CN115522899A - 油田注水管网优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种油田注水管网优化方法，其包含：明确油田注水管网的输水节点以及输水方式；计算输水节点之间的运水车运输成本以及管道运输中泵的运行成本；以最小化油田注水管网的总运输成本以及泵的总运行成本为目标函数，建立规划模型。本发明通过混合整数线性规划模型来最小化总的运输成本和泵的运行成本来寻找最优配水策略，以水量平衡、管道输送能力和管道运行为约束条件，可以同时优化管网的运行计划和货车的调度计划。并且，可以帮助油田企业达到可持续、清洁生产的目的，还能够降低油田注水的成本。
Description
技术领域
本发明涉及石油化工技术领域，具体地说，涉及一种油田注水管网优化方法及系统。
背景技术
注水作为油田开发的主要方法，可以提高油田产量，如果能满足油井的用水需求，将有助于提高石油的产量，提高油田生产率和效率。因此，加强水资源管理，实现水资源优化配置尤为重要。然而，注水需求的持续增长速度通常比管网建设的速度更快，尤其是在油田开发初期。现有管网输水能力不能完全满足供水需求。需要使用运水车作为管网的运输补充，以保证满足注水井的用水需求。
对于输水管网的优化，目前的研究可分为设计优化和运行优化。在设计优化领域，进化算法和遗传算法被广泛使用。Montesinos等提出了一种改进的遗传算法来优化配水网络。它以最小的成本为目标函数，并在纽约市供水管网扩建问题上进行了测试。Eusuff和Lansey总结了将青蛙跳台阶算法与水力模拟软件EPANET及其库函数相结合以进行配水网络优化设计的计算机模型的发展。Vamvakeridou-Lyroudia等人最小化了使用遗传算法设计配水网络的成本和利益最大化。Zheng等人提出了一种设计配水网络的优化方法。他们首先利用图论算法将一个完整的水网络分解成不同的子网，然后利用微分进化优化每个子网。Marques等人提出了一种四目标优化模型来设计配水管网，考虑了压力赤字、未交付需求、传统成本和碳排放的最小化。提出了一种基于模拟退火概念的改进算法来求解该模型。
另一个关键领域是优化供水网络的运行。主要目的是优化泵的运行，使泵消耗的能量最小化。Bagirov等人开发了一个混合整数非线性规划(MINLP)模型，并提出了一种基于网格搜索与胡克-吉夫模式搜索相结合的方法，以优化配水系统中的水泵调度问题，使水泵能耗最小化。Zhang等建立了混合整数线性规划模型，优化了某大型油田注水开发系统的作业方案，并将该方法应用于2个注水开发系统。Candelieri等人为配水管网中的泵操作开发了两种贝叶斯优化方法。Luna等人提出了水泵调度的混合优化方法，使用遗传算法使运行成本、能源消耗和相关的二氧化碳排放最小化。Torregrossa和Capitanescu开发了一种基于模拟的水泵系统优化方法，以节约能源，提高水泵及其组件的运行寿命，并比较了几种启发式优化算法。
但是，在油田开发初期，注水需求的持续增长速度比管网建设的速度更快，现有技术中的管网输水能力不能完全满足供水需求这一问题。
因此，本发明提供了一种油田注水管网优化方法及系统。
发明内容
针对在油田开发初期，注水需求的持续增长速度比管网建设的速度更快，现有管网输水能力不能完全满足供水需求这一问题，本发明使用运水车作为管网的运输补充，优化油田注水管网以保证在满足注水井的用水需求的同时降低生产成本。
为解决现有技术的问题，本发明提供了一种油田注水管网优化方法，所述方法包含以下步骤：
明确油田注水管网的输水节点以及输水方式；
计算输水节点之间的运水车运输成本以及管道运输中泵的运行成本；
以最小化油田注水管网的总运输成本以及泵的总运行成本为目标函数，建立规划模型。
根据本发明的一个实施例，所述目标函数为：
