基于膨脹材料的新型AICD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能實(shí)驗(yàn)研究

王小秋，汪志明*，趙麟,

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

2 勝利石油管理局博士后科研工作站，東營(yíng) 257001

0 引言

水平井在開(kāi)采過(guò)程中，由于“跟趾效應(yīng)”、儲(chǔ)層非均質(zhì)性和各向異性等因素的影響，生產(chǎn)剖面通常難以持續(xù)均衡推進(jìn)，易在油井高滲層段、裂縫處過(guò)早見(jiàn)水[1-4]。一旦發(fā)生底水錐進(jìn)將大大縮短油藏的無(wú)水采油期，并影響整個(gè)水平井其他位置的產(chǎn)油量。底水錐進(jìn)問(wèn)題已經(jīng)成為了影響我國(guó)底水油藏水平井開(kāi)發(fā)的主要難題[5-12]。

為了緩解水平井生產(chǎn)過(guò)程中流入剖面不均勻的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的ICD裝置，包括噴嘴型、迷宮型、螺旋通道型等[13-17]。然而，一旦油井見(jiàn)水，這些裝置并不能抑制，甚至還可能促進(jìn)水的流動(dòng)，致使完井失效。目前我國(guó)大部分油田進(jìn)入中高含水期，傳統(tǒng)ICD裝置難以滿足實(shí)際需求，為了有效解決這個(gè)問(wèn)題，有部分機(jī)構(gòu)進(jìn)一步研發(fā)了自適應(yīng)流入控制裝置(AICD)，其水相阻力遠(yuǎn)大于油相阻力，顯著抑制水相流動(dòng)，從而達(dá)到穩(wěn)油控水的目的。平衡片AICD[18]利用不同流體的密度差來(lái)控制平衡片的開(kāi)啟或關(guān)閉，但由于油水密度差別不大，該裝置不能有效控制水錐。流道式AICD[19]利用流體慣性力和黏性力的平衡關(guān)系來(lái)控制流體通過(guò)裝置時(shí)的流道和阻力，但流量、流體性質(zhì)適用范圍受限，且狹小的流道易被儲(chǔ)層出砂堵塞。浮動(dòng)圓盤式AICD[20]利用動(dòng)壓力和靜壓力的平衡關(guān)系來(lái)控制可動(dòng)盤的位置，并調(diào)整節(jié)流壓降大小，然而，圓盤易被磨損、擠毀，裝置壽命短。這些AICD結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用范圍小等缺點(diǎn)，限制了上述技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

本文基于遇水膨脹材料和多級(jí)限流原理設(shè)計(jì)了一種新型AICD結(jié)構(gòu)，利用Fluent軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及流體敏感性分析；為了進(jìn)一步分析新型AICD的性能，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了全尺寸物理模擬實(shí)驗(yàn)，與Halliburton EquiFlow AICD以及Y-shape AICD[21]進(jìn)行了比較。

1 新型AICD設(shè)計(jì)

本文結(jié)合遇水膨脹橡膠(WSR)，基于多級(jí)限流原理，創(chuàng)新性地提出了一種自適應(yīng)流入控制裝置(AICD)。這種設(shè)計(jì)主要包含了一系列的環(huán)形隔板、狹槽和遇水膨脹材料，隔板上開(kāi)有2個(gè)呈180°對(duì)稱的流動(dòng)狹槽。該結(jié)構(gòu)利用流體連續(xù)通過(guò)多個(gè)流動(dòng)狹槽的瞬時(shí)壓降來(lái)限制流體流動(dòng)，因此，其對(duì)油相黏度不敏感，油相黏度適用范圍廣。單個(gè)流動(dòng)狹槽對(duì)裝置整體壓降的貢獻(xiàn)大致相當(dāng)，通過(guò)改變隔板級(jí)數(shù)便能快速調(diào)整流動(dòng)阻力等級(jí)。一旦油井見(jiàn)水，裝在狹槽端面上的遇水膨脹橡膠將自動(dòng)膨脹，膨脹度將根據(jù)含水率自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而可以調(diào)整裝置的最小過(guò)流面積和流動(dòng)阻力等級(jí)，如圖1所示。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)含水率較低時(shí)，遇水膨脹橡膠的膨脹度受限，此時(shí)裝置的最小過(guò)流面積最大，流動(dòng)阻力等級(jí)最低；隨著含水率增大，遇水膨脹橡膠開(kāi)始膨脹，最小過(guò)流面積逐漸變小，流動(dòng)阻力等級(jí)逐漸增大。

