基于Pipephase的油田注水系统模拟

李 光 任永良 高 胜 杨 毅

（1.上海大学机电工程与自动化学院；2.东北石油大学机械科学与工程学院）

随着油田开发进入中后期，油田普遍采用注水驱油的方式进行生产。 油田注水能有效补充地层能量，提高原油采收率，以实现原油的稳产和高产［1］。油田注水系统是一种复杂的、大规模且非线性的流体管网系统，由若干注水站、注水井、配水间、连接点和高压管线组成的环状或树枝状拓扑结构。 注水流程是由水源来水进入注水站，经计量、增压后，输入管网系统中，依据每个注水井的注水工艺需求， 直接或通过配水间的控制、调节和计量，由注水井注入油层［2～4］。在油田生产中，要随时根据油田开发方案和地层情况调整注水方案以满足不同地层/地域注水井的注水需求［5］。对于这样一种复杂非线性管网系统的生产方案调整，需要借助现代仿真软件进行分析和模拟以确定最佳方案。 Pipephase软件是一款稳态多相流模拟计算软件，用于管道、管网、注水和输水系统的分析，拥有强大的解算能力，适合注水系统的仿真模拟［6］。

1 计算依据

油田注水系统在工程计算中可以简化为由各个节点和管道组成的管网系统，通过对管网节点流量的平衡约束，利用有限元方法建立模型并求解。 对注水管网中任一节点i，它必然存在这一平衡关系：在任一时间区间内流进该节点的流量等于从该节点流出的流量。 管网中任一节点的流量最多可分为3类： 与该节点相邻管道的流量qij；当该节点为注水站时的配注水量Qi； 当该节点为水源所在节点时的供水量Ui。 三者之间存在下列关系［7］：

式中 hij——由节点i、j确定的管道压降；

Ii——与节点i相邻的节点标号的集合；

kij——管道摩阻系数；

sij——管道系数；

pi——注水管网中任意节点i的压力；

α——常数， 当管内流速大于1.2 m/s时α=2.0，否则α=1.8。

由方程（1）可知：对一个有n个节点的注水管网可列出n个方程，由于在n个方程中的任一个节点压力可以由其余的n-1个方程得出， 所以只有n-1个方程是相互独立的， 这是一个非线性方程组； 若已知注水系统中注水站的供水量Ui和各节点的配注水量Qi， 可由该方程组求出各管道的流量和各节点的压力。

2 Pipephase软件建模

Pipephase软件是SimSCI公司开发的稳态多相流模拟计算软件，自身拥有庞大的物性数据库和精确的热力学计算方法， 管网分析能力极强，对复杂且庞大的管网系统均有很好的收敛，从而计算出整个管网的压力和流量平衡［8］。

根据注水管网的情况，将注水管网简化为注水干线和注水支线， 注水管网的管道以线表示，管道的连接处和配水间用连接点（节）表示，汇是注水井节点，源为注水站所在节点［9，10］。 主管线无渐缩管、弯管及三通等元件，可忽略局部水头损失对管线的影响，所以管网压力损失主要为沿程水头损失，在此模型中将沿程水头损失转化成管网流动效率的形式。 为保证注水管网功能的正常实现，所有注水井节点的压力值都应满足以下约束条件：

t——注水井数。

利用Pipephase软件对某小型油田注水管网系统仿真建模，建立仿真网络模型，网络模拟用于具有用户定义的节、汇和源布局的现场范围内的模拟，选择模拟类型为Network Model，流体模型选择为流体纯水，度量单位选择Metric，建立模型如图1所示。

图1 某小型油田注水管网系统Pipephase模型

3 模拟计算

某小型油田注水管网为枝状管网，包括注水站1座、配水间11个、注水井39口，加之管线交汇点，系统总节点数约100个。 注水站的来水压力18 MPa，日注水量1 430 m3，注水密度1 kg/m3，比热容1.003 kcal/（kg·℃），黏度893.7 μPa·s，水温设置为25～30 ℃。 配水间至注水井的枝干管道管长范围为200～1 500 m，管内径均为60 mm，壁厚均为7 mm、内壁绝对粗糙度为12 μm。 注水管网主干管道结构参数见表1。

表1 注水管网主干管道结构参数

笔者选取的数据为该小型油田注水管网正常运行一天的实测数据，将所用到的密度、黏度及温度等物性参数输入到模型中， 设置好每个Link管道的长度、内径、壁厚及热力学等参数，对于配水间以载荷为边界条件，对于注水井以压力为边界条件，进行仿真计算。 深蓝色源为注水站所在节点，黄色汇为注水井所在节点，干线中的11个淡蓝色节点为配水间，其他节点均为管线交汇点，灰色表示该设备处于关闭状态。 运行模型可在Pipephase软件的可视化结果系统界面中（图2）看到各个汇点和节点的压力、流量及温度等数据。

图2 Pipephase可视化结果系统界面

模拟计算后， 也可在观看结果的Report下拉菜单中选择Optimized Summary选项， 然后点击View按钮，得到仿真结果的优化报告，模拟运行之后的优化报告（摘要）如图3所示。

图3 Pipephase数据输出报告

整理分析图3所示的数据输出报告，将图3配水间的数据进行计算对比，配水间的压力和注水量模拟计算结果列于表2。 由表2可知：配水间的压力差异基本在1%以内（可忽略不计），计算结果精确；配水间日注水量个别有较大差异（最大差异出现在4号配水间，误差为6.80%），平均误差为4.46%，计算结果理想。 由此证明所选计算方法的可靠性，计算精度可以满足工程要求。

表2 配水间压力和注水量模拟计算结果

图4所示的是配水间日注水量数据拟合曲线，可以看出软件模拟数据与实际数据符合度非常高。

图4 配水间注水量数据拟合曲线

由于在油田注水管网系统中的仿真模型中，已知注水站压力、流量和注水井的流量，所以只需对注水井的压力进行计算分析， 表3 为Pipephase软件对注水井压力的模拟仿真数据（部分）与实际注水井注入压力的对比。

表3 注水井模拟压力与注入压力的对比 MPa

（续表3）

根据实际需求，注水井注入压力只要不小于该位置的油压即可。 由表3中注水井模拟压力与注入压力对比情况可知，模拟压力与注入压力的差值均大于零，也可由图5直观地看出，注水井模拟压力均大于油压， 计算结果满足实际工程要求。

图5 注水井模拟压力与油压的二维面积

4 结束语

运用Pipephase软件构建油田注水管网系统中仿真模型，针对油田注水管网系统在不同时期需要对注水量进行优化调度的问题， 利用Pipephase进行模拟计算，仿真结果与实测数据对比分析后可知，Pipephase软件对注水系统模拟效果明显，具有速度快、精度高、建模简单及易操作等优点。 另外，仿真输出数据的偏差率可作为对整个管网的性能评价数据，且随着不同时期的仿真输出数据偏差率的变化，可作为是否需要对管网设施进行维修/更换的依据，为解决大型油田注水管网水力问题提供了可靠的理论基础。