totalC＝CCD+CCW+CDW+CDD+CE
其中，totalC表示总运输以及总运行成本，CCD表示联合站到中转站的运输成本，CCW表示联合站到注水井的运输成本，CDW表示中转站到注水井的运输成本，CDD表示中转站到中转站的运输成本，CE表示泵的总运行成本。
根据本发明的一个实施例，建立规划模型的步骤还包含：
明确对于不同类型输水节点的物料平衡要求，建立对应每种输水节点的物料平衡约束方程；
将联合站的最大输出能力纳入考虑，建立表征联合站发送容量约束的约束方程；
基于不同类型输水节点的储水量要求，建立对应每种输水节点的储水量约束方程。
根据本发明的一个实施例，在运水车运输方式下，建立规划模型的步骤包含：
确定运水车的所有运输路径，明确每种运输路径的运输能力，建立对应每种运输路径的运输能力约束方程。
根据本发明的一个实施例，在管道运输方式下，建立规划模型的步骤包含：
明确对于不同类型输水节点的压力要求，建立对应每种输水节点的压力约束方程；
计算管道节点间的压力，建立表征管道节点压力的线性化方程，所述管道节点压力的线性化方程考虑了管道节点间的水头损失、管道节点间的流量区间、管道节点间的流量间隔以及区间流量的要求。
根据本发明的一个实施例，在管道运输方式下，建立规划模型的步骤还包含：
明确输水节点间是否需要使用泵进行输水，建立输水节点间的增压约束方程；
考虑泵的扬程、流量和运行时间，建立计算泵运行成本的线性化方程。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算油田注水管网的总运输成本：
其中，CCD表示联合站到中转站的运输成本，CCW表示联合站到注水井的运输成本，CDW表示中转站到注水井的运输成本，CDD表示中转站到中转站的运输成本，
表示单位流量单位距离的运输成本，
表示联合站到中转站的输送流量，Li,j,r表示联合站到中转站的管道长度，
表示联合站到注水井的输送流量，Li,k,r表示联合站到注水井的管道长度，
表示中转站到注水井的输送流量，Lj,k,r表示中转站到注水井的管道长度，
表示中转站到中转站的输送流量，Lj,j',r表示中转站到中转站的管道长度。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算泵的总运行成本：
其中，CE表示泵的总运行成本，β表示泵的电力成本换算系数，Ql表示流量区间l，
表示j到j’节点内流量区间l的当前流量值。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行如上任一项所述的方法步骤的一系列指令。
根据本发明的另一个方面，还提供一种油田注水管网优化系统，通过如上任一项所述的方法进行油田注水管网优化，所述系统包含：
联合站，其为所述油田注水管网优化系统的起始输水节点，用于向中转站以及注水井发送水；
中转站，其为所述油田注水管网优化系统的中转输水节点，用于中转水；
注水井，其为所述油田注水管网优化系统的需求输水节点，用于接收来自联合站以及中转站的水。
本发明提供的油田注水管网优化方法及系统通过混合整数线性规划模型来最小化总的运输成本和泵的运行成本来寻找最优配水策略，以水量平衡、管道输送能力和管道运行为约束条件，可以同时优化管网的运行计划和货车的调度计划。并且，可以帮助油田企业达到可持续、清洁生产的目的，还能够降低油田注水的成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的油田注水管网优化方法流程图；
图2显示了根据本发明的一个实施例的注水管网的简化拓扑结构；以及
图3显示了根据本发明的一个实施例的最优注水方案示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
