试论节点系统分析方法在注水系统中的应用.pdf

124技术应用与研究引言节点系统分析法是一种研究非线性问题的数学方法。由于该方法是建立在节点能量方程基础上的，因而它能求解任意非线性方程，适用于非线性问题的求解。在注水系统中，如何进行合理的注水方案设计，达到系统合理运行，是油田生产中亟待解决的问题。因此，本文介绍了节点系统分析法的基本概念及方法步骤，并用实例分析验证了节点系统分析法在注水系统中应用的可行性与有效性。注水系统是油田生产中一个重要环节。注水是通过注入地下地层水来补充地层能量，以满足油田生产的需要。它既能提高采收率，又能有效地降低油田的采出含水率和产油量。但是由于注水管网结构复杂、工作点多、流量变化大、设备老化等原因，导致注水量、压力及供水量不能完全满足生产要求。因此，有必要对注水系统进行优化设计。一、注水管网注水管网主要包括注水支管网和注水井管网。注水管网主要由注水主管网、注水支管网、注水井支管网及配水间等组成，注水主管网与注水井主管网是相互连通的，通过注水主管网向注水支管网和配水间供水；注水井主管网与注水井支管网是相互连通的，通过注水井向各注水井供水；配水间主要由配水间、注水站、计量间、管线及泵房等组成，通过配水间向各配水站供水量。由于注水主管网与注水井主管网在数量上不能完全匹配，因此，导致了部分节点能量过剩或不足的现象；而各注水支管网之间也不能完全匹配，整个注水系统中也存在部分节点能量过剩或不足的现象。二、注水系统注水系统是指将注入水从注水井送入各配注点，使其与地层充分接触的一种用能系统。注水线的长度主要与注水井数量有关，而与其分布的地理位置关系不大。注水系统的网络拓扑结构通常有环状和树形两种，环状拓扑结构中注水管网上的节点数目最少，只有24个，而树形拓扑结构中的节点数目较多，可达数百个甚至上千个。注水井的数量较多时，网络拓扑结构可以是环状、树形或其他拓扑结构。在油田注水系统中，不同注水井的位置与注水量直接相关。注水井一般都分布在注水区附近或注水区与注水区之间。对于一个油田而言，其注水管网可以按照一定的规律来划分：由若干个“一”字形、“T”字形或其他形式组成的网络，称为一个注水管网；由若干个注水井组成的网络，称为一个注水系统。三、节点系统分析法的基本概念节点系统分析法的基本原理是：在给定网络中，由于各个节点流量和压力的变化，引起节点的功率、能量等物理量的变化。根据这些物理量的变化，可建立系统的能量方程，并根据系统运行状态（如节点流量、节点压力、节点功率等）计算出整个系统各点的实际功率、实际能量和相应的节能措施。能量方程是一个非线性方程，但节点流网法可以求解任意非线性方程，而节点能量方程只能求解线性方程。所以，在应用中必须对两个不同的问题进行研究：第一，用节点系统分析法解决已有水力管网中存在的非线性问题。第二，用节点系统分析法解决新出现的水力管网中存在的非线性问题。注水井为注水系统中的一个工作点。另外，注水站作为注水系统中的主要站点，应具备以下条件：第一，在正常工作情况下，注水泵能保持较大流量，满足生产要求。第二，具有足够大的注水站半径和注水半径。注水井和注水站都是用来注入地下地层水的设施，它们所处试论节点系统分析方法在注水系统中的应用袁军刘海云延长油田股份有限公司志丹采油厂【摘要】注水系统是油田生产的一个重要组成部分，是油田开发中重要的能量供给系统。注水系统主要由注水管网、注水井及注水设备等组成。注水管网一般采用“一”字形，以井为单位，由若干支管网组成；注水井一般采用“T”字形，以单井为单位，由若干口井组成。由于注水主管网和注水井主管网在数量上不能完全匹配，因此，整个注水系统中往往存在部分节点能量过剩或不足的现象。基于此，从节点系统分析的角度出发，对注水系统中出现的上述问题进行分析研究。【关键词】节电系统分析方法；注水系统；应用【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.15.042125技术应用与研究位置不同，其特征参数也不尽相同。因此，对这两个工作点进行研究时有以下不同点：第一，对注水井只需要确定其特征参数。第二，对注水站需要确定其特征参数和输水半径。