基于响应面设计方法的海上油田注聚段塞优化研究

罗宪波 李金宜

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院， 天津 300452)

基于响应面设计方法的海上油田注聚段塞优化研究

罗宪波 李金宜

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院， 天津 300452)

采用正交试验设计方法对海上油田先导试验井组注聚段塞组合方式进行优化，提出适合该区域的最优注聚段塞方案。采用响应面设计方法对此正交试验设计最优方案进行再优化。建立响应面回归方程，以综合指标为响应目标函数，求得方程最优解，得到再优化后的注聚段塞组合新方案。

正交设计； 响应面优化； 聚合物驱； 段塞优化

聚合物驱作为油田开发稳产或增产的重要手段之一，在国内外陆上油田开发中得到了广泛应用。在我国的大庆、胜利、克拉玛依等主要油区，均已成功进行了矿场试验[1]。注聚技术在海上油田开发中的应用还处于起步阶段。相对于陆上油田，海上油田开发的不足是平台空间狭小、使用寿命有限，海上聚合物驱工程还需额外投入平台及管线改造成本，且只能在寿命时限内完成聚合物驱过程[1-3]。

研究人员一般通过数值模拟的方法来优化注聚参数，从而制定合理有效的注聚开发方案。聚合物驱注入参数优化体系为多因素、多水平的复合体系，因素之间互相干扰，整个体系的研究过程比较复杂[4-5]。本次研究中，将探索海上油田的注聚段塞优化方案，提出不同于陆上油田开发的响应面优化新方法。

1 正交试验设计方法在注聚段塞优化中的应用

将正交试验设计方法应用于油田试验井组注聚段塞优化中。目标油田含油层主要分布在明下段、馆上段，油层纵向上埋藏浅、油层多、分布较集中；平面上主力油层大面积分布、连通性好；底水油层发育，地层原油黏度为22～260 mPa·s；采用九点面积井网，井距为450 m。注聚试验井组原油黏度为74 mPa·s，采用4注9采反五点井网。

参考陆上油田注聚段塞优化方案，初步采用三段塞式，考虑7个主要因素，即每一级聚合物段塞体积、浓度及后续水驱体积，从而得到正交试验设计的7因素3水平表。设计出L18(37)正交表，共18套方案。采用斯伦贝谢数模专业软件对18个设计方案进行模拟运算，以平台经济年限为时间节点，计算正交设计各个方案的指标结果。

以采收率增幅作为技术指标，以吨聚增油量作为经济指标，以二者的乘积作为综合指标来考量，将综合指标作为方案优化的参考依据。这样，优化后的方案可以在保证符合技术性能的同时兼顾经济收益。方案10在18个正交设计方案中，效果最佳。最优方案为双段塞组合：一级段塞体积为0.4 PV,段塞质量浓度为1 500 mg/L；二级段塞体积为0.1 PV，段塞质量浓度为500 mg/L。先导试验井组正交优化方案综合指标为8.05，采收率增幅为8.59%。

2 响应面设计方法在注聚段塞再优化中的应用

2.1 响应面设计方法的具体应用

正交试验设计和其他绝大多数常规试验设计方法一样，都是根据离散点水平值进行分析，需要考虑到离散数据点的变化趋势。可以利用连续函数方程拟合离散数据点，建立回归模型，得到自变量在其定义域内的连续变化规律，然后求出回归模型最优解。这样我们就能得到比离散点设计更好的优化方案。由于影响因素的优化初值取值范围对拟合响应面回归模型的精度有一定影响，所以用正交试验设计出的优化方案为基础，设计出响应面优化新方案，共计29个方案(见表1)。

表1 响应面方案优化设计

通过拟合影响因素值和目标函数值之间对应的变化趋势，建立如下响应面回归拟合方程：

综合指标=-40.514 672 34+90.380 143 11×一级段塞体积+0.036 616 74×一级段塞质量浓度+16.940 934 11×二级段塞体积+0.006 212 82×二级段塞质量浓度+-0.025 474 22×一级段塞体积×一级段塞质量浓度+-22.293 189 50×一级段塞体积×二级段塞体积+-0.006 276 33×一级段塞体积×二级段塞质量浓度+-0.002 161 05×一级段塞质量浓度×二级段塞体积+-1.478 42E-06×一级段塞质量浓度×二级段塞质量浓度+-0.004 047 95×二级段塞体积×二级段塞质量浓度+-53.463 152 16×一级段塞体积×一级段塞体积+-8.615 7E-06×一级段塞质量浓度×一级段塞质量浓度+-9.018 110 56×二级段塞体积×二级段塞体积+-8.118 93E-07×二级段塞质量浓度×二级段塞质量浓度。

