（油气储运工程专业论文）基于凸形障碍物的注水管网优化研究.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据是实事求是的。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作出了明确的说明。 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： 滢捣 日期：，l 年夕月；。e t日期：，年岁月；。 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。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：矽，年 日期：矽7 年 岁月弓j 日 岁月多9 日 摘要 油田注水管网是油田地面管网的重要组成部分，肩负着向油层注入介质( 水、聚合 物等1 的艰巨任务，并且优化地面注水管网对提高采油速度和采收率，保证油田正常开 发生产起着重要的作用。油田注水管网的合理优化不仅可以降低注水系统的建造成本还 可以减少其运行成本，因此对油田注水管网进行优化研究是十分必要的。本文将从注水 系统注水站数量优化、拓扑布局优化及管网的参数优化三个方面对注水管网进行优化研 究。 在油田地面管网的优化过程中障碍物是客观存在的，障碍的存在对管网的布局，站 址的选择、站的数量及管网的参数等因素都存在影响。如果不对障碍的存在加以考虑， 则会降低系统的优化效果，使优化结果与实际情况不相符，因此，障碍这一因素的考虑 在注水管网优化的过程显得尤为重要。正是基于此，本文以地面注水管网为研究对象， 研究不同的避障优化算法，确定出适于注水管网的避障算法，而后将注水区域划分为若 干个子区域，每个子区域内都采用单站供水模式，在子区域内根据管道造价和配水间造 价之间的相互关系，综合以往井式及控制半径的约束，建立井组划分的数学模型。各井 隶属关系初步确定后，以油田整个注水管网系统为研究对象，以注水管网总投资费用为 目标函数，以注水井工艺参数及几何位置为约束，建立适用于障碍存在下的注水管网拓 扑布局优化模型及注水管网参数优化模型，各模型耦合避障优化算法，分别确定出考虑 避障后的各站的位置及布局连接方式；连接方式确定后对注水管网进行参数优化，确定 合适的管网参数；最后研究注水站数量不同时管网的总费用，确定注水站最佳数量，最 终实现多注水站注水下的注水管网优化。 在理论研究的基础上，对数学模型借助计算机编制优化软件进行求解，利用c + + b u i l d e r 编制注水管网优化研究软件，并以靖安油田盘古梁西区注水管网优化为例，计算 结果表明该优化软件对油田地面注水管网规划设计工作具有一定的指导意义。 关键词：注水管网，障碍，避障算法，优化设计，多注水站 s t u d yo no p t i m i z a t i o nf o ro i l f i e l dw a t e r - i n j e c t i o np i p en e t w o r k u n d e r c o m p l i c a t e dt e r r a i n l e iy a n g ( o il & g a s s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t io 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 a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h eo i lf i e l d g r o u n dn e t w o r k ，w a t e ri n j e c t i o np i p e l i n et a k e r e s p o n s i b i l i t yf o ri n j e c t i n gm e d i u m ( w a t e r , p o l y m e r , e t c ) ，i n c r e a s i n go i l p r o d u c t i o na n d r a t e r e c o v e r yr a t i oa n dp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei n g u a r a n t e e i n g t h eo i l f i e l dn o 肋a 】 d e v e l o p m e n tp r o d u