張嘉興，魏立新，陳思奇，李欣洋，丁 慧

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

油田注水管網(wǎng)優(yōu)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張嘉興，魏立新，陳思奇，李欣洋，丁 慧

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

油田注水管網(wǎng)優(yōu)化是油田地面優(yōu)化的重要組成部分。介紹了注水管網(wǎng)優(yōu)化現(xiàn)階段的主要成果，包括注水管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、泵的調(diào)頻優(yōu)化等。通過(guò)分析注水管網(wǎng)優(yōu)化的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前注水管網(wǎng)存在忽略地面標(biāo)高對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)的影響、優(yōu)化不全面、計(jì)算機(jī)水力仿真計(jì)算效率普遍較低、管網(wǎng)安全運(yùn)行等問(wèn)題。提出了加入高程對(duì)油田注水管網(wǎng)水力計(jì)算的影響，泵效、拓?fù)洳季纸y(tǒng)籌優(yōu)化，考慮注水管網(wǎng)的可靠性，采用解環(huán)法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真以提高計(jì)算效率，作為以后注水管網(wǎng)優(yōu)化發(fā)展方向。

注水系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；仿真計(jì)算；高程

油田注水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是注水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，良好的注水優(yōu)化系統(tǒng)能保證油田采出率，保證油田主水管網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，降低油田注水能耗。油田注水管網(wǎng)優(yōu)化包括兩個(gè)方面，一是結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，二是運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)參數(shù)指管網(wǎng)圖、管段直徑、管長(zhǎng)、節(jié)點(diǎn)流量和地面標(biāo)高等；運(yùn)行參數(shù)指各水源水泵性能參數(shù)、各節(jié)點(diǎn)的水壓及各水源點(diǎn)的供水壓力和流量等?，F(xiàn)如今我國(guó)對(duì)油田注水管網(wǎng)的優(yōu)化主要集中在管網(wǎng)圖和泵的性能參數(shù)等方面，優(yōu)化存在不全面性和分割性，沒(méi)有將兩者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。本文就油田注水管網(wǎng)近年來(lái)在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有代表性的成果分析、歸納，據(jù)此提出注水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

油田注水管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化中，劉揚(yáng)教授基于油田集輸系統(tǒng)提出的分級(jí)優(yōu)化法值得借鑒。文獻(xiàn)[1]中提到分級(jí)優(yōu)化算法的思想，即將油田集輸系統(tǒng)分為兩級(jí)，拓?fù)浼?jí)和幾何級(jí)，分別確定管線與站的連接關(guān)系和各種站的幾何位置。文獻(xiàn)[2]中以投資最小為目標(biāo)函數(shù)，以井間隸屬關(guān)系的惟一性、連接注水井?dāng)?shù)量等限制為約束條件，建立了樹(shù)狀注水管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型特點(diǎn)，將優(yōu)化問(wèn)題分為分配層和幾何層。文獻(xiàn)[3]將油田注水管網(wǎng)問(wèn)題分為注水井到配水間、注水站到配水間兩個(gè)子問(wèn)題。前者選用改進(jìn)蟻群算法，以注水井到配水間距離之和最短為目標(biāo)函數(shù)，從而確定配水間與注水井之間的隸屬關(guān)系。文獻(xiàn)[4]介紹了油田注水分區(qū)拓?fù)鋬?yōu)化的問(wèn)題，以管網(wǎng)水源和橫切縱切為原則，以分區(qū)互為備份的方法，按照泵的供應(yīng)能力并作適當(dāng)下調(diào)來(lái)劃分區(qū)域，從而使得注水管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化具有快速、可靠等特點(diǎn)。

1.2 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

注水管網(wǎng)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)確定以后，文獻(xiàn)[5]給出了注水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟（即優(yōu)選管徑）。以管網(wǎng)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)，以保證注水管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)壓力、流量和流速限制為約束條件，利用動(dòng)態(tài)分析法中的資本值法，建立關(guān)于管徑參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。即在滿足充分利用注水泵水頭的條件下，極小化管網(wǎng)能耗及投資費(fèi)用。對(duì)于該確定性優(yōu)化問(wèn)題，給出了經(jīng)典的優(yōu)化計(jì)算方法求解，從而得出了所要求的最優(yōu)管徑。

