油田地面集輸管網優化技術研究

崔鵬楊志淑姬磊磊

(1長慶油田采油三廠 寧夏銀川 7500062長慶油田采油九廠 寧夏銀川750006)

前言

在實際的油田地面集輸管網的建設過程中，積極地對油田地面集輸管網的設計與施工過程進行優化對于降低地面集輸管網的整體建設成本、減少相關轉油站以及管材的資金投入具有重要作用，通過油田地面集輸管網的優化技術，不僅能夠提高企業建設的經濟效益，更利于節能降耗的實現[1]。

一、現代油田地面集輸管網優化的內涵

作為相關伴生氣以及原油的運輸通道，油田地面集輸管網將油庫、功能站和工藝管道連為一體。由于油田地面集輸管網系統在整個油田地面建設成本中占據了較大比重，故積極的引進和應用管網優化技術來完成系統的設計十分必要。同時，現代油田地面技術管網系統的設計工作綜合性強，除了相關的數學以及工程理論，還涉及計算機等技術的應用。對油田的集輸管網進行設計，應當依據地下、地面情況和油田性質，通過科學的方法最大程度的滿足油田開發以及運行的實際需求。對油田地面集輸管網系統進行優化設計是當確定相關的中轉站以及油井位置后，通過科學的網絡拓撲的規劃調整，實現結構的最優化。通常，油田集輸管網的相關優化設計涉及運行參數、管網位置、站址以及井群的優化等方面。

二、現代油田地面集輸管網優化技術分析

1.管網的優化設計概述

現代油田集輸管網系統一般包含油井、中間站、相關管道和油庫幾個部分，在對油田地面集輸管網進行設計時，應當通過油田采用的生產工藝確定相關轉油站建設的實際規模、計量，以及中轉站和各油井間管網的具體連接方式。近些年來，計算機技術日益發展及應用推動了油田地面集輸管網優化設計的進步，新的優化方法不斷出現，借助先進的計算機技術，現代油田地面集輸管網的優化設計通常通過以下幾個環節完成：(1)實際中油田地面集輸管網的拓撲結構的確定；(2)對數學模型進行優化，并對相關約束條件進行科學的設置；(3)通過目標函數的構建和分析，選定具體的優化設計方案；(4)通過最優方法完成相關數學模型的求解；(5)對相關數學模型的解進行檢驗，并據此完成計算方法以及模型的改進和完善[2]。

表1 環型管網優化的數學建模舉例

2.油田混輸管網的優化分析

以多級集輸流程為例，油井產出物通過計量及轉油站等環節，最終集輸至相關的油庫。目前廣泛使用的集輸管網一般包括樹狀以及環型網絡兩種。在對上述兩種網絡進行拓撲優化時，應當從集輸管網的級數、各生產平臺間及生產平臺和中心平臺間的連接幾個方面入手。過去對集輸管網進行優化時，往往依靠經驗來完成網絡拓撲以及管網連接方式的選擇、相關管徑的優化等工作，不僅容易造成資源的浪費，更不利于經濟效益的提高。

(1)環型集輸管網的拓撲優化

與樹狀集輸管網不同，環型集輸管網的井經過相關的管道環路和計量站進行連接。通常，環型管網能夠降低網絡管線的資金投入，并能夠削減一定的中間環節，增加集輸的半徑。然而，對環型集輸管網進行拓撲優化設計涉及到復雜的離散優化設計，該過程相對于連續優化問題難度較大。對環型集輸管網進行拓撲優化設計，一般涉及計量站數目和位置的最優化、各集輸環路中相關管線連接的最優化、每個集輸環和計量站隸屬關系的最優化等問題。以二級環型集輸管網為例，假定以油田地面集輸管網系統的總投資為優化目標，建立相關的數學模型如下表所示。

表2 油氣集輸系統摻水流程的優化模型舉例

上表中，模型目標函數中各變量依次代表相關計量站的固定和可變資金投入、油田集輸環管線的資金投入、計量站和下級站的相關管線資金投入。相關約束條件依次表示溫度及回壓等油田集輸工藝的限制、各個油井和集輸環的關系限制、集輸環中油井的環路約束、各集輸環和計量站的隸屬關系限制、相關計量站的容量限制、限制各集輸環僅經過一個計量站。

對于該優化模型的求解，可以通過分治策略，把該問題細分為4個小問題，同時，借助迭代的方法把各問題聯系到一起，具體的4個優化問題可以表示為：1)油田井號集合的劃分；2)集輸環路的優化；3)相關計量站的位置優化；集輸環的優化分配。上述4個問題由變量構建相互間的聯系，能夠獨立進行求解。通過合理的進行迭代，能夠得出該系統布局優化的最優解[3]。

(2)油田地面集輸管網生產運行方案的優化

油田地面集輸管網生產運行方案的優化涉及油氣集輸系統和油田注水系統的運行方案等方面，本文以油氣集輸系統的運行優化為例，不同于油田地面集輸管網的設計參數的優化問題，油氣集輸系統的生產優化指基于已有的生產設施，以調整相關設備的運行參數的方式來實現整個生產過程的節能降耗。例如，摻水流程中能夠調節的參數涉及加熱爐的出站溫度、輸油以及摻水泵的揚程等，具體的優化模型如表2所示。

上表中，模型的目標函數依次代表系統的動力和熱力能量消耗費用。四個約束條件依次涉及系統的水力、熱力平衡、井口的回壓及摻水壓力、原油的進站溫度。剩余三個約束條件表示泵的揚程、流體出加熱爐溫度、油井摻水量的相關變量的數值范圍。

上述生產運行方案的優化模型涉及高度非線性的數學規劃，相對于線性規劃，其求解的過程更加復雜。對于此類非線性數學規劃，SUMT法通過把有約束優化轉化為無約束優化求解來完成。序列二次規劃法除了能夠保持整體收斂，還能保持局部的超一次收斂，具有一定的優越性。

總結

現代油田的地面集輸管網的設計及其建設施工具有系統性強、復雜程度高等特點，這就決定了相關優化工作的難度。同時，國內用于油田地面集輸管網優化的相關軟件的發展尚不成熟，這也成為未來發展的方向。

[1]楊飛.淺談石油地面集輸管網系統的優化設計.油氣冶煉.2013(8).

[2]謝芳芳.油田地面集輸管網優化設計及軟件開發.軟件設計開發.2012(5).

[3]郭和.長慶油田采油三廠地面集輸管網優化技術研究.中國石油大學.2007(10).