c t i o n t h eo p t i m i z a t i o no fw a t e ri n j e c t i o np i p e l i n e s y s t e mc a nn o to n l v r e d u c et h ec o n s t r u c t i o nc o s tb u ta l s or e d u c e t h eo p e r a t i o nc o s t t h i s p a p e rd i v i d et h e o p t i m i z a t i o no fw a t e ri n j e c t i o np i p e l i n ei n t ot h r e ep a r t sw h i c ha r eo p t i m i z a t i o no f q u a n t i t vo f w a t e ri n j e c t i o ns t a t i o n o p t i m i z a t i o no ft o p o l o g yl a y o u to fw a t e ri n j e c t i o n s y s t e ma n d o p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r s o b s t a c l e sd o e se x i s ti nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f p i p en e t w o r k b e s i d e si t si m p a c to n p l a n n i n gp h a s e ，m u c ha t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h ed i s t r i b u t i o n sa n dp a r a m e t e r so f t h ep i p e n e t w o r k i fi g n o r e d ，t h eo p t i m a lr e s u l ta n dt h ea c t u a lc o n d i t i o nc a nh a v eb i g g e r d i s c r e p a n c y ， r e d u c i n gt h eo p t i m i z a t i o ne f f e c t ，m a k i n gt h eo p t i m a ld e s i g n i m p e r f e c t t h e r e f o r e i ti s n e c e s s a r yt ot a k eo b s t a c l e si n t oc o n s i d e r a t i o nd u r i n gt h eo p t i m i z a t i o no fp i p en e t w o r ki nt h e w h o l ed e s i g n p r o c e s s t h i sp a p e ra i m st ow a t e ri n j e c t i o n p i p e l i n ea n ds t u d yd if r e r e n t o b s t a c l e 。a v o i d a n c ea l g o r i t h mc o n f i r m e dt h es u i t a b l eo b s t a c l e a v o i d a n c ea l g o r i t h mf o rw a t e r i n je c t i o np i p e l i n e t h ew a t e rf l o o d i n ga r e ad i v i d e di n t os e v e r a ls t a t u r e sa r e a ，e a c hs t a t u r e sa r e au s e s i n g l e w a t e ri n j e c t i o ns t a t i o nm o d e ，a c c o r d i n gt ot h ec o s to f p i p e l i n ea n dw a t e ra l l o c a t i n gs t a t i o na n d t h ec o n s t r a i n to fw e