CN117684929A - 一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，属于信息技术领域。该基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化方法包括：步骤1，建立井间连通性模型，计算井间连通系数；步骤2，确定油水井系统能耗优化目标函数；步骤3，确定油水井系统约束条件；步骤4，采用遗传算法求解油水井系统能耗优化问题。本发明一体化考虑采油井系统、油藏系统、注水井系统，根据油藏特性建立采油井和注水井之间的连通性模型，快速建立采油井系统和注水井系统之间的关联关系，从而实现油水井系统能耗的全局优化，为油田节能降耗提供了一种新方法。

Description

一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，具体涉及一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法。

背景技术

采油井与注水井是注水开发油田的核心生产单元，是实现油田高效开发人为可控的最为关键的操作管理对象，也是地面配套设施建设、调整、管理最为重要的对象。油气开发需要消耗大量能量，导致生产成本居高不下，严重影响油田开发效益。针对油水井系统能耗进行全局优化，对实现油田节能降耗、降本增效以及提高油田经济效益具有重要意义。

目前，针对采油井和注水井的能耗优化控制方法研究，主要是对单采油井、单注水井或者对采油井系统、注水井系统分别进行内部优化，对采油井系统和注水井系统能耗的全局优化即油水井系统的能耗全局优化研究较少。油藏作为连接采油井系统和注水井系统的桥梁，影响油水井系统能耗优化水平。通过油藏数值模拟来建立采油井和注水井之间的关联，优化周期长、速度慢、计算复杂度高，无法实现油水井系统能耗的实时优化分析。采油井和注水井仍采用采注分离、人工决策的方式进行控制，控制方式简单，无法实现注水井阀门和采油井冲次的实时、自动调节，响应速度慢、调节周期长。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化方法。本方法操作简单，计算复杂度低，易于工程实现，同时综合考虑了动静态数据对油水井系统的影响，进一步提高能耗优化水平，适合在油田大面积推广应用。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立井间连通性模型，得到井间连通系数；

步骤2：确定油水井系统能耗优化目标函数；

步骤3：根据井间连通系数确定油水井系统约束条件；

步骤4：根据目标函数和约束条件，确定粒子群算法适应度函数，通过遗传算法得到最优的采油井采液量和注水井注水量；根据最优的采油井采液量和注水井注水量分别控制油水井注采参数。

在步骤1中，对注水开发油田的油水井系统进行表征，根据物质平衡方程建立井间连通关系模型，利用注水井注水量和采油井产液量历史数据，计算井间连通系数，具体如下：

考虑油藏压力变化导致孔隙体积改变的物质平衡方程：

式中：c_t为地层综合压缩系数；V_p为油水井间孔隙体积；为地层平均压力；i_k(t)为第k口注水井的累积注水量；q_j(t)为第j口采油井的累积产液量；M表示采油井周围的注水井数量,λ_kj为第k口注水井和第j口采油井的井间连通系数；

第k口注水井和第j口采油井之间的时间常数τ_kj＝c_tV_p/J_kj，且结合线性产液指数模型物质平衡方程表示为：

式中：J_kj为第k口注水井和第j口采油井间的产液指数；p_wfj为第j口采油井的井底流压；

经离散化求解井间连通系数：

式中：t_n为开发时间，d；t₀为初始开发时刻，d；Δt_l表示采样间隔，n为采样数。

在步骤2中，油水井系统能耗优化问题的目标函数为吨油能耗最低，表达式为：

式中：W_inj为注水系统能耗；W_prod为采油系统能耗；Q_oil为油水井系统产油量。

在步骤2中，油水井系统能耗优化问题目标函数中的注水系统能耗W_inj、采油系统能耗W_prod、采油量Q_oil表示为：

式中：i_j为第j口注水井的注水量；q_j为第j口采油井的采液量；α为注水能耗权重；β为采油能耗权重；ρ为注入水密度；P_j为第j口注水井的注入压力；p_j为第j口注水井的井底流压；H_j为第j口采油井的深度；g为重力加速度，f_j为第j口采油井的含水率；M为注水井数量；N为采油井数量。

