（油气田开发工程专业论文）提高注水系统效率的理论与方法研究.pdf

s t u d yo nt h e o r i e sa n dm e t h o d s o fe n h a n c i n gt h e e 佑c i e n c yo fw a t e r - i n j e c t i o np i p es t a t i o n l i nm u ( o i la n dg a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e 嘶n 曲 d i r e c t e db yl im i n g z h o n g a b s t r a c t w r a t e ri n j e c t i o nt os t l 栅i so n eo ft h em a i nm e t h o d st op r o d u c eo i la s h o r ei no u r c o u n t 巧h o w e v e r ，1 0 we 衢c i e n c ya n de n e r g yw a s t e e x i s ti nw a t e r 两e c t i o ns y s t e m si na l m o s t a l lo i l 仃e l di no u fc o u n t r y t h e r e f o r e ，i t sv e 巧e c o n o m i c a la n d 印p l i e da tm es 锄et i m et o r a i s e 、a t e r 蝎e c t i o ns y s t e me m c i e n c ya i l dt 0r e d u c ee n e r g yd i s s i p a t i o n e 伍c i e n c yt e s t i n g a n du n i tc o n s u m p t i o nc a l c u l a t i o no fo i l f i e l dg r o u n dw a t e ri n j e c t i o ns y s t e m 、a se s t a _ b l i s h e d 劬mi t ss t m c t u r e s t h ef a c t o r st h a ta 脏c t 恤w a t e r - i n j e c t i o np i p es t a t i o ne m c i e n c y 、v a s a n a l y s e d6 o mt h r e ea s p e c t s ，、v h i c ha 代e l e c t r o m o t o r ，w a t e “n j e c t i o np i p es t a t i o np 啪p a n d t l l ee m c i e n c yo ft h ep i p el i n e na l s op u tf o r 姗丽m em e t h o do fw a t e 卜i 巧e c t i o np i p es t a t i o n t e c h n i q u e so p t i m i z a t i o n ，e n h a r l c e m e n to fw a t e 卜i 面e c t i o np i p es t a t i o np 啪pe 街c i e n c y ，t h e m a t c h i n go fp r e s s u r ep 啪pa n dw a t e r - i n j e c t i o np i p e s t a t i o np i p el i n e ，t l l ee i l l l a n c eo f w a t e r - i 巧e c t i o np i p es t a t i o ne 伍c i e n c y a i m e da tt h ec k m l c t e r i s t i co fw a t e r - i n j e c t i o np i p e s t a t i o nt e c l l l l i q u ca n dt 1 1 et a c h eo fw a t e 卜i 巧e c t i o np i p es t a t i o ns y s t 锄，i tp u tf 0 侧a r dt l l e n l o d e lo fa c t u a le n e r g yc u 鹏n t 锄dt h ec a l c u i a t em o d e lo fe v e r yw a t e r - 蝎e c t i o np i p es t a t i o n u 1 1 i t na i s oe s t a b l i s h e st h es t 锄d a r dc o m b i n i n gt h cc h a r a c t e r i s t i co fe v e r ) rc a l c u l a t em e t h o d b e s i