CN113445971A - 油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法 - Google Patents

油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，包括：步骤1，采集现有配注方案指标参数，并按注入压力排序；步骤2，依序号计算各注水井视吸水指数Ji；步骤3，计算配水间初始压力Pt1；步骤4，计算W1井截止阀关闭时间间隔T1；步骤5，依序号计算各注入时段压力Pti，截止阀关闭时间间隔序列Ti；步骤6，进行分时分压注水方案功耗计算。该油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法为节能管理者提供快速高效的管理手段，为基层采油工人快速提供节能优化运行方案，实现注水系统高效运行，最终实现节能。

Description

油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法。
背景技术
油田注水系统总体设计及施工配套，一般处于油田开发的建产期，此时油田地下能量高、注水量少，随着油田开发生产的不断推进，注水量不断加大，导致注水系统工况发生较大变化。主要包括注水泵型号选配不适应新需求，造成泵效偏低；井网加密、注采调整导致的注水管线延长、分支增加，形成管网压力损失；注水系统长期使用、污水回注、水质变化，导致管网结垢，摩阻增大；地质认识深化及生产动态变化导致配产配注方案调整，影响注水方案运行等。
油田注水管网系统，包含注水站、注水干线、支线、配水间、注水井等多个组成部分，除部分操控设备外，大都埋于地下。由于仅注水泵站出口、干线入口、配水间管路等少数部分配有测量压力、流量的仪表，其他部分则无法有效监控实时工况状态，调整后的注水系统运行工况无法全面测量，影响油田安全生产。注水系统仿真优化研究，就是针对目前管网运行状态进行数值建模，计算所有管段、泵站、阀组的压力、流量参数，为注水系统安全、可靠运行及节能优化及方案调整提供依据。
近年来低渗透油藏的开发，对地面注水系统提出了较高要求。通常来说，低渗储层配注压力大，注水量小，中高渗储层配注压力小，注水量大。统一的干线来水压力，必须保持注水井最高压力，由此造成的中高渗储层超注问题，需在配水间通过减小阀组开度，降低低压注水井注入压力，由此必然造成压力损失，需要调整注水系统运行方案。
目前主要有以下几种优化节能方法：
方法一，《一种智能控制节能注水系统》(申请号：2016109086825)，提出的智能控制注水系统，包括了变频器、软启动器、注水泵主电机、主电机冷却风机、开关电源、塑壳断路器、微型断路器、工频输出交流接触器、变频输出交流接触器、软启旁路交流接触器、风机使能交流接触器、第一热继电器和第二热继电器等大量设备连接和改造。该方法可以有效实现油田现场节能，但该发明工艺复杂，设备改造环节多，成本高，实施难度大。
方法二，《一种自动调压注水泵节能控制系统及注水调节方法》(申请号：201711485922.6)，提出采用一个高压缸、一个低压缸及一个双作用液力缸，对系统的压力进行实时监控并再次合理分配，将低压井、高渗层节流损失的能量转换为高压井、低渗层额外增压所需能量，达到能量合理化利用的目的。但是该方法需要配置双缸注水泵，并对其进行改造，现场实施受限制。
