（油气田开发工程专业论文）注水网路的优化计算.pdf

t h 一 屯 玉。 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：仝亟蟹簿 日期：锄，f 年6 月7 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。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：2 , 0 1 1 年 日期：办i 年 月7 日 月7 日 ， ， f 摘要 油田注水开发是石油开采的重要方式，是及时有效的补充地层能量，确保油田稳产 高产的必要措施。近年，随油田含水率的增大，注水能耗越来越大。所以对注水网路进 行优化，对现场操作提出合理建议是非常有必要的。本文通过相关的理论分析，分析了 管网的物理模型和几何模型。并结合当前某注水管网的实际数据，利用流量和压力的反 向计算方法，详细分析了此管网的运行状况，确定了管网各节点的压力、流量等参数的 值。将实测值和计算值进行对比，确认了计算方法的合理性。利用注水管网的能耗分析 相关理论，得出了注水网路优化的主要方向和内容；对注水网路的拓扑关系进行了优化。 主要包括三个方面的内容：注水井与配水间的归属确定。以加权距离之和最短为目标函 数建立模型，利用h o c k e j e e v e 模式搜索法来求解配水间和注水站的最优位置。然后利 用求最小生成树的方法确定了主干线的走向问题。确定了在经济流速时的经济管径，使 得管线年折算费用达到最小。讨论了注水系统存在两个或两个以上注水站同时提供水流 时每个注水站的排量分配问题，确定了同一泵站内各注水泵的最优流量值。通过优化前 后对比分析，证明达到提高系统效率，降低能耗的目的；利用c 撑平台编写了注水网路 优化计算程序。并运用程序对某注水区块进行了实例分析，效果良好。 关键词：注水管网，系统效率，经济管径，注水泵，优化程序 i t h er e s e a r c ho nt h eo p t i m i z e dc a l c u l a t i o n o fo i lf i e l di n je c t i o ns y s t e m c h e nj i n g j i n g ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nr e n y u a n a b s t r a c t mt h ee x p l o i t a t i o no fo i l f i e l dw a t e ri n j e c t i o ni sa ni m p o r t a n tm e a s u r e i ti sav e r y e f f e c t i v em e a s u r ea d o p t e dt ok e 印f o r m a t i o ne n e r g yi no i l f i e l d ，b e c a u s ei tc a ne n h a n c ec r u d e o i lr e c o v e r yr a t i oa n di n s u r es t a b l ea n dl o n g t e r mh i g hp r o d u c t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e w a t e rr a t i ot h eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ht ot h ee i r c u 1 a t i o no fi n j e c t i o ns y s t e mc o m e sf o m la s u r g e n ta f f a i r s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h en e t w o r ks i m u l a t i o n , u s i n gm u l t i l e v e lo b j e c t i v e o p t i m i z a t i o no fw a t e ri n j e c t i o np i p e ，t h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so p t i m i z e dr e s p e c t i v e l y t h i s p a p e rf i r s t l ye s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp i p ea n