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油藏经营生产决策研究 徐东生( 企业管理) 指导教师：刘清志( 教授) 摘要 目前我国大部分油田已进入开发中后期，它们面临技术、经济、政 治等各方面的问题。如何保持稳产，满足国家经济发展对石油产量的需 求；根据油田自身动态变化规律确定开发方案；以最低的成本获得最大 的产量，即追求油田自身效益最大化。这三个方面的问题正是油田开发 规划所面临和需要解决的关键问题，所以目前各大油田都将油藏经营生 产决策放在非常重要的位置。 在本论文的研究过程中，综合运用石油技术经济学、运筹学、系统 工程学等理论，通过对国内外各石油公司油藏生产决策方法进行比较研 究，在油田现有油藏决策体系的基础上，分析决策过程中存在的问题。 依据某油田历史数据，从开发评价和经济评价两个方面建立了油田经营 决策评价体系，并进行油藏经营生产效益分析，包括油气生产经济产量 分析和油气生产成本费用分析。建立老井产量、增产措施产量和新井产 量的经济产量模型，同时利用最优化原理，在分析“决策变量”、“目标” 及“约束条件”的基础上建立油田生产决策的三个优化模型，包括产量 分配优化模型、措施产量优化模型和油田总产量优化模型，并结合某油 田具体数据进行模拟运算。 关键词：油藏经营，生产决策，优化，研究 r e s e a r c ho np r o d u c t i o nd e c i s i o n o fo i lr e s e r v o i r m a n a g e m e n t x u d o n g s h e n g ( e n t e r p f i s em a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i u q i n g - z h i a b s t r a c t a tp r e s e n tm o s to fo i lf i e l d si no u rc o u n t r ye n t e r e dt h em i da n dl a t e d e v e l o p m e n tp a r t ，t h e yf a c e dw i t hq u e s t i o n si nv a r i o u sa s p e c t s s u c ha s t e c h n o l o g y , e c o n o m y , p o l i t i c sa n ds oo n h o wt om a i n t a i nt h es t a b l e p r o d u c t i o n , s a t i s f yt h es t a t ee c o n o m yd e v e l o p m e n tt ot h ep e t r o l e u mo u t p u t d e m a n d ；h o wt od e t e r m i n et h e d e v e l o p m e n tp l a na c c o r d i n gt o t h e d y n a m i ct r a n s f o r m a t i o nr u l eo ft h eo i lf i e l d ；h o wt oo b t a i nt h eg r e a t e s t o u t p u tb yt h el o w e s tc o s t , p u r s u et h em a x i m u mb e n e f i t t h e s et h r e ea s p e c t q u e s t i o ni sp r e c i s e l yt h ek e yq u e s t i o nw h i c ht h eo i l - f i e md e v e l o p m e n tp l a n f a c e sa n dn e e d st os o l v e ，t h e r e f o r ep r e s e n te a c hb i go i lf i e l da p r o d u c t i o n d e c i s i o n w i l lp l a c et h ee x t r e m e l yi m p o r t a n t p o s i t i o n t h i sa r t i c l es y n t h e s i su t i l i z a t i o np e t r o l e u mt h e o r i e sa n ds oo nt e c h n i c a l e c o n o m i c s ，o p e r a t i o n s 增s e a r c l l ，s y s t e me n g i n e e r i n g t h r o u g hc o n d u c tt h e c o m p a r i s o nr e s e a r c ht o t h eo v e r s e a sv a r i o u s p e t r o l e u mc o m p a n yo i l r e s e r v o i rp r o d u c