CN113719501A - 气体流量调控管、气体流量稳定控制阀、系统及安装方法 - Google Patents

气体流量调控管、气体流量稳定控制阀、系统及安装方法 Download PDF

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CN113719501A CN202010446834.0A CN202010446834A CN113719501A CN 113719501 A CN113719501 A CN 113719501A CN 202010446834 A CN202010446834 A CN 202010446834A CN 113719501 A CN113719501 A CN 113719501A
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Abstract

本申请实施例提供一种气体流量调控管、气体流量稳定控制阀、系统及安装方法，气体流量调控管包括：金属筒、沿该金属筒长度方向设置在金属筒内部的孔隙柱体，以及填充在所述金属筒与孔隙柱体之间的密封层；所述孔隙柱体的内部分别形成多个单流道以使所述孔隙柱体内部形成渗流通道；其中，所述单流道的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述孔隙柱体内的气体的流动状态的雷诺数确定。本申请能够有效实现注气通道内的气体稳定流动，并能够有效实现气体在一定程度上的流动可控性，进而能够为提高注气技术的应用效果发挥辅助作用。

Description

气体流量调控管、气体流量稳定控制阀、系统及安装方法
技术领域
本申请涉及油田开发技术领域，具体涉及气体流量调控管、气体流量稳定控制阀、系统及安装方法。
背景技术
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 BDA0002506195560000011
式中：hf——压头损失；L——管道长度；D——管道内径；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，显然依靠现有的阀门调整没有操控性。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流动可控性的方式。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请提供一种气体流量调控管、气体流量稳定控制阀、系统及安装方法，能够有效实现注气通道内的气体稳定流动，并能够有效实现气体在一定程度上的流动可控性，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，本申请提供一种气体流量调控管，包括：金属筒、沿该金属筒长度方向设置在金属筒内部的孔隙柱体，以及填充在所述金属筒与孔隙柱体之间的密封层；
所述孔隙柱体的内部分别形成多个单流道以使所述孔隙柱体内部形成渗流通道；
其中，所述单流道的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述孔隙柱体内的气体的流动状态的雷诺数确定。
进一步地，所述孔隙柱体包括：规则孔隙柱体；
所述规则孔隙柱体为由金属粉末制成的均匀孔隙柱体，且该均匀孔隙柱体内部的各个所述单流道的内径相同，各个所述单流道的渗透率为200至2000mD。
进一步地，所述孔隙柱体包括：岩石孔隙柱体；
所述岩石孔隙柱体为由石英砂粒制成的非均匀孔隙柱体，且该非均匀空隙柱体内部的各个所述单流道的渗透率为10至200mD。
第二方面，本申请提供一种气体流量稳定控制阀，包括：管状的阀体、分别设置在该阀体两端口的阀盖；分别设置在所述阀体内部的中心通道以及至少一个所述的气体流量调控管；
至少一个所述气体流量调控管分别沿所述阀体的长度方向独立设置，且所述中心通道与所述阀体同轴设置；
所述中心通道以及至少一个所述气体流量调控管的两端分别穿过对应的所述阀盖与各自唯一对应的电磁阀连接，各个所述电磁阀分别与一控制器通信连接；
设置在所述阀体一端口的各个所述电磁阀分别用于与一注气管线连接，设置在所述阀体另一端口的各个所述电磁阀分别用于经由一单井管线与注汽井连接。
进一步地，所述气体流量调控管包括：至少一个第一气体流量调控管和至少一个第二气体流量调控管；
所述第一气体流量调控管的孔隙柱体为规则孔隙柱体，所述第二气体流量调控管的孔隙柱体为岩石孔隙柱体；
