油氣集輸系統不確定性優化若干問題探討

潘峰(大慶油田有限責任公司第六采油廠，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

油氣集輸系統優化問題可分為確定性優化以及不確定性優化，在油氣田地面實際生產中，受生產，技術、管理、環境等諸多因素影響，油氣集輸系統中眾多參數(原油物性及流變性參數、管道運行參數、環境參數)具有不確定性的特點，傳統的油氣田地面工程優化方法沒有考慮到不確定性參數對優化結果的影響。隨著智能化、數字化油田的逐步發展，多種混合智能優化算法的逐步應用，不確定性優化也會逐步成為油氣田地面工程優化技術領域新的突破口。本文給出了不確定性優化的整體思路，并就難點進行了梳理，給出了未來的發展方向。

1 集輸系統不確定性優化模型構建

1.1 水力熱力計算

集輸系統水力熱力計算是管網優化的基礎，直接關系到系統各節點水力熱力參數的取值。集輸系統水力熱力計算按管道走向的不同又分為水平管道和起伏管道，其中起伏管道的水力熱力計算需要分段進行。傳統的水力計算方法以Beggs-Brill 公式為主，熱力計算方法以蘇霍夫公式為主，其計算一般是取各參數的均值，沒有考慮到參數在一定區間的波動性。潘峰針對集輸管網，在傳統的水力熱力計算的基礎上，考慮到參數的不確定性，利用正態概率分布對不確定性參數進行描述，采用隨機(蒙特卡洛)模擬的方法對不確定性參數進行抽樣，計算出考慮參數不確定性的條件下，節點參數的數值分布基本呈正態分布，這與多位學者的假設相符，證明該方法具有一定的應用價值。借鑒其他流體管網，田洪建針對流體管網水力計算，引入模糊集理論，利用三角模糊數的基本概念及性質，將管道粗糙度作模糊化處理，建立了流體管網水力分析的模糊數學模型。毛立波針對供水管網，結合一階二次矩法與管網雅克比矩陣的解析式，提出了管網模型不確定性的解析計算方法，提高了管網節點求解效率，相比隨機抽樣方法，減小了計算量。

考慮參數不確定性的集輸管道水力熱力分析法還需開展室內實驗以及運行模擬軟件進行進一步驗證，從而尋找更加精確和完善的計算方法。利用概率密度函數以及隸屬度函數對參數進行定義是主流做法，但都存在著一定的誤差，由此可見考慮參數不確定性的水力熱力計算難點在于如何準確的對不確定性參數進行描述。隨著大數據、人工智能在石油領域的發展，建立在模糊理論和概率論的基礎上的云理論的不確定性定量描述方法會是新的突破口。

1.2 不確定性優化目標函數

油氣田集輸系統參數優化包括建設參數優化以及運行參數優化，油氣集輸系統建設參數優化主要以管道建設總投資最省為目標，其中建設參數主要包括管道的管徑、壁厚等參數，其中管網布局形式根據地形的不同又可分為二維平面以及三維起伏地形，管網布局形式的不同導致目標函數的形式也稍有不同。

油氣集輸系統運行優化主要以系統動力、熱力消耗最小為優化目標，其大多為多目標優化問題，優化的運行參數根據集輸系統工藝流程的不同而不同，比如雙管摻水集輸流程主要優化參數包括單井摻水量，摻水溫度等。

在確定性優化目標函數的基礎上，不確定性參數優化通常一種是將目標函數中的流量、電價、管道價格模糊化后帶入到確定化優化函數中，從而構建新的目標函數。另一種是通過模糊綜合評價，將多目標函數進行綜合配比，得到目標函數。前者通常是將不確定性參數的L-R 模糊數帶入確定性優化目標函數中，對于單目標與多目標優化問題都適用，而后者只適用于多目標優化問題。

