CN113719500A - 孔隙柱体、气体流量控制阀及气体流量控制阀的安装方法 - Google Patents

孔隙柱体、气体流量控制阀及气体流量控制阀的安装方法 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种孔隙柱体、气体流量控制阀及气体流量控制阀的安装方法，孔隙柱体包括：用于设置在注气通道内的管道以及沿该管道长度方向填充在管道内部的多个管束；各个所述管束内部分别形成单流道以使所述管道内部形成渗流通道；其中，所述管束的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述管道内的气体的流动状态的雷诺数确定，且该雷诺数为小于2300的正数。本申请能够有效实现注气通道内的气体稳定流动，进而能够为提高注气技术的应用效果发挥辅助作用。

Description

孔隙柱体、气体流量控制阀及气体流量控制阀的安装方法
技术领域
本申请涉及油田开发技术领域，具体涉及孔隙柱体、气体流量控制阀及气体流量控制阀的安装方法。
背景技术
气体在孔隙介质中的流动通常认为符合流体渗流条件，理论上由达西定律表示，公式如下：
Figure BDA0002506141150000011
设孔隙介质为圆柱体，则Q表示流量。实验室流量低，单位通常采用mL/min；工业现场流量高，单位通常采用m3/d。ΔP为两端压差，A为柱体截面面积，L为柱体长度。μ为气体粘度。K为柱体的渗透率。
达西公式在孔隙介质条件下，通用于流体渗流。在油层物理领域，利用液体(水或油)测量岩石(孔隙介质)的渗透率Kw(水测渗透率)或Ko(油测渗透率)，达西公式计算得出的渗透率值具有稳定性。而利用气体测量岩石(孔隙介质)的渗透率Kg(气测渗透率)时，不同的压力测试条件，达西公式计算得出的渗透率值具有明显的线性梯度，只有在低压条件下测量的数值，并经矫正后才确定为该岩石的气测渗透率值。这种现象在传统中认为是气体的“滑脱效应”或“Klinkenberg效应”所导致的，近年也有研究者认为其是与边界层、气体粘度是变量有关。在不讨论该机理的前提下，可以看出达西公式测量的气体渗透率是不稳定的，因而该公式也仅在参数测量以及油藏流体渗流条件下应用，不能用来指导注气工艺。
目前，部分地区的注气技术逐步在多类型油藏中推广应用，因而对注气技术也越来越提出更高的要求，例如：具有同一注气压力的管网，为区块中的多口注气井供气，如何将不同流量的气体注入相对应的注气井中，就需要进行定量化的分配方法及工艺。现状是单一注气井可以通过控制注入压力实现流量的定量控制。而多井同时注气则完全依靠油层渗透能力的不同而进行不受控制的调节，地层的渗透率越高其流量越大，这通常与注气量设计相悖。
工艺上也试图用阀门开启程度来控制气体流量，该方法在调节液体(水/油等)流量时有效，而对气体的调节能力几乎可以忽略。原因如下：
管道内液体流动属于管流，工业应用中湍流状态居多，可由达西-魏斯巴赫方程表述如下：
Figure BDA0002506141150000021
式中：hf——压头损失；L——管道长度；D——管道11内径；U——平均速度；f——摩擦系数，摩擦系数包含了水粘度以及管内壁粗糙度等综合属性。
在油田管路输送、地层注水/注气时，通常为高温高压条件。以井下注水为例，温度40℃～90℃；压力10MPa～40MPa；日注水量5m3～50m3MPa。注水管线最末端的常用管道直径仅为3mm、5mm、8mm等，用阀门控制该管道有效直径是可行的。但是由于气体粘度低，密度低，同等压差(压头损失)、流速、长度条件，则气体管径仅为注水管径的0.03倍，即100μm，显然依靠现有阀门调整没有操控性，无法实现气体的稳定流动。也就是说，针对注气通道内的气体，现有技术中尚未有能够有效实现气体稳定流动的方式。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请提供一种孔隙柱体、气体流量控制阀及气体流量控制阀的安装方法，能够有效实现注气通道内的气体稳定流动，进而能够为提高注气技术的应用效果发挥辅助作用。
