長江大學
學生畢業設計（**）
題目學生姓名
專業年級：石油工程（2008級）
指導教師：王立柱
評閱教師：王立柱
完成日期：2023年1月30日
摘要本課題在調研目前地面注水工藝現狀和能量消耗現狀的基礎上，運用系統工程理論、水力學原理、數字**和優化技術進行油田地面注水系統執行效率的研究。首先應用有限元分析方法建立**數學模型，以注水站、幹線、配水間的壓力表、流量計測試資料為基礎，模擬計算管網單元的壓力、流量，進行總體的油田地面注水系統能耗分布的**模擬及分析；其次，以注水單耗最低為目標函式，建立注水系統執行引數優化的數學模型。應用計算機技術開發出油田地面注水系統**優化軟體，包括圖形建模、系統**、優化開幫浦等三個主要模組。
根據gb3484-83關於有性能量的規定，將注水井口處的水所具有的能量計為有性能量，而克服地面管網的摩阻和地面的節流損失所消耗的能量是地面注水系統損耗的能量。把注水系統分為站內和站外兩部分，現場試驗主要在留17、王一聯、王四聯、河一聯、裡一聯5個注水站進行測試。測試過程中以每個注水站組成的注水單元為乙個系統，在注水系統正常運**況下，通過測試、分析注水幫浦和注水管網電力、水力工況，分析注水站系統的能量損失因素及其所佔比例，從而得出影響注水系統能量損失的主要原因，再根據現場實際提出提高注水系統效率方法途徑。
通過測試結果分析，為今後提高注水系統效率改造提供了很好的理論依據，2023年通過對部分站進行改造，取得了很好的經濟效益和社會效益。
目錄第一章問題的提出
第二章解決問題的主要技術
1、**優化技術
1.1**優化軟體技術原理簡介
1.2 **優化軟體增加效率計算模組
1.3 雙管網注水系統分壓點優化方法
2、系統能量平衡模型和效率計算
第三章現場應用效果
1、現場測試分析步驟
2、現場測試情況
3、測試結果分析
4、提高注水系統效率現場改造及改造效果
第四章效益分析
第一章問題的提出
我廠目前有注水站11座，注水能力2.9×104m3/d，注水幫浦106臺，其中五柱塞幫浦46臺，三柱塞幫浦45臺，增壓幫浦15臺，電機總功率達到1.4×配水間73座，注水井273口，注水1.
09 ×104m3/d，除高44每天注入180m3清水外，其餘各站全部回注汙水,基本滿足了油田開發的需要。
隨著油田開發不斷深入，特別是油田開發到中後期，油井產液量越來越高，導致各注水站汙水回注量不斷增大，同時注水管線不斷加長，特別是管線腐蝕、結垢，注水幫浦腐蝕、電機老化等因素，使注水系統效率越來越低。管線腐蝕、結垢導致管線流動阻力增大、管網效率降低；注水幫浦腐蝕及電機老化，造成維護保養頻繁，增加了注水機幫浦自身內耗，降低了幫浦效。據統計注水系統每年耗電約佔油田用電的30％左右。
為了提高地面注水效率，降低生產能耗，必須摸清影響地面注水系統效率的主要因素，並找出解決問題的思路。
第二章解決問題的主要技術
在解決本課題過程中主要應用了以下主要技術
1、**優化技術
1.1**優化軟體技術原理簡介
國內九十年代後期開始油田注水系統效率方面的研究，主要集中在提高裝置執行效率。對於複雜的地面注水管網(多站、複雜管網)的壓力分布、水流分布無法用儀器、儀表進行監測，難以定量分析管網能耗損失、效率低的原因，無法提出注水系統中注水站的最優化執行方案和管網調整方案。
為此，華北油田分公司採油工藝研究院研究開發了注水系統**優化技術。該技術是運用系統工程理論、水力學原理、數字**和優化技術進行油田地面注水系統執行效率的研究。首先，建立注水管網資料模型，應用有限元分析方法建立**數學模型，把每乙個管元、閘門、節點及單井看作乙個管網單元，以注水站、幹線、配水間的壓力表、流量計測試資料為基礎，模擬計算管網單元的壓力、流量，進行總體的油田地面注水系統能耗分布的**模擬及分析；其次，以注水單耗最低為目標函式，建立注水系統執行引數優化的數學模型，用先進的數學方法求解給出優化的開幫浦方案，即確定合理的系統壓力、注水量，實現注水能量資源的合理分配，降低注水能耗、提高注水系統效率，就是不改變目前的管網系統，重新分配各注水站的壓力和流量，既滿足每個單井的地質配注要求，又使管網能量損失最小，系統效率高。
應用計算機技術開發出油田地面注水系統**優化軟體，包括圖形建模、系統**、優化開幫浦等三個主要模組。
關鍵技術有：
1.1.1 管網資料庫及圖形建模，油田注水系統**優化軟體與oracle資料庫介面程式的開發。
圖形建模是依據注水系統的真實情況，在計算機上按一定比例繪製出整個系統各個節點（包括井、站、配水間、管子及其連線關係），它是整個程式的基礎。
1.1.2 建立注水管網的數學模型及進行**計算，應用水力學原理、有限元分析方法，建立注水系統**模型，**模擬管網壓力、流量分布，分析能量損耗。
系統**主要是提取實際生產資料（注水井和注水站）經過管網的適當簡化，計算出管網各個節點處的壓力分布、各個管子流量、水流方向、注水範圍等，模擬實際管網的工況。
1.1.3 建立注水系統執行引數優化的數學模型及解算方法，給出優化方案。
優化開幫浦是在**的基礎上，通過複雜的優化計算，找到乙個最優的開幫浦方案，使得注水耗電量得到有效降低，而且滿足整個系統注水要求。管網改造優化設計是通過對現在的管網進行模擬**計算，對管網**現的壓降損失較大的部位作部分調整，完善注水管網，提高管網效率，合理確定新增管網的工藝流程布局。
