論文題目：Offshore oil production planning optimization: An MINLP model considering well operation and flow assurance

作者列表：

1） 高小永 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 自動(dòng)化系

2） 謝毅 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 自動(dòng)化系  碩18級(jí)

3） 王樹(shù)祺 北京油氣管道控制中心

4） 吳明陽(yáng) 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 信息與控制工程學(xué)院

5） 王宇紅 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 信息與控制工程學(xué)院

6） 檀朝東 中國(guó)石油大學(xué)(北京)  石油工程學(xué)院

7） 左信  中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 自動(dòng)化系

8） 陳韜  英國(guó)薩里大學(xué)  化學(xué)過(guò)程工程系

錄用期刊：Computers and Chemical Engineering (JCR 1區(qū))

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2019.106674

文章簡(jiǎn)介：

隨著能源需求的增加和陸上儲(chǔ)量的減少，海上石油生產(chǎn)越來(lái)越受到重視。海上石油生產(chǎn)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是盡量減少運(yùn)營(yíng)成本和風(fēng)險(xiǎn)，其中主要風(fēng)險(xiǎn)之一是流動(dòng)異常。然而，在作業(yè)規(guī)劃中同時(shí)考慮油井運(yùn)行和流動(dòng)保障的優(yōu)化方法并沒(méi)有被探索。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出了一種考慮油井生產(chǎn)狀態(tài)、聚合物驅(qū)、能耗、平臺(tái)庫(kù)存和流動(dòng)保障等因素的多周期混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃(MINLP)模型。通過(guò)求解該集成模型，可以最優(yōu)地確定各井的工作狀態(tài)、流量和藥劑注入量。將該模型應(yīng)用于一個(gè)實(shí)際的海上油田實(shí)例，結(jié)果表明了該模型的有效性。

 研究背景

近幾十年來(lái)，隨著油氣資源的不斷開(kāi)發(fā)，陸上油氣資源日益稀缺。同時(shí)，海洋蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。海洋石油資源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到人們的重視。由于惡劣的環(huán)境和生產(chǎn)所需的能源強(qiáng)度，深水石油儲(chǔ)量難以開(kāi)采，生產(chǎn)成本也很高，因此，在降低風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)尋求更安全和更高效的生產(chǎn)尤為重要。本文提出了一個(gè)涉及油井作業(yè)和流動(dòng)保障的多周期海上采油規(guī)劃優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。我們提出了基于離散時(shí)間表示的整個(gè)過(guò)程規(guī)劃模型，包括海底采油過(guò)程、聚合物驅(qū)過(guò)程、流動(dòng)保障、平臺(tái)儲(chǔ)油和輸送過(guò)程。

問(wèn)題和過(guò)程描述

(1) 過(guò)程描述

從井到平臺(tái)，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程一般可分為三部分:井下儲(chǔ)層過(guò)程、水下生產(chǎn)過(guò)程和水上平臺(tái)段。如圖1所示。

圖1 海洋油氣生產(chǎn)全過(guò)程示意圖

(2) 問(wèn)題描述

由于惡劣的環(huán)境條件，海上石油生產(chǎn)面臨的主要挑戰(zhàn)如下，

(I) 電潛泵（ESP）作為一種人工舉升方法起著重要作用。如何在變化的流動(dòng)條件下優(yōu)化其能量消耗是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

(II) 單獨(dú)的優(yōu)化方案和操作而不考慮流動(dòng)保障是不合適的。如何利用流動(dòng)保障機(jī)制，平衡油井優(yōu)化運(yùn)行方案，保證流動(dòng)安全是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

(III) 保證在平臺(tái)壽命內(nèi)盡可能開(kāi)采出更多的原油，并且為了保證油藏的安全性和生產(chǎn)穩(wěn)定性，必須通過(guò)注入特定量的聚合物驅(qū)油來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。如何在給定聚合物數(shù)量的情況下分配每個(gè)井的注入策略是另一個(gè)挑戰(zhàn)。

(IV) 油氣安全運(yùn)至平臺(tái)后，需要進(jìn)行分離、儲(chǔ)存作業(yè)。然而，海上平臺(tái)的分離和儲(chǔ)存能力有限。因此，為了避免失衡，有必要將油井與平臺(tái)的操作優(yōu)化集成考慮。