dg e o m e t r i c a lm o d e lo nt h eb a s i s o ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s c o m b i n i n gt h ec u r r e n to n ew a t e ri n j e c t i o nn e t w o r k ，t h ea c t u a ld a t a i ss i m u l a t e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h eo p e r a t i o ns t a t u so ft h en e t w o r ki nd e t a i l ，a n dd e t e r m i n e s t h ep r e s s u r ea n df l o wo fe a c hn o d ep i p e i tc o n c l u d e dt h a tt h er e l e v a n tt h e o r yo fw a t e r i n j e c t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o nt h ed i r e c t i o na n dc o n t e n t t h e ni th a sc o n d u c t e dt h ew a t e r i n j e c t i o nn e t w o r kt o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n i tm a i n l yi n c l u d e st h r e ea s p e c t so fc o n t e n t ：t h e o p t i m i z a t i o no ft h ew a t e rd i s t r i b u t i n gs t a t i o ns i t e ，t h el a y o u td i s t n b u t i o np i p e l i n e ss t a t i o n t h u sr e a c ht h i st o p o l o g yn e t w o r ko p t i m i z a t i o nr e s u l t s s a v ei n v e s t m e n ta n dr u n n i n gc o s t s ， r e a c h e dt h eo p t i m i z a t i o np u r p o s e s t h e ni td i das t u d y0 1 3m a i nd i s t r i b u t i o np i p e l i n e s m a i n l y i n c l u d ee c o n o m i cd i a m e t e ra n dw a l lt h i c k n e s s ，a n dd e t e r m i n a t i o no fw a t e ri n j e c t i o ns t a t i o n a n dt h eo p t i m i z a t i o no fn o t et h ep u m pr t m n i n g i to p t i m i z e dt h ep i p ed i a m e t e ra n dr e d u c e dt h e e n e r g yc o n s u m p t i o i l a n dac o m p u t e rp r o g r a mi sc o m p i l e dt ov e r i f yt h em o d e l st h r o u g ha s i m p l ee x a m p l e k e yw o r d s ：w a t e ri n j e c t i o ns y s t e m , s y s t e me f f i c i e n c y , e c o n o m i cp i p ed i a m e t e r , o p t i m i z a t i o np r o g r a m f - 目录 第1 章绪论1 1 1问题的提出及研究的意义1 1 2 国内外注水优化的研究现状2 1 2 1 注水网路的优化现状2 1 2 2 注水网路的运行方案研究现状3 1 2 3 注水网路的运行参数研究现状4 1 3 优化方法5 1 3 1 优化方法的特点5 1 3 2 优化方法的分类5 1 4 论文的主要研究内容6 1 5 论文研究的预期结果7 