（机械设计及理论专业论文）油田注水地面系统优化运行及单井增压技术研究.pdf

摘要 捅芰 注水作为油田开发的一种十分重要的开采方式，可以有效地补充地层能量， 对提高原油采收率，确保油田稳产或高产起到积极作用。但是，注水过程消耗了 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4 0 5 0 ，并且 随注水量的增加还将持续上升。为适应不同时期、不同阶段油田对注水量的变化 要求，需要经常地调整注水系统生产运行方案。多年来，注水系统的运行主要是 靠注水管理人员的经验来实施，难以保证系统在优化的状态下工作，致使注水效 率较低，注水能耗偏高。因此，进行注水系统优化运行技术研究，对于提高注水 系统运行效率、降低注水能耗、实现油田地面工程高效、低耗、有序调整和科学 管理将起到重要作用。本文主要从以下几个方面开展了研究： 分析研究了油田注水系统的工艺流程和管网结构特点，采用流体力学理论和 有限元节点连接的思想，建立了油田注水系统树枝状管网和环状管网水力计算的 数学模型。由于求解模型属于大型非线性方程组，根据注水管网的结构特点提出 了相应的简化策略，并采用迭代法进行求解，提高了问题的求解效率和可靠性。 在给定管网拓扑结构的条件下，以管网的初始投资和运行费用之和最小为目 标，建立注水管网参数优化模型，利用遗传算法对注水管网的管径进行优选，并 编制了计算分析软件，结果表明采用遗传算法确定管网参数，能够实现投资和运 行费用最低的目标。 研究了油田注水系统开泵方案优化问题。提出了基于泵站注水系统效率最高 的泵站运行优化模型，应用神经网络技术和选用复合形法优化算法，能有效的实 现泵站节能。由仿真实验所得结果可知，该方法具有计算速度快和收敛精度高的 优点，能明显提高注水泵站优化设计的质量。 在综合考虑管网改造投资和注水系统运行费用的基础上，建立了油田注水系 统改造工程优化设计的数学模型，综合了注水管网系统改造管网优化布局、管线 参数优化及改造后系统的优化运行，采用两层迭代的计算方法对模型进行求解， 结合设计人员对油田开发形势的综合分析，可确定出最佳的改造方案。 对油田正在使用的不同材料、热处理方式和工作年限下的注水用油管柱进行 了耐压试验和腐蚀量的测试，结合其机械性能，对实际油井内的油管进行了使用 北泵工业大学工学博士字位论文 效果评价，同时对j 5 5 和n 8 0 钢级新旧油管在不同下入深度上的组合进行了设计， 并给出了确定下入深度时能承受的注水压力。 最后为解决油田单井增压注水工艺的需要，利用帕斯卡原理设计了井底差动 式高压增压器，根据增压原理建立了增压系统的数学模型和系统的仿真模型，通 过仿真分析表明，设计的增压器能满足单井增压注水工艺的使用要求。 关键词：数学模型；优化设计；评价改造：油管柱：增压器 i i a b s t r a c t i i i l i ii i i ；ii 鼍曼曼皇 a b s t r a c t a so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o d u c i n gm e t h o di no i l f i e l d d e v e l o p m e n t w a t e r f l o o d c a l le f f e c t i v e l ye n h a n c ep r o d u c i n ge n e r g ya n dr e c o v e r yr a t i ot og u a r a n t e et h e 1 1 i 曲 p r o d u c t i o na n ds t a b l ep r o d u c t i o no f o i l f i e l d h o w e v e r ，i ta l s oc o n s u m e saq u a n t i t yo f e n e r g y ，w h i c hi sa b o u t4 0 5 0 o ft h eo v e r a l le l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n dw i l l c o n t i n u o u s l yg e th i g h e rw i t ht h ei n c r e a s eo fw a t e ri n j e c t i o n t oa d a p tt od i 伍：r e n t r e q m r e m e n to fw a t e ri n j e c t i o nf o ro i l f i e l di nd i f f e r e n t s t a g e s ，w o r k i n gm e t h o do f w a t e r f l o o ds y s t e ms h o u l db ea d j u s t e dr e g u l a r l y a sw a t e r f l o o d s y s t e m sh a v eb e e n o p e r a t e qb ya d m i n i s t r a t i v ep e r s o n n e lf o ry e a r s ，t h ee f