（油气储运工程专业论文）油田地面集输管网优化设计与软件编制.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数掘是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：私多澉日期：矽l 年 月了汐1 3 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名： 日期：叩年竖月弓驴日 日期：卅年对弘日 摘要 油f f l 建设中地面工程建设的费用占了相当大的比重，设计阶段做好投资控制能够有 效地节约地面工程建设的投资。本文对复杂地形条件下超低渗透油田的集输管网优化设 计方法进行研究并且丌发了油田集输系统优化设计软件。 本文对绕障碍的方法进行了研究，采用了一种适合于复杂地形下集输管网优化设计 的绕障碍算法，给出了绕障碍问题的数学描述和解法，把障碍造成的各种影响都考虑在 了优化之中，把绕障碍的算法集成在了软件管长计算中，并且保存其绕障碍路径，提高 了考虑障碍物情况下优化计算的精度。 针对复杂地形条件下超低渗透油田的特点，研究了集输管网优化的数学模型，在井 组划分完成之后实现了全局优化，避免了计算陷入局部最优的问题。在求解这个数学模 型的过程中，首先采用一种改进的边界搜索法束完成井组划分，然后利用本文提出的增 压泵站处理模型来解决井组中部分油井回压不足的问题，井组划分和增压泵站处理模型 的配合给遗传算法的运算做好铺挚，处理好了井站隶属关系和井口回压问题。然后采用 遗传算法求解数学模型。求解中采用惩罚函数法来处理约束问题，并且把站址落在障碍 物内的问题也使用惩罚函数进行了处理，计算结果表明模型恰当，算法稳定运行并收敛， 结果可靠。 软件采用s r t m 数据作为油区的地形数据，参与到优化过程的各种运算过程中， 使得抽象出的模型更加符合实际，有效提高了优化设计的精度。软件使用c 拌开发，c 拌 语言的优势在本软件的开发过程中得到了很好的体现，并且使用c 拌与o p e n g l 技术结 合s r t m 数据实现了油区地形和优化结果的三维显示，显示效果良好。 对于长庆某油区进行了实例计算并分析了优化结果，得到了示例油区最佳集输半径 为2 k m ，并且考察了遗传算法参数等对优化结果的影响。结果表明遗传算法在本文的优 化问题中应用效果很好。 关键字：超低渗；油田；集输管网：优化设计；软件；遗传算法 t h eo p t i m i z a t i o na n dp r o g r a m m i n go fo i l f i e l ds u r f a c eg a t h e r i n g n e t w o r k z h a n gz i b o ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz i l i a b s t r a c t t h ec o s to fs u r f a c ec o n s t r u c t i o nt o o ku pas u b s t a n t i a lp r o p o r t i o ni na l li n v e s t m e n to f o i l f i e l dc o n s t r u c t i o n ，t od ot h ei n v e s t m e n tc o n t r o li nt h ed e s i g ns t a g ec o u l de f f e c t i v e l ys a v e t h ei n v e s t m e n t i nt h i sp a p e ro p t i m i z a t i o nm e t h o do fg a t h e r i n gn e t w o r ki nc o m p l e xt e r r a i n c o n d i t i o n s ，e x t r e m e l o wp e r m e a b i l i t yo i l f i e l dh a db e e nr e s e a r c h e da n do p t i m u md e s i g n s o f t w a r eo f g a t h e r i n gn e t w o r k h a db e e nd e v e l o p e d h o wt ob y p a s so b s t a c l e sh a db e e ns t u d i e di nt h i s p a p e r , u s i n gaa l g o r i t h mf i t t e