对模型的拟合精度进行检查，图1所示为响应面回归方程综合指标预测值与实际值对比。可以看出，回归方程预测值和实测值几乎同在倾角为45°的直线上，表明回归方程拟合精度较高。

图1 响应面回归方程综合指标预测值与实际值对比结果

针对注聚段塞组合优化中的影响参数进行响应面分析。图2所示为一级段塞体积与质量浓度的响应面3D模型。图3所示为二级段塞体积与质量浓度的响应面3D模型。一级段塞质量浓度和一级段塞体积的取值均对目标函数综合指标产生显著影响；二级段塞浓度和二级段塞体积的取值均对目标函数综合指标影响不显著。由此可以直观地定量分析各影响因素在其定义域中对目标函数的影响规律。

对响应面回归方程进行求解，得到目标函数的最优解，此时所对应的各因素取值即优化方案中各参数的取值。求解方程，得到响应面综合指标最优解为8.22，优化方案中第一级段塞体积为0.46 PV，第一级段塞质量浓度为1 400 mg/L；第二级段塞体积为0.1 PV，第二级段塞质量浓度为523.56 mg/L。经数模验证，该方案的数模综合指标为8.21，误差仅0.12%。

图2 一级段塞体积与质量浓度的响应面3D模型

图3 二级段塞体积与质量浓度的响应面3D模型

2.2 方案聚驱效果分析

对响应面再优化方案和正交设计方案进行效果对比(见图4)。可以看出，响应面优化方案效果显著，井组再增油1.7×104m3，目标函数综合指标值从8.05优化到8.21，井组采收率提高幅度优化了0.38%。

图4 响应面优化方案与正交设计方案效果对比

3 结 语

在海上油田注聚段塞方案设计中应用了响应面设计方法。注聚段塞优化结果表明，响应面设计方法能够解决常规设计方法中不能对段塞浓度和段塞体积取值点之间做出规律变化分析的弊端，具有连续性、精准性强的特点，通过响应面回归得到的聚驱指标更优。以海上某油田试验井组为例进行分析，与正交方案相比，响应面再优化方案实现井组增油1.7×104m3，目标函数综合指标值从8.05优化到8.21，井组采收率提高了0.38%。

在海上某油田试验井组注聚段塞优化设计当中，该响应面设计方法取得了优于正交方案的增油效果，为实现在平台寿命时限内尽可能经济合理地采出剩余油，提供了更好的段塞注入方案设计思路。

[1] 周守为，韩明，向问陶，等.渤海油田聚合物驱提高采收率技术研究及应用[J].中国海上油气,2006,18(6):386-389.

[2] 王传飞.海上油田化学驱提高采收率油藏潜力评价研究：以绥中36-1油田为例[J].中国海上油气,2007,19(1):25-29.

[3] 隆锋，仲强，张云宝.旅大10-1油田化学驱物理模拟研究[J].海洋石油,2007,27(1):36-40.

[4] 耿站立，姜汉桥，李杰，等.正交试验设计法在优化注聚参数研究中的应用[J].西南石油大学学报,2007,29(5):119-121.

[5] 张国威,刘德华，刘志森，等.利用最优化方法确定交联聚合物驱各段塞注入参数[J].石油天然气学报，2010,32(1):41-43.

Research on Response Surface Design Optimization of Polymer Injection Slug in Offshore Oilfield

LUOXianboLIJinyi

(Bohai Oilfield Research Institute, Tianjin Branch of China National Offshore Oil Company Ltd., Tianjin 300452, China)

This thesis adopts orthogonal experimental design method to optimize the slug combinations for offshore oilfield polymer injection in pilot test well group in order to get the optimal polymer injection slug solution. The response surface design program was used to re-optimize the above optimal solution. By setting up response surface regression equation, we obtained the optimal solution of the equation with integrated indicator as response objective function. And finaly re-optimized segment polymer injection combination scheme was realized.

orthogonal design; response surface optimization; polymer flooding; slug optimization

2016-07-08

国家科技重大专项“海上稠油油田开发模式研究”(2016ZX05025-001)

罗宪波(1975 — )，男，博士，中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院油藏首席工程师，研究方向为油气田开发工程。

TE532

A

1673-1980(2016)06-0049-04