油田注水系统仿真优化研究

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1、笋5 2 8 1 3 3原创性声明本人声明:所呈交的硕士学位论文，是本人在指导 教师的指导下， 独立进行研究工作所 取得的成果。 除文 中已经注明引用的内 容外，本论文不 包含任何其他个人 或集体己 经发表或撰写过的作品 成果。对本文的 研究做 出 重要贡献的个人和集体，均己 在文中己 明确方式标 明。本人完全意识到 本声明的法律结果由 本人承担。冷 廊学位论文作者签名日期:年关于论文使用授权的说明本人同意学校有权保留并向国 家有关部门 送交学位 论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅。同意学校及国 家有关机构可以公 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。论

2、文作者签名, - vi l 4指导教师签名:日期日期提要注水采油是我国陆上油田主 要的 采油方式之一。它能 有效地补 充地层的能 量， 对 提高原油采收率， 确 保油田 高产、 稳产起到了重要的 作用。 油田 注水系统生 产过程中， 由于不能及时地调整开泵 方案和 运行参数，以 适应地质配 注方案 和生产环境的变化， 常常产生泵管压差过大，导 致整 个系 统能耗大， 增加原油生 产成本。 针对上述情况， 本文开展油田注水系统仿真 优化 研究，旨 在降低注水单耗。从而降 低原油生产成本， 提高油田的经济效益。本文 对注水泵、注 水管网 等基本单元建立了 数学 模型，以 此描述注水系统的运行 状况

3、。通 过研究管单元 两节点 之间的压力损失，形成兰 元方程， 根据节点流量平衡的 原理: 形成注水管网系 统的总体方程。在分析了 特性 矩阵和总体方程的特点基础上， 提出了 注水管网的简化策略， 用简单 迭代法解算注水管网 系统总体方程。本文建立了 注水系 统运行参数优化模型，根据 优化模型的特点，提出了 约束条 件 转化的 策略和二层递阶迭代一约束变尺 度优化方法。 通过注水系统运行参数优化，可 以 给出 不同 配注条件下 注水系 统的合 理开装方案 和最佳运行参数。本文编制了 注水系统仿真和优化软 件， 对大 庆杏 北油田注水系统 进行了 优化， 优 化结果表明， 该软件能够降 低注水单耗

4、 和泵管 压差， 提高注水系统的 运行效率， 使注 水泵和注水管网的匹配更加合理，给油田注水生产和科学管理提供必要的理论依据。第一章 前言第一章 前言第一节 选题的背景和意义油田注水是采油生 产中 最重 要的 工作之一，它可以 有效地补充地层的能里， 对提 高原油采收率，确保油田高产、稳产起到了积极作用。目前，国内大多数油田已经进 入中高含水期开发，每天要向地下注入大量的水，消耗大量的电能，成为造成油田电 力紧张的 主要原因 之一。 例如， 大 庆杏南油田 注水系统每天向地下 注入7 - 8 万立方米 的水， 按注入每立方米水耗电6 千瓦时计算， 杏南油田每天 仅注水就需要耗电 约4 2 -

5、4 8 万千瓦时，占 杏南油田 总耗电 的一半以上。 因此，降 低注水单耗将能有效降低原油 生产成本. 对提高油田的 经济效益具 有十分重要的 意义。另外， 由于注水井在不同时期的 配注水盘和配注压力是不同的， 所以注水泵排量 如果不及时调整， 就会使部分注水井的流 盘和压力不能 满足地质配注的要求，从而导 致注水井的欠注，影响油田的稳产。并且目 前注水泵的运行方案 主要是 根据日常管 理 经验来确定的，管理人员的工作量大，受各种因素的影响，很难保证优化的合理开泵 和最佳的运行参数。油田注 水系 统在实际 运行过程中， 除了存在正常 注水与测试、 洗井、钻关等用水之间的矛盾之外，还存在正常注水

