油田地面工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)論

侯桂華

油田地面工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)論

黃輝1任曉光2侯桂華1

1中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院2中國石化國際石油勘探開發(fā)公司

規(guī)劃設(shè)計(jì)是油田地面工程建設(shè)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，在保證油田生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益等方面起著不可忽視的作用。油田規(guī)劃設(shè)計(jì)涉及到諸多工程技術(shù)，是一個(gè)系統(tǒng)工程。因此，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，要充分運(yùn)用系統(tǒng)論的思想和方法對地面工程組成進(jìn)行研究、分析、評價(jià)并不斷優(yōu)化，把各部分有機(jī)結(jié)合起來，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，才能達(dá)到最佳效果。

油田地面；規(guī)劃設(shè)計(jì)；系統(tǒng)論；應(yīng)用；優(yōu)化

規(guī)劃設(shè)計(jì)是油田地面工程建設(shè)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，在保證油田生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益等方面起著不可忽視的作用。因此，注重規(guī)劃設(shè)計(jì)方法有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。油田規(guī)劃設(shè)計(jì)涉及到諸多工程技術(shù)，是一個(gè)系統(tǒng)工程。因此，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，要充分運(yùn)用系統(tǒng)論的思想和方法對地面工程組成進(jìn)行研究、分析、評價(jià)并不斷優(yōu)化，把各部分有機(jī)結(jié)合起來，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，才能達(dá)到最佳效果。

1 系統(tǒng)論的觀點(diǎn)

“系統(tǒng)”一詞源自古希臘語，其涵義是由部分構(gòu)成整體。系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互作用的若干要素組成的，是具有一定功能的有機(jī)整體。在一個(gè)系統(tǒng)中，一定有2個(gè)以上的要素存在，這些要素按一定規(guī)則組合成具有整體功能的復(fù)合體，即系統(tǒng)。系統(tǒng)論是對客觀現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所具有的共同的特征、本質(zhì)、原理和規(guī)律開展研究的科學(xué)，其最突出的特點(diǎn)是從全面、連貫、動態(tài)的角度看問題[1]。而系統(tǒng)方法是指利用系統(tǒng)科學(xué)的理論和觀點(diǎn)去研究自然、社會和人類活動等，把研究對象放在系統(tǒng)的形式中，從整體和全局出發(fā)，分析系統(tǒng)與要素、要素與要素之間，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能以及系統(tǒng)與環(huán)境的對立統(tǒng)一關(guān)系中，對其進(jìn)行分析研究，使之達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)的一種科學(xué)方法[2-3]。

2 應(yīng)用

油田地面工程規(guī)劃設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大型的復(fù)雜的規(guī)劃設(shè)計(jì)活動，從其內(nèi)涵看，既有油氣集輸與處理、污水處理與注水，又有供配電、給排水、道路、自動化和通信等公用系統(tǒng)，既有整個(gè)油田的總體布局，又有各類站場、管線或單項(xiàng)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)。從其外延看，既有近期的實(shí)施規(guī)劃設(shè)計(jì)，又有遠(yuǎn)期的宏觀規(guī)劃，既要考慮到油田經(jīng)濟(jì)效益，又要考慮環(huán)境效益、社會效益。它不僅自成體系，而且與油田環(huán)境、周邊社會等有著千絲萬縷的聯(lián)系。因此，要從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，引用系統(tǒng)科學(xué)的方法，研究地面工程規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)部各要素之間的相互聯(lián)系和制約條件，對其各要素按一定的目的價(jià)值進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 以整體性為原則

整體性原則是系統(tǒng)方法的首要原則，也是油田地面工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)。在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)如果將各專業(yè)、各單體之間簡單地進(jìn)行研究、獨(dú)立優(yōu)化，然后再機(jī)械地組合起來，整個(gè)規(guī)劃設(shè)計(jì)并不一定能達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)。因此必須從系統(tǒng)全局出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化，才能達(dá)到最好的效果。

