油田注水管網優化現狀及發展趨勢

張嘉興，魏立新，陳思奇，李欣洋，丁 慧

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

油田注水管網優化現狀及發展趨勢

張嘉興，魏立新，陳思奇，李欣洋，丁 慧

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）

油田注水管網優化是油田地面優化的重要組成部分。介紹了注水管網優化現階段的主要成果，包括注水管網運行優化、拓撲優化、泵的調頻優化等。通過分析注水管網優化的發展現狀，發現目前注水管網存在忽略地面標高對管網設計的影響、優化不全面、計算機水力仿真計算效率普遍較低、管網安全運行等問題。提出了加入高程對油田注水管網水力計算的影響，泵效、拓撲布局統籌優化，考慮注水管網的可靠性，采用解環法進行計算機模擬仿真以提高計算效率，作為以后注水管網優化發展方向。

注水系統；優化設計；仿真計算；高程

油田注水管網優化設計是注水管網設計的關鍵技術之一，良好的注水優化系統能保證油田采出率，保證油田主水管網安全可靠運行，降低油田注水能耗。油田注水管網優化包括兩個方面，一是結構參數優化，二是運行參數優化。結構參數指管網圖、管段直徑、管長、節點流量和地面標高等；運行參數指各水源水泵性能參數、各節點的水壓及各水源點的供水壓力和流量等。現如今我國對油田注水管網的優化主要集中在管網圖和泵的性能參數等方面，優化存在不全面性和分割性，沒有將兩者有機的結合起來。本文就油田注水管網近年來在優化設計方面具有代表性的成果分析、歸納，據此提出注水管網優化設計的發展方向。

1 發展現狀

1.1 結構參數優化

油田注水管網拓撲優化中，劉揚教授基于油田集輸系統提出的分級優化法值得借鑒。文獻[1]中提到分級優化算法的思想，即將油田集輸系統分為兩級，拓撲級和幾何級，分別確定管線與站的連接關系和各種站的幾何位置。文獻[2]中以投資最小為目標函數，以井間隸屬關系的惟一性、連接注水井數量等限制為約束條件，建立了樹狀注水管網拓撲優化數學模型。根據模型特點，將優化問題分為分配層和幾何層。文獻[3]將油田注水管網問題分為注水井到配水間、注水站到配水間兩個子問題。前者選用改進蟻群算法，以注水井到配水間距離之和最短為目標函數，從而確定配水間與注水井之間的隸屬關系。文獻[4]介紹了油田注水分區拓撲優化的問題，以管網水源和橫切縱切為原則，以分區互為備份的方法，按照泵的供應能力并作適當下調來劃分區域，從而使得注水管網拓撲優化具有快速、可靠等特點。

1.2 運行參數優化

注水管網的管網結構確定以后，文獻[5]給出了注水系統的設計參數優化設計的詳細步驟（即優選管徑）。以管網造價和運行費用最小為目標，以保證注水管網各節點壓力、流量和流速限制為約束條件，利用動態分析法中的資本值法，建立關于管徑參數的數學模型。即在滿足充分利用注水泵水頭的條件下，極小化管網能耗及投資費用。對于該確定性優化問題，給出了經典的優化計算方法求解，從而得出了所要求的最優管徑。

變頻調速作為一種有效的節能措施，在生活中應用廣泛，如變頻空調、變頻冰箱等。變頻調速技術在給排水中也有一定的應用，但注水變頻調速的優化多是針對單個注水站和簡單注水系統的變頻優化，或變頻位置已確定情況下的運行參數優化。楊建軍[6]關于注水優化考慮了各恒速泵的運行參數，同時確定最佳變頻安裝位置及變頻泵的最優運行參數。以系統配注要求為前提，以確定最佳的變頻調速位置及系統中恒速泵和變頻調速泵的運行參數為基礎，以注水系統耗電量最小為目標函數，建立數學模型。同時考慮了管網水力平衡條件、水量平衡、注水井壓力、調速泵轉速和泵排量等約束條件，使系統的能耗最小。

2 發展趨勢

2.1 用解環法機算求解水力計算提高計算效率

解環法的未知量是環校正流量，管網基環的個數為矯正流量方程的個數，方程數量少，為N-M+1個[7]。通過迭代的方法，求解方程組，得出每個基環的校正流量，進而求出每條管段的流量，根據流量與節點壓力之間的關系，求解出各節點的水壓。與解節點法相比，解環法具有方程數量少，計算效率高等特點。在進行合理的流量初分的條件下，收斂速度快，可靠性高。計算步驟如下：