l l t y p ea n dc o n t r o lr a d i u s ，w e b u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e l e s t a b l i s ht h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fw a t e r f l o o dp i p en e t w o r kh i e r a r c h i c a l o p t i m i z a t i o nw h o s er e s e a j h o b j e c ti st h ew h o l l yw a t e r f l o o dp i p en e t w o r ka n do b j e c t i v ef u n c t i o ni st h ei n v e s t m e n tc o s t i t s c o n d t r a i n t sa r ei n je c t i o nw e l lp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r i cp o s i t i o n t h em o d e l sc o u p l e e v a d eo b s t a c l eo p t i m i z ea l g o r i t h m ，e s t a b l i s ht h ep o s i t i o n so fa l lt h es t a t i o n sa n d d i s p o s i t i o n c o n n e c t i o n st y p e a n dt h e no p t i m i z et h ep a r a m e t e r s f i n a l l y , r e s e a r c ht h ew h o l l vc o s t o f d i f f e r e n tw a t e ri n j e c t i o ns t a t i o nn u m b e le s t a b l i s ht h eb e s tn u m b e ro ft h ew a r e ri n j e c t i o n s t a t i o na n da c h i e v et h ew a t e ri n j e c t i o no p t i m i z a t i o nb a s e do nm u l t iw a t e r i n j e c t i o ns t a t i o n s o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，w ed e v e l o pt h es o f t w a r ef o rc a l c u l a t i n g t h e m a t h e m a t i c a lm o d e li nw a t e ri n j e c t i o ns y s t e mp r o g r a ml a n g u a g ec + + b u i l d e r , t h el a y o u t o p t i m i z a t i o ns o f t w a r eo fw a t e ri n j e c t i o np i p e l i n es y s t e m ，b yac e r t a i nm e a n s ，c a nb er e f e r a b l e f o rr e l a t e dr e s e a r e hi no t h e ro i lf i e l ds y s t e m k e y w o r d s ：w a t e ri n j e c t i o np i p e l i n e ，o b s t a c l e s ，o b s t a c l e a v o i d a n c ea l g o r i t h m ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，w a t e ri n je c t i o ns t a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 油田注水系统概述1 1 2 管网最优化概述2 1 3 研究现状3 1 3 1 注水优化相关研究3 1 3 2 天然气管网优化方面的研究4 1 3 3 油气集输管网优化方面的研究4 1 3 4 供给水管网优化方面的研究5 1 4 本文的研究目标及主要内容5 1 4 1 研究目标5 1 4 2 研究内容6 1 4 3 拟解决主要问题7 第二章障碍的定义及绕障算法的优选8 2 1 障碍的描述及其性质的定义8 2 1 1 障碍物的描述一8 2 1 2 对障碍性质的定义9 2 1 3 穿越障碍的优化方法9 2 1 4 障碍物的简单分类9 2 2 线探索避障算法介绍1 0 2 2 1 管线遇障碍物位置关系的判定l o 2 2 2 障碍最优绕行方式的确定1 0 2 2 3 算法的基本思路。