本发明提出的油田注水管网优化系统的主要组成部分是联合站、中转站以及注水井，包含两种输水方式，分别为管道运输和运水车运输。
具体来说，联合站为油田注水管网优化系统的起始输水节点，用于向中转站以及注水井发送水；中转站为油田注水管网优化系统的中转输水节点，用于中转水；注水井为油田注水管网优化系统的需求输水节点，用于接收来自联合站以及中转站的水。
在油田注水管网优化系统中，水资源应从中心向注水井中分配，以保证满足对注水井的需求。一般来说，管道的相关运输成本比运水车低。然而，管道运输也有局限性。当水通过管道输送时，摩擦力会阻碍其运动。水头下降，需要泵的能量来维持水压，使其继续流动。Hazen-Williams公式(1)在供水工程中应用广泛，适用于管道光滑时的水头损失计算，其粗糙度系数容易获得，因此在数学规划中建模更方便。
式中：Hl为管道长度的水头损失，m；Q为管道内流体流量，m3/s；L为管道长度，m；D为管道内径，m；C为粗糙度系数，根据管道材质而定。
由式(1)可知，在其他参数相同的情况下，流量越大，水头损失越大。如果流量过高，可能会浪费管道运输中的大量能源。为了解决这一问题，本发明引入运水车运输水，减轻管道运输的负担。
图1显示了根据本发明的一个实施例的油田注水管网优化方法流程图。
如图1所示，在步骤S101中，明确油田注水管网的输水节点以及输水方式。
如图1所示，在步骤S102中，计算输水节点之间的运水车运输成本以及管道运输中泵的运行成本。
如图1所示，在步骤S103中，以最小化油田注水管网的总运输成本以及泵的总运行成本为目标函数，建立规划模型。
具体来说，目标函数为：
totalC＝CCD+CCW+CDW+CDD+CE (2)
其中，totalC表示总运输以及总运行成本，CCD表示联合站到中转站的运输成本，CCW表示联合站到注水井的运输成本，CDW表示中转站到注水井的运输成本，CDD表示中转站到中转站的运输成本，CE表示泵的总运行成本。
目标函数(2)最小化总运输和泵运行成本，包含5个部分。从第一部分到第四部分是联合站到中转站、联合站到注水井、中转站到注水井、中转站到中转站的运输成本。第五部分是总的水泵运行费用。
进一步地，建立规划模型的步骤还包含：明确对于不同类型输水节点的物料平衡要求，建立对应每种输水节点的物料平衡约束方程。具体来说，联合站、中转站以及注水井对于物料平衡的要求是不同的，需要根据每一种输水节点的具体要求建立约束方程。
如上式，约束方程(3)是联合站的物料平衡约束方程。联合站i处的水量
等于初始水量ISRi加上产量VRPi，再减去输送到中转站
和注水井
的水量。
如上式，约束方程(4)为中转站的物料平衡约束方程。中转站j的水量
等于初始水量ISDj加上从联合站
和其他中转站
发送的水量，减去输送到注水井
和其他中转站
的水量。
如上式，约束方程(5)是注水井的物质平衡约束方程。注水井k的水量
等于初始水量ISCk加上来自联合站
和中转站
的水量，再减去k井的需求量Dk。
进一步地，建立规划模型的步骤还包含：将联合站的最大输出能力纳入考虑，建立表征联合站发送容量约束的约束方程。
如上式，约束方程(6)为联合站的发送容量约束方程，其用于限制从每个联合站发送的水量，以不超过其最大输出能力为原则。具体来说，每个联合站向中转站
以及注水井
发送的水量小于等于每个联合站自身的最大输出能力
进一步地，在运水车运输方式下，建立规划模型的步骤包含：确定运水车的所有运输路径，明确每种运输路径的运输能力，建立对应每种运输路径的运输能力约束方程。
如上式，约束方程(7)～(10)分别为联合站到中转站、联合站到注水井、中转站到注水井、中转站到中转站的运输能力约束方程，表示4种运输路径的现有运输能力。具体来说，联合站到中转站的运水车运输能力
需满足二者间传输的水量
联合站到注水井的运水车运输能力