油田注水系統**優化軟體功能包括：圖形建模、系統**、系統優化、管網優化、生產資料介面、注水井資料查詢及輔助功能，如下圖。
1.2 **優化軟體增加效率計算模組
2023年專案研究中完成了生產資料介面模組，使軟體通過採油廠開發資料庫和生產資料庫，即oracle資料庫，能夠順利提取注水站、注水井的生產**、生產月報等資料。油田地面注水系統**優化技術軟體主要是進行管網分析，而現場生產是動態的需要適時調整，生產系統是動態變化的，地面注水系統也是動態變化的，管理人員經常需要知道地面注水系統效率引數，而測試需要有一段時間、一定費用，因此對軟體進行了修改與完善，增加效率計算模組，使其不需要測試，能夠根據現場注水報表計算出注水管網執行效率、注水系統效率、系統單耗等注水系統引數。
油田注水工藝流程如下：
圖2 油田地面注水系統組成示意圖
要達到上述功能，必須簡化注水系統效率計算方法，簡化的目的：從現場角度出發（注水裝置-地面注水管網-井口）初步得出注水系統效率。
1.2.1 理論計算方法：注水系統效率分為4部分——電動機的效率η1，皮帶輪傳動效率η2，注水幫浦的效率η3，以及注水管網的效率η4，其效率為
η=η1×η2×η3×η4
在現場測試中，η1、η2、η3三個引數的測定需要專門的儀器，給現場計算帶來很大困難。注水系統效率是個動態值，需要隨時把握，現場根據這個效率來調整注水工程中某些不合理因素，顯然必須找到乙個簡便計算方法。
1.2.2 現場計算方法：把η1、η2、η3作為一整體來考慮，即把電機、皮帶和注水幫浦作為乙個新的引數η1，即注水站效率，把注水管網作為乙個計算引數η2，則注水系統效率可改寫為
η=η1×η2
η1= w有效/w電機×100%=×100%
η2=（σpiqi/（p2- p1）q）×100%
式中：i—注水井序號數；
pi—單井注水壓力，mpa；
qi—單井注水量，m3/h；
p1—注水站喂水壓力，mpa；
p2—注水站出站壓力，mpa；
q—注水站出站流量，m3/h。
則整個注水系統效率的計算可簡化為
η=（σpi×qi /w電機）×100%
上述式中的引數w電機可由電表直接讀出，單井注水壓力pi、注水量qi也可直接錄取或由注水工程報表得到，計算起來簡單明瞭，這樣採油廠可以用軟體隨時計算出注水站及全廠注水系統效率。
**優化軟體中效率計算模組的思路和方案：利用注水系統效率測試儀測出注水站系統中各執行電機的輸入功率，或者利用注水站機幫浦電量表記錄的注水用電量得出各執行電機的輸入功率，輸入軟體計算出注水系統輸入功率w電機，軟體同時把生產**轉化得出注水系統末端能量σpi qi，並得出注水站系統效率，為管理者做出決策提供依據。
1.3 雙管網注水系統分壓點優化方法
雙管網注水系統分壓點優化方法是在**優化技術推廣應用過程中的一項技術完善與進步。經過注水系統的**優化分析發現，通過調整分壓點仍然有可能進一步降低計配間的節流損耗，實現提高注水系統效率的目的，因而對雙管網注水系統分壓點值的優化提出了新的方法，並且做了進一步的完善。
對於可實現兩套管網的注水系統，優化壓力分界點實質上是優化低壓系統計配間的幹線壓力或低壓系統的出站壓力這一引數。這樣的優化問題是乙個線性規劃問題。建立分壓點優化的數學模型包括建立目標函式和確定約束條件兩部分。
分壓點優化問題，其目標函式是計配間節流損失最小，數學方程為：
式中：ws ———— 計配間節流損耗，kw；
ph，pl———— 高、低壓注水系統的出站壓力，mpa；
qh，ql ———— 高、低壓注水系統的出站流量，m3/d；
phi ———— 高壓注水系統的第i個計配間的乾壓，mpa；
plm ————低壓注水系統的第m個計配間的乾壓，mpa；
phij ———— 高壓注水系統的第i個計配間所轄第j口注水井的注水壓力，mpa；
plmn ———— 低壓注水系統的第m個計配間所轄第n口注水井的注水壓力，mpa；
** ———— 高壓注水系統的第j口注水井的注水量，m3/d；
qn ———— 低壓注水系統的第n口注水井的注水量，m3/d；
α———— 單位換算係數，無因次。
主要約束條件：
ph＞phi
pl＞plm
phi≥phij（max）
plm≥plmn （max）
分壓點**優化具體方法是：以滿足注水系統的地質配注量為前提條件，因此保持高壓系統的乾壓不變。從目前高壓系統的出站壓力開始**模擬計算，以一定的等差數列變化分壓點值（一般選等差值為0.
1mpa），並根據壓力範圍相應調整高低壓管網及其注水井，對每乙個分壓點相應計算出計配間的節流損耗，計配間的節流損耗值隨著分壓點的變化而變化，計配間的節流損耗最低時的分壓點則為最佳分壓點，這使得系統效率最高。
2、系統能量平衡模型和效率計算
根據gb3484-83關於有性能量的規定，將注水井口處的水所具有的能量計為有性能量，而克服地面管網的摩阻和地面的節流損失所消耗的能量是地面注水系統損耗的能量。系統能量平衡模型和效率計算模型如下圖。
圖3 系統能量平衡模型和效率計算模型
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