f i c i e n c ya l w a y sk e e p sv e r y1 0 w w h i l ec o n s u m p t i o ns t a y sv e r yh i g h s ot h er e s e a r c ho f w o r k i n go p t i m i z a t i o nb e c o m e s n e c e s s a r ya n dv e r yi m p o r t a n t t h er e s e a r c hi t e m so f t h ep a p e ra l ea sf o l l o w s ： t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fw a t e r f l o o d s y s t e ma n dc h a r a c t e r i s t i co fp i p e l i n e n e t w o r k sw e r ea n a l y z e da n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o r h y d r a u l i cc a l c l l l a t i o no f d e n d r i t i cp i p e l i n en e t w o r k sa n dc y c l i c a lp i p e l i n en e t w o r k sw e r es e tu pb a s e do nf l u i d m e c h a n i c st h e o r ya n da n a l y s i si d e ao ff i n i t ee l e m e n tn o d e sc o r l e c t i o n s t h e s em o d e i s b e l o n gt ol a r g en o n - l i n e a rs y s t e ma n ds h o u l db ec o m p u t e db yi t e r a t i o nm e 也o dw i m s i m p l i f i e da n a l y s i s t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fp i p e l i n en e t w o r k sb e i n g g i v e n , t h eo p t i m i z a t i o n m o d e lo f p i p e l i n en e t w o r kp a r a m e t e r sw e r es e tu p ，w h i c ht o o kt h el e s ti n v e s 蜘e m 觚d w o r k i n ge x p e n s ea si t sg o a l c a l i b r e o p t i m i z e db yg e n e t i ca l g o r i t h ma n d o fw a t e ri n j e c t i o n p i p e l i n en e t w o r k sw a s c o m p u t a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ew a sa l s o d e v e l o p e d t h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a te s t a b l i s h i n gp i p e l i n en e t w o r kp a r a m e t e r sb y g e n e t i ca l g o r i t h mc a nf u l f i l lt h eo b j e c to fm i n i m u mi n v e s t m e n ta n d w o r k i n ge x p e n s e o p t i m i z a t i o nm e t h o df o rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fw a t e r f l o o ds y s t e mw 觞 s t u d i e d t h ew o r k i n go p t i m i z a t i o nm o d e lo fp u m p i n gs t a t i o nt o g e tt h em a x i m u m e f f i c i e n c yw a sp r o p o s e d w i t ht h ea p p l i c a t i o no fn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g ya n d c o m p o u n df o r mm e t h o d ，e n e r g y 。