一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法

本发明涉及石油与天然气勘探开发，特别是一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法。

背景技术：

1、石油天然气是工业生产的重要资源，是支撑国家发展的重要。2020年全球探明的石油储量较2008年上升2305.8亿桶，增长0.6％，但是由于地质条件等众多因素的影响，石油资源在全球的分布极度不均。而随着我国国民经济的快速发展及人民生活水平的提高，我国对能源的需求飞速增长，能源供需矛盾日益突出，石油天然气资源对外依存度逐年攀升，2020年我国石油对外依存度上升至73％，天然气攀升至43％，大大超过国际公认的警戒线，又受石油天然气出口国政治不稳定和全世界石油天然气资源消耗量快速增长的影响，我国时常出现石油天然气资源供不应求的现象，在一定程度上威胁着我国的能源安全。

2、在油气田开发的过程中，地层的复杂层间能量关系，物性差异、流体渗流速度、油气水动态分布、注采的非均匀性、裂缝-断层-高渗带存在等，必然引起流动层段的相互干扰，结果是：当其中一个或多个层段发生不利于井的生产因素时，就会影响油气井的生产，甚至停止生产。因此，常规完井技术已经很难满足生产的要求。在该背景下，专利cn114151046a通过合理分配每个油层的单独产液量、每个控流过滤器的基准流速来控制均衡开采，工程实施麻烦，且难以精确控制油层开采速率。专利cn204941480采用摩擦来阻碍和减小液体，以此来控制压降达到均衡开采，这种方法工程难以实施，且套管容易磨损导致失效。且上诉两种专利都未进行数仿真，未能研究地层因素对各层均衡开采的影响，因此，为了精确控制各层均衡开采及研究底层各种复杂因素的影响，亟需一种精确控制各层均衡开采的数值仿真方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，它包括以下步骤：

3、s1：基于流体控制阀的结构和工作原理，结合流体控制阀在智能井井下不同产层的实际工况，建立并简化单层流体控制阀数值仿真模型，流体材料选择原油和天然气，获得流体流态，并获取流体流变性参数；

4、s2：采用数值模拟方法，分别改变流体控制阀不同的节流孔开度，改变进口压力，固定出口压力，模拟单层流体控制阀在不同压差参数下产量的变化，并分别评估流体控制阀在高产层和低产层的节流性能，为实际生产工程提供依据；

5、s3：对多层流体控制阀进行流场模拟，采用水平段节流孔模拟多层流体控制阀水平段压降；

6、s4：根据步骤s3计算出的水平井段节流孔面积建立多层流体控制阀数值仿真模型，流体介质设置为天然气和原油；

7、s5：根据数值模拟方法，调节阀距、压差、开度等参数，进行各层开度之间的相互影响规律分析、进行不同层段地层压力对开度的影响规律分析以及进行不同阀距对开度的影响规律分析；

8、s6：根据步骤s5中获得的结果，将天然气产量实现均衡开采时，开度与阀距、压差之间的变化关系制作程序，输入不同的阀距和压差，得到均衡开采时的节流孔开度大小，对实际生产工程提供参考和理论支撑。

9、可选的，在步骤s1中的流体流变性参数包括粘度、密度、比热容、导热系数、热膨胀系数。

10、可选的，在步骤s2中模拟单层流体控制阀在不同压差参数下的产量变化时，将流体控制阀节流孔开度在0～100％范围内设定，固定出口压力，改变进口压力，控制压差变化，得到不同压差下的原油和天然气产量。

11、可选的，在步骤s3中采用水平段节流孔模拟多层流体控制阀水平段压降时，先获得液体流态，接下来分别计算水平井各段的摩阻系数，然后根据范宁摩阻公式进行水平井段压降，最后计算水平井段节流面积；范宁摩阻系数计算公式、范宁摩阻公式和水平井段节流面积公式如下：