海洋油氣生產(chǎn)過(guò)程的模型

 在滿(mǎn)足所有約束條件的前提下，以規(guī)劃期內(nèi)總運(yùn)行成本的最小值為目標(biāo)函數(shù)，建立了考慮油井運(yùn)行和流程保證的多周期MINLP綜合規(guī)劃模型。

(1) 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，如下所示：

上式的目標(biāo)函數(shù)表示最小化海洋油氣生產(chǎn)過(guò)程的總成本。其中，表示設(shè)備啟停操作切換懲罰成本；表示電動(dòng)潛油泵的能耗成本；表示FPSO對(duì)原油的存儲(chǔ)成本；表示注聚合物驅(qū)油劑的成本；表示除蠟成本；表示缺貨懲罰成本。

(2) 約束條件

根據(jù)實(shí)際油田生產(chǎn)情況，分別考慮啟停切換模型、能耗成本、FPSO的原油的存儲(chǔ)約束、注驅(qū)模型、流動(dòng)安全保障、交貨模型。如圖2、圖3所示。

圖2 井底壓力表現(xiàn)

  圖3 電潛泵性能曲線(xiàn)描述

結(jié)果分析

 為驗(yàn)證所提出集成模型的有效性，研究了一個(gè)來(lái)自實(shí)際海洋油氣生產(chǎn)的案例，給定生產(chǎn)目標(biāo)，通過(guò)該模型求解生產(chǎn)計(jì)劃，并分析結(jié)果。

(1) 案例及模型規(guī)模

給定案例包括12個(gè)生產(chǎn)油井，按區(qū)域劃分為3個(gè)油井批，給定3個(gè)油井批在12個(gè)月內(nèi)的需求量，如表1所示。

表1 月度計(jì)劃安排（噸）

模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表2所示。

表2 模型統(tǒng)計(jì)

在本實(shí)施案例仿真中，算法求解準(zhǔn)則設(shè)置為：求解間隙為1%，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為7200s

(2) 結(jié)果分析

用上述案例來(lái)分析所提模型的具體優(yōu)化結(jié)果。海洋油氣生產(chǎn)計(jì)劃最終的優(yōu)化成本為515030600元。并依次得到每個(gè)計(jì)劃周期內(nèi)：各井批生產(chǎn)井的生產(chǎn)速率與操作狀態(tài)、能量的供應(yīng)、注驅(qū)量的安排、除蠟周期、各油井批原油的庫(kù)存量。如圖4所示。

a)總采油量安排

b) 注驅(qū)量安排

 c)每井批除蠟周期

d)生產(chǎn)安排甘特圖

圖4 優(yōu)化求解結(jié)果分析

結(jié)論

在這篇論文中，研究了海洋油氣生產(chǎn)過(guò)程的集成優(yōu)化。提出了一種離散時(shí)間周期下實(shí)際深海采油的MINLP規(guī)劃優(yōu)化模型，以使整個(gè)采油過(guò)程的成本最小為目標(biāo)。該模型能反映油井起停運(yùn)行情況，減少不必要的成本。通過(guò)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的柴油消耗建模，將能耗考慮在內(nèi)，同時(shí)考慮了聚合物驅(qū)的注入和流量保證，以保證模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)相一致?？紤]了實(shí)際生產(chǎn)約束條件，如油井批量的采油需求、井底壓力極限、管道溫度和壓力約束以及原油庫(kù)存的最小值和最大值。并以實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程為例，驗(yàn)證了該模型的適用性和優(yōu)越性。與以往的研究成果相比，本研究考慮了油井生產(chǎn)狀態(tài)、聚合物驅(qū)過(guò)程、能源消耗、平臺(tái)儲(chǔ)運(yùn)、流動(dòng)保障等油井生產(chǎn)的各個(gè)方面，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響更為顯著。這項(xiàng)工作將提高深水開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)力和可靠性。

作者簡(jiǎn)介

高小永博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）副教授、碩士生導(dǎo)師、自動(dòng)化系主任，中國(guó)化工學(xué)會(huì)信息技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)委員會(huì)青年委員，中文核心期刊《計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)》青年編委，中科院大類(lèi)二區(qū)SCI期刊Petroleum Science青年編委

主要研究方向：機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷、石油石化過(guò)程建模與優(yōu)化控制、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程計(jì)劃與調(diào)度優(yōu)化

聯(lián)系方式：Email：[email protected]

謝毅，碩士研究生

中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院 控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)。研究方向：煉化企業(yè)計(jì)劃優(yōu)化。

聯(lián)系方式：Email：[email protected]