方案的整體優(yōu)化是規(guī)劃的關(guān)鍵，在保證滿足油田生產(chǎn)的條件下，整體優(yōu)化應(yīng)著重考慮技術(shù)優(yōu)化和投資優(yōu)化[4]。如油田的總體布局，根據(jù)原油物性首先進(jìn)行集輸工藝流程的優(yōu)化，在進(jìn)行站場的布置時(shí)，不僅考慮到原油的水力、熱力條件、井位的布置等油田開發(fā)條件等，還要綜合考慮供電、道路等公用工程，應(yīng)進(jìn)行綜合的工程投資及運(yùn)行費(fèi)用的比較。

從規(guī)劃設(shè)計(jì)程序上來講，通常包括基礎(chǔ)資料收集，即首先了解本油田和相關(guān)油田的近、遠(yuǎn)期開發(fā)規(guī)劃和油藏特征，應(yīng)有可靠的油藏工程、鉆井工程、采油工程的設(shè)計(jì)方案或規(guī)劃，應(yīng)了解國家和地方政府對油氣產(chǎn)品的運(yùn)輸、加工銷售政策、價(jià)格政策，以及油氣的外運(yùn)方式及運(yùn)輸目的等；根據(jù)開發(fā)方案所預(yù)測的產(chǎn)能曲線，確定建設(shè)規(guī)模及建設(shè)分期；油田的總體布局及各專業(yè)工藝流程的選擇、工藝計(jì)算、設(shè)備選型、工程量計(jì)算；投資估算與經(jīng)濟(jì)評價(jià)等，這些工作的合理與否，直接決定了規(guī)劃設(shè)計(jì)的好壞。因此，必須堅(jiān)持整體統(tǒng)一的原則，每個(gè)環(huán)節(jié)都能保證質(zhì)量，才能得到最佳的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

從規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)容上看，地面工程設(shè)計(jì)包括油氣集輸、污水處理、注水、供配電、自控等諸多工程系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間密切聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)非常復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，各系統(tǒng)之間的參數(shù)輸出、輸入復(fù)雜，既不是簡單的串聯(lián)也不是并聯(lián)，并且有些單元之間無明顯的界限，各系統(tǒng)之間互相聯(lián)系，互相制約。例如，集輸系統(tǒng)與機(jī)采系統(tǒng)、采出水處理系統(tǒng)與注水系統(tǒng)、供熱供電系統(tǒng)等都存在著密不可分的關(guān)系。一是集輸系統(tǒng)的邊界條件井口回壓的高低，與機(jī)采系統(tǒng)的動力消耗、采油井況、熱系統(tǒng)等有直接關(guān)系。通常井口回壓決定了地面集輸半徑，提高井口壓力，在地面集輸系統(tǒng)中可減少接轉(zhuǎn)站數(shù)量，節(jié)省投資，但油井舉升能耗要增加；對于摻水集輸流程，為保證摻水順利進(jìn)行，井口回壓越高，摻水泵工作壓力越高，摻水泵耗電增加。二是集輸系統(tǒng)分出的采出污水的輸出（壓力、流量），通過采出水處理系統(tǒng)又變?yōu)樽⑺到y(tǒng)的輸入。三是集輸系統(tǒng)的熱源和動力源分別來自供熱及供電系統(tǒng)，同時(shí)集輸系統(tǒng)總體布局的確定，也對供熱和供電有著較大的影響。因此，把各系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)工程，綜合考慮其能量、質(zhì)量傳遞過程，才會取得能量合理利用的最佳效果，以取得較好的總體效益。

2.2 以動態(tài)性為引導(dǎo)

系統(tǒng)方法把對象視為動態(tài)的活動系統(tǒng)，無論是系統(tǒng)的要素之間，還是系統(tǒng)與環(huán)境之間的聯(lián)系都是隨時(shí)間發(fā)生變化的[5-6]。隨著社會的不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)在不斷進(jìn)步，新技術(shù)和新設(shè)備層出不窮。例如，近幾年多相混輸增壓技術(shù)在油氣集輸系統(tǒng)的成功應(yīng)用，擴(kuò)大了集輸半徑，改變了多年來油田集輸系統(tǒng)布局模式。地面工程規(guī)劃設(shè)計(jì)者要開闊思維，具有創(chuàng)新意識，要對工藝、設(shè)備、自動化及計(jì)算機(jī)輔助管理等知識不斷更新，才能提高規(guī)劃設(shè)計(jì)水平。