df o r o p t i m i z a t i o nd e s i g no fg a t h e r i n gn e t w o r ki nc o m p l e xt e r r a i n m o d e l i n go fb y p a s s i n go b s t a c l e s w e r ep r e s e n t e d a l s ot h e i rs o l v i n gs c h e m ew a sd e v e l o p e d t h ev a r i e t ye f f e c t sc a u s e db yt h e o b s t a c l e sw a sc o n s i d e r e di nt h eo p t i m i z a t i o n ，t h ea l g o r i t h mw a si n t e g r a t e di n t oc a l c u l a t i o no f p i p e l i n el e n g t h ，a n ds a v et h e i rp a t hb y p a s s e dt h eo b s t a c l e s i t i m p r o v e dt h ec a l c u l a t i o n p r e c i s i o nw h i l ec o n s i d e r i n gt h eo b s t a c l e s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xt e r r a i nc o n d i t i o n s ，e x t r e m e - l o wp e r m e a b i l i t y o i l f i e l d ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo fg a t h e r i n gn e t w o r kh a db e e ns t u d i e d ，r e a l i z e dt h eg l o b a l o p t i m i z a t i o na f t e rt h ew e l lg r o u pw a sd i v i d e d ，a v o i d e dt h ec o m p u t a t i o nf e l li n t oal o c a l o p t i m u m i nt h ep r o c e s so fs o l v i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，f i r s t ，a ni m p r o v e ds e a r c h i n g b o r d e rm e t h o dw a su s e dt od i v i d i n gw e l lg r o u p ，a n dt h e nt h eb o o s t e rp u m ps t a t i o nm o d e li n t h i sp a p e rw a su s e dt or e s o l v et h ep r o b l e mt h a ti n s u f f i c i e n tb a c kp r e s s u r eo fo i l w e l l b o t h m e t h o dl a yt h eg r o u n d w o r kf o rg e n e t i ca l g o r i t h m p e n a l t yf u n c t i o nw a su s e di n s o l v i n g c o n s t r a i n tp r o b l e m sa n ds t a t i o ns i t ef a l l i n gi nt h eo b s t a c l e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d e l w a sa p p r o p r i a t e ，t h ea l g o r i t h mw a sc o n v e r g e n t s r t md a t au s e da st e r r a i nd a t ai nt h eo i l f i e l di n v o l v e di nt h eo p e r a t i o ni no p t i m i z a t i o n p r o c e s