海上集輸系統(tǒng)拓撲結構優(yōu)化約束剖析及進展

馬 晶

（中國石油大學（北京） 城市油氣輸配集輸北京市重點實驗室,北京102249）

海上集輸系統(tǒng)拓撲結構優(yōu)化約束剖析及進展

馬 晶

（中國石油大學（北京） 城市油氣輸配集輸北京市重點實驗室,北京102249）

目前對陸上油氣田布局優(yōu)化研究較多，但針對海上集輸系統(tǒng)優(yōu)化研究較少。從優(yōu)化模型建立角度，基于淺海與深海集輸系統(tǒng)優(yōu)化兩方面，對國內外海上油氣田集輸管網拓撲結構優(yōu)化研究成果進行評述，著重分析了在建立模型時應考慮的特征約束。整理匯總了常用的求解拓撲結構優(yōu)化的方法并總結了每種方法的優(yōu)缺點，最后對淺海和深海拓撲結構優(yōu)化研究提出了建議，為未來海上油氣田集輸管網優(yōu)化提供了研究思路。

海上集輸系統(tǒng)；拓撲結構；優(yōu)化；約束

海上集輸管網系統(tǒng)承擔著海上油田采出物的收集、處理及集中輸送的功能，是海上油田開發(fā)的重要組成部分[1]。海上集輸管網系統(tǒng)建設投資占整個油田開發(fā)投資的比重較大,其建設的合理與否直接決定了海上油氣生產系統(tǒng)的運行效率和經濟效益。因此，對集輸管網進行整體優(yōu)化設計是降低海上油田開發(fā)成本的關鍵，也是海上油氣田開發(fā)的難點之一。

與陸上集輸管網系統(tǒng)優(yōu)化相類似[2]，海上油氣田集輸系統(tǒng)優(yōu)化問題包含最優(yōu)井組劃分，點集的幾何中心確定，管徑的選擇和最短路徑等子問題，而且這些問題往往相互耦合，致使優(yōu)化難度成倍增加。如果再考慮到三維地形，拓撲結構類型，海底地貌及障礙，生產工藝等因素，海上集輸管網整體優(yōu)化問題將十分復雜。與陸上集輸系統(tǒng)不同的是，海上集輸系統(tǒng)有特定的拓撲結構類型，因此，建立模型時需要考慮與之相對應的特定約束類型。

淺海與深海的集輸系統(tǒng)因為水深的差異，導致生產設施及裝備的不同，其對應的集輸系統(tǒng)也呈現各自的特點。通常認為300 m以內是淺海，大于300 m水深為深海[3]。下面分淺海與深海兩部分，分析其集輸系統(tǒng)常用設施以及在模型建立過程中需要考慮的問題。

1 淺海拓撲結構

海上油氣田開發(fā)中的工程模式主要分三大類：全陸式、半海半陸式和全海式。全陸式如人工島，以及0～5 m的極淺海通常采用“灘海陸岸平臺+進海路”模式[4]，這類開發(fā)模式拓撲結構形式單一，可采用簡單枚舉法進行優(yōu)化，這里不予討論。在淺海油田開發(fā)模式中，半海半陸式工程模式主要包括“井口平臺+中心平臺+海底管道+陸上終端”，全海式主要包括“井口平臺+FPSO”，這兩種類型是本文討論的主要工程模式類型。

1.1 生產設施

不管半海半陸式還是全海式的工程模式，往往依靠固定式開發(fā)平臺（如導管架平臺，重力式混凝土平臺等）進行鉆井和開采，以該平臺為中心的所有井口都會匯集到該平臺上，采用干式井口進行開采，因此，多個井口會按規(guī)律布置在平臺甲板上。不同于陸上集輸系統(tǒng)以井口為單位連接外輸管道，淺海集輸系統(tǒng)通常以平臺為單位，與陸上井組的概念類似。

淺海生產平臺主要分為中心平臺和井口平臺，中心平臺一般為較大型導管架平臺，上面有油水分離和氣體脫水等油氣處理設施、發(fā)電機和外輸泵等能源設備以及住房區(qū)等后勤設施；井口平臺通常較小，不具備油氣處理設施及能源設備。因此，井口平臺往往呈星狀分布在中心平臺周圍，依托中心平臺提供動力，同時將產出油氣匯集到中心平臺統(tǒng)一處理。同時，只有中心平臺之間相互連接和外輸，井口平臺一般不會相互連接。因此，淺海拓撲結構一般選取星狀管網的形式。

