)具有重要實用價值，對混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題的研究具有重要理論意義，應當繼續(xù)深入地開展多目標、多系統(tǒng)的總體優(yōu)化模型建立等相關問題的研究。

油氣田地面工程本質上是隨油氣田階段性開發(fā)而動態(tài)變化的大型設施網(wǎng)絡，其方案的設計與地下油藏開發(fā)、采油生產(chǎn)方案的制定密不可分。劉揚于2001年首次建立了油氣田地面地下一體化優(yōu)化理論方法[41]，通過統(tǒng)籌考慮油藏、采油、集輸、注水、供配電等地面地下生產(chǎn)系統(tǒng)之間的相互關系，構建了地面地下一體化優(yōu)化數(shù)學模型及多級分解優(yōu)化求解方法，實現(xiàn)了油氣田開發(fā)建設地面地下一體化優(yōu)化設計，填補了國際空白，在地面地下一體化理念的提出和優(yōu)化理論方法的構建方面領先國際10余年。該理論成果對于實現(xiàn)油氣田生產(chǎn)建設整體優(yōu)化、節(jié)能降耗、減資增效的戰(zhàn)略目標具有重要意義。劉揚還考慮油藏、采油、集輸、污水處理、注入系統(tǒng)的關聯(lián)耦合關系，首次提出了油氣田地面地下亞閉環(huán)網(wǎng)絡系統(tǒng)的概念[20]及優(yōu)化理論方法，建立了地面地下亞閉環(huán)網(wǎng)絡系統(tǒng)整體運行優(yōu)化數(shù)學模型及優(yōu)化子模型；提出了全局收斂的混合粒子群-煙花算法（PS-FW）[42]，較其他12種優(yōu)化算法具有顯著優(yōu)勢，并高效求解了大規(guī)模非線性優(yōu)化問題的全局最優(yōu)解；提出了具有普適性的隨機優(yōu)化算法收斂性定理；創(chuàng)新性地建立了“地下注入有效模糊區(qū)”和“機采系統(tǒng)模糊相似類”的概念，形成了高效的混合智能分解協(xié)調優(yōu)化求解策略，大幅度規(guī)避了冗余計算，降低了優(yōu)化求解維度，實現(xiàn)了油田地面地下生產(chǎn)運行方案的整體優(yōu)化設計。

油氣田地面地下一體化優(yōu)化設計，是新時期油氣田地面工程實現(xiàn)更大幅度減資增效的必然需求。但就目前國際范圍內研究成果來看，地上地下一體化研究仍處于起步發(fā)展階段，仍然需要加大研究力度，在多決策因素優(yōu)化模型構建、高效求解方法開發(fā)等方面開展更加深入的研究工作。

5 結論與展望

油氣田地面工程的優(yōu)化理論方法經(jīng)歷了由其主要生產(chǎn)子系統(tǒng)——油氣集輸子系統(tǒng)和注水子系統(tǒng)的優(yōu)化設計，到供配電子系統(tǒng)等配套工程系統(tǒng)的最優(yōu)化設計，再到地面工程總體優(yōu)化的研究歷程。地面工程的優(yōu)化研究正向著多系統(tǒng)、多目標、復雜結構、大型化、地面地下一體化的趨勢發(fā)展，形成了以大型油氣集輸系統(tǒng)布局優(yōu)化理論體系及用能優(yōu)化方法、多源注水系統(tǒng)運行優(yōu)化方法、配電網(wǎng)絡重構優(yōu)化方法、地面工程總體優(yōu)化理論方法等為代表的油氣田地面工程優(yōu)化理論和方法。針對現(xiàn)有優(yōu)化理論的不足和難點，提出了攻關多決策因素優(yōu)化模型的構建、通用型高效優(yōu)化算法的建立和多系統(tǒng)融合的大型生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設計等可行的未來研究方向。

基于國家下發(fā)的《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》（發(fā)改能源〔2016〕392號）、《關于印發(fā)〈中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃〉的通知》（發(fā)改基礎〔2017〕965號）等指導性文件，我國將大力開展油氣田地面工程的智能化、數(shù)字化建設，建立基于大數(shù)據(jù)的管理體系，構建融合人工智能技術的優(yōu)化理論方法，以優(yōu)化理論為決策中樞，以自動化技術為實施手段，實現(xiàn)對油氣田地面工程的全局把控、統(tǒng)籌規(guī)劃、精細設計，這是油氣田地面工程未來可期的發(fā)展方向。