s ，m a k i n gt h ea b s t r a c tm o d e lm o r er e a l i s t i c ，e f f e c t i v e l yi m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h e o p t i m a ld e s i g n c 拌l a n g u a g ew a su s e dt od e v e l o pt h es o f t w a r ea n di t sa d v a n t a g eh a db e e n w e l l r e p r e s e n t e d t h eu s eo fc 撑，o p e n g lt e c h n o l o g i e sa n ds r t md a t ar e a l i z e d t h r e e - d i m e n s i o n a ld i s p l a yb o t ho fo i l f i e l dt e r r a i na n dt h eo p t i m i z i n gr e s u l t s ，s h o w i n gg o o d r e s u l t s t a k i n gc h a n g q i n go i l f i e l df o rap r a c t i c a le x a m p l e ，t h er e s u l t sw a st h a tt h eb e s tg a t h e r i n g r a d i u sw a s2 k m a n dg e n e t i ca l g o r i t h mp a r a m e t e r sh a v i n gi n f l u e n c e so nt h e o p t i m i z a t i o n r e s u l t sh a sb e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg e n e t i c a l g o r i t h mw o r k sw e l l i n o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：e x t r e m e - l o wp e r m e a b i l i t y , o i l f i e l d ，g a t h e r i n gn e t w o r k ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ， s o f t w a r e ，g e n e t i ca l g o r i t h m 目录 第一章前言1 1 1 集输系统优化设计研究的目的和意义1 1 2 长庆2 吨区集输系统优化设计概述一2 1 3 管网优化设计研究现状一4 1 4c 存和o p e n g l 简介7 1 5 本文主要研究内容和创新点8 第二章绕障碍算法及其在优化中的应用一1 0 2 1 前言10 2 2 绕障碍算法1 1 2 2 1 障碍物的描述及定义11 2 2 2 程序中的绕障碍算法1 2 2 3 绕障碍在软件中的应用1 3 2 3 1 障碍物的输入1 3 2 3 2 绕障碍算法与优化的对接一15 2 4 本章小结1 7 第三章集输管网优化的数学模型及求解1 8 3 1 前言l8 3 2 模型的建立18 3 3 井组划分方法及程序实现2 2 3 3 1 井组划分方法2 2 3 3 2 井组划分的程序实现2 3 3 4 增压泵站建设模型的建立和求解2 5 3 4 1 增压泵站的判断2 5 3 4 2 井组二次划分2 6 3 5 遗传算法求解优化模型2 9 3 5 1 遗传算法的一般过程2 9 3 5 2 算法要素设计和模型求解3 0 3 5 3 模型求解的程序实现3 4 3 6 本章小结3 7 第四章s r t m 数据处理及其应用3 8 4 1 前言3 8 4 2s r t m 数据的获取3 8 4 2 1 数据下载3 8 4 2 2 油区数据文件提取3 8 4 3 油区任一点高程的计算4 0 4 4 油区地形和布局的三维显示4 2 4 4 ic # 与o p e n g l 接口实现4 2 4 4 2 油区地形三维显示4 3 4 4 3 管线布局显示4 5 4 5 本章小结4 7 第五章软件介绍及优化运算实例分析4 8 5 1 前言4 8 5 2 软件简单介绍4 8 5 2 1 软件主界面4 8 5 2 2 软件参数设置部分4 9 5 2 3 优化计算及结果显示部分一5 0 5 3 优化运算实例5 0 5 3 1 油井信息5 0 5 3 2 通用参数设置5 3 5 3 3 各级站费用设置5 4 5 3 4 管线规格及费用设置5 5 5 3 5 地图数据及障碍物数据。