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大型油田注水系统节能降耗与运行方案优化

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大型 油田 注水 系统 节能降耗 运行 方案 优化
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大 庆 石 油 学 院 学 报 第 30 卷 第 3 期 2006 年 6 月F E 30 3 J 2006收 稿 日 期 :2005 12 12 ;审 稿 人 :刘 巨 保 ;编 辑 :任 志 平基 金 项 目 :黑 龙 江 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 19) ,中 国 石 油 天 然 气 股 份 有 限 公 司 科 技 风 险 创 新 基 金 资 助 项 目 (油 科 函 字 2004- 32)作 者 简 介 :刘   扬 (1957 - ) ,男 ,博 士 ,博 士 生 导 师 ,教 授 ,主 要 从 事 油 田 地 面 工 程 优 化 与 节 能 降 耗 技 术 方 面 的 研 究 油 田 注 水 系 统 节 能 降 耗 与 运 行 方 案 优 化刘   扬 , 袁 振 中 , 魏 立 新( 大 庆 石 油 学 院 提 高 油 气 采 收 率 教 育 部 重 点 实 验 室 ,黑 龙 江 大 庆   163318 )摘   要 :油 田 注 水 系 统 注 水 效 率 较 低 、 能 耗 较 高 . 以 注 水 能 耗 最 小 为 目 标 函 数 ,水 力 平 衡 约 束 、 注 水 量 约 束 、 注 水 压 力约 束 等 为 条 件 ,建 立 了 油 田 注 水 系 统 运 行 方 案 优 化 数 学 模 型 . 该 模 型 属 于 带 有 离 散 变 量 和 连 续 变 量 的 混 合 优 化 设 计 问题 ,根 据 模 型 的 结 构 和 特 点 ,将 遗 传 算 法 、 模 拟 退 火 算 法 和 分 层 优 化 法 结 合 ,形 成 了 混 合 遗 传 模 拟 退 火 算 法 的 求 解 策 略 ;染 色 体 采 用 0 - 1 编 码 ,在 操 作 过 程 中 采 用 了 改 进 的 自 适 应 交 叉 和 变 异 方 式 ,并 实 施 了 最 优 保 留 策 略 . 现 场 应 用 结 果 表明 ,注 水 单 耗 下 降 0. 32 h/ 节 约 耗 电 量 为 2. 32 × 104 h/ 键   词 :油 田 ; 注 水 系 统 ; 节 能 ; 混 合 优 化 ; 模 型 ; 遗 传 算 法 ; 模 拟 退 火 算 法 ; 分 层 优 化 法中 图 分 类 号 : 6       文 献 标 识 码 :A       文 章 编 号 :1000 1891 (2006) 03 0043 04油 田 注 水 系 统 运 行 方 案 优 化 涉 及 注 水 泵 的 开 启 方 案 和 泵 的 运 行 参 数 ,其 运 行 状 态 与 注 水 泵 特 性 、 注 水管 网 和 实 际 注 水 要 求 密 切 相 关 . 文 献 [ 1 ]把 注 水 站 内 各 种 型 号 的 注 水 泵 当 成 一 种 型 号 的 注 水 泵 ,优 化 注 水泵 的 台 数 ,结 果 可 能 出 现 小 数 ,不 能 满 足 实 际 操 作 要 求 . 文 献 [ 2 ]以 城 市 供 水 系 统 为 研 究 对 象 ,首 先 优 化 注水 站 的 排 量 ,然 后 根 据 排 量 选 择 开 泵 ,未 优 化 泵 运 行 参 数 . 文 献 [3 ]采 用 分 层 优 化 方 法 ,首 先 优 化 注 水 站 的排 量 ,在 此 基 础 上 采 用 枚 举 法 确 定 开 泵 方 案 . 由 于 注 水 站 排 量 与 所 辖 注 水 泵 的 特 性 有 直 接 关 系 ,将 注 水 站排 量 和 开 泵 方 案 优 化 分 开 容 易 失 去 一 些 可 能 较 好 的 运 行 方 案 . 