（油气田开发工程专业论文）油田开发规划优化方法研究及应用.pdf

英文摘要 s u b j e c t s p e c i a l t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： as t u d ya n da p p l i c a t i o no f o i i f i c l dd e v e l o p m e n tp r o g r a m m i n go p t i m i z a t i o n m o d e l o i l f i e l dd e v e l o p m e n t w 。z u o z h 。u ( s i g n 。t 。托) 巡坠垫竺2 1 1 州 c h e nj u n b i n ( s i g n a t u r e ) - 纽j 垒生幽 a b s i r a c 。i 。 t w o o p t i m a lm o d e l s ，p r o d u c t i o no p t i m i z e dm o d e la n dp r o f i to p t i m i z e dm o d e l ，a r ep u to u t b a s e dt h ed e v e l o p m e n tp r a c t i c e & o p e r a t i o ns y s t e mo fs h e n g l io i l f i e l d b o t hm o d e l sa r e e s t a b l i s h e db yl i n e a ra n dn o 一l i n e a ra r i t h m e t i ca n dh a v es a m ed e c i s i o nv a r i a b l e s ，i n c l u d i n g u n m e a s u r e dp r o d u c t i o no fi n l a n do l df i e l d ，m e a s u r e dp r o d u c t i o no fi n l a n do l df i e l d ，n e ww e l l p r o d u c t i o no fi n l a n do l df i e l d ，h e a v yo i lp r o d u c t i o no fi n l a n do l df i e l d ，p o l y m e rd r i v e n p r o d u c t i o no fi n l a n do l df i e l d ，p r o d u c t i o no fo n s h o r eo l df i e l d ，t h i no i lp r o d u c t i o no fi n l a n d n e wf i e l d ，h e a v yo i lp r o d u c t i o no fi n l a n dn e wf i e l d ，p r o d u c t i o no fo f f s h o r en e wf i e l d ，e t c n o n - l i n e a rf i to fn o n l i n e a rm o d e le m p l o y sa u t o r e g r e s s i v ep r e d i c t i o nm e t h o da n dn e u r a l n e t w o r k sm o d e l t h es o l u t i o no fl i n e a rm o d e le m p l o y ss i m p l e xm e t h o d t h es o l u t i o no f n o n l i n e a rm o d e le m p l o y s p e n a l t yr u n i o nm e t h o da n dl i n e a ra p p r o a c hm e t h o d r e s u l to f n e w o p t i m a lm o d e la n dt r a d i t i o n a lm o d e la r ea n a l y z e da f t e rd a t ao fs h e n g l io i l f i e l db e i n ge n t e r e d s o l u t i o no f n o n - l i n e a rm o d e lh a sb e t t e rp r o f i t - m a k i n ga b i l i t yt h a nt h a to f t r a d i t i o n a lm o d e la n d r e f l e c t st h er e a l p r a c t i c e o fs h e n g l io i l f i e l d n e wm o d e l sb r i n g st h e o r e t i