1 3 2 2 4 算法的基本步骤1 4 2 3 基于遗传原理避障算法1 5 2 3 1 遗传算法的基本流程1 5 2 3 2 基于遗传避障算法的实现过程1 5 2 4 两种避障算法的对比1 8 第三章注水站数量优化及油田注水管网拓扑布局优化分析2 1 3 1 注水站数量优化问题。2 1 3 1 1 注水井的隶属度和隶属度矩阵2 1 3 1 2 注水站模糊c 聚类方法2 2 3 1 3 注水站模糊c 聚类方法实现过程2 2 3 2 注水拓扑结构优化2 3 3 2 1 注水井号的最优划分问题一2 3 3 2 2 中间站( 注水站和配水间) 的站址优化2 5 3 3 注水管网布局的优化3 0 3 3 1 注水管网布局优化数学模型的建立3 0 3 3 2 布局优化模型算法的求解3 2 第四章注水管网参数优化3 3 4 1 注水管网参数优化数学模型的建立3 3 4 2 注水管网参数优化模型的求解3 5 4 2 1 遗传算法的构成要素3 6 4 2 2 遗传算法的计算步骤3 9 4 2 3 遗传算法优化流程示意图4 l 4 3 一些重要参数的计算4 2 4 3 1 枝状管网流量的确定4 2 4 3 2 注水管线水头损失的计算。4 3 4 3 3 管线沿途高程的确定4 3 4 3 4 管线折线距离的计算4 5 4 3 5 管线翻越点的判断4 5 第五章注水管网优化软件的编制及应用实例4 7 5 1 注水管网优化软件描述4 7 5 1 1 注水管网优化软件构成4 7 5 1 2 注水管网优化软件的总体结构4 8 5 1 3 注水管网优化软件基本功能5 0 5 2 实例应用及结果分析5 1 5 2 1 盘古梁西区注水管网优化研究5 2 5 2 2 盘古梁西区注水管网优化结果分析5 4 结论6 3 v 参考文献6 4 附录6 7 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 0 致 射一7 1 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 油田注水系统概述 油田注水系统是油田地面工程的五大系统之一，是石油生产中的重要环节，主要承 担着注入水的输出、输送、增压、节流及注入等任务，对油田进行注水是目前陆地油f f l 开发节能的一种十分必要的方式，对油f f l 进行注水能够通过及时有效的补充地层压力能 量来增加油的采收率，最终达到保证油田的高产量及稳产量的目的。 对于任何陆上油田，油田开采之前，石油等能源在相应储层中都保持的状态为高温、 高压且相对静止，而在油田进入开发阶段，地下储层中的油气伴随着不断的开发其压力 也不断的随之降低，并且储层压力亦会发生改变。为了保证储层中的油气压力及储层压 力不发生改变，即保证油田具有持续的高产量和高采收率，目前大多数油田普遍借鉴国 外技术采用向油层中注水的办法来稳定产量，取得了十分明显的成效，因此油田注水是 以保证储层油气压力及储层压力为基础，以注水增压为手段，以提高油井采收率为前提， 以实现油田的高产、稳产为目标的油田系统工程之一【l ，2 】。 在注水系统中水由专门的水源提供，经过注水站加压后进入注水管网干线，继而到 各配水间后根据各井配注量再经管网支线进入各注水井，最后由地下注水管注入地下1 1 1 。 近几年，随着大部分油田普遍进入高含水开发期，致使注水系统结构变得更加复杂，注 水量也大幅度增加，造成了油田具有很高的建造成本和运行成本，因此人们迫切需要一 种优化技术来降低系统的成本，而注水管网优化则能降低系统成本，因此根据己知参数 设计最优方案优化注水管网则成为油田减少注水系统投资提高注水系统运行效率主要 措施。 在对油田地面注水系统进行初期规划阶段，由油田各区域内注水井分布、单井配注 量、压力与采油年限、水源情况等已知参数来确定配水间、注水站的位置，管网各主干 线走向及管道的参数规格，形成完整的注水管网系统。