變頻調(diào)速作為一種有效的節(jié)能措施，在生活中應(yīng)用廣泛，如變頻空調(diào)、變頻冰箱等。變頻調(diào)速技術(shù)在給排水中也有一定的應(yīng)用，但注水變頻調(diào)速的優(yōu)化多是針對(duì)單個(gè)注水站和簡(jiǎn)單注水系統(tǒng)的變頻優(yōu)化，或變頻位置已確定情況下的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化。楊建軍[6]關(guān)于注水優(yōu)化考慮了各恒速泵的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)確定最佳變頻安裝位置及變頻泵的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。以系統(tǒng)配注要求為前提，以確定最佳的變頻調(diào)速位置及系統(tǒng)中恒速泵和變頻調(diào)速泵的運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)，以注水系統(tǒng)耗電量最小為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型。同時(shí)考慮了管網(wǎng)水力平衡條件、水量平衡、注水井壓力、調(diào)速泵轉(zhuǎn)速和泵排量等約束條件，使系統(tǒng)的能耗最小。

2 發(fā)展趨勢(shì)

2.1 用解環(huán)法機(jī)算求解水力計(jì)算提高計(jì)算效率

解環(huán)法的未知量是環(huán)校正流量，管網(wǎng)基環(huán)的個(gè)數(shù)為矯正流量方程的個(gè)數(shù)，方程數(shù)量少，為N-M+1個(gè)[7]。通過(guò)迭代的方法，求解方程組，得出每個(gè)基環(huán)的校正流量，進(jìn)而求出每條管段的流量，根據(jù)流量與節(jié)點(diǎn)壓力之間的關(guān)系，求解出各節(jié)點(diǎn)的水壓。與解節(jié)點(diǎn)法相比，解環(huán)法具有方程數(shù)量少，計(jì)算效率高等特點(diǎn)。在進(jìn)行合理的流量初分的條件下，收斂速度快，可靠性高。計(jì)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(guò)求解以節(jié)點(diǎn)流量平衡為約束的水頭損失最?。愃谱钚《藬M合）。其主要理論可以描述如下：

定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下，

因?yàn)榧s束條件線性，上述模型可以改寫(xiě)為拉格朗日乘子形式如下：

為求得方程極值，應(yīng)用K-T條件，對(duì)原公式求偏導(dǎo)，經(jīng)過(guò)整理得到：

則原模型可以寫(xiě)為如下形式：

在對(duì)上式中，N個(gè)方程線性相關(guān)，故必須刪除某一個(gè)方程，通常做法是刪去矩陣B的第一行第一列，相應(yīng)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(shí)針?lè)较颍唧w步驟如下：

首先取環(huán)的中心點(diǎn)（環(huán)所有中點(diǎn)和取平均），定義為O點(diǎn)。

定義管段末點(diǎn)到起點(diǎn)的向量為PjPi，計(jì)算OPj×OPi，若結(jié)果小于0，則該管道為順時(shí)針；若結(jié)果大于0，則該管段為逆時(shí)針。

遍歷每一個(gè)環(huán)的所有邊的順逆時(shí)針并存儲(chǔ)在矩陣，順時(shí)針存儲(chǔ)1，逆時(shí)針存儲(chǔ)-1。

2.1.3 管段流量方程組矯正及求解

計(jì)算每個(gè)基本環(huán)的閉合差

對(duì)每個(gè)環(huán)的管段流量施加一個(gè)相同的矯正流量Δqk，可以消除閉合差和。在環(huán)校正流量初值點(diǎn)（=0，Δq(0)= 0，…=0）處，用泰勒公式展開(kāi)。

應(yīng)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(huán)校正流量ΔqI，Δq2…ΔqL，得到新的管段流量，…，公式為：