t i o nd e c i s i o nm e t h o d i nt h eo i lf i e l de x i s t i n go i lr e s e r v o i r d e c i s i o ns y s t e mf o u n d a t i o n , t h eq u e s t i o nw h i c hi nt h ea n a l y s i sd e c i s i o n p r o c e s se x i s t s t h eb a s i so i lf i e l dh i s t o r yd a t a , h a se s t a b l i s h e dt h eo i lf i e l d m a n a g e m e n td e c i s i o na p p r a i s a ls y s t e mf r o mt h ed e v e l o p m e n ta p p r a i s a la n d t h ee c o n o m i ce v a l u a t i o nt w oa s p e c t s ，a n dh a sc a r r i e do nt h eo i lr e s e r v o i r m a n a g e m e n tp r o d u c t i o nb e n e f i ta n a l y s i s m a i n l yi n c l u d e st h eo i lg a so u t p u t i i i a n a l y s i sa n dt h eo i lg a sp r o d u c t i o nc o s te x p e n s ea n a l y s i s e s t a b l i s h e st h e o l dw e l lo u t p u t , t h em e a s u r eo u t p u ta n dt h en e ww e l lo u t p u te c o n o m i c a l o u t p u tm o d e l ，s i m u l t a n e o u s l yu s e st h eo p t i m i z e dp r i n c i p l e ，e s t a b l i s h e do i l f i e l dp r o d u c t i o nd e c i s i o n - m a k i n gt w o t h eo p t i m i z e dm o d e l ”，i n c l u d i n gt h e o u t p u ta s s i g n m e n to p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h em e a s u r eo u t p u to p t i m i z a t i o n m o d e la n du n i f i e ss o m eo i lf i e l dc o n c r e t ed a t at oc a r r yo nt h es i m u l a t i o n o p e r a t i o n k e yw o r d s ：o i lr e s e r v o i rm a n a g e m e n t p r o d u c t i o nd e c i s i o n , o p t i m i z a t i o n , r e s e a r c h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：红 珈 年1 1 只2 y 黾 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 妞么 焦 i i 盐虹渤1 年“ 月巧日 月侈日 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 第1 章前言 油田开发生产决策是指在油网开发进入递减期后，为了延缓产量递 减、成本上升、保持产量相对稳定而采取的相应措施。近年来随着国内 大多数油田进入开发中后期，特别是东部油田，开发成本呈直线上升的 趋势，开发形式越来越严峻，且石油可开采储量也逐渐减少，寻求新的 可开采油田或合理地、充分地、有效地开采老油田已显得越来越迫切。 并且由于石油的不可再生性及总储量的有限性，给油田设计个最有效 的开发生产决策方案从而提高最终采收率就显得尤为重要。 油田开发生产决策的目标就是实现利润的最大化，而要实现利润最 大化就必须尽可能提高油气的采收率和降低生产的作业成本，其实质就 是尽可能多产油气，增加经济效益。当前越来越多的油气田采用先进、 高效的开发管理方法，对开发、生产过程中产生的庞大数据运用最新的 油藏理论、有效的数学工具、先进的计算机及数据库技术进行优化处理， 将这些数据转换为决策信息，用于指导油田生产开发，从而降低生产投 入，获得更大的经济回报，仓造更好的产品与效益，与世界大油气田相 竞争。 开发规划所面临的第一大问题是降低成本，确保稳产，使其自身效 益最大化。油田目前可采取的措施主要有压裂、酸化、大修、补孔、下 大泵、下电泵、卡堵水等措施。