1.2 優(yōu)化點分析

在確定井口位置及其產量之后，需要確定平臺的類型和各平臺之間的連接方式，此為淺海集輸系統(tǒng)拓撲結構優(yōu)化需要考慮的子問題。

1.2.1 半海半陸式

半海半陸式拓撲結構優(yōu)化點主要分為以下3個方面：

（1）平臺分組：主要任務是劃分哪幾個平臺為一組。由于淺海井口平臺與中心平臺連接方式一般是星狀，且有最多連接個數限定，所以在平臺分組的過程中就要進行比較，具體哪幾個平臺劃分成一組最合適；

（2）中心平臺選擇：主要任務是在已確定平臺分組的情況下，在其中選擇一個作為中心平臺，其它作為井口平臺，井口平臺均要連接到該組的中心平臺上；

（3）次終端平臺選擇：主要任務是在中心平臺中選擇一個作為通往陸地的起點平臺，在該平臺和陸地之間要建設長輸海底管道。

1.2.2 全海式

全海式拓撲結構優(yōu)化點主要分為平臺分組、中心平臺選擇和中心平臺之間連接方式3個方面。平臺分組和中心平臺選擇主要任務具體意義同半海半陸式，這里不再贅述。中心平臺之間連接方式可以選擇環(huán)狀或枝狀，主要任務是在滿足水力要求條件下，使總體連接長度最小。

1.3 優(yōu)化模型

目前針對海上油氣集輸管網建立數學模型求解拓撲結構的研究主要集中于海上天然氣集輸管網，這里列舉了國外對于海上拓撲結構優(yōu)化問題的幾種典型的研究方法和思路。Kabirian[5]提出了結合安裝和操作費用的混合整數非線性規(guī)劃模型，通過合理選擇壓縮機站的位置進行管網拓撲結構優(yōu)化。Baumrucker[6]建立了含平衡約束的天然氣管網有效運行的數學模型（MPECs），將時間約束與最小資源花費和操作費用結合起來求解。Sahebi[7]提出了一種MIP模型來解決油田開發(fā)管網的設計問題，主要考慮了特征設備的分配問題，并且提出的模型支持運輸系統(tǒng)選擇和管網設備布置同時優(yōu)化。Rose[8]在考慮壓縮機布置問題時，盡可能簡化其他約束，只考慮單個壓縮機站存在的情況，建立MINLP和GDP 模型進行求解分析。上述學者的建模思路，約束的處理方法都是值得借鑒的。但是海上油田集輸管網設計時通常需要布局結構與生產工藝綜合考慮，比氣田管網更加復雜，應用上述模型時需要做進一步調整。

2 深海拓撲結構

目前，深海石油開采主要采用全海式“水下井口+水下生產系統(tǒng)+浮式生產平臺”的工程模式。其中，水下生產系統(tǒng)是連接水下井口與生產平臺的橋梁和紐帶，在深海石油開采方面起到至關重要的作用，其優(yōu)化設計是深海集輸系統(tǒng)拓撲結構優(yōu)化的主要內容，也是本文研究的重點。目前，水下生產系統(tǒng)的典型布局形式主要有單井回接、菊花鏈式回接、基盤管匯和叢式管匯 4種形式[9]。在水下生產系統(tǒng)設計初期，需針對特定區(qū)塊優(yōu)選合理的布局形式。

2.1 生產設施

水下生產系統(tǒng)主要包括水下生產設施和水下控制系統(tǒng)2大群體結構，包含采油樹，水下基盤，管匯，海管終端（PLEM），立管等諸多設備，本文主要研究對管網拓撲結構影響明顯的設備：管匯和PLEM。

管匯優(yōu)選主要是確定其井槽數。工程中根據管匯能夠連接的水下井口的最大數量，將其分為不同井槽數的管匯。在設計階段，水下井口的數量和位置已知，管匯的井槽數直接影響水下井口與管匯的連接方式，因而影響管匯的數量、類型以及安裝方式[10]。因此，在建立模型時，要充分考慮管匯井槽數帶來的約束問題。