1 6 小结7 第2 章注水管网系统的描述及建模9 2 1 图论的相关知识9 2 1 1 基本概念9 2 1 2 管网的计算机表示9 2 2 注水网路模型1 0 2 2 1 管网简化1 0 2 2 2 管网物理模型的建立1 0 2 2 3 注水管网模拟的反向计算1 3 2 3 注水区块模拟计算结果1 4 2 3 1 干线节点流量和压力的反向计算结果二1 4 2 3 2 注水管网二级模型计算结果1 5 2 4 注水区块能耗分析与评价1 7 2 5 小结2 l 第3 章注水网路优化运行2 2 3 1 井号分组2 2 3 1 1 分组模型2 2 弋 ， 3 1 2 油井最优分组数学模型的求解2 3 3 2 配水间位置的优化2 5 3 2 1 配水间位置优化模型2 5 3 2 2 配水间布局优化解法2 6 3 3 注水站站址优化模型2 8 3 3 1 注水站站址优化模型2 8 3 3 2 注水站站址优化解法2 8 3 4 注水网路管线连接方式的确定2 9 3 4 1 注水干线连接方式模型2 9 3 4 2 模型求解3 0 3 5 注水管网参数优化3 0 3 5 1 油田注水管网参数的优化3 1 3 5 2 管径取整3 4 3 6 注水站排量的优化3 4 3 6 1 模型建立3 5 3 6 2 模型求解3 7 3 7 注水泵的运行优化3 8 3 7 1 泵的数学模型3 8 3 7 2 泵的配注流量的优化3 9 3 8 小结4 1 第4 章实例计算4 3 4 1 井组划分4 3 4 2 配水间优化4 6 4 3 注水站优化4 8 4 4 管网参数的优化4 9 4 5 泵的优化举例5 2 4 6 系统效率分析5 2 4 7 小结5 3 第5 章软件研制5 4 5 1 软件介绍5 4 v 、 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 在油田开的开发过程中会出现地层的能量降低，采收率下降的状况，需要采取一定 的措施。最常用最重要的开采方式是油田的注水开裂1 1 。但是注水开采整个过程耗了费 大量的能量。 查阅相关文献【2 】知道，在油田的注水开发过程中耗费的电量能够占到油田总耗电量 的三分之一，甚至有的达到一半还多。这个数字还在持续的增长。电量的增加意味着整 个系统能耗的上升。随着油田的开采进入高含水期，注水需求量随含水率的升高而增大， 这样才能保证油田的产量稳定在一个较高水平。数字显示，三分之二的含水率将会对应 将近一半的油田用电总量。这个数字使得注水系统在油田地面工程中的能耗之最。为了 节能，我们必须对整个的注水系统进行调整，使其达到提高系统效率的目的，这个研究 将具有非常重要的现实意义【3 】。 在提高系统效率的设计过程中，由于注水开发的区域不断扩大，导致注水管网的规 模也逐渐增加，庞大的管网研究和管理起来非常困难，使得管理不方便，系统协调运行 也达不到好的效果。这就要求我们必须得寻求到一种理论来为整个建设和管理过程导 航，使其能够有强大的理论基础和实际意义。 现在已经在广泛使用的，用来提高注水系统效率方式一般都是简单的选用能够节能 的设备。从现场的反馈来看，油田的注水开发对系统模拟、优化投资、节能设计等方面 的需求强烈。虽然现在也已经逐步出现了一些研究，但是如果能够研制出一套非常系统、 方便和使用的软件，用来进行整个注水系统的模拟、优化和对比将是一个非常重大的进 步。 现在对注水的主要焦点大部分集中在对注入流体的研究，包括水的水质及驱油效率 等因素。对地面系统的节能研究还不多，在生产过程中都是依靠操作者根据自己的经验 以及试凑法来解决问题，而这样的做法是不优化的。 鉴于注水系统的复杂性，在研究过程中可以将其划分为管网优化、参数优化和系统 运行的优化三个部分。对各个部分采用相应的优化方法进行研究，最后协调得出最优方 案。但是传统理论对解决这么庞大的系统效果不是太理想。所以现在的发展前景主要集 中在如果运用智能方法，例如遗传算法等。这些方法都具有能够高度并行和自适应能力 第1 章前言 好的特点，数学、机械、经济和计算机领域都逐渐变得应用广泛。然而，这些方法在油 田注水系统中的研究成果却不多，主要是重视程度不够。如果运用这些方法来为注水系 统服务，最终达到优化节能的目的，将是非常有前景和实际意义的研究。当这些方法能 够在技能过程中得到运用之后，将会提高经济效益，同时也使管理更加方便快捷。 1 2 国内外注水优化的研究现状 1 2 1 注水网路的优化现状 油田的注水网路及其复杂，是由多个注水站、配水间、注水井以及管网组成的。其 网路连接形式有环状连接和树状连接。注水系统网路的优化问题是由布局和分配问题演 变而来，是一个非确定多项式问题，其中包括多个离散变量和连续变量，是一个非线性 优化问题【4 】。由于系统较为复杂，研究起来比较麻烦，所以目前的研究并不是很多。 