s a v i n gf o rt h ep u m p i n gs t a t i o nc a ne f f e c t i v e l y a c h i e v e - r e s u l to fs t i m u l a t e de x p e r i m e n tp r o v e st h a t t h i sm e t h o dc a no b v i o u s l v i m p r o v et h eq u a l i t yo fo p t i m i z a t i o nd e s i g no fp u m p i n gs t a t i o n , f o ri to b t a m sf a s t c o m p u t a t i o ns p e e da n dh i 曲c o n v e r g e n c ep r e c i s i o n b a s e do nt h ei n v e s t m e n to f p i p e l i n en e t w o r kr e c o n s t r u c t i o na n d w o r k i n ge x p e n s e o fw a t e r f l o o ds y s t e m ，am a t h e m a t i c a l m o d e lf o r o p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e r e c on s _ t m c t l o np r o j e c tw a se s t a b l i s h e d , w h i c hc o n s i s t e do f o p t i m i z a t i o nl a y o u to f 北京工业大学工学博士学位论文 r e c o n s t r u c t e dp i p e l i n en e t w o r k s ，o p t i m i z a t i o no fp i p e l i n ep a r a m e t e r sa n dw o r k i n g o p t i m i z a t i o no fr e c o n s t r u c t e ds y s t e m f i n a l l y ，t h eb e s tr e c o n s t r u c t i o ns c h e m ec a l lb e o b t a i n e dw i t ha p p l i c a t i o no ft w ol e v e l si t e r a t i o na l g o r i t h mt oc o m p u t et h em e t h o da n d 、析t l lg e n e r a la n a l y s i so ft h eo i l f i e l dp r o d u c t i o nt r e n do b t a i n e db yd e s i g n e r s i n t e r n a lp r e s s u r et e s ta n dc o r r o s i o nt e s to fw a t e ri n j e c t i o np i p e l i n e si ns e r v i c e 晰md i f f e r e n tm a t e r i a l s ，d i f f e r e n tt h e r m a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa n dd i f f e r e n tl e n g t h so f s e r v i c ew e r ec a r r i e do u t e f f e c t i v ee v a l u a t i o nw a sa l s od e v e l o p e d m e a n w h i l e ，t h e c o m b i n a t i o no fd i f f e r e n ts e t t i n gd e p t h sf o rt h eu s e dt u b i n ga n dn c w t u b i n go fj 5 5s t e e l a n dn 8 0s t e e lw a sd e s i g n e da n dt h ew a t e ri n j e c t i o np r e s s u r ei nc e r t a i ns e t t i n gd e p t h w a s g i v e n i no r d e rt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n to fs u p e r c h a r g i n gw a t e r f l o o dt e c h n o l o g y ，a d o w n h o l ed i f f e r e n t i a lh i g hp r e s s u r eb o o s t e rw a sd e s i g n e db yp a s c