在这个阶段中，考虑优化的最后 结果既应满足油田各方面的工艺要求，同时应考虑系统建造及运营费用的最低，最终达 到具有良好经济效益。 在油田地面注水系统的运行阶段，即为系统的运行调度管理。在这个阶段中，由于 周边环境及储层条件的改变，油田注水系统工艺参数也会发生变化，因此注水系统的运 行参数也随着相应条件的变化而变化。油田注水管网的调度管理优化运行，是在满足各 注水井的配注量条件下提高注水系统效率，实现对地面注水系统最优控制。 第一章绪论 对于油田注水系统方面的研究主要包括管网的优化设计以及能耗方面的优化设计 两方面，由于油田注水系统耗电量约占油田总耗电量的3 0 ，因此很多专家学者对油田 注水系统节能降耗进行了大量的研究，而对于注水管网优化设计方面研究相对较少，现 有的研究也都是在没有考虑障碍物的情况下进行的，而注水管网的优化设计对注水系统 的影响很大，并且障碍在油田地面管网的优化过程中是客观存在且影响巨大的，因此为 了保证油田地面管网整个设计过程中的优化效果及完善性，在以后的地面管网建设中考 虑复杂地形障碍下的油田注水管网布局优化进行系统的研究是十分必要的。 1 2 管网最优化概述 在管网的优化研究过程中，整个管网系统投资影响比较大的就是管网的优化设计， 管网优化设计所产生的经济效益也是比较显著，因此管网优化设计的地位也显得非常重 要，管网优化设计研究始于2 0 世纪6 0 年代木，最先开始于城市供水系统中，经过几十 年的发展和完善，管网的优化设计模型和算法在工程实践中得到了广泛的应用，成为了 提高系统设计水平和设计效率的重要工具。在管网优化设计过程中最优化技术是不可或 缺的支撑部分，最优化技术是人们按照一定的准则在所有方案中选择效果最佳的方案的 一种方法。 目前管网最优化技术的模型大致可以分为数学规划模型和非数学规划模型两大部 分，其中应用最为广泛的是基于数学规划技术的优化模型，如线形规划模型、非线性规 划模型、动态规划模型和整数规划模型等。非数学规划模型大多是基于工程经验和观察 来总结出的经验性方法，或者是用于特定网络结构的启发式方法。在实际应用中，由于 优化设计的目标、所要考虑的约束条件、管网结构类型、系统规模大小等因素的不同， 构造出许多不同的优化模型，各种优化模型的实用性差别也较大3 1 。 对这类管网最优化问题，通常的作法是先将其抽象为如下的数学模型： m i n f ( x ) x = ( 五，x 2 ，一，) ( 1 1 ) s t ： g ，( x ) o ，( f = 1 , 2 ，所) h j ( x ) o ，( = l ，2 ，刀) 式中，f ( x ) 目标函数； 蜀( x ) 不等式约束函数，m 个； 红( x ) 等式约束函数，p 个。 2 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 1 3 研究现状 大多数油田以注水保持能量的基本方法作为油田的开发方针，我国是从1 9 5 4 年玉 门老君庙油田开始采用注水方法开发油田的，衡量注水技术水平的尺度是注水好且够。 经过五十多年的实践及发展，我国已经形成了完整的注水配套技术，近几年随着油田注 水规模的日益扩大，更加体现油田注水是石油生产中的重要环节，目前油f f l 注水能耗损 失占总能耗损失的5 0 左右，而注水系统的优化是降低能耗损失的关键，注水管网的投 资费用占注水系统费用的6 0 8 0 ，因此注水管网的优化在油田地面工程开发建设中占 有非常重要的地位1 5 j 。 长期以来，在油田地面建设中对地面注水系统规划研究缺少足够的重视，导致地面 注水系统运行效率较低，主要原因就是在油f f l 注水管网建设阶段缺少合理规划，在油田 注水管网的运行阶段缺乏合理的最优控制。文献查阅结果表明，目前绝大多数的关于注 水管网的优化问题都是关于注水的能耗方面进行分析，都是在已有管线的基础上进行优 化设计分析管网特性，建立能耗数学模型，使管网能耗达到最低，泵站消耗达到最小等， 相对于能耗方面的研究而言对注水系统的拓扑布局和参数优化的研究相对较少，相关的 研究成果可以借鉴天然气管网优化、油田集输管网优化、给水管网等方面的研列6 , 3 0 】。 1 3 1 注水优化相关研究 可借鉴的注水系统优化研究方面的文献主要集中在降低油田地面注水系统的能耗 方面，其方法为：一是系统的节能改造；二就是对现有系统的运行的优化，以达到效果 最优。目前油田注水在各大油田已经广泛应用，特别是在中东部油田如胜利油田，已经 进入了高含水时期，能耗量变大，迫切需要对油田注水系统进行改造和优化。目前油田 注水研究集中在运行优化方面、注水技术方面及管网改造技术的研究方面。由于前两部 分对注水管网的优化研究的可借鉴性较小，所以主要介绍管网改造方面的研究。 