油田注水模擬系統設計

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）

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

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

b. 計算機優化調度算法問題［5，6］。 常用的管網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果相差巨大，為此需要驗證不同注水系統生產數據對應的平差計算方法，而這種驗證是無法通過現場生產數據來實現的。

c. 注水生產狀態的評估模型、參數估計的計算模型及其優化算法以及結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，模擬不同管網拓撲結構、不同生產工藝及參數、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、狀態估計方法和優化調度方案的可行性，還可以用來對管網真實參數進行反演求解［9～11］。

1 總體方案設計

油田注水系統主要由注水站、配水間、注水井和注水管網組成， 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據代替。

圖1所示為國內一典型復雜注水系統， 由十個注水站、 一千多口注水井及其連接管網組成，系統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，經注水管網送到注水井或經由配水間送往各注水井，每口注水井注水量由地質部門確定，注水壓力由所處地層條件確定。

圖1 典型的復雜注水系統

注水系統的模擬，技術關鍵是：

a. 如何模擬不同地層壓力和流量的注水井；

b. 管網沿程阻力損失模擬；

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. 不同拓撲結構管網的模擬。

針對上述關鍵問題，在模擬管網的每段管子上設置開關閥，通過不同閥的開關模擬不同拓撲結構的管網；采用液壓系統中的溢流閥和調速閥結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不同位置。 模擬注水系統水力原理如圖2所示。

圖2 模擬注水系統水力原理

管網系統由3層組成，上層為模擬注水管網，下層為回水管網，中間是24口模擬注水井，5臺變頻離心泵出口接管網不同位置，設置泵和模擬井的壓力、 流量參數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構的注水管網。 考慮安全及實驗環境，整套系統設計壓強不超過2 MPa。

2 參數設計及選型

2.1 模擬注水站

根據系統設計參數要求，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節手段，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、流量范圍內可調，便于多種實驗工況的模擬。

2.2 模擬管網設計

根據設計要求及實驗室空間大小，確定上層模擬管網采用4×4環狀井網結構， 為了增大沿程阻力損失，便于壓力傳感器克服誤差監測出正確的壓力值，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，整個上層管網占地9.9 m×9.9 m=98.01 m2。 在每段管子中間，安裝一個開關球閥并在旁邊接一個模擬注水井，整套模擬管網共有24口模擬井和24個開關閥， 如圖3所示。 依靠每個開關閥的啟閉，可以模擬枝狀、環狀和混合管網拓撲結構。 5臺注水泵連在管網四角和中間位置，模擬不同地理位置的注水站。

圖3 上層模擬注水管網

2.3 模擬注水井

模擬注水井是整套系統的關鍵，注水井正常生產時，地面高壓水克服地層壓力經注水井內配水機構注入地層，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，則需要靠調節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中的溢流閥，設定溢流閥的開啟壓強，如果來水壓力超過溢流閥的設定壓強，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定壓力，則溢流閥關閉， 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，通過調壓機構可以調整作用在閥芯上的彈簧力，從而調整閥口開啟的壓力。

圖4 溢流閥工作原理

選擇相應的不銹鋼溢流閥作為模擬注水井的壓力控制部件，選用節流閥作為模擬井配注量的調節機構，加上壓力傳感器和流量傳感器即可構成模擬注水井，如圖5所示。 整套系統共設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

控制系統主要控制泵的啟閉、變頻器的設置等，主要由硬件系統和組態控制軟件組成。 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編程實現變頻器的啟動、停止、故障檢測和運行頻率的設定，來滿足所需的不同工況。 配電柜則實現安全布線，PLC與5臺變頻器通信的原理如圖6所示，組態如圖7所示。

圖6 Modbus通信原理

圖7 監控主界面

2.5 數據采集系統

數據采集系統主要對系統各處的壓力、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， 采用模數轉換裝置，將模擬信號轉換成數字信號輸出。輸出信號分成兩路：一路利用RS-485（232）通信口經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，另一路經發射器轉換成GPRS無線信號發射到遠程移動終端。 部分采集裝置如圖8所示。

圖8 數據采集裝置（部分）

3 油田注水模擬系統的實現

油田注水模擬系統主要由上中下3層構成：上層為模擬管網，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。 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，然后經中間層的24口模擬井流到最下層的回水管網， 再返回到水罐。調整每口模擬井的溢流設定壓力和節流閥開度，可以模擬不同地層壓力和注水井的配注流量；通過上層管網各管段開關閥的啟閉，模擬不同拓撲形狀的管網結構；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為系統三維設計圖，圖10為系統實物圖。

圖9 注水模擬裝置三維圖

圖10 注水模擬系統實物

4 結束語

油田注水系統是一種非線性管網系統，對其進行優化調度一直是油田生產節能的重要方向。但無論是基于城市供水管網的仿真優化模型還是注水系統的計算模型，都未在油田注水生產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參數，也無法隨意調整運行中的注水方案，對現有管網的拓撲結構進行變換，導致基于模型的注水管網仿真優化調度計算結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化調度方案很難得到有效驗證，也不敢輕易應用到現場實際。 利用油田注水模擬系統，可以對復雜管網調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，還可以對系統參數進行反演分析，這對油田生產節能具有重要意義。