2.1.1 初始流量分配

初始流量分配可采用平方和法，核心思想是通過求解以節點流量平衡為約束的水頭損失最小（類似最小二乘擬合）。其主要理論可以描述如下：

定義目標函數和約束條件如下，

因為約束條件線性，上述模型可以改寫為拉格朗日乘子形式如下：

為求得方程極值，應用K-T條件，對原公式求偏導，經過整理得到：

則原模型可以寫為如下形式：

在對上式中，N個方程線性相關，故必須刪除某一個方程，通常做法是刪去矩陣B的第一行第一列，相應的刪除矩陣λ和矩陣Q的第一行。方程組變換為新的的方程組如下：

解方程組即得出每管段流量的初始分配值。

2.1.2 管道流向判定

可利用叉積法判斷每根管道的順逆時針方向，具體步驟如下：

首先取環的中心點（環所有中點和取平均），定義為O點。

定義管段末點到起點的向量為PjPi，計算OPj×OPi，若結果小于0，則該管道為順時針；若結果大于0，則該管段為逆時針。

遍歷每一個環的所有邊的順逆時針并存儲在矩陣，順時針存儲1，逆時針存儲-1。

2.1.3 管段流量方程組矯正及求解

計算每個基本環的閉合差

對每個環的管段流量施加一個相同的矯正流量Δqk，可以消除閉合差和。在環校正流量初值點（=0，Δq(0)= 0，…=0）處，用泰勒公式展開。

應用LU分解法，求解該線性方程組即可得到ΔqI，Δq…ΔqL，在初分配管段流量上施加環校正流量ΔqI，Δq2…ΔqL，得到新的管段流量，…，公式為：

在計算時需特殊考慮臨環的影響，有臨環影響的是-sjqj(m)n-1，沒有影響的是0，對角線元素是每個環所有水頭損失加和。

2.1.4 計算框圖

圖1 管段流量計算框圖

2.1.5 計算實例

某油田區塊有注水井76口，一個注水站管轄三個配水間。

圖2 某油田區塊注水井分布

根據注水井與配水間的所屬關系建立仿真計算模型，分別運用解環法和解節點法在MATLAB編制算法，設定計算精度均為0.1*105。

結果表明，解節點法收斂速度要快于解節點法，本案例節省13%運算時間，收斂效果好。原因在于解節點法是針對每個節點建立非線性方程組成方程組，方程數量較多，對于大型注水管網，計算效率較低。解環法方程數量相對少，收斂速度快。

2.2 考慮高程對注水管網的影響

油田主水管網水力計算和管網優化的過程中，往往假定地勢平坦或直接忽略地勢起伏，從而忽視了高程對油田注水管網的影響。油田的開發過程并不能保證都在平原進行，每塊油田都存在地勢的起伏，對于管網布設在地形特殊的地區，如洼地、山地等情況，如何在計算中加以考慮，如何解決和利用高程差成為注水管網節能優化的重要問題。

3 結論

分析油田注水管網發展現狀可以得出，注水管網優化的不全面性，沒有考慮高程的影響，存在算法運行效率低、可靠性難以保證等問題，因此，在油田主水管網優化的現有基礎上，應該充分利用高程對注水管網的影響，把結構優化和運行優化有機結合，并嘗試解環法進行計算機仿真水力計算。使油田注水管網設計可靠、運行高效，保證管網的安全。

[1] 劉揚，周士華.低滲透油田地面工程總體規劃方案優化研究[J].石油學報，2000，21（2）：88-95.

[2] 楊建軍，劉揚，戰紅.基于混合遺傳算法的樹狀注水管網拓撲優化[J].石油學報，2006，27（1）：106-110.

[3] 武曉勇.基于改進蟻群算法的油田注水管網規劃設計研究[D].大慶：東北石油大學，2011.

[4] 趙太飛，高英英，姜鳳嬌，等.油田注水管網的分區拓撲優化研究[J].西安工程大學學報，2015，（3）：351-357.

[5] 別鋒鋒.油田注水系統規劃優化研究[D].大慶：東北石油大學，2004.

[6] 楊建軍.油田注水系統智能優化方法研究[D].大慶：東北石油大學，2006.

[7] 姚麗萍.給水管網水力計算方法與應用程序的開發研究[D].武漢：武漢理工大學，2003.

[8] 王國明，呂樹清，杜銳.考慮管長因素的初分流量方法探討[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2002，25（3）：423-426.

Oilfield Water Injection Pipe Network Optimization Situation and Development Trend

Zhang Jia-xing，Wei Li-xin，Chen Si-qi，Li Xin-yang，Ding Hui

The optimization of oilfield water injection pipe network is an important part of oilfield surface optimization.This paper introduces the main achievements of the water injection pipe network optimization，including the optimization of the operation of the water injection pipe network，the topology optimization and the optimization of the pump frequency modulation.Through the analysis of the current situation of the development of the water injection pipe network optimization，found that the current water injection pipe network effect，ignoring the ground elevation design of optimization is not comprehensive，the computer simulation of hydraulic efficiency is generally low，the safety operation of the network etc.The influence of elevation on the hydraulic calculation of water injection system；pump efficiency，topology layout optimization；considering the reliability of water injection network；computer simulation to improve the computational efficiency of the loop method，as the future development direction of optimization of water injection pipeline.

water injection system；optimization design；simulation calculation；elevation

表3 儲層溫度下稠化緩速酸酸巖反應速率測試結果

TE357.6

A

1003-6490（2017）01-0031-03

2017-01-05

張嘉興（1992—），男，碩士，山東濟寧人，碩士在讀，主要研究方向為油氣儲運工程。

收稿日期：2017-01-06

作者簡介： 劉豐克（1988—），男，河南登封人，助理工程師，主要從事固井工具研發工作。