针 对 文 献 [ 1 - 3 ]研 究 中 存 在 的 不 足 ,拟 以注 水 泵 开 启 方 案 和 运 行 参 数 为 设 计 变 量 ,建 立 油 田 注 水 系 统 运 行 方 案 优 化 数 学 模 型 ,并 根 据 模 型 的 特 点 给出 混 合 遗 传 模 拟 退 火 算 法 的 求 解 方 法 优 化 数 学 模 型油 田 注 水 系 统 运 行 方 案 优 化 是 在 管 网 系 统 结 构 和 系 统 服 务 要 求 已 知 的 前 提 下 ,确 定 注 水 泵 的 开 启 方案 及 相 应 的 运 行 参 数 ,以 极 小 化 注 水 能 耗 ,最 大 限 度 提 高 油 田 开 发 经 济 效 益 [3 ] . 其 运 行 方 案 优 化 数 学 模型 为(β ,μ ) =α 6 1 6np 1( μ p (1)Qo i - 6j ∈ 0 , i = 1 ,2 , … , n , (2)6 1 6np 1μ 6i ∈ (3) [ p ] , (4)μ i ≤ 6np 1μ μ i , i = 1 ,2 , … , m , j = 1 ,2 , … , np i , (5)μ μ μ i = 1 ,2 , … , m , j = 1 ,2 , … , np i , (6)·34·式 (1~ 6) 中 : m 为 注 水 站 数 量 ; np i 座 注 水 站 内 注 水 泵 数 量 , i = 1 , 2 , … m ;β 为 注 水 泵 开 停 方 案 向 量 ,β = {β i = 1 ,2 , … , m ; j = 1 ,2 , … , np i } ,其 中 β 第 i 注 水 站 内 第 j 台 注 水 泵 的 开 停 方 案 ,1 为 开 启 ,0 为 停止 ;μ 为 注 水 泵 排 量 向 量 ,μ = {μ i = 1 ,2 , … , m ; j = 1 ,2 , … , np i } ,其 中 μ 第 i 注 水 站 内 第 j 台 注 水 泵 的排 量 ;α 为 单 位 换 算 系 数 ; 为 第 i 座 注 水 站 内 第 j 台 注 水 泵 的 出 口 压 力 和 入 口 压 力 ;η p η 别 为 第 i 座 注 水 站 内 第 j 台 注 水 泵 的 效 率 和 电 机 效 率 ; Qo i , 别 为 节 点 i 的 输 入 流 量 和 输 出 流 量 ; 管 网 中 与 节 点 i 相 连 的 节 点 标 号 集 合 ; 节 点 i 输 往 节 点 j 的 流 量 ; n 为 管 网 中 的 节 点 总 数 ; 注 水 井节 点 集 合 ; 管 网 系 统 中 第 i 节 点 的 注 水 压 力 ; [ p ]为 许 用 注 水 压 力 ;μ i ,μ 别 为 第 i 座 注 水 站 供 水量 约 束 的 上 、 下 限 ;μ μ 别 为 第 i 座 注 水 站 内 第 j 台 注 水 泵 最 大 、 最 小 排 量 函 数 为 注 水 能 耗 最 小 ,式 (2) 为 节 点 流 量 平 衡 约 束 ,式 (3) 为 供 注 水 量 平 衡 约 束 ,式 (4) 为 注 水 压 力约 束 ,式 (5) 为 供 水 能 力 范 围 约 束 ,式 (6) 为 注 水 泵 排 量 约 束 求 解 方 法在 注 水 系 统 运 行 方 案 优 化 数 学 模 型 中 ,注 水 泵 开 停 方 案 变 量 属 于 0 - 1 变 量 ,注 水 泵 排 量 属 于 连 续 变量 ,目 标 函 数 和 约 束 条 件 是 包 含 有 设 计 变 量 的 非 线 性 函 数 关 系 ,因 此 ,该 问 题 属 于 非 线 性 混 合 变 量 优 化 设计 . 对 于 大 型 注 水 系 统 ,设 计 变 量 的 数 目 一 般 为 几 十 个 ,等 式 和 不 等 式 约 束 条 件 的 数 目 一 般 为 几 百 个 ,直接 求 解 困 难 . 根 据 问 题 的 结 构 和 特 点 ,将 遗 传 算 法 、 模 拟 退 火 算 法 和 分 层 优 化 法 结 合 ,构 造 一 种 混 合 遗 传模 拟 退 火 算 法 的 求 解 策 略 . 它 将 问 题 划 分 为 2 层 [4 ] :第 1 层 通 过 遗 传 模 拟 退 火 算 法 确 定 注 水 泵 的 开 停 方案 ;第 2 层 确 定 其 最 优 运 行 参 数 . 