四、研究背景注水是油田开发的重要措施之一，它的实施可有效地改善油藏的水驱状况，提高原油采收率，保证油田稳产、高产，实现油田稳产、增产的目的。注水系统是由众多注水站、配水站及配注设备组成的复杂网络系统，它具有节点多、规模大、结构复杂等特点。节点系统分析方法是一种能描述复杂网络拓扑结构特征的有效方法，它能直观地揭示网络中各节点之间的相互作用关系，在分析网络中节点流量及其他特征时，比其他方法具有更高的准确性。因此，将节点系统分析方法应用于油田注水网络分析中，对于研究和解决注水网络存在的问题具有重要意义。本文在介绍了节点系统分析方法的基本原理和步骤基础上，通过将节点系统分析方法应用于油田注水网络分析中进行实例应用研究，实现了对油田注水网络进行节点系统分析和仿真模拟，从而为油田注水网络优化提供了理论支持。五、研究内容节点系统分析方法主要分为几个步骤，首先，通过节点系统分析对注水网络进行拓扑结构建模，然后，通过求解得到注水站的基本信息，并将其输入节点系统分析方法中，得到注水站的拓扑结构和节点信息。最后，通过求解得到的基本信息，利用节点系统分析方法建立注水网络的数学模型，对注水网络进行整体优化计算。注水系统是由许多注水站组成的复杂网络，其拓扑结构表现为各种类型的连通分支。根据注水网络的基本特征，采用节点系统分析方法对注水网络进行拓扑结构建模和求解，可以得到注水站和各注水单元的拓扑关系、注水单元与注水系统其他部分之间的关系。在传统的注水网络优化计算中，一般只考虑各注水单元之间的相互影响，而不考虑注水系统其他部分之间的影响。如果将节点系统分析方法应用到注水站中，考虑各个注水单元之间的相互影响和各种类型注水站之间的相互影响，就可以建立一个更全面和准确的注水网络模型，从而能够更好地进行油田注水系统优化计算。节点系统分析法是在系统整体的基础上，将系统分解成多个子系统，并以子系统为分析单元，针对子系统的特性建立相应的数学模型，然后采用节点平衡方程，进行网络潮流计算。通过分析节点的流量、压力和流量等变量与节点之间的关系，得到系统的各个子系统和整个网络的变化规律。节点系统分析法可以用来研究油田注水系统的各个环节及其相互关系，并以此为基础对网络进行优化调整。通常情况下，将油田注水网络简化为两个子系统：即注水站和注水井，每个子系统又可分为若干个子单元。把注水站和注水井之间的所有连接关系都用节点来表示，将注水井内部所有分支连接关系也都用节点来表示。因此，将注水井、注水泵、注水站和注水管网作为一个整体，并用节点来描述。本文提出了一种节点系统分析法，该方法可用于分析油田注水系统中各个注水环节的流量、压力和流量之间的关系。首先，将每个注水井分为若干个子树形网络，并建立各个子树形网络之间的相互关系，然后，将所有的子树形网络进行连接，就可得到整个油田注水系统的网络图。该方法解决了传统分析方法中网络分析不连续、不完整的问题，克服了传统分析方法中难以对节点系统进行优化调整的问题。六、应用实例应用实例一：某油田是国内著名的老油田，目前已经进入特高含水开发阶段。该油田开发方式为注水井分层注水。整个注水网络主要包括：地面注水站、集油泵站、油水井和注水井。由于该油田注水系统网络较大，而且多采用大流量泵注水，因此，研究该油田注水系统具有较大的理论意义和应用价值。根据上述分析，在已有的节点系统分析方法基础上，分别建立了两种注水系统分析模型。模型1是一个以泵为主体的注水网络模型；模型2是一个以泵为主体、与注水井和集油站相联系的注水网络模型。该油田注入水系统网络结构在已有的节点系统分析方法中，只考虑了注水管网与注水井的连接关系，没有考虑注水井和集油站与注水井之间的连接关系。但在该油田注水系统中，其注水管网是由多个注水站组成的网络。在注水管网中存在着大量的支管线，这些支管线通过注水井连接到注水井上。另外，注水井之间也存在着各种连接关系。因此，在注水网络分析中，还应考虑注水井之间、注水井与集油站之间站之间等各种连接关系。在此基础上，建立了该油田注水系统节点系统分析模型和方法。采用节点系统分析方法进行注水系统分析时，通过改变节点的输入、输出信息来获得不同的网络拓扑结构。在此基础上利用节点系统分析方法进行注水网络综合分析和注水井分配方案优化。应用实例二：在实际油田开发中，注水系统是一种复杂的非线性系统，它包括注水管网、注入管线和注水126技术应用与研究井等三个子系统。