5 5 5 4 运算实例结果分析5 5 5 4 1 示例油区最佳集输半径一5 5 5 4 2 示例油区的最优方案5 8 5 4 3 遗传算法参数对优化结果的影响6 0 5 4 4 井口回压对优化结果的影响。6 2 5 5 本章小结6 3 结论6 4 参考文献6 6 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 9 弱【谢7 0 中固杠油人学( 牛东) 硕一 ：学位论文 第一章前言 1 1 集输系统优化设计研究的目的和意义 油f 同开发主要包括了三个基本内容：油藏工程、钻采工程和油f 1 1 地面工程。油藏工 程和钻井工程主要研究的足油臧的储量、产能等的预测、钻井、完井以及丌采工艺。油 f f l 地面工程则包括了集输、油气矿厂加工、供排水、注水、供电、通讯、消防、道路等 与生产密切相关的各个系统。在油f t l 的建设中，地面工程部分占的资金约为丌发总投资 的3 0 0 o - - - 4 0 。 设计是所有工程建设的必备过程和龙头部分，在设计阶段能够良好地控制整个系统 工程的造价对一个工程的投资来说是至关重要的。一个工程由若干个环节组成，从工程 前期的决策、初步设计、施工图设计、施工建设以及投产运行这些阶段的任意一个阶段 都存在一个工程造价管理的问题，这其中的任意一个环节由于一些原因导致工程造价管 理不到位，都可能导致整个工程的投资失去控制。方案的确定是确定一个工程投资估算 的前提，也是一系列对于工程造价管理控制的丌始。前期和设计阶段包含了可研、初步 设计和施工图三个阶段。我国长久以来普遍把对投资的控制的主要工作内容放在了施工 阶段，但是工程造价没有得到有效控制的原因实际是在设计过程中没有进行有效的投资 控制。下面一组数据说明了一项工程各个阶段对总投资影响的可能性。 表1 1项目投资各阶段对投资的影响 t a b l e l - 1i n v e s t m e n ti nd i f f e r e n ts t a g ei n f l u e n c eo nt o t a li n v e s t m e n t 阶段名称影响投资的可能性 初步设计 6 0 9 5 施工图设计 2 5 6 0 施工5 2 5 由上表可以看出，初步设计阶段对投资的影响达到了6 0 9 5 ，当一个项目的初 步设计阶段结束后，这个项目的布局、规模、流程以及各项建筑标准就基本上得到了确 定，那么该项目经济与否在这个阶段也基本定型了。 集油集气流程是一个收集并计量井口产物的过程。目前世界范围内集油流程可以分 为三个类型：第一类是在每一口油井上都设立单独的分离计量设备，在特殊情况下还会 有单独的处理设备，这种流程适合于高产油井，很明显这种流程的经济性较差。第二类 称为“多井串联 式集油流程，顾名思义，也就是将距离较近的油井或者方向一致的油 第一章前言 井串联起来，多个井共用一根管线，共用的各井在产物输送过程中不断地将自己的产物 加入到管线中，然后距离集中处理站最近的油井直接连接到集中处理站上。该流程的计 量过程则放在了每口井的井场上。第三类是在每口井上都建设单独的集油管线，通过这 些管线将井口产物输送至上级站( 计量站) ，在计量站内对井口产物的各种成分进行计 量( 有时也进行分离等处理) ，然后再从计量站建设集油管线将该站下辖所有油井的产 物输送至集中处理站( 联合站) 进行进一步的处理。这种类型的应用较为广泛，目前我 国范围内的油田多数采用这类集油流程，也有一小部分采用第二类流程。第三类流程也 是本文采用的类型。 本文要讨论的集输系统设计，就是在采用第三类集油流程的情况下，已知各油井的 位置、产量、井口产物组成等参数，规划各级站的数量、站址以及规模，确定各条管线 的管径、壁厚以及水力热力参数，最终目标是使得集输系统的建设总费用达到一个最低 的水平。这个工作就属于前面介绍的初步设计阶段的工作。集输系统优化设计成功与否 直接决定油区的投资，进而影响油区的效益。 1 2 长庆2 吨区集输系统优化设计概述 本文是依托于西安长庆科技工程有限责任公司委托的超低渗油藏开发2 吨区地面 工艺优化研究项目所做的研究，针对该区的一些特点进行的集输系统优化研究和软件 编制。长庆超低渗油藏丌发2 吨区( 以下简称长庆2 吨区) 区别于其他油区的特点有以 下几个： ( 1 ) 长庆2 吨区属于超低渗透油阳，油层平均渗透率为( o 1 1 0 ) 1 0 9 m ，油层 致密程度高，束缚水饱和度高，基本无自然产能，也就无自喷能力。单井产能很低。 ( 2 ) 气油比大，伴生气含量高。 ( 3 ) 地形起伏剧烈，地貌复杂。 由于油田存在着以上特点，那么在进行集输系统设计时，相应地要与传统规划方案 采用不同的措施： ( 1 ) 要扩大集输半径。传统的集输方案一般将集输半径控制在l k m 左右，但是考 虑到2 吨区的地形地貌比较复杂，为了便于维护管理，考虑扩大集输半径，使之突破传 统集输半径的限制。 ( 2 ) 由于油田属于超低渗透油田，采用超前注水驱油方式进行开采，因此在油田 开采前期井口产物含水就比较高，加之气油比大，所以管内流动属于三相流。 2 中围石油大学( 华东) 硕上学位论文 ( 3 ) 由于集输半径扩大了，再加上2 吨区地形起伏剧烈，使得有些油井仅仪依靠 自身的回压无法将井口产物输送至上级站，为解决这个问题，采用增建增压泵站的方式 来处理。把那些经过计算得知无法顺利输送井口产物的油井，按照就近原则连接到增压 泵站上，经增压后输送至上级站。 ( 4 ) 集输流程采用1 1 所述的第三类流程，井口产物通过转油站( 计量站) 增压增 温后直接输送至联合站。由于单井产能很低，所以将几口井连在一起作为一个基本单位， 也就是建丛式井。 ( 5 ) 由于2 吨区地形地貌复杂，起伏较多，在有的地方比如较高的山头、村庄等 等可以考虑为障碍物绕过，而非采用穿跨越的方式，因此集输系统优化设计的整个过程 都有绕障碍算法一直作为辅助。 由于长庆2 吨区存在着以上的特点，以及为了对之进行优化研究做出了以上几种方 式的调整，使得优化的过程变得更为复杂了一些。本文最终的目的是确定以下的内容， 并且是总投资最省。 ( 1 ) 确定各级站的站址和井、站隶属关系。对于一个油区下辖的所有油井，哪口 井归哪个站管辖，以怎样的线路连接到上级站等等。在井组划分一定的情况下，各级站 的站址直接影响管线的布置方式，总长度大小等等，因此把站址确定在合理的位置，会 是投资控制中的最关键一环。 ( 2 ) 确定油区内所有管线的管径、壁厚等参数。管材的建设费用不仅于管线长度 关系密切，与管线的管径以及壁厚都有着密切的关系。管径的大小不仅影响管材的建设 费用，还会影响到管线的压力、温度变化，进而影响运行费用。因此确定每条管线的管 径和壁厚等参数也是十分重要的。 ( 3 ) 确定增压泵站的规模位置和与油井的隶属关系。如本节前面所述，由于长庆2 吨区存在的诸多特点，使得有些油井仅靠自身回压不能把井口产物输送至上级站，因此 需要增设增压泵站。哪口井需要增压，以及需要增压的油井连接到哪一个增压泵站上都 是本文需要在整体统筹下确定的内容。 ( 4 ) 集输半径的优选。如前所述，长庆2 吨区的集输半径突破了传统集输半径的 限制。但是突破之后究竟采用哪一个集输半径作为规划的基础和依据仍然有待讨论。如 果人为选取集输半径进行设计，难免出现偏颇。因此，在突破传统集输半径的限制之后， 确定经济性最佳的集输半径也是本文要研究的内容。 第一章前苦 1 3 管网优化设计研究现状 管网优化设计最早丌始在2 0 世纪六十年代，当时是在城市的供水领域引起设计人 员的重视1 2 ，3 1 。经过了3 0 多年的发展，管网的优化设计的理论和算法在各种工程实践中 得到了非常广泛的应用，成为提高设计水平和效率的重要工具。 管网优化设计的模型大体可以分为数学规划模型和非数学规划模型，应用最为广泛 的则是数学规划模型。非数学规划模型多数为经验性的方法。数学规划模型也有很多类 型，例如：线性规划、非线性规划、动态规划以及整数规划。工程实际中，不同的工程 问题的优化设计不同、约束条件不同、管网结构不同、系统规模等因素不同使得不同的 优化模型在工程应用中的实用性有很大的不同。 线性规划模型( l i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，研究的问题必须是一组线性约束条件，在线 性约束条件下，求解目标函数的极值问题。线性规划模型是数学规划中产生时间早、技 术成熟、应用广泛的重要分支1 4 ，5 1 。许多工程实际的问题可以抽象为线性规划问题，或者 进行一些转化，转化为线性规划问题。线性规划的求解算法有很多，例如单纯形法、两 阶段法、k a r n a r k a r 法和大m 法等。早在六十年代末，k a r m e l i 、g u p t a 等人先后提出用 于对树枝状管网进行优化设计的线性规划模型【6 叫。截止到目前为止，线性模型仍然被 广泛采用，但是它存在着很多不足，例如线性规划的设计变量数目多，最优的管径集合 确定起来较为困难。如果每条管线可选用管径系列太大，会使得设计变量数目剧增，降 低求解速度甚至无法求解；线性规划模型的约束过多，限制了它能够求解的问题的规模； 线性规划模型中只能考虑线性的目标函数，非线性项不能考虑。