通 过 这 种 方 法 ,能 够 有 效 地 搜 索 各 种 可 能 的 注 水 泵 开 停 方 案 ,以 找 到 全局 最 优 或 近 全 局 最 优 解 1   编 码 方 案注 水 泵 的 开 停 状 态 属 于 0 - 1 变 量 ,染 色 体 采 用 二 进 制 串 形 式 ,其 表 达 式 为 [β β … ,β k1 β β … ,β k2 … ,β β … ,β ,其 中 , (β β … ,β i ) 为 第 i 座 注 水 站 内 相 应 的 注 水 泵 在 第 k 个 染 色 体 中 的 位 置 , i = 1 ,2 , … , 2   非 可 行 染 色 体 判 断注 水 泵 排 量 有 一 定 的 工 作 范 围 ,并 且 注 水 系 统 需 要 满 足 一 定 的 服 务 质 量 ,因 此 ,由 初 始 化 、 交 叉 和 变 异产 生 的 染 色 体 开 泵 方 案 有 时 并 不 可 行 . 对 于 某 些 明 显 不 可 行 的 染 色 体 ,采 取 丢 弃 的 方 式 ,然 后 用 随 机 产 生的 新 染 色 体 代 替 . 判 断 染 色 体 可 行 性 的 准 则 :如 果 染 色 体 足 要 求 ,则 认 为 该 染 色 体 可 行 ;否 则 ,为 不可 行 ,即6 1 6np 1μ 6i ∈ 6 1 6np 1μ (7)2. 3   染 色 体 评 估染 色 体 给 定 之 后 ,注 水 泵 的 开 停 状 态 β k 亦 相 应 确 定 . 为 了 计 算 该 开 泵 方 案 下 的 注 水 系 统 能 耗 ,还 需要 解 决 注 水 泵 的 最 优 运 行 参 数 子 问 题 ,其 目 标 函 数 为 (μ k ) = F(β k ,μ k ) =α 6 1 6np 1( μ p (8)约 束 条 件 见 式 (2~ 6) . 其 中 :β k ,μ k 分 别 为 染 色 体 c k 对 应 的 开 泵 方 案 和 注 水 泵 的 运 行 参 数 惩 罚 函 数 法 求 解 该 优 化 子 问 题 . 根 据 系 统 水 力 平 衡 的 分 析 过 程 [5 ] ,确 定 约 束 条 件 (2) , (3) 得 到 满足 ,因 此 ,惩 罚 函 数 形 式 为μ k ) = D (μ k ) + M K ( f p + + + fμ fμ , (9)式 中 : f p = 6i ∈ [ p ] - 0) ; = 6 1 6np 1μ μ 0) ; = 6 1 6np 1μ μ μ ·44·大   庆   石   油   学   院   学   报                             第 30 卷   2006 年0) ; fμ 6 1μ i - 6np 1μ 0) ; fμ 6 1μ μ i ,0) ; M K 为 惩 罚 因 子 ,随 着 遗 传 迭 代 的 进行 , M K 逐 渐 变 大 4   初 温 及 退 温 操 作初 温 的 确 定 选 择 形 式 ,其 中 , K 为 充 分 大 的 数 ,δ = f f f f 别 为 初 始 种 群 中最 大 和 最 小 目 标 函 数 值 . 退 温 函 数 选 用 1 =λ 形 式 ,其 中 λ 为 退 温 操 作 因 数 ,0 <λ < 5   适 应 值 函 数 设 计式 (9) 对 应 的 最 优 目 标 函 数 值 即 为 染 色 体 应 开 泵 方 案 下 的 最 佳 注 水 能 耗 ,可 以 作 为 评 价 该 染 色体 优 劣 的 指 标 . 由 于 注 水 系 统 运 行 方 案 优 化 属 于 最 小 化 问 题 ,即 目 标 函 数 值 越 小 ,对 应 的 方 案 越 优 . 遗 传算 法 的 选 择 操 作 是 以 染 色 体 的 适 应 值 为 依 据 的 ,即 适 应 值 大 的 染 色 体 被 选 中 的 概 率 大 ,其 优 化 方 向 对 应 适应 值 增 加 的 方 向 . 因 此 ,需 要 采 取 一 定 的 变 换 方 式 对 染 色 体 应 的 目 标 函 数 值 作 适 当 变 换 . 为 了 防 止超 级 染 色 体 霸 占 选 择 过 程 ,采 用 动 态 标 定 技 术 ,其 形 式 为 = f f ( +γf f γ , (10)式 中 : f ( 为 染 色 体 应 的 目 标 函 数 值 ,即 对 应 开 泵 方 案 下 的 最 佳 注 水 能 耗 ; f f 为 当 前 代 进化 群 体 中 最 大 和 最 小 的 目 标 函 数 值 ;γ 为 小 正 数 ,γ ∈ (0 ,1) 6   基 因 操 作 — — — 交 叉 、 变 异即 使 对 于 同 一 问 题 , 交 叉 率 变 异 率 值 不 同 也 会 对 优 化 产 生 不 同 的 结 果 . 