随着油田开采程度及注水区域难度的加大油田管网改造技术便相应发展起来，随着 各大油田相继进入高含水阶段，注水量大幅上升，当前的管网系统不能满足油f f l 生产的 需要，进行管网改造刻不容缓，并且改造要兼顾效率与成本因素；由于油田注水管网系 统庞大，节点及站点、管线数目的众多，很难仅利用建立数学模型实现对注水管网系统 的优化改造。针对这种问题，目前有两种解决的方式，一种是利用油田注水管网专家改 造系统，这种系统整合利用了仿真技术、优化设计及生产管理领域专家技术经验，取得 了比较好的经济效益；另外一种是利用计算机模拟技术来模拟仿真注水管网的实际运行 情况1 3 0 j ，根据模拟检测出的区域节点数据来反演计算管网改造的各项工程参数。 第一章绪论 1 3 2 天然气管网优化方面的研究 天然气管网的优化方面有很多值得注水管网可以借鉴的，输送介质及中间站功能的 不同是天然气管网与注水管网的最大区别，但是两种管网方式的布局优化方式是相当接 近的，天然气管网的布局结构多为复杂树枝状输气管网系统，同样注水管网也是树枝状 结构。天然气管网布局优化是基于天然气管网集输及最优化理论，考虑到对整个管网系 统建立数学模型是十分复杂的甚至是不可能的，因此采用分级优化的策略，分别对天然 气管网优化的三个子问题布局优化、参数优化、方案优选建立各自的数学模型【_ ，然后 进行求解。 结合图论的相关知识，可以将天然气管网布局优化问题看作是无向网络，相对应的 无向网络中的点、边、权即为天然气管网中的站点、站点间的管线、管线的长度，得到 无向网络的最小生成树即得到了天然气管网的最终优化布局。关于最小生成树问题，多 年来进行了大量的研究，在很多实际工程中都有应用，比如说城市光缆铺设问题。最小 生成树求解的方法比较多，最常用的是d i j k s t r a 算法。油田注水管网参数优化中建立的 数学模型中有不等式约束，并且涉及到连续变量与不连续变量，常用的是遗传算法结合 惩罚函数的计算方法。对于油田注水管网整体方案的优选涉及到的因素比较多，比如说 管径、壁厚等，还有一些经济指标，常用的方案优选方法为灰色矩阵法【8 j 。 天然气管网优化研究是复杂的系统工程，涉及到相关的多个学科，将天然气管网作 为一个整体建立数学模型十分困难，将其分解为三个子问题分别建立数学模型，最后得 到整体最终优化结果，这是油田注水系统优化应该借鉴的重要方面。 1 3 3 油气集输管网优化方面的研究 国内外对油气集输管网优化方面的研究比较多，有大量可以参阅的文献和借鉴的经 验。油气集输系统是油田地面工程的五大系统之一，同石油钻井中的套管柱一样，其投 资巨大，主要表现在：( 1 ) 管网的造价，管网主要有各种输油、输气管道组成，管材费 用高达每公里数万元【9 】。有时候为了防腐等，还需要特种输气管，特别是对于长距离管 网来说，管网的造价非常高。( 2 ) 中间站的造价，在长距离管网中，为了满足工业需求 和油料的安全、快速输送，需要有大量的处理站、计量站和转油站等，这部分造价也非 常高。( 3 ) 集输管网的运行费用，集输管网能耗非常高，虽然现在对于能耗方面的研究 很多，但是运行费用始终占有很高的比例。 目前多站式集输流程在各大油气田中的应用比较广泛，其基本流程为油井中产出的 物质经计量站、联合站、转油站等环节处理后最终输送到油库保存。以往的研究中将油 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 气集输的研究都将管网的形态分为树状和环状两种拓扑形式进行介绍，整个优化过程包 括确定管网级数、管站连接关系，站的几何位置；无论树状管网还是环状管网，都需要 考虑相互连接的管网管线的造价情况，管网造价一般占整个系统的5 0 8 0 ，因此为降 低整个油气集输管网的造价对集输管网系统进行拓扑优化、几何优化是十分必要的；管 网优化步骤即首先将集输管网进行分级，在各级根据各个约束条件抽象出数学模型，利 用数学优化方法对各级模型进行求解运算，过程就是先确定各油井隶属关系，然后确定 各中问站的位置，最后确定管网的布局及主要参数【9 , 1 0 】。油气集输管网的优化对于本论 文的研究工作同样具有一定的借鉴和指导意义。 1 3 4 供给水管网优化方面的研究 给水管网理论在给水计算时数学模式的应用是很广泛的，这些模式同样可以应用到 注水管网的优化计算中。 在给水管网中各部分组成关系密切的线形图，图由顶点和弧组成，配水源和节点即 为线形图的顶点，管段即为线形图中的弧线，节点和弧线都可以表示变量、流量或者是 水头损失，由于水的流动具有方向性，因此线形图也是一种具有方向的有向图，线形图 可以用数学模型来描述管网的各部分如节点或者弧的信息，模型的求解就是来表达这种 信息，研究可知数学中的矩阵方法是表达管网性质最有效的工具f 1 1 】，因此用矩阵来表示 管网的性质。 