流量控制閥在智能完井中的應(yīng)用分析

賈禮霆，何東升，盧玲玲，楊 雄，安 倫，楊 杰

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

智能井技術(shù)是一項(xiàng)新興的油藏油田生產(chǎn)管理技術(shù)，主要利用在井下安裝永久性的傳感器，實(shí)時(shí)的監(jiān)控井下參數(shù)，利用地面平臺(tái)對(duì)井下開采合理的控制，提高油田的采收率，降低生產(chǎn)成本［1］。智能井技術(shù)一般有井下信息收集傳感系統(tǒng)、井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)收集分析、反饋系統(tǒng)，與常規(guī)生產(chǎn)管理技術(shù)相比有很多不同，如能夠通過地面系統(tǒng)監(jiān)測(cè)井下流入閥的節(jié)流位置，遙控生產(chǎn)，實(shí)時(shí)獲取井下信息，可以控制不同產(chǎn)層的流量，最大限度的節(jié)約生產(chǎn)成本［1］。

井下流量控制閥采用滑套結(jié)構(gòu)，由液壓控制來推動(dòng)滑套的移動(dòng)，改變控制閥節(jié)流面積的大小，影響控制閥的流入動(dòng)態(tài)。其是智能井技術(shù)的核心，是智能井實(shí)現(xiàn)智能開采的執(zhí)行元件。

國(guó)際市場(chǎng)上，Welldynamics和Baker Hughes在對(duì)井下層間流量控制閥(ICV)的研究，處于領(lǐng)先地位。Welldynamics推出了 HS-ICV、HV_series-ICV、IV_series-ICV和MC_series-ICV等不同系列的井下層間控制閥(ICV);Baker Hughes也推出了HMC液控井下層間滑套系列的井下層間控制閥(ICV)用以滿足不同的井下條件［2］。斯倫貝謝石油公司有TRFC系列的可回收式流量控制器等。圖1為科威特某第一個(gè)安裝有智能井系統(tǒng)的油田系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，該井分為兩層，分別安裝有流量控制閥(ICV)，分別控制兩個(gè)油層的開采。

1 控制閥在單層控制中的應(yīng)用

流量控制閥一般安裝在射孔上部，封隔器下部，用于選擇性的開采被分隔油層，提高油井采收率。在工程運(yùn)用中采用節(jié)點(diǎn)分析法和節(jié)流口流體動(dòng)力學(xué)對(duì)其分析。

節(jié)點(diǎn)分析法分析的對(duì)象是油藏到地面分離器整個(gè)油氣系統(tǒng)，其本身的思想是在某位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)，以壓力和流量的變化關(guān)系為主要線索，把節(jié)點(diǎn)隔離的各層流動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型有序的聯(lián)系在一起，從而確定系統(tǒng)的流量。流量控制閥的設(shè)計(jì)主要是對(duì)進(jìn)入控制閥的流量和流量控制閥壓差的分析，在此基礎(chǔ)上確定控制閥的流動(dòng)特性。本節(jié)分別在進(jìn)入控制閥前設(shè)置節(jié)點(diǎn)1(如圖1)和原油流入控制閥后位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)2(如圖1)。分別代表在環(huán)空和油管的流動(dòng)特性。

井下流入動(dòng)態(tài)曲線(IPR)表示一定地層壓力下，油井產(chǎn)量與井底流壓的關(guān)系，反應(yīng)了油層向井筒的供給能力(即產(chǎn)能)。其定量關(guān)系涉及油藏壓力、滲透率、流體悟性、含水率及完井狀況等，可根據(jù)系統(tǒng)試井資料用圖解法獲得此特性曲線。油管流出曲線是表示在一定井口壓力的情況下，油管流量和井底流壓的關(guān)系［3］。反應(yīng)了油管的流動(dòng)能力。兩條曲線共同表示了油層的產(chǎn)量與井底壓力的關(guān)系。如圖2所示的兩條曲線的交點(diǎn)A的流量就是相應(yīng)油層的理論產(chǎn)量，其壓力為理論的井底平衡壓力。

圖1 科威特應(yīng)用智能井系統(tǒng)簡(jiǎn)圖［6］

控制閥一般由液壓或電力控制的節(jié)流閥，能夠通過地面控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。相對(duì)于僅有開/關(guān)功能的控制閥，多級(jí)流量控制閥往往有幾個(gè)控制位置，他們有不同的節(jié)流面積、不同的形狀和不同的流動(dòng)特性，來滿足控制要求。通過閥的流量通常和閥的流量系數(shù)和閥的前后壓差相關(guān)，一般可認(rèn)為［4］:

式中:Q為控制閥流量;Cv為閥的流量系數(shù);P1為上部2倍直徑接口壓力;P2為下部6倍直徑距離壓力;R為流體密度。

控制閥的安裝一般界于如圖1所示的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間，平衡兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力，使油層的產(chǎn)量穩(wěn)定于某一特定值。此時(shí)控制閥兩邊的壓差為［5］:

