井流模拟系统的制作方法

本发明涉及一种用于对由井、流动管线、立管和管段组成的系统中的流量进行控制的系统。

本发明涉及一种算法，该算法用于对在井、管段、管道和立管中的由碳氢化合物和最终添加的乙二醇或动力流体组成的网络中的流量、压力和温度所包括的能量供应和损失进行计算。网络“分支”是表示井、管道、短管、立管以及距离坐标(分支模型)的管道工程设施的常见抽象概念。因此，东和西被用作方向和边界定义。分支是具有几何参数的管材料的物理装置，从东向西或从西向东输送流体。wo2009/024545描述了适于对分支的输入和输出进行控制的单个分支，而wo2013/192516描述了用于在用户输入的辅助下评估分支中的流量的方法。开发了根据本发明的算法以用于处理具有无限数量的分支的单个或多个流网络。流网络分支网格(网络模型)包括在交叉点处连接的分支。交叉点被定义为在网络内部，而对于远东和远西边界而言在外部。网络分支网格内的质量、压力、能量的基本本构方程是本发明的基本基础。

流网络被分成由交叉节点指示的“层”，交叉节点连接来自远西的分支，远西表示单独的井入流，井入流终止于远东边界处，远东边界由具有限定的流量、或者压力和/或温度的单独的终端来表示。网络分支的外部边界条件或者由外部储层流动模型、开采现场原位传感器数据、来自表格、数据库的静态数据来定义，或者由人类个体定义的时间关系来定义。

本发明涉及油气上游工业。本发明的动机是建立一种用于多相和单相流网络的流模拟器，该流模拟器具有可操作的实际致动器(节流阀、泵、压缩机)型控制器设施。作为开采优化问题的一部分，本发明可以被用于预测开采性能并且根据传感器监控来辅助日常现场计算。本发明的益处是更好的规划、更准确的可行性研究以及就经济和安全而言的改进的油气开采现场的操作。

专用的求解程序逻辑用于对流量压力关系中的不连续性和非线性进行处理，同时对与实际生活情况一致的致动器型控制器进行处理。由于有效的子网络处理和记忆原理提供了计算机存储器和处理器的有效使用，因此可以对大型的单个或多个网络进行处理。

现有的流量保障软件产品应用被离散成差分系数稀疏带矩阵的质量、动量和能量方程。求解程序取决于方程的特性除了是干净的抛物线以外，是完整的抛物线还是部分的抛物线曲线、是椭圆形的还是双曲线形的，从而导致大的计算机工作量。逆矩阵导致分配给分支网络节点的线性近似的压力与流场。us7672818中具有示出了这样的系统的一个示例。大型的流网络需要大的矩阵以及根据以及压力、质量动量和能量本构方程的解耦和串行处理进行的迭代计算。传统方法需要大量的计算机工作量并且需要得到合理的预测。平衡方程和病态数值模型中的不连续性可能导致不稳定和错误的解。在us9212538中讨论了解决这一问题的一种已知解决方案，该已知解决方案使用子系统模块和矩阵。

本发明使用已建立的基本质量和动量平衡方程方法。然而，本发明的关键部分表示为算法，以对在沿着网络轨迹的流量与压力的计算期间进入井中的储层输送的强烈的不均匀性和流量压力关系的不连续性进行处理。在时间基础上为各个实际井操作范围预测压力带，以限定允许流动的条件受限的最大压力和最小压力。受限的井压带还取决于可用的泵/压缩机性能和动力流体。该算法随时间记录每个交叉点上的压力与流量关系，该压力与流量关系根据先前时间结果求出的交叉点处的压力与流量关系进行更新。将与压力无关的局部网络进行分类并且记录，以提高计算速度并减少计算机负载。求解程序在子网络的上层与下层之间交换相关消息，以有助于获取与每个网络层目标值和类型、目标函数的准确度、响应于局部层约束的实际分支有关的必要信息，并且如果存在压力受限的井则进行切换以允许弱井首先尝试生存，或者如果不可能则关闭弱井。