随着全球用水量的增加，水源缺乏问题日渐引起城市人们的重视，为了保证城市用 水中的浪费最少，人们急需一种优化方法或者是改造方式解决城市供水方面的水资源浪 费问题，为解决这个问题提出了一种方案即将城市中的水压调成到一个适当的水平，研 究文献可知，利用网格缩聚法和二级控制结构可以实现这种方案，在网格缩聚法和二级 控制结构中的第一级是确定控制点，控制点的确定是利用非线性优化的方法，同时需要 确定出一种技巧来求解压力及流量方程：第二级是对控制点进行反馈控制，缓解各阶段 计算中误差及消耗量的变化：这种方法仅对流量小、压力适中且泵站数较小的情况比较 适应，且不需要确定泵站的开泵台数及启泵方案【1 1 , 1 2 】。方法跟油田注水管网的油田改造 技术十分相像，论文中所研究的注水管网优化中包括管网参数优化问题，优化问题可以 在供给水管网理论和计算中借鉴。 1 4 本文的研究目标及主要内容 1 4 1 研究目标 第一章绪论 油田地面注水系统是由水源、注水井、配水站、注水站及管网系统构成的。这些系 统有机组合形成注水系统工程的整体。目前现有的研究中对地面注水管网的研究有限， 仅有的研究主要集中注水能耗分析方面，正是基于此本文开展基于复杂地形条件下的注 水管网的优化研究。 本文主要研究地面注水系统，首先采用区域划分的方法，根据站的约束条件将整个 注水区域划分为若干子区域即首先假定出注水站数量，然后根据油田子区块位置分布及 注水井点分布情况等条件来确定注水站、配水问实际位置及注水管网的规模和布局方 式、确定管道的参数，实现了注水管网的优化设计。另外在整个御局优化过程中系统多 方面考虑障碍物的影响，目的是进一步降低地面注水系统的造价，提高整体的规划设计 水平。 1 4 2 研究内容 地面注水系统的规划设计主要解决以下问题： ( 1 ) 障碍物的定义、分类及绕障算法的确定 采用多边形逼近法近似表示障碍物，研究过程中将障碍物提取成凸多边形，充分考 虑管线与障碍物的位置关系，分别利用线探索的方法及避障遗传算法确定绕障路径及避 障距离。 ( 2 ) 注水站数量的优化 由于油田各区域分别建站的规划需要和注水量的不平衡性，实际注水系统中根据需 要将离散的注水井群划分为几个不同的注水站来提供注水井的注水量。采用c 均值聚类 方法将油田注水区域分为n 个子区域，每个注水子区域都为单站注水，即首先假定注水 站的数量。 ( 3 ) 注水管网的拓扑布局优化 a 、注水井隶属关系的确定及配水i b j 、注水站位置的选定，根据注水井的分布、数 量、压力及配注量，建立注水井划分的数学模型，确定井号最佳隶属情况；以注水井到 配水问之问的管网总费用为目标函数，优选配水间的位置；利用配水间位置初选注水站 的位置，继而二次优化注水站，确定注水站位置。 b 、注水管网的总体布局优化，注水管网的拓扑结构确定后，需要确定管网中管线 的连接走向和相关运行参数；以注水站到各配水问之间的管线费用最省为目标函数，建 立布局优化数学模型，确定注水管网中的最优布局位置。 ( 4 ) 注水管网的参数优化 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 确定各注水管网中管线的管径、壁厚，保证在满足管线工艺及压力条件要求下，以 注水管网系统中管网总投资费用最省为目标函数，建立注水管网参数优化的数学模型， 实现对注水管网管段的参数求解。 1 4 3 拟解决主要问题 ( 1 ) 优选避障算法。 选择适用于油田注水管网优化的避障算法，将障碍对管网的影响这一因素引入到注 水管网的规划设计中，确定障碍的类型及描述方法后，分别研究不同的避障算法，然后 利用各个算法对同一地区障碍物进行研究，对避障路径进行比较，得出最优的避障算法。 ( 2 ) 注水管网优化模型的建立及求解。 将注水管网的优化分解为注水站数量优化，注水管网拓扑布局优化及注水管网参数 优化三个方面，各级建立相应的数学模型，将避障算法耦合到各个模型中，分别采用有 效的数学优化方法进行求解。 ( 3 ) 油田注水优化软件的编制。 借鉴软件工程学的方法，利用c + + b u i l d e r 编制油田注水系统优化软件，利用油田 注水系统优化软件实现注水管网的优化研究，最终确定注水管网的最优运行参数。 7 第二章障碍的定义及绕障算法的优选 第二章障碍的定义及绕障算法的优选 在注水管网优化的过程中应始终考虑障碍的影响，也就是说自始至终都需要障碍加 以考虑，以前仅依靠经验及现场直觉对数据进行处理及试算，验证数据是否满足约束条 件，做法具有很大的局限性并且无法保证计算结果的最优或是近似最优。