油田注水管网优化现状及发展趋势

2017-04-12张嘉兴魏立新陈思奇李欣洋

化工设计通讯 2017年1期

关键词：环法变频管网

张嘉兴，魏立新，陈思奇，李欣洋，丁慧

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

油田注水管网优化现状及发展趋势

张嘉兴，魏立新，陈思奇，李欣洋，丁慧

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

油田注水管网优化是油田地面优化的重要组成部分。介绍了注水管网优化现阶段的主要成果，包括注水管网运行优化、拓扑优化、泵的调频优化等。通过分析注水管网优化的发展现状，发现目前注水管网存在忽略地面标高对管网设计的影响、优化不全面、计算机水力仿真计算效率普遍较低、管网安全运行等问题。提出了加入高程对油田注水管网水力计算的影响，泵效、拓扑布局统筹优化，考虑注水管网的可靠性，采用解环法进行计算机模拟仿真以提高计算效率，作为以后注水管网优化发展方向。

注水系统；优化设计；仿真计算；高程

油田注水管网优化设计是注水管网设计的关键技术之一，良好的注水优化系统能保证油田采出率，保证油田主水管网安全可靠运行，降低油田注水能耗。油田注水管网优化包括两个方面，一是结构参数优化，二是运行参数优化。结构参数指管网图、管段直径、管长、节点流量和地面标高等；运行参数指各水源水泵性能参数、各节点的水压及各水源点的供水压力和流量等。现如今我国对油田注水管网的优化主要集中在管网图和泵的性能参数等方面，优化存在不全面性和分割性，没有将两者有机的结合起来。本文就油田注水管网近年来在优化设计方面具有代表性的成果分析、归纳，据此提出注水管网优化设计的发展方向。

1 发展现状

1.1 结构参数优化

油田注水管网拓扑优化中，刘扬教授基于油田集输系统提出的分级优化法值得借鉴。文献[1]中提到分级优化算法的思想，即将油田集输系统分为两级，拓扑级和几何级，分别确定管线与站的连接关系和各种站的几何位置。文献[2]中以投资最小为目标函数，以井间隶属关系的惟一性、连接注水井数量等限制为约束条件，建立了树状注水管网拓扑优化数学模型。根据模型特点，将优化问题分为分配层和几何层。文献[3]将油田注水管网问题分为注水井到配水间、注水站到配水间两个子问题。前者选用改进蚁群算法，以注水井到配水间距离之和最短为目标函数，从而确定配水间与注水井之间的隶属关系。文献[4]介绍了油田注水分区拓扑优化的问题，以管网水源和横切纵切为原则，以分区互为备份的方法，按照泵的供应能力并作适当下调来划分区域，从而使得注水管网拓扑优化具有快速、可靠等特点。

1.2 运行参数优化

注水管网的管网结构确定以后，文献[5]给出了注水系统的设计参数优化设计的详细步骤（即优选管径）。以管网造价和运行费用最小为目标，以保证注水管网各节点压力、流量和流速限制为约束条件，利用动态分析法中的资本值法，建立关于管径参数的数学模型。即在满足充分利用注水泵水头的条件下，极小化管网能耗及投资费用。对于该确定性优化问题，给出了经典的优化计算方法求解，从而得出了所要求的最优管径。

变频调速作为一种有效的节能措施，在生活中应用广泛，如变频空调、变频冰箱等。变频调速技术在给排水中也有一定的应用，但注水变频调速的优化多是针对单个注水站和简单注水系统的变频优化，或变频位置已确定情况下的运行参数优化。杨建军[6]关于注水优化考虑了各恒速泵的运行参数，同时确定最佳变频安装位置及变频泵的最优运行参数。以系统配注要求为前提，以确定最佳的变频调速位置及系统中恒速泵和变频调速泵的运行参数为基础，以注水系统耗电量最小为目标函数，建立数学模型。同时考虑了管网水力平衡条件、水量平衡、注水井压力、调速泵转速和泵排量等约束条件，使系统的能耗最小。

2 发展趋势

2.1 用解环法机算求解水力计算提高计算效率

解环法的未知量是环校正流量，管网基环的个数为矫正流量方程的个数，方程数量少，为N-M+1个[7]。通过迭代的方法，求解方程组，得出每个基环的校正流量，进而求出每条管段的流量，根据流量与节点压力之间的关系，求解出各节点的水压。与解节点法相比，解环法具有方程数量少，计算效率高等特点。在进行合理的流量初分的条件下，收敛速度快，可靠性高。计算步骤如下：