c a lb a s ef o r p r o d u c t i o np l a na n dm i d l o n gp r o g r a mo fs h e n g l io i l f i e l da n dp e t r o l e u mi n d u s yi nc h i n a a n di m p r o v e st h e i rd e v e l o p m e n tl e v e la n dp r o f i t k e y w o r d s ：o i l f i e l dd e v e l o p m e n t p r o d u c t i o np r o f i t o p t i m i z e dm o d e l t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 1 j 】 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安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己在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 戛5 毫氖 日期：迎61 。 工 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：襄5 蔓鱼 导师签名 日期：豳6 ：；f f 日期：加f n 玎 第一章绪论 第一章绪论 石油开发是一个连续的生产过程，具有开发周期长、不可重复性的特点。油田开发 的过程就是对油田反复实践、反复认识的过程。为了最大限度地提高油田的开发效益， 迫切需要利用现代科学，综合地对油田开发进行更为全面的研究，确定最优的开发方案， 在经济、政治、科学、技术等条件的允许下，使投入产出比达到最低，社会、科学、经 济等效益最佳。 油田开发规划方案的制定，是关系到油田长期发展的一项重要的工作，是一项涉及 面广，内容繁多复杂的系统工程。它涉及到油田勘探、开发等方面的内容，涉及到系统 工程、运筹学、随机科学、计算科学等学科，有必要采取多种方法和手段进行综合研究， 从而为对油田进行合理开发，提高油田的效益提供科学依据。 随着我国市场经济的发展和石油企业管理体制的改革，油田开发工作已经从以产量 为中心开始转移到以效益为中心，经济效益的高低已成为油田开发决策的最重要依据， 编制好以经济效益为中心的开发规划非常重要，虽然在线性规划、非线性规划优化方面 有较多模型，但仍无法适应我国目前复杂的油藏类型和产量与工作量之间的非线性关系， 因此，提出了以产量构成为基础的线性、非线性优化模型，并利用油田开发的历史数据， 在对非线性关系进行了拟合、对模型所需参数进行预测的基础上，采用罚函数等方法求 解模型，求取全局晟优解，以求实现油田开发规划的优化决策。 对利用多门学科解决石油开发规划中的问题做了初步探讨，初步形成了一套较为完 整、综合的科学理论体系。 1 1 研究意义 随着中国加入w t o ，我国的经济运行体制必须要同国际接轨。石油工业作为国民 经济的支柱产业，目前也已经走入资本市场。为了适应国际石油市场风云变换，为了给 投资人以最大回报，为了保持石油工业的可持续发展，必须对油田的开发做中、长远科 学规划，因此选题具有重要的实际意义。 科学的优化决策方案可以使油田开发更加合理，避免了油田的盲目开采、和对大量 人力物力和财力的浪费。一般来说，利润和产量是目前油田所追逐的目标。过度的追求 产量，必将导致投资的增加，和成本的消耗的增多。但是，实际情况是总投资是有严格 限制的，而且油藏的渗流特性具有其自身的规律，为了提高最终采收率，需要合理地、 科学地进行开采。因此，这就要求我们必须在有限的投资情况下，来获取产量的最大、 或者利润的最大，或者同时兼顾产量和利润的最大化。 1 2 油田规划优化方法研究及应用现状 油田开发优化方法的研究可以追溯到1 9 5 8 年a r o n o f s k y 和l e e 在j p t 杂志上发表 西安石油大学硕士学位论文 的题为“al i n e a rp r o g r a m j n i n gm o d e lf o rs c h e d u l i n gc 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藏的生产规 划问题。之后，又有几篇文章发表在m s o r 与j p t 等刊物上，但在1 9 8 5 年以前，这些文 章都属于探索性的，优化方法在油田开发决策中的应用还没有得到足够重视，因此在油 田生产领域中的成功应用仍然很少( a r o n o f s k yj s ，w i l l i a m sac 1 9 6 2 ：j a m e sw m c f a r l a n d ，l e o nl a s d o ne ta 1 1 9 8 6 ，3 4 ( 1 ) ：4 0 5 4 ) 。1 9 8 5 年以后，由于油田开发的 实际迫切需要和优化方法、计算机技术的迅速发展，情况有了很大变化。