所述规则孔隙柱体为由金属粉末制成的均匀孔隙柱体，且该均匀孔隙柱体内部的各个所述单流道的内径相同，各个所述单流道的渗透率为200至2000mD；
所述岩石孔隙柱体为由石英砂粒制成的非均匀孔隙柱体，且该非均匀空隙柱体内部的各个所述单流道的渗透率为10至200mD。
进一步地，所述第一气体流量调控管和所述第二气体流量调控管的数量均为三根。
进一步地，还包括：入口接口，且该入口接头的两端分别为单孔端口和多孔端口；
所述入口接头的单孔端口用于与所述注气管线的干线连接；
所述入口接头的多孔端口与所述阀体一端口处的各个所述电磁阀连接，且所述入口接头的多孔端口中的各个孔的数量大于或等于所述阀体一端口处的各个所述电磁阀的数量。
进一步地，还包括：出口接口，且该出口接头的两端分别为单孔端口和多孔端口；
所述出口接头的单孔端口用于与所述单井管线连接；
所述入口接头的多孔端口与所述阀体另一端口处的各个所述电磁阀连接，且所述入口接头的多孔端口中的各个孔的数量大于或等于所述阀体另一端口处的各个所述电磁阀的数量。
进一步地，所述阀体的两端分别设有多个第一螺栓孔；
所述阀盖上分别设有与各个所述第一螺栓孔的位置分别对应的第二螺栓孔。
进一步地，所述阀盖上设有多个与所述中心通道以及至少一个所述气体流量调控管的位置分别对应的通孔；
各个所述通孔的靠近所述阀体的一端均设有密封凹槽。
第三方面，本申请提供一种气体流量稳定控制系统，包括：多个所述的气体流量稳定控制阀；
各个所述气体流量稳定控制阀的分别经由各个分支管线连接至所述注气管线的干线，以使各个所述分支管线均与所述注气管线的注气入口连通；
所述气体流量稳定控制阀的两端分别设有入口接口和出口接口；
各个所述气体流量稳定控制阀经由各自唯一对应的所述入口接口分别与各个分支管线连接；
各个所述气体流量稳定控制阀经由各自唯一对应的所述出口接口分别与各个所述单井管线连接。
进一步地，各个所述单井管线上分别设有气体流量计，各个所述气体流量计分别与所述控制器通信连接。
第四方面，本申请提供一种所述的气体流量稳定控制系统的安装方法，包括：
将孔隙柱体同轴装设至金属筒中，并在所述金属筒与孔隙柱体之间填充密封层，以形成气体流量调控管；
将至少一个所述气体流量调控管分别装设至所述阀体内；
并将至少一个所述气体流量调控管在所述阀体内的对应位置信息发送至所述控制器进行存储；
将两个所述阀盖分别安装在所述阀体两端，并将入口接口和出口接口分别固定连接至对应的所述阀盖上；
将各个所述入口接口分别连接至各个所述分支管线，并将各个所述出口接口分别连接至各个所述单井管线。
由上述技术方案可知，本申请提供的气体流量调控管、气体流量稳定控制阀、系统及安装方法，气体流量调控管包括：金属筒、沿该金属筒长度方向设置在金属筒内部的孔隙柱体，以及填充在所述金属筒与孔隙柱体之间的密封层；所述孔隙柱体的内部分别形成多个单流道以使所述孔隙柱体内部形成渗流通道；其中，所述单流道的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述孔隙柱体内的气体的流动状态的雷诺数确定，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，并能够有效实现气体在一定程度上的流动可控性，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控制阀的A-A’截面示意图。
图5(c)是本申请实施例提供的控制阀的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包含有规则孔隙柱体的气体流量调控管的内部结构示意图。
图7是本申请实施例提供的包含有岩石孔隙柱体的气体流量调控管的内部结构示意图。
图8是本申请实施例提供的气体流量稳定控制阀的结构图。
图9(a)是本申请实施例提供的气体流量稳定控制阀的阀盖的侧视图。
图9(b)是本申请实施例提供的气体流量稳定控制阀的阀盖的正视图。
图10(a)是本申请实施例提供的气体流量稳定控制阀的阀体的侧视图。
图10(b)是本申请实施例提供的气体流量稳定控制阀的阀体的截面图。
图11是本申请实施例提供的气体流量稳定控制系统的结构图。
图12是本申请实施例提供的单井管柱的侧视效果图。
图13是本申请实施例提供的气体流量稳定控制系统的安装方法的流程示意图。
图14是本申请实施例提供的在干线分支流程中气体流量稳定控制阀的应用示意图。