總的來(lái)說(shuō)，新型AICD具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流動(dòng)阻力等級(jí)易于調(diào)整；(2)最小過(guò)流面積較大，不易因儲(chǔ)層出砂發(fā)生堵塞；(3)裝置對(duì)流量、油相流體性質(zhì)不敏感，儲(chǔ)層適用范圍廣；(4)裝置對(duì)含水率極度敏感，應(yīng)激反應(yīng)快，水油壓降比大，控水穩(wěn)油效果顯著。以本文的典型設(shè)計(jì)為例，其油水壓降比可達(dá)40倍，傳統(tǒng)AICD則在4～8倍左右，該結(jié)構(gòu)的控水穩(wěn)油效果遠(yuǎn)超傳統(tǒng)AICD結(jié)構(gòu)。

2 建模與分析

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)油、水及其混合物通過(guò)該新型AICD結(jié)構(gòu)的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和流體性質(zhì)敏感性分析。

2.1 建模

該裝置在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的幾何模型都是在專業(yè)建模軟件中生成的，通過(guò)布爾運(yùn)算得到其內(nèi)部流動(dòng)模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。裝置存在兩個(gè)入口和一個(gè)出口，入口設(shè)置為velocity-inlet，出口設(shè)置為outf l ow，其它為wall。當(dāng)模擬層流時(shí)，選用層流模型；當(dāng)模擬湍流時(shí)，選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。當(dāng)流體為油水兩相分散流時(shí)，選用混合模型；當(dāng)流體為油水兩相分層流時(shí)，選用VOF模型。由于ICDs一般是水平放置的，本文的模型還考慮了重力的影響。

2.2 流場(chǎng)分析

圖1 不同含水率下所對(duì)應(yīng)的最小過(guò)流面積示意圖Fig. 1 Min. flow area for different water content

新型AICD在不同含水率條件下的總壓分布云圖見(jiàn)圖2。可以看出，新型AICD產(chǎn)生壓降的主要部位為隔板形成的流動(dòng)腔室和流動(dòng)狹槽，不同含水率條件下，二者的比例有所區(qū)別。對(duì)于油相流體來(lái)說(shuō)，遇水膨脹材料膨脹程度受限，最小過(guò)流面積最大，流動(dòng)狹槽產(chǎn)生的局部阻力損失相對(duì)較小，且流體黏度較大，沿程阻力損失相對(duì)較大。隨著含水率增大，遇水膨脹材料發(fā)生膨脹，最小過(guò)流面積減小，流動(dòng)狹槽產(chǎn)生的局部阻力損失急劇增大，雖然混合流體的黏度隨含水率增大先增大后減小，但沿程阻力損失變化程度遠(yuǎn)小于局部水頭損失的增幅。對(duì)于水相流體來(lái)說(shuō)，遇水膨脹材料充分膨脹，最小過(guò)流面積最小，局部阻力損失最大，沿程阻力損失可忽略不計(jì)。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了進(jìn)一步優(yōu)化該裝置的穩(wěn)油控水性能，需要分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響，本文選取了工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的噴嘴型ICD、螺旋通道型ICD和噴管型ICD作為參照。各種ICD的結(jié)構(gòu)參數(shù)多種多樣，但其流動(dòng)阻力等級(jí)的變化都可歸結(jié)為最小過(guò)流面積(限流機(jī)理)和流道長(zhǎng)度(摩阻機(jī)理)的變化。

圖2 新型AICD不同含水率壓力分布云圖Fig. 2 Contour of static pressure of novel AICD

圖3 最小過(guò)流面積對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 3 The inf l uence of minimum flow area on FRR

流動(dòng)阻力等級(jí)隨最小過(guò)流面積的變化曲線見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，4種裝置的流動(dòng)阻力等級(jí)隨著最小過(guò)流面積的減小而急劇增大。噴嘴型ICD利用限流機(jī)理、螺旋通道型ICD利用摩阻機(jī)理、噴管型ICD結(jié)合限流和摩阻機(jī)理，因此在同等流動(dòng)阻力等級(jí)下，噴嘴型ICD的最小過(guò)流面積最小，且最大過(guò)流速度也比流體通過(guò)噴嘴時(shí)的小得多。盡管新型AICD也主要利用限流機(jī)理，但其是通過(guò)多級(jí)狹槽限流，因此，新型AICD最小過(guò)流面積最大。在各流動(dòng)阻力級(jí)別下，新型AICD的最小過(guò)流面積大約是噴嘴型(螺旋通道型、噴管型)ICD的3倍(1.5倍、2倍)。特別地，在油相條件下，此時(shí)FRR=0.800 Bar，新型AICD的最小過(guò)流面積為120.0 mm2，而噴嘴型ICD的為39.0 mm2，噴管型ICD的為49.3 mm2，螺旋通道型ICD的為81.5 mm2。由于最小過(guò)流面積差異顯著影響其抗沖蝕和防堵塞性能，因此，在泥漿返排過(guò)程中新型AICD抗堵塞能力較強(qiáng)，在穩(wěn)產(chǎn)期抗顆粒沖蝕能力較強(qiáng)。新型AICD通過(guò)遇水膨脹材料隨含水率的膨脹變化來(lái)調(diào)整最小過(guò)流面積，從而調(diào)整裝置流動(dòng)阻力等級(jí)。對(duì)于本研究來(lái)說(shuō)，水相條件下的FRR=32.00 Bar，此時(shí)最小過(guò)流面積最小。

