油田注水系統(tǒng)優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

彭麗娟 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院

油田注水系統(tǒng)優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

彭麗娟 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院

從提高注水系統(tǒng)運(yùn)行效率、降低注水單耗的角度出發(fā)，以注水單耗為目的函數(shù)，在考慮節(jié)點(diǎn)流量平衡、供注水量平衡、注水壓力、供水量、泵排量等約束條件下，建立了油田注水系統(tǒng)優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型。并結(jié)合大慶油田注水運(yùn)行實(shí)際情況設(shè)計(jì)了優(yōu)化注水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由控制主機(jī)、工控機(jī)、PLC、高壓變頻器、企業(yè)網(wǎng)和無線網(wǎng)等六部分組成。大慶油田優(yōu)化注水控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，相比優(yōu)化前注水泵減少1臺，泵效率提高2.3%，注水單耗下降0.291kW·h/m3，節(jié)省電量22546kW·h/d。

油田；控制系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；函數(shù)

油田注水系統(tǒng)包括注水站、配水間、注水井，相關(guān)配套設(shè)備有注水泵、控制閥、管線及電動機(jī)等，是一種大型非線性流體系統(tǒng)。隨著油田的開發(fā)生產(chǎn)油田步入高含水期，通過注水提高地層能量來開采石油的措施應(yīng)用十分普遍。多年來，由于技術(shù)的落后，不可避免地在注水過程中浪費(fèi)了大量的電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，注水耗電量成本占原油生產(chǎn)成本的40%左右，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，如果只依靠管理人員來維護(hù)注水系統(tǒng)的運(yùn)行，不利于保證大型注水系統(tǒng)在優(yōu)化狀態(tài)下運(yùn)行，在運(yùn)行過程中不能及時有效地進(jìn)行調(diào)整，可能會致使注水系統(tǒng)效率低下，注水單耗上升。因此，從提高注水系統(tǒng)運(yùn)行效率、降低注水單耗的角度出發(fā)，以注水單耗為目的函數(shù)，在考慮節(jié)點(diǎn)流量平衡、供注水量平衡、注水壓力、供水量、泵排量等約束條件下約束條件，建立了油田注水系統(tǒng)優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型，實(shí)時監(jiān)控和及時調(diào)整注水運(yùn)行狀況，以提高運(yùn)行效率[1-2]。

1 最優(yōu)數(shù)學(xué)模型建立

1.1 目標(biāo)函數(shù)

為減少注水過程中電量的損耗，應(yīng)優(yōu)化目前油田注水系統(tǒng)。注水系統(tǒng)的電量損耗主要來自恒速泵和調(diào)速泵耗電量，將注水最小單耗作為目標(biāo)函數(shù)[3]，建立數(shù)學(xué)公式如下

式中f(u,n)為注水單耗函數(shù)；Hi為第i臺注水泵的泵壓（MPa）；ui為第i臺注水泵的排量（m3/d）；ηpi為第i臺注水泵的效率（%）；ηei為第i臺注水泵電動機(jī)的效率（%）。

1.2 邊界條件

注水泵排量優(yōu)化在以注水泵工作特性為約束條件下建立，約束條件包括注水量約束、供水量約束、注水井壓力約束及注水井總流量約束[4]。在保障注水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，降低系統(tǒng)能耗，需要滿足泵壓≥管壓+泵出口閥門節(jié)流損失+管線損失，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中p1i、poi為泵壓和管壓（MPa）；Δ為站內(nèi)管線壓力損失（MPa）。

各注水泵應(yīng)滿足如下條件

式中ujmin為第j個注水站最小供水流量（m3/d）；ujmax為第j個注水站最大供水流量（m3/d）；t為注水站的數(shù)量。

每臺注水泵應(yīng)滿足如下條件

注水系統(tǒng)總流量應(yīng)滿足總注入量

式中Q0為注水井總注入量（m3/d）。

根據(jù)式（1）～（7）建立注水系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，該優(yōu)化模型如下

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

注水控制系統(tǒng)主要由控制主機(jī)、工控機(jī)、PLC、高壓變頻器、企業(yè)網(wǎng)和無線網(wǎng)等部分組成。其中控制主機(jī)即中心控制室，主要是下達(dá)系統(tǒng)指令，通過工控機(jī)采集實(shí)時數(shù)據(jù)，優(yōu)化并計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；注水站控制終端主要負(fù)責(zé)運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集與傳送，以及接收并執(zhí)行主機(jī)指令；無線網(wǎng)作為一種傳輸方式，主要完成主機(jī)和工控機(jī)數(shù)據(jù)的連通。

注水控制系統(tǒng)主要通過變頻調(diào)速控制、變頻電磁閥控制、手動控制來執(zhí)行命令[5-6]。變頻調(diào)速是利用變頻器改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，來改變泵的運(yùn)行狀態(tài)；變頻電磁閥通過指令來調(diào)節(jié)控制閥的開度來改變泵的運(yùn)行；手動控制即根據(jù)現(xiàn)場需要人為調(diào)節(jié)注水泵出口閥開度，實(shí)時改變注水泵流量大小。

3 應(yīng)用效果

利用建立的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)的注水控制系統(tǒng)對大慶油田注水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化處理。大慶油田注水系統(tǒng)覆蓋面積159.5km3，注水站13座，配水間73座，注水井521口，管段718條，配備各類型注水泵4種共25臺，注水量達(dá)77473m3/d。采取優(yōu)化控制系統(tǒng)后，相比優(yōu)化前注水泵減少1臺，泵效率提高2.3%，注水單耗下降0.291kW·h/m3，降低幅度4.27%，并且節(jié)省電量22546kW·h/d，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

[1]王洪麗．注水系統(tǒng)的節(jié)能措施及效率計(jì)算研究[D]．北京：北京化工大學(xué)，2003.

[2]南洋．淺談油田注水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2006，8（2）：35-36.

[3]豐國斌．油田注水系統(tǒng)節(jié)能[J]．石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，1996，7（2）：7-9.

[4]任文博，許克亮．碳酸鹽巖油層注水替油效果模糊綜合評判[J]．油氣田地面工程，2012，31（12）：36-37.

[5]常玉連，高勝，郭俊忠．注水管網(wǎng)系統(tǒng)模型簡化技術(shù)與計(jì)算方法研究[J]．石油學(xué)報(bào)，2001，22（2）：95-100.

[6]程為彬，陳東．油田注水泵站簡化模型的研究[J]．水泵技術(shù)，2006（2）：34-37.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.019