PLEM是優(yōu)化水下生產系統(tǒng)布局的關鍵設備，通過連接設施將多根流動管線匯集到PLEM上集中外輸，可有效減少外輸及相關連接設施的數量[10]。在水下生產系統(tǒng)的總體布局設計階段，應充分考慮到合理應用PLEM 的可能性和適用性，實現布局的優(yōu)化。從PLEM的結構特性可知，所有管線以星狀連接到PLEM上，這是應用PLEM帶來的約束限制。

2.2 優(yōu)化點分析

管匯優(yōu)化點主要分為井口分組、管匯井槽數優(yōu)選和管匯位置優(yōu)選3個方面。

井口分組，即如何劃分哪些井口為一組，要考慮到每組井的個數影響到管匯井槽數。在劃分井組后，優(yōu)選合適井槽數的管匯，并且要找到中心位置，使得每組管匯連接到每個井口的管線總長度最短。井口呈星狀直接連接到管匯上，每個井口只能連接一個管匯；各管匯之間不連接。例如，對于有8口井的油藏，可選擇采用8個井槽管匯，或者4+4管匯或者 4+6管匯（預留兩個井口），具體要采用哪一種方式，需要比選各種管匯費用以及總的管線連接長度，做出最優(yōu)的選擇。

PLEM優(yōu)化點主要分為管匯分組、PLEM位置優(yōu)選和立管管徑選擇個方面。

管匯分組，即如何劃分哪些管匯為一組，在一組內，管匯均連接到PLEM上，再選擇合適的立管管徑，將PLEM連接到FPSO；立管管徑的選擇與管線流量有關，即要結合各匯點處流量進行優(yōu)選；PLEM位置的選擇要綜合考慮各井口位置、井口區(qū)之間的距離、與處理設施（終端/平臺）的距離。

2.3 優(yōu)化模型

目前針對水下生產設施的優(yōu)化主要采用枚舉法，即針對具體問題，將可能采用的方案一一列舉出來，進行經濟比選，很少有學者采用數學模型的方法進行統(tǒng)一優(yōu)化。Wang[11]針對海底叢式管網拓撲優(yōu)化問題建立了數學模型，著重考慮到了叢式管匯約束，并提出了一種基于鏈接矩陣的啟發(fā)式算法。之后，Wang[12]針對帶有PLEM叢式管匯合理布置問題，以投資費用最小為目標函數建立數學模型，并利用分步優(yōu)化的方法進行求解。上述模型較好的解決了帶有管匯和PLEM的水下生產系統(tǒng)布局優(yōu)化問題，但是其模型均建立在二維平面上，假設地形條件適宜，因此沒有考慮到三維地形和障礙等約束，且所提出的算法只能求解特定的管網結構優(yōu)化問題。

3 算法探討

海上集輸管網整體優(yōu)化問題往往十分復雜，所建立的模型往往含有非線性項，求解比較困難。通過文獻調研，分析模型求解常用的算法（數學規(guī)劃法，智能算法和啟發(fā)式算法），并給出算法的優(yōu)缺點及適用范圍。

早期有學者針對海上油田開發(fā)的油氣集輸管網，應用數學規(guī)劃法進行研究。于達[13]針對原油集輸管道建立數學規(guī)劃模型，并用枚舉法和直接搜索法求解。李宏偉[14]以海底管網投資費用最小為目標建立整數線性規(guī)劃模型，并采用圖論和網絡分析中的生成樹方法進行求解。同時，前文1.3提到的方法多數屬于數學規(guī)劃法，這里不再贅述。