为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种孔隙柱体，包括：用于设置在注气通道内的管道以及沿该管道长度方向填充在管道内部的多个管束；
各个所述管束内部分别形成单流道以使所述管道内部形成渗流通道；
其中，所述管束的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述管道内的气体的流动状态的雷诺数确定，且该雷诺数为小于2300的正数。
进一步地，若所述管束的内径和渗透率均为预设固定值，则基于所述雷诺数获取所述管束的长度极限值以使流经所述管道内的气体的流动状态为层流状态。
第二方面，本申请提供一种气体流量控制阀，包括：管状的阀体、分设在该阀体两端的两个阀盖和两个法兰；
所述法兰的一侧与注气通道连通，所述法兰的另一侧与所述阀盖连接；
所述阀体内设有沿该阀体的水平方向依次设置的多个管状通道，所述管状通道包括：管流通道和多个渗流通道；
各个所述渗流通道中用于安装所述的孔隙柱体；
所述阀盖上内设有多个连接通道，且各个所述连接通道的一端分别与各个所述管状通道的内部一一连通，各个所述连接通道的另一端分别设有阀杆，以使所述注气通道内的气体经处于开启状态的所述阀杆对应的连接通道流至与该连接通道连通的管状通道内。
进一步地，所述孔隙柱体有两个，且一个所述孔隙柱体的内部形成第一渗流通道，另一个所述孔隙柱体的内部形成第二渗流通道。
进一步地，所述第一渗流通道与所述第二渗流通道之间设有连通孔；
所述第二渗流通道与所述阀体之间设有测压孔，所述第二渗流通道与所述阀体之间还设有加压及卸压孔。
进一步地，还包括：设置在所述阀体的外壁上的压力表和加压器；
所述压力表与所述测压孔连接，所述加压器与所述加压及卸压孔连接。
进一步地，所述阀体的端口与所述阀盖之间的连接处设有密封圈。
进一步地，所述渗流通道内设有沿所述渗流通道长度方向设置的橡胶筒，所述橡胶筒与所述渗流通道的两端口内壁之间设有密封环，以使所述橡胶筒与所述渗流通道的内壁之间形成围压环空；
所述橡胶筒内分别设有靠近所述渗流通道的两个端口的支撑短管；
所述孔隙柱体连接在两个所述支撑短管之间。
进一步地，所述密封环的靠近所述渗流通道的端口一侧设有密封圈。
第三方面，本申请提供一种所述的气体流量控制阀的安装方法，包括：
在所述流量控制阀的渗流通道中分别安装所述孔隙柱体；
将预先设有所述法兰的阀盖分别安装在所述阀体两侧；
将所述法兰与所述注气通道固定连接。
进一步地，所述在所述流量控制阀的渗流通道中分别安装所述孔隙柱体，包括：
将所述孔隙柱体分别装设在一橡胶筒内；
在所述孔隙柱体与所述橡胶筒的端口之间的空隙内设置支撑短管；
将密封环分别安装在所述橡胶筒两侧；
将所述橡胶筒安装至所述渗流通道内。
进一步地，在所述将预先设有所述法兰的阀盖分别安装在所述阀体两侧之后，还包括：
在所述阀体的外壁上设置用于测量所述渗透通道的压力表和用于向多个所述渗透通道中施压或卸压的加压器；
控制所述加压器施压，以使所述橡胶筒与所述渗流通道的内壁之间形成的围压环空中填充有气体。
由上述技术方案可知，本申请提供的孔隙柱体、气体流量控制阀及气体流量控制阀的安装方法，孔隙柱体包括：管道以及沿该管道长度方向填充在管道内部的多个管束；各个所述管束内部分别形成单流道以使所述管道内部形成渗流通道；其中，所述管束的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述管道内的气体的流动状态的雷诺数确定，且该雷诺数为小于2300的正数，通过首先在气体渗流稳定性的表征方法上取得认识，并利用该方法设计孔隙柱体，能够有效实现注气通道内的气体稳定流动，进而能够为提高注气技术的应用效果发挥辅助作用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是岩石的空气渗透率与压力关系示意图。
图2(a)是注水井管道的管线的侧剖图。
图2(b)是注水井管道的管线的横截面示意图。
图3(a)是增加管束后的管线的侧剖图。
图3(b)是增加管束后的管线的横截面示意图。
图4(a)是本申请实施例提供的孔隙柱体的侧剖图。
图4(b)是本申请实施例提供的孔隙柱体的横截面示意图。
图5(a)是本申请实施例提供的气体流量控制阀接入注气通道的侧剖图。