为此我们发明了一种新的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以快速测算分时分压系统工况，为注水系统进一步调优提供技术手段的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，该油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法包括：步骤1，采集现有配注方案指标参数，并按注入压力排序；步骤2，依序号计算各注水井视吸水指数Ji；步骤3，计算配水间初始压力Pt1；步骤4，计算W1井截止阀关闭时间间隔T1；步骤5，依序号计算各注入时段压力Pti，截止阀关闭时间间隔序列Ti；步骤6，进行分时分压注水方案功耗计算。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在步骤1中，采集各井注入压力和注水量，并按注入压力对注水井从小至大排序，依次编号；若有n口注水井，注入压力分别为P1、P2、…Pn，且按压力排序有P1<P2、…Pn-1<Pn，即注水井编号W1、W2...Wn，日配注水量分别为Q1、Q2、…Qn，注水速率分别为V1、V2、…Vn。
在步骤2中，日注水量是注入压力和注入井视吸水指数的函数，视吸水指数是指注水井在单位注水压差下的日注水量，W1、W2...Wn注水井，日配注水量分别为Q1、Q2、…Qn，注入压力分别为P1、P2、…Pn，视吸水指数分别为J1、J2、…Jn；计算公式为：
视吸水指数＝日注水量/注入压力；
即：Ji＝Qi/Pi
在步骤3中，分时分压注水方案情况下，柱塞泵注水量保持不变，初始状态各注水井阀门全部打开，各注水井注入压力保持一致为配水间压力Pt1，
Q＝Q1+Q2…+Qn
＝J1*P1+J2*P2…+Jn*Pn
＝J1*Pt1+J2*Pt1…+Jn*Pt1
＝(J1+J2…+Jn)*Pt1
Pt1＝Q/(J1+J2…+Jn)
Pt1>P1。
在步骤4中，若保持工况运行不变，W1井超注，日注水量为
J1*Pt1>J1*P1＝Q1
若保持W1井日注水量Q1不变，在W1井注水量达到Q1时，关闭井口电控截止阀；此时为
T1＝P1/Pt1＝P1*(J1+J2…+Jn)/Q
T1<1天。
在步骤5中，T1时刻后，柱塞泵注水量保持不变，W1井关井，W2...Wn注水井阀门全部打开，注水系统注入阻力上升，各注水井注入压力保持一致为配水间压力Pt2；
Q＝Q1+Q2…+Qn
＝J1*P1+J2*P2…+Jn*Pn
＝J2*Pt2…+Jn*Pt2
＝(J2…+Jn)*Pt2
Pt2＝Q/(J2…+Jn)
若保持W2井日注水量Q2不变，在T1时刻后继续运行T2时长，至T1+T2时刻，W2井注水量达到Q2时，关闭W2井口电控截止阀；
Q2＝J2*P2＝J2*Pt1*T1+J2*Pt2*T2
T2＝(P2-Pt1*T1)/Pt2
对于任意井Wi保持日注水量Qi不变，在Wi-1井关闭后继续运行Ti时长，至T1+T2…+Ti时刻，Wi井注水量达到Qi时，关闭Wi井口电控截止阀；
Pti＝Q/(Ji…+Jn)--------------------------------式1
Ti＝(Pi-Pt1*T1-Pt2*T2…-Pti-1*Ti-1)/Pti---------式2。
在步骤6中，分时分压注水方案情况下，柱塞泵注水量保持不变，
Q＝Q1+Q2…+Qn
柱塞泵出口压力，为配水间压力与管网干线水头损失Hf之和，随系统工况变化逐渐升高；
T<T1时刻，P1＝Pt1+Hf
T1<T<T1+T2时刻，P2＝Pt2+Hf
T1…+Ti-1<T<T1…+Ti时刻，Pi＝Pti+Hf
依据不同时刻输出压力P1、P2、…Pn，查出相应的功率N1、N2、…Nn；柱塞泵一个工作周期的平均功耗为，N＝(N1*T1+N2*T2…Nn*Tn)/(T1…+Tn)。
本发明中的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，是一种油田地面系统建设和节能优化方法，属于节能优化及数字化仿真领域。该方法仅需提前计算注水井口截止阀开启时间，并按时操作关闭、启动截止阀即可，工艺简单，成本低、实施难度小，可广泛应用于与油田注水节能现场。与现有油田开发注水管网系统采用稳定注水的传统方式不同，本发明提出一种分时分压油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，可以有效优化注水方案，实现节能降耗。为节能管理者提供快速高效的管理手段，为基层采油工人快速提供节能优化运行方案，实现注水系统高效运行，最终实现节能。