如图2 1 所示， 如果不考虑村庄、高地等障碍的影响，图2 1 中虚线框中及外部的井点之问聚合程度很 好，但是由于障碍的存在，井点问的聚合程度就会发生改变，进一步会影响井组的划分 结果。障碍物的存在会影响管线的铺设，井点f d j 的管线长度及造价都会发生改变，因此， 在井组划分时要考虑障碍物的影响，用绕障后的距离代替井点间的直线距离更符合工程 实际。 井位站 厂 图2 - 1障碍物与注水井位置图 f i 9 2 1 t h el o c a t i o n so fo b s t a c l ea n di n j e c t i o nw e l l s 障碍对于管网的影响是多方面的，它不仅影响中间站的位置、井组的划分，而且对 于管线的走向甚至管网的参数都存在影响，因此只有在整个系统考虑障碍影响，才能使 系统达到与实际更加相符的优化效果。相对于某个地形复杂的工程项目，在给定地理信 息的条件下，首先利用地理信息系统提取整个优化区域内的障碍数据，确定障碍物的坐 标、类型，然后对障碍物进行整理、分类，最后输入障碍物坐标利用程序实现对障碍的 描述。 2 1 障碍的描述及其性质的定义 2 1 1 障碍物的描述 初等函数叠加法 将一系列简单的初等函数叠加在一起近似描述障碍物。 多边形逼近法 多边形来近似描述障碍物，如果边数越多就能越好的逼近障碍物，在此种方法中需 中国扛油大学( 华东) 硕上学位论文 要给出顶点及边的相关信息。 2 1 2 对障碍性质的定义 可穿越障碍：借助于工程手段，这种障碍可以穿越，选择何种穿越策略，需要根 据穿越成本的大小来选择； 不可穿越障碍：采取工程措施或者客观条件不允许，无法穿越的障碍； 定向穿越障碍：采用规定的手段才能穿越的障碍； 其中可穿越障碍与定向穿越障碍需要考虑比较穿越障碍成本，使成本在要求的穿越 条件下达到最低【l o 】。 2 1 3 穿越障碍的优化方法 交互式穿越障碍优化方法 在实际工程中，有许多的设计细节无法模型化。交互式穿越障碍方法借助于计算机 的快速计算能力，通过某种技术指导穿越障碍，利用计算机反馈的避障后的参数如水力、 热力、成本等数据进行下一步决策，直至得到满意的避障方案。 自动穿越障碍优化方法 当对所越障碍区的附加成本分布情况较清楚时，可采用自动穿越障碍优化方法。 w 肚= k 【l + f p ( x ，y ) d s ( 2 1 ) jp 2 i 式中，评价函数； s 点( x ”，y 9 ) 至点( k ，儿) 之间的路径； k 常系数； h 障碍区块数； ，第p 个障碍区的惩罚函数，存在性质如下：如果在第p 个障碍区的边界 上，的值为零，如果在障碍区的内部，厶值为越障碍附加成本。 在上述两种避障优化方法中，交互式穿越障碍优化方法虽然解决了避障问题，但不 能很好的体现障碍对于整个布局优化方面的影响，自动穿越障碍优化方法的应用要求相 对要低，但在保证数据完整的条件下，很难确定出厶的值，并且厶的函数表达形式在不 同的情况并不一样。 2 1 4 障碍物的简单分类 9 第- 二章障碍的定义及绕障算法的优选 根据不同的分类标准，障碍物存在不同的分类方式。根据障碍物的本身是否能穿越 及工程技术特点可以分为可穿越及不可穿越障碍物。按障碍形状可以分为凸多边形障碍 ( 所有定点转向均是顺时针或者逆时针) 和凹障碍物( 顶点转向不一致) 。本文仅研究 如何绕过凸多边形障碍物，凹多边形近似处理为圆形，穿越方式与障碍物形状、本身特 性有直接的关系，绕障方式的选择标准一般为工程成本最小或者管线距离最短。 2 2 线探索避障算法介绍 所谓线探索避障算法就是管线在于障碍有交点的情况下采取何种绕障方式，它主要 涉及到点面位置关系及线段相交理论。 2 2 1 管线遇障碍物位置关系的判定 判断最优绕障方式需要先判断管线与障碍物是否有交点。无论哪种形状的障碍物， 直线方程都可以来表示，而不同排列方式的直线方程代表不同类型的障碍。所以，可以 利用判断两条线段有没有交点来确定管线与障碍物是否存在交点。判断两条线段是否有 交点可以先判断两条直线是否有交点，它可以通过二元一次线性方程组求解来实现，如 果两条直线有交点，进一步判断交点是否在线段上即可以得出两条线段是否有交点【1 3 】。 如图2 2 ( a ) 中所示，线段a b 、c d 有交点，a b 两点位于线段c d 的两侧，并且 c d 两点位于线段a b 的两侧是两线段有交点的充分必要条件，否则的话，两条线段没 有任何交点( 如图2 2 ( b ) ) 。判断管线与障碍物有没有交点可以转化为判断两条线段有 没有交点的问题