图5(b)是本申请实施例提供的气体流量控制阀的A-A’截面示意图。
图5(c)是本申请实施例提供的气体流量控制阀的B-B’截面示意图。
图5(d)是本申请实施例提供的气体流动由不稳定状态至稳定渗流状态的转化过程示意图。
图6是本申请实施例提供的气体流量控制阀的侧剖图。
图7是本申请实施例提供的气体流量控制阀中的法兰的侧剖图。
图8(a)是本申请实施例提供的气体流量控制阀中的阀盖的侧剖图。
图8(b)是本申请实施例提供的气体流量控制阀中的阀盖的横截面示意图。
图9(a)是本申请实施例提供的气体流量控制阀中的阀体的侧剖图。
图9(b)是本申请实施例提供的气体流量控制阀中的阀体中的C-C’截面示意图。
图10是本申请实施例提供的气体流量控制阀中的渗流通道的侧剖图。
图11是本申请实施例提供的气体流量控制阀的安装方法的流程示意图。
图12是本申请实施例提供的气体流量控制阀的安装方法中S100的流程示意图。
图13是本申请实施例提供的包含有S010和S020的气体流量控制阀的安装方法的流程示意图。
图14是本申请实施例提供的稳定流动的流量控制阀工作示意图。
图15是本申请实施例提供的不同渗透率样品的气量与压差关系示意图。
图16是本申请实施例提供的不同长度样品的气量与压差关系示意图。
附图标号：
101、管壁；
102、流道；
103、孔隙区域；
104、流态转化区；
1、孔隙柱体；
11、管道；
12、管束；
13、单流道；
2、气体流量控制阀；
21、阀体；
22、阀盖；
221、连接通道；
222、阀杆；
223、密封面；
224、管道连接面；
225、O型圈槽；
23、法兰；
24、管流通道；
25、k12、k22、k13、k23、渗流通道；
251、第一渗流通道；
252、第二渗流通道；
253、连通孔；
254、测压孔；
255、加压及卸压孔；
256、橡胶筒；
257、密封环；
258、围压环空；
259、支撑短管；
26、压力表；
27、加压器；
28、O型圈；
3、注气通道；
t11、第一通道阀；
t21、第二通道阀。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供一种气体渗流稳定性的表征方法，利用气体渗流稳定性的表征方法，确定了不同温压条件下的孔隙介质的几何参数界限，为应用提供了理论基础，能够有效实现注气通道内的气体稳定流动，进而能够为提高注气技术的应用效果发挥辅助作用。
本申请实施例还提供一种孔隙柱体，首先在气体渗流稳定性的表征方法上取得认识，并利用该方法设计孔隙柱体，能够有效实现注气通道内的气体稳定流动，进而能够为提高注气技术的应用效果发挥辅助作用。
本申请实施例还提供一种气体流量控制阀及其安装方法，能够有效实现注气通道内的气体稳定流动，使气体形成稳定流动，并能实施一定范围的流量调节，进而能够有效实现对注气通道内的气体流量控制，且能够进行流量调节的气体流量控制阀应用便捷且易于调节。
本申请为解决气体流量控制问题，首先在气体渗流稳定性的表征方法上取得认识，并利用该方法设计具有气体稳定流动条件的气体流量控制阀，为提高注气技术的应用效果发挥辅助作用。
本申请的目的包括四个方面：
1.申请了气体渗流稳定性的表征方法；
2.利用气体渗流稳定性的表征方法，确定了不同温压条件下的孔隙介质的几何参数界限，为应用提供了理论基础；
3.申请了使气体形成稳定流动，并能实施一定范围的流量调节的气体流量控制阀2；
4.气体流量控制阀应用便捷，易于调节。
本申请利用雷诺数为标准建立气体稳定渗流的表征方法，并确定调节参数，实现应用可行性。
(一)方法原理
(1)气体渗流稳定性的表征方法
气体的“滑脱效应”或“Klinkenberg(克林肯伯格)效应”表述：同一岩石，同一种气体，在不同的平均压力下测得的气体渗透率不同，渗透率和评价压力的倒数有较好的线性关系，以某岩石样品的空气渗透率测量为例，参见图1，P均为入口压力和出口压力的平均值。图1中原点位置的测量值为液体等效渗透率。
渗流状态也可看作是管道逐渐缩小至微小孔隙级别时的状态，首先利用管流方程进行分析：
在τ≠0和μ≠0时，流体管流的伯努利方程如下：
Figure BDA0002506141150000081