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；
14、规则孔隙柱体；
15、岩石孔隙柱体；
2、控制阀；
20、气体流量稳定控制阀；
21、阀体；
211、第一螺栓孔；
22、阀盖；
221、第二螺栓孔；
222、通孔；
223、密封凹槽；
23、中心通道；
24、气体流量调控管；
241、第一气体流量调控管；
242、第二气体流量调控管；
25、电磁阀；
26、控制器；
27、入口接口；
28、出口接口；
3、干线；
4、信号线；
5、金属筒；
6、密封层；
7、注气入口；
8、单井管线；
81、气体流量计；
9、注汽井；
10、分支管线。
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。
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 BDA0002506195560000071
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，因而该公式必须在满足渗流这一条件的基础上，才能用来指导注气工艺。
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调控管，通过金属筒、沿该金属筒长度方向设置在金属筒内部的孔隙柱体，以及填充在所述金属筒与孔隙柱体之间的密封层的设置，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稳定控制阀，通过管状的阀体、分别设置在该阀体两端口的阀盖；分别设置在所述阀体内部的中心通道以及至少一个所述的气体流量调控管的设置，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稳定控制阀应用便捷且易于调节，在分析气体流量稳定流动的理论基础上，设计能够满足工业现场应用的大流量气体稳定控制阀，大幅提高注气精度及实现定量分注。
本申请实施例还提供一种气体流量稳定控制系统，通过各个所述气体流量稳定控制阀的分别经由各个分支管线连接至所述注气管线的干线，以使各个所述分支管线均与所述注气管线的注气入口连通的设置，在多井同时注入时，能够起到调整单井流量的作用。
本申请实施例还提供一种气体流量稳定控制系统的安装方法，能够有效提高气体流量稳定控制系统的安装便捷性及效率，并能够提高气体流量稳定控制系统的应用可靠性。
本申请的目的包括至少三个方面：
1.利用气体稳定渗流状态作为依据，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；
2.提出一直满足大流量气体形成稳定流动的气体流量稳定控制阀及气体流量稳定控制系统，在多井同时注入时，起到调整单井流量的作用；
3.气体流量稳定控制阀的结构简单，换芯操作方便，使控制阀的工作范围可调整。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)气体的“滑脱效应”产生的原因
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 BDA0002506195560000091
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 BDA0002506195560000092
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 BDA0002506195560000101
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
气体实现渗流稳定性，即达到渗流状态。此状态下，气体符合达西公式，因而在流量分配时可由达西公式进行表述。
Figure BDA0002506195560000102
样品长度、截面相同，气体粘度同状态一致，且两种渗透率的压降也几乎相等，则流量比简化为渗透率的比值。
可知在渗流条件下，就可以利用样品渗透率的差异实现流量的分量。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达西公式符合的稳定渗流状态。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、孔隙参见图5(a)，在管道11中间接入控制阀2，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)的控制阀2接入管道11的A-A’截面，图5(c)为图5(a)的控制阀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)气体流量调控管