由于这些不足，使得线 性规划模型在很多工程问题中不能应用。例如本文要讨论的集输管网优化设计，变量多， 非线性项多，则不能采用线性规划模型。 非线性规划模型( n o l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 的研究对象是求解线性或者非线性的目 标函数极值问题，同样，约束条件可以为线性也可以为非线性【1 0 , 1 1 】。非线性规划问题的 数学模型表示为： m i n 厂( x ) ( 1 - 1 ) s j g ，( x ) 0 f = 1 ，m 矗，( x ) = 0 歹= l ， x e n 4 中国彳j 油人学( 华东) 硕一 ：学位论义 式中 厂( x ) 目标函数； 爱( x ) 、向，( x ) 约束函数。 目标函数和约束函数中至少有一个为非线性函数，才能称之为非线性规划模型。在 集输管网设计中，各级站的位置、管径大小、处理量与总费用的关系都是非线性的。 s c h a a k e 和l a n g 提出过树枝状管网的非线性模型，但是这个非线性规划模型在树枝 状管网的应用上，并没有比线性规划模型在树枝状管网上的应用体现出更强的优势，没 有得出更好的结果。非线性规划模型在环状管网的优化设计中应用较为广泛，其求解方 法包括：拉格朗日乘子法、罚函数法、广义简约梯度法、拟线性规划法以及各种对于以 上算法的改进或者组合算法等。许多学者对非线性管网模型以及其求解方法进行了大量 的研究1 1 2 16 1 ，也取得了一定的成果，但是应用非线性规划模型进行管网设计，还有很多 不足，例如非线性模型构造和求解无统一的规则和普适规律，有时需要以经验来作为实 际问题的基础；非线性规划模型求解上比较困难，并且应用这种模型很难得到全局最优 解，一般是获得局部最优解。 动态规划模型( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) ，适用于求解多阶段决策过程的最优化问题。 从动态规划模型的应用情况和其性能来看，对于简单管路以及小型的树状管网，采用动 态规划模型可以得到全局最优解；对于简单的环状管网也可以采用动态规划方法求解， 但是计算效率和精度都不高。动态规划法如果应用在复杂的管网例如油气集输管网上， 计算的时间效率和空间效率都很低，甚至不能求解。另外，动态规划模型无统一标准， 只能具体问题具体分析，这些问题是动态规划技术应用范围大大降低。 以上介绍的三种规划模型应用在管网优化设计中时，都存在着一个维数限制的问 题，如果工程问题的规模太大，决策变量过多，约束条件过多，应用以上方法很容易导 致所谓的“组合爆炸”，使得问题变得不可解。遗传算法是一种新型的优化方法f 1 7 1 9 】， 已经成功地应用到了众多领域，在集输管网优化设计中应用也比较广泛。它的全局搜索 能力和隐含并行的特点使得遗传算法适用于处理一些规模大、问题复杂而常规优化算法 无法解决的问题。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) ，是一种全局随机优化算法，以模拟自然界生物进 化过程为基本思想。将计算机科学和进化论结合起来，借助遗传学原理、优胜劣汰的原 则，通过进化过程的模拟，逐步获得问题的最优解。遗传算法的研究最早开始是在2 0 世纪6 0 年代初期，但是真正的兴起是在8 0 年代末期和9 0 年代初期。在2 0 世纪6 0 、7 0 第一章前言 年代，遗传算法的发展并未引起人们的关注和重视，因为当时遗传算法不够成熟，并且 当时的计算机水平还不能很好满足遗传算法的应用要求。到了8 0 年代人们开始认识到 传统的人工智能方法的局限性，并且在8 0 年代计算机也得到了较好发展，使得该方法 的应用限制得到了较好的解决。8 0 年代中期以来，许多国家都掀起了遗传算法研究的热 潮，其理论研究和应用研究都得到了广泛关注，尤其是其应用研究。g o l d b e r g 在1 9 8 3 年曾应用遗传算法解决了天然气管网系统稳念和瞬态优化和机器学习问题；g o l d b e r g 和 s a m t a n i 在1 9 8 6 年采用遗传算法进行了机构优化领域的研究；s i m p s o n 等也早在那个时 期应用遗传算法进行了管网的规划设计研究等等。截止到目前为止，遗传算法在多个领 域应用已经较为成熟，取得较大成功，例如煤气管道最优控制、铁路运输计划最优化、 旅行商问题、高压输电线设计等等。德国d o r t m u n d 大学在早在9 0 年代初期做过一份研 究报告，不完全统计遗传算法应用到了1 6 个大的领域和2 5 0 多个小的领域。发展到今 天，遗传算法的应用势必较之9 0 年代更加广泛。 