油田注水模擬系統(tǒng)設(shè)計

任永良 何樹威 李 軍 姜民政 高 勝 張瑞杰 王 妍

（東北石油大學機械科學與工程學院）

油田注水系統(tǒng)是油田能耗大戶，其能耗一般占油田生產(chǎn)開發(fā)能耗的1/3以上［1］。 隨著國內(nèi)大部分油田開發(fā)進入中后期，注水量越來越大，注水管網(wǎng)也越來越復雜， 其調(diào)度管理難度也越來越大，僅憑原來的人工管理模式已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)要求，為此，國內(nèi)油田都開展了不同程度的計算機仿真及優(yōu)化調(diào)度研究和應(yīng)用［2］。 但計算機軟件在油田注水生產(chǎn)應(yīng)用中存在如下問題：

a. 誤差問題。由于油田注水管網(wǎng)鋪設(shè)年代久遠，腐蝕、穿孔、堵塞現(xiàn)象嚴重［3］，其實際物理參數(shù)與當初建設(shè)時的相差太大，不能也無法對其進行逐個測量確定真實參數(shù)，導致計算機模型與實際物理模型存在嚴重誤差，使得后續(xù)的仿真、優(yōu)化計算結(jié)果與實際不符［4］。

b. 計算機優(yōu)化調(diào)度算法問題［5，6］。 常用的管網(wǎng)平差計算方法有很多種，每一種計算方法適用范圍也不一樣， 不同算法計算出的結(jié)果相差巨大，為此需要驗證不同注水系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)的平差計算方法，而這種驗證是無法通過現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。

c. 注水生產(chǎn)狀態(tài)的評估模型、參數(shù)估計的計算模型及其優(yōu)化算法以及結(jié)果等均需要驗證和修正［7，8］。

針對上述問題， 需要建立油田注水模擬裝置，利用該裝置，模擬不同管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、不同生產(chǎn)工藝及參數(shù)、不同水源布置及用戶需求下的各種工況，驗證各種仿真計算方法、狀態(tài)估計方法和優(yōu)化調(diào)度方案的可行性，還可以用來對管網(wǎng)真實參數(shù)進行反演求解［9～11］。

1 總體方案設(shè)計

油田注水系統(tǒng)主要由注水站、配水間、注水井和注水管網(wǎng)組成， 其中配水間不是必須的，在一般的分析計算中可直接由其所連的所有注水井數(shù)據(jù)代替。

圖1所示為國內(nèi)一典型復雜注水系統(tǒng)， 由十個注水站、 一千多口注水井及其連接管網(wǎng)組成，系統(tǒng)覆蓋面積一百多平方千米。 其工作原理是由注水站中的泵將水源來水升壓到一定值之后，經(jīng)注水管網(wǎng)送到注水井或經(jīng)由配水間送往各注水井，每口注水井注水量由地質(zhì)部門確定，注水壓力由所處地層條件確定。

圖1 典型的復雜注水系統(tǒng)

注水系統(tǒng)的模擬，技術(shù)關(guān)鍵是：

a. 如何模擬不同地層壓力和流量的注水井；

b. 管網(wǎng)沿程阻力損失模擬；

c. 彎頭、三通、傳感器接頭及焊接接頭等處產(chǎn)生的局部壓力損失對模型的影響；

d. 位于不同地理位置的注水站模擬；

e. 不同拓撲結(jié)構(gòu)管網(wǎng)的模擬。

針對上述關(guān)鍵問題，在模擬管網(wǎng)的每段管子上設(shè)置開關(guān)閥，通過不同閥的開關(guān)模擬不同拓撲結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)；采用液壓系統(tǒng)中的溢流閥和調(diào)速閥結(jié)合來模擬不同地層壓力和流量，若來水壓力達不到溢流閥的開啟壓力，則該閥不打開；利用縮小管徑且增大流速的方法來增大管網(wǎng)沿程阻力損失；通過單獨實驗確定彎頭、三通及接頭等處的局部阻力損失；采用5臺帶變頻的離心泵模擬5個注水站，5臺泵出口分別接在管網(wǎng)不同位置。 模擬注水系統(tǒng)水力原理如圖2所示。