各项措施的投入量随其对应费用、工作 量及开发动态规律而变化，优化各项措施的投入量，也即如何分配各项 措施，才能使全油田或采油厂既完成产量任务，成本尽可能低，效益尽 可能好，又要满足开发动态变化规律，实质上就是要优化各项措施对应 的费用和工作量。油田或采油厂在给定的目标条件下如何将产量最优分 配至各采油厂和区块，解决这一系列问题的关键是要制定科学合理的 “油藏生产决策方案”。本文按照以效益为中心的思路，结合产量任务 进行油田开发生产决策的研究，提出一系列优化方案，对油田开发生产 决策起到一定的指导作用。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 论文的选题背景及意义 随着由计划经济向市场经济过渡在各大油田的推进进程，油田体制 与机构改革的完善，国外油公司先进的油藏经营管理理念的引入，油田 将从过去的以完成“计划任务”向着追求自身的效益过渡。即如何提高 油田的效益是现在及今后各大油田面临的最主要的问题。而解决这一问 题的关键就是如何制定科学合理的“油田开发生产决策方案”。 开发生产的目标就是效益，影响油田效益的因素是产量、投资、油 价及开发成本。油价不是油田自身决定的，所以油田开发规划的主要目 标就是降低开发成本。 经过一百多年的石油资源开发，一些大、中型、浅层易于开发的油 气藏大都已动用，随着勘探、开发技术的不断加强，一些小型化、深层、 低渗、高粘度等油藏摆在了石油工作者的面前。另一方面，世界经济发 展，人口大量增加以及近1 0 年来世界石油需求的猛增，使国际石油界 认识到现代油藏经营管理的价值和重要性，并认为油藏经营管理是上游 油气田发展的主要策略、途径和方法。 油藏生产决策是指在油田开发进入递减期后，为了延缓产量递减、 成本上升、保持产量相对稳定而采取的相应措施。目前，国内大多数油 田已进入开发中后期，特别是东部油田，开发成本呈直线上升趋势，开 发形式越来越严峻。为了降低成本、确保稳产，使油田自身效益最大化， 有必要根据油田自身动态变化规律制定科学合理的开发策略。因此，油 藏生产决策是油田开发过程中一项非常重要的工作。 本文综合运用石油技术经济学、运筹学、系统工程学等理论，通过 对国内外各石油公司油藏生产决策方法进行比较研究，在油田现有油藏 决策体系的基础上，分析决策过程中存在的问题，提出用线性规划研究 油田开发生产的产量分配问题；建立采油厂配产多种决策模型，分别按 照产量分配和措施产量进行建模，并针对实例进行数据的模拟运算得出 工作量及最优值。模型具有良好的应用性，对生产决策具有很大的指导 意义。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 论文的主要研究内容 目前油田和各采油厂在生产决策过程中还存在很多问题，本文总结 目前油藏经营生产决策的两种思路( 整体思路、分块优化思路) ，结合 某采油厂生产决策的实际情况，进行实地调研，找出问题深刻剖析原因 并提出解决办法。 油藏生产决策优化需要借助于一套完整的经济评价指标体系来完 成。本文建立起相应的技术指标体系和经济指标体系，建立试采状况、 稳产期产量、产能递减率等技术评价指标；建立开发总投资、利润、投 资利润率等经济评价指标；对采油厂老井产量、增产措施产量、新井产 量分别建立相应的经济产量模型，结合实例进行油气产量分析，确定经 济产量。 对采油厂进行产量成本分析。并结合采油厂生产决策优化的实际情 况，利用线形规划的方法，从以下三个方面建立优化模型，并结合实际 数据进行模拟运算。 ( 1 ) 产量分配决策模型 将采油厂的产量最优地分配到各作业区( 或区块) ，这些分配都是 在一定的约束条件下( 定产量、定投资、定利润) ，按给定的目标( 利 润最大、产量最大) 进行最优化地分配，并得到各作业区( 或区块) 产 量最优分配所对应的工作量及其指标的最优值。 ( 2 ) 措施产量结构优化模型 将采油厂的措施产量在给定的条件下以不同的目标( 产量最大、成 本最低、措施经济效益最好) 最优的分配到各单项措施( 压裂、酸化、 大修、补孔、转抽、下大泵、下电泵、卡堵水、其它措施) ，并得到各 单项措麓最优产量所对应的工作量及其他指标。 ( 3 ) 油田总产量优化模型 将油田的总产量分配到老井自然产量、增产措旋产量和新井产量， 并得到各部分最优产量所对应的工作量及其他指标，确定出油田的最大 利润及三种产量的分配情况。 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 论文的主要创新点 本文的创新点主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 建立油藏生产经营决策的技术指标体系和经济指标体系，明确 了生产决策的主要程序和内容。 ( 2 ) 对油藏生产进行经济产量分析。 对老井产量、增产措施产量、新井产量分别建立相应的经济产量模 型，进行油气产量分析。 ( 3 ) 对油田进行产量成本费用分析。 将成本费用从成本结构、成本定额和成本项目三个方面进行分析， 找出可压缩成本项目，设法降低油气生产成本，这是提高石油企业经济 效益的关键。 ( 4 ) 结合油藏生产决策优化的实际情况，利用线形规划的方法，建 立优化模型： 产量分配优化模型 措施产量优化模型 油田总产量优化模型 4 中国打油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 第2 章油藏经营和生产决策理论 为了实现既能遵循油田开发内部机理，又能达到最优控制开采，还 能满足日益增长的国民经济建设对石油需求的目标，油田应采取总体最 优开发决策。油藏管理工作从世界上有油气田开发以来就开始了，但真 正的现代油藏经营管理则是2 0 世纪8 0 年代国外提出的，它不仅意味着 油气田开发观念的改变，也标志着油气田开发水平的提高和进步，被认 为是油气田开发的第三次革命。虽然国内外各石油公司对油藏经营管理 有不同的说法，但普遍认为油藏经营管理就是把油藏作为一种天然资 源，以油藏为研究对象，正确的应用各种措施来认识和开发，以获得最 大的经济效益和社会效益。 2 1 油藏经营管理的相关理论 2 1 1 油藏经营管理的概念 “油藏经营”是近几年来为提高油藏开发效益而发展起来的一门新 兴综合学科。油藏经营词，源于英语的r e s e r v l 0 rm a n a g e m e n t ， 亦可称之为“油藏经营管理”。 所谓油藏经营管理，即有效地利用各种资源( 人力、技术、财力等) ， 制定和实施高效开发油藏和经营管理策略的进程，寻求最佳的经营方 案，将油田开发技术和经营管理相结合，实现油气田开发的工程优化和 经济效益最大化。 西方的油藏管理理念是定位在“智能产业( 油藏) 管理”，通过综 合运用信息技术和石油工程知识来优化对上游油气生产资源的管理，它 不仅包括应用多专业技术对油藏、工艺等方面进行优化，还包括生产组 合、人力资源、信息管理等。即把我们通常说的现代油藏管理扩展为现 代油藏产业管理。这一重大变化，扩展了我们对现代油藏管理认识的空 间。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 智能产业管理是指通过综合技术、信息、软件和管理知识，使上游 资源状况发生飞跃变化，使企业受益。智能产业管理由智能产业管理方 案、智能产业管理方法和智能产业管理技术三部分构成。智能产业管理 通过综合技能、技术使企业受益。智能产业管理的目标是改变油藏的经 营状况。智能产业管理重点是寻找生产价值链。 通过国内外调研认识到，仅从纯油藏管理专业的角度去谈现代油藏 管理是不全面的，是难以形成统一模式的，只有从现代油藏产业管理的 高度谈现代油藏管理才能解决实际问题。否则我们对现代油藏管理的认 识只能停留在专业队的协同或某技术在现代油藏管理中的应用上。 2 1 2 油藏经营管理的基本原则 油藏经营管理的目标是有效地利用各种资源( 人力、技术、财力) ， 实现油气开采的工程最优化和经济效益最优化。油藏经营管理的基本原 则是： ( 1 ) 时间连续性原则 时间连续性包括两个方面的含义。第一，现代油藏管理活动是一项 系统工程，一个油藏从勘探至发现起，经历探边、开发、一次采油、二 次采油和三次采油，直至最终废弃的过程，现代油藏管理将对油藏各个 时期制订详细的管理计划，进行有效的管理；第二，在实施油藏管理计 划时，要对其过程进行监督，根据实施的结果不断调整、完善计划，直 至最终完成，这是一个连续的过程，一旦过程结束也就意味着油藏的废 弃，但是根据油藏勘探开发各时期的主要任务和不同，现代油藏管理始 终贯穿于勘探开发全过程之中。 ( 2 ) 多学科协同原则 多学科协同是现代油藏管理的核心。面对地下错综复杂的情况，要 想高效开发油藏，必须在勘探初期就建立一支由地质、地球物理、油藏 工程、地面工程、经济评价等多学科人员组成的综合研究队伍，在充分 发挥各专业人员和技术人员特长的基础上达到专业互补，共同参与各个 时期的管理工作。通过协调，可以使工作组在考虑问题时更加全面、更 6 中国石油大学( 华东) 硕七论文 第2 章油藏经营和生产决策理论 加符合地下情况，其效果是“1 + i 2 ”。多学科协同工作的重要性已被 大量的事实所证明。 ( 3 ) 经济效益的原则 石油开采具有高投入、高风险的特点，同时又受油价的影响，因此 现代油藏管理在于充分利用有效的人、技术和财力，最大限度地降低投 资和成本是实现最大的经济采收率和最大的经济效益的保证。 2 1 3 油藏经营管理的基本步骤 油藏经营管理必须以油田或区块为具体对象，根据开发的各个不同 阶段，以油藏经营管理部门为核心，组织各部门，多学科共同协调管理， 其一般步骤如下： ( 1 ) 确定目标。油藏经营管理的目标不仅要考虑经济效益，而且还 要考虑社会效益。 ( 2 ) 制定规划。规划的制定主要取决于对油藏的认识以及可依赖的 技术水平，应充分利用现有的技术，获得最大的经济效益。 ( 3 ) 规划的实施。规划的实施过程，就是采用各种手段以实现油藏 经营管理目标的过程。 ( 4 ) 实旖过程的监测与评价。要利用各种手段，如观察井、评价井、 油藏开发评价等方法进行监测和评价，以便及时进行调整。 ( 5 ) 方案的调整。方案的调整包括重新确定目标、修改规划、调整 措旋，通过监测和评价后，得出油藏经营管理的效果。 2 2 生产决策的相关理论 2 2 1 生产决策的基本理论 生产决策是指根据企业经营目标、经营战略及选定的目标市场和产 品特点，对生产系统的规划设计与构建及生产什么、按什么生产、按什 么要求生产、怎样生产、何时生产，何地生产、生产多少等一系列问题 进行分析判断和权衡选择的过程。