需满足二者间传输的水量
中转站到注水井的运水车运输能力
需满足二者间传输的水量
中转站到中转站的运水车运输能力
需满足二者间传输的水量
进一步地，建立规划模型的步骤还包含：基于不同类型输水节点的储水量要求，建立对应每种输水节点的储水量约束方程。
如上式，约束方程(11)至(13)确保联合站、中转站和注水井的储水量不能低于其最低要求，也不能高于其最大储水量。具体来说，联合站的储水量
不能低于其最低要求δVi OC，也不能高于其最大储水量Vi OC。中转站的储水量
不能低于其最低要求
也不能高于其最大储水量
注水井的储水量
不能低于其最低要求
也不能高于其最大储水量
进一步地，在管道运输方式下，建立规划模型的步骤包含：明确对于不同类型输水节点的压力要求，建立对应每种输水节点的压力约束方程。
管道输送方式有压力要求。对于注水井，约束方程(14)确保压力pk应高于注水时的最低压力要求
且不高于管道承受的最大压力
如上式，约束方程(15)保证了中转站在管网中的压力pj不应高于管道安全输送所承受的最大压力
在水力模型中，应设置边界条件使模型可行。联合站作为管网的起始节点，通常被设定为压力边界。约束方程(16)确保联合站pi被设置为压力边界Pi P，并且它们的压力是已知的参数。
进一步地，在管道运输方式下，建立规划模型的步骤包含：计算管道节点间的压力，建立表征管道节点压力的线性化方程，所述管道节点压力的线性化方程考虑了管道节点间的水头损失、管道节点间的流量区间、管道节点间的流量间隔以及区间流量的要求。
在管道运输模式下，水头损失过程的建模也很重要。采用式(1)中的Hazen-Williams方程进行水头损失计算。管道开始节点的压力减去水头损失等于管道末端的压力。因为这个方程有一个二次项，它必须被线性化。
在接下来的线性化过程中，流量被划分为许多区间。在每个区间内，实际流量与流量的1.852次幂相关。在线性化过程中，
和以下约束可以被公式化来描述线性过程。
如上式，pa表示a节点处的压力值，pa’同理，α表示水头损失系数，Qaa’表示a节点到a’节点的流量值，Laa’表示管段长度，Baa’表示a节点到a’节点之间是否连接的0-1变量，M表示极大值，maxQl表示l流量区间的流量最大值，minQl同理，约束方程(17)和(18)是水头损失方程的线性化形式。方程(17)和(18)计算了从节点a到节点a'的水头损失。因为连接这些节点的所有管道都必须进行水头损失计算，所以在这些约束条件中使用a来表示联合站、中转站和注水井，以简化模型。B是一个参数，用于显示节点a到节点a'是否被连接。如果节点相连，管道水头损失按约束(17)和(18)计算。在这两个约束条件中，A是流量的幂次为1.852。
为了建立流量与流量之间的关系，约束方程(19)对(22)进行了推导。约束条件(19)和(20)确定了从节点a到节点a’的流量区间。如果节点a到节点a’之间的流量大于流量区间l的下界，小于相同流量区间l的上界，则对应为1，否则为0。通过这种方式，可以找到2个节点之间对应的流量区间。
约束方程(21)确保对于节点a和节点a’之间的每个管道，必须选择一个流量间隔。约束方程(22)保证了流量的1.852次方等于相应区间与该区间的下界和上界的平均值的乘积。
进一步地，在管道运输方式下，建立规划模型的步骤还包含：明确输水节点间是否需要使用泵进行输水，建立输水节点间的增压约束方程。
如上式，pj表示j节点的压力值，pj’同理，Δpjj’表示j节点到j’节点的压降，Baa’表示a节点到a’节点之间是否连接的0-1变量，M表示极大值，Qjj’表示中转站到中转站之间的流量值，JB表示泵入口节点的集合，JE表示泵出口节点的集合。约束方程(23)和(24)为增压约束方程。用来表示节点j到节点j’是否有连接，如果这两个节点由泵站连接，压力增加量应由这两个约束条件来计算。如果中转站j和中转站j’之间有泵在工作，则应确定其工作压力。约束方程(25)确保只有当水从中转站j输送到中转站j’时，泵才能工作。如果没有连接，则变量只能为0，这意味着节点j和节点j’处的压强相等。