附图说明
图1为本发明的一具体实施例中注水系统管网图；
图2为本发明的一具体实施例中柱塞泵特性曲线图版；
图3为本发明的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法的一具体实施例的流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
本发明改变以往采用井口阀门调整各井注入压力的常规方法，打开全部井口阀门，以分时分压注水的方式，利用同一套管网分时段分不同注水压力，分别向高压注水井和低压注水井供水。事先计算注入周期内各井配注时间，按从低压井到高压井的顺序，依次关闭阀门，从而实现减少或避免配水间阀门开度变化造成的能耗损失。
以如图1所示注水系统，阐述发明的基本思路如下，图1为单一柱塞泵站，单一输水主干线，多口注水井的油田注水系统。需采集各井注入压力和注水量，并按注入压力对注水井从小至大排序，依次编号，即有W1、W2...Wn共n口注水井，日配注水量分别为Q1、Q2、…Qn，注水速率分别为V1、V2、…Vn，注入压力分别为P1、P2、…Pn，且按压力排序有P1<P2、…Pn-1<Pn。
常规注水系统运行时，柱塞泵注水量为Q＝Q1+Q2…+Qn，配水间压力Pn，各注水井阀门适度调节使得注水井W1、W2...Wn，注入压力分别为P1、P2、…Pn，各注水井阀损分别为Pn-P1、Pn-P2、…0。
若各注水井阀门全部打开，柱塞泵注水量保持不变为Q＝Q1+Q2…+Qn，配水间压力下降为Pt1，有P1<P2、…<Pi<Pt1<Pi+1…<Pn，持续运行时，注水井W1、W2…Wi超注，注水井Wi+1…Wn欠注。
为方便分析，以一天为一个周期(实际应用时可改为1小时为一个周期)，讨论分时分压注水方案如下，柱塞泵注水量保持不变为Q＝Q1+Q2…+Qn，在注水井口利用电控截止阀，配套分时分压注水智能调控系统。系统遥控所有注水井电控截止阀打开，注水井W1、W2…Wi，提前于T1<T2…<Ti(Ti<1天)，各注水井达到当日注水量时，依次关闭相应井口电控截止阀，剩余注水井Wi+1…Wn继续注水，直至分别达到各自日配水量，依次关闭相应井口电控截止阀。此过程中，管网压力受注水井关闭影响逐次升高，当Wn-1井关闭后，管网压力达到Pmax＝Ptn>Pn，保持不变，至当日注水周期结束，重复上述过程开展第二日注水工作。分时分压注水方案，与常规系统运行时对比，没有注水井阀损，减少了无效能耗，降低了注水单耗。上述方案中如何精确计算T1<T2…Tn-1依次遥控对应注水井电控截止阀关闭，是方案运行调优的重要内容。
如图3所示，图3为本发明的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法的流程图。
步骤1，采集现有配注方案指标参数，并按注入压力排序。油田注水方案遵循地面服从地下的原则，注水井日配水量由油田开发方案制定，并根据生产运行需要进行调整，因此注水井日配水量为刚性指标。
发明实施过程，需首先采集各井注入压力和注水量，并按注入压力对注水井从小至大排序，依次编号。若有n口注水井，注入压力分别为P1、P2、…Pn，且按压力排序有P1<P2、…Pn-1<Pn，即注水井编号W1、W2...Wn，日配注水量分别为Q1、Q2、…Qn，注水速率分别为V1、V2、…Vn。
步骤2，依序号计算各注水井视吸水指数Ji。
日注水量是注入压力和注入井视吸水指数的函数。视吸水指数是指注水井在单位注水压差下的日注水量，它反映了注水井注水能力及油层吸水能力的大小。如前所述，常规情况下，W1、W2...Wn注水井，日配注水量分别为Q1、Q2、…Qn，注入压力分别为P1、P2、…Pn，视吸水指数分别为J1、J2、…Jn。