对树状管网的优化研究是假设系统所包含的井数和每口井的位置都已经给定，要求 确定每口注水井属于哪个配水间、每个配水间属于哪个注水站；以及配水间的位置、注 水站的位置，最后优化干线的连接方式。从而使得管网布排达到最优，达到节能的目的。 鉴于管网本身的复杂性，对树状管网采用分级优化的策略。这是大庆石油学院的教 授刘扬先生在著作中提出的【5 6 】。其基本思想是确定连接方式和节点位置这两个部分，在 保证系统正常运行的情况下，达到节省建设投资的目的。采用拉格朗r 松弛法进行管网 连接方式的确定，然后再运用混合遗传算法优化节点位置。在这之前有人提出将整个系 统划分为三个优化部分，分别是井号划分、站址确定和管网布局优化三部分，分别采用 了匈牙利法、单纯形法来求解【_ 7 1 。潘红丽与徐国栋等人则是将注水系统优化分为井组的 最优化分和站址的优化两级，利用分组算法和变尺度法来对其进行了求解 8 ，9 】。在干线布 局优化的研究中康正玲等人运用图论基本知识与管网理论结合，把干线布置问题转化成 了求解最小生成树的问题 1 0 , 1 1 】。 分级优化中最困难的是如何在一个离散的空间上对管网来进行优化，这是一个多目 标优化问题。如果采用分级优化法，在两级之间需要进行变量的协调，否则不能保证得 出的值为系统最优。以分级和分步为基础发散出的解决方法由于其特殊性，只能适用于 较为简单的管网系统。优化出的结果受初始值的影响较大，一般想要得到全局最优解或 者近全局最优解是比较困难的。 其中环状注水管网比树状管网更加复杂。其支线和干线错综连接，导致数学模型的 建立异常困难，甚至根本找不出合适的模型来进行研究，研究者只有在设计时遵循一定 2 中国石油人学( 华东) 硕l 二学位论文 的原则。例如将主干线定在支线中点的旁边，规定主干线上的每一段直管段不能小于 3 0 0 0 m 坦】。在注水区域的中心区域建设注水站，使得注水站的两边流量基本等同。这是 近期由邱继英提出的。这些设计方法的缺点就是忽略了具体参数的设计，只是凭设计师 的经验来确定，这样会使得得到的结果可能不是最优值。 1 2 2 注水网路的运行方案研究现状 油田注水开采是保证油田地层能量的重要方式。我国在长时间的研究和实践的基础 上，逐渐形成了自己的一套相对比较完备的注水工艺和配套技术。在油田注水开发水平 提高的同时，注水区块也在增长。如何继续保持注水好、注水够是衡量注水技术水平的 尺度。同时，注水系统本省强大的耗电能力也是不能忽视的，其耗电量能够占到油田总 耗电量的三分之一甚至一半，所以如何节能将是我们研究的重点。 一直以来，注水系统在建设之前所做的规划比较简单，基本上都是依靠设计师的经 验，缺少一套优化方法，导致所建设的注水系统“先天不足，而在后期的调控阶段也 同样缺少能够使系统高效运行的优化方案，导致注水系统“后天失调 。 目前的设计流程主要是确定管网布局、选择配水问和注水站的最优化位置然后调整 运行参数，从而达到优化整个系统的目的。这种方法主要是不把整个注水系统作为整体 来研究，而是将其分为几个研究部分，分别进行优化。这种方法本身带有一定的局限性。 难以求得全局最优解，只能得到局部的最优值。而局部最优并不能保证是全局的最优解。 到底如何才能把整个注水系统协调起来进行优化研究，得到更加可靠的最优解将是一个 长期的研究课题。 对油田注水系统的管网优化是已经给定整个系统的供水量、供水压力和注水井的配 注量的情况下，找到能够符合基本运行要求并且能够达到投资费用最低的管网的连接方 式和节点的位置以及每段网路的管径，这是一个非线性规划问题，因为里面含有离散变 量。 针对管径的优化方法较多，具体可分为以下几种形式： 1 ) 先把管径的规格视为连续变化的值，采用传统方法进行求解，然后再进行取整 操作得出所需管径规格，这种方法的局限性是取整处理破坏了解得可行性和最优性，只 能达到局部最优【1 3 - 1 6 1 。 2 ) 利用动态规划法求解。这种方法的局限性是只能对于简单串联管道和小型树状 管网得到最优解，无法对复杂网络使用，另外动态规划的多样性和建模方法的特殊性都 3 第1 章前言 使得动态规划法无法成为通用的最优方法【1 7 之0 1 。 3 ) 近年来智能优化技术得到了应用。最初采用传统二进制编码遗传算法进行求解。 由于其存在的编码冗余问题而逐渐被整数编码所代替。整数编码能够避免编码冗余问 题，在实际操作中取得了较好的效果，但是仍需进一步的发展 2 卜2 3 1 。 目前的管径优化方法多种多样，如果要对管径和布线方式直接进行优化将会变得更 加复杂。比较常用的方法是传统的二进制编码 2 4 】为基础的简单的遗传算法，第一位编码 表示管线连接与否，第二位表示所对应的管径数值。这种方法在一定程度上是可行的， 但是也带来了编码冗余的困扰。此外，由于操作的非独特性，不能具体问题具体对待， 从而导致了大量不可行解的出现，降低了优化的效率。