d e s ，t h i sp 印e rh a sa l s op r 0 鲈猢e d as o r w a r em a ts u i tt 0t l l eo i lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：w 缸e r 埘e c t i o np i p e s t a t i o ns y s t e m ，e 衔c i e n c y o p t i m i z a t i o nd e s i 印， c a l c u l a t i o n 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名一辑冬 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位做储躲站长 指导教师签名： 锄广 日期： 日期： 年月日 年月 日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 1 问题的提出 第1 章前言 注水是油田开发的一种十分重要的开采方式，它可以有效地补充地层能量，对提高 原油采收率，确保油田高产、稳产起到了积极作用。但是，注水本身消耗了大量的能量。 据统计，油田注水耗电量一般占油田总用电量的3 3 5 6 ，并且随注水量的增加还将 持续上升【1 1 。 各油田的注水系统能力逐年增加。在油田高含水开发期，必须控制原油综合含水率 增长速度，而精确实施配注方案是控制含水率增长的一项重要的技术措施，所以需要对 地面注水系统进行动态模拟，确定最佳开泵方案，实现最优配注。 当油田进入高含水开发期，为保持油田稳产，注水量迅速增加，注水耗电量也随含 水率的上升而急剧增长。当含水率超过7 0 时，注水系统用电超过整个油田总用电量的 4 0 ，成为油田地面工程五大系统中耗能最大的系统。因此，对系统进行合理的改造， 提高油田注水系统效率，对实现注水系统的最优节能控制具有重要的意义【2 】。 此外，随着注水新区块的不断开发、油田注水管网覆盖面积增加，管网的复杂性随 之增大，这势必给系统的管理和高效运行带来更大的难度。因此，需要用最优化的理论 对新区块的建设提供科学的论证和设计。 资料和油田调研表明：油田急需一套方便、快捷、可靠的注水系统优化、设计和管 理软件。而目前，国内提高地面注水系统效率的主要途径是选用节能设备。而怎样对整 个地面注水系统进行动态模拟、改造和优化设计，至今研究不多。 长期以来，各油田对油藏注入水的配伍性、水质、水质处理技术及驱油效率较为重 视，而对地面注水系统的研究较少，通常依靠经验和试凑方法进行注水系统的设计和改 造，缺乏科学的依据。 1 2 油田注水工程概述 随着油田逐渐进入高含水开发时期，原油产量逐年下降，原油生产成本逐年上升。 为了保证油田开发建设的经济效益，减缓原油生产成本的上升速度，需要大力开展油田 地面工程系统综合优化节能降耗技术研究。几大油田在对油田生产现状进行深入分析研 究的基础上，指出了控制能耗和成本面临的形势和困难；提出了优化调整改造地面工程 第l 章前言 的基本思路；针对部分系统及区域低效运行问题，通过优化调整改造，提高系统运行效 率，降低运行费用；针对油田生产成本控制难度增大的问题，采取有效措施，努力降低 水、电、气等生产消耗p j 。 注水是油田生产中的耗能大户。随着油田注水量的增加，注水耗电量呈逐年上升趋 势。为了遏制油田注水耗电量的上升，最大限度地降低原油生产成本，大庆、华北等油 田开展了注水系统优化节能降耗方面的研究工作。进行大型注水系统优化需要解决3 个 问题：一是需要注水系统各注水站的压力和流量根据管网特点与配注量相互配合；二是 要求各注水站运行特性与管网运行特性的匹配都要良好；三是要求各注水站的注水泵按 最高效率的流量运行。这3 个方面互相关联、互相制约，在某些情况下还互相矛盾，因 此必须对系统各部分和各因素统筹协调，才能达到能耗最低的目的。 油田注水是一项复杂的系统工程，它是以注入水的水质处理和水质稳定为手段，以 保护油层为基础，达到保护油层压力，实现油田稳产增产的目的i 训。 注水系统效率是一项反映油田注水系统地面工程综合性经济技术的指标，注水系统 效率的高低直接影响着原油生产成本的高低。随着油田开发工艺技术的不断发展，全国 各油田在注水系统上己初步形成了适合本油田各种类型油藏、不同注水压力、不同水质 特点的满足油田注水开发需要的地面工艺技术，为油田的稳产、增产创造了良好的条件。 但随着油田开发难度的增加，大部分油田的注水系统效率都未达到标准要求。 注水系统是由若干子系统组成，包括水源和供水系统，水处理系统，地面注水加压 系统，注水井井下工艺系统等。每个子系统又包括若干环节。注水系统中的各个环节由 管道连接在一起，形成一个连续的密闭的水力系统。系统中的厂、站、井通过管道连成 网状，形成一个相互制约的不可分割的整体【5 j 。 地面注水系统的运行过程中，主要是对系统的运行调度管理。在此过程中，随着时 间和环境的变化，油田注水的工艺参数要发生变化，注水系统的运行参数也应该改变以 适应变化了的条件，这对生产调度是十分重要的。 