基于并行自调整差分进化的三元复合驱优化方法
【技术领域】
[0001] 本技术属于工业优化技术，涉及利用改进的智能算法提高三元复合驱原油采收 率，具体地说是一种基于并行自调整差分进化的三元复合驱优化方法。 二、
【背景技术】
[0002] 自20世纪90年代以来，我国老油田含水率已高达80%以上，可采储量采出程度 也已达63. 1%，从总体上看已进入高含水、高采出程度阶段。如何进一步提高采收率，大力 发展三次采油技术已成为石油工业发展的当务之急。然而，随着开采的进行，开采难度的加 大，单一的聚合物驱或者化学驱采收率越来越低，且油的品质逐渐下降，于是在众多的三次 采油新方法之中，ASP(碱/表面活性剂/聚合物）三元复合驱脱颖而出，该方法已经在胜 利油田和大庆油田进行试验，展示了令人鼓舞的应用前景，普遍受到了人们的重视，成为最 具有应用前景的方法之一。
[0003]目前关于三元复合驱的研究主要从两个方面进行：1.研究驱替剂之间的相互作 用以及对原油物化参数的影响；2.基于三元复合驱偏微分方程，通过先导试验，在数值模 拟软件的基础上人为选择相对较好的注采策略。该方法具有一定的局限性，现有的复合驱 数值模拟软件对多元复合驱的物理化学现象还没有完全描述清楚，生产策略的制定过多依 赖与操作者经验。因此，建立三元复合驱的优化模型，并寻找合适的优化方法进行优化就显 得尤为重要。
[0004] 三元复合驱利用了表面活性剂和碱的协同作用，使复合体系/原油形成超低界面 张力。其中，碱大幅度降低了价格昂贵的表面活性剂的用量，它与酸反应生成部分表面活性 剂，不仅可以替代部分表面活性剂，而且还可以减少活性剂和聚合物在油藏中的损耗；聚合 物主要起流度控制作用，减少复合体系指进，并扩大了波及体积。碱的加入降低了表面活性 剂的界面张力同时对聚合物有增粘作用，这样提高提高采油量。目前，有很多学者对相关机 理进行研究，但是还没有人建立三元复合驱优化模型。
[0005] 差分进化算法是由StornR和PriceK在1997年提出的，由于其易用性、稳健性 和强大的全局寻优能力，非常适合求解非线性问题，因此本发明采用差分进化来求解三元 复合驱优化模型。但是差分进化存在局部搜索能力差，容易陷于局部最优及过早收敛等问 题，因此提出并行种群及缩放因子自调整的处理方法，提高了差分进化算法的求解效果。 三、
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于并行自调整差分进化的三元复合驱优化方法，该方 法首先基于驱替剂驱油的机理建立三元复合驱的优化模型，其次利用并行种群和自调整缩 放因子改进了传统差分进化算法的性能，最后通过并行自调整差分进化算法求解三元复合 驱优化模型，得到最优注米策略。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案来实现的：
[0008] 该种基于并行自调整差分进化的三元复合驱优化方法，包括以下步骤：
[0009] 1 ?建立三元复合驱优化模型
[0010] (1)性能指标
[0011] 在一个最优控制模型中，性能指标是一个泛函。在本课题研究的多元复合驱优化 模型中，性能指标主要包括利润（净现值）最大、累积增油量最大以及成本最小等。
[0012]
[0013] 其中，JNPV为累积净现值，r为年折现率，t为时间（d)，t3为一年的天数，qin为 水井的注入速度（1/d)，c_为驱替剂的注入浓度（g/L)，qciut出生产井的采出速度（1/d)， fw(p，Sw，cp)为生产井的含水率，为各驱替剂的价格系数，|D(t)表示原油价格系数。
[0014] ⑵约束方程
[0015] 约束方程主要由多元复合驱所服从的渗流物理方程决定，主要包括油相方程、水 相方程以及驱替剂的吸附扩散方程等，这组方程是一组典型的抛物型偏微分方程。约束方 程中还包括关于地质特性的代数方程组，主要包括：油水相对渗透率方程、驱替剂吸附方 程、聚合物溶液的粘度（与聚合物的浓度、剪切速率和地层水矿化度等因素的关系）方程 等，对于实际矿场来说，对应的代数方程需按照不同的地质条件，根据实验数据确定。
[0016] 约束方程为多元复合驱的物理方程，包括油、水两相的渗流模型和驱替剂溶液的 对流扩散吸附方程。
[0025] 聚合物溶于水后，能使水相粘度大幅度增加，因而水相粘度主要受聚合物浓度的 影响，表示为：凡二/^丨+丨叩八+aP#f+aPg)]Q；。其中，yw。为纯水的粘度，apap2,ap3,sp 为常系数，为含盐度。
[0026] 聚合物溶液在多孔介质中运移时，由于水相粘度的增加和聚合物在岩石孔隙结 构中的捕集作用，其所到之处会造成水相相对渗透率的下降，用渗透率下降系数表示为：
[0027] 表面活性剂会影响油水界面张力，表现为
[0028] In。TO=ai+biCr
[0029]
[0030] 残余油饱和度与毛管数的关系为：L+QmhiA/Mp 。 VLi
