油气集输系统不确定性优化若干问题探讨

潘峰(大庆油田有限责任公司第六采油厂，黑龙江 大庆 163712)

0 引言

油气集输系统优化问题可分为确定性优化以及不确定性优化，在油气田地面实际生产中，受生产，技术、管理、环境等诸多因素影响，油气集输系统中众多参数(原油物性及流变性参数、管道运行参数、环境参数)具有不确定性的特点，传统的油气田地面工程优化方法没有考虑到不确定性参数对优化结果的影响。随着智能化、数字化油田的逐步发展，多种混合智能优化算法的逐步应用，不确定性优化也会逐步成为油气田地面工程优化技术领域新的突破口。本文给出了不确定性优化的整体思路，并就难点进行了梳理，给出了未来的发展方向。

1 集输系统不确定性优化模型构建

1.1 水力热力计算

集输系统水力热力计算是管网优化的基础，直接关系到系统各节点水力热力参数的取值。集输系统水力热力计算按管道走向的不同又分为水平管道和起伏管道，其中起伏管道的水力热力计算需要分段进行。传统的水力计算方法以Beggs-Brill 公式为主，热力计算方法以苏霍夫公式为主，其计算一般是取各参数的均值，没有考虑到参数在一定区间的波动性。潘峰针对集输管网，在传统的水力热力计算的基础上，考虑到参数的不确定性，利用正态概率分布对不确定性参数进行描述，采用随机(蒙特卡洛)模拟的方法对不确定性参数进行抽样，计算出考虑参数不确定性的条件下，节点参数的数值分布基本呈正态分布，这与多位学者的假设相符，证明该方法具有一定的应用价值。借鉴其他流体管网，田洪建针对流体管网水力计算，引入模糊集理论，利用三角模糊数的基本概念及性质，将管道粗糙度作模糊化处理，建立了流体管网水力分析的模糊数学模型。毛立波针对供水管网，结合一阶二次矩法与管网雅克比矩阵的解析式，提出了管网模型不确定性的解析计算方法，提高了管网节点求解效率，相比随机抽样方法，减小了计算量。

考虑参数不确定性的集输管道水力热力分析法还需开展室内实验以及运行模拟软件进行进一步验证，从而寻找更加精确和完善的计算方法。利用概率密度函数以及隶属度函数对参数进行定义是主流做法，但都存在着一定的误差，由此可见考虑参数不确定性的水力热力计算难点在于如何准确的对不确定性参数进行描述。随着大数据、人工智能在石油领域的发展，建立在模糊理论和概率论的基础上的云理论的不确定性定量描述方法会是新的突破口。

1.2 不确定性优化目标函数

油气田集输系统参数优化包括建设参数优化以及运行参数优化，油气集输系统建设参数优化主要以管道建设总投资最省为目标，其中建设参数主要包括管道的管径、壁厚等参数，其中管网布局形式根据地形的不同又可分为二维平面以及三维起伏地形，管网布局形式的不同导致目标函数的形式也稍有不同。

油气集输系统运行优化主要以系统动力、热力消耗最小为优化目标，其大多为多目标优化问题，优化的运行参数根据集输系统工艺流程的不同而不同，比如双管掺水集输流程主要优化参数包括单井掺水量，掺水温度等。

在确定性优化目标函数的基础上，不确定性参数优化通常一种是将目标函数中的流量、电价、管道价格模糊化后带入到确定化优化函数中，从而构建新的目标函数。另一种是通过模糊综合评价，将多目标函数进行综合配比，得到目标函数。前者通常是将不确定性参数的L-R 模糊数带入确定性优化目标函数中，对于单目标与多目标优化问题都适用，而后者只适用于多目标优化问题。

2 集输系统不确定性优化界限

油气集输系统的优化界限关系着油气田生产的经济性和安全性，在集输系统中，水力、热力条件为集输系统最主要的动力来源，限制着系统建设的规模，其中水力条件以井口回压为约束，它直接影响油井的生产能力。热力条件以进站来液温度为约束，其不仅影响着集油区的安全运行，而且影响着进站含水原油的加热能耗。集输系统优化界限也具有一定的不确定性，一方面，确定性的优化界限不够科学合理，比如原油进站温度一般要求高于凝点3℃，但略低于这个安全值管道依然能够安全运行，因此确定性优化界限会导致集输系统能耗较高，另一方面，不同驱替方式下，集输界限也存在着不确定性。

刘扬率先将井口回压、进站温度约束用模糊数学中的降半梯形隶属度函数表示，张其敏则考虑管道强度、稳定性、雷诺数等约束条件，将其用隶属度函数表示，潘峰在隶属度函数的基础上，考虑集输管网节点参数概率分布函数，应用应力-强度对抗模型建立了井口回压和进站温度的模糊可靠性约束。综合来看，新的水力热力约束方法主要以模糊数学结合不确定性数学的方法进行约束的重新描述，并由硬性约束向柔性约束转变。

3 集输系统不确定性优化模型算法

由于目前针对集输系统不确定性优化研究较少，但由于集输管网与其他能源管网的相似性，因此不确定性优化模型算法可以借鉴其他管网的优化求解算法。在电网与热力管网规划设计领域，张百甫提出了磷虾群算法(KH)用以求解基于云理论的微电网不确定性模型，黄磊用贪婪随机自适应搜索算法求解建立的基于机会约束规划的电网灵活规划模型。刘孟军采用遗传模拟退火算法(GSAA)求解考虑变量随机性的热网的随机规划问题。在供水管网规划设计领域，Szu Wen Hung 考虑供水管网水流量以及质量负荷的波动性，将混合整数非线性规划问题分解为混合整数线性规划问题和线性规划问题进行求解，崔智敏针对实际生产过程中油田注水运行系统面临的管道摩阻系数的不确定变化，提出将受外界环境影响的管道摩阻系数作为模糊参数，建立泵站的油田注水系统运行的模糊优化模型。为最终得到优化到系统的最小能耗，应用基于模糊模拟的遗传算法对泵站排量进行优化。程小娟在树状管网的优化设计中引入了节点流量和管道阻力系数两个随机变量，建立了树状管网优化设计的机会约束模型，并采用基于随机模拟技术的遗传算法进行求解。

展望油气集输系统领域，根据建立的优化模型以及优化约束，在满足收敛性的条件下，采用随机模拟技术混合智能优化算法，以及模糊数学与智能优化算法的结合将会是不确定性优化模型的主要求解算法。另一方面，寻求新的智能优化方法如果蝇算法、混合蛙跳算法和螳螂算法来提高求解效率和求解精度是可行的研究方向。

4 结语

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，油气集输系统作为地面工程的主体，在优化设计中，应考虑其不确定性。不确定性优化模型的建立需要将目标函数，约束条件，求解算法进行统筹考虑，同时管网中的不确定性因素需要具体问题具体分析。开展不确定性优化研究，可以促进生产管理更加精准化，实现油气集输系统全生命周期管理。

通过概率论、可能性理论、模糊理论、集对理论和室内实验等方法，开展了系统的理论和方法研究，认识不确定性数学理论与油气集输系统不确定性优化技术的结合机理；探索不确定性条件下油气集输系统优化理论模型建立、模型求解、算法评价、灵敏度分析的研究方法；解决不同地形、不同管网形态、不同工艺流程的管网优化问题，为集输系统不确定性优化的科学研究奠定了基础。