美国、前苏联 和我国等主要产油国的一些科研单位、大专院校及石油公司都积极地使用优化技术研究 各种各样的油田开发问题，在建模、求解和应用等方面都有了较好的研究工作。优化方 法主要体现在以下几个方面。 1 2 1 产量分配方面 一个大的油气公司往往由多个油气田或开发区块组成。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。运用优化方法研究这个问题在美国、前苏联和我国 都得到了一些尝试。 1 9 8 6 年l e o nl a s d o n 等人在气藏数值模拟预测气藏开采状态的基础上，提出了以下 三个目标分别建立优化模型( l e o nl a s d o ne t a l 1 9 9 2 ) ： 使气藏在某一特定时间内( 如最后阶段最后一天) 达到最大输送能力； 最大限度地缩小气体每月气藏产出量与实际需求之间差别； 以上两个目标都考虑，利用加权线性组合办法进行协调。 模型的决策变量( 或控制变量) 是各井的产量，约束条件为产量非负性和最大生产 能力，目标函数和约束条件都是决策变量的函数，是通过非线性气体渗流微分方程给出 的。方程的求解需要有限差分法，即气藏的数值模拟技术。计算一次目标函数就要求解 一次微分方程。在优化解法方面，使用罚函数方法把有约束问题化成一系列无约束问题， 芳用b f g s 方法求解。讨论了作为作为决策变量隐式函数( 微分方程相联系) 的目标函数 梯度的算法。通过计算实例，对比优化方法得到的方案与一个经验给出的方案，表明优 化技术的有效性。 类似的问题，我国石油大学葛家理教授建立了一个成组气田开发优化配产的非线性 混合整数规划模型，以单位产气量成本最小为目标，用直接方法求解。还建立了一个具 有递阶结构的全国石油产量分配的优化模型。第一级总目标是总成本最低，决策变量是 各大油区分配产油量，约束条件是全国年配产量等于各大油区分类构成产量之和。第二 级由五个子系统组成，分别为老区递减部分产量，老区措旋部分产量，老区调整方案部 分产量，老区扩边部分产量和新区投产部分产量。各子系统之子目标是各自成本最低， 约束条件是分配的各油区的产量等于各子系统的构成产量。运用分解协调算法求解递阶 结构优化问题。 第一章绪论 断块油气藏( 1 9 9 4 第5 期) 刊登的“实现中原油田最小成本优化配产的四维决 策单纯形规划法”。文献中提出了“原油成本函数”的概念。通过线性回归，将油田的 采油成本表示为产油量、产液量、新钻油井数、新注水井数的线性函数。决策变量是产 油量、产液量、新钻油井数、新注水井数，目标函数是油区总的采油成本最低，约束条 件包括对决策变量的直接限制条件。优化模型采用最小二乘法求解。 另一类是直接以单位采油成本作为衡量指标，结合油田产能进行产量配置，如， p e t r o l e u ms c i e n c e ( 1 9 9 8 ) 中建立了多目标的产量优化模型一目标规划模型，对不同 油田( 区块) 进行产量优化配置。 1 2 2 开发规划方面 以各种措施( 如钻井等) 作为控制变量来实现经营者的某种目标的优化问题。美国、 前苏联和我国在这一方面都做过研究工作，比较有代表性的有： 休斯顿大学的j a m es m c f a k l a d 与德克萨斯大学的l e o nl a s d o 等人建立了一个 开发规划问题的优化控制模型，追求的目标是净现值最大，决策变量是各阶段的钻井数、 采油速度和生产年限等( 目标函数与油价、产量和费用直接相关，而产量和费用又与钻 井数有关。因此，最为根本的决策变量是钻井数) 。产量与钻井之间的关系由储罐模型， 即零维模型给出。所谓储罐模型就是忽略油藏非均质性，由物质平衡方程给出的模型。 优化模型的解法仍然使用l a s d o 等人给出的罚函数法。 r k w a c k o w s k i 等人( 1 9 9 2 年) 运用决策树分析方法研究c o 。与水交替注入问题 ( w a c k o w s k irke t a l 1 9 9 2 ) ，追求的目标是规划期2 0 年内净现值最大，决策变量为 c o 。段塞尺寸，水气比例，压缩能力规模，注入区的扩展速度和顺序等，决策树是在影响 图分析的基础上形成的，使用油藏数值模拟器进行各种方案结果预测。 前苏联阿塞拜疆科学院d j ag i r a b a b a e v 等人建立了一个多层油田或气田的以单 位产量费用最小为目标的优化分层钻井井数和各层之间钻井井数随时间变化的分式线性 规划模型( b a b a y e vda 1 9 7 5 ) 。 中国科学院与大庆油田合作，建立了个油田开发规划优选的线性规划模型，追求 的目标是整个规划期内各项稳产措施的投资及生产费用最小。约束条件较多，有产油量 的约束、措施工作量的约束和电能增量的约束等。在求解方面使用了分解的单纯形算法。 北京石油勘探开发研究院齐与峰教授运用晟优控制理论研究稳产规划问题，建立了 一套注水开发油田稳产规划自适应模型。决策变量( 或控制变量) 是l l 项油水井稳产措 施( 如压裂、堵水等) ，目标泛函是净收益最大，根据油田客观实际给出一套约束条件， 以累积产油量、累积产水量和地层压力作为状态指标，使用广义卡尔曼滤波和递推最小 二乘法处理油田动态数据，建立一套多步递阶预测模型作为系统的状态方程。