圖2 模擬注水系統(tǒng)水力原理

管網(wǎng)系統(tǒng)由3層組成，上層為模擬注水管網(wǎng)，下層為回水管網(wǎng)，中間是24口模擬注水井，5臺變頻離心泵出口接管網(wǎng)不同位置，設(shè)置泵和模擬井的壓力、 流量參數(shù)來模擬注水站和地層壓力、流量要求，控制各閥門的開閉來模擬不同拓撲結(jié)構(gòu)的注水管網(wǎng)。 考慮安全及實驗環(huán)境，整套系統(tǒng)設(shè)計壓強不超過2 MPa。

2 參數(shù)設(shè)計及選型

2.1 模擬注水站

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)要求，模擬注水站（水源）選用5臺輕型立式多級離心泵， 配備智能水泵變頻器作為調(diào)節(jié)手段，電機功率2.2 kW，每臺泵流量范圍1.0～3.5 m3/h，出口揚程90～200 m，變頻器變頻范圍10～50 Hz。 每臺離心泵出口配置節(jié)流閥和流量計， 并在閥前閥后安裝高精度壓力傳感器，其出口管線接模擬管網(wǎng)的不同位置。 上述配置能夠保證每臺泵在較高的壓力、流量范圍內(nèi)可調(diào)，便于多種實驗工況的模擬。

2.2 模擬管網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求及實驗室空間大小，確定上層模擬管網(wǎng)采用4×4環(huán)狀井網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 為了增大沿程阻力損失，便于壓力傳感器克服誤差監(jiān)測出正確的壓力值，采用管徑DN10 mm的不銹鋼管，每個方格管長均為3.3 m×3.3 m，整個上層管網(wǎng)占地9.9 m×9.9 m=98.01 m2。 在每段管子中間，安裝一個開關(guān)球閥并在旁邊接一個模擬注水井，整套模擬管網(wǎng)共有24口模擬井和24個開關(guān)閥， 如圖3所示。 依靠每個開關(guān)閥的啟閉，可以模擬枝狀、環(huán)狀和混合管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。 5臺注水泵連在管網(wǎng)四角和中間位置，模擬不同地理位置的注水站。

圖3 上層模擬注水管網(wǎng)

2.3 模擬注水井

模擬注水井是整套系統(tǒng)的關(guān)鍵，注水井正常生產(chǎn)時，地面高壓水克服地層壓力經(jīng)注水井內(nèi)配水機構(gòu)注入地層，如果地面來水壓力不夠，則注不進去；若地面來水壓力過高，超出地層需要壓力，則需要靠調(diào)節(jié)井口閥門形成進口壓損，保證注入壓力不超過許用壓力。 為了模擬地層壓力，可以考慮采用液壓系統(tǒng)中的溢流閥，設(shè)定溢流閥的開啟壓強，如果來水壓力超過溢流閥的設(shè)定壓強，則溢流閥開啟，形成溢流通道，模擬將水注入地層； 如果來水壓力達不到溢流閥設(shè)定壓力，則溢流閥關(guān)閉， 模擬來水壓力達不到地層注入壓力，為欠注井。

圖4為直動式溢流閥工作原理， 液體從來液口進入， 通過閥座上面的通道作用在閥芯右邊，當其作用力大于作用在閥芯上的彈簧力時，閥芯被推向左邊，閥口打開，液體從來液口流向溢流口，通過調(diào)壓機構(gòu)可以調(diào)整作用在閥芯上的彈簧力，從而調(diào)整閥口開啟的壓力。

圖4 溢流閥工作原理

選擇相應(yīng)的不銹鋼溢流閥作為模擬注水井的壓力控制部件，選用節(jié)流閥作為模擬井配注量的調(diào)節(jié)機構(gòu)，加上壓力傳感器和流量傳感器即可構(gòu)成模擬注水井，如圖5所示。 整套系統(tǒng)共設(shè)24口模擬井，模擬井各部件之間用DN10 mm不銹鋼管連接。