12、

13、

14、

15、式中，l为管长，m；d为管径，m；ρ为工作液密度，kg/m3，v为工作液的平均流速，m/s；f为范宁摩阻系数，无量纲量；其中，re为雷诺数，无量纲量，当流体状态为湍流时，n＝1；cq为流量系数，无量纲量，圆孔流量系数取0.82。

16、可选的，在步骤s6中进行各层开度之间的相互影响规律分析时，以固定阀距布置各层流体控制阀，保持进口和出口压力不变，改变各层的节流孔开度，得到各层天然气产量变化结果。

17、可选的，在步骤s6中进行不同层段地层压力对开度的影响规律分析时，以固定阀距布置各层流体控制阀，保持出口压力不变，改变不同层段进口压力，并调节各层的节流孔开度，得到各层天然气产量变化结果。

18、可选的，在步骤s6中进行不同阀距对开度的影响规律分析时，以不同阀距布置各层流体控制阀，保持出口和进口压力不变，并调节各层的节流孔开度，得到各层天然气产量变化结果。

19、本发明与现有技术相比，具有的优点有：

20、(1)本发明理论简单有效，操作步骤方便，形成一套完整的数值仿真流程，可以适用多种结构类型的流体控制阀均衡开采数值仿真；

21、(2)采用水平段节流孔的结构来模拟多层流体控制阀水平段压降，结构简单，提高了数值仿真效率，能够充分为多层流体控制阀均衡开采的数值仿真提供理论支撑；

22、(3)评估了单层流体控制阀的高、低产层的节流效果，为实际生产工程提供依据；考虑了在均衡开采时，阀距、地层压力以及开度本身对开度大小的影响，提高了流体控制阀开度设置的可靠性和可行性，为实际生产工程提供参考和理论支撑。

技术特征：

1.一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，其特征在于：它包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，其特征在于：所述步骤s1中的流体流变性参数包括粘度、密度、比热容、导热系数、热膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，其特征在于：所述步骤s2中模拟单层流体控制阀在不同压差参数下的产量变化时，将流体控制阀节流孔开度在0～100％范围内设定，固定出口压力，改变进口压力，控制压差变化，得到不同压差下的原油和天然气产量。

4.根据权利要求1所述的一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，其特征在于：所述步骤s3中采用水平段节流孔模拟多层流体控制阀水平段压降时，先获得液体流态，接下来分别计算水平井各段的摩阻系数，然后根据范宁摩阻公式进行水平井段压降，最后计算水平井段节流面积；范宁摩阻系数计算公式、范宁摩阻公式和水平井段节流面积公式如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，其特征在于：所述步骤s6中进行各层开度之间的相互影响规律分析时，以固定阀距布置各层流体控制阀，保持进口和出口压力不变，改变各层的节流孔开度，得到各层天然气产量变化结果。

6.根据权利要求1所述的一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，其特征在于：所述步骤s6中进行不同层段地层压力对开度的影响规律分析时，以固定阀距布置各层流体控制阀，保持出口压力不变，改变不同层段进口压力，并调节各层的节流孔开度，得到各层天然气产量变化结果。

7.根据权利要求1所述的一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，其特征在于：所述步骤s6中进行不同阀距对开度的影响规律分析时，以不同阀距布置各层流体控制阀，保持出口和进口压力不变，并调节各层的节流孔开度，得到各层天然气产量变化结果。

技术总结
本发明公开了一种基于数值仿真的流体控制阀精确开度计算方法，涉及石油与天然气勘验开发技术领域；包括步骤：建立简化的流体控制阀数值仿真模型并获取流体流变性参数，模拟单层流体控制阀在不同压差下的油气产量，并评估节流性能，采用水平段节流孔模拟多层流体控制阀水平段压降，建立多层流体控制阀数值仿真模型，进行不同阀距、不同地层压力及开度本身对开度的影响规律分析，将阀距、压差和开度的变化关系制作程序，得到均衡开采时的节流孔开度大小。本发明简单有效，结果可靠性和可行性高，为实际生产工程提供了一种思想和参考。

技术研发人员：赵建国,郑浩天,谢冲,肖晓华,王彬帆,方世纪,谢惠丰
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13