因此，本发明的目的是提供一种系统和方法，所述系统和方法能够以容易扩展的方式对分支系统中的流进行优化。该目的如所附权利要求所呈现的被实现。

本发明提供了用于在稳态和瞬态条件下使用的模拟原理。物理现象包括单相和多相流模型。该方法计算网络中的流量与压力的关系而不需要线性关系。该方法采用学习逻辑来提高计算速度或性能。该方法允许在合理的时间内对大型的流网络进行模拟。系统基本原理以通用术语描述而不集中于细节。

下面将参照附图描述本发明，从而借助于示例图示本发明。

图1图示了网络开采系统的概述。

图2图示了如图1中所图示的系统中的一个分支。

图3图示了本发明的优选实施方式的简化流程图。

在图1中，开采系统被示意性地图示为分支1，该分支1具有例如在根据本领域的常见术语的西w中、在表面0处连接至顶侧系统5的出口点2，从而接收来自地质地层的碳氢化合物。分支1的另一、下端部具有进入点3、3a，进入点3、3a是连接至许多流入口4的节点，所述许多流入口4位于系统的根据术语的东e中。流输入部可以以串联的方式连接至其他分支1a或连接至通过入口4开采流体的地质地层。

在图2中，图示了一个分支1，该分支1具有出口点2和节点进入点3，以及多个流入口4。如以上所提及的，位于进入点3处的流输入部可以充当与任一其他分支1a的交叉点或者直接连接至位于地质地层处的入口4，在该地质地层处，包括地层中的碳氢化合物的开采流体进入井系统中。

流输入部或入口4可以优选地还包括流量控制单元7，比如用于关闭和限制进入系统的流的阀。

分支1、1a将优选地还包括分支流量控制单元6，如阀、流量限制器和/或泵或压缩机和/或如用于对分支中的流量和压力进行调节的气举装置的其他相关的物品。分支1、1a也可以包括用于温度控制的热源和/或散热器。流量控制单元6、7可以单独地用于对每个分支中和系统入口4的进入点处的压力/流量条件进行控制。

在井系统中，可以在选定的位置处包括多个传感器，例如在流入口4处、在控制单元6、7中以及在分支1、1a中包括多个传感器，从而提供与井系统有关的最新数据，并且将采样的信息报告给主要控制单元5，该主要控制单元5通常位于井的外部，包括用于执行用于实行本发明的计算的计算机。

根据本发明的方法定义了网络级，该网络级从终端边界(远)东(e)节点3和入口4处开始到达西(w)方向处，从而为连接分支1、1a的每个上游分支交叉点定义了层(l)，直到在(远)西5处到达井边界入流为止。从西到分支交叉点的一个或更多个源分支以及从交叉点的西到东的平行分支是可行的。可选定义的多流网络可能交换质量和能量或者可能不交换质量和能量，并且在其他网络层的任何层处可能具有压力连续性或可能不具有压力连续性。可以重新分布(重新定路径)网络分支到分支的连接，或者可以在运行时间期间通过条件事件处理命令来被改变网络交叉点的连接。

分支1、1a包括在系统中被识别的“主要元件”(元件)或影响流量的控制单元。元件或控制单元6可以是管部段、泵、压缩机、井流入物品、流入源、流出汇、分离器、分流器、加热器、冷却器、节流阀、收敛扩散测量喷嘴(cdmn)、泵、压缩机。能量平衡被施加在管部段、节流阀、动力设施上，其中，流量与压力的关系意味着来自旋转动力设施的耗散能量损失或压力增加。物品被定义为用作致动器的可控元件。非主动元件是管部段、分流器、分离器、cdmn和可选的源/散热器。然而，作为动力流体而应用的源可以作为有源物品而应用。

在元件类型源/汇、相流分流器和相分离器中，元件的西-东边界之间的总质量是平衡的。质量汇可以作为源被定路径至其他分支交叉点3，或者在当前或并联网络中的分支源元件处被定路径至其他分支交叉点，或者可以在没有特定目的地的情况下被发送出网络。分支中的质量源元件可以被接纳在交叉点3处，交叉点3开始于网络的一个或更多个分支中的散热器元件、或开始于并联网络，或开始于不作为外部输入相特定源入口4。