基于上述控制阀2，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气体流量调控管24，所述气体流量调控管24具体包含有如下内容：
金属筒5、沿该金属筒5长度方向设置在金属筒5内部的孔隙柱体1，以及填充在所述金属筒5与孔隙柱体1之间的密封层6；所述孔隙柱体1的内部分别形成多个单流道13以使所述孔隙柱体1内部形成渗流通道；其中，所述单流道13的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述孔隙柱体1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。
可以理解的是，所述金属筒5可以选取钢筒。
参见图6，所述孔隙柱体1具体可以为规则孔隙柱体14；所述规则孔隙柱体14为由金属粉末制成的均匀孔隙柱体，且该均匀孔隙柱体内部的各个所述单流道13的内径相同，各个所述单流道13的渗透率为200至2000mD。
参见图7，所述孔隙柱体1具体可以为岩石孔隙柱体15；所述岩石孔隙柱体15为由石英砂粒制成的非均匀孔隙柱体，且该非均匀空隙柱体内部的各个所述单流道13的渗透率为10至200mD。
气体流量调控管24有3层结构，外层为钢筒，耐压40MPa；两端面光滑，与O型圈密封。中层为密封层6，由环氧树脂固化形成，耐压40MPa。内部为孔隙柱体1，有规则孔隙和岩石孔隙两类。
孔隙柱体1的描述参数为：渗透率，直径，长度。规则孔隙柱体14由金属粉末烧结压制而成，特点是孔隙均匀、统一性强；渗透率在200～2000mD范围。岩石孔隙柱体15由均匀的石英砂粒胶结压制而成，渗透率可调整至10～200mD范围。
制作时，先将孔隙柱体1放置在钢筒中间进行环氧树脂的浇铸，使3层结构形成一体。
(三)气体流量稳定控制阀20
现有CO2规模化注入现场所使用的是针型阀结构原理的多级控制阀门，其机理仍是利用阀盖22针型密封位置与阀体21的微小环面及间隙形成对气体流量的控制，其标定误差不低于10％，应用效果更差。该阀体21积庞大，控制6cm直径管线的阀体21高度已超过70cm。该阀价格昂贵，单价不低于20万元。现有技术已考虑气体流动与液体流动差异很大的特点，在阀路控制上，采取迷宫、转角等方式，但是其思路仅仅是传统思路的扩展，原理上没有变化。
针对上述问题，基于前述的控制阀2，为了在分析气体流量稳定流动的理论基础上，提供能够满足工业现场应用的大流量气体稳定控制阀，大幅提高注气精度及实现定量分注，本申请实施例还提供一种气体流量稳定控制阀20，参见图8，所述气体流量稳定控制阀20具体包含有如下内容：
管状的阀体21、分别设置在该阀体21两端口的阀盖22；分别设置在所述阀体21内部的中心通道23以及至少一个所述的气体流量调控管24；至少一个所述气体流量调控管24分别沿所述阀体21的长度方向独立设置，且所述中心通道23与所述阀体21同轴设置；所述中心通道23以及至少一个所述气体流量调控管24的两端分别穿过对应的所述阀盖22与各自唯一对应的电磁阀25连接，各个所述电磁阀25分别与一控制器26通信连接，具体可以通过信号线4连接；设置在所述阀体21一端口的各个所述电磁阀25分别用于与一注气管线连接，设置在所述阀体21另一端口的各个所述电磁阀25分别用于经由一单井管线8与注汽井9连接。
其中，所述气体流量调控管24包括：至少一个第一气体流量调控管241和至少一个第二气体流量调控管242；参见图6，所述第一气体流量调控管241的孔隙柱体1为规则孔隙柱体14，参见图7，所述第二气体流量调控管242的孔隙柱体1为岩石孔隙柱体15；所述规则孔隙柱体14为由金属粉末制成的均匀孔隙柱体，且该均匀孔隙柱体内部的各个所述单流道13的内径相同，各个所述单流道13的渗透率为200至2000mD；所述岩石孔隙柱体15为由石英砂粒制成的非均匀孔隙柱体，且该非均匀空隙柱体内部的各个所述单流道13的渗透率为10至200mD。
在本申请提供的气体流量稳定控制阀20的一实施例中，所述第一气体流量调控管241和所述第二气体流量调控管242的数量均为三根。
