海上油气田工程系统承担着海上油气田采出物的收集、处理及集中输送的功能,其设计方案比选是海上油气田开发“前期研究”阶段的主要任务。同时海上油气田工程系统建设投资巨大,对其进行整体优化设计是降低海上油田开发成本,提高设计人员工作效率的关键,但前人未曾系统完整地对其进行优化研究。本文将“前期研究”的主要问题重新归纳梳理为工程模式优选、拓扑结构优化和建设周期优化三个问题。针对海上油气田工程模式优选问题,运用模糊层次分析法,建立了海上工程模式综合评价模型,综合考虑了工程模式的可靠性、经济性和适应性。实例应用表明相比仅考虑经济性指标的传统模型,该模型兼顾了工程模式可靠性和地区适应性,优化出了最合适的工程模式。针对海上集输系统拓扑结构优化问题,本文考虑了浅海集输管网连接形式特点和生产工艺等因素,建立了以总投资费用最小为目标函数的MILP模型,以“半海半陆式”和“全海式”两个典型真实案例为算例,结果整体费用分别比前人方案减少40.8%和30.1%。针对海上开发设施建设周期优化问题,本文考虑到油藏以及油价不确定性,以总净现值最高为目标函数,耦合油藏数值模拟模型,建立了多情景混合整数线性规划模型,实例表明本模型给出的方案收益率更高,抗风险能力更强。本文为优选海上油气田工程模式和集输系统设计提出了新思路,为现场设计人员提供有力参考。