主要元件加热器和冷却器是潜热响应器，以平衡满足温度目标和网络中的约束。

物理体积、流变和热流体相性质(流体模型)是根据基于现有工业已知格式的相关关系或预定压力与温度表格来定义的。

该方法允许有条件地设置初始条件和边界条件、启用和停用比如物品、传感器的控制单元、物品参数的重置、将交叉点之间的分支的重新定路径或将分支重新定路径至其他分支中的专用源、在开采或注入构型之间重新定义井分支类型、重新配置物理流体模型模板、重新配置网络设置、设置与模拟过程相关的其他重要参数。可以在交叉点3、物品元件处以及沿着分支轨迹的传感器位置处定义目标/约束。每个控制单元的控制器可以被设置为手动、pid或直接预测模式。

主动主要元件6、7是致动器，该致动器代表在交叉点、传感器或物品处具有相流、压力或温度的最大/最小/目标(约束)设定点的控制器，以确保接近实际约束。控制器逻辑便于致动器设置，该致动器设置代表与定义的目标和约束有关的最小化能量损失，代表本发明的总体目标，这与流优化同义。

数值模型用于对跨越元件分支、子网络和完整网络的通量和潜在变量进行计算。确保了在交叉点边界处的质量流体相、动量和能量平衡。通过该模型，能够实现邻近的分支网络之间的质量、压力和热传递。

根据本发明的系统还可以包括用户接口以及打开文件，以定义所需的设置并且执行相关的网络流模拟。

用户然后可以定义分支、网络事件、物品、控制器、流体系统。关键参数是交叉点、传感器或物品处的目标、约束。压力、流温度的推荐精度参数是适用的目标和约束。

为与具有相关控制器参数的最大/最小/目标(约束)设定点组合的致动器建立的控制器设置/定义取决于控制器是手动的、pid的还是直接的。直接控制器是计算直接稳态响应以满足实际目标的致动器。pid控制与过程的动态特性和行动者本身有关。

时序事件基础结构用于设置与以下各项相关的任何参数：物品、边界约束(条件)、时间步长限制、启用和停用物品、打开封闭井、使井在注入器与开采器之间转换、设置精度、将网络分支重新定路径或重新配置网络分支、重新配置物品、模拟终止准则。所有这些可以在初始和运行时间期间设置。与外部数据流组合的该输入代表用于模拟的完整输入和模拟情况的结果的传递。

来自外部油藏模拟器的所接收的输入数据、从传感器进行的离线或实时测量、或者来自ops服务器或静态数据库的预模拟的基于事件的输入代表边界条件随时间变化的完整集合。

如果模拟是离线的或实时的，则结果可以在本地存储以供在线或离线显示/存储，并且也根据实际模拟目的被交换到外部应用。

可以在与同井系统有关的已知信息相关的逻辑检验中控制案例参数设置和入口数据。不适当的设置或不恰当的输入数据流可能导致错误消息和案例运行终止。

网络中的分支到分支连接3优选地在从构成多个网络轨迹的远西侧开放交叉点边界层(ln)直至远东开放终端交叉点层(l1)的方向上按层进行分选。

网络轨迹被细分成多个子压力网络，而没有与其他分支轨迹相关的压力影响。在子网络中，流量、压力温度方程求解程序可以串行地或并行地工作。

质量或压力连续性与最终并联网络的接口/交换被分选，以用于求解程序子网络管理。

从西到东，每个子压力网络的网络层被用于定义分支的计算顺序。

定义消息传输结构以服务于子网络层之间的双向相关求解程序信息。消息结构构成了通信系统，通知进入层的有关的流分支(子网络的一部分)、实际约束属性、约束的位置(交叉点、传感器、物品)、约束的类型(最大、最小、目标)、准确度、实际约束值。约束条件可选地为相流量、速度、压力、温度。

预先确定受限的最大/最小出口压力，以约束每个分支或子网络的压力场范围。这些可以由用户设置或根据每口井的井入流性能来定义。当交叉点压力超过实际约束的这些极限时，当这些极限不能被满足时，井不能流动。