2.1.1 初始流量分配

初始流量分配可采用平方和法，核心思想是通过求解以节点流量平衡为约束的水头损失最小（类似最小二乘拟合）。其主要理论可以描述如下：

定义目标函数和约束条件如下，

因为约束条件线性，上述模型可以改写为拉格朗日乘子形式如下：

为求得方程极值，应用K-T条件，对原公式求偏导，经过整理得到：

则原模型可以写为如下形式：

在对上式中，N个方程线性相关，故必须删除某一个方程，通常做法是删去矩阵B的第一行第一列，相应的删除矩阵λ和矩阵Q的第一行。方程组变换为新的的方程组如下：

解方程组即得出每管段流量的初始分配值。

2.1.2 管道流向判定

可利用叉积法判断每根管道的顺逆时针方向，具体步骤如下：

首先取环的中心点（环所有中点和取平均），定义为O点。

定义管段末点到起点的向量为PjPi，计算OPj×OPi，若结果小于0，则该管道为顺时针；若结果大于0，则该管段为逆时针。

遍历每一个环的所有边的顺逆时针并存储在矩阵，顺时针存储1，逆时针存储-1。

2.1.3 管段流量方程组矫正及求解

计算每个基本环的闭合差

对每个环的管段流量施加一个相同的矫正流量Δqk，可以消除闭合差和。在环校正流量初值点（=0，Δq(0)= 0，…=0）处，用泰勒公式展开。

应用LU分解法，求解该线性方程组即可得到ΔqI，Δq…ΔqL，在初分配管段流量上施加环校正流量ΔqI，Δq2…ΔqL，得到新的管段流量，…，公式为：

在计算时需特殊考虑临环的影响，有临环影响的是-sjqj(m)n-1，没有影响的是0，对角线元素是每个环所有水头损失加和。

2.1.4 计算框图

图1 管段流量计算框图

2.1.5 计算实例

某油田区块有注水井76口，一个注水站管辖三个配水间。

图2 某油田区块注水井分布

根据注水井与配水间的所属关系建立仿真计算模型，分别运用解环法和解节点法在MATLAB编制算法，设定计算精度均为0.1*105。

结果表明，解节点法收敛速度要快于解节点法，本案例节省13%运算时间，收敛效果好。原因在于解节点法是针对每个节点建立非线性方程组成方程组，方程数量较多，对于大型注水管网，计算效率较低。解环法方程数量相对少，收敛速度快。

2.2 考虑高程对注水管网的影响

油田主水管网水力计算和管网优化的过程中，往往假定地势平坦或直接忽略地势起伏，从而忽视了高程对油田注水管网的影响。油田的开发过程并不能保证都在平原进行，每块油田都存在地势的起伏，对于管网布设在地形特殊的地区，如洼地、山地等情况，如何在计算中加以考虑，如何解决和利用高程差成为注水管网节能优化的重要问题。

3 结论

分析油田注水管网发展现状可以得出，注水管网优化的不全面性，没有考虑高程的影响，存在算法运行效率低、可靠性难以保证等问题，因此，在油田主水管网优化的现有基础上，应该充分利用高程对注水管网的影响，把结构优化和运行优化有机结合，并尝试解环法进行计算机仿真水力计算。使油田注水管网设计可靠、运行高效，保证管网的安全。

[1] 刘扬，周士华.低渗透油田地面工程总体规划方案优化研究[J].石油学报，2000，21（2）：88-95.

[2] 杨建军，刘扬，战红.基于混合遗传算法的树状注水管网拓扑优化[J].石油学报，2006，27（1）：106-110.

[3] 武晓勇.基于改进蚁群算法的油田注水管网规划设计研究[D].大庆：东北石油大学，2011.

[4] 赵太飞，高英英，姜凤娇，等.油田注水管网的分区拓扑优化研究[J].西安工程大学学报，2015，（3）：351-357.

[5] 别锋锋.油田注水系统规划优化研究[D].大庆：东北石油大学，2004.

[6] 杨建军.油田注水系统智能优化方法研究[D].大庆：东北石油大学，2006.

[7] 姚丽萍.给水管网水力计算方法与应用程序的开发研究[D].武汉：武汉理工大学，2003.

[8] 王国明，吕树清，杜锐.考虑管长因素的初分流量方法探讨[J].合肥工业大学学报：自然科学版，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