采 用 2 等 人 提 出 的 适 应 值 自 动 改 变 的 方 法 [5 ] ,根 据 种 群 的 进 化 情 况 动 态 地 调 整 以 克服 过 早 收 敛 及 加 快 搜 索 速 度 7   基 于 别 准 则 的 复 制 策 略根 据 适 应 函 数 值 ,运 用 轮 盘 赌 选 择 法 和 模 拟 退 火 算 法 中 基 于 准 则 的 复 制 策 略 相 结 合图 1   混 合 遗 传 模 拟 退 火 算 法 结 构 流 程的 方 法 ,选 择 并 产 生 下 一 代 群 体 . 该 选 择 策 略 的 主 要 优点 是 能 够 在 接 受 优 质 解 的 同 时 ,有 限 度 的 接 受 劣 质 解 ,保证 群 体 的 多 样 性 ,进 一 步 避 免 算 法 陷 入 局 部 最 优 解 的 可能 性 . 为 了 保 证 算 法 能 够 收 敛 到 全 局 最 优 解 ,在 选 择 操作 时 实 施 最 优 保 留 策 略 8   算 法 收 敛 准 则混 合 遗 传 模 拟 退 火 算 法 是 通 过 多 次 进 化 逐 渐 逼 近 最优 解 ,而 不 是 恰 好 等 于 最 优 解 ,因 此 需 要 给 定 算 法 收 敛 准则 ,判 断 进 化 过 程 是 否 终 止 . 这 里 采 用 2 种 收 敛 准 则 :一是 给 定 最 大 迭 代 次 数 ,二 是 监 测 最 优 个 体 目 标 函 数 值 的变 化 . 当 迭 代 次 数 达 到 规 定 的 最 大 迭 代 次 数 ,或 者 最 优个 体 目 标 函 数 值 连 续 若 干 步 没 有 明 显 变 化 时 ,认 为 算 法已 经 满 足 收 敛 条 件 ,可 结 束 群 体 进 化 过 程 遗 传 模 拟 退 火 算 法 结 构 流 程 见 图 计 算 实 例某 油 田 深 度 注 水 系 统 包 括 注 水 站 12 座 ,配 水 间 68座 ,注 水 井 552 口 ,管 段 783 条 ,配 有 多 种 类 型 的 注 水 泵 ,共 计 24 台 ,注 水 量 为 72 580 d - 1 . 采 用 文 中 方 法 优 化 该 系 统 运 行 方 案 ,计 算 时 群 体 规 模 取 60 ,λ =0. 8 ,经 过 64 次 循 环 ,得 到 的 计 算 结 果 见 表 1. 由 表 1 可 以 看 出 ,优 化 后 的 注 水 泵 开 泵 台 数 比 优 化 前 减 少 1·54·第 3 期                               刘   扬 等 :大 型 油 田 注 水 系 统 节 能 降 耗 与 运 行 方 案 优 化台 ,注 水 泵 效 率 平 均 提 高 2. 5 % ,注 水 单 耗 下 降 0. 32 h · m - 3 ,可 节 省 耗 电 量 为 2. 32 × 104 h ·d - 1 ,经 济 效 益 非 常 显 著   某 深 度 注 水 系 统 优 化 运 行 前 后 参 数注 水 站优 化 前 优 化 后开 泵类 型排 量 /( d - 1) 泵 效 / %耗 电 量 /( h · d - 1)开 泵类 型排 量 /( d - 1) 泵 效 / %耗 电 量 /( h · d - 1)1 号 2 5 192 66. 3 38 872 2 7 598 78. 1 46 0602 号 1 6 930 76. 6 44 007 1 5 672 70. 4 40 1863 号 2 4 791 66. 0 36 466 2 7 205 77. 8 43 6424 号 1 6 850 76. 5 43 527 1 5 590 70. 3 39 6945 号 1 4 990 66. 1 37 660 全 关 0 0 06 号 2 7 465 78. 0 45 811 1 7 480 78. 0 45 8307 号 1 7 283 77. 9 44 719 1 7 296 77. 9 44 7268 号 1 4 797 71. 2 34 080 1 5 132 72. 