分支计算顺序遵循从被定义为西侧5的本地层到东方向的流方向，直至到达浮动/固定交叉点3或内部或物品或传感器目标/约束4、6、7为止。初始序列在最西层开始。通过从远西至实际层的分支进行了子网络的计算，依次通过分支逐层计算直至到达远东层为止。子网的上游分支、实际变量类型(压力、流量、速度、温度)、约束类型(最大、最小、目标)、实际准确度和约束值都被存储在被传送给求解程序的消息框中。在求解过程期间，在较高层与当前层之间传送当前层的消息框。参考的交叉点压力场存储在从最西开始的当前子网络的分支处，直到当前层是物品、传感器或交叉点的实际约束分支的实际位置为止。东和西参考压力在求解过程期间是恒定的。在收敛和接受的解之后，压力参考在实际分支上被重置到实际层中。

在层处与本地约束的初始偏差将预测本地东级(lc)处的起始压力校正xle，从而启动/触发可以使用控制单元6、7的求解程序。

初始xle是根据实际变量类型(压力、流量、温度)估计的或者是从先前的时间求解程序获取的。当在方向西中横向于增加层时，根据本地终端东层(lc)计算网络交叉点压力场。存在由许多交叉点给出的并联和串联层以及输送到给定层中的实际流分支。层是西侧递增的lc、lc+1、lc+2..ln，其中“ln”代表作为远西层的井入口。每层由层l的西(jlw)和东(jle)分支交叉点3连接在一起。东交叉点与西交叉点之间的压力增量关系是根据历史数据和当前流量与时间的关系建立的。函数求解程序会在方向西中横向运行期间在每一层搜索可用的主动致动器。当主动致动器或控制单元6、7可用时，层从西向东横向移动直至到达本地层为止，约束触发计算。如果在西处没有其他致动器，则井入流是响应者，然后返回西。重复西东横向运动直至满足实际约束。

在网络级对实际致动器6、7的控制应用与注入和开采条件相关的一些基本规则。

-如果节流阀在目标的任何层中都被节流，则不允许使用高于最小动力的动力。

-在使用动力前将阀门打开到最大位置。

-在允许节流阀的节流之前关闭动力流体。

-仅在节流阀处于最大位置时才接通动力流体。

-允许节流、动力、动力流体满足内部水平目标/约束，同时用部分固定的致动器调节井入流以满足终端远东目标。

-如果子网络处于状态目标流量，则处于最大位置的至少一个节流致动器允许使用动力。

-如果多于一个的节流阀小于最大位置，则不允许使用动力。

-手动控制器不允许被用作主动致动器。

-pid控制器在时间步之间被重置，但是在时间步的解算期间被作为手动控制器处理。

-在级处的多个目标在目标流量或最大/最小压力或流量之前将优先于目标压力。

-类型温度的约束变量只能启动来自加热器或冷却器的潜热。

-动力装置可选地应用厂商定义的扬程与rps和流性能。

该求解程序定义了一个变量基本梯度驱动方程求解程序fun()，该求解程序是与黄金搜索、塞曼法、牛顿拉夫逊或与非惯性函数梯度等效的密切相关的混合方法。该函数是递归的，用于流网络的所有层。fun()具有处理不连续性和非线性对象函数的重置能力。该函数具有重置选项，当出现不连续条件或从目标函数搜索接收到重置命令时该重置选项被启动。当在没有封闭井或增加能量的情况下压力范围不能满足解决方案时，如果需要新的自由变量响应器来满足目标函数、或者如果在变量搜索期间目标位置从交叉点改变到传感器或到物品或者从传感器或物品改变到交叉点，则需要函数重置。当实际约束变量是压力或流量时，方程求解程序的自由变量被定义为从井入流、电力设施、节流阀或质量重力减小的源预测的压力响应器(气举装置、喷射泵驱动流体)，因为这些参数都影响压力场。