在本申请提供的气体流量稳定控制阀20的一实施例中，参见图8，气体流量稳定控制阀20还具体包含有如下内容：入口接口27，且该入口接头的两端分别为单孔端口和多孔端口；所述入口接头的单孔端口用于与所述注气管线的干线3连接；所述入口接头的多孔端口与所述阀体21一端口处的各个所述电磁阀25连接，且所述入口接头的多孔端口中的各个孔的数量大于或等于所述阀体21一端口处的各个所述电磁阀25的数量。
在本申请提供的气体流量稳定控制阀20的一实施例中，参见图8，气体流量稳定控制阀20还具体包含有如下内容：出口接口28，且该出口接头的两端分别为单孔端口和多孔端口；所述出口接头的单孔端口用于与所述单井管线8连接；所述入口接头的多孔端口与所述阀体21另一端口处的各个所述电磁阀25连接，且所述入口接头的多孔端口中的各个孔的数量大于或等于所述阀体21另一端口处的各个所述电磁阀25的数量。
其中，所述阀体21的两端分别设有多个第一螺栓孔211；相对应的，参见图9(a)和图9(b)，所述阀盖22上分别设有与各个所述第一螺栓孔211的位置分别对应的第二螺栓孔221。
所述阀盖22上设有多个与所述中心通道23以及至少一个所述气体流量调控管24的位置分别对应的通孔222；各个所述通孔222的靠近所述阀体21的一端均设有密封凹槽223。
具体来说，所述气体流量稳定控制阀20的一种举例中具体包含有如下内容：
控制阀结构剖面见图8，剖面上有3个通路，通路数量可根据情况增减。
控制阀由连接接头、电磁阀25、阀盖22、阀体21和电磁阀25控制器26组成。图8中的阀体21显示，中间为通道型，气体以管流方式通过；两侧安装了气体流量调控管24，调节气体稳定流动。
(1)结构
①连接接头
接头两侧分别为单孔和多孔结构。单孔一侧连接注气管线，多孔分别与阀体21对应的通道管线连接。
入口处的接头使气体进入控制阀后可分散进入各通道，出口处的接头使控制阀各通道流出的气体汇集并输出进入单井管线8。
②阀盖22
阀盖22上的螺栓孔用于螺栓固定；通道孔有密封凹槽223结构，加密封圈后使内部的气体流量调控管24密封在两个阀盖22内。
③阀体21
图10(a)及图10(b)所示的阀体21内部为7个通道，中心位置为管流通道，边缘为渗流通道。渗流通道之间相互独立。
阀体21为钢制。与阀盖22相对应处有螺栓孔，内丝扣。渗流通道间隔较大，便于操作。整体耐压40MPa。
④气体流量调控管24
气体流量调控管24有3层结构，外层为钢筒，耐压40MPa；两端面光滑，与O型圈密封。中层为密封层6，由环氧树脂固化形成，耐压40MPa。内部为孔隙结构柱体，有规则孔隙和岩石孔隙两类。
孔隙结构柱体的描述参数为：渗透率，直径，长度。规则孔隙柱体14由金属粉末烧结压制而成，特点是孔隙均匀、统一性强；渗透率在200～2000mD范围。岩石孔隙柱体15由均匀的石英砂粒胶结压制而成，渗透率可调整至10～200mD范围。
制作时，先将孔隙柱体1放置在钢筒中间进行环氧树脂的浇铸，使3层结构形成一体。
⑤控制器26
控制器26为具有硬件接口的计算机，采集气体流量计81的瞬时值，依据已存储的气体流量调控管24渗透率参数，自动计算调配多组控制阀的渗透率匹配，并控制相应电磁阀25的开关。
(四)气体流量稳定控制系统
基于上述的气体流量稳定控制阀20，本申请实施例还提供一种气体流量稳定控制系统，参见图11，所述气体流量稳定控制系统具体包含有如下内容：
多个气体流量稳定控制阀20；各个所述气体流量稳定控制阀20的分别经由各个分支管线10连接至所述注气管线的干线3，以使各个所述分支管线10均与所述注气管线的注气入口7连通；所述气体流量稳定控制阀20的两端分别设有入口接口27和出口接口28；各个所述气体流量稳定控制阀20经由各自唯一对应的所述入口接口27分别与各个分支管线10连接；各个所述气体流量稳定控制阀20经由各自唯一对应的所述出口接口28分别与各个所述单井管线8连接。
其中，各个所述单井管线8上分别设有气体流量计81，各个所述气体流量计81分别与所述控制器26通信连接。
以下结合油田现场实际条件，说明本申请的特点。
应用条件：高压气体压缩机日产气最大10000Nm3/d，输出最高压力25MPa。压力20～23MPa之间，日产气在7000～9000Nm3/d。
在注气间通常有不少于5口井，由干线统一供气，经分支管线分注到单井管线中，如图11。根据油层情况，设计1#井～6#井的日注水量依次为3000Nm3、2000Nm3、1500Nm3、1000Nm3、1000Nm3和500Nm3。
现有技术通常在图11所示的控制阀位置安装普通针型控制阀。