a rt h e o r ya n dt h e s i m u l a t i o nm o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lw e r ea l s oe s t a b l i s h e db ys u p e r c h a r g i n g t h e o r y r e s u l to fs i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w st h a tt h ed e v e l o p e db o o s t e rc a l ls a t i s f yt h e u t i l i z a t i o nr e q u e s to fs u p e r c h a r g i n gw a t e ri n j e c t i o nt e c h n o l o g yf o rs i n g l ew e l l k e y w o r d s ：m a t h e m a t i c a lm o d e l ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；e v a l u a t i o nr e c o n s t r u c t i o n ； t u b i n gs t r i n g ；b o o s t e r i v 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，也不包含为获得北京工业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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：碰：竺：! 兰。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：舛导师签名：徘 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 油田注水概述 1 1 1 油田注水的作用 深埋在地下的油层具有一定的天然能量和压力，当开采时，油层压力驱使原 油流向井底，经井筒举升到地面，地下原有在流动和举升过程中，要受到油层的 细小空隙和井筒内液柱重量及井壁摩擦力等阻力。如果仅靠天然能量采油，采油 过程就是油层压力和产量下降的过程。当油层压力大于这些阻力时，油井就可以 实现自喷开采，当油层压力只能克服孔隙阻力而克服不了液柱重量和井壁摩擦力 时，就要靠抽油设备开采。如果油层压力下降到不能克服油层孔隙压力时，油井 就没有产出物了。 一个油田在进行开发时，为了保持油田较长的开发周期和原油产量的稳定， 基本上都要采用保持油层压力的开采方法。世界上很多国家都在研究如何用人工 的办法保持地层压力，向油层补充能量，使之达到多出油、出好油的目的。目前 比较成熟的措施有：注水、注气、注蒸汽及火烧油层等【1 1 。 油田注水的作用可概括为：保持或提高油层压力；使地下油气有充足的能量， 维持长期的稳产或高产；提高油田采收率；将含油污水回注，减少环境污染；填 充油层孔隙，防止地层塌陷。 与其它物质相比，水具有无可置疑的优点，二方面水的来源比较容易解决， 把水注入油层是比较便宜的；另一方面，从一个油层中用水来排油，水作为介质 十分理想。当然，还应看到注水井中的水柱本身具有一定的压力。水在油层中具 有的扩散能力，使油层保持较高的压力水平，由于保持油层压力始终处于饱和压 力以上，就会使地下原油中溶解的天然气不会大量脱出而使原油性质稳定，保持 良好的流动条件。这样，就可以便油井生产能力保持旺盛，能够以较高的采油速 度采出较多的地下储量，有利于提高油田原油的采收率2 1 。从1 9 5 4 年开始在玉 门油田首先采用注水以来，国内的各大主要油田先后都进行了油田的注水开发， 以使油田长期稳定高产。在世界范围内，注水保持压力开采方法已经得到了大面 积的推广【3 1 。 如何通过控制注水和控制产出水量是油田保持长期稳产、高产，即用“控水 来达到“稳油 的目标，是中高含水期油田保持高产、稳产的重要技术内容。这 北京工业大学工学博士学位论文 就要求控制油井高含水层的产水量，并且通过注水井调整不同油层的注水量，有 效的控制注、采水量的增长幅度。要达到上述目的，就必须正确运行整个注水系 统，保证系统内的流量和压力具有最适当的分布。随着油田的不断开发，油田的 注水系统在增产、稳产中的作用也越来越突出。 随着油田的开发，油田含水不断增加，产液量也在迅速上升。为了继续实现 油田稳产，油田能耗将急剧升高。因此，充分发挥已建和在建的生产能力，进一 步控制并降低注水损耗，减少生产能耗，已成为今后油田生产过程中的重要任务。 1 1 2 注水系统及其组成 注水系统主要由注水站、注水管网( 含配水间) 和注水井口等设施组成。 ( 1 ) 注水设备选型 注水设备选型应考虑以下几方面的因素： 满足油田开发方案的需要； 油、气含量比例情况； 电力供应情况； 注水泵生产供应情况； 高效、安全、低成本，维修量小，连续运行时间长，管理方便： 在满足油田注水需要情况下，应尽量减少泵型，以便于修配管理和改造。 