水平井新型自動(dòng)流入控制器的研發(fā)與流體敏感性分析*

李海濤 劉 權(quán) 王 楠 張 楠 崔小江

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500； 2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300452)

水平井作為一種先進(jìn)高效的油藏開(kāi)采技術(shù)，具有增大泄油面積、提高產(chǎn)量、減小鉆井?dāng)?shù)量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)大量應(yīng)用于陸地和海上油田[1-3]。在底水油藏中，由于地層滲透率、井筒避水高度、跟趾效應(yīng)等因素的影響，導(dǎo)致水平井的產(chǎn)液剖面很難均衡。在高滲、低避水高度、跟端處，底水容易在短時(shí)間內(nèi)形成突破，使含水率快速上升，嚴(yán)重影響水平井的開(kāi)采效益[4-5]。為了解決這一問(wèn)題，可以采用在高產(chǎn)液段下入流入控制器(ICD，Inflow Control Device)，通過(guò)增加附加壓降來(lái)均衡整個(gè)水平段的產(chǎn)液剖面[6-13]。但I(xiàn)CD只能簡(jiǎn)單地增加壓降，而在實(shí)際生產(chǎn)中底水突破后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多限制水的流動(dòng)而少限制油的流動(dòng)。因此，在ICD的基礎(chǔ)上，研發(fā)出自動(dòng)流入控制器(AICD，Autonomous Inflow Control Device),AICD在底水突破前能夠均衡產(chǎn)液剖面，在底水突破后能夠自動(dòng)識(shí)別流體、限制非期望流體流動(dòng)，從而延長(zhǎng)水平井的生產(chǎn)壽命，提高采收率，適用于油田底水突破前及突破后[13-20]。由于AICD完井技術(shù)在國(guó)內(nèi)才起步，AICD種類和結(jié)構(gòu)都比較單一，為了增大AICD完井技術(shù)的使用范圍，本文考慮油水的物性差異，研發(fā)了一種新型的、具有可應(yīng)用性的流道控制型AICD，對(duì)于延緩底水錐進(jìn)、延長(zhǎng)油井生產(chǎn)壽命、提高油田采收率具有重要意義。

1 新型自動(dòng)流入控制器設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的新型AICD的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該新型AICD擁有2個(gè)入口和1個(gè)出口，內(nèi)部由外旋流流道、內(nèi)旋流流道、Y型流槽、T型流槽、旋流腔室組成。

圖1 新型AICD結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the new AICD

1.2 工作原理

新型AICD的設(shè)計(jì)主要是基于Y型和T型三通管分流原理，當(dāng)不同的流體流過(guò)Y型和T型流槽時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的流動(dòng)傾向。由于油的黏度大，在流過(guò)T型流槽時(shí)，黏滯力對(duì)流體流動(dòng)的影響大于慣性力，流體容易轉(zhuǎn)向，所以當(dāng)油從入口流入后，大部分都直接從T型流槽流入旋流腔室，然后再直接從出口流出，整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的壓降較小。而水的黏度小，在流過(guò)T型流槽時(shí)，慣性力對(duì)流體的流動(dòng)起主要作用，流體更易保持其原有的流動(dòng)方向，因此，水會(huì)直接流入外旋流流道，在外旋流流道中充分預(yù)旋后，通過(guò)Y型流槽流入內(nèi)旋流流道；在內(nèi)旋流流道中繼續(xù)旋流后，再通過(guò)T型流槽流入旋流腔室；在旋流腔室中，水會(huì)再次高速旋流，最終從出口流出。水在流過(guò)新型AICD的過(guò)程中，總共會(huì)產(chǎn)生3次旋流壓降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油流動(dòng)過(guò)程的壓降，從而起到增油控水的作用。當(dāng)流入流體為油水混合物，新型AICD就相當(dāng)于1個(gè)油水分離器，將油水分離后，誘導(dǎo)流體流過(guò)不同的路徑，產(chǎn)生不同的壓降。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文借助CFD軟件對(duì)新型AICD進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，優(yōu)化新型AICD具體結(jié)構(gòu)，得出不同流體在新型AICD中流動(dòng)的壓降、流速和流動(dòng)方向的變化情況。模擬過(guò)程中油相的黏度為160 mPa·s、密度為889 kg/m3，水相的黏度為1 mPa·s、密度為998.2 kg/m3。

1.3.1模型建立

1) 基本方程。

在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，k和ε是兩個(gè)基本未知量，相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：ui、uj為速度在i、j方向上的分量，m/s；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動(dòng)能，m2/s2；ε為湍動(dòng)耗散率，m2/s3；t為時(shí)間，s；xi、xj為各脈動(dòng)流速分量，m/s；μt為湍流黏度，Pa·s；σk、σε分別代表湍流動(dòng)能及湍流動(dòng)能耗散率的普朗特?cái)?shù)，σk=1.0、σε=1.3；C1、C2、Cμ均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，默認(rèn)取值為Cμ=0.09、C1=1.44、C2=1.92。