进一步地，在管道运输方式下，建立规划模型的步骤还包含：考虑泵的扬程、流量和运行时间，建立计算泵运行成本的线性化方程。
管道输送的能量由泵提供。扬程、流量和运行时间是决定泵运行成本的主要因素，可由式(26)计算。
其中，E为泵的运行成本；H是通过水泵增加的水头，m；g是重力加速度，m3/s；ρ为水的密度，kg/m3；t为运行时间，s；σZ为电费，ηZ为泵效。
如上式(26)也有一个必须线性化的非线性项。约束方程(27)到(29)被应用来使式(26)线性化。其中，QPjj’l表示j到j’节点内流量区间l的当前流量值，Δpjj’表示j节点到j’节点的压降，Baa’表示a节点到a’节点之间是否连接的0-1变量，M表示极大值。
其中，CCD表示联合站到中转站的运输成本，CCW表示联合站到注水井的运输成本，CDW表示中转站到注水井的运输成本，CDD表示中转站到中转站的运输成本，
表示单位流量单位距离的运输成本，
表示联合站到中转站的输送流量，Li,j,r表示联合站到中转站的管道长度，
表示联合站到注水井的输送流量，Li,k,r表示联合站到注水井的管道长度，
表示中转站到注水井的输送流量，Lj,k,r表示中转站到注水井的管道长度，
表示中转站到中转站的输送流量，Lj,j',r表示中转站到中转站的管道长度，CE表示泵的总运行成本，β表示泵的电力成本换算系数，Ql表示流量区间l，
表示j到j’节点内流量区间l的当前流量值。
如上式，约束方程(30)～(33)用于计算联合站到中转站、联合站到注水井、中转站到注水井、中转站到中转站的运输成本。约束方程(34)用于计算泵的总运行成本。
通过与现有技术进行比较，本发明解决了油田注水管网中管道与运水车共存情况下的最优调度问题。提出了一个混合整数线性规划优化模型来最小化油田注水系统的运行成本。该模型考虑了水量平衡、库存量、运输能力、管道运行、管网的输送能力、库容、压力和流量限制，可以同时优化管网的运行计划和货车的调度计划。
在一个实施例中，以我国某碳酸盐岩油田为研究对象。该管网能够将每口井与联合站连通，每条管线的直径为0.147m。研究区域的结构如图2所示。从联合站发出的水需要加压，然后向两个方向运水。泵位于中转站之后，作为入口。运水车可以将水从联合站输送到注水井中，从中转站输送到注水井中。每口井的需求量见表1，各节点坐标见表2至表4。联合站生产140立方米/小时的水来满足这些井的需求。需要确定该注水系统的运水计划，以使其运行成本最小化。
表1注水井需求量
表2注水井坐标
表3中转站坐标
表4联合站坐标
最优注水方案如图3所示。每口井在每一种运输方式下所接收到的水量通过图3中的数字表示。注水井的需求量全部可以通过管道和运水车运输来满足。9号井和10号井接收来自联合站的水，3号井、5号井、7号井和8号井接收来自联合站旁边的中转站的水，12号井接收来自中转站和联合站的水。图3中的泵表示这些中转站中的压力增加，以确保管网的运行。综上所述，年运输总成本为2945.86×103RMB。
以上对管网运行方案和货车调度方案进行了优化。结果表明，选择最优管径总成本可降低25.28％。当应用场景发生变化时，可以调整参数，以适用于其他实际情况。
油田注水管网系统在提高油田产量和效率方面起着至关重要的作用。综上，本发明提供的油田注水管网优化方法及系统通过混合整数线性规划模型来最小化总的运输成本和泵的运行成本来寻找最优配水策略，以水量平衡、管道输送能力和管道运行为约束条件，可以同时优化管网的运行计划和货车的调度计划。并且，可以帮助油田企业达到可持续、清洁生产的目的，还能够降低油田注水的成本。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种油田注水管网优化方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
