油田地面集输管网优化技术研究

2022-11-16

前言

在实际的油田地面集输管网的建设过程中, 积极地对油田地面集输管网的设计与施工过程进行优化对于降低地面集输管网的整体建设成本、减少相关转油站以及管材的资金投入具有重要作用, 通过油田地面集输管网的优化技术, 不仅能够提高企业建设的经济效益, 更利于节能降耗的实现[1]。

一、现代油田地面集输管网优化的内涵

作为相关伴生气以及原油的运输通道, 油田地面集输管网将油库、功能站和工艺管道连为一体。由于油田地面集输管网系统在整个油田地面建设成本中占据了较大比重, 故积极的引进和应用管网优化技术来完成系统的设计十分必要。同时, 现代油田地面技术管网系统的设计工作综合性强, 除了相关的数学以及工程理论, 还涉及计算机等技术的应用。对油田的集输管网进行设计, 应当依据地下、地面情况和油田性质, 通过科学的方法最大程度的满足油田开发以及运行的实际需求。对油田地面集输管网系统进行优化设计是当确定相关的中转站以及油井位置后, 通过科学的网络拓扑的规划调整, 实现结构的最优化。通常, 油田集输管网的相关优化设计涉及运行参数、管网位置、站址以及井群的优化等方面。

二、现代油田地面集输管网优化技术分析

1. 管网的优化设计概述

现代油田集输管网系统一般包含油井、中间站、相关管道和油库几个部分, 在对油田地面集输管网进行设计时, 应当通过油田采用的生产工艺确定相关转油站建设的实际规模、计量, 以及中转站和各油井间管网的具体连接方式。近些年来, 计算机技术日益发展及应用推动了油田地面集输管网优化设计的进步, 新的优化方法不断出现, 借助先进的计算机技术, 现代油田地面集输管网的优化设计通常通过以下几个环节完成: (1) 实际中油田地面集输管网的拓扑结构的确定; (2) 对数学模型进行优化, 并对相关约束条件进行科学的设置; (3) 通过目标函数的构建和分析, 选定具体的优化设计方案; (4) 通过最优方法完成相关数学模型的求解; (5) 对相关数学模型的解进行检验, 并据此完成计算方法以及模型的改进和完善[2]。

2. 油田混输管网的优化分析

以多级集输流程为例, 油井产出物通过计量及转油站等环节, 最终集输至相关的油库。目前广泛使用的集输管网一般包括树状以及环型网络两种。在对上述两种网络进行拓扑优化时, 应当从集输管网的级数、各生产平台间及生产平台和中心平台间的连接几个方面入手。过去对集输管网进行优化时, 往往依靠经验来完成网络拓扑以及管网连接方式的选择、相关管径的优化等工作, 不仅容易造成资源的浪费, 更不利于经济效益的提高。

(1) 环型集输管网的拓扑优化

与树状集输管网不同, 环型集输管网的井经过相关的管道环路和计量站进行连接。通常, 环型管网能够降低网络管线的资金投入, 并能够削减一定的中间环节, 增加集输的半径。然而, 对环型集输管网进行拓扑优化设计涉及到复杂的离散优化设计, 该过程相对于连续优化问题难度较大。对环型集输管网进行拓扑优化设计, 一般涉及计量站数目和位置的最优化、各集输环路中相关管线连接的最优化、每个集输环和计量站隶属关系的最优化等问题。以二级环型集输管网为例, 假定以油田地面集输管网系统的总投资为优化目标, 建立相关的数学模型如下表所示。

上表中, 模型目标函数中各变量依次代表相关计量站的固定和可变资金投入、油田集输环管线的资金投入、计量站和下级站的相关管线资金投入。相关约束条件依次表示温度及回压等油田集输工艺的限制、各个油井和集输环的关系限制、集输环中油井的环路约束、各集输环和计量站的隶属关系限制、相关计量站的容量限制、限制各集输环仅经过一个计量站。

对于该优化模型的求解, 可以通过分治策略, 把该问题细分为4个小问题, 同时, 借助迭代的方法把各问题联系到一起, 具体的4个优化问题可以表示为:1) 油田井号集合的划分;2) 集输环路的优化;3) 相关计量站的位置优化;集输环的优化分配。上述4个问题由变量构建相互间的联系, 能够独立进行求解。通过合理的进行迭代, 能够得出该系统布局优化的最优解[3]。

(2) 油田地面集输管网生产运行方案的优化

油田地面集输管网生产运行方案的优化涉及油气集输系统和油田注水系统的运行方案等方面, 本文以油气集输系统的运行优化为例, 不同于油田地面集输管网的设计参数的优化问题, 油气集输系统的生产优化指基于已有的生产设施, 以调整相关设备的运行参数的方式来实现整个生产过程的节能降耗。例如, 掺水流程中能够调节的参数涉及加热炉的出站温度、输油以及掺水泵的扬程等, 具体的优化模型如表2所示。

上表中, 模型的目标函数依次代表系统的动力和热力能量消耗费用。四个约束条件依次涉及系统的水力、热力平衡、井口的回压及掺水压力、原油的进站温度。剩余三个约束条件表示泵的扬程、流体出加热炉温度、油井掺水量的相关变量的数值范围。

上述生产运行方案的优化模型涉及高度非线性的数学规划, 相对于线性规划, 其求解的过程更加复杂。对于此类非线性数学规划, SUMT法通过把有约束优化转化为无约束优化求解来完成。序列二次规划法除了能够保持整体收敛, 还能保持局部的超一次收敛, 具有一定的优越性。