潜热仅是来自加热器或冷却器的响应器，对压力场的影响可以忽略，并且不允许用于压力约束。允许将来自冷却器/加热器的潜热作为仅与温度限制相关的响应器。

算法序列

在网络层，即求解程序被触发的层，类型为最大、最小、目标的约束定义“valconle”，其是或者流量、速度、压力或者温度、位于东(e)处的在当前层“l”的分支中的交叉点、物品或传感器。因变量xle代表层l的东侧处的压力校正，或者xle代表温度目标的情况下是否存在潜热。

dxle是xle的微分，在funle()中的每一层上在本地求解程序期间使用。

任务是计算使funle()最小化的xle。

对于触发求解程序的东层而言，目标函数funle(xle)是在交叉点、传感器或物品处根据实际的本地流量/压力温度目标(这里定义为valconl)定义的，取决于约束对计算进行触发位置，当前计算值是“valcalcle”。

funle(xle)＝valconle-valcalcle

valcalcle是定义了约束值valconle的位置处的等效计算属性。约束是流量、速度、压力或温度。对于层＞1而言，本地目标函数总是与本地和所计算的东侧压力交叉点压力校正值的差异相关，而与触发求解程序的水平处的原始目标类型和位置无关。

需要上游层中的热交换器来满足网络中的温度目标。在没有主动冷却器/加热器的情况下，将省略/绕过任何温度目标/约束条件满足。压力场校正通常对最终的温度约束的影响很小。

从东层向西层横向移动并且回到东的递归程序继续进行，直到以所需的精度获得导致求解函数的xel为止。

从此处开始，对于每一层重复该算法，从起始层lc开始向下到最西的网络层、或者直至增加的层链中有足够的致动器为止。

设置从层i直到最西的子网络成员，设置本地约束(压力、流量、温度)、约束类型(最大、最小、目标)、作为水平l的本地分支处的交叉点、传感器、或物品的位置、准确度、与实际约束相关的当前计算结果。

递归地调用该函数，直到找到远东或致动器为止。

根据本发明所使用的数值方法被开发以基于递归体系结构来计算网络中的流量。该方法在限定的公差极限内寻找与流量和压力有关的优化收敛解。包括控制器设施以获得反映外部能量和化学注射需要的最小使用的优化解决方案。该方法存储网络交叉点之间的相关数据，并且应用该信息来提高计算速度。递归示意图允许在没有计算机存储限制的情况下在大型流网络上计算。考虑压力与流量的非线性特性。

通过这种方式，系统可以在合理时间内使用现实的操作条件来模拟大型网络，从而解决了非线性行为。该系统依赖于数据存储和数据交换功能来与外部环境(外部“从站”)交互(获取和发送)数据，并且存储用于分支、主动物品和传感器的输入和计算值。该系统的核心概念是流量与压力求解程序方法。包括所需的gui、数据存储和数据输入和输出处理程序，以管理完整的案例场景。

通常，执行系统设置的验证以验证模型设置并且报告与不利设置或不适当定义的边界条件有关的警告或错误。执行事件，并且为相关的交叉点以及内部分支目标和/或最大和最小约束定义初始边界流、压力温度条件。当提及现有井时，边界条件可以基于假设或反映与如上所述的地质条件有关的知识。

图3中图示了根据本发明的方法的概述，在图3中，示出了以下步骤：

11.设置当前时间的边界数据。当与井系统关联使用时，这些边界数据可以基于来自位于井系统的相关部分中的传感器的测量结果或先前已知的条件。

12.启动系统并且设置所需参数。这些参数可以包括比如来自井系统或选定的子系统的所需输出流量和压力的参数。

13.选择子压力系统，以表示第一分支或分支系统。

14.选择子压力系统中的下一分支，并且确定自由变量的目标值，以用于获得该子压力系统的所需参数。自由参数可以是用于分支输入部处的压力和流量的可用调节范围。

15.根据当前边界条件计算响应。

16.响应是否在自由参数的可用范围内？

17.如果否，还存在其他可用自由变量吗？

18.设置状态信息以传送至与第一分支连接的下一分支，例如，由所得到的计算的输出参数或分支的必要输入参数代表。

19.子压力系统中的终端分支？

20.是否满足系统的边界条件？

21.调节目标值。

22.井系统中的所有子压系统的计算是否都已经完成？若是，则结束。

因此，根据本发明的这种递归方法和系统通过下述方法来在井系统中建立流动条件的模型：一次模拟一个分支，并且在分支之间来回移动以适应代表可用范围内的流控制器和分支的模型处的条件直到实现可操作的模型或达到用于计算的选定停止点为止。