对不同的注水系统，在分析和设计中所采用的方法不同。例如：在油田开发初期，由于注水量小，注水泵采用恒压方式工作，这时的注水管网可以简单地视为一个恒压系统。而在油田开发中期，注水量达到一定水平后，注水管网就应该考虑降低注水泵转速，以提高注水效率。当油田开发到一定阶段后，就应该考虑降低注水泵扬程和相应的电机功率。因此，注水管网在不同的开发阶段有不同的特点。下面以某油田为例对注水系统进行节点系统分析。该油田目前主要开发对象为主力层Y4油层和Y5油层。注水站为Y4油层注水站，注入管线为Y4油层注入管线、Y5油层注入管线，注水井为Y5油层注水井。七、问题分析在注水系统中，如果出现个别注水井的流量过大或过小，将导致系统流量不足，注水量达不到设计要求，影响注水工作。为了研究和分析这种现象，将系统划分为若干个节点，从每个节点出发，用节点的注水量和实际注水量进行对比，找到原因。由于注水系统中各注水井的注水量与其实际注水量相差很大，因此，在对每个节点进行分析时，均以这一节点注水量为依据。各注水井注水量是由各段管网和各段注水井的总注水量所决定的。各段管网的注水量是根据各注水井井口到各段管网之间的距离、各段管网之间的相互距离以及各段管网内注入水与水的性质等因素来确定的。为了能充分利用这些因素，必须合理配置注水井与注水管网之间的距离和相互间的距离。八、解决措施1.对注水管网进行改造，使其与注水井数量相匹配，达到合理、均衡注水的目的。2.在注水管网改造中，尽可能将管网进行分流，使每个节点的注水能力与其对应的注水井数量相匹配，达到合理配置注水系统的目的。3.在现有注水井数量的基础上，将其增加到56口井。4.对注入压力高的井采取提高注入压力的措施。5.将部分老旧注水器换新。6.对注水泵进行增容，提高其流量和扬程，使其能满足目前注水泵最大流量要求。7.对注水管网中部分阀门进行调整，以满足注水系统流量、压力变化情况下的安全运行要求。九、效果评价对注水系统进行节点分析，可以发现油田注水系统存在的问题，及时发现问题、解决问题，确保油田注水系统的正常运行。1.通过对各节点压力进行监测，可以及时发现节点能量不足或过剩，便于采取措施改善注水系统运行状况。2.通过对注水系统进行节点分析，可以掌握各节点的流量分配状况，从而可采取相应的调整措施来改善注水系统运行状况。3.通过对注水系统进行节点分析，可以了解注水系统中各个节点的压力变化情况，从而为注水站的工艺改造提供依据。如注水站和注水井间通过调整相关参数可以使注水泵运行工况得到改善。在注水站与注水井间通过改变管线长度可使注水能耗降低。该方法既克服了节点分析法在求解非线性方程时的困难，又避免了节点分析法的不足之处。4.通过实例分析可以看出，节点系统分析法的优点在于不仅可以直接应用于管网系统分析，而且能运用于整个注水系统，包括注水系统整体优化和局部优化。该方法解决了目前注水系统存在的许多复杂问题，可以使注水系统达到最佳状态，从而保证油田正常生产。5.在对注水系统进行优化设计时，可以将节点系统分析法与图论相结合，利用节点流网法求解任意非线性方程，从而找到注水系统最佳工作点。在油田注水工程中进行优化设计时，可以将其应用于整个注水系统，从而达到对整个注水工程进行优化设计。十、结束语在注水系统中，应加强对注水管网的监控，尤其是对易出现问题的节点进行重点监控，以防止不合理的管网结构。同时，应通过各种手段，减少管线压力损失。在注水系统中，应加强对注水设备的管理与维护，避免设备老化、腐蚀等现象的发生。应定期检查注水站内各个注水站的管线及注水井的配水系统，发现问题及时解决。应定期检查各注水井的配水器和注水管是否堵塞、损坏等。在注水管网方面，应加强对管网的监控工作，及时发现问题并及时解决，应定期对各注水站内各个注水站的管线进行检查和维护工作。参考文献：1刘意如，周隆超，杨卜铭.节点系统分析法在气井合理配产中的应用J.中国石油和化工标准与质量，2022，42(13):3.2石海东.萨北油田注水系统节能技改措施应用效果分析J.石油石化节能，2021，11(6):5.3高鑫.油田地面工程注水系统运行效率分析J.全面腐蚀控制，2022(5):38-39.