在步骤3中，油水井系统能耗优化问题的约束条件包括注水系统约束条件、采油系统约束条件和步骤1所述的井间连通关系约束条件。

在步骤3中，注水系统约束条件包括注水管网流量平衡约束、注水管道流量约束、注水井运行时注入压力约束、注水井井筒流动特性约束，表达式为：

式中：I为总注水量；i_min为注水井的最小可行注水量；i_max为注水井的最大可行注水量；P_min为注水井运行压力下限；P_max为注水井运行压力上限；F_iw为注水井井筒内管流流动的压降方程组，Q_iw为注水井井筒出口处的流量向量，P_iw为注水井井筒入口处的压力向量，p_iw为注水井井筒出口处的压力向量。

在步骤3中，采油系统约束条件包括采油井流量取值约束、采油系统流动特性约束，表达式为：

式中：q_min为采油井最小产液量；q_max为采油井最大产液量；F_oe为采油井井筒多相管流流动方程，Q_oe为采油系统入口和出口处的流量向量，P_oe为采油系统入口和出口处的压力向量，T_oe为采油系统入口和出口处的温度向量。

在步骤3中，井间连通关系约束条件表达式为：

式中：t_n为开发时间，d；t₀为初始开发时刻，d；Δt_l表示采样间隔，n为采样数；c_t为地层综合压缩系数；V_p为油水井间孔隙体积，为地层平均压力；i_k(t)为第k口注水井的累积注水量；q_j(t)为第j口采油井的累积产液量；M表示采油井周围的注水井数量,λ_kj为第k口注水井和第j口采油井的井间连通系数；第k口注水井和第j口采油井之间的时间常数τ_kj＝c_tV_p/J_kj，且结合线性产液指数模型/>J_kj为第k口注水井和第j口采油井间的产液指数；/>为第j口采油井的井底流压。

所述步骤4具体如下：

将第k口注水井的累积注水量i_k(t)、第j口采油井的累积产液量q_j(t)作为粒子，根据所选择优化问题的目标函数和注水系统约束条件、采油系统约束条件以及井间连通关系约束条件，确定粒子群算法适应度函数，并进行迭代计算，直至得到最优的第k口注水井的累积注水量i_k(t)、第j口采油井的累积产液量q_j(t)；

根据最优的第k口注水井的累积注水量i_k(t)、第j口采油井的累积产液量q_j(t)，通过变频器和流量自控仪分别控制采油井电动机频率和注水井控制阀阀门开度，从而控制采油井的采液量和注水井的注水量。

本发明具有以下有益效果及优点：

(1)本发明基于井间连通性建立的油水井系统能耗全局优化问题，将采油井系统和注水井系统进行一体化分析，不需要复杂的精细化油藏描述和数值模拟过程，仅通过注采数据就可以定量计算井间连通系数，方法简单易于实现，计算复杂度低，便于油田现场应用；

(2)基于井间连通性的油水井系统能耗最优控制方法，可快速实现油水井系统内注水井注水量和采油井产液量的全局优化，为油田进一步调整提供依据，实现油田的节能降耗、提质增效。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

近年来，随着大数据、人工智能技术的快速发展，可通过数据驱动的方式实现油水井之间连通性的分析。利用井间连通性替代传统的油藏数值模拟方法，来建立采油井系统与注水井系统之间的关联，可极大降低系统复杂性，实现油水井系统能耗的实时快速优化控制。

如图1所示，本实施例的方法如下所述。

本发明提供了一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化方法，包括如下步骤：

步骤1：建立井间连通性模型，计算井间连通系数。

具体方法为：

考虑油藏压力变化导致孔隙体积改变的物质平衡方程：

式中：c_t为地层综合压缩系数，MPa^-1；V_p为油水井间孔隙体积，m³；为地层平均压力，MPa；i_k(t)为第k口注水井的累积注水量，m³/d；q_j(t)为第j口采油井的累积产液量，m³/d；M表示采油井周围的注水井数量,λ_kj为第k口注水井和第j口采油井的井间连通系数。