在一般情况下，注水量小时，宜采用多缸柱塞泵；注水量大时，宜选用多级 高压离心泵。 ( 2 ) 注水站的布局 注水站的布局应根据油田开发方案，近期和远期相结合，建在注水负荷的中 心，并把供水供电、注水、排水、水处理等有机地结合在一起。泵站的规模应以 注水井分布，注水量大小，注水泵的性能，注水管线的规格以及自动化程度和管 理水平等因素而定。泵站中注水泵的备用量按照目前的机械制造、维修和生产管 理水平，备用1 3 1 4 是合适的。 ( 3 ) 配水间 配水间的作用是： 分配水量、控制和计量，即把从注水站来的高压水按油田开发方案的需要， 保质保量地注入地层； 2 第l 苹绪论 配合井下作业施工，减少作业费用和工作量； 配水间可分为单井配水间和多井配水间两大类。 ( 4 ) 注水井及井口 注水井及井口应满足以下几个方面要求： 注水，要能满足油管注水、套管注水及混合注水的要求； 洗井，要能正洗井、反洗井、计量油压和套压，并能取水样； 试井，能测量井下压力、温度，井下取水样，探测砂面高度，分层测试注 水量及油层压力等。 ( 5 ) 注水管线 注水管线应在注水井的分布区域内合理布置，并有利于节约人力、物力及生 产管理。而且应在考虑经济性的情况下，做好管线的水力计算和强度计算。 1 1 3 油田注水方式 注水开发的油田有两类注水方式，即边外注水和边内注水1 1 。 边外注水是在含油层外缘以外打注水井注水。适用于油田面积小，地层倾角 大，油层连通性好，油层均匀及边底水活跃的油田。 图卜l 边缘注水 f i g l 一1w a t e ri n j e c t i o ni ns i d e l i n e 边内注水是在含油范围内，按一定方式布置注水井注水。其形式较多，主要 分为以下几种： ( 1 ) 内部横切割注水( 或行列注水) 。一般用于油层渗透率较均匀，油层分布 面积大，断层少的油田。它的特点是：按注水井排成区块进行开发，两注水井排 间为一独立的开发单元，注入的水从注水井排向两侧生产井排推进，水淹区比较 集中，生产井排单方向受到注水影响。切割区内注水和生产井分期分批转注和投 3 北京工业大学工学博士学位论文 ! i i i i i 产，因而注水井两侧的生产并排采油速度较高。在开发过程中可根据油田开发动 态变化，调整注水系统，改变注水方式。 ( 2 ) 腰部注水。用于开发油层边部渗透性变差，含有面积较大的穹窿背斜油 田。 ( 3 ) 顶部注水。适合油层面积大，油层边缘渗透率低或者有气顶的油田。 ( 4 ) 面积注水。适应性较广，目前世界各国普遍采用，特别适合于油层形状 分布不规则且零星分布，渗透性差及断层不规则的油田。 布并方式有三点法、四点法、五点法、七点法、九点法及反九点法等。 九点法 七点法 反九点法 五点法 四点法三点法 图1 2 注水井网 f i g l 2i n j e c t i o nw e l l sp a t t e r n 1 1 4 油田注水压力 注水压力( 指注水井口压力) 的高低，是决定油田合理开发和地面管线及设备 的重要参数。注水压力低，注水量满足不了油田开发的需要，必然造成油层压力 下掣1 0 】；注水压力过高，浪费动力及钢材。因此，确定合理的注水压力，是注水 工程地面建设的中心环节。 注水压力必须来源于可靠的资料，一般根据以下几点考虑： 4 第1 蕈绪论 ( 1 ) 开发油田缺少地质资料时，应开辟注水试验区，选取不同油层、不同区 域，特别是渗透及原油粘度变化大的区块，分层试注，分别选取每一段的注水压 力、注水量等原始资料。试注时间长短，应以达到上述参数的稳定为准。 ( 2 ) 参考新开发区( 或新油田) 的试采资料，如酸化、压裂等，或者参考附近 油田已注水区域的实际注水压力。 ( 3 ) 缺乏上述资料时，一般可以粗略计算，即注水压力( 井口压力) 等于1 o 1 3 倍油层压力。 目前世界上推广高压注水，注水压力一般按照原始油层压力的0 8 一1 3 倍 计算，但实际注水压力为原始油层压力的0 8 0 9 倍【4 1 。 ( 4 ) 注水压力应以开发层系中的中低渗透率层段能完成配注量为基础，并考 虑到强化注水和注入其它介质，如增粘剂等。 1 2 注水系统流程、特点及研究意义 地面注水系统与油气田地面集输系统的最大区别在于介质的流向。对地面集 输系统，介质( 油、气) 是从生产井经各级集油( 气) 管线汇集到各集油( 气) 站，最 后到联合站( 集气总站) 经处理后外输。油田地面注水系统所输介质( 水) 经离心注 水泵站加压后由注水干线到各配水间，各配水间将水压力调节到注水井口所需的 压力，并由注水支线输送到注水井口进行配注。从工艺上讲，油气集输系统将各 井生产的压力不同的介质“集结”到各集油( 气) 站，并最终将介质压力统一到同 一压力下进行处理。而地面注水系统是将相同压力的介质“分配”到各配水间且 根据不同的井口压力的需求对介质压力进行调整( 或降压，或增注) ，以满足工艺 的要求。这也是地面注水系统与地面集输系统另一个大的不同点。 1 2 1 注水系统流程和特点 油田注水系统的基本流程为：水源注水站管网配水间注水 井地层，其中地面部分的流程为水源注水站管网配水间注 水井井口，如图1 - 3 所示。地下部分的流程为注水井地层，图卜4 为注水井 和地层的剖面图。 北京工业大学工学博上学位论文 曼! ! 曼鼍曼曼! 曼! 曼曼曼! 