总之，本发明利用了用于单相和多相压力流求解的递归求解方案，在终端西侧第一网络层与远东层之间横向校正一个递归函数内的交叉点压力场，以满足本地和终端目标或者类型流、压力和温度的约束。

在模拟期间，对井流施加压力限制以与求解程序交互，以重置压力与流量的计算，从而主要避免井关闭，或者在需要的情况下，在方程求解程序过程期间关闭井并且自动重复计算。

每个交叉点处的流量与压力的记忆功能用于以适应交叉点压力与流量的快速执行。

在方程求解程序期间在层中应用隐式致动器型控制器以将目标重置为最大/最小约束，从而自动选择相关自由变量以满足内部和外部目标和约束。

在主要的流网络内应用分支压力链，从而允许子网络的并行处理以处理大型流网络。

在建模系统中，井系统由将碳氢化合物从至少一个分支进入点(3、3a)引导到分支出口点(2)的多个分支(1、1a)表示，所述分支中的至少一个分支构成全局井系统出口点。

每个分支具有分支进入点(3、3a)，该分支进入点(3、3a)设置有至少一个流输入部(4)且与已知的边界条件相关，并且设置有输入流量控制单元(7)，输入流量控制单元(7)与可调节的流动特性相关以用于控制通过所述输入部的流量，所述边界条件包括与输入流量控制单元处的压力、温度和流量中的至少一者有关的预定数据。

分支导管包括分支流量控制单元(6)，分支流量控制单元例如具有可调节的流动特性以控制通过分支的流量。

系统控制单元基于边界条件和已知的流动条件而适于根据所述边界条件和在所述输入部、分支和分支出口点中的至少一者中的所选定的流动条件来计算在每个输入点处和通过分支的流量。该系统还适于基于所述边界条件来计算模型，边界条件包括在每个输入点和提供所选定流动输出的分支处的选定流动特性。

优选地，系统包括以串联的方式连接的至少两个分支，其中，第一分支的进入点处的所述流输入部中的至少一个流输入部联接至同样由所述分支中的一个分支构成的前一分支的出口点。

所述流输入部中的至少一个流输入部可以是来自周围地质地层的入口，其中，边界条件基于传感器、比如用于测量通过所述点的压力、温度和流量的装置。

本发明特别有利于构成分支网络的分支，将出口点连接至输入点的分支网络中的至少一部分分支网络是一系列，这些分支网络包括联接至周围地质地层的多个流输入点，系统控制单元能够控制所述分支和输入控制单元，以便在全局井系统出口点提供预定输出。在这种情况下，系统控制单元适于递归地遍历每个分支和控制器，计算和平衡每个分支中的流动条件，从而获得所述预定输出。

用于控制如上所述的系统的方法提供了一组预定值，比如来自井系统的所需输出流量和压力，该方法包括：针对每个串联连接的分支，从全局输出值开始计算与该分支的出口值相对应的分支的输入值，并且针对入口或分支特性调节流量控制器的目标值以获得所述预定全局出口值。如果对流量控制器的边界条件和调节范围的限制不提供实际的解决方案，则利用一组新的条件和调节来重新计算先前分支，之后基于先前分支中的调节来重新计算受限的分支。

替代性地，该方法可以基于对由地质地层的入口构成的分支输入部处的输入值和用于与所述第一输入部串联连接且基于分支特性的每个分支处的输入值进行测量来计算井的输出条件，并且因此如果可以在那些条件下从井中开采例如碳氢化合物。同样，该方法是递归的，并且可以根据新的目标值来调节流量控制器，以便优化通过井的压力和流量，从而增加井输出。在该方法中，可能有利的是，在每个进入点处，初始定义压力值被定义为最低输入部处的压力。