式中：第一项为位头；第二项为动压头；第三项为静压头；第四项为压头损失；四项之和为常数。
管流的流动状态通常由雷诺数来表征，其是无量纲数。
Figure BDA0002506141150000082
其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数；d为特征长度.若为圆形管道，则d为管道的当量直径。雷诺数通常用来判别流动特性的依据，管流中，Re<2300为层流，Re在2300～4000范围内为过渡状态，Re>4000为湍流。
在流动方程中，若雷诺数很小，则粘性力是主要因素，压力项主要和粘性力项平衡；若雷诺数很大，粘性力项成为次要因素，压力项主要和惯性力项平衡。当雷诺数低时，阻力正比于速度、粘度和特征长度；而雷诺数高时，阻力大体上正比于速度平方、密度和特征长度平方。
结合实际的单管测试，举例说明不同直径管道内的流动状态。在压差、温度相同的条件下，用水、油和氮气进行对比。基础参数见表1，其中水和油的流量为1mL/min(该数值为岩心实验中经常采用的速度)，同条件实验对应的氮气流量约为100mL/min。
表1基础参数
水 油 氮气
密度kg/m<sup>3</sup> 1000 800 1.16(21℃，1大气压)
粘度mpa.s 0.8 3 0.0017
表2不同管径内的雷诺数值
Figure BDA0002506141150000083
由表2结果可知，在100μm条件下，气体在管道内的流动仍是湍流状态，流动不稳定。管径继续缩小，不稳定程度线性增加。显然这不符合常规方法测量气测渗透率的条件，由常规岩心渗透率的液相测试数据可知，雷诺数Re通常小于1，远小于2300，即是非常稳定的层流状态。因而，渗透率的测试及研究存在前提条件，即流动必须是渗流状态，也既是层流稳定状态。对于气体而言，一旦高速流动，即使是在孔隙结构中，其Re值远大于4000，为非稳定状态，不适合用达西公式描述。
渗流本质上讲是利用孔隙结构的较大阻力使高速管流降低并符合达西定律，因而以层流作为稳定流动的界限，即引用管流中Re<2300作为渗流状态的界限值是可行的。
(2)气体渗流稳定性的实现方法
在确定上述气体渗流稳定性的表征方法后，以下进行将非稳定流动转变为稳定流动而流量保持不变。利用岩石结构中的微小孔隙结构可以实现这一效果。通过孔隙结构致密程度及长度即可调节阻力的大小。致密程度反映为单位面积下孔隙数量及孔隙直径，显然数量越多，孔隙直径越小，则单管内的雷诺数Re越低。在致密程度恒定的条件下，改变长度也可实现改变阻力的目的。长度增加，阻力增加，雷诺数Re越低，可知存在长度极限值Llim，使流动状态为稳定层流状态。
以实际示例说明：
参见图2(a)和图2(b)，注水井注水量20m3/d，管线的管壁101内形成流道102，管线的内径3cm，则水流Re为12000左右，非稳定状态；同等条件下气流Re为670000左右，非稳定状态严重。
参见图3(a)和图3(b)，在同等面积条件下，改由3mm管束，按照100根计算，则单根流量降低100倍，此时气流Re为67000左右，非稳定状态降低，但仍严重。
依此原理，采用30μm管束，则同面积为106根，此时气流Re为670左右，符合稳定层流状态，以保持流道截面积相同的方式，缩小管径，并增加管束数量，显然整体结构的外径将增加。
基于此，为了有效实现注气通道内的气体稳定流动，进而能够为提高注气技术的应用效果发挥辅助作用，本申请实施例提供一种孔隙柱体，参见图4(a)和图4(b)，所述孔隙柱体1具体包含有如下内容：
用于设置在注气通道内的管道11以及沿该管道11长度方向填充在管道11内部的多个管束12；各个所述管束12内部分别形成单流道13以使所述管道11内部形成渗流通道25；其中，所述管束12的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述管道11内的气体的流动状态的雷诺数确定，且该雷诺数为小于2300的正数。
