油氣集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化若干問題探討

潘峰(大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

油氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化問題可分為確定性優(yōu)化以及不確定性優(yōu)化，在油氣田地面實(shí)際生產(chǎn)中，受生產(chǎn)，技術(shù)、管理、環(huán)境等諸多因素影響，油氣集輸系統(tǒng)中眾多參數(shù)(原油物性及流變性參數(shù)、管道運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù))具有不確定性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的油氣田地面工程優(yōu)化方法沒有考慮到不確定性參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響。隨著智能化、數(shù)字化油田的逐步發(fā)展，多種混合智能優(yōu)化算法的逐步應(yīng)用，不確定性優(yōu)化也會(huì)逐步成為油氣田地面工程優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域新的突破口。本文給出了不確定性優(yōu)化的整體思路，并就難點(diǎn)進(jìn)行了梳理，給出了未來(lái)的發(fā)展方向。

1 集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化模型構(gòu)建

1.1 水力熱力計(jì)算

集輸系統(tǒng)水力熱力計(jì)算是管網(wǎng)優(yōu)化的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)水力熱力參數(shù)的取值。集輸系統(tǒng)水力熱力計(jì)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(jì)算需要分段進(jìn)行。傳統(tǒng)的水力計(jì)算方法以Beggs-Brill 公式為主，熱力計(jì)算方法以蘇霍夫公式為主，其計(jì)算一般是取各參數(shù)的均值，沒有考慮到參數(shù)在一定區(qū)間的波動(dòng)性。潘峰針對(duì)集輸管網(wǎng)，在傳統(tǒng)的水力熱力計(jì)算的基礎(chǔ)上，考慮到參數(shù)的不確定性，利用正態(tài)概率分布對(duì)不確定性參數(shù)進(jìn)行描述，采用隨機(jī)(蒙特卡洛)模擬的方法對(duì)不確定性參數(shù)進(jìn)行抽樣，計(jì)算出考慮參數(shù)不確定性的條件下，節(jié)點(diǎn)參數(shù)的數(shù)值分布基本呈正態(tài)分布，這與多位學(xué)者的假設(shè)相符，證明該方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值。借鑒其他流體管網(wǎng)，田洪建針對(duì)流體管網(wǎng)水力計(jì)算，引入模糊集理論，利用三角模糊數(shù)的基本概念及性質(zhì)，將管道粗糙度作模糊化處理，建立了流體管網(wǎng)水力分析的模糊數(shù)學(xué)模型。毛立波針對(duì)供水管網(wǎng)，結(jié)合一階二次矩法與管網(wǎng)雅克比矩陣的解析式，提出了管網(wǎng)模型不確定性的解析計(jì)算方法，提高了管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)求解效率，相比隨機(jī)抽樣方法，減小了計(jì)算量。

考慮參數(shù)不確定性的集輸管道水力熱力分析法還需開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及運(yùn)行模擬軟件進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，從而尋找更加精確和完善的計(jì)算方法。利用概率密度函數(shù)以及隸屬度函數(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)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(shù)不確定性的水力熱力計(jì)算難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確的對(duì)不確定性參數(shù)進(jìn)行描述。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能在石油領(lǐng)域的發(fā)展，建立在模糊理論和概率論的基礎(chǔ)上的云理論的不確定性定量描述方法會(huì)是新的突破口。

1.2 不確定性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

油氣田集輸系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化包括建設(shè)參數(shù)優(yōu)化以及運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，油氣集輸系統(tǒng)建設(shè)參數(shù)優(yōu)化主要以管道建設(shè)總投資最省為目標(biāo)，其中建設(shè)參數(shù)主要包括管道的管徑、壁厚等參數(shù)，其中管網(wǎng)布局形式根據(jù)地形的不同又可分為二維平面以及三維起伏地形，管網(wǎng)布局形式的不同導(dǎo)致目標(biāo)函數(shù)的形式也稍有不同。

油氣集輸系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化主要以系統(tǒng)動(dòng)力、熱力消耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，其大多為多目標(biāo)優(yōu)化問題，優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)根據(jù)集輸系統(tǒng)工藝流程的不同而不同，比如雙管摻水集輸流程主要優(yōu)化參數(shù)包括單井摻水量，摻水溫度等。

在確定性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，不確定性參數(shù)優(yōu)化通常一種是將目標(biāo)函數(shù)中的流量、電價(jià)、管道價(jià)格模糊化后帶入到確定化優(yōu)化函數(shù)中，從而構(gòu)建新的目標(biāo)函數(shù)。另一種是通過模糊綜合評(píng)價(jià)，將多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行綜合配比，得到目標(biāo)函數(shù)。前者通常是將不確定性參數(shù)的L-R 模糊數(shù)帶入確定性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中，對(duì)于單目標(biāo)與多目標(biāo)優(yōu)化問題都適用，而后者只適用于多目標(biāo)優(yōu)化問題。

