CN110795893A - 注水开发油田注采系统能耗整体优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，该注水开发油田注采系统能耗整体优化方法包括：步骤1，确定优化模型决策变量；步骤2，确定优化模型目标函数；步骤3，确定优化模型约束条件；步骤4，采用粒子群算法结合数值模拟求解优化模型。该注水开发油田注采系统能耗整体优化方法以油藏系统为枢纽，综合考虑注水、油藏、举升系统能耗，借助数值模拟手段获取相关参数，建立注采系统整体优化模型，优化油藏注采方案，在满足油藏方案条件下整体上优化注采系统总能耗，实现了满足油藏方案条件下的进一步节能降耗，为油田节能降耗提供了一种新的方法。

Description

注水开发油田注采系统能耗整体优化方法

技术领域

本发明涉及油气田开发节能降耗领域，特别是涉及到一种注水开发油田注采系统能耗整体优化方法。

背景技术

注水开发是指在注水井人工注水补充地层能量，通过水将油驱到采油井井底，并通过油井举升系统将油水混合液提升到地面的过程。注水开发过程中消耗了大量的能量，产生成本直接影响油田开发的效益。提高油田的能量利用水平，对降低油田运行成本，提高经济效益具有至关重要的作用。

油田注采系统包括注水系统、油藏系统、举升系统三个子系统。目前油田注采系统的节能降耗研究侧重于满足油藏方案要求下，注水系统、举升系统两个系统内部自身的优化，对油藏系统研究较少。事实上，油藏是连接注水和举升系统的枢纽，在将低注采系统能耗方面具有重要的作用。油藏的平均地层压力直接影响注水、举升的能耗大小。注水系统多注水，虽然注水系统多消耗能量，但是地层压力保持水平高，举升系统就少消耗能量。二者是此消彼长的关系。以往注水系统、举升系统的节能降耗研究，主要是在给定的油藏注采参数下子系统内部单独优化，缺乏三个系统整体的优化。

在申请号：201611001501.7的中国专利申请中，涉及到一种基于偏好多目标优化的油田机采过程决策参数优化方法，包括：确定油田机采油过程中的效率影响因素和性能变量；对样本中的载荷变量进行降维处理构建新样本，并归一化新样本；基于归一化后的新样本构建神经网络模型；利用ST-UPFNN算法估计神经网络模型中由权值阈值所组成的状态变量的最优状态；并利用最优状态变量重构更新后的神经网络模型获得油田机采油过程模型；构建实际产液量的偏好函数；利用多目标进化算法对决策参量各自的上下限进行优化；将优化后的决策变量，带入油田机采油过程模型，计算优化后的决策变量的系统性能的平均值，与实际样本的系统性能的平均值进行比较。该专利申请涉及的方法，是在油藏系统给出产液量条件下的举升系统内部的优化，无法考虑油藏系统、注水系统的影响进行整体的优化。

在申请号：201811525554.8的中国专利申请中，提到了一种油田机械采油系统能耗在线优化方法，所述的步骤包括：(1)确定油井IPR曲线；(2)多相管流计算，由流压向上进行多相管流计算，得不同深度处的压力分布，根据规定的泵入口压力确定下泵深度；(3)抽油杆柱、冲程、冲次等优化设计，对某一抽汲参数组合：泵径、冲程、冲次，计算杆柱最大、最小载荷，校核、设计抽油杆柱；(4)对抽油机及电动机等设备校核；(5)计算能效指标。该专利申请涉及的方法，同样是在已知油藏系统条件下的举升系统内部的优化，无法考虑油藏系统、注水系统的影响进行整体优化。

为此我们发明了一种新的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合考虑注水、举升、油藏系统能耗的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，该注水开发油田注采系统能耗整体优化方法包括：步骤1，确定优化模型决策变量；步骤2，确定优化模型目标函数；步骤3，确定优化模型约束条件；步骤4，采用粒子群算法结合数值模拟求解优化模型。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，决策变量是决策者可以人为控制的变量；注采系统的整体优化，通过调节油水井的注采量，保持合理的地层压力来节能降耗；模型的决策变量是注水井的注水量和采油井的采液量。

在步骤2中，注采系统的能耗要在满足油藏最优的情况下进行，否则，单纯考虑能耗的降低，会出现无效水循环等能耗低，但采收率低、经济效益差的情况；注采能耗优化模型的目标函数就是注采系统最终的吨油总能耗最低。

在步骤2中，确定的优化模型目标函数为：

式中：E_注水系统为注水系统能耗，j；E_举升系统为举升系统能耗，j；Q_oil为阶段内产油量，t。

在步骤3中，根据目标函数与各因素的关系，以及各因素之间的关联关系，确定模型的约束条件；注采系统的约束条件包括注水系统约束条件、举升系统约束条件和油藏系统约束条件；各系统的约束条件包括有效功、各节点损耗的计算。