定义第k口注水井和第j口采油井之间的时间常数τ_kj＝c_tV_p/J_kj，且结合线性产液指数模型物质平衡方程可表示为：

式中：J_kj为第k口注水井和第j口采油井间的产液指数，m³/(s·MPa)；为第j口采油井的井底流压，MPa。

经离散化求解：

式中：t_n为开发时间，d；t₀为初始开发时刻，d；Δt_l表示采样间隔，n为采样数。

步骤2：确定油水井系统能耗优化目标函数。油水井系统能耗优化问题的目标函数为吨油能耗最低，表达式为：

式中：W_inj为注水系统能耗，kW·h；W_prod为采油系统能耗,KW·h；Q_oil为油水井系统产油量,t。

油水井系统能耗优化问题目标函数中的注水系统能耗W_inj、采油系统能耗W_prod、采油量Q_oil可表示为：

式中：i_j为第j口注水井的注水量，m³/d；q_j为第j口采油井的采液量，m³/d；α为注水能耗权重；β为采油能耗权重；ρ为注入水密度，kg/m³；P_j为第j口注水井的注入压力，MPa；p_j为第j口注水井的井底流压，MPa；H_j为第j口采油井的深度，m；g为重力加速度，m/s²，f_j为第j口采油井的含水率；M为注水井数量；N为采油井数量。

步骤3：确定油水井系统约束条件。油水井系统能耗优化问题的约束条件包括注水系统约束条件、采油系统约束条件和步骤1所述的井间连通关系约束条件。

注水系统约束条件包括注水管网流量平衡约束、注水管道流量约束、注水井运行时注入压力约束、注水井井筒流动特性约束，表达式为：

式中：I为总注水量，m³/d；i_min为注水井的最小可行注水量，m³/d；i_max为注水井的最大可行注水量，m³/d；P_min为注水井运行压力下限，MPa；P_max为注水井运行压力上限，MPa；F_iw为注水井井筒内管流流动的压降方程组，Q_iw为注水井井筒出口处的流量向量，P_iw为注水井井筒入口处的压力向量，p_iw为注水井井筒出口处的压力向量。

采油系统约束条件包括采油井流量取值约束、采油系统流动特性约束，表达式为：

式中：q_min为采油井最小产液量，m³/d；q_max为采油井最大产液量，m³/d；F_oe为采油井井筒多相管流流动方程，Q_oe为采油系统入口和出口处的流量向量，P_oe为采油系统入口和出口处的压力向量，T_oe为采油系统入口和出口处的温度向量。

井间连通关系约束条件表达式为：

步骤4：采用遗传算法求解油水井系统能耗优化问题。

根据所选择优化问题的目标函数和注水系统约束条件、采油系统约束条件以及井间连通关系约束条件，确定粒子群算法适应度函数，并进行迭代计算，直至得到最优的注水量和产液量参数。

通过变频器和流量自控仪分别控制采油井电动机频率和注水井控制阀阀门开度，从而控制采油井的采液量和注水井的注水量。

Claims (9)

1.一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立井间连通性模型，得到井间连通系数；

步骤2：确定油水井系统能耗优化目标函数；

步骤3：根据井间连通系数确定油水井系统约束条件；

步骤4：根据目标函数和约束条件，确定粒子群算法适应度函数，通过遗传算法得到最优的采油井采液量和注水井注水量；根据最优的采油井采液量和注水井注水量分别控制油水井注采参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，在步骤1中，对注水开发油田的油水井系统进行表征，根据物质平衡方程建立井间连通关系模型，利用注水井注水量和采油井产液量历史数据，计算井间连通系数，具体如下：

考虑油藏压力变化导致孔隙体积改变的物质平衡方程：

式中：c_t为地层综合压缩系数；V_p为油水井间孔隙体积；为地层平均压力；i_k(t)为第k口注水井的累积注水量；q_j(t)为第j口采油井的累积产液量；M表示采油井周围的注水井数量,λ_kj为第k口注水井和第j口采油井的井间连通系数；