具体来说，所述管束12的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述管道11内的气体的流动状态的雷诺数确定的具体方式详见前述的气体渗流稳定性的表征方法，渗透率反映为单位面积下孔隙数量及孔隙直径，显然数量越多，孔隙直径越小，则单管内的雷诺数Re越低。在渗透率恒定的条件下，改变管束12的长度也可实现改变阻力的目的。长度增加，则阻力增加，进而使得雷诺数Re越低。
其中，若所述管束12的内径和渗透率均为预设固定值，则基于所述雷诺数获取所述管束12的长度极限值以使流经所述管道11内的气体的流动状态为层流状态，由此可以确定管束12的长度极限值Llim，使流动状态为稳定层流状态。
由上述分析可知，利用孔隙结构即可实现等流量条件下的不稳定状态至稳定渗流状态的转化。30μm孔径对于岩石孔隙而言仍属于高渗岩心，其进一步降低的空间很大。
以上对孔径进行了分析，而孔隙介质(柱体)长度的极限值Llim则与具体压力值、压差、孔隙致密度(渗透率)有关，但实际测试调整则非常简便。
参见图5(a)，在管道11中间接入气体流量控制阀2，气体流量控制阀2内部的核心部件为孔隙结构的孔隙柱体1，其致密程度(渗透率)需要针对性设计，其长度不低于极限值Llim。气体流入时的流量为Qtin，经孔隙结构后为Qpo，流出时为Qtout，显然三者相等。图5(b)为图5(a)的气体流量控制阀2接入管道11的A-A’截面，图5(c)为图5(a)的气体流量控制阀2接入管道11的B-B’截面，其中形成单流道13，且气体流动由不稳定状态至稳定渗流状态的转化过程参见图5(d)。
图5(b)和图5(c)分别显示在管道11位置和孔隙柱体1位置的截面图，截面上的可流动面积相等。可表示为：
SA-A′＝SB-B′·Sg
式中：SA-A′为流道内径截面；SB-B′为气体流量控制阀2内径截面；Sg为孔隙柱体1的含气饱和度。
图5(d)中的气体流动方向为自左侧管道向右侧管道的流动方向，显示在左侧管道内气体流动呈不稳定流的流动状态；在气体进入控制阀的孔隙区域103后，流态逐渐改变，变为稳定流，在有效长度内实现稳定流动状态；气体进入控制阀的流态转化区104后，稳定流态逐渐向不稳定转化，在右侧管道内气体一段距离后再次转变为不稳定流的流动状态。
以上分析可见，在气体流量控制阀2的孔隙区域，流态实现了稳定。该方法为气体流量的定量分配提供了理论指导。
(二)气体流量控制阀及工作原理
基于上述气体渗流稳定性的实现方法，为了能实施一定范围的流量调节，进而能够有效实现对注气通道内的气体流量控制，本申请实施例提供一种气体流量控制阀2，参见图6，所述气体流量控制阀2具体包含有如下内容：
管状的阀体21、分设在该阀体21两端的两个阀盖22和两个法兰23；所述法兰23的一侧与注气通道3连通，所述法兰23的另一侧与所述阀盖22连接。所述阀体21内设有沿该阀体21的水平方向依次设置的多个管状通道，所述管状通道包括：管流通道24和多个渗流通道25；各个所述渗流通道25中分别用于安装所述的孔隙柱体1。
在图6中，以一个管流通道24和两个渗流通道25的三通路结构为例，但在实际应用中，通路数量可根据情况增减，该气体流量控制阀2可以包含有。气体流量控制阀2由：法兰23、阀盖22、阀体21和加压器27组成。阀体21的第一层为通道型，管流方式；第二和第三层安装了孔隙结构柱体，调节气体稳定流动。另外，所述气体流量控制阀2还可以选取五孔结构的气体流量控制阀。
为了进一步提高阀盖22与阀体21之间的连接密封性，所述阀体21的端口与所述阀盖22之间的连接处设有密封圈，且该密封圈可以为O型圈28。
其中，所述气体流量控制阀2还具体包含有：设置在所述阀体21的外壁上的压力表26和加压器27；所述压力表26与所述测压孔254连接，所述加压器27与所述加压及卸压孔255连接。
(1)结构
①法兰23
法兰23一侧与注气通道3连接，一侧与阀盖22连接。在油田现场应用时，需要与阀盖22焊接。法兰23为常规结构，参见图7。
②阀盖22
参见图8(a)和图8(b)，所述阀盖22上内设有多个连接通道221，且各个所述连接通道221的一端分别与各个所述管状通道的内部一一连通，各个所述连接通道221的另一端分别设有阀杆222，以使所述注气通道3内的气体经处于开启状态的所述阀杆222对应的连接通道221流至与该连接通道221连通的管状通道内。其中，所述阀盖22的一侧密封面223用于与阀体21连接，所述述阀盖22的另一侧管道连接面224用于与注气通道3连接。所述连接通道221处设有O型圈槽225。