曼曼! 皇曼詈曼曼曼暑! i 一= ； 二i i ! ! ! 曼量曼 注水井地面升压后的高压水输向地层的通道 图卜3 注水系统地面网络示意图图1 - 4 注水系统地卜流程示意图 f i gl 一3 t h es k e t c hm a po fw a t e r f l o o ds y s t e ma b o v eg o u n d f i g l 4 t h eu n d e r g r o u n df l o ws c h e m a t i cd r a w i n go fw a t e r f l o o ds y s t e m 从注水流程可以了解到注水系统是由注水站、配水间和注水管网相互联系的 一个庞大复杂的系统【4 _ 8 1 。它主要具有以下特点： ( 1 ) 系统规模庞大 对于一个油区的注水系统往往十分庞大，系统内注水站有几个甚至几十个， 配水间的个数可达几十个甚至上百个，而且根据配注压力的不同又有低压区和高 压区之分。 ( 2 ) 系统变量多、参数多 系统规模的庞大决定了系统变量和参数的数量大。例如，各注水站的注水泵 型号、台数和参数各不相同；管网结构千差万别；各注水井所处的地质情况不同， 其配水问和配注参数也不同。所以系统在分析计算时选择的变量必然多。 ( 3 ) 系统具有相关性 一方面因为个注水站的水不可能只注入到某个固定的配水间( 或注水井) ， 所以当注水站改变注到某个配水间的水量时，必然会影响到注入其它配水间的水 量；另一方面注水站与注水站之间也互相影响，当某一注水站参数发生变化时， 必然会影响到和其相联系的注水站的参数。系统的这种相关性也给注水系统的研 究带来了很大的难度。 6 第l 荦绪论 曼! 曼! 曼量曼曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼皇曼! ! ! 曼曼曼曼詈皇曼曼曼曼曼曼曼! ! 鼍曼! ii 鼍曼! 皇! 曼皇曼量鼍! 皇皇曼皇舅皇! 曼曼曼! 鼍曼曼曼皂曼! 舅曼曼曼曼曼曼 ( 4 ) 系统结构的多样性 由于注水系统的结构与油田的油井地理分布有关，所以各油田的注水系统结 构不尽相同。例如，在一些油田的注水系统中配有井口增压装置( 即当从注水站 来的高压水不足以克服阻力进入地层时在注水井的井口进行再次增压的装置) ， 而有些没有。 ( 5 ) 功能综合 复杂的系统其所具有的功能往往是多方面的、综合性的。功能的综合性取决 于目标的综合性。注水系统的目标可以是多个，如采收率最高、能量消耗最小、 成本费用最低、可靠性高等。 1 2 2 研究意义 正是由于注水系统具有以上特点，可以清楚的看n - 一方面，对整个系统进 行优化运行后，如果整体性能稍加提高便可获得可观的经济效益；另一方面，注 水系统在规划、设计、建设和运行过程中，需要考虑的内部因素多，需要观测辩 识的参数多，注水系统所处的环境的外部因素也多，因此，注水系统是一个多输 入、多输出、多干扰的多变量系统，而且系统又是动态的，常有不确定的因素， 控制和管理之间往往没有明确的界限，属于非常复杂的优化问题，涉及到离散优 化、多目标优化、非线性优化等多方面的优化理论，对于这类问题无论用经典的 还是现代的优化理论去求解，都会遇到很大的困难。 尽管注水系统结构复杂、功能综合，但随着智能控制技术和计算机技术的飞 速发展为油田注水系统的优化调度研究提供了技术支持。结合油田注水系统运行 特点，开展油田注水系统优化调度研究以实现注水系统优化运行和生产过程自动 化已成为油田注水系统节能降耗研究的一个主要研究热点。油f 开注水优化调度系 统便于集成相关学科已有和最新的知识和经验，并充分利用计算机的数值计算和 逻辑分析能力，为注水系统的优化运行提供依据，使决策者有可能从更为广泛、 深入的角度考虑增效节能措施，这对提高油田注水系统生产效率、降低原油开采 成本具有重要的理论意义和实用价值。 1 3 大型注水系统研究现状 注水是我国大多数油田执行“注水保持能量”开发方针的基本措施，注好水、 注够水是衡量注水技术水平的尺度。经过四十多年的实践，我国已经形成一套较 完整的技术系列和配套技术，油田注水的规模在日益扩大。由于注水工程是油田 的能耗大户，注水工程在开发建设中占有非常重要的地位。注水耗电一般可占到 7 北京1 二业大学工学博士学位论文 油田总用电的3 3 - 5 0 ，而无效注水能耗在有的油田甚至超过- f 5 0 ，随着油 田进入高含水开发期，注水量大幅度增加，注水耗电也必将大幅度的上升，能源 消耗更加大，针对油田注水系统存在的能耗大问题，我国各油田都开展了研究工 倒9 彤】。这些研究分为局部研究和整体研究两类。前者是指针对注水泵、管网等 局部对象开展的研究；后者是指把整个注水系统作为一个整体，从系统的角度考 虑问题开展的研究。由于油田注水系统是大型非线性网格系统，对此系统建模和 设计优化运行方案十分困难，迄今为止，国内外已进行了大量研究，采用多种理 论和方法优化注水系统设计。 1 3 1 研究理论 1 3 1 。1 大系统分解理论 对于注水系统这样一个复杂大系统，可以引入大系统理论的“分解与“协 调”的优化原则，从局部入手，解决注水系统的优化控n l 苗- 题【1 6 。2 。 注水系统的分解可以按照“压力谷”划分成子系统，从整个压力分布看，各 个注水站形成压力峰值，在两个( 或多个) 注水站之间，压力呈山谷形分布，将这 种山谷形压力分布称为“压力谷”。