使用以极 大值原理为基础的基于目标泛函梯度的迭代算法求解最优控制模型。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 3 油田开发政策和方案研究方面 r a p h a da m i t 于1 9 8 6 年建立了一个最优化控制模型来研究包含一次采油和二次采 油两个阶段的某些开发政策问题( r a p h a da m i t ，1 9 8 6 ) 。目标函数是整个开发阶段的累积 净现值最大，控制变量为钻井策略、井口装置策略、一次采油转向二次采油时间、二次 采油阶段的采油速度和持续时间。通过最优控制问题解存在的必要性条件推导和分析， 得到了实际虽佳开发效果所需要的定性的决策及其影响因素。这是一个运用优化模型方 法研究油田开发政策的一个范例。 北京石油勘探开发研究院齐与峰教授建立了一个结合油田地质、渗流力学、国家指 令性计划以及地面建设与工艺要求的油田总体开发设计最优控制模型。目标泛函是最小 费用，由地面基建、生产消耗与管理等费用组成。控制变量为井距、注水压力、生产流 压和采注井数比，约束条件由控制变量约束和状态方程约束构成，如产量要求等等。讨 论了解的存在性和唯一性，由变分原理给出了一套基于梯度的迭代算法，通过实例计算 说明所建立的最优控制模型的有效性。 1 2 4 其它有关方面 a 井位优化方面，根据地质条件，油层发育情况实施优化布井是实现少投入，多产 出的一个重要方面。美国学者对此做了较多的研究。g r a ywr o s e n w a l d 等人建立了一个 从气藏可能的井位中选择一定井数条件下的井位优化模型( r o s e n w a l dgw ，g r e e ndw 1 9 7 4 ) 。目标函数是产量曲线与要求的逐年产量曲线差距达到最小。每个可能的井位设置 一个开关变量( 取0 表示不布井，1 表示布井) ，井的最大允许压降作为模型的约束条件。 通过气藏数值模拟获得可能井位布井下的一系列势函数，然后利用势迭加原理找出井产 量与开关变量的关系。开关变量的优化求解使用了分枝定界混合整数规划法。给出的计 算实例表明这种井位优化方法是有效的。 b l b e c k n e r 等人( 1 9 9 5 ) 将钻井顺序和布局看成是一个“t r a v e l i n gs a l e s m a n p r o b l e m ”( b e c k n e rbl ，s o n gx ，1 9 7 4 ) ，目标函数是净收益最大，钻井顺序和井位 作为决策变量，使用模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 求解，通过油藏数值模拟预 报不同决策的产量，考虑了油层非均质性的变化对决策的影响。 相类似的问题，a n t o n i oc b i t t e nc o u r t 等人1 9 9 7 年提出了一个遗传算法( g a ) 与复合形算法相结合的混合遗传算法( h y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m ) ( a n t o n i oc b i t t e n c o u r t ，r o l a n dnh o m e ，1 9 9 7 ) ，给出了一个海上油田的计算实例。 b 三次采油过程控制方面 与注水相比，三次采油技术在施工过程上更为复杂，有必要使用优化手段优选施工 参数。这一方面美国开展了一些卓有成效的工作，我国也进行了尝试。 ( 1 ) 循环注蒸汽过程的优化 循环注蒸汽是稠油开采的一种有效方法。每个周期都包含一个较短时间一规定条件 第一章绪论 向井中注入蒸汽和一个较长时间的采油。美国匹兹堡大学b y r o ns g o t t i f r i e d 对这个 过程建立了一个非线性规划模型( g o t t i f r i e db s ，1 9 7 1 ) 。决策变量是各周期长度 以及每个周期的蒸汽注入量。目标函数是累积挣现值晟大，净现值是循环注蒸汽增加油 量的收入扣除蒸汽费用，是决策变量的函数。约束条件是总生产时间不超过某一固定值 或注入蒸汽总量小于某一固定值。在求解方面，使用了外罚函数方法，并认为这种方法 解此问题比曾用过的动态规划法和庞特里金极大值原理法具有更多的优点。 北京石油勘探开发研究院的齐与峰教授建立了一个研究蒸汽注入最佳过程的最优 控制模型。该模型以描述流体和热能运动的微分方程为状态方程，以净收益最大为目标， 控制变量为注入、采出液随时间变化的函数和注入蒸汽干度。所建立的模型属于非线性 偏微分方程描述系统的最优边界的控制问题。运用变分原理和最优控制理论讨论了模型 基于目标泛函梯度的迭代解法。 ( 2 ) 化学剂注入浓度控制方面 化学驱方法需要向油层注入一定量的化学剂。由于化学剂昂贵的费用，决定了化学 剂用量的优化是化学驱采油方法的一个重要课题。科罗拉多大学的w f r e dr a m j r e z 与 z o h r e hf a t h i 等人将分布参数系统的最优控制理论应用与稀油e o r 过程的最佳可行注 入方案研究。 