隨著油田的不斷開發(fā)尤其是滾動開發(fā)，油田的實(shí)際生產(chǎn)情況和最初的規(guī)劃會不可避免地出現(xiàn)差異，如油田的產(chǎn)量、油品性質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)等也會有所不同；另一方面，隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，這些數(shù)據(jù)也會隨之發(fā)生變化。規(guī)劃設(shè)計(jì)要有靈活性和兼容性，要有發(fā)展和擴(kuò)建的能力。在進(jìn)行方案優(yōu)化時(shí)，不僅要從投資和運(yùn)行費(fèi)用兩大方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，也要考慮系統(tǒng)在不同情況下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行細(xì)節(jié)。工藝流程及設(shè)備的匹配要靈活，要有充分的調(diào)節(jié)余地，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)保持最優(yōu)狀態(tài)。

規(guī)劃，特別是大的中長期規(guī)劃，由于種種主觀和客觀原因，在貫徹執(zhí)行的過程中往往發(fā)現(xiàn)其中某些不完善的地方，因此，必須考慮在執(zhí)行過程中便于作適當(dāng)?shù)男拚?、調(diào)整，以保持動態(tài)化。較短期的油田產(chǎn)能建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)，往往是隨著開發(fā)方案的不斷深入，對油田的認(rèn)識越加清楚，也存在著地面工程的邊界參數(shù)及相關(guān)條件的變化，也應(yīng)該根據(jù)新的變化情況重新對方案進(jìn)行核實(shí)及調(diào)整。

2.3 以最優(yōu)原則為基本目標(biāo)

最優(yōu)原則是系統(tǒng)方法的目的和要求，是指在運(yùn)用系統(tǒng)方法解決實(shí)際問題時(shí)，從多個(gè)可能的方案中選擇出最佳的方案，使系統(tǒng)功能處于最優(yōu)狀態(tài)。

在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，有很多需要協(xié)調(diào)的矛盾，不可能做到多個(gè)目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，只能是綜合考慮各個(gè)影響因素，做好統(tǒng)籌的協(xié)調(diào)和平衡，達(dá)到綜合效益最大。如在進(jìn)行總體布局時(shí)，應(yīng)根據(jù)油藏特點(diǎn)、開發(fā)井的分布及自然條件等情況，以油氣集輸為主體，統(tǒng)籌考慮注水、采出水處理、給排水，以及消防、供配電、道路等。在聯(lián)合站選址時(shí)，既要考慮服從油田開發(fā)的大局，又要考慮周邊的環(huán)境條件及配套情況；規(guī)模設(shè)計(jì)既考慮到留有一定的余量，具有一定的可擴(kuò)性和適應(yīng)性，又要考慮適當(dāng)，不要造成浪費(fèi)；計(jì)量站、接轉(zhuǎn)站的布置應(yīng)盡量擴(kuò)大集輸半徑，又要考慮油井的合理回壓及采用混輸增壓的可行性等；站內(nèi)布置時(shí)既要滿足工藝、物流、管網(wǎng)的要求，又要盡可能少占土地；在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮到流程順暢，又要考慮到操作方便；在自控系統(tǒng)選擇時(shí)，既要考慮到技術(shù)的先進(jìn)性，又要考慮到經(jīng)濟(jì)性。如果不處理好這些關(guān)系，顧此失彼，雖然可能個(gè)別子目標(biāo)的成果明顯，但綜合效果未必最優(yōu)。而最優(yōu)原則追求的是整體的最優(yōu)目標(biāo)，綜合考慮各方面因素，適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性是終極目標(biāo)。

3 實(shí)例分析

近幾年來，油田地面工程的環(huán)境越來越復(fù)雜，更凸現(xiàn)出采用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的必要性及顯著效果。

