油田注水系统优化控制数学模型设计

彭丽娟 重庆电子工程职业学院

油田注水系统优化控制数学模型设计

彭丽娟 重庆电子工程职业学院

从提高注水系统运行效率、降低注水单耗的角度出发，以注水单耗为目的函数，在考虑节点流量平衡、供注水量平衡、注水压力、供水量、泵排量等约束条件下，建立了油田注水系统优化控制数学模型。并结合大庆油田注水运行实际情况设计了优化注水控制系统，该系统主要由控制主机、工控机、PLC、高压变频器、企业网和无线网等六部分组成。大庆油田优化注水控制系统现场应用效果表明，相比优化前注水泵减少1台，泵效率提高2.3%，注水单耗下降0.291kW·h/m3，节省电量22546kW·h/d。

油田；控制系统；数学模型；函数

油田注水系统包括注水站、配水间、注水井，相关配套设备有注水泵、控制阀、管线及电动机等，是一种大型非线性流体系统。随着油田的开发生产油田步入高含水期，通过注水提高地层能量来开采石油的措施应用十分普遍。多年来，由于技术的落后，不可避免地在注水过程中浪费了大量的电能。据统计，注水耗电量成本占原油生产成本的40%左右，造成了极大的经济损失，如果只依靠管理人员来维护注水系统的运行，不利于保证大型注水系统在优化状态下运行，在运行过程中不能及时有效地进行调整，可能会致使注水系统效率低下，注水单耗上升。因此，从提高注水系统运行效率、降低注水单耗的角度出发，以注水单耗为目的函数，在考虑节点流量平衡、供注水量平衡、注水压力、供水量、泵排量等约束条件下约束条件，建立了油田注水系统优化控制数学模型，实时监控和及时调整注水运行状况，以提高运行效率[1-2]。

1 最优数学模型建立

1.1 目标函数

为减少注水过程中电量的损耗，应优化目前油田注水系统。注水系统的电量损耗主要来自恒速泵和调速泵耗电量，将注水最小单耗作为目标函数[3]，建立数学公式如下

式中f(u,n)为注水单耗函数；Hi为第i台注水泵的泵压（MPa）；ui为第i台注水泵的排量（m3/d）；ηpi为第i台注水泵的效率（%）；ηei为第i台注水泵电动机的效率（%）。

1.2 边界条件

注水泵排量优化在以注水泵工作特性为约束条件下建立，约束条件包括注水量约束、供水量约束、注水井压力约束及注水井总流量约束[4]。在保障注水系统正常运转下，降低系统能耗，需要满足泵压≥管压+泵出口阀门节流损失+管线损失，数学表达式为

式中p1i、poi为泵压和管压（MPa）；Δ为站内管线压力损失（MPa）。

各注水泵应满足如下条件

式中ujmin为第j个注水站最小供水流量（m3/d）；ujmax为第j个注水站最大供水流量（m3/d）；t为注水站的数量。

每台注水泵应满足如下条件

注水系统总流量应满足总注入量

式中Q0为注水井总注入量（m3/d）。

根据式（1）～（7）建立注水系统优化数学模型，该优化模型如下

2 控制系统设计

注水控制系统主要由控制主机、工控机、PLC、高压变频器、企业网和无线网等部分组成。其中控制主机即中心控制室，主要是下达系统指令，通过工控机采集实时数据，优化并计算系统运行参数；注水站控制终端主要负责运行数据的收集与传送，以及接收并执行主机指令；无线网作为一种传输方式，主要完成主机和工控机数据的连通。

注水控制系统主要通过变频调速控制、变频电磁阀控制、手动控制来执行命令[5-6]。变频调速是利用变频器改变电动机转速，来改变泵的运行状态；变频电磁阀通过指令来调节控制阀的开度来改变泵的运行；手动控制即根据现场需要人为调节注水泵出口阀开度，实时改变注水泵流量大小。

3 应用效果

利用建立的数学模型和设计的注水控制系统对大庆油田注水系统进行了优化处理。大庆油田注水系统覆盖面积159.5km3，注水站13座，配水间73座，注水井521口，管段718条，配备各类型注水泵4种共25台，注水量达77473m3/d。采取优化控制系统后，相比优化前注水泵减少1台，泵效率提高2.3%，注水单耗下降0.291kW·h/m3，降低幅度4.27%，并且节省电量22546kW·h/d，经济效益明显。

[1]王洪丽．注水系统的节能措施及效率计算研究[D]．北京：北京化工大学，2003.

[2]南洋．浅谈油田注水系统节能技术[J]．内蒙古石油化工，2006，8（2）：35-36.

[3]丰国斌．油田注水系统节能[J]．石油规划设计，1996，7（2）：7-9.

[4]任文博，许克亮．碳酸盐岩油层注水替油效果模糊综合评判[J]．油气田地面工程，2012，31（12）：36-37.

[5]常玉连，高胜，郭俊忠．注水管网系统模型简化技术与计算方法研究[J]．石油学报，2001，22（2）：95-100.

[6]程为彬，陈东．油田注水泵站简化模型的研究[J]．水泵技术，2006（2）：34-37.

（栏目主持 张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.019