综上所述，在现已有的优化模型中，油田开发规划优化方面的模型有以下缺陷，一 是缺少效益最大优化模型，所追求的目标是产量指标；二已有的油田开发规划优化模型 在处理增油量时均采用常数方法，即为线性规划模型，不能反映实际油田生产中产量与 工作量的非线性关系，要建立反映这些关系，需要建立非线性优化，并且需要响应相应 的求解方法。 1 3 主要研究内容和创新点 1 3 1 主要研究内容 结合石油开发的特点，研究侧重于如下几方面： a 油田开发规划优化模型的建立，共给出两类优化模型：产量最大化优化模型( 包 括线性、非线性) 、利润最大化优化模型( 包括线性、非线性) 。 b 参数预测与非线性函数关系拟合，优化模型中有许多参数，而这些参数随着优 化年份的不同是变化的，如单井产量等，为了能进行中、长期规划，就必须研究这些参 数的变化规律，从而获得规划年份中所对应的参数值的一个合理的预测。分别给出了两 种参数规律变化模型：自回归滑动平均模型、神经网络模型。在非线性优化模型中，增 油量与措施工作量之间、新井产量与新钻井数之间等是非线性关系，这个函数关系要通 过拟合得到，采用的是多项式拟合方法。 b 优化模型求解方法的研究，对于线性单目标优化模型，采用的解法是单纯型法。 西安石油大学硕士学位论文 而对于非线性优化模型，则给出了罚函数法求解方法。 d 应用胜利油田的实际数据对模型进行了试算。 1 3 1 主要创新点 取得的创新性成果包括： a 理论方法创新，用石油科学、运筹学、经济学、管理科学的原理方法，针对油 田开发实际，对油田开发规划优化方法以及开发措施规划进行研究。 b 优化目标多样化，改变了已有优化模型的目标单一的方式，这里可以按产量或 利润最大为追求目标，进行优化，达到投资、成本、各个部分的产量的合理配置方案。 c 非线性油田开发规划优化模型的建立，主要是处理措施工作量、新井数与增油 量的非线性关系。 d 采用神经网络学习方法，对模型参数的取值进行了预测。 为了使得决策真正科学化，实施通过如下路线完成：探索石油开发规划的规律，建 立优化数学模型；研究优化问题的求解方法。结合胜利油田开发的实际，对所提出的优 化方案进行了验证，证明所研究方法是实用的，切实有效的。 第二章油田开发规划优化模型的建立 第二章油田开发规划优化模型的建立 建立一个优化模型的三要素是：决策变量、目标函数、约束条件。决策变量通常是 自然产量，措施产量，新井产量等三项，但这些产量都随其影响因素变化，所以真正的 决策变量是影响这三项产量的因素，而且这些因素是受人能够控制的。对于措施产量而 言措施工作量是决定因素，对于新井产量而言新井井数是决定因素，而自然产量通常是 相对固定的，其值可以通过自然递减来预测。措施和新井的效果是影响其产量的另一重 要因素，可以通过历史数据来研究其变化规律。对于实际油田而言，要根据油田的实际 开发特点将这几部分进行细分。 石油企业作为企业追求利润最大是理所当然的，但是石油企业还要为满足国家能源 的需要，国家对石油企业下达了一定产量指标，因此，完成一定的产量也是石油企业的 另一目标。因此目标可以是：产量最大或利润最大。 约束条件可分客观方面的约束条件和主观方面的约束条件，客观方面的约束条件主 要是由于油田开发本身的限制而产生的约束，如由于油田的钻井极限而产生对决策变量 中钻井数的约束。主观方面的约束条件主要是由于开发管理而产生的约束条件，如油田 企业每年开发投资和开发成本都有一定限制，不能超过一定的数量，油田的产量每年上 级管理机构都下达了一定必须完成指标。约束条件根据油田的实际情况而考虑增减，如 有时还要考虑用电约束，输油能力约束，钻井和措施的施工能力约束等。 在建立优化模型时，考虑增产油量与工作量投入呈线性增加时，模型即为线性优化 模型，否则即为非线性模型。根据以上分析，共建立出四种优化模型，见表2 一l 。 表2 1 油田开发规划优化模型列表 、类型 目标 线性模型非线性模型 产量产量最大化产量最大化 利润利润最大化利润最大化 根据胜利油田的实际情况，按照不同的地理位置、不同的开采方式、不同的生产单 元等，可以将油田产量分为以下九个部分： 陆上常规老区自然产量； 陆上常规老区措施产量； 陆上常规老区新井产量； 陆上老区稠油产量； 陆上三采产量( 聚合物驱) ； 海上老区产量； 陆上新区稀油产量； 西安石油大学硕士学位论文 陆上新区稠油产量； 海上新区产量。 其原因为胜利油田作为一个油气生产单位，其产量从总的构成上来看，由自然产量 ( 即不钻新井、不上增产措施维护现有油井的生产状况所得到的产量) 、措施增产油量、 新井产量( 又可分为已开油田钻调整井和新投入开发区块钻井) 艘e 利油田又有其复杂性， 从开发方式上看，有常规水驱开发、稠油热采开发、聚合物驱开发等；从地理位置上来 看有陆上油田和海上油田。将胜利油田的产量分为九个部分，每一部分有其不同的特点， 陆上常规老区自然产量是陆上老区常规水驱开发的油井维护现有的生产状况所得的产 量，陆上常规老区自然产量在建立的优化模型中的特点是没有投资只有维护油田生产所 必须的成本。陆上常规老区措施产量是在己投产的油井上增产措施( 如压裂、酸化、补 孔改层等) ，这部分产量仅考虑其增产油量，在模型中考虑其措施费用和由于增产而增加 的成本。陆上常规老区新井产量是在陆上已投入开发的区块中所钻的开发井增加的产量， 在模型中考虑其钻井及地面系统的投资和必要的开发成本。