在今后的研究中，如何利用合适 的编码方式来进行操作是需要详细研究的。 1 2 3 注水网路的运行参数研究现状 注水网路的运行优化主要是对注水站的优化，注水站包括一个或多个机组，每个机 组由注水泵和电机组成。注水泵的运行参数决定了注水泵运行效率的大小，同时泵管压 差也是由参数决定的。注水泵的效率直接关系着整个系统效率的高低，效率越低，能耗 越大。所以，只有将泵的参数做好优化，使泵能够高效运行，这样才能提高整个注水系 统的效率。 系统的运行参数优化前提是泵的开停方案已经给定，对泵的各个参数进行优化。使 得优化过后的注水泵不仅仅能够满足系统配注要求，同时兼顾降低系统的能量损耗。由 于含有较多的变量，约束条件存在等式的和不等式的，优化过后得到的许多解都是局部 最优的。有些不能推出关系式的方法，比如变尺度法等依赖梯度等导数信息的方法，很 难得到所求优化问题的( 近) 全局最优解。除此以外，用这种方法所求出的结果跟所设 定的初始值关系密切，有一定的局限性。随着计算机智能优化算法的发展，模拟退火算 法和遗传算法现在都已经开始用来解决注水网路的运行优化问题【2 5 之6 】。它的缺点是没有 考虑到注水站里面每台泵具体的运行情况和参数，而仅仅确定了注水站的排量和每个节 点的压力。这样就漏掉了泵的损耗和泵管的压差损失，从而对计算结果造成一定的误差。 而且算法中初始温度的确定跟计算者的设定关系很大，每次计算都可能出现不同的结 果，非常不稳定。 在众多的研究成果中，有的方案是给定注水站的出口压力和干线的出口流量，然后 优化某注水站内各个注水泵之间的开停方案和调速比率2 7 之8 1 。有的研究是在给定了注水 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 站相对应管网负载的情况上，利用约束梯度法、0 1 完全枚举法和遗传算法对单一的泵 站进行变频调速优化。上述研究都取得了一定的成果 2 9 3 0 】。 1 3 优化方法 1 3 1 优化方法的特点 工程中所要解决的问题或者达到优化的目标的问题即为优化问题。解决问题的途径 或者利用的方法就称作优化方案。而我们搜寻这种优化方案的方法称作优化方法。二战 后各国经济发展，对技术和科技的要求逐渐迫切起来，截止到现在，优化方法取得了长 足的发展，得到了较好的利用效果。现在优化技术在输水和输油管线的建设和改建中得 到了很好的利用。 利用优化问题来解决方案可分为两个步骤第一是系统建模，第二个是求解模型【3 1 1 。 现在建模和求解这两部分内容都有多种方法，发展较为成熟。如何能够从工程实际问题 抽象出一个优化的理论，并以这个理论为基础建立起数学模型是优化问题中至为重要的 一环。这不仅仅需要我们对优化理论有教全面的认识，还需要对所要研究的工程问题有 较为深入的理解，才能达成。 而本文所要研究的注水网路的优化计算就是典型的优化方法在管输领域的具体应 用的例子。其基本思想是以能耗费用为基本目标函数，建立注水管线优化运行的数学模 型，然后采用优化方法和计算机技术自动找出最优的注水管线的运行方案。 1 3 2 优化方法的分类 优化方法的分类方式多种多样。以所设计的变量数值为原则可分为一维优化和多维 优化；以目标函数为原则可分为单目标优化和多目标优化；以约束条件为原则可分为无 约束和有约束两种；以求解方法为原则分为准则法和数学规划法。 现实中最为常用的是数学规划法。常用的数学规划法有线性规划、非线性规划和动 态规划和智能算法( 遗传算法等) 几类【3 2 1 。 1 ) 线性规划问题l p ( l i n e rp r o g r a m m i n g ) 如果所求解问题的目标函数和约束条件都是线性函数，则此问题称为线性规划问 题。线性规划的理论形成的最早，目前的发展也最为成熟，是优化方法中最常用的一种 方法。全世界的计算机在数值计算方面( 不包括数据处理) 的多数机时都是用在了求解 线性规划的问题上。线性规划的缺点是把管径当做连续变量来处理，这样所计算出的管 5 第l 章前言 径就与市场上的管径无法符合。而且在将目标函数和约束条件转化为线性函数的时候， 需要做很多的预处理工作，在这个过程中又将给计算结果带来偏差，工作量也无形中增 大了。 2 ) 非线性规划问题n l p ( n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 如果目标函数或约束条件中有一项变量是非线性的，这个问题就成为了非线性规划 问题。如果在目标函数与设计变量之间存在二次函数关系，约束条件是设计变量的线性 函数时，就成为二次规划问题；同样，几何规划是目标函数为广义多项式时的规划；整 、 数规划是设计变量为部分或全部取整的规划。对于相应的规划问题，都有一些专门算法 对它们进行求解。 非线性规划是对目标函数求导，目标函数为零的点即为我们所求的最优解。