③阀体21
所述孔隙柱体1有两个，且一个所述孔隙柱体1的内部形成第一渗流通道251，另一个所述孔隙柱体1的内部形成第二渗流通道252，也就是说，阀体21内部为3个通道，依次为管流通道24、第一渗流通道251和第二渗流通道252，参见图9(a)和图9(b)，渗流通道25之间是连通的，在第二渗流通道252底部有测压孔254和加压及卸压孔255。
其中，所述第一渗流通道251与所述第二渗流通道252之间设有连通孔253；所述第二渗流通道252与所述阀体21之间设有测压孔254，所述第二渗流通道252与所述阀体21之间还设有加压及卸压孔255。
参见图10，所述渗流通道25内设有沿所述渗流通道25长度方向设置的橡胶筒256，所述橡胶筒256与所述渗流通道25的两端口内壁之间设有密封环257，以使所述橡胶筒256与所述渗流通道25的内壁之间形成围压环空258；所述橡胶筒256内分别设有靠近所述渗流通道25的两个端口的支撑短管259；所述孔隙柱体1连接在两个所述支撑短管259之间。
其中，所述密封环257的靠近所述渗流通道25的端口一侧设有密封圈，该密封圈可以为O型圈28。
在渗流通道25内依据设计，安装一定渗透率的孔隙结构体，实现该通道的稳定渗流。参见图10，孔隙结构体安装在橡胶筒256内，若柱体长度小于通道长度，则剩余部分由支撑短管259(钢制)补齐。在安装好的橡胶筒256两端安装密封环257。密封环257内侧和外侧有安装O型圈槽，在受压条件下，O型圈28在密封环257两侧起密封作用。
橡胶筒256与通道内壁存在较小的围压环空258，由加压器27对环空加压，是密封环257与阀盖22端面密封，气体仅在橡胶筒256内部流动。
孔隙结构柱体是金属纳米颗粒制作的，孔隙大小及分布均匀性好，且耐压性能好(工作压力可达40MPa)。孔隙结构柱体的描述参数为：渗透率，直径，长度。
④加压器27
加压器27结构与液压千斤顶相似，手动操作即可实现对围压环空258内的加压。详细不赘述。
另外，在一种具体实验测试中，可以设置实验测试装置，包含有：气体流量控制阀2(3个)、气体流量计(3个)、氮气罐、压力表26和连接管阀件若干。测试用的气体流量控制阀2内部安装一组孔隙柱体1，流程作用：可单独测试，也可以由3个气体流量控制阀2组合测试。
(2)工作过程
以下结合油田现场实际条件，说明本申请的特点。
应用条件：高压氮气压缩机日产气最大10000Nm3/d，输出最高压力25MPa。压力20～23MPa之间，日产气在7000～9000Nm3/d。
有两口注入井前期注水，现需要注气，以实施一段水一段气的段塞式注入方式。其中1#井注水时井口注入压力为10MPa，日注水量30m3；2#井注水时井口注入压力为12MPa，日注水量15m3。设计日注气量时，1#井6000Nm3/d，2#井3000Nm3/d。
①常规方法
现有技术即在1#和2#井，加装普通阀板式阀门。
高压氮气压缩机产出气经分支管线进入并联的1#和2#井，两井口压力均升高。当氮气压缩机压力稳定后(21MPa)，1#和2#井口压力约为21MPa，管线压力损失较小。此时1#流量为8000Nm3/d，2#井500Nm3/d。利用关小1#阀门的方法以降低其流量的方法多次操作均无法实现。阀门调至几乎关闭状态时，仍未见明显改善，继续降低，则极易关闭阀门，造成憋压，氮气压缩机憋停。再打开阀门时，由于阀杆螺距影响，一经开启，流通量即达到8000Nm3/d流速。
在阀门调节无效的前提下，实施单井注入。1#井单井注入，压力20MPa，流量7500Nm3/d，同样无法调节其流速以实现匀速的不间断注入效果。只能采取持续注入19小时，以达到6000Nm3/d的设计。第2天继续注入19小时，直至本周期注入量完成。
而2#井单井注入，压力22MPa，流量6000Nm3/d。也能采取与1#井相同的间断式注入方法，即每天持续注入10小时，以达到3000Nm3/d的设计。显然1台压缩机无法满足两井同时注入的方案，只能依次进行。原设计方案无法实施。
②使用稳定流动的气体流量控制阀的过程及效果