6、与水源供水量不足之间的矛盾。上 述两种矛盾使注水系统的注水流量波动较大， 运行工况复杂。 为了适应注水量的波动， 只能 通过调节阀门 来控制流 量， 从而导致注水泵与注水管网 之间 匹配不合理， 泵管压 差较高， 节流损失较大。 根据1 9 9 7 - 1 9 9 8 年对大庆杏南 油田 的调 查， 注水系统的泵管 压差平均为。 2 “ 1 . 4 2 M p a ， 个别情况下 高达2 . 3 M p a ， 节 流损失平均占 注水泵输出能量 的 1 , 5 -1 C %，最高达 巧%。综上所述， 从油田长 远发 展的 角度来看， 对注水系统 运行参数进行优化， 降低注水系统能耗，提高注水系

7、统运行效率，将是我国油田原油生产中一个重要的课题。第二节 油田注水系统优化研究概况优化理论研究发 展到 至今， 已有 近半个 世纪的 历史。 我国 对优化方法的研究起步 较晚， 从7 0年代起， 华罗庚教授等数学家才对最优化方法进行了卓有成效的研究推广 工作。 在我国， 油田 注水系统的 优化研 究工作在7 0 年代 末期开始受到人们的重视。 那 时，中国科学研究院数学所与大庆汕田设计院 合作 研究油田 注水系统的节能问题，但 是由于 当时的计算手段不完备， 该项研究没有继续 深入下去。 后来到了9 0 年 代初期的 时候，大庆石油学院自 控系陈森 鑫教 授等人与 大庆油田 采油六厂合作，从事

8、 注水系统第一童 前言注水泵起动方案 优化项目 研究工作。 该项研究提出了 注水系统的一整套较完整的建模、 管网计算的理论 和方法.首次提出了 注水系统压力分布中的压力 谷的 概念，并 按压力 谷分布将整个注水系统分解为一系列子系统，然后应用大系统理论中的关联平衡法进 行迭代计算。 但是 在研究 注水泵启动方案时， 把各注水站中不同型号的 注水泵作为同 型号的 注水 泵井 联看待， 并用 排序法选泵， 这些都导致选泵过程中的不合理性， 限 制了 该 项目 的发 展。该项 研究 没有得到推广应用，但为注水系统的 优化 工作莫定了 一定的 理论基础。1 9 % 年，大庆石油学院机械系常玉连教授等人

9、与大庆油田采油五厂联合，开展了“ 杏南油田注水系统用能改进和能量最优利用” 。 该项研究首次在国内油田注水 生产中引 进并开 发应用了 大功率高压变频调速控制技术， 可以 实现注水系统的实时监 测。对注水泵调速可以改变泵的运行特性曲线，从而实现无节流损失，并保证注水泵 在高 效区工 作。 该项研究 提出 用一般迭代法解算管网，并 且可以 把优化运行结果在计 算机上仿真计算，验证优化结果的合理性。目前，该项目已通过技术鉴定，在现场实际运行取得了良好的效果。第三节 本文的主要内容油田注水系统运行参数优化研究，主要内容为:工 . 通过大系 统应用、 计算机仿真理论 和流 体网 络的 数学知识， 在现

10、 场进行测试的 基础上建立了油田注水系统基本单元的数学模型，以此来描述整个注水系统的运行状况。2 . 研究注水管网 系统的总体方程， 寻找 有效的 数值方法求解， 达到 生产运行系 统 的要求。3 . 运用优化理论知识和现场的生 产实践， 以 注水单耗为优化的目 标函数， 以 注水站的流量、注水泵的流量和注水井的压力等作为优化的约束条件，建立油田注水系统 运行参数优化模型，并选择合适的优化方法对其进行解算。4 . 在W i n d o w s 9 5 环境下。 用C + + B u i l d e r 语言开发编写油田 注水系 统运行参数优化软件，力求软件的界面良好、操作方便。把现场的生产数据

11、输入程序，把优化结果 与实际生产数据进行对比，验证软件的实用性。第二章 油田注水系统简介第二章 油田注水系统简介第一节 油田注水系统的组成油田 注水系统一般由 注水站、注 水管网、 配水间、 注水井等基本单 元组成。 其中 注水站中的 主要设备是注水泵和驱动 注水泵的电 机; 注水管网主要由管 线、阀门、三 通、 弯头等组成。附图A和附图B 分别为大庆杏南油田 和杏北 油田 注水系统现状图， 图2 -1 为简 化的油田 注水系统示 意图.注水干线注水支线注水站配水间管线交点注 水 井图 2一1 油田注水系统示意图第二节 油田注水生产的注水流程目 前在我国的油田中 主要有以 下五种典型的注水流程

