油气集输工程是油气田地面工程的主体工程,包括油气输送､转送必不可少的传输设施,以及油田生产油气系统中的核心环节设备｡集输管道的主要功能就是对油气田开采出的油气和伴生物进行处理,包括分离､净化､输送､外销等｡集输管网设备系统复杂､建造成本巨大,投入使用后运行和维护费用昂贵,并且由于油气的易燃易爆特性,导致油气集输管网系统不但建设运行成本高,而且存在的潜在风险隐患较大｡因此,对集输管网系统进行优化设计和规划在经济效益､安全可靠方面都具有重要的实用意义｡

针对油气集输管网规划设计问题,从井组划分优化､集输场站选址布置优化､干支管网连接网格化设计优化等三个方面对其管网系统的规划进行优化,通过对各优化方案进行设计方案分析表明,本文提出的优化方案好于传统优化方法｡在油气集输管网布局优化的基础上,从集输管网设计优化､管网运行优化等方面对其系统整体优化设计进行补充分析｡详细提出了设计优化､运行优化的数学函数优化模型,界定了优化约束条件,对管网优化方案思路进行了明确｡

1管网系统设置布局优化

油气集输管网布局是集输系统规划优化的最主要内容,油气集输系统管网前期布局设计是优化集输系统规划设置的首要内容,在设计规划初期,按照要求对油气田井组､干支管道走线､集输场站选址等进行合理布局[1],通过优化促使其既要满足油气田生产开发工艺､现场条件､成本､外销供求情况等要求的条件,又要满足投资小､安全稳定性好的要求｡

1.1油气田井组区域划分优化

油气田集输系统根据油气储存资源量､开发技术水平､现场地理地质条件等实际可分为单个油井独立连接管网输送和多个油井组合到一起进行集输等两种方式｡对于油气田规模较大,同时开挖生产的油井数量较多的油气田,为提高设备利用效率和开采的便捷,通常根据生产需要将现场所有油井划分成若干组,对同一井组的开采气资源用同一个集输站进行集输处理｡井组区域划分优化就是确保每一个油井与其相连接的集输站处在最佳的隶属条件下,确保集输管道长度､直径､集输流量等处于最有利于降低成本的前提下｡

本文在考虑油井与集油站之间的距离和油井集输产量的基础上对其进行优化,按照距离最短原则确定油井—井组—集油站的隶属关系,按照产量较大的油井组隶属6~10口井､产量较小的油井组隶属11~15口井,最多不能超过20口井｡按照拓扑优化方式对油气集输管网进行优化｡井组划分的优化结构见图1｡

图1井组划分优化布局

图1中所示虚线为一种井组划分布局结构,实线为另一种井组划分布局结构,两种结构均为最优化井组划分｡图1中J1､J2代表两个集油站,圆圈代表各个油井位置,其中1号､2号油井分布在两个集油站中间,且与集油站的距离大致相等,这就需要根据集油站的规模､输送油气量､集油站隶属井组数量进行实际确定,确保每一个集油站的油井数量､集输油气量均匀化｡

1.2集输场站选址规划优化

集输场站是油气田油气集输的储存和中转装置,因此在对油气田集输管网系统进行优化时,首先要对集输场站进行合理选址,既要确保集输油气站位址､数目符合井组的隶属,又要保证油井集输量､距离合理,节约成本｡油气田集油气场站设置的数量会直接影响油田生产的成本,集输场站的位置布置又直接与集输管网管线连接和网管结构布局形式直接相关,油气集输管网管道安装成本每公里高达数万元,而管道又是整个集输系统的最主要设施及成本比最大部分,因此,优化集油站选址,从而减少集输管线总长度显得十分重要｡一般情况下,油井的位置基本上在油藏设计和设备设施安装前都已经确定,主要是根据油气资源分布和开采难易程度等天然条件确定的;集油站的建设一般设置在同一组隶属油井位置分布的区域中间｡地面集输安装设计通常分为二级分布安装和三级分布安装两种类型｡本文根据油气田实际情况对其集输站布置设计规划进行优化,可以先对集中的油井和集油站按照辐射式网络状进行安装,然后再通过树枝状结构体系将各个集油站进行汇总连接到集油气总站,形成井组—集油站—集油气总站的优化规划布置系统,如图2所示｡

图2  油气田集输场站选址布局优化

图2中大方框为油气田区域,其中四个小方格为油气田集油站及其隶属井组的分布区域,每一个集输站分布多个油井,它们按照星形网络连接构成二级气站布置;三集油站布置有实线和虚线两种方式,对应于辐射网络和树枝网络两种模式,图2中A､B为集油气总站,其两种三级气站布置方式需根据油气田实际区域面积､周边情况､油气田其他设施分布进行选择,都属于集油气场站选址布局优化方案｡