高压气体压缩机产出气经干线后进入分支管线中，利用普通针型控制阀阀针与阀体间隙的调整方法在实际应用中无法实现流量的分量处理，只能大致获得注入量相对大小的控制。只能依据各井地层吸气情况进行气量分配，实际是人工无法操控的状态。
②使用工业用大流量气体稳定控制阀的过程及效果
图12的单井管柱的侧视效果，结合两图介绍控制阀的参数设计、气体流量调控管的安装以及控制阀在注气过程中的应用。
a.控制阀设计
结合注入井初期测试结果，获取吸气状况、井底压力、温度和油层厚度等参数，优选气体流量调控管内孔隙结构柱体的参数。由于已加工的阀体内部通道直径和长度已经确定，因而只调整孔隙结构柱体的渗透率。
通常控制阀内安装3根规则孔隙柱体和3根岩石孔隙柱体的气体流量调控管，不同渗透率级别的孔隙柱体利于干线内对单井气量分配的调整。根据注气设计量，相应的，1#井～6#井流量控制阀的渗透率按照一定比例依次降低。示例的分配情况见表3，其中1#和2#配置相同，平均渗透率最高；3#、4#和5#配置相同；6#配置的平均渗透率最低。
表3气体流量调控管渗透率设计
Figure BDA0002506195560000171
b.气体流量调控管的安装
气体流量调控管需要按照渗透率等级制作系列产品，并浇铸成一体。经过渗透率测试确定参数，其数值准确至个位，例如1788mD。表3中的渗透率示例值也是相应的数值，可以一定幅值的波动，例如2000mD气体流量调控管通常可由1788mD管替换。
具体来说，本申请实施例提供的气体流量稳定控制系统的安装方法，参见图13，具体包含有如下内容：
S100：将孔隙柱体同轴装设至金属筒中，并在所述金属筒与孔隙柱体之间填充密封层，以形成气体流量调控管。
S200：将至少一个所述气体流量调控管分别装设至所述阀体内。
S300：将至少一个所述气体流量调控管在所述阀体内的对应位置信息发送至所述控制器进行存储。
S400：将两个所述阀盖分别安装在所述阀体两端，并将入口接口和出口接口分别固定连接至对应的所述阀盖上。
S500：将各个所述入口接口分别连接至各个所述分支管线，并将各个所述出口接口分别连接至各个所述单井管线。
分别将规则孔隙控制管和岩石孔隙控制管安装在阀体内，记录对应位置，并输入控制器的对应文件内。
气体流量调控管安装在阀体内后，安装好两侧阀盖，确保气体流量调控管处于独立、密封状态。安装好单体流量控制阀。
c.控制阀在注气过程中的应用
将安装好的控制阀分别安装在对应的位置处，即与主干线及单井管线连接。
应用时，在控制器计算机中，输入对应单井的目标注气量，确定各控制阀渗透率对应数据准确。
第1步：6个控制阀中中心通道两侧的电磁阀全部打开，同时其余电磁阀全部关闭。
第2步：高压气体压缩机开启，并向干线及单井中注气。待运行平稳后(5min)，开启控制器自动配置功能。
第3步：计算机自动控制并联大流量控制阀相应的气体流量调控管两侧的电磁阀。
例如：按照表3中的设计及图14中的并联流程示意。计算机可能先开启1#井：2000；2#井：1000和500；3#井：1000；4#井：500；5#井：500和6#井：200，其中，K1-Kn代表各个井的渗透率数值或数值范围，其中，在图14中，n等于6。而在实际应用中，n也可以设置为大于6的正整数。根据单井瞬时的流量反馈，进行相应控制阀的调整。该过程持续调整，直至分支流程内的流量达到允许范围。
第4步：若控制器未能综合平衡调整，则给出某控制阀内气体流量调控管或整套控制管的建议渗透率值。则需要进行重新的控制阀调整，该步骤在设计注入量不变的情况下，最多操作一次。
综上所述，本申请实施例提供的气体流量调控管、气体流量稳定控制阀、气体流量稳定控制系统及气体流量稳定控制的安装方法，具有以下优点：
1.发明了满足大流量气体形成稳定流动的控制装置，在多井同时注入时，起到调整单井流量的作用；
2.控制阀结构简单，换芯操作方便，使控制阀的工作范围可调整。
3.控制阀的流量调节由程序控制，实现整体干线上多井数的综合调控。
4.控制阀价格相对较低，适宜国内注气油田的综合条件。
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 (13)

1.一种气体流量调控管，其特征在于，包括：金属筒、沿该金属筒长度方向设置在金属筒内部的孔隙柱体，以及填充在所述金属筒与孔隙柱体之间的密封层；
所述孔隙柱体的内部分别形成多个单流道以使所述孔隙柱体内部形成渗流通道；
其中，所述单流道的内径、长度和渗透率预先根据用于表征流经所述孔隙柱体内的气体的流动状态的雷诺数确定。