在步骤3中，油藏系统约束条件包括油藏方案对采收率、采液速度的要求、油藏中由于注采关系导致的注采井及地层压力变化关系，表达式为：

式中：为采油井i的采液量，m³/d；

为注水井i的注水量，m³/d；q为采液速度，％；

为注水井井底流压，MPa；

为采油井井底流压，MPa；

其中(2)中的表达式表示油藏中注水井井底流压与采油井井底流压主要受注采量影响，其关系比较复杂，难以用解析法给出，在实际应用中借助数值模拟方法给出。

在步骤3中，注水系统约束条件包括地面注水管网、配注阀组以及地下油管管损和配水器压损，表达式为：

式中L为油管下入深度，m；Q为日注入量，m³/d；d为油管内径；λ为摩阻系数，取0.03；Δp_wd为空心配水器水嘴压损，Mpa；a，b为拟合参数；ΔP_tub为注水油管摩阻，MPa；Q_inj为日注入量，m³/d。

在步骤3中，举升系统约束条件包括有用功的计算以及抽油泵、盘根盒、油管、抽油杆、减速箱9个节点损耗的计算，表达式为：

ΔE_电机、ΔE_皮带、ΔE_减速箱、ΔE_四连杆、ΔE_盘根盒、ΔE_抽油泵、ΔE_管柱、ΔE_抽油杆、ΔE_{井底到泵口}分别为电机、皮带、减速箱、四连杆机构、盘根盒、抽油杆、管柱、抽油杆、井底到泵口摩擦的能耗损失，j；Δpd_摩擦损失、Δpd_容积损失、Δpd_水利损失分别为抽油泵的摩擦损失、容积损失和水利损失，j；Δpd_容、Δpd_水分别为管柱的容积损失和水利损失，j；E_举升有用为有用功，j；P_wf为采油井井底流压；ρ_l为采油井筒油水混合物密度，kg/m³；Q_pro为采液量，m³；H为采油井井深，m；P₀为井口油压，MPa；g为重力加速度，m/s²。

在步骤3中，举升系统的设计一方面要在既定的井底流压条件下，调整满足油藏的产液量要求；另一方面系统本身要根据条件进行系统内部优化，使得举升系统能耗最小，因此，举升系统在能耗表征模型基础上，还包括举升系统内部自身的优化。

在步骤4中，对由决策变量、目标函数、约束条件组成的优化模型使用粒子群算法进行求解；其中，数值模拟模型用以提取优化模型中涉及的参数，并计算优化模型中油藏系统相关变量关系；同时数值模拟模型也将嵌套到优化算法中参与优化；算法每迭代一次，数值模拟都重新计算一次；模型不断迭代，直到找到最优方案。

本发明中的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，在注水、油藏、举升系统能耗节点分析和能耗表征的基础上，建立优化模型，借助数值模拟获取相关参数，优化油藏注采方案，确定合理的地层压力保持水平，实现满足油藏方案条件下的进一步节能降耗。本发明形成的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，以油藏系统为枢纽，综合考虑注水、油藏、举升系统能耗，借助数值模拟手段获取相关参数，建立注采系统整体优化模型，优化油藏注采方案，在满足油藏方案条件下整体上优化注采系统总能耗，实现了满足油藏方案条件下的进一步节能降耗，为油田节能降耗提供了一种新的方法。

附图说明

图1为本发明的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中实例井组数值模拟平面图；

图3为本发明的一具体实施例中不同方案吨油能耗、吨液能耗结果对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法的流程图。

步骤101，确定优化模型决策变量。决策变量是决策者可以人为控制的变量。注采系统的整体优化，主要通过调节油水井的注采量，保持合理的地层压力来节能降耗。因此，模型的决策变量是注水井的注水量和采油井的采液量。

步骤103，确定优化模型目标函数。注采系统的能耗要在满足油藏最优的情况下进行，否则，单纯考虑能耗的降低，会出现无效水循环等能耗低，但采收率低、经济效益差的情况。因此，注采能耗优化模型的目标函数就是注采系统最终的吨油总能耗最低。

式中：E_注水系统为注水系统能耗，j；E_举升系统为举升系统能耗，j；

步骤105，确定优化模型约束条件。根据目标函数与各因素的关系，以及各因素之间的关联关系，确定模型的约束条件。注采系统的约束条件主要包括注水系统约束条件、举升系统约束条件和油藏系统约束条件。各系统的约束条件主要包括有效功、各节点损耗的计算。

