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 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院 自動化系

2） 謝毅 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院 自動化系  碩18級

3） 王樹祺 北京油氣管道控制中心

4） 吳明陽 中國石油大學（華東） 信息與控制工程學院

5） 王宇紅 中國石油大學（華東） 信息與控制工程學院

6） 檀朝東 中國石油大學(北京)  石油工程學院

7） 左信  中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院 自動化系

8） 陳韜  英國薩里大學  化學過程工程系

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

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

文章簡介：

隨著能源需求的增加和陸上儲量的減少，海上石油生產越來越受到重視。海上石油生產的一個主要挑戰是盡量減少運營成本和風險，其中主要風險之一是流動異常。然而，在作業規劃中同時考慮油井運行和流動保障的優化方法并沒有被探索。本文針對這個問題，提出了一種考慮油井生產狀態、聚合物驅、能耗、平臺庫存和流動保障等因素的多周期混合整數非線性規劃(MINLP)模型。通過求解該集成模型，可以最優地確定各井的工作狀態、流量和藥劑注入量。將該模型應用于一個實際的海上油田實例，結果表明了該模型的有效性。

 研究背景

近幾十年來，隨著油氣資源的不斷開發，陸上油氣資源日益稀缺。同時，海洋蘊藏著豐富的油氣資源。海洋石油資源的開發利用越來越受到人們的重視。由于惡劣的環境和生產所需的能源強度，深水石油儲量難以開采，生產成本也很高，因此，在降低風險的同時尋求更安全和更高效的生產尤為重要。本文提出了一個涉及油井作業和流動保障的多周期海上采油規劃優化數學模型。我們提出了基于離散時間表示的整個過程規劃模型，包括海底采油過程、聚合物驅過程、流動保障、平臺儲油和輸送過程。

問題和過程描述

(1) 過程描述

從井到平臺，整個生產過程一般可分為三部分:井下儲層過程、水下生產過程和水上平臺段。如圖1所示。

圖1 海洋油氣生產全過程示意圖

(2) 問題描述

由于惡劣的環境條件，海上石油生產面臨的主要挑戰如下，

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

(II) 單獨的優化方案和操作而不考慮流動保障是不合適的。如何利用流動保障機制，平衡油井優化運行方案，保證流動安全是一項挑戰。

(III) 保證在平臺壽命內盡可能開采出更多的原油，并且為了保證油藏的安全性和生產穩定性，必須通過注入特定量的聚合物驅油來滿足生產需求。如何在給定聚合物數量的情況下分配每個井的注入策略是另一個挑戰。

(IV) 油氣安全運至平臺后，需要進行分離、儲存作業。然而，海上平臺的分離和儲存能力有限。因此，為了避免失衡，有必要將油井與平臺的操作優化集成考慮。

海洋油氣生產過程的模型

 在滿足所有約束條件的前提下，以規劃期內總運行成本的最小值為目標函數，建立了考慮油井運行和流程保證的多周期MINLP綜合規劃模型。

(1) 目標函數

目標函數的數學模型，如下所示：

上式的目標函數表示最小化海洋油氣生產過程的總成本。其中，表示設備啟停操作切換懲罰成本；表示電動潛油泵的能耗成本；表示FPSO對原油的存儲成本；表示注聚合物驅油劑的成本；表示除蠟成本；表示缺貨懲罰成本。

(2) 約束條件

根據實際油田生產情況，分別考慮啟停切換模型、能耗成本、FPSO的原油的存儲約束、注驅模型、流動安全保障、交貨模型。如圖2、圖3所示。

圖2 井底壓力表現

  圖3 電潛泵性能曲線描述

結果分析

 為驗證所提出集成模型的有效性，研究了一個來自實際海洋油氣生產的案例，給定生產目標，通過該模型求解生產計劃，并分析結果。

(1) 案例及模型規模

給定案例包括12個生產油井，按區域劃分為3個油井批，給定3個油井批在12個月內的需求量，如表1所示。

表1 月度計劃安排（噸）

模型統計結果如下表2所示。

表2 模型統計

在本實施案例仿真中，算法求解準則設置為：求解間隙為1%，計算時間設置為7200s

(2) 結果分析

用上述案例來分析所提模型的具體優化結果。海洋油氣生產計劃最終的優化成本為515030600元。并依次得到每個計劃周期內：各井批生產井的生產速率與操作狀態、能量的供應、注驅量的安排、除蠟周期、各油井批原油的庫存量。如圖4所示。

a)總采油量安排

b) 注驅量安排

 c)每井批除蠟周期

d)生產安排甘特圖

圖4 優化求解結果分析

結論

在這篇論文中，研究了海洋油氣生產過程的集成優化。提出了一種離散時間周期下實際深海采油的MINLP規劃優化模型，以使整個采油過程的成本最小為目標。該模型能反映油井起停運行情況，減少不必要的成本。通過對柴油發電機組的柴油消耗建模，將能耗考慮在內，同時考慮了聚合物驅的注入和流量保證，以保證模擬結果與實際生產相一致?？紤]了實際生產約束條件，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存的最小值和最大值。并以實際生產過程為例，驗證了該模型的適用性和優越性。與以往的研究成果相比，本研究考慮了油井生產狀態、聚合物驅過程、能源消耗、平臺儲運、流動保障等油井生產的各個方面，對實際生產的影響更為顯著。這項工作將提高深水開發的生產力和可靠性。

作者簡介

高小永博士，中國石油大學（北京）副教授、碩士生導師、自動化系主任，中國化工學會信息技術應用專業委員會青年委員，中文核心期刊《計算機與應用化學》青年編委，中科院大類二區SCI期刊Petroleum Science青年編委

主要研究方向：機理與數據驅動的故障診斷、石油石化過程建模與優化控制、復雜工業過程計劃與調度優化

聯系方式：Email：x.gao@cup.edu.cn

謝毅，碩士研究生

中國石油大學（北京）信息科學與工程學院 控制理論與控制工程專業。研究方向：煉化企業計劃優化。

聯系方式：Email：xieyifd@126.com

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