油田地面注水系统的优化运行，是在正确分析地面注水系统运行效率的情况下，在 满足配注要求的前提下，对地面注水系统实行最优控制。 在油田开发的不同阶段，随着油层物理特性、油水性质的变化，需根据耗水量、含 水率、驱油效率、注入水体积波及系数等参数指标对地面注水系统进行改造，从而保证 油田的开发速度和最终采收率，这也涉及到地面注水系统的优化问题。 油田地面系统的优化改造问题，首先研究系统的当前运行状态找到造成油田地面注 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 水系统运行效率低下的主要矛盾，提出节能改造方案和要求，为系统改造提供决策依据， 以确保改造后系统运行效率提高，注水单耗降低，从而提高企业的经济效益。 油田地面注水系统是油田注水系统的重要组成部分。地面注水系统工程的设计不仅 在很大程度上决定了注水工程总的基建投资，而且决定着注水系统整体运行成本。 如何根据最优的开发方案规划和设计油田地面注水系统是减少投资和提高注水系 统运行效率的主要措施之一。地面注水系统的规划建设初期，根据油田区块位置分布、 油田可采储量与采油年限、环境因素及井网分布等条件来确定处理厂、注水站、注水管 网的位置和规模、确定管道的技术参数和规格，从而形成完整的注水系统【6 】。 油田地面注水系统的规划建设，既应满足功能和工艺条件的要求，同时应使该系统 建设投资、营运管理费用最省，具备良好经济效益。地面注水系统的运行过程中，主要 是对系统的运行调度管理。在此过程中，随着时间和环境的变化，油田注水的工艺参数 要发生变化，注水系统的运行参数也应改变以适应变化了的客观条件，这对生产调度是 十分重要的。 油田地面注水系统的优化运行，是在正确分析地面注水系统的运行效率的情况下， 在满足配注要求的前提下，对地面注水系统实行最优控制【7 1 。 在油田开发的不同阶段，随着油层物理特性、油水性质的变化，需根据耗水量、含 水率、驱油效率、注入水体积波及系统等参数指标对地面注水系统进行改造，从而保证 油田的开发速度和最终采收率，这也涉及到地面注水系统的规划技术问题。 1 3 注水系统能耗分析 我国大部分油田都位于陆相含油气盆地之中，为陆相沉积油藏。陆相沉积油藏的主 要地质特征是砂体沉积规模较小，储层非均质性严重；原油含蜡高，粘度高；边底水不 活跃，天然能量小。这样的油藏依靠天然能量开采，采油速度和采收率很低，只有采用 人工补充能量，保持地层压力的开发方式，才能达到较高的采油速度和采收率。向地层 注水是我国陆上油田的主要采油措施之一。通过注水有效地补充了地层的能量，提高了 原油采收率，确保了油田的高产和稳产。但是，注水本身消耗了大量的能量，随着油田 进入高含水期开发阶段，注水量大幅度增加，注水耗电显著上升【8 】。 油田注水系统主要由电机、注水泵、注水泵出口流量调节阀、注水管网、井口及注 水井等构成除了注入地层的有效能量外，注水系统能量要消耗在电机、注水泵、调节 阀、管网和井口及井简各处，由此构成了注水系统的总能耗，如图1 1 所示。 3 第l 章前言 系 簿 芟 鐾 图1 一l 油田注水系统能流图 f i g l - 1t h ee n e r g yc o s u m p t i o nd i a g r a mo fo i l n e i dw a t e ri n j e c t i o n 在总能耗中，电机的能耗可表示为总能耗的( 1 r i 电机) 倍，约为4 5 ；注水泵 的能耗可表示为总能耗的t l 电机( 1 n 泵) 倍，一般为1 9 2 4 ；注水管网( 包括调节 阀、管网和井) 的能耗可表示为总能耗的r l 电机n 泵( 1 1 1 管网) 倍，一般为1 5 2 0 。 注水系统的能量利用可用注水系统效率表示，见式( 1 1 ) 。 刁系统= 魂机刁泵，7 管网 ( 1 - 1 ) 式中 碾统系统效率； 魂机电机效率； 蚀泵效率； 硌网管网效率。 分析注水系统效率指标的组成因素，由于电机效率变化幅度很小，因此影响注水系 统效率的主要因素是注水泵效率和管网效率，而影响注水泵效率和管网效率的主要因素 是注水系统的运行方案。当注水系统运行方案合理时，系统能耗较低；反之，系统能耗 较高【9 1 。 1 4 国内油田注水系统现状 我国地面注水系统普遍存在以下问题【1 0 】： ( 1 ) 老型号水泵泵效偏低； 4 系统输入能量 中国石油大学( 华东) 硕l 学位论文 ( 2 ) 由于油层注入压力和地质配注量处于变化之中，使注水泵排出量与配注量不 匹配，导致产生泵管压差，注水时常在节流状态下运行，偏离了泵运行的高效区，同时 又因为节流白白损失了能量； ( 3 ) 注入水站能力、干线能力分布与注水井点分布不协调。注水能力增加主要是 依靠老站改造，其次才是新建注水站，因而造成局部注水站超负荷运行，敷设的管线过 长，加之管线结垢、腐蚀，从而使管线的沿程磨阻损失增加； ( 4 ) 由于油层非均质性，可能出现注水井注水压力差别大，以一个注水压力系统 满足油田多层系注水，势必造成配水车间单井阀门控制节流损失过大。 ( 5 ) 大多数柱塞泵站都存在大马拉小车的现象，通常为满足注采平衡要求，不得 不通过回流将多余流量返回大罐，有些注水站甚至有5 0 的泵排量回流到大罐，致使注 水系统注水单耗非常高，效率低下，造成大量的电能损失； ( 6 ) 由于不同时期油田开发配注量的调整，注水量的波动较大。