注水开发是油田开发的主体技术,其适应性广泛,成本低廉。如何保持水驱油田的稳定开发、提高油田水驱采收率是油田开发的中心任务之一。受储层强非均质等的影响,注水方向性强,驱替不均衡,导致开发效果较差,常规的开发调整措施随着开发的不断深入进行效果越来越差。生产实践表明,注入水在地下驱替的均衡程度与油藏开发效果密切相关,基于此,首先明确了均衡水驱的定义,并建立了一套水驱均衡程度评价方法,提出使用饱和度的标准差作为评价指标。为了快速、准确的对注水开发油藏驱替动态进行预测,结合流线数值模拟和等值渗流阻力法的思想,提出了一种可用于非均质油藏不规则井网水驱动态预测的注采劈分法,实例分析表明该方法在保持预测精度的同时大大提高预测效率。针对井网和注采两个油田注水开发设计中最关键的问题,开展了井网及注采优化方法研究。首先针对单井组开发的小规模油藏,考虑定井底流压生产和定液量生产两种工作方式,以均衡驱替为目标,分别推导并建立了单井组井距设计公式和注采设计公式,并开展了井距、注采设计的影响因素研究。针对多井组构成井网开发的中大规模油藏,基于最优化的思想,以最大化均衡驱替为目标,建立了水驱油藏井网及注采优化数学模型。井网优化数学模型包括井位优化以及井网加密、井网抽稀、井型转换等井网调整模式优化,并综合建立了井网综合调整优化数学模型。注采优化考虑了静态调配和动态调控两种注采工作制度的情况,建立了一套多级劈分方法,可以在优化注采工作制度的同时确定最优调控频率。考虑井网及注采的相互影响,建立了井网及注采组合优化数学模型,并给出顺序求解和直接求解两种求解方式。通过对优化问题数学模型的求解,可以得到最优的井网注采调整方案。分析了广义模式搜索、粒子群算法、自适应协方差矩阵进化算法、多级协调搜索算法等多种算法在求解井网及注采优化问题时的效率,并提出一种新的混合算法,MCS-CMA-ES算法。针对复杂的约束条件,提出降维转换和自适应惩罚加拒绝的约束条件处理方法。最终形成了一套系统的井网及注采优化方法,将该方法应用于一个矿场实例,深入对比并分析了优化前后的开发效果。