每个“压力谷”构成一个子系统，注水站提 供压力源，经过管网损耗，流到配水间，因此从注水站到配水间的压力是逐步下 降的。 由水力学基本原理可以证明：“压力谷”内各配水间的注水量仅由构成该“压 力谷”边界的各注水站提供，而与谷外的任何注水站无关。在各注水站注水压力 相同或相近的前提下，由“压力谷”概念可知，注水站仅与其相邻注水站直接关 联，而与其它站没有直接联系。由此可知，在满足地质配注平衡的条件下，相邻 注水站来水量与去水量成为本站与注水系统的唯一关联，局部相对整体具备了一 定的独立性。根据大系统理论的“分解”原则，如果把相邻注水站的来去水量看 成注水系统各个注水站的关联项，那么该注水站就可以从注水系统中“独立”出 来，组成耦合很弱的注水子系统。 利用大系统理论的分解理论及“压力谷”概念，可以将注水站从注水系统中 分离出来，组成注水子系统。从整个注水系统来看，注水站的注水能耗约占系统 总体能耗的7 0 - - 8 0 。因此，从系统节能优化控制角度来看，可以认为上述分解 是合理的。 8 第1 章绪论 1 3 1 2 工程最优化技术 从事任何工程项目，不管是设计新系统还是改造已有的系统，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设法从中选出最好的方案予以实 施，以达到最满意的效果，这就是工程最优化问题。 作为解决最优化问题的最优化技术，一般可分为两个方面： ( 1 ) 数学模型的建立：将实际的工程最优化问题用数学语言描述出来。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，还要标明目标函数、约束条件和设计变量。 ( 2 ) 数学模型的求解：对已建立的数学模型进行分析，选用适当的最优化算 法，编写计算机程序，在计算机上运行求出实际问题的最优解。 最优化技术的应用己经深入到人们的日常生活、企业管理、经济发展规划、 军事行动指挥及科学研究等各个领域。本文研究注水系统最优化问题，旨在使能 耗低、投资费用最少。 现代最优化设计是在计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，它根 据最优化理论综合各方面的因素，在计算机上进行自动设计或交互式设计，以确 定出最优设计方案。其设计宗旨是寻求最优设计；设计手段是电子计算机及软件； 设计方法是采用最优化数学方法，这种方法的威力在于不必试算全部可能方案， 就能确定最佳结果。一般说来，对于实际工程设计问题，所涉及的因素越多、越 复杂，优化设计的效益越明显。 最优化问题的数学模型是由设计变量、目标函数和约束条件组成的，其一般 形式如下【2 2 】： f m i n f c x ) s t g 。f ，x j 0 ，甜= 1 ，m l ，f ，x 夕= 0 ，= l ，p 式中f ( x ) 为目标函数，g 。( x ) 为不等式约束，丸( x ) 为等式约束。 最优化问题根据是否有约束条件可分为无约束优化和有约束优化；根据目标 函数的约束条件的性质可分为非线性规划和线性规划( 当设计变量都是整数时， 称为整数规划) ：根据目标函数的个数，可分为单目标优化和多目标优化；考虑 到设计变量与时间的关系，最优化问题可分为静态最优化( 参数最优化) 和动态最 9 北京t 业大学工学博t 学位论文 优化( 最优控制) 。 线性规划问题的求解随着五十年代的单纯形法的出现而基本解决了，后来出 现了其它一些算法，具有重要的理论意义，但目前不宜用于实际问题的求解。而 工程中的大多数最优化问题均属于非线性规划问题。习惯上非线性规划的计算方 法分成如下五类： ( 1 ) 解析法利用导数寻求函数极值的方法，如：古典微分法、古典变分法， 极值原理和库恩一塔克理论等。 ( 2 ) 搜索法，对非线性规划不预先做转换的直接方法，如：网格法、黄金分 割法、裴波那契法、变量转换法、复合形法、随机试验法等。 ( 3 ) 用线性规划或二次规划逐步逼近非线性规划的方法，如：序列线性规划 法( s l p ) 、序列二次规划法( s q p ) 、近似规划法。 ( 4 ) 对非线性规划不预先作转换的以解析法为基础的数值算法。如：牛顿法、 变尺度法、综合梯度法、鞍点迭代法、梯度投影法、可行方向法、简约梯度法等。 ( 5 ) 把有约束的非线性规划问题转换成无约束极值问题。通过求解一系列无 约束极值或解非性规划的方法。如：外部罚函数法、内部罚函数法、混合罚函数 法( s u m t ) 等。 1 3 2 研究方法 大庆油田【2 3 】采用多步广义梯度法和多层曲线拟合的建模方法，应用大系统理 论和人工智能方法对注水系统作了层层分解，由人工智能和模糊优化方法实现了 系统从局部到整体的优化。该方案在大庆采油六厂实施一年半，既达到地质配注 要求( 配注误差在2 以内) ，又实现了节能目标。与原方案比较，每同可少歼1 台 泵，节电0 1k w h m 3 ，注水节电约人民币3 0 l 万元a ，对油田生产有重要的理论 和实用价值。r w p a i g e $ 1 1 j p m a r t i n s - 等 2 4 1 人采用系统辨识、多层曲线拟合和机理 分析的方法建立了注水系统模型，提出了关于注水系统压力分布的压力谷概念， 应用大系统理论关联平衡法给出迭代算法，并得出结论：在系统运行决策时，用 严格的计算代替经验能有效提高注水系统效率，降低能耗。