它解决 了线性规划中计算结果与市场管径规格不符的问题，但是它仍然无法证明给水管网的费 用函数是一个单一峰值函数时，我们所得到的是局部最优，而非全局最优。 3 ) 动态规划问题d p ( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 如果优化问题中的设计变量的取值是随着时间或位置变化的，可将此问题划分，然 后利用递推方法或者分阶段作出最优解决方案，即采用多级判断得到整个设计的最优结 果。它的应用分为两支：状态变量是各节点深埋，然后通过坡度决策来进行全方位的搜 索。它的优点是能直接利用标准管径，能够控制计算的精度，使计算的时间和存储空间 大为增加。后来改进的拟差动态规划法能够减少计算时间和运算量，但是有遗漏最优解 的可能性；状态变量是管径，通过流速和充满度进行搜索。比起节点深埋法能够节省存 储时间和空间。 4 ) 遗传算法 遗传算法是基于随机搜索技术的一种优化算法，它是由生物学中的自然遗传演变而 来。它是以规格管径作为状态变量，同时搜索可行空间中的点，通过选择、操作和杂交 等遗传操作因子，得到可行解。解决中小型管道系统时的取得的效果较好。对于大型的 ， 1 管网系统只能使计算结果趋于最优。 1 4 论文的主要研究内容 1 ) 结合注水系统现场运行数据和注水工艺现状调研、分析，对某当前注水工艺系 统进行综合评价。具体内容包括：建立管网几何模型。以注水站、配水间、注水井为主 要节点，根据各节点坐标、各注水支干线以及单井管线管长、管径等数据，建立三级管 6 中国石油大学( 华东) 硕卜学位论文 网平面几何模型；建立管网物理模型。根据流体力学理论，管网注水应服从质量守恒和 能量守恒，其物理模型包括：节点流量方程、干线压降方程( 伯努利方程) 、管路阻力 方程( 达西公式) 。考虑到管路运行时长不一，管路积垢堵塞、结蜡等因素，应结合实 际运行数据对管路阻力系数进行适当修正。 2 ) 以某注水系统的管网模型为例，以管网运行能耗最小、成本最低、经济效益最 高作为系统最终优化指标，进行优化方法筛选。优化计算的目标是使注水管网的投资费 用、动力能消耗费用达到最小。具体优化目标包括：管线管长、管线管径、注水流量以 及注水泵。可见，注水管网参数优化的目标函数较为复杂，必须寻求一种可靠、简便的 优化方法。 3 ) 对注水管网进行整体优化分析。注水管网整体优化分析的内容包括：配水间站 址优化、注水站站址优化、注水管网参数( 如：管线管径、管长、配水量、注水泵) 优 化等，获得整个注水系统的最优运行参数。通过与油田原先运行参数比较，对管线优化 的经济效益进行评估和分析，为油田整体改造提供合理建议。 4 ) 建立油田注水管网生产运行平台。应用可视化软件编译程序，建立注水管网生 产运行平台。 1 5 论文研究的预期结果 1 ) 通过对油田现有注水管网的优化，分析油田注水标耗超指标运行的原因，给出 优化配水方案以及泵站运行方案，提出改造意见和建议。从而实现高效注水的目标，确 保油田开发的高水平、高效益。 2 ) 给出油田的最优运行方案，保证整个系统在优化状态下运行。实现油田的综合 含水率在保证高产稳产的同时，增长最慢，延长油田的开发期，提高油田的最终采收率 的目标。 3 ) 生产运行平台的应用能够做到简单、快捷、有效、实时、直观，应有较强的适 应性和交互性，同时兼具一定的设计拓展功能，为油田注水系统提供一套较为完整的优 化运行节能技术，从管理上和技术改造上提供技术研究的平台。 1 6 小结 本章根据油f f j 注水开发方式能耗较大的现状，确认了注水网路的优化运行分析设计 的必要性。同时调研了现在的注水网路优化的现状。 7 ， 第1 章前言 通过对网路运行优化方法的分析和归纳，以及对优化方法的研究，明确了注水网路 优化计算的主要内容：即在确保完成注水任务的前提下，尽可能降低注水能耗，寻求最 优化和最经济的运行方案。并将网路的生成和优化过程用软件的形式实现出来。从而明 确了本文的研究方向。 8 i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章注水管网系统的描述及建模 2 1 图论的相关知识 2 1 1 基本概念 图是由点、边和二者的关联函数组成的。可以表示为：g = ( y ，e ，厂) 其中v = m ，v 2 ) 为顶点集；e = e l , e 2 为边集。f 为关联函数，即边集到顶点集的函数。 图可以分为无向图和有向图。如果有两个端点重合在了一个点，那么这条边称为圈。 一个图如果没有圈，同时也没有两条边同时连接在同一对点上，则称为简单图。 简单无向图g = ( y ，e ) 由节点集矿= v i ) v 2 和边集e = e l , 吃 组成。其中边q 可记 为( v l ，屹) ，也可记作( 屹，h ) 。可以认为每一条边都对应着一个无序节点对。