视吸水指数＝日注水量/注入压力。即：Ji＝Qi/Pi
步骤3，计算配水间初始压力Pt1
分时分压注水方案情况下，柱塞泵注水量保持不变，初始状态各注水井阀门全部打开，各注水井注入压力保持一致为配水间压力Pt1
Q＝Q1+Q2…+Qn
＝J1*P1+J2*P2…+Jn*Pn
＝J1*Pt1+J2*Pt1…+Jn*Pt1
＝(J1+J2…+Jn)*Pt1
Pt1＝Q/(J1+J2…+Jn)
Pt1>P1
步骤4，计算W1井截止阀关闭时间间隔T1
若保持此工况运行不变，W1井超注，日注水量为
J1*Pt1>J1*P1＝Q1
若保持W1井日注水量Q1不变，可在W1井注水量达到Q1时，关闭井口电控截止阀。此时为
T1＝P1/Pt1＝P1*(J1+J2…+Jn)/Q
T1<1天。
步骤5，依序号计算各注入时段压力Pti，截止阀关闭时间间隔序列Ti。
T1时刻后，柱塞泵注水量保持不变，W1井关井，W2...Wn注水井阀门全部打开，注水系统注入阻力上升，各注水井注入压力保持一致为配水间压力Pt2。
Q＝Q1+Q2…+Qn
＝J1*P1+J2*P2…+Jn*Pn
＝J2*Pt2…+Jn*Pt2
＝(J2…+Jn)*Pt2
Pt2＝Q/(J2…+Jn)
若保持W2井日注水量Q2不变，可在T1时刻后继续运行T2时长，至T1+T2时刻，W2井注水量达到Q2时，关闭W2井口电控截止阀。
Q2＝J2*P2＝J2*Pt1*T1+J2*Pt2*T2
T2＝(P2-Pt1*T1)/Pt2
类似的，对于任意井Wi保持日注水量Qi不变，可在Wi-1井关闭后继续运行Ti时长，至T1+T2…+Ti时刻，Wi井注水量达到Qi时，关闭Wi井口电控截止阀。
Pti＝Q/(Ji…+Jn)--------------------------------式1
Ti＝(Pi-Pt1*T1-Pt2*T2…-Pti-1*Ti-1)/Pti---------式2
步骤6，分时分压注水方案功耗计算
分时分压注水方案情况下，柱塞泵注水量保持不变，
Q＝Q1+Q2…+Qn
柱塞泵出口压力，为配水间压力与管网干线水头损失Hf之和，随系统工况变化逐渐升高。
T<T1时刻，P1＝Pt1+Hf
T1<T<T1+T2时刻，P2＝Pt2+Hf
T1…+Ti-1<T<T1…+Ti时刻，Pi＝Pti+Hf
分时分压注水方案，各时段注水量保持不变，柱塞泵端无需相应改造，柱塞泵出口压力随系统工况变化逐渐升高。柱塞泵功耗可参考设备相应的出厂特性曲线，如图2，可见当柱塞泵输出压力变化时，其输出功率也相应变化。依据不同时刻输出压力P1、P2、…Pn，查出相应的功率N1、N2、…Nn。柱塞泵一个工作周期(一天)的平均功耗为，N＝(N1*T1+N2*T2…Nn*Tn)/(T1…+Tn)。
本发明的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，可以快速测算分时分压系统工况，为注水系统进一步调优提供技术手段，在不大幅度改造现有注水管网的情况下，利用同一套管网分时段分不同注水压力，分别向高压注水井和低压注水井供水，减少或避免配水间阀门开度变化造成的能耗损失。

Claims (7)

1.油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，其特征在于，该油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法包括：
步骤1，采集现有配注方案指标参数，并按注入压力排序；
步骤2，依序号计算各注水井视吸水指数Ji；
步骤3，计算配水间初始压力Pt1；
步骤4，计算W1井截止阀关闭时间间隔T1；
步骤5，依序号计算各注入时段压力Pti，截止阀关闭时间间隔序列Ti；
步骤6，进行分时分压注水方案功耗计算。