大庆石油学院的田景 文【2 5 】采用曲线拟合法分别建立了电动机效率和轴输出功率模型、水泵模型，应用 水力学方法建立了注水管网的数学模型，并确定了管网的优化运行方案。2 0 0 1 年大庆石油学院的常玉连等【2 6 】人在充分研究注水系统模型的基础上，提出了简化 计算模型的方法，从而在满足计算精度的前提下，缩短了计算时间，提高了计算 1 0 第l 苹绪论 效率。2 0 0 3 年刘万辉等人提出了基于生产运行仿真的油田注水管网改造专家系 统，该系统采用正反混合推理的控制策略，对管网进行优化改造，从而达到提高 管网系统注水效率和降低注水半径最大压力损失的目的，为注水管网系统改造设 计提供了一条合理、高效的途径。 国内其他油田也运用注水系统优化运行理论和技术，取得了一定的经济效 益。但是，由于国内油田以往对注水工作重视程度不够，并且都集中在对单注水 泵站的能耗和效率进行优化，而对由多个注水泵站组成的大型注水系统的能耗优 化，尤其是水力调配问题，并没有一套很好的解决方法。虽然有一些单井设计的 软件，功能相对单一，使用范围小，还没有一套在全国有影响的对注水系统整体 进行优化设计计算的辅助决策系统。 1 4 单井增压技术 低渗透和非均质也是我国大部分油田普遍遇到的开发难题，有些区块的注入 压强已经达到3 5 5 0 m p a ，采用提高注入系统压力的方式越来越难以保证这类油 田日趋增高的注入压力的需要，若提高系统压力势必会造成管线的频繁损坏，增 加事故的发生率。因此，近年来油田为满足离心式注水泵站管网中出现的少数单 井及边远井高压注水的需要，节省重建高压注水泵站的投资，提出了接力式的增 压注水工艺，即在高压注水井的井口安装增压泵，以注水管网的压力作为增压泵 的吸入压力，通过增压达到高压注水的目的。近年来增压注水泵的发展也十分迅 速，到目前为止，增压注水泵己初步形成离心式、往复式两大类陋3 2 1 。 离心式泵主要采用的是多级离心泵，分地面离心泵和井下潜油电泵倒置两种 形式。地面离心式增压注水泵在使用中存在的主要问题是泵效太低，平均效率只 有5 0 ，油田3 5 4 5 的电网电能用于注水工程，造成大量电能浪费，另外地 面离心式增压注水泵的增压值较小，只有5 m p a 左右，无法满足日益增压的注水 压力的要求。井下潜油电泵倒置的主要问题是井下机组价格昂贵，且潜油电机的 保护要求严格，现有潜油电泵的保护器无法起到良好的作用，易出现烧电机的现 象，使用受到了限制。 往复式增压注水泵主要有以曲柄连杆机构驱动的柱塞泵、液压驱动的柱塞泵 和隔膜泵等，这些泵的最大特点是工作效率高，能满足不同地层对注水压力的要 求，且井口安装方便。但也存在柱塞腐蚀，盘根漏水、泵阀寿命短等多种问题， 北京工业大学工学博七学位论义 故障出现频繁，维修工作量大，影响泵的f 常工作，另外其排量不可调，也影响 了注水效果。 采用单井地面泵增压的方式虽然不会使管网系统压力升高，但也产生了生产 成本的提高和井下注水管柱的安全运行隐患，而且还带来了单井地面增压泵及其 配套装置的防盗问题。 因此，急需开发一种寿命长、能耗低、维护方便的新型井底增压注水装置。 1 5 论文研究内容 本论文的工作得到中国石油天然气集团公司中青年创新基金项目的资助，主 要对油田注水系统的管网形态、运行特性等相关因素进行分析研究的基础上，建 立管网水力计算、管网直径优化、注水站运行方案优化等问题的数学模型，根据 各自模型的结构和特点，对模型进行有效求解全文的主要内容包括以下几个方 面： ( 1 ) 根据油田注水系统的基本结构特点，采用流体力学原理、图论和有限 元分析方法，建立了大型注水系统节点参数水力计算的平衡方程，并给出相应的 简化和求解方法，为实现注水系统的各种优化奠定基础。 ( 2 ) 在已知管网拓扑结构的条件下，以管网的初始投资和运行费用之和最 小为目标，建立注水管网参数优化模型，利用遗传算法对注水管网的管径进行优 选，并编制了计算分析软件。 ( 3 ) 研究了变频往复泵和离心泵结合的油田注水系统开泵方案优化问题。 提出了基于泵站注水系统效率最高的泵站运行优化模型，应用神经网络技术建立 泵组的特性曲线，选用复合形法优化算法求解泵站运行时开泵台数的优化组合， 能有效的实现泵站节能。 ( 4 ) 随着油田新增注水井不断增多和注水范围的不断扩大，改造扩建现有 注水管网系统十分迫切，本文在综合考虑管网改造投资和注水系统运行费用的基 础上，建立了油田注水系统改造工程优化设计的数学模型，模型综合了注水管网 系统改造管网优化布局、管线参数优化及改造后系统的优化运行，采用两层迭代 计算的方法对模型进行求解，结合设计人员对油田开发形势的综合分析，可确定 出系统中新增或更换管线的位置和参数，从而使系统改造的投资和一段时间内的 运行费用尽可能的低。 第l 荤绪论 ( 5 ) 因注水井注水压力的提高和深度的加大，注水又老化严重，经常出现 注水管柱失效现象，为使注水管柱安全高效运行，对油田正在使用的各种不同类 型的注水用油管柱进行了耐压试验和腐蚀量的测试，综合其机械性能，对其进行 了使用效果评价。同时对j 5 5 和n s 0 钢级新旧油管在不同下入深度上的组合进行 了设计，并给出了确定下入深度时能承受的注水压力