2 集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化界限

油氣集輸系統(tǒng)的優(yōu)化界限關(guān)系著油氣田生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，在集輸系統(tǒng)中，水力、熱力條件為集輸系統(tǒng)最主要的動(dòng)力來(lái)源，限制著系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)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(chǎn)能力。熱力條件以進(jìn)站來(lái)液溫度為約束，其不僅影響著集油區(qū)的安全運(yùn)行，而且影響著進(jìn)站含水原油的加熱能耗。集輸系統(tǒng)優(yōu)化界限也具有一定的不確定性，一方面，確定性的優(yōu)化界限不夠科學(xué)合理，比如原油進(jìn)站溫度一般要求高于凝點(diǎn)3℃，但略低于這個(gè)安全值管道依然能夠安全運(yùn)行，因此確定性優(yōu)化界限會(huì)導(dǎo)致集輸系統(tǒng)能耗較高，另一方面，不同驅(qū)替方式下，集輸界限也存在著不確定性。

劉揚(yáng)率先將井口回壓、進(jìn)站溫度約束用模糊數(shù)學(xué)中的降半梯形隸屬度函數(shù)表示，張其敏則考慮管道強(qiáng)度、穩(wěn)定性、雷諾數(shù)等約束條件，將其用隸屬度函數(shù)表示，潘峰在隸屬度函數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮集輸管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)概率分布函數(shù)，應(yīng)用應(yīng)力-強(qiáng)度對(duì)抗模型建立了井口回壓和進(jìn)站溫度的模糊可靠性約束。綜合來(lái)看，新的水力熱力約束方法主要以模糊數(shù)學(xué)結(jié)合不確定性數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行約束的重新描述，并由硬性約束向柔性約束轉(zhuǎn)變。

3 集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化模型算法

由于目前針對(duì)集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化研究較少，但由于集輸管網(wǎng)與其他能源管網(wǎng)的相似性，因此不確定性優(yōu)化模型算法可以借鑒其他管網(wǎng)的優(yōu)化求解算法。在電網(wǎng)與熱力管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)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(wǎng)不確定性模型，黃磊用貪婪隨機(jī)自適應(yīng)搜索算法求解建立的基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的電網(wǎng)靈活規(guī)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(jī)性的熱網(wǎng)的隨機(jī)規(guī)劃問題。在供水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Szu Wen Hung 考慮供水管網(wǎng)水流量以及質(zhì)量負(fù)荷的波動(dòng)性，將混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題分解為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題和線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解，崔智敏針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中油田注水運(yùn)行系統(tǒng)面臨的管道摩阻系數(shù)的不確定變化，提出將受外界環(huán)境影響的管道摩阻系數(shù)作為模糊參數(shù)，建立泵站的油田注水系統(tǒng)運(yùn)行的模糊優(yōu)化模型。為最終得到優(yōu)化到系統(tǒng)的最小能耗，應(yīng)用基于模糊模擬的遺傳算法對(duì)泵站排量進(jìn)行優(yōu)化。程小娟在樹狀管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入了節(jié)點(diǎn)流量和管道阻力系數(shù)兩個(gè)隨機(jī)變量，建立了樹狀管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)約束模型，并采用基于隨機(jī)模擬技術(shù)的遺傳算法進(jìn)行求解。

展望油氣集輸系統(tǒng)領(lǐng)域，根據(jù)建立的優(yōu)化模型以及優(yōu)化約束，在滿足收斂性的條件下，采用隨機(jī)模擬技術(shù)混合智能優(yōu)化算法，以及模糊數(shù)學(xué)與智能優(yōu)化算法的結(jié)合將會(huì)是不確定性優(yōu)化模型的主要求解算法。另一方面，尋求新的智能優(yōu)化方法如果蠅算法、混合蛙跳算法和螳螂算法來(lái)提高求解效率和求解精度是可行的研究方向。

4 結(jié)語(yǔ)

油氣田地面工程本質(zhì)上是隨油氣田階段性開發(fā)而動(dòng)態(tài)變化的大型設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，油氣集輸系統(tǒng)作為地面工程的主體，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮其不確定性。不確定性優(yōu)化模型的建立需要將目標(biāo)函數(shù)，約束條件，求解算法進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，同時(shí)管網(wǎng)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(yōu)化研究，可以促進(jìn)生產(chǎn)管理更加精準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)油氣集輸系統(tǒng)全生命周期管理。

通過概率論、可能性理論、模糊理論、集對(duì)理論和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等方法，開展了系統(tǒng)的理論和方法研究，認(rèn)識(shí)不確定性數(shù)學(xué)理論與油氣集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化技術(shù)的結(jié)合機(jī)理；探索不確定性條件下油氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化理論模型建立、模型求解、算法評(píng)價(jià)、靈敏度分析的研究方法；解決不同地形、不同管網(wǎng)形態(tài)、不同工藝流程的管網(wǎng)優(yōu)化問題，為集輸系統(tǒng)不確定性優(yōu)化的科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。