如某油田產(chǎn)能建設(shè)地面規(guī)劃設(shè)計(jì)，從整體經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，優(yōu)化了管理體制、減少了地面工程量而使投資大大降低。兩個(gè)新建產(chǎn)能區(qū)塊分屬油田的兩個(gè)不同二級單位管理，最初的規(guī)劃方案是按兩個(gè)二級單位的開發(fā)方案，分別設(shè)計(jì)了兩套地面系統(tǒng)。其中一個(gè)區(qū)塊在現(xiàn)有基礎(chǔ)上擴(kuò)建摻水接轉(zhuǎn)站、新建摻水管線、改造脫水站，擴(kuò)建高效分水器3臺，3000m3罐3座。另一區(qū)塊則新建聯(lián)合站1座，摻稀油脫水工藝，修復(fù)和新建DN273mm、DN219mm和DN159mm摻稀油管線約23km；新建外輸油管線建摻稀油管線DN323.9mm和DN273mm管線長約22km。地面建設(shè)提出兩個(gè)區(qū)塊統(tǒng)一建設(shè)、整體優(yōu)化的方案，優(yōu)化后僅需擴(kuò)建摻水接轉(zhuǎn)站和擴(kuò)建脫水站，減少新建聯(lián)合站1座、減少50%的摻水和集輸管線，減少投資23.9%，約1億元人民幣。

另一個(gè)近幾年開發(fā)建設(shè)的油田，在初期建設(shè)的計(jì)量接轉(zhuǎn)站的實(shí)際處理液量為設(shè)計(jì)負(fù)荷的8.57%～48.05%。4座摻水計(jì)轉(zhuǎn)站設(shè)計(jì)進(jìn)站閥組分別為18、13、18及15口井，而實(shí)際井?dāng)?shù)分別為10、5、8及7口井，實(shí)際數(shù)量不足設(shè)計(jì)的50%。單從地面規(guī)劃設(shè)計(jì)方面分析是合理的，也是符合現(xiàn)行規(guī)范的。設(shè)計(jì)規(guī)模符合率偏低的主要原因是滾動開發(fā)油田，在早期做開發(fā)方案時(shí)，對地下情況的認(rèn)識存在一定的局限性，導(dǎo)致開發(fā)方案產(chǎn)量預(yù)測偏高，使得地面工程建設(shè)規(guī)模的不確定性增大。因此在后期的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，吸取了經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了該油藏開發(fā)產(chǎn)量遞減快，含水上升慢等特點(diǎn)。在站的布局、規(guī)劃設(shè)計(jì)方面充分考慮了該油藏開發(fā)的特點(diǎn)，使設(shè)計(jì)規(guī)模的符合率達(dá)到了85%以上。

4 結(jié)語

一個(gè)優(yōu)秀的油田地面工程規(guī)劃設(shè)計(jì)往往會對油田的持續(xù)發(fā)展，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益起著主要的作用。并且油田地面工程規(guī)劃設(shè)計(jì)涉及的面廣，具有一定的復(fù)雜性，在進(jìn)行這項(xiàng)工作時(shí)，必須站在系統(tǒng)的高度，從整體上研究和解決問題，綜合考慮相關(guān)因素，以創(chuàng)造性和前瞻性的理念，進(jìn)行分析、論證、規(guī)劃設(shè)計(jì)，作出整體最優(yōu)的方案，以使油田開發(fā)效益的最大化。

[1]汪應(yīng)洛．系統(tǒng)工程理論、方法與應(yīng)用[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[2]王連成．工程系統(tǒng)論[M]．北京：中國宇航出版社，2002．

[3]呂志良．運(yùn)用系統(tǒng)論信息論優(yōu)化論方法做好石油規(guī)劃設(shè)計(jì)[J]．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，1994（5）：24-26.

[4]周興熙．油氣成藏作用與系統(tǒng)論[J]．石油勘探與開發(fā)，2004（8）：5-10.

[5]馮秋紅．系統(tǒng)科學(xué)方法在工廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2007（8）：1-3.

[6]侯新錄．系統(tǒng)論在工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．系統(tǒng)辯證學(xué)學(xué)報(bào)，2004（10）：106-108.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.032