分层注水是高含水油田改善注采结构提高采收率的有效措施。为了最大限度地发挥分层注水效果,本文系统全面地对分层注水的层段数目、层段组合以及分层配注进行了优化研究。基于油藏工程方法,考虑启动压力梯度的影响,建立一套多层非均质油藏开发指标计算方法,利用该方法从渗流阻力、有效注采压差、吸水比例、开发效果四个方面研究了不同渗透率级差、不同粘度级差、主力层大厚层以及注入压力对笼统注水开发规律的影响,明确了多层非均质油藏笼统注水开发规律与特征。在此基础上,综合考虑储层物性和开发动态的影响,建立了分层注水层段划分组合评价指标集,运用最优分割方法进行最佳层段组合筛选。以累积产油量为目标函数,考虑干线压力对层段配注量的约束,建立了分层注水层段配注优化数学模型。通过对比各种优化算法,提出了一种油藏工程+PS(patternsearch)的优化求解方法,以油藏工程求得的分层配注方案作为PS优化迭代求解的初始解,提高了求解计算效率,并与遗传算法进行了实例验证对比。对胜利油田胜二区实际井组进行了分层注水优化实例分析,在合理的层段数目范围内,经过层段划分和分层配注优化,得到不同层段数目下的分层注水方案,通过对比优选了最佳分层注水方案。在最佳分层注水方案的基础上研究了分层注水与平面注采调控相结合和分层注水与分层采油相结合两种改善分层注水效果方法。进行分层注水可以有效改善注水效果,不同的分层注水方式改善开发效果程度不同,进行优化后的分层注水方案效益达到最大,与注采调控和分层采油相结合后,进一步改善了注采结构,提高了注水开发效果。