为适应注水量的 变化，需频繁调整注水泵的运行方式。在没有变频调速设施的情况下，只能通过调整开 泵台数或人工调节阀门来控制流量。如果泵压波动变化时，工人不能及时发现和调节， 就会造成超注、欠注的情况发生。 1 4 1 多级离心注水泵 我国油田注水泵工作压力一般在1 8m p a 左右，泵排量在1 5 0 4 0 0 m 3 h 。1 9 9 2 年 全国平均注水泵运行效率7 1 2 ，长庆油田注水泵平均运行效率7 5 5 ，大庆萨南油田 平均运行效率7 8 0 9 ，大港油田平均运行效率7 1 o 。为了提高注水泵效率，除对注 水泵采用了打光叶轮、改造流道等技术措施外，主要推广使用大中型高效注水泵。目前， 大庆油田使用的d 2 5 0 、d 2 8 0 、d 3 0 0 、d 4 0 0 注水泵运行效率达7 6 81 。大港油田、 华北油田使用的6 d 8 0 、6 d 1 0 0 注水泵通过改造流道后，使注水泵效由原来的6 8 提高 到7 4 【1 1 1 。 国外多级离心泵都向大排量、高转速方向发展，尤其是德国k s b 公司生产的多级 离心泵，流量范围为3 9 2 4 4 5 4 m 3 h ，扬程1 4 2 3 3 8 0 3m ，转速4 4 6 0 6 7 0 0 r 1 1 1 i n ， 有些泵效高达8 2 5 以上1 1 2 】。 1 4 2 柱塞泵运行 国内油田对于注水排量小于5 0 m 3 h 的注水泵，大都选用柱塞泵，主要采用3 h 型、 5 第l 章前言 5 z b 型( 大港) 、3 d l 型( 淮坊) 、3 1 2 5 型、3 1 7 5 型( 宁波) 。柱塞泵运行效率高，一般 在8 0 8 2 左右。由于它具有排量小，匹配组合灵活的优点，多用于注水量小的外围 油田和产量低的断块油田及高压注水油田【13 1 。 青海油田采油三厂采用柱塞泵注水。柱塞泵最大的缺点是运行噪音大，易损件多， 维修周期短。 1 9 8 2 年，江汉油田从美国k o b e 公司引进4 j c 3 型和t a 5 型三柱塞泵，在马西深 层油田使用，运行效果良好，产品质量过硬，3 5 年不大修，比国内柱塞泵使用寿命 长【l 引。 1 4 3 增压注水泵 近几年来各油田为提高注水系统效率和配注率，采用了对特低渗透层的增压注水工 艺，其中主要使用增压泵。 1 4 4 注水用电单耗 注水用电单耗主要由注水泵运行效率、电机运行效率、管网平均运行效率和注水压 力决定。我国油田注水压力一般在1 2 1 6 m p a ，平均注水泵效率为7 2 1 ，注水系统效 率4 7 8 。“八五期间中国石油天然气总公司规定注水用电单耗不能超过6 0 k w h t ， 大港油田为7 7 9 k w h t ，中原油田为8 5 k w h t ，而国外平均为6 0 k w h t 。我国 注水用电单耗平均水平与国外差距较大【1 5 1 。 1 4 5 注水工艺流程 在工艺流程上，国外一般采用二级注水流程，便于管理和实现自动化。我国大多采 用以下几种流程【1 6 】。 ( 1 ) 单管多井配水流程 单管多井配水流程见图1 2 。 该流程由注水站将承担3 4 座配水间，每座配水间控制4 6 口井，计量后进注水 井。它的特点是便于调整注水管网，配水间可与油气计量站合一，便于管理。这种流程 适用于油田面积大，注水井多，注水量大的大面积注水开发的区块，如大庆、胜利、辽 河等油田多采用该流程【1 7 l 。 ( 2 ) 单管单井配水流程 该流程的特点是配水间在井场，每条干线管辖l 5 口井，分层测试方便。适用于 油田面积大、注水井多、注水量较大的行列注水开发区块。如大庆油田多采用该流程。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 注水井 图1 2 单管多井配水流程 f i g l - 2 w a t e rd i s t r i b u t i o np r o c e s s e so fs i n g i e - p i p ea n dm u l t i - w e i b ( 3 ) 双管多井配水流程 双管多井配水流程见图1 3 。 注水井 图l - 3 双管多井配水流程 f i g l 3 w a t e rd i s t r i b u t i o np r o c e s s e so fd u a i - p i p ea n dm u n i w e l b 该流程从注水站到配水间有两条干线，一条用于正常注水，一条用于洗井用水。适 用于单井注水量较小的地区，有利于保持水质。该流程多用于洗井次数多和酸化、压裂 等较多及环境条件要求高的区块【l 引。 ( 4 ) 分压注水流程 7 第1 章前占 分压注水流程见图1 4 。 注水井注水井 图1 4 分压注水流程 f i g l - 4 f 豫c t i o n a lp r e s s u 代w a t e r i n j e c t i o np m c e s s 伪 当多油层油田的渗透率差别很大时，需要用压力不同的两套管网，对高、中渗透层 和低渗透层实行分层注水，既满足高渗透层系统的注水压力，节约了能量，也满足低渗 透层的注入压力，使低渗透层吸水能力增加，达到了增油效果【l 引。 ( 5 ) 增压注水流程 图1 5 是分压流程示意图。 对于同一区块的部分特低渗透层的注水井，同一管网的注水压力注不进水，需要采 用增注措施，如中原油田的文南油田增注站，注水效果很好。 1 5 优化技术 注水干线 增压注水泵 注水 图1 5 增压注水流程 f i 9 1 5b o o s “n gp m s s u 他w a t e ri n j e c t i o np m c 鹤s 伪 注水系统效率是由电动机效率、注水泵效率和注水管网效率三部分组成如何实现 8 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 技术先进、经济合理、高效率的注水系统，是一项很复杂的综合技术难题提高注水系 统效率首先应从总体规划上优选适应不同油田特点的注水工艺流程，合理布置井站及注 水管网。缩短输水距离，以达到减少沿程压力损失降低无功能耗的目的。对柱塞泵，可 根据压力和流量的要求，调换柱塞直径z 0 。 从事任何工程项目，不管是设计新系统还是改造己有系统，通常总存在各种不同的 备选方案，人们总是按照一定的标准从中选出最好的方案予以实施，使系统能最优地达 到预期的目标，这就是工程最优化问题。最优化技术一般可分为两个方面【2 l 】： ( 1 ) 建立数学模型 将实际生产或技术的最优化问题表示成最优化的数学模型。模型由一组数学关系 式，如方程、不等式、逻辑依赖关系式等组成。它们反映了物理定律、工艺约束等各个 方面。 ( 2 ) 求解数学模型 对己经建立的最优化数学模型进行分析、处理，根据模型的数学结构和特点选用适 当的计算方法，求出实际问题的满意最优解。 1 5 1 工程用最优化方法分类 工程中的大多数最优化问题通常属于非线性规划问题，其计算方法有z ：】： ( 1 ) 解析法 对于目标函数及约束条件具有简单而明确的数学表达式的最优化问题，通常可采用 解析法来解决。其求解方法如古典微分法、古典变分法等，是先按照函数极值的必要条 件，用数学分析方法求出其解析解，然后按照充分条件或问题的实际物理意义间接地确 定最优解。 ( 2 ) 数值解法 对于目标函数较为复杂或无明确的数学表达式或无法用解析法求解的最优化问题， 通常可采用数值法来解决，如消去法、爬山法、牛顿法、变尺度法等等。数值法的基木 思想，就是利用函数局部区域上的一些特性及一些点的函数值等条件，通过数学迭代程 序进行运算，以产生点的序列，使之逐步接近到最优点，直至产生出最优解【z 引。 ( 3 ) 图解法 对于欲求极值的单变量或多变量函数，用几何作图的方法，画出图形，从图形上直 接观察，找出函数的极值点。 9 第l 章前苦 ( 4 ) 现代优化方法 对于越来越多的复杂控制对象，一方面，人们所要求的控制性能不再单纯的局限于 一两个指标；另一方面，上述各种优化方法，都是基于优化问题具有精确的数学模型基 础之上的。但是许多实际工程问题是很难或不可能得到其精确的数学模型的。这就限制 了上述优化方法的应用。随着模糊理论、神经网络等智能技术和计算机技术的发展。近 年来，现代优化方法得到了重视和发展。 1 5 2 相关优化技术进展 ( 1 ) 管道系统的最优设计 对石油天然气设计问题或其局部进行优化始于2 0 世纪6 0 年代。w b n g ，p ，j 和 l a r s o n ，r e ( 1 9 7 2 ) 用动态规划的方法对一个己知管段的长度、直径和压缩站数目且 没有分支的天然气管道的进站和出站压力进行了最优化。但是，与e d g 鸩t f 等人 ( 1 9 7 3 ) 用用广义简约梯度法对同一例题所作的最优化结果相比，w b n g ，p j 和l a r s o n ， r ，e 所得到的结果是不正确的，因为未能使约束条件得到满足【2 4 。 m 矾c h ，h b 也用动态规划的方法对一个管网的各点压力进行了最优化，但压缩站 的数日与位置及各管段直径都是顶先给定的【2 5 1 。 r o t h f m ，b 等人( 1 9 7 0 ) 发展了一种合并技术，可以剔除那些不经济的直径组合和 网络，而且无需枚举，这样便使可能的直径搭配数与节点数之间大体上呈线性关系而不 是按指数规律增加。这样，这一技术便为采用动态规划方法对天然气管网进行最优化提 供了一个有效的手段。他们还介绍了一种试探程序。可用来协助对管网的布局进行最优 化。z a d e h ，n ( 1 9 7 3 ) 对i b t h f 抽，b 等人的方法提出了若干改进。他建议用最小费用流 的方法或者用动态规划与排序相结合的方法来求解相同的问题【2 6 。 f l a n i g a l l ，0 ( 19 7 1 ) 用有约束最速下降法对管道的直径和压缩机的功率进行优化， 同时满足若干非线性的约束条件。设计变量被分成决策变量与状态变量两类，每次迭代 均算出相应的雅可比矩阵的行列式的比值，以考虑山约束决定的状态变量与决策变量之 间的相互影响。可是，他没有对压缩站的数量与位置进行优化，也没有考虑不等式约束 【2 7 1 o b h 邪l 【a r 锄，s 等人( 1 9 7 9 ) 研究了天然气集输管网的优化设计。