论文题目：Offshore oil production planning optimization: An MINLP model considering well operation and flow assurance

作者列表：

1） 高小永 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 自动化系

2） 谢毅 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 自动化系  硕18级

3） 王树祺 北京油气管道控制中心

4） 吴明阳 中国石油大学（华东） 信息与控制工程学院

5） 王宇红 中国石油大学（华东） 信息与控制工程学院

6） 檀朝东 中国石油大学(北京)  石油工程学院

7） 左信  中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 自动化系

8） 陈韬  英国萨里大学  化学过程工程系

录用期刊：Computers and Chemical Engineering (JCR 1区)

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2019.106674

文章简介：

随着能源需求的增加和陆上储量的减少，海上石油生产越来越受到重视。海上石油生产的一个主要挑战是尽量减少运营成本和风险，其中主要风险之一是流动异常。然而，在作业规划中同时考虑油井运行和流动保障的优化方法并没有被探索。本文针对这个问题，提出了一种考虑油井生产状态、聚合物驱、能耗、平台库存和流动保障等因素的多周期混合整数非线性规划(MINLP)模型。通过求解该集成模型，可以最优地确定各井的工作状态、流量和药剂注入量。将该模型应用于一个实际的海上油田实例，结果表明了该模型的有效性。

 研究背景

近几十年来，随着油气资源的不断开发，陆上油气资源日益稀缺。同时，海洋蕴藏着丰富的油气资源。海洋石油资源的开发利用越来越受到人们的重视。由于恶劣的环境和生产所需的能源强度，深水石油储量难以开采，生产成本也很高，因此，在降低风险的同时寻求更安全和更高效的生产尤为重要。本文提出了一个涉及油井作业和流动保障的多周期海上采油规划优化数学模型。我们提出了基于离散时间表示的整个过程规划模型，包括海底采油过程、聚合物驱过程、流动保障、平台储油和输送过程。

问题和过程描述

(1) 过程描述

从井到平台，整个生产过程一般可分为三部分:井下储层过程、水下生产过程和水上平台段。如图1所示。

图1 海洋油气生产全过程示意图

(2) 问题描述

由于恶劣的环境条件，海上石油生产面临的主要挑战如下，

(I) 电潜泵（ESP）作为一种人工举升方法起着重要作用。如何在变化的流动条件下优化其能量消耗是一项重大挑战。

(II) 单独的优化方案和操作而不考虑流动保障是不合适的。如何利用流动保障机制，平衡油井优化运行方案，保证流动安全是一项挑战。

(III) 保证在平台寿命内尽可能开采出更多的原油，并且为了保证油藏的安全性和生产稳定性，必须通过注入特定量的聚合物驱油来满足生产需求。如何在给定聚合物数量的情况下分配每个井的注入策略是另一个挑战。

(IV) 油气安全运至平台后，需要进行分离、储存作业。然而，海上平台的分离和储存能力有限。因此，为了避免失衡，有必要将油井与平台的操作优化集成考虑。

海洋油气生产过程的模型

 在满足所有约束条件的前提下，以规划期内总运行成本的最小值为目标函数，建立了考虑油井运行和流程保证的多周期MINLP综合规划模型。

(1) 目标函数

目标函数的数学模型，如下所示：

上式的目标函数表示最小化海洋油气生产过程的总成本。其中，表示设备启停操作切换惩罚成本；表示电动潜油泵的能耗成本；表示FPSO对原油的存储成本；表示注聚合物驱油剂的成本；表示除蜡成本；表示缺货惩罚成本。

(2) 约束条件

根据实际油田生产情况，分别考虑启停切换模型、能耗成本、FPSO的原油的存储约束、注驱模型、流动安全保障、交货模型。如图2、图3所示。

图2 井底压力表现

  图3 电潜泵性能曲线描述

结果分析

 为验证所提出集成模型的有效性，研究了一个来自实际海洋油气生产的案例，给定生产目标，通过该模型求解生产计划，并分析结果。

(1) 案例及模型规模

给定案例包括12个生产油井，按区域划分为3个油井批，给定3个油井批在12个月内的需求量，如表1所示。

表1 月度计划安排（吨）

模型统计结果如下表2所示。

表2 模型统计

在本实施案例仿真中，算法求解准则设置为：求解间隙为1%，计算时间设置为7200s

(2) 结果分析

用上述案例来分析所提模型的具体优化结果。海洋油气生产计划最终的优化成本为515030600元。并依次得到每个计划周期内：各井批生产井的生产速率与操作状态、能量的供应、注驱量的安排、除蜡周期、各油井批原油的库存量。如图4所示。

a)总采油量安排

b) 注驱量安排

 c)每井批除蜡周期

d)生产安排甘特图

图4 优化求解结果分析

结论

在这篇论文中，研究了海洋油气生产过程的集成优化。提出了一种离散时间周期下实际深海采油的MINLP规划优化模型，以使整个采油过程的成本最小为目标。该模型能反映油井起停运行情况，减少不必要的成本。通过对柴油发电机组的柴油消耗建模，将能耗考虑在内，同时考虑了聚合物驱的注入和流量保证，以保证模拟结果与实际生产相一致。考虑了实际生产约束条件，如油井批量的采油需求、井底压力极限、管道温度和压力约束以及原油库存的最小值和最大值。并以实际生产过程为例，验证了该模型的适用性和优越性。与以往的研究成果相比，本研究考虑了油井生产状态、聚合物驱过程、能源消耗、平台储运、流动保障等油井生产的各个方面，对实际生产的影响更为显著。这项工作将提高深水开发的生产力和可靠性。

作者简介

高小永博士，中国石油大学（北京）副教授、硕士生导师、自动化系主任，中国化工学会信息技术应用专业委员会青年委员，中文核心期刊《计算机与应用化学》青年编委，中科院大类二区SCI期刊Petroleum Science青年编委

主要研究方向：机理与数据驱动的故障诊断、石油石化过程建模与优化控制、复杂工业过程计划与调度优化

联系方式：Email：x.gao@cup.edu.cn

谢毅，硕士研究生

中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制理论与控制工程专业。研究方向：炼化企业计划优化。

联系方式：Email：xieyifd@126.com