分别用线段和 线段两边的点来表示。 简单有向图g 是一个有序二元组( 矿，e ) ，记为g = ( y ，e ) ，其中v = v l , 屹) 称为g 的 点集，e = 勺) 称为g 的弧集，并且白是一个有序二元组 m ，吩) ，记为勺- - ( v ，_ 。 一条边的两个端点被称为与这条边关联。同理，一条边称为与它的两个端点是关联 的。如果两个端点是与同一条边关联的，那这两个端点成为邻接的。同理，如果两条边 共同拥有一个公共端点，则称为这两条边邻接。 2 1 2 管网的计算机表示 模拟管网时，可以将管线的连接处视作一个一个的节点，组成了节点集v ；管子视 为边，组成了弧集；由于管子里面的液体流动是有方向的，也就是说管子是带着方向 的，弧的方向是管内液体的流动方向；约定名词“权 ，用来表示管道的长度，所有的权 值组成集合彳。最后利用有向网络g = ( y ，w ，彳) 来表示管网系统。 表示管网图较简单和有用的方法是矩阵表示法。在表示管网时需要对每条管路规定 一个方向，假定液体流动的方向为正方向，反之为负。用矩阵来记录图的信息的方式主 要有两种： 1 ) 邻接矩阵 用来表示有向图中点的相互的连接关系。对于简单有向图g = ( 矿，e ) ，它拥有顶点集 9 第2 章注水管网系统的描述及建模 y = m ，v 2 和弧集e = 勺 。则g 的邻接矩阵么= 口 是一个，z 阶方阵，其中 旷描 - ， 口扩2 1o ，( u ，0 ，) 仨e 。z 1 2 ) 关联矩阵 用来表示有向图中顶点和边的相互的连接关系。对于简单有向图g = ( v ，e ) ，它拥有 顶点集矿= v i ，屹 和弧集e = 勺 。则g 的邻接矩阵m = l 。是一个m 咒阶矩阵，其 中 f1 ，v 是q 的起点； 吻= 一1 ，坼是q 的终点； ( 2 - 2 ) l o ，其他 2 2 注水网路模型 2 2 1 管网简化 注水站、配水间、注水井及三者之间相连接的管线共同组成一个注水系统。可以总 结为注水管网由三个单元组成，分别是由多个注水站、多个配水间、多个注水井和管线 连接点组成的节点单元，由干线和支线组成的管道单元以及由阀门等组成的附属单元【3 3 1 。 所有的元素组合在一起，构成一个错综复杂的水力系统。 要对这一复杂的管网系统进行模拟分析，有必要先对其进行两级简化： 1 ) 将注水井节点简化至所属配水间的节点上； 2 ) 将配水间节点简化至注水干线的节点上。 通过分析可知河滩注水管网配水间与注水站相连接的管路属于分支管路。分支管路 的特点相当于串联管路的复杂情况。所以，它具备串联管路的特点。即各节点处出入流 量平衡；沿一条管路上总水头损失为各管段水头损失的总和。 管网进行二级简化后，获得注水管网的二级模型图，并对管网节点及线元进行编号 识别，计算过程中，先对二级模型进行模拟计算。在此基础上，拓展至一级模型，获得 整个管网的压力分布和流量分布规律。 2 2 2 管网物理模型的建立 1 ) 连续性方程 1 0 t 1 节 - 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 管流运动的质量连续性用连续性方程来描述，即：对于任意节点来说，流向该节点 处的流量等于从该节点流出去的流量，即节点流量守恒。此处，设流入节点流量为“+ ”， 流出节点流量为“ 。应满足如下表达式： + q ；= o ( 2 3 ) 式中：q 节点f 的系统外输流量，m 3 s ； 彰系统内通过节点f 的各管元的流量，m 3 s ； 甩节点f 的衔接管元数。 2 ) 能量方程 管流运动的能量守恒定律由能量方程来描述。对于某一注水管元，满足： h ；一日1 = k ( 2 4 ) j叮 式中：h ；管元，的起点f 的水头，m ： 日：+ 1 管元的终点i + 1 的水头，i l l ； k 管元，的能量损失，m 。 3 ) 水头损失计算 能量损失j l ，由沿程水头损失和局部水头损失嘭两部分组成：k = 哆+ 哆。t 为沿 程水头损失。主要用来克服液流沿着全部流程直管段运动中，摩擦所产生的沿程阻力而 引起的水头损失，可以用达西公式计算： ，v 2 “吾专 ( 2 - 5 式中：五沿程水头损失系数，五的常用经验公式见表2 1 ； ，管元长，m ： d 管元直径，m ： 1 ，为管元内水流运动速度，m s ； g 重力加速度，g = 9 8n g s 2 。 占= 2 a d ，为管壁的平均绝对粗糙度。常见管路的绝对粗糙度见表2 2 。 第2 章注水管嘲系统的描述及建模 本课题中考虑到注水管网结垢情况严重，取a = 3m m 进行计算。 表2 - 1名的常用经验公式 t a b l e 2 - 1g e n e r a le x p e r i e n c ef o r m u l ao f 五 液态类型r e 范闱常用的经验公式 层流r e 2 0 0 0 j 一6 4 7 。