如圖2中所描述的井下流入動(dòng)態(tài)曲線(IPR)和油管流出特性曲線(TPC)曲線相交在A點(diǎn)，也就是在沒有使用的控制閥或控制閥全開時(shí)的油層產(chǎn)量，圖2中的Δp曲線是兩條特性曲線的差值曲線，表示兩節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定流量所需要的平衡的壓差。安裝控制閥的目的就是平衡節(jié)流口前后的壓差，根據(jù)流量與壓差的特性關(guān)系，達(dá)到所需要的油層產(chǎn)量。如圖2中的控制閥流動(dòng)曲線是和流動(dòng)系數(shù)相關(guān)的曲線，和壓差曲線相交的點(diǎn)就是該節(jié)流面積下的穩(wěn)定流量，經(jīng)過這一點(diǎn)和原始點(diǎn)做的曲線，就可近似的得到油層-控制閥流入曲線，其與TPC曲線的交點(diǎn)就是此開度下，流經(jīng)控制閥的流量［5］。

圖2 單井控制閥的應(yīng)用分析

但是在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，由于井下環(huán)境復(fù)雜多變，往往要通過設(shè)置在井下的永久傳感器，實(shí)時(shí)采集井下參數(shù)，根據(jù)流量、壓差和節(jié)流面的的關(guān)系，精確的調(diào)節(jié)不同控制油層的產(chǎn)量。

2 控制閥在多層合采時(shí)的應(yīng)用分析

在油井生產(chǎn)中，一口油井會(huì)包含多個(gè)生產(chǎn)油層，由于井下各產(chǎn)層之間的地層壓力和滲透率的不同，而引起的各油層的產(chǎn)能不同，若不采取措施使各油層協(xié)同開采，油井的開采率就較低［7］。使用井下流入控制閥對(duì)不同產(chǎn)層進(jìn)行有選擇性開采或有節(jié)制的開采，提高油井的采收率。控制閥也可均衡隔斷的流量控制油層的壓力，使各原油層段同時(shí)以各自的生產(chǎn)壓差同時(shí)生產(chǎn)(出油)，增加油井產(chǎn)量。

以多層合采，控制某個(gè)單一油層控制閥為例，介紹控制閥在多層合采中的應(yīng)用。在分析時(shí)假設(shè)各層間的壓力是均衡的，且各油層之間不相互干擾。同樣利用節(jié)點(diǎn)分析法，在上層油層控制閥的出口位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)3(如圖1)。各層間閥全開時(shí)的井下流入特性曲線分別為圖3中的各層流量特性曲線，各曲線表示在節(jié)點(diǎn)3的對(duì)應(yīng)壓力下的相應(yīng)的產(chǎn)量，圖中曲線A表示各油層的總產(chǎn)量，是各油層流量的總和?？偭魅肭€(IPR)和TPC曲線相交于A點(diǎn)。同壓力下各油層的流出曲線相對(duì)應(yīng)的流量值就是相應(yīng)油層的出油流量。

當(dāng)需要對(duì)某一油層控制生產(chǎn)時(shí)，可通過地面控止系統(tǒng)，關(guān)閉或減小這一油層的節(jié)流位置。如圖3所示，在將油層B的節(jié)流面積降低時(shí)，油層B的流入曲線斜率降低，整個(gè)系統(tǒng)的總產(chǎn)量降低，總的流入曲線的斜率增大，平衡點(diǎn)沿油管流出曲線向左移動(dòng)，平衡壓力降低，從而使另一油層的產(chǎn)量增加，也就是說限制某一油層的產(chǎn)量的同時(shí)會(huì)增加其他油層的產(chǎn)量，同時(shí)整個(gè)油井的產(chǎn)量降低。當(dāng)然如若保持其他各油層的產(chǎn)量可以通過調(diào)節(jié)井口壓力來調(diào)節(jié)油管流出特性曲線來保證其他各層的產(chǎn)量不變。

圖3 流量控制閥在多層合采的應(yīng)用

3 節(jié)流面積、壓差和流量三者關(guān)系的探討

圖4為流體分析模型，實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)會(huì)因流體的粘性摩擦力而引起能量損失。根據(jù)能量損失的形式又分為沿層阻力損失和局部阻力損失。地層原油經(jīng)射孔、套管環(huán)空，流經(jīng)節(jié)流閥時(shí)，局部流動(dòng)邊界急劇變化，流動(dòng)阻力主要集中在該局部區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生漩渦，和速度方向的改變，使得局部壓力損失是經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)的主要損失方式。而沿層壓力分布是克服沿層阻力的能量損失，在經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)為次要的能量損失方式。根據(jù)伯努利方程可以得到流經(jīng)節(jié)流閥前后的平衡方程為:

式中:H1、H2為測(cè)量壓力的高度;p1為進(jìn)入節(jié)流閥前的靜壓;p2為在流入油管后的靜壓;v1為在環(huán)空的平均速度;v2為進(jìn)入油管后的平均速度;H0為 水頭損失，為沿程損失和局部水頭損失的和。

圖4 流體分析模型

工程應(yīng)用中由于閥的安裝位置和傾角有所不同，故而計(jì)算中忽略重力對(duì)局部損失和沿程損失的影響，因此僅研究節(jié)流口開口大小與流量和壓差的關(guān)系。