国内近二十年来遗传算法研究发展非常快，发表的研究论文涉及到算法的理论研 究，方法改进以及遗传算法的应用研究等方面，并且出版了一些这方面的专著。这些研 究比较倾向于对方法的改进或者探索性的应用。国内对于遗传算法的研究虽然发展较 快，但是与国j l - , f h 比差距还很大。 作为一种区别于传统优化方法的全新随机优化技术，遗传算法能够解决很多传统算 法解决不了的问题，它具有以下特点： ( 1 ) 遗传算法作用对象是基于工程实际问题抽象而来的编码，对这些编码进行优 化操作，通用性强、操作简单、规范。 ( 2 ) 遗传算法能够同时评价搜索空间中的多个解，采用群体方式组织搜索，它的 全局寻优能力强，速度快、效率高。 ( 3 ) 遗传算法能够解决的问题非常多，并不对目标函数有过多的要求，不要求目 标函数满足单调、连续等条件，仅仅考虑目标函数的值，不考虑其具体形式、内在含义 等等。因此采用遗传算法几乎可以解决任意形式的目标函数和约束，不论它线性与否， 也不管它是否连续。 ( 4 ) 遗传算法以随机方式进行选择、变异和交叉等操作，因此在概率意义下的全 局搜索能够得以比较有效地进行，具有很好的全局寻优能力。 ( 5 ) 由于遗传算法中变异操作的存在，使得遗传算法只需要搜索少量个体就可以 检验很大数量的区域，这一特性也成为隐含并行性，有助于遗传算法处理非线性区域。 6 中困石油人学( 华东) 硕l ：学位论义 ( 6 ) 遗传算法的可扩展性好，能够和很多其他的包括传统优化算法在内的优化算 法有机结合，形成新型的混合遗传算法，可扩展性也保证了它在应用上的灵活性。 遗传算法应用在管网优化领域上的研究工作如前所述，始于上世纪8 0 年代。1 9 8 3 年g o l d b e r g 把遗传算法应用在管道系统的优化和机器学习上【2 0 】。这个系统模拟了从西 南向东北输气的管道系统，g o l d b e r g 成功的用遗传算法模拟了这个系统，不仅满足了供 气要求，而且发展出一套容错规则，可以对管线的泄漏做出一些适当的反应。g o l d b e r g 在他的专著中建议推广遗传算法最优化技术在工程领用的应用范围。1 9 9 0 年，澳大利亚 阿德莱德大学的s i m p s o n 和d a n d y 成立了遗传算法研究小组，开始吧遗传算法应用在陪 配水系统优化设计领域。他们在早期工作内容是研究遗传算法最优化技术模拟压力管 网，编写计算程序和设计简单的编码技术。1 9 9 2 年他们丌始尝试把遗传算法最优化技术 应用在管径设计问题上。直到1 9 9 5 年，遗传算法才开始有效地应用在复杂的配水系统 设计上。在国内遗传算法在管网优化设计上的应用较之国外较为有限，但是还有不少学 者进行了这方面的研究，也取得了一些成果。邹琳、王文元等应用遗传算法解决了小型 给水管网的经济管径问题1 2 1 2 3 】。段常贵等人应用遗传算法在煤气输配管网管径的优化设 计上1 2 4 1 。周荣敏等提出了一种进行树状管网布局优化单亲遗传算法【2 5 j ，并且应用改进的 遗传算法在环状管网优化设计上1 2 引。2 0 0 3 年，刘扬首次把遗传算法应用在了油气集输 系统布局优化领域，经过应用，刘扬认为遗传算法的诸多特点和优势使得它在布局优化 上的应用可以很好地解决问题，并且结果也较之传统优化方法更优1 2 7 l 。2 0 0 4 年，张启 阳、史培玉把遗传算法应用在了油气混输管网的管径优化设计上，应用结果显示遗传算 法在混输管网管径优化领域中也可以得到很好的应用1 2 引。 1 4c 拌禾口o p e n g l 简介 c 拌是微软公司在2 0 0 0 年7 月推出的一种全新的语言，它的派生于c c + + 的简洁语 法是受广大使用n e tf r a m e w o r k 的开发人员普遍欢迎的重要原因之一。虽然其语法对 c + + 进行了简化，但是c + + 的功能仍然保留，这使得我们没有理由不放弃c + + 而转向使 用c 。本文采用c 的最新版本3 0 进行了矿场集输管网优化设计软件的编写，新的版 本在原有成功的基础之上，添加了很多新的c + + 所不具备的功能，并且v i s u a ls t u d i o 和 开发工具的e x p r e s s 系列也获得了许多变化和改进，这些都促进了编程的简化和效率的 提高【2 9 】。 o p e n g l 是“图形硬件的一种软件接口”。从其本质来讲，它是一个3 d 的图形、模 第一章前苦 型库，其移植性非常高，渲染速度快。o p e n g l 广泛流行在游戏、气象模拟、医学、地 理信息等领域，本文采用o p e n g l 技术来对油区的地形地貌进行三维显示，并且把舰划 后的方案直观地显示在三维图像中，这是o p e n g l 技术应用在地理信息领域的典型例子。 