生产决策是生产管理的核心，也是生 7 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章油藏经营和生产决策理论 产管理中最本质、最高的职能。生产决策的内容包括产品规划、生产系 统的规划设计、构建和革新以及生产系统运行计划、组织与控制方面的 决策。 从生产决策的职能范围和作用上看，分为战略性生产决策和生产系 统运行决策。战略性生产决策是指企业根据经营战略、选定目标市场和 竞争要求进行产品及其生产系统规划设计时，对所面临的一系列重大问 题进行权衡选择的过程。生产系统运行决策是指对已建成或先行的生产 系统运行的计划、组织、协调与控制中所面临的一系列问题进行权衡选 择的过程。可见，生产决策的职能范围是与生产管理的内容和过程相对 应的。 2 2 2 生产决策的整体思路 ( i ) 油田拟合成本函数和成本曲线 为解决特定时期油田生产多少原油最理想的问题，一个自然的想法 是建立起该时期生产成本和油气产量的数量关系。对一般的工业制造项 目而畜，困难并不太大，因为生产过程没有明显的产量递减问题，研究 期的成本费用和上一期或下一期有较好的可比性。寻找该类行业的成本 产量关系时，可以使用近期的历史数据，并对变动因素加以修正， 只要不超出一定的时间跨度，得到的数量关系一般能够比较准确地反映 生产过程的内部联系。 然而资源工业则不同，产量递减是必然规律。开发后期的油田产量 水平逐年降低，但总成本费用未必同步下降，甚至有所上升，产量和成 本表现出难以描述的不规则关系。如果直接据此建立所谓的成本函数， 会是一个单调的减函数，即原油产量越大，总成本费用越少，边际成本 处于不断下降的趋势当中。对边际成本下降的企业，当然应该尽可能地 扩大规模，但常识告诉我们的是，油田的产量决不会无限地提高，也难 以长时间维持，石油企业所能做的，只有努力减缓产量递减的速度。所 以，石油工业成本尤其是开发中后期成本变化规律的量化表达问题，人 们往往加以回避。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 为绕过这一障碍，有人提出把油气生产假设为产出稳定的过程，先 建立实际产量加递减产量与成本水平之问的关系，实际应用的时候再把 递减因素还原回去的做法。但是这样仍不能保证所建立的模型能够反映 目前，尤其是未开发阶段的成本费用与产量的关系，因为它不能解释为 什么即使在原油生产的稳产期，开发的成本费用也处于不断上升的过 程。这从反面提示我们，不要设想建立一个能够同时描述稳产期和开发 后期成本产量关系的统一的计量经济模型。如果让根据公式计算出 来的结果和实际情况的差距尽可能小，就该针对不同的开发阶段建立对 应描述的模型。 确立阶段性成本函数模型需要解决的一个基本问题是不同时期的 成本费用和产量数据转化成同期的数据。为此，产量的自然递减、投入 要素的价格水平变化、自然资源的不断劣化、技术进步和管理革新、财 务制度和统计口径等变化的影响应予以消除。在成本费用和产量数据样 本的选择上，时间跨度不能太大，太大会发生数据失真的情况；也不能 太小，小了不能保证模型的数学可信性，所以对地域广阔、环境多变、 生产经营过程复杂的大型油气田，通过找到一个或几个简单函数描述一 段相当长的时间跨度内成本和产量关系以指导生产的想法和做法，很难 取得实质性的效果。 ( 2 ) 通过调整油气田主要投资比例而确定产量规模的目标规划模 型。 如果从投入产出的角度，油气田的生产经营目标是通过销售收入、 净产值、增加值和油气产量等指标体现的，将其作为企业总体规划的目 标。这些目标由勘探、开发、炼化、公用工程、机械加工、多种经营等 部门共同完成，各部门的工作量或者投资就可以作为研究的决策变量， 这样多个目标、多个决策变量，就能够构成一个目标规划的总体模型。 西南石油学院按照这一思想建立了针对整个油气田的模型，目的是为在 各主要部门之间合理安排工作量、为分配投资提供依据，其中的目标优 先级确定为： 一级目标：各决策变量小于上限，大于下限，即不超范围。 9 中国石油大学( 华东) 硕_ f = 论文第2 章油藏经营利生产决策理论 二级目标：原油产量接近一定值。 三级目标：企业总投资规模不超过一定值。 四级目标：销售收入、增加值、净产值越大越好。 在计划经济时代、上述模型对中国的大型石油企业来讲是有定代 表性的，因为这些企业对炼化、机械、多种经营、公用工程等方面的投 资并不是全部出于追求回报的考虑，勘探投入则主要服从于企业发展的 长远战略，完成产量指标的重要性要超过核算利润的重要性，目标规划 模型能够较好地反映出这种情况。但是，随着计划经济向市场经济的转 轨，石油企业的运行方式发生了很大的变化，对利润的重视程度空前提 高。对多数油气田而言，油气初始产品构成了企业产值和利润的主要来 源，用于油气的开发投入和操作成本也占到每年支出的最大部分，油气 产量构成和开发投资分配理应成为编制下年计划时需要着重考虑的关 键点，由于对问题研究角度不同的原因，上面的模型非常粗略，缺乏对 这一至关重要部分的描述，成为导致它不能直接用于油气开发配产的根 本缺陷嘲。 2 2 3 生产决策的分块优化思路 分块优化的思路是主张把油气田的产量按投入性质分成几部分，对 每一部分单独研究。对老井的自然产量和措施产量，主要是测算其是否 能够补偿油井的年现金投入，能带来正流量就予以保留；对新井产量， 则采用项目评价方法按主要经济指标排队，依投资规模划线，超出可用 资金规模的予以放弃。 