这样一个系统的设 计问题可以再区分为系统布局子问题、节点位置子问题和直径分派子问题。他们解决了 直径分派子问题。其方法是在给定的管网布局下用线性规划方法来选定各连接管路的直 1 0 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 径使得管网的总费用为最少。但是，在这个模型中并没有考虑压缩机站的位置【2 引。 c h e e s e m a n ，a p ( 1 9 7 1 ) 是用坐标轮换的方法寻优以使管道费用最小。对一个有约 束的非线性问题而言，坐标轮换方法可以使设计时间相对减少7 0 ，设计费用相对减少 3 0 ，设计质量也得到了提耐2 引。 s o l i m a i l ，fi 和m u n a g h ，b a ( 1 9 8 2 ) 发展了一种算法，可以对给定的具有树形结 构的管网系统的压缩站数目、压力比和直径进行最优化。该算法用稀疏矩阵方法处理变 量数目较多的情况，并对目标函数的泰勒展开式的二阶项取拟牛顿近似，在解出管道直 径的最优连续解以后，再用次梯度优化方法解出管道直径的离散值1 3 0 1 。 陈森发等人( 1 9 7 9 ) 对城市排水管网系统布局设计提出了改进的逐步生成法，其是 以管网的投资费用为目标函数，运用图论知识构造优化树，兼顾了新管段的引入对排水 管网系统下游管段费用的影响。冯越等人( 1 9 9 8 ) 综合考虑了管网的投资费用与长期运 行的损耗费用，运用网络优化技术，采用d i j k s t r a 算法生成最小费用树的方法对油田注 水管网进行了模拟研列3 1 j 。 张其敏( 2 0 0 0 ) 以输气管道的终值费用为目标函数，运用混合离散变量优化方法对 有分支的天然气管道设计进行了研究。终值费用是指将管道和压气站的建设投资费用以 及其运行管理费用按相同的年利率折算到设备寿命末年时的费用。混合离散变量优化方 法综合了爬山离散搜索和查点策略的思想。潘红丽等人( 2 0 0 2 ) 以集气站间的加权距离 最小为目标函数，运用分级优化的方法对气田地面集输管网设计进行了研究。集输管网 参数设计时也是采用管网投资和运行最小费用为目标函数，采用惩罚函数法求解。他们 把整个系统分为三个子问题：井组的划分、集输管网的布局和集输管网的参数设计。在 此基础上，利用模型协调法调管网布局和参数的关系 3 2 】。 ( 2 ) 管道系统的最优运行 g o p a l ，vn ( 1 9 8 0 ) 提出了一个对管道泵站的运行进行最优化的方法。目标是根据 每个动力机的燃料消耗率，决定应开动哪些泵组，在保证所需流量的前提使总燃料费用 为最小。用整数规划算法来选择最优的泵组搭配。只需要对很少几种组合进行计算。 o m s b e e 等人( 1 9 8 9 ) 对于给水管网提出了基于动态规划阶段优化控制方法，是将优化 问题分解为上层的水库水位动态轨迹最优化问题和下层的泵站内部的水泵组合优化问 题，联接两者的是特定水库水位下的最优泵供水型3 3 。 j o 、v i t t ，p w ( 1 9 9 2 ) 基于建立在一系列假设基础上的管网宏观模型，提出了供水系 统优化控制的线性规划方法，该方法是以在调度时段内水泵的运行时间、阀门控制流量、 1 1 第l 章前言 水库水量为决策变量的线性目标函数。n e v a i l s ( 1 9 9 4 ) 针对美国西德克萨市p e 咖i a j l 盆 地油n r u 油田注水项目进行油藏和地质综合研究，围绕提高注水井吸水能力、减少油 层伤害进行了大量细致的工作，提出了有效的系统管理、水质监测、水质指标及处理的 合理方案，为油藏的高效开采起到了积极作用。s 吼g ，w 等人( 1 9 9 7 ) 提出了一种混合 网络模型，用最小费用生成树来定最优路径，用来选择最优管径。o 玎，c h 等人( 1 9 9 7 ) 对给水管网提出了调度数据库的在线控制模型。其首先是控制预处理器从历史调度方案 中选择与前水量以及管网布置匹配的冷制方案以及相应方案下的水力状态数据，然后利 水力计算模型对所选抒的控制方案进行校核，选择计算结果与参考结果最为匹配的方案 作为实际运行方案【3 引。 周军阳等人( 1 9 9 8 ) 提出了一个z a 模型，用稳态流动方程来进行天然气集管网分 析，用线性理论求解基于z a 模型的网络方程。吕谋等人( 1 9 9 9 ) 提出对大规模的供水 系统的回归模型，将控制问题分解为求解各泵站间最优流量分的上层问题和求解己知流 量、压力的泵站内部最优水泵组合的下层问题。上层题采用广义简约梯度法求解。下层 问题则采用枚举法求解【3 5 。 孟振虎等人( 2 0 0 2 ) 基于输油工艺的实际情况，以进站油温为变量，给出了一定输 油量和稳态条件下密闭输送原油管道泵管耦合运行的日标函数，采用等降试算迭代法和 逐站工艺计算的方法，对输油管道全线运行进行了优化【3 6 。 1 6 国内外技术水平比较 ( 1 ) 在工艺流程上，国外一般采用二级注水流程( 即注水站内设配水间，注水干 线串注水井) 。这种流程便于管理和自控操作，而我国大都采用三级流程( 即注水站、 配水间、注水井口) 。 ( 2 ) 在稳定注水水质上，国外技术措施完善，如注水管线有内涂层，注水站内设 置中心过滤器，井口设置井口过滤器，并配套投加水质稳定药剂。目前国内注水管道的 内涂层，特别是接口技术虽基本过关，但中心过滤器和井口过滤器未全面推广使用，水 质稳定技术尚未完全配套。 ( 3 ) 注水自动化水平国外比国内高。全部运行工况和故障情况，包括注水压力、 流量、效率、功率、振动、温度等都实现了计算机监控。 ( 4 ) 国内注水泵产品系列初步形成，但品种不全，还不能满足各油藏注水开发的 需要，国外有完整的系列产品可供选用。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 ( 5 ) 国外柱塞泵产品质量好，3 5 年不大修，国内柱塞泵易损件多，一个站年 更换5 0 0 6 0 0 件次。 1 7 主要研究内容 本论文以油田注水系统为研究对象，在整个网络大体线路勘察设计方案确定以后， 根据油气集输、图论和最优化设计理论，采用分级优化的策略，将整个油田注水管网的 优化设计问题分为中间站( 包括注水站和配水间) 站址的优化、注水管网的布局优化和 参数优化三个子问题，并对每个子问题建立了相应的数学模型，并采用有效地寻优方法 对各个数学模型进行求解。并通过编写软件说明优化设计方法的可行性。 首先利用图论和其他相关理论完成对注水管网的描述。根据本研究的特点，建立注 水管网规划优化的总体数学模型。由于问题的复杂性，将其分为几个子问题进行分析、 求解。 采用分步优化理论解决以下几个问题： ( 1 ) 注水管网的布局优化问题：确定网络的拓扑形式，即确定管网连接方式及布 站方式。下列各子问题的之间可用迭代的方法连接。 水间与注水井之间隶属关系的确定及配水问地址的优选 根据注水井网的分布特点、注水井的数量、压力和注水量、配水间的配注量和注水 半径，确定配水间的大致数目，以注水井到配水间之间的距离之和最短为目标，建立注 水井号集合划分的数学模型，寻找优化算法，确定最优的井号集合，从而确定配水间与 注水井之间的隶属关系。然后在此基础上利用加权中心法优选配水间的位置。 具有确定网络拓扑关系的注水管网的总体布局优化 所谓给定网络拓扑关系，是指管网系统中注水井、配水间和注水站之间的所属关系 己经确定，这样就确定了注水管网的拓扑结构，问题就在于确定管网中若干点的最优位 置。以注水站到各配水间之间的管线费用最小为目标函数，建立总体布局优化数学模型。 寻找优化算法，确定注水站和配水间在管网中的最优位置。 ( 2 ) 注水管网的参数优化问题：确定各管段管径、壁厚等管网参数( 主要是各管 段管径的确定) 。 充分利用注水泵水头对管网管径进行优化，保证每段管线在满足工艺要求的条件下 管径最小，同时使之节流压力最小。以全系统的效率最高和管网投资最小为目标函数建 立注水管网参数优化的数学模型，文中还涉及到了离散优化理论，确定管段的最优管径 1 3 第l 章前言 组合。 ( 3 ) 油田地面注水管网规划优化软件的开发编制 采用软件工程学的方法，编制完成了油田注水系统规划优化设计软件，该软件结构 合理、操作方便、界面友好。 最后论文通过实例计算表明：该优化设计方法对于提高油罔注水生产的经济效益方 面效果显著。该设计方法对油田各大系统的其它优化研究应具有一定的启发性和参考价 值。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕_ ：学位论文 第2 章注水系统的构成与测算 注水开发是现阶段油田的主要开发方式，也是补充地层能量、提高采收率的主要手 段。目前，各大中型油田开采中形成了设备完善的油田地面注水系统，即由注水站、注 水管网及注水井口组成的系统。注水费用在原油生产成本中所占比例日趋增高【37 。因此， 计算油田注水系统效率，分析影响注水系统效率的因素，优化注水工艺，合理匹配注水 设备，从而提高注水系统效率，降低注水成本，提高油田开发经济效益，显得尤为重要。 2 1 系统的构成 注水系统是由若干各子系统组成，包括水源和供水系统、水处理系统、地面注水加 压系统、注水井井下工艺系统等。每个子系统又包括若干环节。注水系统中的各个环节 由管道连在一起，形成一个连续的、密闭的水力系统。系统中的厂、站、井通过管道连 成网状，组成一个相互制约、相互影响和不可分割的整体。 水源有地面水( 包括江河、湖泊、水库) 、地下水( 水源井取水) 、海水、含油污水 等，需经不同程度、不同工艺的处理，使之达到注入水质标准。进行水处理可单设水处 理站，亦可与注水站联合设置合一水站，小型注水站常与独立的小水源联合设站。注水 站是注水系统的核心部分，其作用是担负注水量短时存储、计量、升压、注水一次分配 和水质监控等任务。配水间的工作是对注水站来水进行计量、调节、控制；在进行水井 增注、封堵、解堵或其它注水措施时，利用泵站来的高压水，从配水间挤入注水井，减 少一些井下作业任务。注水井口是注水系统地面工程的末端，是实现向地下注水的地面 装型3 引。 油田注水系统主要由电机、注水泵和注水管网三大部分组成。注水管网由泵阀，干 线、配水间、单井管线和注水井等组成。 图2 1 为注水系统结构图。 