o p e n g l 前身是i r i sg l 图形函数库，由s g i 公司开发，最初该库为一个二维图形函数 库，后来逐渐演变成3 d 编程的a p i i3 0 】。再后来随着图形技术的不断发展，s g i 公司着 力提高了i r i sg l 的移植性，发展为今天的o p e n g l 。o p e n g l 不是编程语言，而是一 个c 运行时函数库。它提供了很多接口，使得开发人员很容易地应用它来开发三维图形 应用程序。o p e n g l 是一个完全开放的标准，并不为某一家公司所掌握，而是由o p e n g l 体系结构审核委员会来管理。该委员会由包括英特尔、微软、i b m 以及s g c 等多家著 名公司在1 9 9 2 年成立的，后来又有不少新的图形界的巨头加入。o p e n g l 体系结构审核 委员会每隔四年就要召丌一次会议，对标准进行维护、改进，这些使得o p e n g l 一直与 时代一同进步。 1 5 本文主要研究内容和创新点 本文的研究主要是结合长庆油田超低渗2 吨区的特点，为研究油区编制了一套集输 管网优化设计软件。在整个过程中，本文做的主要研究工作内容如下： ( 1 ) 数学模型的确定。集输系统最优设计的目标是是系统总费用最低，总费用的 组成以及各个部分的计算方式、考虑因素都包含在内。因此首先要确定优化的目标函数， 进而设计决策变量使之最优。 ( 2 ) 要求解优化数学模型，首先需要对井组划分方法进行研究，本文要进行整体 的集输系统优化，首要工作就是按照油井的布局情况，对井组进行分组，然后才能进行 后续的工作。那么这个分组究竟采用哪种方式是本文首先要解决的问题。本文通过对分 组方法的对比，选择了一个较为合适的分组方法来对油井进行分组。 ( 3 ) 遗传算法在集输系统设计上的应用。本文要解决的问题是一个复杂的系统优 化问题，如何采用遗传算法来求解集输系统的优化设计，也是一个非常重要的工作。遗 传算法的理论虽然已经较为成熟，但是要应用在一个如此复杂的工程实例中也并非易 事，需要很多的工作量。 ( 4 ) c 撑与o p e n g l 接口实现三维演示。要实现三维地形和布局结果的演示，最重 要的也是最基础的部分就是获得三维地形数据。本文通过互联网上公布的各地基本地形 数据进行提取，转换，最终成功应用在了优化软件中，不仅完成了三维显示，还将这些 8 中国石油人学( 华东) 硕l ：学位论义 数据应用到了管线管长、压降等的计算中，也就是按照现实是三维的来计算，并未进行 二维简化，这一点也提高了集输系统优化设计的精度。另外，o p e n g l 并不能与c 拌实现 无缝对接，本文研究了二者的接口问题，通过编写一个特殊控件实现了二者的接口。 ( 5 ) 绕障碍问题。由于研究区域地形复杂，本文拟采用绕障碍模式绕过一些判定 不可穿跨的障碍物来实现管线的布置。那么如何绕过障碍和绕障碍算法在系统中的应用 问题也成为了本文重要的研究内容。 本文的主要创新点如下： ( 1 ) 系统地提出增压泵站的处理数学模型，并且给出了完备的求解算法求解了增 压泵站的判断、建设模型，使得集输半径的扩大成为可能，使得复杂地形下井口产物的 输送成为可能。 ( 2 ) 将绕障碍算法引入到了集输系统的优化设计中，更加丰富和完善了集输系统 优化设计，提高了优化设计的精度。 ( 3 ) 在井组划分完成后，采用了一种特殊的处理方式实现了油井分组之后的全局 优化问题，使得优化分级导致局部最优的问题得到一定程度的解决。 ( 4 ) 将c # + o p e n g l 应用在了集输系统优化设计中，效果良好。 ( 5 ) 把互联网公开的s r t m 地形数据应用到集输系统优化设计中，为该数据应用 到该领域提供了成功的实例，也能大大方便集输系统的优化设计。 9 第一二章绕障碍算法及其n ! 优化中的戍用 2 1 前言 第二章绕障碍算法及其在优化中的应用 如前所述，长庆油讦j 超低渗2 吨区的地形起伏剧烈，地表条件非常复杂，在优化设 计中，在不考虑障碍物的情况下，当管线的走向确定之后，如果实际铺设中遇到障碍物， 通常采用穿越或者跨越的方式来绕过。但是在地形复杂地区，如果一味地采用穿跨越 的方式来处理，在遇到穿跨困难时，势必会增大投资。例如遇到较大山峰，较大低谷或 者村庄等等。如果在规划完成之后，再去绕过这些障碍，那么方案的最优性势必受到影 响，这个原因是显而易见的，因为如果早已预见到要绕过这个障碍，那么规划方案可能 就不是之前的这个方案了。如果在设计阶段就将障碍物考虑在内，在规划中计算管线长 度、布置情况时就加入障碍物的因素，能够保证在实际存在障碍物的情况下获得最优解， 保证了求解的最优性。 在已往的集输管网优化设计的研究中绝大部分是在不考虑障碍物的情况下进行的， 但是障碍物对