[o03i] 毛管数为~=其中，cSOTl,cSOTl为系数，vw为水相流速。
[0032] 如果油相饱和度小于当前毛管数对应的残余油饱和度，则剩余的原油将不会被驱 替，即
[0033] kro= 0,ifS1-Sor〇
[0034] 当驱油体系中存在碱时，由于碱会与酸性物质发生反应生成一种表面活性剂，从 而与表面活性剂驱油剂共同影响油水界面张力，即 〇wc= 〇TO(Cs)Ast(Ca)。其中，〇TO(Cs)为 不含碱液时表面活性剂对油水的界面张力；Ast(Ca)为含碱液时的界面张力乘子，与碱液浓 度有关。
[0035] 各化学剂的吸附量主要受其浓度影响，采用Langmuir等温吸附公式 。=丨式中，ai，比为常系数。
[0036] 当注入剂中存在碱液时，碱液会降低聚合物、表面活性剂在岩石表面的吸附作用， 故聚合物和表面活性剂的吸附量则更新为=C；也(C" )，(/=w)。其中，Aad (CJ为与碱液浓 度相对应的吸附乘子。
[0037]辅助方程：SjSwi1，pCOT(SW) = 口。1
[0038] 初始条件凡，足 C
[0039] 边界条
[0040] 其中，卩表示Hamilton算子，在直角坐标系中▽ = + + ;p。，pj别为油 相和水相压力（MPa)，prawS毛管力（MPa) 4。，5"分别为油相和水相的饱和度；P。，Pw，PR 分别油、水和岩石的密度（kg/m3)，B。，Bw分别油和水的体积系数；K为渗透率（ym2)，kro,k" 为油相和水相的相对渗透率；cp,cs,ca分为聚合物、表面活性剂和碱的浓度（g/L) 。，yp 为油相和加入驱替剂后水相的粘度（mPa*s);巾，（^分别为岩石的孔隙度和聚合物的孔隙 度，g为重力加速度（m/s2) ;h为深度（m)，向下为正；Rk为相对渗透率下降系数；C"，Cra 分别为单位质量岩石吸附聚合物、表面活性剂和碱的质量（mg/g) ;q。，qw分别为油相、水相 在标准状态下的流速（1/day)，流出为正；cpw，csw，caw分别为井筒中聚合物、表面活性剂和碱 溶液的浓度（g/L) ;Dp，Ds，Da分别为聚合物、表面活性剂和碱的扩散系数（m2/s) ;t为时间 (day) ;x，y，z为直角坐标系的三个方向，长度单位（m)。
[0041] 多元复合驱是一种改性水驱，驱替剂的加入会引起水相粘度和相对渗透率随空间 和时间的变化，所以上述方程都是非线性时变抛物型偏微分方程。同时约束方程中还包括 描述驱替剂相关物理特性的代数方程，根据不同地质条件，需要根据实验数据进一步确定。
[0042] 2.提出一种并行自调整差分进化算法
[0043] 基本思想为：通过双种群并行的方法，在种群初始化时定义两个种群，在对两个种 群分别交叉和变异操作后，通过选择操作留下适应度表现最优的试验向量作为下一代的目 标向量；引入自调整律，自动调整缩放因子。主要过程为：编码，初始化，参数变异，种群变 异，种群交叉，选择。
[0044] 具体步骤：
[0045] (1)编码：种群个体采用实数编码方式；
[0046] (2)种群初始化：采用双种群并行方式，对两个种群初始化，用NP代表种群的大 小，种群中的第i个个体在第G代记为足，心.Wzv,c]，其中D是个体所包含的 维度，NP=30D，种群初始化采用公式xu,Q= Xph+ranUO, 1) X (Xpu-XpiJ，其中xu,。 表示第G= 0代，种群中第i个个体，第j个维度的值，对每个个体缩放因子和交叉概率赋 初值；
[0047] (3)参数变异：针对两个种群执行参数变异，其变异律为
[0048]mFljG=oFljG+wX(oFrliG-〇Fr2jG)
[0049] 其中，《为缩放因子，《的自调整律〉
[0050] (4)种群变异：对两个种群分别在相应种群内采用采用DE/current-to-pbest/1 的差分策略，变异操作为：
[0051 ] 〇K,g = +〇F^gx x(Xrw-Xr2,e)；
[0052] (5)种群交叉操作：对两个种群分别在相应种群内采用二项交叉，其交叉操作为：
[0053]
[0054] (6)计算适应度函数：将各个控制策略代入三元复合驱优化模型，以性能指标的 倒数作为适应度函数值；
[0055] (7)选择：将两个种群各自交叉后得到的个体oUu和目标个体Xy分别代入目标 函数进行比较，因
[0056] 为差分演化算法求的是目标函数极小，保留所有适应度函数最小的种群个体存入 相应库中，S口
[0057] ^
[0058]其中Q ;
[0059] (8)判断是否满足终止条件，如果满足，结束循环，如果不满足，跳转到步骤⑶继 续执行。
[0060] 3.利用并行自调整差分进化算法求解三元复合驱优化模型，得到最优注采策略
[0061] 具体过程为：
[0062] (1)编码：根据三元复合驱优化模型驱替剂的注入浓度要求选取合适的段塞大小 和