圖4 流道長(zhǎng)度對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 4 The inf l uence of flow length on FRR

流動(dòng)阻力等級(jí)隨流道長(zhǎng)度的變化曲線見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯?種裝置的流動(dòng)阻力等級(jí)隨流道長(zhǎng)度的增加而線性增大，變化曲線與Y軸交于某一點(diǎn)，該點(diǎn)的物理意義為沿程壓降值為0時(shí)節(jié)流壓降。噴嘴型ICD通過(guò)Y軸的點(diǎn)為0.760 Bar，噴管型ICD的為0.527 Bar，螺旋通道型ICD的為0.035 Bar，自膨脹型AICD在油相條件下為0.043 Bar，在含水率為50%情況下，其交點(diǎn)為0.177 Bar，這進(jìn)一步證實(shí)了新型AICD在油相條件下產(chǎn)生壓降的主要方式為沿程阻力，在水相條件下產(chǎn)生壓降的主要方式為限流。新型AICD的總體壓降隨流動(dòng)狹槽的增加而線性變化，這說(shuō)明可以通過(guò)增加或減少隔板數(shù)量快速調(diào)節(jié)其流動(dòng)阻力等級(jí)。

2.4 流體參數(shù)敏感性分析

為進(jìn)一步分析油、水及其混合物在該裝置內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，對(duì)含水率、油相密度和油相黏度進(jìn)行了敏感性分析，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。由于水相性質(zhì)通常比較穩(wěn)定，文中并沒(méi)有考慮水相性質(zhì)的敏感性。

方案1研究了含水率敏感性，4種結(jié)構(gòu)的節(jié)流壓降隨含水率的變化關(guān)系如圖5所示?？梢杂^察到，傳統(tǒng)ICD結(jié)構(gòu)不能很好地識(shí)別含水率的變化，一旦油井見(jiàn)水，ICD結(jié)構(gòu)將失效；隨著含水率的增加，新型AICD裝置的節(jié)流壓降整體呈上升趨勢(shì)，且純水條件下的節(jié)流壓降約為純油壓降條件下的40倍，這充分保證了裝置穩(wěn)油控水的能力。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

方案2研究了油相密度敏感性。由于油相的密度范圍通常為800～1000 kg/m3，因此密度(kg/m3)取值如下：800、850、900、950、1000。不同含水率下壓降隨油相密度的變化關(guān)系如圖6所示?？梢杂^察到，4種結(jié)構(gòu)的節(jié)流壓降隨油相密度的增加而線性增加，然而，增幅均較小。

方案3研究了油相黏度敏感性。由于油相黏度范圍通常為1～200 cP，因此黏度(cP)取值如下：1、2、4、10、20、30、50、100、150和200。不同含水率下壓降隨油相黏度的變化關(guān)系如圖7所示?？梢杂^察到，螺旋通道型ICD與噴管型ICD的節(jié)流壓降隨油相黏度的增大而線性增大，增幅較大；新型AICD和噴嘴型ICD的節(jié)流壓降雖然隨油相黏度的增大而線性增大，然而其增幅較小。

綜上所述，該AICD對(duì)于流量、油相流體性質(zhì)并不敏感，即使在重油條件下仍有較好的穩(wěn)油控水能力，儲(chǔ)層適用范圍廣。該裝置對(duì)含水率極度敏感，應(yīng)激反應(yīng)快，一旦油井見(jiàn)水，該裝置壓降顯著增大。

3 AICD性能分析

3.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 含水率對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 5 The inf l uence of water content on FRR

圖6 油相密度對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 6 The inf l uence of oil density on FRR

基于中國(guó)石油大學(xué)(北京)井筒復(fù)雜流動(dòng)與完井工程實(shí)驗(yàn)室的全尺寸井筒流動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置(圖8)，對(duì)新型AICD開(kāi)展了流動(dòng)測(cè)試。

圖7 油相黏度對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 7 The inf l uence of oil viscosity on FRR