2.根据权利要求1所述的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，其特征在于，在步骤1中，采集各井注入压力和注水量，并按注入压力对注水井从小至大排序，依次编号；若有n口注水井，注入压力分别为P1、P2、…Pn，且按压力排序有P1<P2、…Pn-1<Pn，即注水井编号W1、W2...Wn，日配注水量分别为Q1、Q2、…Qn，注水速率分别为V1、V2、…Vn。
3.根据权利要求1所述的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，其特征在于，在步骤2中，日注水量是注入压力和注入井视吸水指数的函数，视吸水指数是指注水井在单位注水压差下的日注水量，W1、W2...Wn注水井，日配注水量分别为Q1、Q2、…Qn，注入压力分别为P1、P2、…Pn，视吸水指数分别为J1、J2、…Jn；计算公式为：
视吸水指数＝日注水量/注入压力；
即：Ji＝Qi/Pi
4.根据权利要求3所述的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，其特征在于，在步骤3中，分时分压注水方案情况下，柱塞泵注水量保持不变，初始状态各注水井阀门全部打开，各注水井注入压力保持一致为配水间压力Pt1，
Q＝Q1+Q2…+Qn
＝J1*P1+J2*P2…+Jn*Pn
＝J1*Pt1+J2*Pt1…+Jn*Pt1
＝(J1+J2…+Jn)*Pt1
Pt1＝Q/(J1+J2…+Jn)
Pt1>P1。
5.根据权利要求4所述的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，其特征在于，在步骤4中，若保持工况运行不变，W1井超注，日注水量为：
J1*Pt1>J1*P1＝Q1
若保持W1井日注水量Q1不变，在W1井注水量达到Q1时，关闭井口电控截止阀；此时为：
T1＝P1/Pt1＝P1*(J1+J2…+Jn)/Q
T1<1天。
6.根据权利要求5所述的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，其特征在于，在步骤5中，T1时刻后，柱塞泵注水量保持不变，W1井关井，W2...Wn注水井阀门全部打开，注水系统注入阻力上升，各注水井注入压力保持一致为配水间压力Pt2；
Q＝Q1+Q2…+Qn
＝J1*P1+J2*P2…+Jn*Pn
＝J2*Pt2…+Jn*Pt2
＝(J2…+Jn)*Pt2
Pt2＝Q/(J2…+Jn)
若保持W2井日注水量Q2不变，在T1时刻后继续运行T2时长，至T1+T2时刻，W2井注水量达到Q2时，关闭W2井口电控截止阀；
Q2＝J2*P2＝J2*Pt1*T1+J2*Pt2*T2
T2＝(P2-Pt1*T1)/Pt2
对于任意井Wi保持日注水量Qi不变，在Wi-1井关闭后继续运行Ti时长，至T1+T2…+Ti时刻，Wi井注水量达到Qi时，关闭Wi井口电控截止阀；
Pti＝Q/(Ji…+Jn)--------------------------------式1
Ti＝(Pi-Pt1*T1-Pt2*T2…-Pti-1*Ti-1)/Pti---------式2。
7.根据权利要求6所述的油田注水节能方案及管网工况仿真计算方法，其特征在于，在步骤6中，分时分压注水方案情况下，柱塞泵注水量保持不变，
Q＝Q1+Q2…+Qn
柱塞泵出口压力，为配水间压力与管网干线水头损失Hf之和，随系统工况变化逐渐升高；
T<T1时刻，P1＝Pt1+Hf
T1<T<T1+T2时刻，P2＝Pt2+Hf
T1…+Ti-1<T<T1…+Ti时刻，Pi＝Pti+Hf
依据不同时刻输出压力P1、P2、…Pn，查出相应的功率N1、N2、…Nn；柱塞泵一个工作周期的平均功耗为，N＝(N1*T1+N2*T2…Nn*Tn)/(T1…+Tn)。
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