第k口注水井和第j口采油井之间的时间常数τ_kj＝c_tV_p/J_kj，且结合线性产液指数模型物质平衡方程表示为：

式中：J_kj为第k口注水井和第j口采油井间的产液指数；为第j口采油井的井底流压；

经离散化求解井间连通系数：

式中：t_n为开发时间，d；t₀为初始开发时刻，d；Δt_l表示采样间隔，n为采样数。

3.根据权利要求1所述的一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，在步骤2中，油水井系统能耗优化问题的目标函数为吨油能耗最低，表达式为：

式中：W_inj为注水系统能耗；W_prod为采油系统能耗；Q_oil为油水井系统产油量。

4.根据权利要求1所述的一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，在步骤2中，油水井系统能耗优化问题目标函数中的注水系统能耗W_inj、采油系统能耗W_prod、采油量Q_oil表示为：

式中：i_j为第j口注水井的注水量；q_j为第j口采油井的采液量；α为注水能耗权重；β为采油能耗权重；ρ为注入水密度；P_j为第j口注水井的注入压力；p_j为第j口注水井的井底流压；H_j为第j口采油井的深度；g为重力加速度，f_j为第j口采油井的含水率；M为注水井数量；N为采油井数量。

5.根据权利要求1所述的一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，在步骤3中，油水井系统能耗优化问题的约束条件包括注水系统约束条件、采油系统约束条件和步骤1所述的井间连通关系约束条件。

6.根据权利要求5所述的一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，在步骤3中，注水系统约束条件包括注水管网流量平衡约束、注水管道流量约束、注水井运行时注入压力约束、注水井井筒流动特性约束，表达式为：

式中：I为总注水量；i_min为注水井的最小可行注水量；i_max为注水井的最大可行注水量；P_min为注水井运行压力下限；P_max为注水井运行压力上限；F_iw为注水井井筒内管流流动的压降方程组，Q_iw为注水井井筒出口处的流量向量，P_iw为注水井井筒入口处的压力向量，p_iw为注水井井筒出口处的压力向量。

7.根据权利要求5所述的一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，在步骤3中，采油系统约束条件包括采油井流量取值约束、采油系统流动特性约束，表达式为：

式中：q_min为采油井最小产液量；q_max为采油井最大产液量；F_oe为采油井井筒多相管流流动方程，Q_oe为采油系统入口和出口处的流量向量，P_oe为采油系统入口和出口处的压力向量，T_oe为采油系统入口和出口处的温度向量。

8.根据权利要求5所述的一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，在步骤3中，井间连通关系约束条件表达式为：

式中：t_n为开发时间，d；t₀为初始开发时刻，d；Δt_l表示采样间隔，n为采样数；c_t为地层综合压缩系数；V_p为油水井间孔隙体积，为地层平均压力；i_k(t)为第k口注水井的累积注水量；q_j(t)为第j口采油井的累积产液量；M表示采油井周围的注水井数量，λ_kj为第k口注水井和第j口采油井的井间连通系数；第k口注水井和第j口采油井之间的时间常数τ_kj＝c_tV_p/J_kj，且结合线性产液指数模型/>J_kj为第k口注水井和第j口采油井间的产液指数；/>为第j口采油井的井底流压。

9.根据权利要求1所述的一种基于井间连通性的油水井系统能耗全局优化控制方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：

将第k口注水井的累积注水量i_k(t)、第j口采油井的累积产液量q_j(t)作为粒子，根据所选择优化问题的目标函数和注水系统约束条件、采油系统约束条件以及井间连通关系约束条件，确定粒子群算法适应度函数，并进行迭代计算，直至得到最优的第k口注水井的累积注水量i_k(t)、第j口采油井的累积产液量q_j(t)；

根据最优的第k口注水井的累积注水量i_k(t)、第j口采油井的累积产液量q_j(t)，通过变频器和流量自控仪分别控制采油井电动机频率和注水井控制阀阀门开度，从而控制采油井的采液量和注水井的注水量。