根据对文献和石油企业的实地调查，目前依据这种思路提出的用于 油田投资安排和产量配置的优化模型主要是针对措施产量而言的，包括 线性或非线性规划模型，以及目标规划模型，其中涉及油气田常见的十 几种措施作业类型，如压裂、酸化、补孔改层、下大泵、下电泵、热采、 卡堵水、防沙、大修等，要求输入的参数是各类措施的单位成本和增油 量，或者给出描述措施数量和增油量关系的表达式。而依据应用的目的 不同，其中的线性或非线性规划模型有两种表现形式，一是在给定的措 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 施作业费用总预算下，力求合理安排各类措施作业的工作量，使总的措 施产油量达到最大；另一种是以获得定的措施产油量为目标，看怎样 合理安排各类措施的工作量，达到使总的措施作业费用最小“1 。这种针 对措施的模型可以纳入对油气田全部产量进行优化配置的体系中去，成 为其中的一个组成部分。至于目标规划模型，作为求解多目标决策问题 的一种方法，其基本思想是先由决策者给出一组预定的目标值，在客观 条件的约束下，求得目标函数值最接近目标值的解。由于引进了偏差变 量和期望值的概念，对系统进行优化时就更加灵活，除了可以实现目标 的极大化、极小化两种形式外，还可以有“尽量接近目标”、“最好超过 目标”和“最好低于目标”另外几种形式，决策者的个人判断和工作经 验都可以通过达成向量各优先级之间的搭配信息加入进去，增强了决策 的灵活性，所以是一种较好的方法。辽河石油勘探局曾经尝试在老油田 的开发规划中应用此类模型，对决策过程起到了一定的参考帮助作用。 用分块优化思路指导中后期油田开发配产的缺陷存在于三个方面： 一是对老井自然产量的讨论最后不得不回到单井的老路，二是储量资源 限制使得在编制下年度生产计划的时候，为完成产量任务所必需的足够 储量往往还没有最终落实，新井按项目排队的想法不具备实现条件，也 就很难对下一年应该安排多少产量、确定多大的投资规模提出量化的倾 向性意见。三是部分优化不等于整体优化，合并后的结果可能不满足企 业面临的现实条件。 2 3 油藏经营生产决策的国内外研究现状 对于油田中后期开发阶段开发方案的设计，主要根据油田实际生产 情况以及国家计划指标，按照“以最少的投入获得最大产出”的原则进 行。另一方面，可从优化的角度根据油田过去的开发指标对来年规划作 预测。在油田中后期开发阶段，将油田作为一个系统来考虑，在2 0 世 纪5 0 年代就提出了开发总体设计思想，把地质分析、指标计划与经济 评价相结合，并开始按产量要求设计地面建设规划。其中虽有系统科学 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 的萌芽，但当时未解决相互联系的科学方法。虽然提出了系列方案进行 对比、评议。但是，并无明确的定量评价方案优劣的方法。 事实上，从系统论的角度讲，油藏是一个非常复杂的大系统，而研 究油藏及其开发动态就需要运用系统科学的思想。把油藏视为一个整 体，把油藏与周围的构造环境视为一个整体，再把开发过程动态看作是 人们以某种形式作用于油藏系统的反映。这样，研究工作就不仅着眼于 某个局部或一个层系的发展变化，而在于油藏这个整体系统，即油藏 内部结构及外部环境的多层次、多因素、多交量的综合关系。 从信息论的观点看，人们以任何方式和任何工具了解到的一些油藏 结构、油藏参数，都可以看作是一种来自地下的信息。能够观测到的一 切动态变化过程都可以看作是油藏系统内部状态和结构表示给人们的 信息。另一方面，如果把一个油藏系统看作一个控制对象，那么就可以 调整油田的开发方案，采取各种增产措施来提高油田最终采收率。研 究的全部过程用控制论的语言表述为：通过选择开发方式和确定工作制 度，然后由开发过程的观察，测量对控制对象( 油藏) 进行输入及输出 的监测；通过按照一定的理论、经验、实验等手段进行逻辑分析，做出 相应的对策并编制调整方案。如此继续下去，逐步提高油田采收率，直 到油田生命终止，这就完成了对油藏进行人为控制开发的全过程。 2 3 1 国内油藏生产决策研究现状 纵观油藏生产决策优化研究的国内现状及进展，到目前为止所有的 开发规划研究都存在重预测轻优化的问题。在预测方面基于单输入单输 出及多输入单输出对油田开发系统进行的研究特别多，也有多种成熟的 方法，但基于多输入多输出对油田开采系统的研究还非常有限，有待进 一步深入研究。 在优化研究方面目前仅限于：单项产量的优化，如新井最优产能 及产量的确定，最优措施量及措施产量的确定等；单项措施产量及措 施工作量的优化，如压裂优化设计、酸化优化设计等；在油田开发规 划模型的建立中，主要是从产量、成本、工作量等指标来考虑建立油田 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 开发规划模型。而对于各分项产量( 陆上稀油产量、稠油热采产量、三 次采油产量、海上产量等) 及其它相应开发指标的最优构成；分项措施 产量及对应的工作量的最优构成；综合考虑产量、采油速度、采出程度 等开发技术指标，编制整体的油田开发规划方案这几个方面的研究非常 少或几乎没有。而这又是以效益为中心来编制油田开发规划所必须首先 解决的问题。 