由于稠油热采所需要的投资 和成本远高于常规开发的油田，因此，在建立模型有必要将其从常规开发的油田中劈分 出来。海上油田由于其投资和成本远高于陆上油田，因此，也有必要将其单独考虑。新 投入开发的区块其新钻油井的地面系统的投资要高于老区的新井投资。因此，在模型中 新区也需要单独考虑。陆上三采产量( 聚合物驱) 考虑注聚合物后增加的产量，其特点 是增油量与注聚合物多少密切联系，在模型中只考虑其增加的产量，其成本和投资也仅 考虑由于注聚合物而增加的成本和投资。 2 1 线性优化模型 2 1 1 利润最大化线性模型 利润最大化的目标就是使油田开发的总体利润达到最大，根据胜利油田开发的实际 情况，可通过以下步骤建立利润最大化模型。 2 1 1 1 利润最大化目标函数 将九个部分的利润之和最大作为目标函数，即： 3 9 m a x z = r ( a ) q ( ) ( 1 + ”1 + r ( 女) g ( 月) x ( ) ( 1 + 。1 ( 2 1 ) 女= l k = 4 r ( ) ，( t = 1 ，9 ) 表示吨油利润( 元吨) r ( k ) = ( 户一t c ( 女) ) w ，k = 1 ，9 ( 2 2 ) 其中，p 表示吨油价格( 元吨) ；t 表示吨油税金( 元吨) ；c ( ) ，( k = 1 ，8 ) 表示第k 部分的吨油成本( 元吨) ；7 ( f ) 为规划期内第，年的折现率；w 为商品率。 第二章油田开发规划优化模型的建立 表2 2 模型中的九个决策变量 决策变量单位 物理意义 0 ( 1 ) 万吨陆上常规老区自然产量 q ( 2 ) 万吨陆上老区稠油产量 o ( 3 ) 万吨海上老区 x ( 4 ) 井次陆上常规老区措施井次 x ( 5 ) 口 陆上新区井数 x ( 6 ) 口 陆上常规开采新井井数 x ( 7 ) 口 陆上常规新区数 x ( 8 ) 臼 海上新区井数 x ( 9 ) 吨陆上三采注聚量 表2 - ：3 变量q ( ) ：( k = 5 ，9 ) 的意义 变量单位物理意义 g ( 4 ) 万吨井次陆上常规老区措施增油量 g ( 5 ) 万吨口 陆上新区稠油单井产量 g ( 6 ) 万吨口陆上常规老区新井单井产量 g ( 7 ) 万吨口陆上新区稀油单井产量 g ( 8 ) 万吨口海上新区单井产量 q ( 9 ) 万吨吨陆上三采吨聚增油量 2 1 1 2 成本约束 平均吨油成本不大于规定的吨油成本 厂3 9 、厂4 9 、 i c ( 女) q ( ) + c ( ) g ( 女) - x ( 女) i 川q ( 女) + g ( ) x ( 庀) i c 二 ( 2 3 ) 女= 】 = 5 ，i = 4 k = 5 其中，c 表示平均吨油成本上限( 元吨) 。 西安石油大学硕士学位论文 2 1 1 3 投资约束 各部分投资之和不超过总的投资限制 9 ，( 】) + j ( 七) x ( ) i z ；d 其中，厶表示总投资上限( 亿元) 。 表2 - 4 各部分投资变量表 ( 2 4 ) 投资变量单位物理意义 j o ) 亿元勘探，管理等投资 i ( 4 ) 亿元井次陆上常规开采措施单位工作量投资 f ( 5 ) 亿元口陆上稠油新区新井单井投资 f ( 6 ) 亿元口陆上常规开采新井单井投资 f ( 7 ) 亿元口陆上新区单井投资 f ( 8 ) 亿元口海上新区单井投资 f ( 9 ) 亿元吨陆上三采吨聚投资 2 1 1 ，4 决策变量约束 九个决策变量要满足上下限约束 q b ( 女) sq ( ) q j ( 女) ，k = 1 ，2 ，3 ( 2 - - 5 、 x b ( 女) x ( 女) 矗( 女) ，k = 4 ，9 其中，o ( k ) 表示陆上常规老区自然产量、陆上老区稠油、海上老区部分的产量等 产量下限： q ( k ) 表示陆上常规老区自然产量、陆上老区稠油、海上老区部分的产量等产量上 限： 纸( ) 表示陆上常规老区措施、陆上新区稠油几部分的工作量下限； 溉( 七) 表示陆上常规老区措施、陆上新区稠油几部分的工作量上限。 对每年输入相应的指标，通过对优化模型的求解，可以得到决策变量的值，进而， 可以求出规划期内每年总的和分构成的产量、利润、成本等指标。 各部分产量、利润的计算： o 第二章油田开发规划优化模型的建立 陆上常规老区自然产量、陆上老区稠油、海上老区部分的产量、利润、成本、投资。 陆上常规老区自然产量、陆上老区稠油、海上老区部分的利润、成本分别用 r ( a ) ，c ( ) ，( 七= 1 , 2 ，3 ) 表示。 产量q ( 七) ，( = 1 , 2 ，3 ) 由模型直接解出； 利润r ( k ) 由下式计算： r ( 女) = ，。( ) q ( 七) ( 1 + ) 一“1 ( = 1 , 2 ，3 ，4 ) ( 2 - - 6 ) 成本c ( k ) 由下式计算： c ( k ) = c ( k ) q ( k ) ( 1 + 7 j ) 一1 ( 2 7 ) 勘探，管理等投资，( 1 ) 为已知。 陆上常规老区措施、陆上新区稠油、陆上常规老区新井、陆上新区、海上新区稀油、 陆上三采的产量、利润、成本、投资。 