2.根据权利要求1所述的气体流量调控管，其特征在于，所述孔隙柱体包括：规则孔隙柱体；
所述规则孔隙柱体为由金属粉末制成的均匀孔隙柱体，且该均匀孔隙柱体内部的各个所述单流道的内径相同，各个所述单流道的渗透率为200至2000mD。
3.根据权利要求1所述的气体流量调控管，其特征在于，所述孔隙柱体包括：岩石孔隙柱体；
所述岩石孔隙柱体为由石英砂粒制成的非均匀孔隙柱体，且该非均匀空隙柱体内部的各个所述单流道的渗透率为10至200mD。
4.一种气体流量稳定控制阀，其特征在于，包括：管状的阀体、分别设置在该阀体两端口的阀盖；分别设置在所述阀体内部的中心通道以及至少一个如权利要求1至3任一项所述的气体流量调控管；
至少一个所述气体流量调控管分别沿所述阀体的长度方向独立设置，且所述中心通道与所述阀体同轴设置；
所述中心通道以及至少一个所述气体流量调控管的两端分别穿过对应的所述阀盖与各自唯一对应的电磁阀连接，各个所述电磁阀分别与一控制器通信连接；
设置在所述阀体一端口的各个所述电磁阀分别用于与一注气管线连接，设置在所述阀体另一端口的各个所述电磁阀分别用于经由一单井管线与注汽井连接。
5.根据权利要求4所述的气体流量稳定控制阀，其特征在于，所述气体流量调控管包括：至少一个第一气体流量调控管和至少一个第二气体流量调控管；
所述第一气体流量调控管的孔隙柱体为规则孔隙柱体，所述第二气体流量调控管的孔隙柱体为岩石孔隙柱体；
所述规则孔隙柱体为由金属粉末制成的均匀孔隙柱体，且该均匀孔隙柱体内部的各个所述单流道的内径相同，各个所述单流道的渗透率为200至2000mD；
所述岩石孔隙柱体为由石英砂粒制成的非均匀孔隙柱体，且该非均匀空隙柱体内部的各个所述单流道的渗透率为10至200mD。
6.根据权利要求5所述的气体流量稳定控制阀，其特征在于，所述第一气体流量调控管和所述第二气体流量调控管的数量均为三根。
7.根据权利要求4所述的气体流量稳定控制阀，其特征在于，还包括：入口接口，且该入口接头的两端分别为单孔端口和多孔端口；
所述入口接头的单孔端口用于与所述注气管线的干线连接；
所述入口接头的多孔端口与所述阀体一端口处的各个所述电磁阀连接，且所述入口接头的多孔端口中的各个孔的数量大于或等于所述阀体一端口处的各个所述电磁阀的数量。
8.根据权利要求7所述的气体流量稳定控制阀，其特征在于，还包括：出口接口，且该出口接头的两端分别为单孔端口和多孔端口；
所述出口接头的单孔端口用于与所述单井管线连接；
所述入口接头的多孔端口与所述阀体另一端口处的各个所述电磁阀连接，且所述入口接头的多孔端口中的各个孔的数量大于或等于所述阀体另一端口处的各个所述电磁阀的数量。
9.根据权利要求4所述的气体流量稳定控制阀，其特征在于，所述阀体的两端分别设有多个第一螺栓孔；
所述阀盖上分别设有与各个所述第一螺栓孔的位置分别对应的第二螺栓孔。
10.根据权利要求4所述的气体流量稳定控制阀，其特征在于，所述阀盖上设有多个与所述中心通道以及至少一个所述气体流量调控管的位置分别对应的通孔；
各个所述通孔的靠近所述阀体的一端均设有密封凹槽。
11.一种气体流量稳定控制系统，其特征在于，包括：多个如权利要求4至10任一项所述的气体流量稳定控制阀；
各个所述气体流量稳定控制阀的分别经由各个分支管线连接至所述注气管线的干线，以使各个所述分支管线均与所述注气管线的注气入口连通；
所述气体流量稳定控制阀的两端分别设有入口接口和出口接口；
各个所述气体流量稳定控制阀经由各自唯一对应的所述入口接口分别与各个分支管线连接；
各个所述气体流量稳定控制阀经由各自唯一对应的所述出口接口分别与各个所述单井管线连接。
12.根据权利要求11所述的气体流量稳定控制系统，其特征在于，各个所述单井管线上分别设有气体流量计，各个所述气体流量计分别与所述控制器通信连接。
13.一种如权利要求11或12所述的气体流量稳定控制系统的安装方法，其特征在于，包括：
将孔隙柱体同轴装设至金属筒中，并在所述金属筒与孔隙柱体之间填充密封层，以形成气体流量调控管；
将至少一个所述气体流量调控管分别装设至所述阀体内；
并将至少一个所述气体流量调控管在所述阀体内的对应位置信息发送至所述控制器进行存储；
将两个所述阀盖分别安装在所述阀体两端，并将入口接口和出口接口分别固定连接至对应的所述阀盖上；
将各个所述入口接口分别连接至各个所述分支管线，并将各个所述出口接口分别连接至各个所述单井管线。
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