油藏系统约束条件主要包括油藏方案对采收率、采液速度的要求、油藏中由于注采关系导致的注采井及地层压力变化关系等。表达式为：

式中：

为采油井i的采液量，m³/d；

为注水井i的注水量，m³/d；q为采液速度，％；为注水井井底流压，MPa；

为采油井井底流压，MPa；

其中(2)中

的表达式表示油藏中注水井井底流压与采油井井底流压主要受注采量影响，其关系比较复杂，难以用解析法给出，在实际应用中需借助数值模拟方法给出。

注水系统约束条件主要包括地面注水管网、配注阀组以及地下油管管损和配水器压损等。表达式为：

式中L为油管下入深度，m；Q为日注入量，m³/d；d为油管内径；λ为摩阻系数，取0.03；Δp_wd为空心配水器水嘴压损，Mpa；a，b为拟合参数；

举升系统约束条件主要包括有用功的计算以及抽油泵、盘根盒、油管、抽油杆、减速箱等9个节点损耗的计算。表达式为：

ΔE_电机、ΔE_皮带、ΔE_减速箱、ΔE_四连杆、ΔE_盘根盒、ΔE_抽油泵、ΔE_管柱、ΔE_抽油杆、ΔE_{井底到泵口}分别为电机、皮带、减速箱、四连杆机构、盘根盒、抽油杆、管柱、抽油杆、井底到泵口摩擦的能耗损失，j；Δpd_摩擦损失、Δpd_容积损失、Δpd_水利损失分别为抽油泵的摩擦损失、容积损失和水利损失，j；Δpd_容、Δpd_水分别为管柱的容积损失和水利损失，j；E_举升有用为有用功，j；P_wf为采油井井底流压；ρ_l为采油井筒油水混合物密度，kg/m³；Q_pro为采液量，m³；H为采油井井深，m；

举升系统的设计一方面要在既定的井底流压条件下，调整满足油藏的产液量要求；另一方面系统本身要根据条件进行系统内部优化，使得举升系统能耗最小。因此，举升系统在能耗表征模型基础上，还包括举升系统内部自身的优化。

步骤107，采用粒子群算法结合数值模拟求解优化模型。对由决策变量、目标函数、约束条件组成的优化模型使用粒子群算法进行求解。其中，数值模拟模型用以提取优化模型中涉及的参数，并计算优化模型中油藏系统相关变量关系。同时数值模拟模型也将嵌套到优化算法中参与优化。算法每迭代一次，数值模拟都重新计算一次。模型不断迭代，直到找到最优方案。

以下为应用本发明的一具体实施例，该实施例中充分考虑注采系统能耗以及油藏方案，对某一注一采实际井组的注采方案进行了优化，得到了最佳注采方案以及地层压力保持水平。

该井组位于某区块边部，属于高孔高渗的整装油藏，油藏中深1970m，平均渗透率2.9D。经过多年的开发，已处于特高含水后期，调整前含水96％。注水井采用2-7/8in油管，空心配水器，一级两段分层注水，调整前配注量120m³/d，两层各配注60m³/d。采油井采用12型游梁式抽油机，有杆泵生产。根据测试资料，由于多年的注水亏空，目前区块平均地层压力14Mpa，注水井启动压力为11.5Mpa，采油井井底流压12Mpa。

表1某区块基础参数表

储层大小(m)	33×26×6	目前地层压力(Mpa)	13.8
				孔隙度(％)	25	泡点压力(Mpa)	11
初始含油饱和度	0.7	残余油饱和度	0.2
				i,j方向渗透率(md)	2900	束缚水饱和度	0.3
k方向渗透率(md)	180	原油黏度(mPa·s)	16.6
				油藏中深(m)	1970	调整前含水(％)	96

在建立该井组的数值模拟模型的基础上，建立了整体优化模型进行优化。井组的数值模拟模型平面图见图2。优化模型中注水系统、举升系统节点损耗等相关约束条件根据现场实测资料获取。为了满足油藏方案，采用定液生产。评价5年内该井组的总能耗、吨油能耗。为了便于对比结果，输出了几种中间结果的能耗状况。具体见结果见图3、表2。

表2不同方案结果对比表

从优化结果来看，在相同的产油量、采收率情况下，优化得到的最优地层压力保持水平为15Mpa，即在目前的情况下通过注水量的调整提压1.2Mpa。提压后，可吨液耗电由14.3kw·h/t下降到14.0kw·h/t，日省电量1.74％。