地層原油流經(jīng)節(jié)流口時(shí)流動(dòng)方向經(jīng)過兩次改變:由環(huán)空進(jìn)入節(jié)流孔，流道突然收縮和由節(jié)流孔流入油管時(shí)流道突然變大。假設(shè)油管截面面積和環(huán)空的面積分別是A1、A2，節(jié)流口面積的大小為A，設(shè)環(huán)空面積和油管節(jié)流面積和節(jié)流口面積的的比值分別是1/α和1/β。另流體自環(huán)空流經(jīng)節(jié)流口時(shí)流道突然縮小時(shí)的局部阻力系數(shù)為ζ1，其值為0.5(1-α);另流體由節(jié)流口流出時(shí)的局部阻力系數(shù)為ζ2，其值為ζ2=(1-β)2。則通過節(jié)流閥的局部水頭損失為:

雷諾數(shù)是評(píng)價(jià)流體流動(dòng)的一個(gè)重要因素，是流動(dòng)狀態(tài)的體現(xiàn)，是和流體流動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)粘度和管徑相關(guān)的參數(shù)，即:Re=v·d/ν。流體在環(huán)空和油管內(nèi)流動(dòng)速度比較高，因此流體通過節(jié)流口的沿層能量損失是不可忽略的，但又不及局部壓力損失，因此是次要的能量損失形式。而沿層能量損失是和流體流動(dòng)狀態(tài)等因素相關(guān)的，確切的說和雷諾數(shù)相關(guān)。由于流動(dòng)速度較大，設(shè)計(jì)計(jì)算中所選用的沿層阻力系數(shù)為λ=0.314Re-0.25。沿層能量損失為原油在環(huán)空和油管流動(dòng)沿層損失之和，根據(jù)式(1)，選取流動(dòng)距離和直徑的比值為6。因此沿層水頭損失可表示為式(5)。綜上所述可得到流經(jīng)控制閥的流量、壓差和節(jié)流面積的關(guān)系如式(6)，根據(jù)式(1)也可推出在設(shè)計(jì)控制閥時(shí)的流量系數(shù)的理論值。

4 仿真分析

計(jì)算流體力學(xué)是用離散化的數(shù)值方法及電子計(jì)算機(jī)對(duì)流體無粘擾流和粘性流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的學(xué)科，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。圖5為控制流量數(shù)值結(jié)果。

圖5 控制閥流量系數(shù)值結(jié)果

以圖4所示的模型為基礎(chǔ)，以安裝在3.5英寸油管和4.5英寸生產(chǎn)套管中的控制閥為原型，并以滿足式(1)要求，以計(jì)算出口邊界和入口邊界距節(jié)流口為6倍直徑的距離的尺寸，應(yīng)用CFX流體分析軟件對(duì)控制閥節(jié)流面積-節(jié)流口壓差-控制閥流量的特性關(guān)系進(jìn)行分析和探討，并驗(yàn)證式(6)。在利用CFX軟件分析時(shí)，做以下假設(shè):假設(shè)井下流量控制閥為理想閥，不存在泄漏等情況、假設(shè)原有介質(zhì)為不可壓縮流體、原油為牛頓流體，假設(shè)動(dòng)力粘度為常值，不隨速度梯度變化、假設(shè)流體為單項(xiàng)流。

模擬介質(zhì)選用的是密度為800，動(dòng)力粘度為10 MPa·s的輕質(zhì)原油。分別在壓差為1～6 MPa的情況下模擬求解，其分析結(jié)果如表1，表示閥在不同開度和不同壓差下的理論流量和數(shù)值分析值，并根據(jù)式(1)計(jì)算出閥不同位置下的流量系數(shù)曲線如圖5。

表1 數(shù)值解與CFX計(jì)算結(jié)果比較

5 結(jié)論

流量控制閥是智能井系統(tǒng)的執(zhí)行原件，是智能井的核心。通過控制閥的節(jié)流面積，平衡流入和有關(guān)流出壓差，改變流經(jīng)控制閥的流量，從而改變井下流入特性。也可通過調(diào)控某一特定產(chǎn)層的控制閥，對(duì)產(chǎn)層有選擇性的生產(chǎn)，或是協(xié)調(diào)各產(chǎn)層間的生產(chǎn)。

筆者通過流體動(dòng)力學(xué)分析，總結(jié)出流量、節(jié)流面積和壓差間的關(guān)系公式，并通過CFX流體分析軟件模擬計(jì)算，并得到節(jié)流面積在一定值之內(nèi)數(shù)值解與流暢仿真軟件的差值較小，能作為流量控制閥設(shè)計(jì)時(shí)的參考值。由于井下環(huán)境較復(fù)雜，因此理論得出的結(jié)論僅作為實(shí)際生產(chǎn)的參考，在井下安裝永久傳感器，實(shí)時(shí)采集井下數(shù)據(jù)，能達(dá)到精確的調(diào)節(jié)控制層的產(chǎn)量的目的。

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