明确油田注水管网的输水节点以及输水方式；
计算输水节点之间的运水车运输成本以及管道运输中泵的运行成本；
以最小化油田注水管网的总运输成本以及泵的总运行成本为目标函数，建立规划模型。
2.如权利要求1所述的油田注水管网优化方法，其特征在于，所述目标函数为：
totalC＝CCD+CCW+CDW+CDD+CE
其中，totalC表示总运输以及总运行成本，CCD表示联合站到中转站的运输成本，CCW表示联合站到注水井的运输成本，CDw表示中转站到注水井的运输成本，CDD表示中转站到中转站的运输成本，CE表示泵的总运行成本。
3.如权利要求1所述的油田注水管网优化方法，其特征在于，建立规划模型的步骤还包含：
明确对于不同类型输水节点的物料平衡要求，建立对应每种输水节点的物料平衡约束方程；
将联合站的最大输出能力纳入考虑，建立表征联合站发送容量约束的约束方程；
基于不同类型输水节点的储水量要求，建立对应每种输水节点的储水量约束方程。
4.如权利要求1所述的油田注水管网优化方法，其特征在于，在运水车运输方式下，建立规划模型的步骤包含：
确定运水车的所有运输路径，明确每种运输路径的运输能力，建立对应每种运输路径的运输能力约束方程。
5.如权利要求1所述的油田注水管网优化方法，其特征在于，在管道运输方式下，建立规划模型的步骤包含：
明确对于不同类型输水节点的压力要求，建立对应每种输水节点的压力约束方程；
计算管道节点间的压力，建立表征管道节点压力的线性化方程，所述管道节点压力的线性化方程考虑了管道节点间的水头损失、管道节点间的流量区间、管道节点间的流量间隔以及区间流量的要求。
6.如权利要求1所述的油田注水管网优化方法，其特征在于，在管道运输方式下，建立规划模型的步骤还包含：
明确输水节点间是否需要使用泵进行输水，建立输水节点间的增压约束方程；
考虑泵的扬程、流量和运行时间，建立计算泵运行成本的线性化方程。
7.如权利要求1所述的油田注水管网优化方法，其特征在于，通过以下公式计算油田注水管网的总运输成本：
其中，CCD表示联合站到中转站的运输成本，CCW表示联合站到注水井的运输成本，CDW表示中转站到注水井的运输成本，CDD表示中转站到中转站的运输成本，
表示单位流量单位距离的运输成本，
表示联合站到中转站的输送流量，Li，j，r表示联合站到中转站的管道长度，
表示联合站到注水井的输送流量，Li，k，r表示联合站到注水井的管道长度，
表示中转站到注水井的输送流量，Lj，k，r表示中转站到注水井的管道长度，
表示中转站到中转站的输送流量，Lj，j′，r表示中转站到中转站的管道长度。
8.如权利要求1所述的油田注水管网优化方法，其特征在于，通过以下公式计算泵的总运行成本：
其中，CE表示泵的总运行成本，β表示泵的电力成本换算系数，Ql表示流量区间l，
表示j到j’节点内流量区间l的当前流量值。
9.一种存储介质，其特征在于，其包含用于执行如权利要求1-8中任一项所述的方法步骤的一系列指令。
10.一种油田注水管网优化系统，其特征在于，通过如权利要求1-8中任一项所述的方法进行油田注水管网优化，所述系统包含：
联合站，其为所述油田注水管网优化系统的起始输水节点，用于向中转站以及注水井发送水；
中转站，其为所述油田注水管网优化系统的中转输水节点，用于中转水；
注水井，其为所述油田注水管网优化系统的需求输水节点，用于接收来自联合站以及中转站的水。
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