隨著智能算法研究的不斷深化，有些學者應用智能算法求解復雜的油氣集輸管網拓撲結構優(yōu)化問題，其中遺傳算法應用較廣。張啟陽[15]和李征[16]基于遺傳算法進行油氣混輸管網參數優(yōu)化，吳華麗[17]解決了井組劃分問題。還有學者用粒子群，優(yōu)先級算法，模擬退火等其他智能算法。黎彬[18]應用粒子群算法求解最優(yōu)的井組組合。Ruan[19]等人針對陸上天然氣輸送管道，提出減少管網和壓縮機的投資費用的模型，并提出新的優(yōu)先級算法來求解。Dolan[20]結合模擬退火算法提出了管網設計問題的不同方法。但是隨著模型規(guī)模的增大，采用智能算法計算所得結果的最優(yōu)性難以保證。并且，智能算法隨機性較強，容易收斂到局部最優(yōu)解，其計算效果還需進一步討論。

有些學者運用啟發(fā)式算法，嘗試求解管網拓撲結構優(yōu)化的問題。喻西崇[21]提出油氣集輸管網系統(tǒng)的整體優(yōu)化問題包括兩個子問題：確定油氣集輸管網系統(tǒng)的拓撲形式和基于拓撲形式進行的參數優(yōu)化設計。但該方法屬于分步優(yōu)化，即需在集輸系統(tǒng)的拓撲結構已知的情況下才進行管徑的優(yōu)化，求得的方案無法保證是全局最優(yōu)解。Brimberg[22]針對近岸管網配置和管型優(yōu)化問題建立了混合整數規(guī)劃模型，并運用禁忌搜索和可變鄰域搜索相結合的啟發(fā)式算法進行求解。然而，上述啟發(fā)式算法只是解決特定的問題，受模型約束條件制約，通用性較差。

4 結論與建議

結論：

本文從海上集輸系統(tǒng)所涉及生產設施出發(fā)，分別從淺海和深海兩個方面，詳細剖析海上油田拓撲結構優(yōu)化問題，著重分析了在建立模型時應考慮的特征約束，并且分析了最新研究進展?？紤]到模型求解困難，整理匯總了常用的求解方法并分析了每種方法的優(yōu)缺點，方便學者深入研究。

建議：

（1）現實中海底地面是凹凸不平的，且會存在海溝等障礙因素，模型中應把障礙考慮在內，并且，要從二維平面轉向三維空間，確保模型更貼切實際；

（2）因管徑與輸量密切相關，集輸系統(tǒng)拓撲結構優(yōu)化時可考慮耦合生產工藝，整體統(tǒng)一求解出中心平臺位置、增壓設施和脫水設施的位置及用量、各條管線路徑以及尺寸；

（3）水下生產系統(tǒng)優(yōu)化可以同時考慮管匯和PLEM等設施，即建立模型時統(tǒng)一優(yōu)化從井口到FPSO所用到的設備；

（4）海上開發(fā)周期往往耗時較長，油田滾動開發(fā)要求集輸系統(tǒng)在設計時考慮將來新井接入約束。與之相對，在依托現有平臺開發(fā)時，所建模型要能夠把已有設施作為邊界條件，給出新平臺接入的具體實施方案；

（5）由于油藏產量是隨著開采年限變化和波動的，在集輸系統(tǒng)設計優(yōu)化時，應要考慮油藏的不確定性，即要考慮產量波動帶來的影響，確保所設計的生產系統(tǒng)滿足各種輸量的要求。

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Analysis and Advance of the Topology Optimization of Offshore Gathering System

MA Jing

（Beijing Key Laboratory of Urban oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum-Beijing ,Beijing,102249, China）

At present, researches focus more on the layout optimization of onshore oil and gas field but less on offshore gathering system. Based on the optimal models considering gathering pipeline system of shallow and deep sea, researches on topology optimization of gathering pipelines of offshore oil and gas field at home and abroad were introduced, and the feature constraints of models were analyzed. Considering the difficulties of establishing models, common solution methods were summarized, and strengthens and weaknesses of each method were discussed. At last, suggestions for the research of topology optimization of shallow and deep sea were proposed, which could offer thoughts for future studies on pipeline optimization of offshore oil and gas field.

Offshore gathering system; Topology; Optimization; Constraints analysis

TE 866

A

1671-0460（2017）04-0779-04

2017-02-15

馬晶（1991-），男，北京市人，碩士研究生，2015年畢業(yè)于中國石油大學（北京）船舶與海洋工程專業(yè)，研究方向：從事海上油氣田集輸方面的研究。E-mail：cupmajing@163.com。