目前实现国内在油藏生产优化配产方面主要有如下几类方法： ( 1 ) 经验统计方法 油田动态指标经验判断的预测方法是一类基于渗流力学原理，采用 数理统计方法结合开发经验的预测方法。如：采油指数递减方法是根据 采油指数概念来预测油井产能。方法应用的前提是油田动态系统是稳定 的、油水运动完全遵从达西定律、驱替特征曲线斜率保持不变，通过经 验判断给出预测期间地层压力的变化值，进而完成预测“1 。实践表明， 如果预测人员的经验丰富、判断准确，用于短期预测也可以获得比较理 想的预测结果的。但就预测来说，靠这类方法是很难保证预测精度。水 驱特征曲线法用于油田动态预测主要是基于斜率恒定的假设。事实上， 油田开发过程中所具有的随机特征，决定了水驱特征曲线斜率值的时交 性，也就是说保持斜率值的恒定要有严格的前提条件，但客观上往往离 假设的条件相差甚远，因此保持斜率值的恒定几乎是不可能的。 ( 2 ) 概率统计方法 从系统观点看，注水开发油田“具有整体性、随机性，时变性、相 互联系性、统计规律性，是个非平稳的随机过程体系”。翁文波最先 提出对于油田这类资源有限体系，可采用p o i s s o n 概率分布函数来描述 其产量变化从开始、发展、高峰到衰减的全过程；对于油田含水可采用 l o g i s t i c 概率分布函数来描述其变化的全过程”3 。另外刘青年等提出了 整体信息预测模型的概念。他们以p o i s s o n 旋回、l o g i s t i c 旋回公式为 模型基本结构，采用了系统辨识推广的递推梯度算法确定模型中的参 数，得到了油田产油量、综合含水率预测的数学模型。 ( 3 ) 系统论方法 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 系统论的思想方法已被广泛地应用到油田规划设计。g r e e n v i l l e r o w a n 就指出，油田开发主要是控制问题，其次才是规划问题。因此， 将油田开发过程看成是人为干预控制下的一个动态过程，应用系统思 想、黑箱理论、灰箱理论、以及现代控制论来研究油田产能指标的控制 预测，就能做出科学合理的油田中后期开发规划设计9 1 。 将油田开发过程各指标分为控制变量和状态变量进行描述。所谓状 态变量指油田开发过程中存在的一些变量，如产油量、产水量、地层压 力等；控制变量指开发过程中人为控制因素量，如新增油井数、压裂井 层数、注水量、水井作业井层数等。刘志斌等利用灰色理论构造了最优 控制模型，齐与峰应用现代最优控制理论建立了油田动态控制模型。 ( 4 ) 数值模拟方法 d o u g h e r t y 是这样评述：“到1 9 9 7 年为止，大部分研究工作都沿用 摄动方法，并将油藏流动系数在平面上的变化用人工分区方法表示，贮 存系数亦如此。所用的求解方法与最小二乘多元回归法有关，可用非线 性目杯函数多次调整处理。在以往这些工作中，所需要的敏感系数由多 次模拟而得，每改变一个网格块参数，均需要重新模拟一次。在实施上 述这些非线性最小二乘调节过程中，经常遇到振动和其它收敛不好的困 难，如求解矩阵的奇异。j a c q u a r d 在此领域内的工作是有首创性的，他 提出对流动系数或贮存系数在网格点上逐点求值以及在合理计算内能 够完成敏感系数逐节点计算的方法，消除参数人为分区的可能性从此基 本上被打开了 t o o 然而，因为涉及到运用广义最b - - 乘法，无法将问题 简化，因此实质上还是行不通。引入系统论并抛弃了参数分区，不论对 流动系数还是贮存系数均延用网格块计算敏感系数这个做法，通过伴随 态模拟得到参数辅助计算。 ( 5 ) 神经网络方法 由于地下油藏机理的复杂性、影响因素的多样性、以及开采过程中 的许多不可预测性，给人们把握油田开采动态带来了许多的困难。虽然 有许多常规的动态预测方法，如水驱特征曲线法、以及动态辩识系统方 法等，但它们适用于不同的开采阶段、范围，要求不同的前提条件，因 1 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章油藏经营和生产决策理论 而各有其局限性。神经网络方法则能克服这些缺点，依据油田生产资料 历史数据，建立起油田开发过程的各因素日j 动态过程，从而方便地为油 田做出预测和控制决策，制定出最佳的开发规划方案。考虑了神经网络 在油田动态预测方面的应用，建立了油田各变量之问的动态模型。 2 3 2 国外油藏生产决策研究现状 国外油藏开发决策优化方法的研究可以追溯到上个世纪5 0 年代， 克雷洛夫提出了开发总体设计思想，开始把地质分析、指标计划与经济 评价相结合，并开始按产量要求设计地面建设。1 9 5 8 年a r o n o f s k 和l e e 在j p t 杂志上发表的题为“al i n e rp r o g r a n u n i n gm o d e lf o rs c h e d u l i n g c r u d eo i lp r o d u c t i o n ”的文章。文中运用线性规划方法研究了以生产效 益最大为目标的有限多个均质油气藏的生产问题“”。 之后又有许多文章发表，如r o w a n 和w a r r e n 介绍了怎样以最优控 制模型来系统地阐述油气田的开发问题，d e l l 等人系统地提出了一个最 优化模型来确定多个油气田的最优化开发与生产规划。