本申请实施例还提供一种气体流量控制阀2的安装方法，参见图11，所述气体流量控制阀2的安装方法具体包含有如下内容：
S100：在所述气体流量控制阀的渗流通道中分别安装所述孔隙柱体。
S200：将预先设有所述法兰的阀盖分别安装在所述阀体两侧。
S300：将所述法兰与所述注气通道固定连接。
在S100的一种具体举例中，参见图12，所述气体流量控制阀2的安装方法的S100具体包含有如下内容：
S110：将所述孔隙柱体分别装设在一橡胶筒内。
S120：在所述孔隙柱体与所述橡胶筒的端口之间的空隙内设置支撑短管。
S130：将密封环分别安装在所述橡胶筒两侧。
S140：将所述橡胶筒安装至所述渗流通道内。
在S200与S300之间，参见图13，所述气体流量控制阀2的安装方法还具体包含有如下内容：
S010：在所述阀体的外壁上设置用于测量所述渗透通道的压力表和用于向多个所述渗透通道中施压或卸压的加压器。
S020：控制所述加压器施压，以使所述橡胶筒与所述渗流通道的内壁之间形成的围压环空中填充有气体。
以图14为例，介绍气体流量控制阀2的参数设计、孔隙柱体1的安装以及气体流量控制阀2在注气过程中的应用。
a.设计气体流量控制阀2的相关参数
首先按照21MPa的工作压力，优选孔隙结构柱体。柱体的描述参数有渗透率，直径和长度。通常加工后的气体流量控制阀2，其直径是固定的，因而只优选渗透率和长度两项。
在实验室测试2cm直径，孔隙介质柱体的流量分配效果。
7cm长度，不同渗透率样品的气量与压差关系见图15；
0.05MPa压差，不同长度样品的气量与压差关系见图16。
由测试结果可知在高于0.02MPa，长度大于5cm的条件下，气体流量稳定，线性规律明显。因而，选择孔隙结构体分流量效果见表3。
表3组合效果
Figure BDA0002506141150000151
b.孔隙柱体1的安装
将01#-003安装在图14中第1个流量控制阀的k12渗流通道，02#-005安装在图14中第1个(图14中的上方流量控制阀)流量控制阀的k13渗流通道；
将01#-004安装在图14中第2个流量控制阀的k22渗流通道，02#-006安装在图14中第2个流量控制阀(图14中的下方流量控制阀)的k23渗流通道。
安装孔隙结构柱体：首先将选择好的柱体装入橡胶筒256，之后将空余空间用支撑短管259补齐。将密封环257分别安装在胶皮筒两侧。最后整体放入对应的渗流通道内。
安装阀盖22：将带有法兰23的阀盖22安装在阀体21两侧，保证各密封圈位置准确。
安装辅助件：安装压力表26和加压器27。安装后，用加压器27增压至0.1MPa，则围压环空258内充满流体，橡胶筒256等内部件得到固定。
c.气体流量控制阀2在注气过程中的应用
将安装好的气体流量控制阀2安装图14与主干线及单井管线连接。
由前述原理分析及测试效果可知，通过不同的控制方式，可实现总注气量Qin，经气体流量控制阀2的第一和第二分支后，对应的流量比Qout1：Qout2接近2:1。其中，注气通道的总输入压力Pin，则经第一和第二分支分别为第一压力Pin1和第二压力Pin2。
第1步：开始注气时两气体流量控制阀2均开启通道阀，即第一通道阀t11和第二通道阀t21。
第2步：高压气体压缩机运行平稳后(5min)，开启第1个气体流量控制阀2的渗流通道k12的两侧阀门，再开启2个气体流量控制阀2的渗流通道k22的两侧阀门，之后缓慢关闭第一通道阀t11和第二通道阀t21两侧阀门。由理论推测及测试实验，此时两个气体流量控制阀2输出的流量比Qout1：Qout2接近2:1。显然，该步骤可采用渗流通道k13和渗流通道k23的配对组合。
第3步：若输出流量比显著偏离设计比值，则可采用多个通道的配合作用，典型的理论配合效果见表4。在出口压力Pout1和Pout2差异较大的情况下，表4中输出比例有变化，可以按照相同原则进行灵活调整。
表4多通道配合可达到的设计效果(主要组合)
Figure BDA0002506141150000161
从上述描述可知，本申请上述实施例提供的孔隙柱体、气体流量控制阀及气体流量控制阀的安装方法，具有以下优点：
1.申请了气体渗流稳定性的表征方法，解决了气体“滑脱效应”所引起的无法工业化应用的问题；