从图中可以看出，注水系统是由节点单元( 包括注水站、配水间、注水井及管线交 汇点) 和管道单元( 包括注水干线、注水支线) 组成的大规模复杂流体网络系统【3 9 。 1 5 第2 章注水系统的构成与测算 图2 1 注水系统结构图 f i 9 2 - lf l o o d i n gs y s t e ms t m c t u r ed r a w i n g 根据有关规定注水系统各部分效率值的要求见表2 1 。 表2 1 注水系统各部分的效率值 1 陌b i e 2 一l e f n c i e n c yo fe v e r yp a no fm ew a t e r i j e c t i o ns y s t e m 项目离心泵注水系统柱塞泵注水系统 电机效率( )9 5 5之9 2 5 注水泵效率( )之7 5 0之8 5 0 管网效率( )兰7 0 0之7 6 o 系统效率( )5 0 05 8 0 从表2 1 中可以看出，离心泵注水系统的电机效率要求比柱塞泵系统的高，而其他 各项柱塞泵注水系统要求相对更高。 2 2 系统的测试 由于油田注水系统是多个以注水站为中心的多节点不规则的网状系统，因此，计算 分析系统效率时必须对全系统进行全面的调查测试，不能以部分数据代表全系统，数据 应是系统单元的全集。 油田注水地面系统效率测试和单耗计算可按照中华人民共和国石油天然气行业标 准s 5 2 6 5 1 9 9 6 油田注水地面系统效率测试和单耗计算方法执行。 在现场实际操作中对其中参数的测量和计算选值较难掌握，计算比较繁琐。进一步 简化取值和计算，使之更适合现场的应用是很有必要的。常用的办法是利用投入( 提供 给系统的电能) 和产出( 系统提供的能量) 来进行对比分析。 在对整个注水系统的分析中，表征能量的有反映注水管网中介质状态的温度参数f 、 压力参数尸和流量参数q 。注水温度的变化是通过改变介质的粘滞性来影响介质状态 的，进而影响程摩阻损失、注水效纠删。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 2 3 本章小结 ( 1 ) 分析了注水系统的构成，确立了注水系统各部分效率最低值，离心泵注水系 统效率要求5 0 ，柱塞泵注水系统效率要求5 8 0 。 ( 2 ) 确定了油田注水地面系统效率测试和单耗计算方法。 1 7 第3 章注水系统效率分析计算模型的建立 第3 章注水系统效率分析计算模型的建立 油田地面注水系统总是在一定的工艺条件下按照投资和运行费用最省的原则优化 设计的，但是随着生产中实际情况的变化，先前按照某一工艺条件优化设计的系统在变 化了的工艺条件下不一定是最优的。因此，应该在变化了的条件下对已建的油田地面注 水系统进行优化运行研列4 。 对于己建的油f f l 地面注水系统，由于其能耗占油田总能耗的重要比例，如何在满足 工艺要求的前提下有效降低其能量消耗成了实际生产中人们最关心的问题。这也是优化 运行的主要目标。降低能耗的问题也就是提高其运行效率的问题。可见，要研究油田地 面注水系统的优化运行，首先必须解决系统的效率分析问题1 4 2 。 各注水单元效率的高低如何，是否达到系统的设计效率或者生产实际要求，需要一 个科学合理的判断。此外，各注水单元常常由很多部分组成，比如注水泵站可能有几台 泵机组，如果计算出来的效率偏低，究竟是哪一台或几台机组出现了问题，该如何改造 等等问题，均不能由一个单元的效率来分析完成【4 3 。 生产实际中关心的是哪个环节出现了问题，该如何整改以提高系统整体效率。这也 就是常说的节能改造的问题。 对于单根注水干线或者某一配水问和注水井口管线的效率计算完全可以根据前面 介绍的投入产出法进行计算。而注水电机和注水泵其效率可以单独计算。 3 1 能流模型 一般说来，注水系统效率由注水泵效率、电机效率和注水管网效率三项乘积而得。 为了更好地分析各注水单元的运行效率，可将注水管网效率进一步细化为注水干管效 率、配水效率、注水单井管线效率的乘积，从而得到注水系统效率计算公式见式( 3 - 1 ) ： 叩：= ，7 。，7 p ，7 。，7 ，7 。 ( 3 - 1 ) 式中 叩：系统注水总效率； 仉注水电机运行效率； 注水泵运行效率； 仉蛀水干管运行效率； 1 r 中国石油大学( 华东) 硕j ：学位论文 叩。配水效率； 叩。注水单井管线效率。 根据效率计算公式和油田地面注水工艺系统的能流模型。 欲评价地面注水系统的运行是否合理，必须细致地分析系统的用能路线及各子系统 的效率。 根据能量平衡原理可知： 输入功率= 电机损失+ 水泵损失+ 节流损失+ 管网磨损+ 进入注水井口的水力功。 要降低能耗，必须降低能量损失，根据国内油田的调查，对地面注水系统的能力损 失可做如下分析： ( 1 ) 电机损失：其大小主要取决于电机自身的无功能耗多少，受设备机型和质量 优劣影响较大。 ( 2 ) 注水泵损失：在整个能量损失中所占比例较大，主要由机械磨损、容积漏损 和水力能量变换损失构成。 ( 3 ) 节流损失：能量损失由两部分组成，即泵出口阀的节流损失和配水间的节流 损失主要是由泵特性与管网工作特性不匹配造成的。 ( 4 ) 管网磨阻损失：能量损失的大小与配注管线的管径、管长、管内壁绝对粗糙 度等直接相关。 3 2 数学模型的建立 3 2