1.3干支管网布局优化

在油井与其所属集油站合理连接的基础上,进行干支管网布局连接｡在传统的油气集输管网设计布局时,一般是根据数学论和集合论中的图论分布知识进行分析,包括在集输管网系统中设置一个独立的集油气总站或采用多交叉树枝网络状连接等两种｡对油气集输干支管网优化分析时,就是要以油气输送管段总长最小､总流量分布最均匀为目标,以此为依据对集油站的管网连接干线､支线､分接等接入点进行科学调整,确保干支管道气体传输顺畅｡对干支管网进行布局优化时需要考虑四个方面的内容:(1)采用树枝状管网的连接方式优化干支管网,可以合理安排管网连接和布置｡(2)树枝状管网在中心集油站选址,这样可以确保各个集油气场站能够全部连接集油气总站,集油气管线最短｡(3)根据树枝网络方式进行干支管网布局的确定｡(4)管网布局引入额外集散点,根据集散优化理论对干线､支线､接入点等进行合理设置｡

依据上述内容,进行传统的干支管网优化,并按照传统的干支管网优化结果进一步优化,选择某一油井田干支管网特征进行布置｡图3为传统干支管网优化后的布置规划图,井组按照位置分布就近整合,实现最小距离优化,达到降低成本､减少管道长度的目的｡图4是在传统优化管网布置的基础上进一步优化,增加额外集散点S1､S2､S3､S4,实现油井按照井组分布后,管线根据管径､流量实现交汇统一连接到集油站或集油气总站,可以在减少管长的同时,实现油气流量的优化布置,实现了更加优化､科学的管网布置规划方案｡

图3传统优化管网布置

图4额外集散点改进法优化管网布置

2管网设计优化

油气技术管网的优化不仅要从其布局､选址､安装等规划上进行优化,还需要优化其管网设计｡油气集输管网安装建设前要对其进行科学设计,此过程中要着重处理集输管道管径的最佳组合问题,通过数学､物理理论对管道流量､压力等参数进行计算确定,通过最小解或最优解等方式获取集输系统造价成本最低的优化设计[2]｡

油气集输系统建设安装投入成本总额F可以通过建立函数模型转化成与管壁厚度m､管径D､管道长L的函数式计算,集输管网的总投资函数如下

其中,计算油气集输管网系统成本最低的边界约束有系统稳定性约束､管道强度约束､管道内部气压约束和函数模型体现的设计变量约束等｡

对油气集输管网初期的设计进行优化主要是按照上述函数模型进行｡这种模型主要以约束条件确定变量的优化结果,包含的变量参数均为离散型分布,这就可以解决通常采用的连续变量函数模型计算最优解近似忽略的问题;这种方法计算结果准确,与油气田生产设备设施布置和投资成本实际比较接近｡集输管网初期阶段的设计优化就是在一定的目标条件下,以一定的约束条件得出函数模型最佳数值解的过程,充分考虑各参数之间的数学函数关系,一方面提高了系统整体结果的收敛特性,另一方面解决了设计变量符合优化条件的极值问题,据此得到问题的最优解,获得油气集输管网设计参数的整体协调､耦合､适应性最优解｡

3管网运行优化

油气集输管网运行优化是指管网建设完成投入使用后,就需要对其投入使用后的运行状况进行优化,以合理的运行参数设置和管理模式,确保油气集输管网使用时整体处在最稳定良好的状态｡分析油气集输管网运行过程最优化的内容,就是根据管道结构､分布方式､压缩机特征､边界条件､设计极限要求等设定部分限制条件,以此达到运行时最顺畅､成本最低的目的｡运行优化模型可以归纳成如下函数公式

式中pi为集输系统第i条输油气管道上所有的压缩机总数;u1i为压缩机的停止或使用状态,停止或运行用0或1代替;uej为输油气管道上第j台压缩机使用时的效率;qij为输油气管道上第j台压缩机运行时产生的操作压力｡

建立油气集输管网投入使用后的运行优化函数模型,首先要界定其为线性模型还是离散模型,这将直接影响到优化结果｡本文由于选择的变量为数量､压力､状态等离散参数,因此运行优化函数关系属于离散模型｡油气集输管网优化要充分考虑油气田油气产量､输出量､市场需求量､集输站运转处理规模､集输管道压力等因素,在确保安全稳定的条件下,以最大输出､最低成本为目标对其运行进行优化｡

4结论

(1)针对油气集输管网规划设计问题,从井组划分优化､集输场站选址布置优化､干支管网连接网格化设计优化等三个方面对其管网系统的规划进行优化,通过对各优化方案进行设计方案分析表明,本文提出的优化方案好于传统优化方法｡(2)在油气集输管网布局优化的基础上,从集输管网设计优化､管网运行优化等方面对其系统整体优化设计进行补充分析｡详细提出了设计优化､运行优化的数学函数优化模型,界定了优化约束条件,对管网优化方案思路进行了明确｡

参考文献

[1]陈进殿,汪玉春,黄泽俊.油气管网系统最优化研究[J].油气储运,2016,25(2):6-15.

[2]何川,孟庆华,李渡.川西油气集输管网系统最优规划研究[J].油气工业,2021,26(7):107-111.