基于參數(shù)檢測的地面智能注水模型方法研究

李鵬偉

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

目前，我國大系統(tǒng)建模技術(shù)在油氣田開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在地面注水系統(tǒng)優(yōu)化以及地面、地下一體化優(yōu)化方面。這方面的進(jìn)展，有注水井局部提壓法、能耗節(jié)能法，這些方法基本圍繞地面注水系統(tǒng)、注水運(yùn)行方案、注水管網(wǎng)三者結(jié)合最終建立對地面注水優(yōu)化的結(jié)構(gòu)模型。目前油田這些方法以地面注水大系統(tǒng)構(gòu)建、非線性規(guī)劃作為研究方向[1-2]。本文針對整個(gè)地面注水大系統(tǒng)，給出動(dòng)態(tài)分析及優(yōu)化方法，建立模型系統(tǒng)進(jìn)行某注水站的計(jì)算，為注水開發(fā)提供一種參考。

1 油田注水系統(tǒng)

注水站可以實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到計(jì)量注水量，注水分配等任務(wù)。對于地面注水系統(tǒng)的配水間是對上述的注水站來水進(jìn)行流量分配、對注水管網(wǎng)分配注水等作用。對于調(diào)整注水過程進(jìn)行的封堵、增注等注水方式，可在一定程度上有效對來自于注水泵站的出口壓力進(jìn)行調(diào)整，對注水泵站出口壓力的調(diào)整可以降低注水作業(yè)的成本投入。該地面注水系統(tǒng)本文劃分若干為相應(yīng)的子系統(tǒng)，劃分依據(jù)基于井網(wǎng)、管網(wǎng)，離心泵工藝流程，由注水泵、注水管網(wǎng)構(gòu)成注水大系統(tǒng)。

本文結(jié)合上述的離心泵工作流程及整體注水系統(tǒng)優(yōu)化，將大系統(tǒng)當(dāng)中的某一分配合格的子系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，然后進(jìn)行整體系統(tǒng)綜合分析是否合理，假如大系統(tǒng)中的某一級(jí)別的關(guān)聯(lián)性保證是最優(yōu)的，那么可以得到剩下的子系統(tǒng)可以保證是最優(yōu)的。然后在充分結(jié)合泵站數(shù)據(jù)以及地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制平臺(tái)、水井配注數(shù)據(jù)建立合理的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)壓力分布對系統(tǒng)進(jìn)行劃分,建立合適的注水系統(tǒng)優(yōu)化方法[3-4]。相關(guān)注水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算流程見圖1。

圖1 注水系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算流程圖

2 子系統(tǒng)系統(tǒng)建模與計(jì)算

首先通過遺傳模擬退火算法確定注水泵的開停方案；然后在注水泵開停方案給定的基礎(chǔ)上確定其最優(yōu)運(yùn)行參數(shù).‘1’表示相應(yīng)的泵開啟，‘0’表示關(guān)閉；如2 號(hào)泵組組合[1 1 0 1] 表示1、2＃ 泵開啟，3＃ 泵關(guān)閉，4＃ 泵開啟，以此類推；因此能夠?qū)⒏鞣N可能的注水泵開停方案能夠被有效地搜索以找到全局最優(yōu)或近全局最優(yōu)解。其中Fsi,k,a 表示用0-1 判斷第i 個(gè)注水站的運(yùn)行狀態(tài)是否處于第k 個(gè)啟泵方案，第a 個(gè)流量區(qū)間上。

式中，k 為第k 個(gè)啟泵方案，無量綱；a 為第a個(gè)流量區(qū)間，無量綱；M 為懲罰數(shù)，無量綱；K為啟泵方案集合；A 為流量區(qū)間集合；Qsmina為注水站節(jié)點(diǎn)在第a 個(gè)流量區(qū)間的下限，m3/s；Qsmaxa為注水站節(jié)點(diǎn)在第a 個(gè)流量區(qū)間的上限，m3/s；Fsi,k,a為0-1 變量，無量綱；Fsi,k為0-1 變量，無量綱；Qsi為第i 個(gè)注水站節(jié)點(diǎn)的流量，m3/s。

在滿足一定計(jì)算要求的前提下，將管段流量與流量區(qū)間相匹配。同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)流速的影響，設(shè)置管段流量的上下限值。根據(jù)模型的初始管段流向和計(jì)算結(jié)果，判斷管段流向是否與初設(shè)流向相同，如果相同，F(xiàn)sj為1，否則Flj為1。

式中，Qgmaxj為第j 條管段流量的上限值，m3/s；Qgminj為第j 條管段流量的下限值，m3/s；Fsj為0-1 變量，無量綱；Flj為0-1 變量，無量綱，為第i 口井的井底高程，m；Zai為配水間高程。

3 注水系統(tǒng)計(jì)算方法

由圖2 易知泵壓PSL6，NSL6為開泵臺(tái)數(shù)，Q301LQ201L為求解的變量，配水間2、4 的流量及壓力分別為：QAL2QAL4PAL2PAL4。

下面用大系統(tǒng)分解迭代算法來解決這個(gè)問題。1） 依據(jù)合理分解分級(jí)原理，將地面注水系統(tǒng)劃分為相應(yīng)的子系統(tǒng)，然后進(jìn)行分析是否合理有效。2） 按照劃分的子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，把子系統(tǒng)排列成一定的次序，然后按照排列的次序進(jìn)行計(jì)算。3） 給各相應(yīng)的變量賦個(gè)初值，設(shè)初值為Qi′（0）。4） 將初始值帶入子系統(tǒng)，尋找一種適當(dāng)?shù)慕夥?，依照給定的順序計(jì)算出各子系統(tǒng)對應(yīng)的的輸出變量Qi（k）。5） 對藕合變量逐一進(jìn)行迭代運(yùn)算，迭代的方程式為Qi′（0） =Qi（k）。6）檢查是否對任意I ，都有其中ε 是為小數(shù)，由給定的精度來確定。若否，從新跳到第4) 步。7) 計(jì)算完畢，程序結(jié)束。

圖2 注水系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)示意圖

在上述理論基礎(chǔ)之上，可以指定開泵的臺(tái)數(shù)或者某個(gè)配水間的流量，或者再加一個(gè)條件：配注量與實(shí)注量之差的平方之和最小。加上上面給出的條件，就可以有唯一解。

4 結(jié)論

本文充分應(yīng)用最優(yōu)化理論，大系統(tǒng)關(guān)聯(lián)理論說明了整個(gè)注水系統(tǒng)的優(yōu)化等價(jià)于各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化，把地面注水系統(tǒng)中每個(gè)小系統(tǒng)求解，接著進(jìn)行迭代，進(jìn)行第二次計(jì)算。利用第一次計(jì)算的結(jié)果，根據(jù)上面方法進(jìn)行再次計(jì)算。如果計(jì)算結(jié)果與要求的計(jì)算精度一樣，將不再計(jì)算。通過計(jì)算我們可以確定適當(dāng)?shù)呐渥毫土髁?，最終提高配注精度從而提高整個(gè)注水系統(tǒng)的效率。