陆上常规老区措施、陆上新区稠油、陆上常规老区新井、陆上新区、海上新区稀油、 陆上三采的产量、利润、成本、投资分别用q ( ) ，r ( k ) ，c ( 女) ，( 女) ，( = 4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) 表示。 它们可由措施增油量、新井单井产量、陆上三采吨聚增油量指标，以及决策变量即措施 工作量、钻井井数、陆上三采注聚量等通过如下公式求出。 产量q ( k ) 由下式给出： o ( k ) = g ( 女) x ( k ) 利润r ( k ) 由下式计算： ( k = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ( 2 8 ) 月( ) = ，一( 女) g ( ) x ( ) ( 1 + 1 ) 一。1 ( = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ( 2 9 ) 成本c ( k 1 由下式计算： c ( k ) = c ( 女) - q ( k ) x ( k ) 投资l ( k ) 由下式计算： ( k = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ( 2 - - 1 0 ) ( k = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ( 2 - - 1 1 ) 2 1 2 产量最大化线性模型 产量最大化是以某油田总产量最大作为目标，其模型的建立如下 西安石油大学硕士学位论文 3 9 m a x z = q ( ) + 9 ( 女) - x ( 女) ；】c 4 ( 2 1 2 ) 。t 陲c ( 七) 似啪9 砸) 吲”砌) f 壹缈) + 9m ) 叫) s c ： ( 2 1 3 )s t i c ( 七) - q ( 女) + c ( t ) - g ( 女) - x ( ) i 1 q ( ) + g ( ) x ( ) i sc ： ( 2 1 3 ) 女= i k ；4 i ；i k = 4 ，( 1 ) + f ( 女) x ( ) ，： ( 2 1 4 ) q ( 尼) 蔓q ( t ) 兰q ( a ) ，女= 1 , 2 , 3 ( 2 - - 1 5 、 x b ( k ) x ( ) x u ( 女) ，k = 4 ，9 模型中各参数的物理意义与利润最大化模型相同。 2 2 非线性优化模型 2 2 1 利润最大化非线性模型 这里决策变量的选取与线性优化模型相同。 以q ( k ，x ) ( k = 5 , 6 ，7 ，8 ，9 ) 表示常规开采措施增油量、常规开采新井产量、陆上新区 稀油产量、陆上新区稠油产量、海上新区产量、陆上三采增油量，它们是工作量的非线 性函数。 表2 - 5 变量q ( k ，x ) ，( k = 5 ，9 ) 的意义 变量 单位物理意义 万吨井次陆上常规老区措施增油量 q ( 4 ，x ( 4 ) ) 万吨口 陆上新区稠油单井产量 q ( 5 ，x ( 5 ) ) 万吨口陆上常规老区新井单井产量 q ( 6 ，x ( 6 ) ) 万吨口陆上新区稀油单井产量 q ( 7 ，x ( 7 ) ) 万吨口 海上新区单井产量 q ( 8 ，x ( 8 ) ) 万吨吨陆上三采吨聚增油量 q ( 9 ，x ( 9 ) ) 2 2 1 1 目标函数 目标函数仍然是以九个部分的利润之和最大为目标函数。对于第t 年 ( t = l ，2 ，5 ，t 为规划年) 有： 将九个部分的利润之和最大作为目标函数，即： 39 i t i a x z = r ( a ) q ( 女) ( 1 + 1 + r ( 女) - o ( k ，了) ( 1 + ) 州 ( 2 1 6 ) 第二章油田开发规划优化模型的建立 r ( ) ，( a = 1 ，：9 ) 表示吨油利润( 元吨) r ( k ) = ( p t c ( 女) ) 1 1 ，k = 1 ，9 ( 2 一1 7 ) 其中，p 表示吨油价格( 元吨) ；t 表示吨油税金( 元吨) ；c ( ) ，( = 1 ，8 ) 表示第t 部分的吨油成本( 元吨) ；r ( f ) 为规划期内第f 年的折现率；w ，为商品率。 2 2 1 2 成本约束 平均吨油成本不大于规定的吨油成本 3 9 、r3 9 、 i c ( 七) q ( 七) + c ( ) q ( k ，z ) l i q ( ) + g ( 女，z ) x ( ) i c ： ( 2 1 8 ) 。ll = d t k = l = 4 其中，c = 表示平均吨油成本上限( 元吨) 。 2 2 1 3 投资约束 各部分投资之和不超过总的投资限制： 羽) + 舭) z ( ) s 上 ( 2 1 9 ) 其中，j ，表示总投资上限( 亿元) 。 2 2 1 4 决策变量约束 九个决策变量要满足上下限约束 o a k ) sq ( 女) 包( ) ，k21 , 2 , 3 ( 2 2 0 ) x a k ) sx ( 七) x a k ) ，k = 4 ，9 对每年输入相应的指标，通过对优化模型的求解，可以得到决策变量的值，进而， 可以求出规划期内每年总的和分构成的产量、利润、成本等指标。 