在計(jì)算時(shí)需特殊考慮臨環(huán)的影響，有臨環(huán)影響的是-sjqj(m)n-1，沒(méi)有影響的是0，對(duì)角線元素是每個(gè)環(huán)所有水頭損失加和。

2.1.4 計(jì)算框圖

圖1 管段流量計(jì)算框圖

2.1.5 計(jì)算實(shí)例

某油田區(qū)塊有注水井76口，一個(gè)注水站管轄三個(gè)配水間。

圖2 某油田區(qū)塊注水井分布

根據(jù)注水井與配水間的所屬關(guān)系建立仿真計(jì)算模型，分別運(yùn)用解環(huán)法和解節(jié)點(diǎn)法在MATLAB編制算法，設(shè)定計(jì)算精度均為0.1*105。

結(jié)果表明，解節(jié)點(diǎn)法收斂速度要快于解節(jié)點(diǎn)法，本案例節(jié)省13%運(yùn)算時(shí)間，收斂效果好。原因在于解節(jié)點(diǎn)法是針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立非線性方程組成方程組，方程數(shù)量較多，對(duì)于大型注水管網(wǎng)，計(jì)算效率較低。解環(huán)法方程數(shù)量相對(duì)少，收斂速度快。

2.2 考慮高程對(duì)注水管網(wǎng)的影響

油田主水管網(wǎng)水力計(jì)算和管網(wǎng)優(yōu)化的過(guò)程中，往往假定地勢(shì)平坦或直接忽略地勢(shì)起伏，從而忽視了高程對(duì)油田注水管網(wǎng)的影響。油田的開(kāi)發(fā)過(guò)程并不能保證都在平原進(jìn)行，每塊油田都存在地勢(shì)的起伏，對(duì)于管網(wǎng)布設(shè)在地形特殊的地區(qū)，如洼地、山地等情況，如何在計(jì)算中加以考慮，如何解決和利用高程差成為注水管網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化的重要問(wèn)題。

3 結(jié)論

分析油田注水管網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀可以得出，注水管網(wǎng)優(yōu)化的不全面性，沒(méi)有考慮高程的影響，存在算法運(yùn)行效率低、可靠性難以保證等問(wèn)題，因此，在油田主水管網(wǎng)優(yōu)化的現(xiàn)有基礎(chǔ)上，應(yīng)該充分利用高程對(duì)注水管網(wǎng)的影響，把結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化有機(jī)結(jié)合，并嘗試解環(huán)法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真水力計(jì)算。使油田注水管網(wǎng)設(shè)計(jì)可靠、運(yùn)行高效，保證管網(wǎng)的安全。

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

[2] 楊建軍，劉揚(yáng)，戰(zhàn)紅.基于混合遺傳算法的樹(shù)狀注水管網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化[J].石油學(xué)報(bào)，2006，27（1）：106-110.

[3] 武曉勇.基于改進(jìn)蟻群算法的油田注水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

[4] 趙太飛，高英英，姜鳳嬌，等.油田注水管網(wǎng)的分區(qū)拓?fù)鋬?yōu)化研究[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（3）：351-357.

[5] 別鋒鋒.油田注水系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2004.

[6] 楊建軍.油田注水系統(tǒng)智能優(yōu)化方法研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2006.

[7] 姚麗萍.給水管網(wǎng)水力計(jì)算方法與應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[8] 王國(guó)明，呂樹(shù)清，杜銳.考慮管長(zhǎng)因素的初分流量方法探討[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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(chǔ)層溫度下稠化緩速酸酸巖反應(yīng)速率測(cè)試結(jié)果

TE357.6

A

1003-6490（2017）01-0031-03

2017-01-05

張嘉興（1992—），男，碩士，山東濟(jì)寧人，碩士在讀，主要研究方向?yàn)橛蜌鈨?chǔ)運(yùn)工程。

收稿日期：2017-01-06

作者簡(jiǎn)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(fā)工作。