2 集輸系統不確定性優化界限

油氣集輸系統的優化界限關系著油氣田生產的經濟性和安全性，在集輸系統中，水力、熱力條件為集輸系統最主要的動力來源，限制著系統建設的規模，其中水力條件以井口回壓為約束，它直接影響油井的生產能力。熱力條件以進站來液溫度為約束，其不僅影響著集油區的安全運行，而且影響著進站含水原油的加熱能耗。集輸系統優化界限也具有一定的不確定性，一方面，確定性的優化界限不夠科學合理，比如原油進站溫度一般要求高于凝點3℃，但略低于這個安全值管道依然能夠安全運行，因此確定性優化界限會導致集輸系統能耗較高，另一方面，不同驅替方式下，集輸界限也存在著不確定性。

劉揚率先將井口回壓、進站溫度約束用模糊數學中的降半梯形隸屬度函數表示，張其敏則考慮管道強度、穩定性、雷諾數等約束條件，將其用隸屬度函數表示，潘峰在隸屬度函數的基礎上，考慮集輸管網節點參數概率分布函數，應用應力-強度對抗模型建立了井口回壓和進站溫度的模糊可靠性約束。綜合來看，新的水力熱力約束方法主要以模糊數學結合不確定性數學的方法進行約束的重新描述，并由硬性約束向柔性約束轉變。

3 集輸系統不確定性優化模型算法

由于目前針對集輸系統不確定性優化研究較少，但由于集輸管網與其他能源管網的相似性，因此不確定性優化模型算法可以借鑒其他管網的優化求解算法。在電網與熱力管網規劃設計領域，張百甫提出了磷蝦群算法(KH)用以求解基于云理論的微電網不確定性模型，黃磊用貪婪隨機自適應搜索算法求解建立的基于機會約束規劃的電網靈活規劃模型。劉孟軍采用遺傳模擬退火算法(GSAA)求解考慮變量隨機性的熱網的隨機規劃問題。在供水管網規劃設計領域，Szu Wen Hung 考慮供水管網水流量以及質量負荷的波動性，將混合整數非線性規劃問題分解為混合整數線性規劃問題和線性規劃問題進行求解，崔智敏針對實際生產過程中油田注水運行系統面臨的管道摩阻系數的不確定變化，提出將受外界環境影響的管道摩阻系數作為模糊參數，建立泵站的油田注水系統運行的模糊優化模型。為最終得到優化到系統的最小能耗，應用基于模糊模擬的遺傳算法對泵站排量進行優化。程小娟在樹狀管網的優化設計中引入了節點流量和管道阻力系數兩個隨機變量，建立了樹狀管網優化設計的機會約束模型，并采用基于隨機模擬技術的遺傳算法進行求解。

展望油氣集輸系統領域，根據建立的優化模型以及優化約束，在滿足收斂性的條件下，采用隨機模擬技術混合智能優化算法，以及模糊數學與智能優化算法的結合將會是不確定性優化模型的主要求解算法。另一方面，尋求新的智能優化方法如果蠅算法、混合蛙跳算法和螳螂算法來提高求解效率和求解精度是可行的研究方向。

4 結語

油氣田地面工程本質上是隨油氣田階段性開發而動態變化的大型設施網絡，油氣集輸系統作為地面工程的主體，在優化設計中，應考慮其不確定性。不確定性優化模型的建立需要將目標函數，約束條件，求解算法進行統籌考慮，同時管網中的不確定性因素需要具體問題具體分析。開展不確定性優化研究，可以促進生產管理更加精準化，實現油氣集輸系統全生命周期管理。

通過概率論、可能性理論、模糊理論、集對理論和室內實驗等方法，開展了系統的理論和方法研究，認識不確定性數學理論與油氣集輸系統不確定性優化技術的結合機理；探索不確定性條件下油氣集輸系統優化理論模型建立、模型求解、算法評價、靈敏度分析的研究方法；解決不同地形、不同管網形態、不同工藝流程的管網優化問題，為集輸系統不確定性優化的科學研究奠定了基礎。