各部分产量、利润的计算： 1 ) 陆上常规老区自然产量、陆上老区稠油、海上老区部分的产量、利润、成本、 投资 陆上常规老区自然产量、陆上老区稠油、海上老区部分的利润、成本分别用 月( ) ，c ( ) ：( t = 1 , 2 ，3 ) 表示。 产量q ( 女) ，( = 1 , 2 ，3 ) 由模型直接解出； 利润r ( k ) 由下式计算： r ( k ) = ，( ) q ( k ) ( 1 + 。 西安石油大学硕士学位论文 成本c ( k ) 由下式计算： c ( 七) = c ( 七) q ( 七) ( 1 + ) 一一 投资为加) 为己知。 ( 2 2 2 ) 2 ) 陆上常规老区措施、陆上新区稠油、陆上常规老区新井、陆上新区、海上新区 稀油、陆上三采的产量、利润、成本、投资。 陆上常规老区措施、陆上新区稠油陆上常规老区新井、陆上新区、海上新区稀油、 陆上三采的产量、利润、成本、投资分别用q ( ) ，r ( 七) ，c ( 女) ，( ) ，( 女= 4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) 表示。 它们可由措施增油量、新井单井产量、陆上三采吨聚增油量指标以及由优化模型解出的 决策变量即措施工作量、钻井井数、陆上三采注聚量通过如下公式求出。 产量q ( k ) 由下式给出： q ( k ) = q ( k ，x ( 尼) ) 利润r ( k ) 由下式计算： r ( k ) = r ( k ) q ( k ，x ( 女) ) ( 1 + ) o 一 成本c ( k ) 由下式计算： c ( k ) = c ( 女) q ( k ，x ( ) ) 投资l ( k ) 由下式计算： ( k = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ( 2 2 3 ) ( k = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ( 2 2 4 ) ( k = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ( 2 2 5 ) ( k = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) ( 2 2 6 ) 2 2 2 非产量最大化线性模型 产量最大化仍是阻某油田总产量最大作为目标，其模型的建立如下 ( 2 2 7 ) ，3 9 、f3 9 、 s t i c ( ) q ( _ ) + c ( ) q ( k x ) 1 i q ( ) + q ( ，x ) i c ： ( 2 2 8 ) * = 1 女t 4 j k = l k = 4 删) + x ( ) 上 ( 2 2 9 ) 砧q ， + ) d 一 ，n i i 三酞m 第二章油田开发规划优化模型的建立 q i ( ) q ( k ) s q i ( ) ，k = 1 , 2 ，3 h ( ) x ( k ) 矗( 女) ，k = 4 ，9 模型中各参数的物理意义与利润最大化模型相同。 ( 2 3 0 ) 西安石油大学硕士学位论文 第三章油田开发规划优化模型中参数预测与非线性拟合 3 1 油田开发规划优化模型中参数预测 为了油田的中长期规划的需要，必须对模型中所要用到的参数及非线性关系进行预 测和拟合。 很多油田参数是随着开采时年份等而变化的，例如，油田开发各区块单井产量都是 随着年份而变化的，计算求解优化模型时，需要利用未来的油田开发参数代入模型进行 求解，未来油田开发参数的获得只能通过历史数据并运用相应的数据预测算法进行预测 而得到，需要预测的数据主要包括措施增油量、油田各部分产油量等参数，所采用的预 测模型主要分为以下两种。 问题描述：设有一组数据序列： y ( 0 ) ，y ( o ，y ( 庀) ， 其中：y ( 七) 表示在k 时刻变量y 的取值。 变量y 的变化规律的确定问题，实质上是一种数学建模问题。建模的方法通常有两 种：机理建模与系统辨识( 经验建模) 。机理建模建立在对所考虑的对象物理或化学规律 非常明了的基础之上。系统辨识的建模思想则是建立在系统输入，输出历史数据的基础 之上，它并不需要对系统的机理信息有明确的了解。将一律采用系统辨识方法来确定某 个变量的变化规律。采用的模型有两类：线性模型，非线性模型。线性模型为一带有外 部激励的线性自回归滑动平均模型，非线性模型为一多层前向神经网络模型。 3 1 1 带有外部激励的自回归滑动平均模型( a r m a x ) 一个a r m a x 模型可描述如下： y ( j j ) = a 女一1 y ( k 一1 ) 十a 一2 y ( k 一2 ) + + 。叫y ( k 一开2 ) + 卢+ v ( 3 1 ) 其中： a ，a t 一2 ，c k - m , 卢) 7 = x 为待估参数。 y ( k 一1 ) 为y ( k ) 前一时刻的数据值，v t 表示测量误差。 而上式可写成矩阵相乘形式 第三章油田开发规划优化模型中参数预测与非线性拟台 y ( 尼) = 0 ( 七一1 ) y (