不同方案的吨油能耗、吨液能耗随时间变化情况见图3。从图中可以看出，在初始的提压阶段，由于注水井多注水，短期内吨油能耗和吨液能耗显著上升，但当提压到目标地层压力恢复调整前注采平衡后，最优方案的吨液能耗和吨油能耗相对调前要更低。经测算，最优方案在178天可回收前期多注水的成本。从长远来讲，将会节省能耗。优化结果验证了本文提供的整体优化方法的合理性。

值得一提的是，从优化结果来看，对于本井组，并不是提压越高越好。通过分析，认为这主要是因为提压到一定程度后，注水系统能耗增长过快，而地层压力、采油井井底压力未相应提高导致的。

Claims (10)

1.注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，该注水开发油田注采系统能耗整体优化方法包括：

步骤1，确定优化模型决策变量；

步骤2，确定优化模型目标函数；

步骤3，确定优化模型约束条件；

步骤4，采用粒子群算法结合数值模拟求解优化模型。

2.根据权利要求1所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤1中，决策变量是决策者可以人为控制的变量；注采系统的整体优化，通过调节油水井的注采量，保持合理的地层压力来节能降耗；模型的决策变量是注水井的注水量和采油井的采液量。

3.根据权利要求1所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤2中，注采系统的能耗要在满足油藏最优的情况下进行，否则，单纯考虑能耗的降低，会出现无效水循环等能耗低，但采收率低、经济效益差的情况；注采能耗优化模型的目标函数就是注采系统最终的吨油总能耗最低。

4.根据权利要求3所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤2中，确定的优化模型目标函数为：

式中：E_注水系统为注水系统能耗，j；E_举升系统为举升系统能耗，j；Q_oil为阶段内产油量，t。

5.根据权利要求1所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤3中，根据目标函数与各因素的关系，以及各因素之间的关联关系，确定模型的约束条件；注采系统的约束条件包括注水系统约束条件、举升系统约束条件和油藏系统约束条件；各系统的约束条件包括有效功、各节点损耗的计算。

6.根据权利要求5所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤3中，油藏系统约束条件包括油藏方案对采收率、采液速度的要求、油藏中由于注采关系导致的注采井及地层压力变化关系，表达式为：

式中：

为采油井i的采液量，m³/d；

为注水井i的注水量，m³/d；q为采液速度，％；

为注水井井底流压，MPa；

为采油井井底流压，MPa；

其中(2)中

的表达式表示油藏中注水井井底流压与采油井井底流压主要受注采量影响，其关系比较复杂，难以用解析法给出，在实际应用中借助数值模拟方法给出。

7.根据权利要求5所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤3中，注水系统约束条件包括地面注水管网、配注阀组以及地下油管管损和配水器压损，表达式为：

式中L为油管下入深度，m；d为油管内径；λ为摩阻系数，取0.03；Δp_wd为空心配水器水嘴压损，Mpa；a，b为拟合参数；ΔP_tub为注水油管摩阻，MPa；Q_inj为日注入量，m³/d。

8.根据权利要求5所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤3中，举升系统约束条件包括有用功的计算以及抽油泵、盘根盒、油管、抽油杆、减速箱9个节点损耗的计算，表达式为：

ΔE_电机、ΔE_皮带、ΔE_减速箱、ΔE_四连杆、ΔE_盘根盒、ΔE_抽油泵、ΔE_管柱、ΔE_抽油杆、ΔE_{井底到泵口}分别为电机、皮带、减速箱、四连杆机构、盘根盒、抽油杆、管柱、抽油杆、井底到泵口摩擦的能耗损失，j；Δpd_摩擦损失、Δpd_容积损失、Δpd_水利损失分别为抽油泵的摩擦损失、容积损失和水利损失，j；Δpd_容、Δpd_水分别为管柱的容积损失和水利损失，j；E_举升有用为有用功，j；P_wf为采油井井底流压；ρ_l为采油井筒油水混合物密度，kg/m³；Q_pro为采液量，m³；H为采油井井深，m；P₀为井口油压，MPa；g为重力加速度，m/s²。

9.根据权利要求8所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤3中，举升系统的设计一方面要在既定的井底流压条件下，调整满足油藏的产液量要求；另一方面系统本身要根据条件进行系统内部优化，使得举升系统能耗最小，因此，举升系统在能耗表征模型基础上，还包括举升系统内部自身的优化。

10.根据权利要求1所述的注水开发油田注采系统能耗整体优化方法，其特征在于，在步骤4中，对由决策变量、目标函数、约束条件组成的优化模型使用粒子群算法进行求解；其中，数值模拟模型用以提取优化模型中涉及的参数，并计算优化模型中油藏系统相关变量关系；同时数值模拟模型也将嵌套到优化算法中参与优化；算法每迭代一次，数值模拟都重新计算一次；模型不断迭代，直到找到最优方案。

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