一 _ r e 水力光滑 2 0 0 0 r p _ 5 9 8 7 拈n 1 3 e 7 混合摩擦 了5 9 7 6 6 5 7 6 5 1 9 s 肚( 2 g 半) 2 s 表2 2 某些管内壁的平均绝对粗糙度 t a b l e 2 - 2 a v e r a g ea b s o l u t er o u g h n e s so fs o m et u b e 管壁表面特征 a 。m m 管壁表面特征 a ，n 】m 清洁无缝钢管 0 0 0 1 0 0 0 1 5新铸铁管 o 2 5 o 4 2 新精制无缝钢管 0 0 0 4 - o 1 5普通铸铁管 0 5 m o 8 5 通用输油钢管 0 1 4 - 0 1 5 生锈铸铁管 1 0 0 1 5 0 普通钢管 o 1 9 结水垢铸铁管 1 5 0 3 o o 涂柏油钢管 o 1 2 旬2 l 光滑水泥管 0 3 m o 8 0 普通镀锌钢管 o 3 9 粗糙水泥管 1 0 0 2 0 0 旧钢管 o 5 m 国6 0 橡皮软管 o 0 1 0 0 3 1 2 、 t 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 h j 为局部水头损失，是流体在通过某一些局部管件( 如：弯头、阀门和大小头等等) j 时，由于局部边界急剧变化而需要克服所产生的那些局部阻力而引起的，水头损失。由 包达公式计算： 乃= 去 6 ， 式中：善局部水头损失系数。 本课题中，暂取局部水头损失乃= 1 0 h f 。 在管网系统中，如果所有管路串联，应同时满足如下连续性方程和能量方程： q + 乃i = o ( 2 7 ) l ，2 ，川= h 诚 ( 2 8 ) 如果所有管路并联，则应同时满足如下连续性方程和能量方程： q + 乃i = o ( 2 9 ) l 玉叫) = h 训= h ，2 = h 。 ( 2 1 0 ) 2 2 3 注水管网模拟的反向计算 根据油田生产开发时的动态数据，可以对管网系统的压力分布和配注流量进行反向 计算3 4 1 。其基本算法是：把起点设在注水井节点，然后以此返回去计算各个没有确定的 节点的压力，此外还可以求出每段管线的流量和压降值。 对于多井配注的系统运算顺序是由注水井到配水间，再由配水间到注水干线的节点。 配水间与注水井的连接管线与注水支线的交点作为干线节点。计算的重点是能够将配水 间的压力和流量计算出来。每个注水井都有其归属的配水间，每组内的注水井的流量之 和就是所对应配水间的流量，这个可由节点流量的平衡方程推知。配水间的压力由下式 确定： p = m a x ( p ? ，p z k ，) ( 2 一1 1 ) 式中：配水间k 的压力，p a ： 1 3 第2 章注水管网系统的描述及建模 衍，露，露由配水间k 辖区内的的所有的注水井( 共计，个) 经过反向计 算得到配水间的压力，p a 。 干线上压力最低的那个点称为干线压力的平衡点。水流会顺着压力降低的方向流动， 水流的终点便是压力的平衡点；同理，如果可以确定所有的干线节点的压力，那压力值 最小的那个节点便是水流的终点，而水流方向是从最高点到最低点。简单的注水系统可 能存在一个平衡点，但是规模越大，在井排干线和出站管线上的压力平衡点可能越多。 此外，压力平衡点还可以作为将一个大型注水系统划分为多个以注水站为中心，并且呈 树枝状分布的注水子系统的依据。利用压力平衡点，在反向求解环状管网时可以转化为 树状管网，而且这些管网以注水站为中心。 2 3 注水区块模拟计算结果 2 3 1 干线节点流量和压力的反向计算结果 p f 七= p ，+ 1 1h 厂 ( 2 1 2 ) r q 、1 2 k = 砖丢= 弓罟= 呜差= 专 ( 2 1 3 ) 式中：p ，各注水井的实测压力。 本课题中的管路为外径1 5 9 m m 和7 6 m m 的管线，故d 分别为o 1 4 9 ，0 0 6 9 ( 因测量数 据未给出，考虑到管线使用年限较长，结垢较严重，故取壁厚为3 5 m m ) 。 由以上公式计算可知，此管线的流态类型为水力粗糙。故用公式 a ：l 一， ( 2 1 4 ) ( 2 g 半) 2 来确定沿程水头损失系数。支线求出的名= 0 0 6 7 1 2 。 对与注水干线相衔接的配水间，通过配注流量和注水压力的反向计算，获得结果见 表2 3 。 1 4 生昝一， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 3 干线节点流量、压力反向计算结果 t a b l e 2 - 3b a c k h a n dc o m p u t a t i o n a ls o l u t i o no f f l o wr a t ea n dp r e