我国的原油消费对外依赖程度已经高达60.6%,严重威胁到我国能源安全和国家安全,开发海洋石油和天然气是缓解我国油气资源不足的重要手段,但海洋石油和天然气开采成本和消耗资源都极高,利用计划优化方法来优化采油生产全过程,无疑会带来巨大的经济效益。基于上述因素,本文针对海上采油过程,提出了从水下采油系统到水上平台的全过程集成优化方法。在综合考虑采油树生产安排,注驱,存储,人工举升等环节和海底管线的流动安全保障基础上,首次建立了海上油气生产全流程的多周期计划优化模型,针对该混合整数非线性规划（MINLP）模型,研究了基于水下采油机组批次分解的拉格朗日优化分解策略;在考虑原油订单的需求、水下环境的变化等不确定因素情况下,对不确定性海上油气生产计划优化问题进行了研究。论文主要的研究内容如下:针对当前研究中只单独考虑对油气生产操作层面的优化问题,首次提出并研究了典型海上油气生产过程的集成计划优化。对操作层而言,综合考虑了水下生产采油井的启停,井底压力的变化,人工举升（电潜泵）的能耗,化学驱注入量对采收率的影响和水上平台对原油的存储;对流动安全保障而言,研究水下管线温度预测模型的建立,考虑了水合物生成的预防以及除蜡周期的预测。在过程模型的基础上,采用离散时间表示方法最终将该集成计划优化问题描述为MINLP模型。针对所建立优化模型的大规模MINLP问题,本文提出了一种将多批次机组同时优化分解为单批次机组优化策略。利用拉格朗日松弛算法,引入拉格朗日乘子将多批次机组耦合约束松弛,并构建对偶问题形成循环迭代,以解决长周期多机组的操作状态二值变量与操作负荷连续变量同时优化,以及存在非线性问题。仿真结果表面,该方法可以大幅减少求解规模,快速优化得到结果,提高模型的求解效率。考虑生产过程中可能存在的不可控情况,研究了存在不确定情况下海上油气生产计划的建模及求解,以提高计划优化结果的鲁棒性。利用鲁棒对偶优化理论,使用鲁棒不确定集合来描述不确定因素,例如产品需求和地质参数的随机波动,建立了基于离散时间表示的海上油气生产不确定计划优化模型。利用机会约束规划的概率描述来决定鲁棒不确定集合的大小,将不确定计划模型中的不确定约束转化为确定性约束,然后进行求解,得到优化结果。论文所研究的算法针对实际的海洋石油和天然气生产进行了仿真,结果表明所建立的MINLP模型能够适应实际的生产过程,优化结果能大幅降低生产成本,所研究的内容为海洋石油和天然气生产优化提供了新的方法。