圖8 全尺寸井筒流動(dòng)測(cè)試裝置Fig. 8 Full-scale wellbore flow test device

表2 AICD實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 AICD test parameter

AICD流動(dòng)測(cè)試室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表2，原油黏度根據(jù)渤海油田相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，實(shí)驗(yàn)裝置模擬在1000 m水平井段中包含20個(gè)AICD結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變壁面注入流量和主流流量可以模擬不同位置水平段的入流情況。

3.2 測(cè)試流程

實(shí)驗(yàn)選取了3種類型的AICD裝置進(jìn)行測(cè)試，分別是Y型AICD、哈里伯頓的Equif l ow AICD以及設(shè)計(jì)研制的新型AICD。實(shí)驗(yàn)流程示意圖見(jiàn)圖9。

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)首先調(diào)整實(shí)驗(yàn)環(huán)道至水平狀態(tài)，將液相支路緩沖罐上的軟管與射孔段外層套管的注射孔對(duì)接；

(2)將油抽到罐中，開(kāi)啟回流蝶閥，保證實(shí)驗(yàn)正常循環(huán)，調(diào)節(jié)其含水率至既定值；

(3)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，開(kāi)啟差壓計(jì)量系統(tǒng)和流量測(cè)試系統(tǒng)；開(kāi)啟液相供給線的螺桿泵組，調(diào)節(jié)液相的主路供給排量至既定值；

圖9 井筒流動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖Fig. 9 Schematic of wellbore flow test

(4)依次調(diào)節(jié)液相支路供給排量，待流動(dòng)穩(wěn)定后，分別測(cè)定并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(5)重新調(diào)節(jié)液相的主路供給排量，并重復(fù)上述步驟；

(6)向儲(chǔ)液罐中添加水，重新調(diào)節(jié)液相體系的含水率，并重復(fù)上述步驟。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖10所示，在油相黏度132 mPa·s，壁面入流 量0.8 m3/h的 情 況 下，Y型AICD與Halliburton EquiFlow AICD的水油壓降比最大，均為6，在這種情況下，能夠控制油井見(jiàn)水。然而，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不同層段含水率差異通常介于10%～30%，不同含水率下的壓降差別較小，不能有效控制油井見(jiàn)水，這大大限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。新型AICD在實(shí)驗(yàn)條件下水油壓降比最高可達(dá)36～40，即使含水率差異不大，其壓降差別亦較大。在高含水情況下，其壓降隨含水率變化更加敏感，該裝置特別適用于中高含水油井。

AICD結(jié)構(gòu)在不同壁面入流量下的性能測(cè)試結(jié)果如圖11、12、13所示。對(duì)EquiFlow AICD和Y型AICD來(lái)說(shuō)，壁面入流量越大，水油壓降比越大，然而兩種結(jié)構(gòu)嚴(yán)重依賴于油水流型差異，在低入流量下水油壓降比較小，不能有效控水。新型AICD其水油壓降比并不依賴于入流量大小，在所研究入流量范圍內(nèi)，水油壓降比介于36～40之間，能夠有效控水。

如圖14所示，對(duì)新型AICD來(lái)說(shuō)，改變主流流量，其節(jié)流壓降幾乎沒(méi)有變化，這說(shuō)明在開(kāi)展AICD布置優(yōu)化過(guò)程中，不需要專門考慮井筒位置對(duì)AICD布置的影響，而應(yīng)更注重儲(chǔ)層性質(zhì)的影響。

圖10 含水率對(duì)裝置性能的影響Fig. 10 Device performance with varying water contents

圖11 壁面入流量對(duì)Equif l ow AICD性能的影響Fig. 11 Equif l ow AICD performance

圖12 壁面入流量對(duì)Y型AICD性能的影響Fig. 12 Y-shape AICD performance

圖13 壁面入流量對(duì)新型AICD性能的影響Fig. 13 Novel AICD performance

圖14 主流流量對(duì)新型AICD性能的影響Fig. 14 Novel AICD performance with varying injection rate

4 結(jié)論

本文基于遇水膨脹材料和多級(jí)限流原理設(shè)計(jì)了一種新型AICD裝置并針對(duì)不同種類AICD裝置性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)新型AICD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，遇水后根據(jù)含水率自動(dòng)調(diào)整流動(dòng)阻力，防堵性能好。

(2)新型ACID與傳統(tǒng)AICD相比，水油壓差提升明顯，在油井不同生產(chǎn)階段都具有卓越的性能，由于其對(duì)流體流量和黏度不敏感，適用范圍廣。

(3)完井過(guò)程中，該新型AICD可以簡(jiǎn)化完井設(shè)計(jì)難度，不需要專門考慮井筒位置對(duì)AICD的影響，可以更多的考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)的影響。