圖5 模擬注水井

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要控制泵的啟閉、變頻器的設(shè)置等，主要由硬件系統(tǒng)和組態(tài)控制軟件組成。 硬件主要由配電柜及基于PLC和變頻器的Modbus主從通信組成，通過對PLC編程實現(xiàn)變頻器的啟動、停止、故障檢測和運行頻率的設(shè)定，來滿足所需的不同工況。 配電柜則實現(xiàn)安全布線，PLC與5臺變頻器通信的原理如圖6所示，組態(tài)如圖7所示。

圖6 Modbus通信原理

圖7 監(jiān)控主界面

2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要對系統(tǒng)各處的壓力、流量信號進行采集、傳輸和處理［10，11］。壓力和流量傳感器主要包括：24口模擬井各含1套壓力和流量傳感器，5臺泵出口各包括1套壓力和流量傳感器。另外，為了測試泵出口閥的節(jié)流損失，在2臺泵的出口閥后也安裝了2支壓力傳感器， 整套系統(tǒng)包括31支壓力傳感器和29支流量傳感器。 信號采集采用±0.01%FS的高精度傳感器， 采用模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。輸出信號分成兩路：一路利用RS-485（232）通信口經(jīng)3個集線器（每個集線器有20路輸入端，1路輸出端）到本地工控機，另一路經(jīng)發(fā)射器轉(zhuǎn)換成GPRS無線信號發(fā)射到遠程移動終端。 部分采集裝置如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集裝置（部分）

3 油田注水模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)

油田注水模擬系統(tǒng)主要由上中下3層構(gòu)成：上層為模擬管網(wǎng)，距離地面約1.2 m；中間層為由向下的24口模擬注水井組成； 最下層為回水管網(wǎng)。 5臺高揚程離心泵將水罐的水增壓至所需壓力后送往上層模擬管網(wǎng)，然后經(jīng)中間層的24口模擬井流到最下層的回水管網(wǎng)， 再返回到水罐。調(diào)整每口模擬井的溢流設(shè)定壓力和節(jié)流閥開度，可以模擬不同地層壓力和注水井的配注流量；通過上層管網(wǎng)各管段開關(guān)閥的啟閉，模擬不同拓撲形狀的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)；壓力傳感器和流量傳感器將各種工況下的測量值返回工控機；通過各泵的電度表查看各泵的耗電量。 圖9為系統(tǒng)三維設(shè)計圖，圖10為系統(tǒng)實物圖。

圖9 注水模擬裝置三維圖

圖10 注水模擬系統(tǒng)實物

4 結(jié)束語

油田注水系統(tǒng)是一種非線性管網(wǎng)系統(tǒng)，對其進行優(yōu)化調(diào)度一直是油田生產(chǎn)節(jié)能的重要方向。但無論是基于城市供水管網(wǎng)的仿真優(yōu)化模型還是注水系統(tǒng)的計算模型，都未在油田注水生產(chǎn)中得到充分的實驗和驗證。 一方面由于無法準確獲取實際運行的注水管網(wǎng)參數(shù)，也無法隨意調(diào)整運行中的注水方案，對現(xiàn)有管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行變換，導致基于模型的注水管網(wǎng)仿真優(yōu)化調(diào)度計算結(jié)果與實際相差很大卻無法確定具體的原因，而且基于模型的注水優(yōu)化調(diào)度方案很難得到有效驗證，也不敢輕易應(yīng)用到現(xiàn)場實際。 利用油田注水模擬系統(tǒng)，可以對復雜管網(wǎng)調(diào)度方案進行實驗和對比， 可以對理論計算模型進行驗證和修正，還可以對系統(tǒng)參數(shù)進行反演分析，這對油田生產(chǎn)節(jié)能具有重要意義。