12、11 2 :第三章 油田注水系统基本单元数学模型( 1 ) 单管多井配水，见图 2 -2 .!流盘计注 水 泵水鸽一广-ee.ee.se.se.111.1水-注 水 站配水间.1-es-es-es.11-程-充，ll-L水卜已矛配:，井注水井多管单凡一八乙图( 2 ) 单管单井配水，见图 2 一3 .厂 一 一 一 一 一 - 1水 源 来 水 ! 一注 水 站卜I匕- - - - - - - - 1佳水井注水+线 - - Ti i ;i i 1ci i i - i图Z 一 3 单管单井配水流程( 3 ) 双管多井配水，见图 2 -4 .第二章 油田注水系统简介1.!尸.1.水源来水注水井多井

13、配水间- - 3 1 - ,iL注水站 丁尸图2 一 4( 4 ) 增压注水，见图2 一5 。- -扣双管多井配水流程注水千线装回渊阀增乐泵毒注水井注水井注水井图 2 ，5 增压注水流程第三章 油田注水系统基本单元数学模型( 5 ) 分压注水，见图 2 -6 ,高渗透层注水井广 一低 压 配 水 间!.1广- 一- 一 -一 一 一一 t 水 。 来 水 一低压注水干线注 水 站; 高 压 注 水 干 线lIL _ _ _ _ _ _ _ _ 一 门1高压配水间 一 _“呜 低 。 透 层 注 。图 2 一6 分压注水流程在油田注水系统中，水是由专门的水源供给，在各个供水水源，水经过过滤、沉

14、淀等工 序处 理， 使其满足注水井对水质的要求，然 后由 供水泵将水输送到注水站的水 罐中。水罐中的水经过注水站中注水泵的加压，注入到注水管网中，然后到达各个配 水间.在配水间通过阀门控制使来水的流量分别达到各个注水井的配注流量之后，由配水间控制流向各个注水井， 经由各个注水管柱， 最后由配水嘴喷出， 注入到地层中。由 于一般油田 区域分布广泛， 注水管网 复杂庞大， 注水井的数目 也比 较多， 因此， 一个油田的注.长系统往往不只有一个注水站或一个配水间.而是有多个注水站、多个 配水间。并且在一个注水站内也不一定只有一台注水泵，加上备用泵通常有一到两台 注水泵，甚至有三台之多。对于配水间，根

15、据所处的地理位置和配注方案的要求，配 水间又可分为单井配水间、三井配水间、五井配水间和七井配水间等多井配水间.第三章 油田注水系统基本单元数学摸型第三章 油田注水系统基本单元数学模型在研究油田 注水系 统的 运行情况以 前， 必须建 立注水系 统基本单元的数学模型， 即构造基本单元之间的 各种变量参数之间的关系，以 此来描述系统的 运行情况s 7第一节 注水泵的数学模型注水泵在整个注水系统中起着“ 源 “ 的作用。 注水泵的 数学模型可 用其特性曲 线 来表示川 。 描述注水泵 运行 状况的 主要 参数有: 流量、 扬程、 实际消耗功率、 效率。 泵的特性曲线描述了 这些参数之间的关 系， 它

16、们是:流量与扬程 之间 的关系、 流量与 效率之间的关系以 及流量与实际消耗功率之间的关系。注水泵的理论特性曲线一股由生 产厂家给出， 但 是在实际工作中，由于 多种因 素 的影响，致使注水泵的实际工作 特性曲 线与理论特性曲线之间存在较 大差别， 通常情 况 下 ， 注 水 泵的 的 实际 工 作 特 性曲 线 很 难 精 确 给 出 7 : 1 。 本 文 用 定 性 分 析的 办 法， 了 解 各种 损失对 理论 特性的影响， 从而确 定实际性能曲线的形 状，由 现场实测数据用最小 二乘法， 月 进行曲线拟合，求出拟合系数。 1 . H - 42( 扬程一流量)性能曲线注 水 泵 的 扬T V . - 流 量 性 能 曲 线 可 表 示为 川,C 7 s 1H= a 。 一 a ,Q ( 3 - i ) 式中H-离心泵扬程，阮Q - 离 心泵 体 积 流量