2.利用气体渗流稳定性的表征方法，确定了不同温压条件下的孔隙介质的几何参数界限，采用了固定的孔隙结构柱体，在注气压力和柱体横截面恒定的条件下，以长度为变量，确定稳定渗流时的长度极限值。该方法为应用提供了指导；
3.气体流量控制阀为应用提供了实例，易于在此基础上进行针对性的调整和改进；
4.气体流量控制阀的控制能力一方面可由不同渗透性的芯体进行调节，另一方面也可以由芯体的长度进行调节。
需要说明的是，在本文中，关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (12)

1.一种孔隙柱体，其特征在于，包括：用于设置在注气通道内的管道以及沿该管道长度方向填充在管道内部的多个管束；
各个所述管束内部分别形成单流道以使所述管道内部形成渗流通道；
其中，所述管束的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述管道内的气体的流动状态的雷诺数确定，且该雷诺数为小于2300的正数。
2.根据权利要求1所述的孔隙柱体，其特征在于，若所述管束的内径和渗透率均为预设固定值，则基于所述雷诺数获取所述管束的长度极限值以使流经所述管道内的气体的流动状态为层流状态。
3.一种气体流量控制阀，其特征在于，包括：管状的阀体、分设在该阀体两端的两个阀盖和两个法兰；
所述法兰的一侧与注气通道连通，所述法兰的另一侧与所述阀盖连接；
所述阀体内设有沿该阀体的水平方向依次设置的多个管状通道，所述管状通道包括：管流通道和多个渗流通道；
各个所述渗流通道中用于安装如权利要求1或2所述的孔隙柱体；
所述阀盖上内设有多个连接通道，且各个所述连接通道的一端分别与各个所述管状通道的内部一一连通，各个所述连接通道的另一端分别设有阀杆，以使所述注气通道内的气体经处于开启状态的所述阀杆对应的连接通道流至与该连接通道连通的管状通道内。
4.根据权利要求3所述的气体流量控制阀，其特征在于，所述孔隙柱体有两个，且一个所述孔隙柱体的内部形成第一渗流通道，另一个所述孔隙柱体的内部形成第二渗流通道。
5.根据权利要求4所述的气体流量控制阀，其特征在于，所述第一渗流通道与所述第二渗流通道之间设有连通孔；
所述第二渗流通道与所述阀体之间设有测压孔，所述第二渗流通道与所述阀体之间还设有加压及卸压孔。
6.根据权利要求5所述的气体流量控制阀，其特征在于，还包括：设置在所述阀体的外壁上的压力表和加压器；
所述压力表与所述测压孔连接，所述加压器与所述加压及卸压孔连接。
7.根据权利要求3所述的气体流量控制阀，其特征在于，所述阀体的端口与所述阀盖之间的连接处设有密封圈。
8.根据权利要求3所述的气体流量控制阀，其特征在于，所述渗流通道内设有沿所述渗流通道长度方向设置的橡胶筒，所述橡胶筒与所述渗流通道的两端口内壁之间设有密封环，以使所述橡胶筒与所述渗流通道的内壁之间形成围压环空；
所述橡胶筒内分别设有靠近所述渗流通道的两个端口的支撑短管；
所述孔隙柱体连接在两个所述支撑短管之间。
9.根据权利要求8所述的气体流量控制阀，其特征在于，所述密封环的靠近所述渗流通道的端口一侧设有密封圈。
10.一种如权利要求3至9任一项所述的气体流量控制阀的安装方法，其特征在于，包括：
在所述流量控制阀的渗流通道中分别安装所述孔隙柱体；
将预先设有所述法兰的阀盖分别安装在所述阀体两侧；
将所述法兰与所述注气通道固定连接。
11.根据权利要求10所述的气体流量控制阀的安装方法，其特征在于，所述在所述流量控制阀的渗流通道中分别安装所述孔隙柱体，包括：
将所述孔隙柱体分别装设在一橡胶筒内；
在所述孔隙柱体与所述橡胶筒的端口之间的空隙内设置支撑短管；
将密封环分别安装在所述橡胶筒两侧；
将所述橡胶筒安装至所述渗流通道内。
12.根据权利要求11所述的气体流量控制阀的安装方法，其特征在于，在所述将预先设有所述法兰的阀盖分别安装在所述阀体两侧之后，还包括：
在所述阀体的外壁上设置用于测量所述渗透通道的压力表和用于向多个所述渗透通道中施压或卸压的加压器；
控制所述加压器施压，以使所述橡胶筒与所述渗流通道的内壁之间形成的围压环空中填充有气体。
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