3 35 5369 号 2 4 998 66. 1 37 666 2 7 420 78. 0 44 93210 号 2 5 504 69. 7 39 559 1 7 932 78. 7 46 30211 号 1 7 080 77. 2 44 907 2 5 818 71. 0 41 06212 号 1 6 700 75. 9 42 627 1 5 437 70. 2 38 776合 计开 泵 台 数 :12 台平 均 泵 效 :72. 29 %总 注 水 量 :72 580 d - 1总 耗 电 量 :489 901 h · d - 1注 水 单 耗 :6. 75 h · m - 3开 泵 台 数 :11 台平 均 泵 效 :74. 79 %总 注 水 量 :72 580 d - 1总 耗 电 量 :466 746 h · d - 1注 水 单 耗 :6. 43 h · m - 34   结 论(1)针 对 大 型 油 田 注 水 系 统 ,以 降 低 能 耗 为 目 的 建 立 了 系 统 运 行 方 案 优 化 数 学 模 型 . 该 模 型 充 分 考 虑了 供 水 、 注 水 以 及 注 水 泵 特 性 对 系 统 可 能 造 成 的 影 响 ,比 较 全 面 地 反 映 了 注 水 系 统 的 实 际 运 行 工 况 .(2)根 据 大 型 注 水 系 统 的 结 构 和 特 点 ,采 用 混 合 遗 传 模 拟 退 火 算 法 对 油 田 注 水 系 统 运 行 方 案 进 行 优化 . 对 某 油 田 深 度 注 水 系 统 运 行 方 案 优 化 后 ,注 水 泵 效 率 平 均 提 高 2. 5 % ,注 水 单 耗 降 低 0. 32 h ·m - 3 ,可 节 约 耗 电 量 为 8. 45 × 106 h · a - 1 文 献 :[ 1 ]   丰 国 斌 . 油 田 注 水 系 统 节 能 [J ] . 石 油 规 划 设 计 ,1996 ,7 (2) :7 - 9.[ 2 ]   陈 淼 鑫 ,刘 铁 男 ,司 光 宇 . 大 型 注 水 系 统 的 建 模 、 优 化 和 控 制 [J ] . 石 油 规 划 设 计 ,1995 ,6 (3) :34 - 36.[ 3 ]   郭 俊 忠 ,常 玉 连 ,高 胜 . 注 水 系 统 运 行 方 案 优 化 研 究 [J ] . 系 统 工 程 理 论 与 实 践 ,2002 ,22 (12) :127 - 130.[ 4 ]   玄 光 男 ,程 润 伟 . 遗 传 算 法 与 工 程 设 计 [ M] . 北 京 :科 学 出 版 社 ,2000 :15 - 24.[ 5 ]   , M. of in ] . 1994 ,24 (4) :656 - 667.·64·大   庆   石   油   学   院   学   报                             第 30 卷   2006 年t he of t he of s , t he of t he of of 2006 ,30( 3) :43 U f f f D n g D n g , j i 63318 , In t he is is he of as t he f t he as t he an is is a h to it s a hm A , SA is 0 - 1 in in an t he s . 32 h · m - 3 , is . 32 × 104 h · d - 1 of 2006 ,30( 3) :47 - 50 n g D et D j i In t J 160/ 41 - K t he t he in t he of t he t he t he of of t he of of s t he of s t he of t he s to s t he of s t he It to in of of in 2006 ,30( 3) :51 - 53 L 1. I Fl ui d A S , L f an g , 065007 , 2. e p il f d p 35200 , 3. S hw 41·s                       30   3   J 2006
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