但在1 9 8 5 年以 前，这些文章只属于探索性的，优化方法在油气田配产决策中的应用还 没有受到足够的重视，因此在油气田生产领域中成功的应用仍然很少。 1 9 8 5 年以后，由于油气田开发的实际需要和优化方法以及计算机技术 的迅速发展，情况有了很大的变化。如何合理分配产量实现最佳经营是 决策者经常遇到的一个问题，而这个问题的核心是怎样建立优化模型。 中国、美国和前苏联等国的一些科研单位、大专院校及石油公司都积极 地使用优化技术研究各种各样的油气田开发优化配产问题，在建模、求 解和应用等方面都有了较好的研究工作。 优化理论与方法是一门应用性很强的年轻学科。它研究某些数学上 定义的问题的最优解，即对于给出的实际问题，从众多的方案中选出最 优方案。虽然它可以追溯到十分古老的极值问题，然而，它成为一门独 立的学科是在2 0 世纪4 0 年代末，是在1 9 4 7 年d a n t z i g 提出求解一般 线性规划问题的单纯形法之后。如今已有上百种优化方法提出，并在电 子计算机的推动下，优化理论与方法在经济计划、工程设计、生产管理、 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 交通运输等方面得到了广泛的应用，成为一门十分活跃的科学。 根据其适用模型性态的不同，这些算法可以分为：线性优化方法和 非线性优化方法；连续变量优化方法和离散优化方法等，其中非线性优 化方法占重要的地位。约束非线性优化方法大体可分为可行方向法 ( f d m ) 、线性逼近法( s l p ) 、二次规划( s q p ) 、罚函数法和直接法 等。这些数值优化方法，各有优缺点。近年来，演化算法、模拟退火等 非数值进化类优化方法及其广泛的适用性得到了人们的重视。从起源上 来说，这些算法主要是为了解决离散变量的组合问题而提出的，但目前 已经逐渐向连续变量的问题方面扩展，当常规数值算法不能求解复杂问 题时，进化类非数值算法开始被人们青睐。 遗传算法是一种模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它是演化算 法最初发展的三大分支之一，亦是非数值算法中最优秀的算法之一。2 0 世纪6 0 年代，美国m i c h i g a n 大学的j o h nh o l l a n d 提出了位串编码技术。 1 9 6 7 年，h o l l a n d 的学生b a g l e y 在其博士论文中首次提出了“遗传算法” 一词，并发展了复制、交叉、变异、显性、倒位等遗传算子。7 0 年代 初，h o l l a n d 教授提出了遗传算法的基本定理模式定理，从理论上 阐明了遗传算法是一个可以用来寻求最优解的优化过程。1 9 7 5 年d e g o n g 在其博士论文中，推荐在大多数优化问题中都较适用的遗传算法 参数，还建立了著名的d eg o n g 函数测试平台，定义了遗传算法性能 的在线指标和离线指标。8 0 年代，h o l l a n d 教授实现了第一个基于遗传 算法的机器学习系统分类器系统，开创了基于遗传算法的机器学习 的新概念。1 9 8 9 年，g o l d b e r g 出版了专著搜索、优化和机器学习中 的遗传算法。该书全面而完整地论述了遗传算法的基本原理及应用， 奠定了现代遗传算法的科学基础。1 9 9 1 年，d a v i s 出版了遗传算法手 册( h a n d b o o ko fg e n e t i ca l g o r i t h m s ) ) ) ，书中介绍了遗传算法在科学计 算，工程技术和社会经济中的大量应用实例，为推广和普及遗传算法的 应用起到了重要的指导作用”2 。 遗传算法是一类可用于复杂系统优化的搜索算法。经过近四十年的 发展，已在各领域广泛应用，表现出了良好的发展前景。已引起包括数 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章油藏经营和生产决策理论 学、计算机科学及工程应用等领域科学家们的极大兴趣。自2 0 世纪8 0 年代中期以来，世界上许多国家都掀起了遗传算法的研究高潮。目前， 有数种以遗传算法为主体的国际会议在世晃各地定期召开。如：从1 9 8 5 年起，每两年举行一次国际遗传算法会议等。现在已出版两种专门关于 演化计算包括：遗传算法( g a s ) 、演化策略( e s ) 、演化规划( e p ) 和遗传程序设计( g p ) 的新杂志：“e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n ”和“i e e e t r a n s a c t i o n so ne v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n ”，而且一些国际性期刊也竞相 出版以演化计算为主体的专刊。另外，某些学者声称，遗传算法将与混 沌理论和分形几何一道成为人们研究非线性现象和复杂系统的新的三 大方法，并与神经网络一道成为人们研究认知过程的重要工具。与其它 优化算法相比，遗传算法主要有以下优点： ( 1 ) 遗传算法以决策变量的编码作为运算对象 传统的优化算法直接利用决策变量的实际值进行优化计算，而遗传 算法以决策变量的某种形式的编码为运算对象。因此，对一些无数值概 念，只有代码概