2) 邊界條件。

入口設(shè)為速度入口，入口處的流量為32 m3/d，流體出口為流動(dòng)出口邊界。固體壁面邊界作為無(wú)滑移邊界處理，流動(dòng)參數(shù)設(shè)置為零。

1.3.2T型流槽優(yōu)化

T型流槽與入口分別呈銳角、直角、鈍角時(shí)的水相流線圖如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)呈銳角和直角時(shí)，水相幾乎不從T型流槽經(jīng)過(guò)，而呈鈍角時(shí)有很大一部分水從T型流槽流過(guò)。對(duì)比銳角和直角可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)呈直角時(shí)，水主要從與內(nèi)旋流流道相切的T型流槽流入，非常有利于水在內(nèi)旋流流道的旋流。從圖2b也可以看出,在此種結(jié)構(gòu)下水相的旋流效果最好，水從入口流入后沿著外旋流流道流向另外一側(cè)的入口處;在接近另一側(cè)入口處時(shí)，其中一部分水從Y型流槽流入內(nèi)旋流流道，另外一部分水與從入口流入的水匯合加入另一側(cè)的旋流。因此,綜合分析后選擇T型流槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為流槽與入口呈直角。

圖2 不同T型流槽位置的水相流線圖Fig.2 Water streamline of T-type channel in different position

1.3.3Y型流槽角度優(yōu)化

Y型流槽與外旋流流道切線的夾角稱為Y型流槽角度。Y型流槽角度的不同會(huì)導(dǎo)致流體在控制器內(nèi)的旋流強(qiáng)度不同，因此結(jié)合實(shí)際加工工藝情況，模擬了Y型流槽角度從30°～90°的油水壓降差情況，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，油水壓降差隨著Y型流槽夾角的增大而減少，但大于60°后又略有上升。綜合考慮油水壓降差和Y型流槽的加工可行性， Y型流槽角度采用30°。

圖3 油水壓降差結(jié)果Fig.3 Differential pressure drop of water and oil

1.4 流場(chǎng)分析

1.4.1壓力分布

利用CFD模擬計(jì)算了油相和水相流過(guò)新型AICD的壓力分布，結(jié)果如圖4所示。從圖4a可以看出，由于水黏度小，粘滯阻力小，所產(chǎn)生的沿程壓降也小,因此，水在新型AICD中的壓降主要集中在內(nèi)、外旋流流道和旋流腔室，這部分產(chǎn)生的旋流壓降大。從圖4b可以看出，由于油黏度大，粘滯阻力大，所產(chǎn)生的沿程壓降也大，因此油流入后壓力下降較為均勻。從圖4還可以看出,油水在流經(jīng)新型AICD時(shí)，相同產(chǎn)量下水的入口壓力要大于油的入口壓力，證明新型AICD的內(nèi)部分流結(jié)構(gòu)對(duì)水產(chǎn)生了較大的流入阻力。另外，水流過(guò)新型AICD的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油流過(guò)的壓降，證明該新型AICD對(duì)水具有較強(qiáng)的敏感性，能自動(dòng)區(qū)分流動(dòng)的流體，自動(dòng)調(diào)節(jié)限流強(qiáng)度。

1.4.2速度分布

利用CFD模擬計(jì)算了油相和水相流過(guò)新型AICD 的速度分布，結(jié)果如圖5所示。從圖5a可以看出，水在新型AICD的外旋流流道和旋流腔室中的流速相對(duì)其他部位較高。分析認(rèn)為，水從入口流入后，直接流入外旋流流道，繞著外旋流流道到達(dá)另一側(cè)的入口處，與另一側(cè)入口處流入的水匯合，增大了流動(dòng)量，所以速度增加；水從T型流槽流入旋流腔室后，會(huì)產(chǎn)生高速旋流，所以速度在旋流腔室達(dá)到峰值。從圖5b可以看出，油在新型AICD的入口和T型流槽處的流速較高。分析認(rèn)為，油從入口流入后主要從T型流槽直接流向出口，T型流槽起到了一定的節(jié)流作用，所以流速較高。上述流速分析結(jié)果表明，新型AICD能區(qū)分油水流速，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)油水流速目的。

圖4 油相和水相流過(guò)新型AICD 的壓力分布Fig.4 Pressure profile of the new AICD with oil and water flow

圖5 油相和水相流過(guò)新型AICD 的速度分布Fig.5 Velocity vectogram of the new AICD with oil and water flow

2 流體敏感性分析

為了進(jìn)一步明確新型AICD的控水性能，對(duì)其進(jìn)行了流體敏感性分析。由于水的性質(zhì)穩(wěn)定，所以僅對(duì)油的黏度、密度、含水率以及流速進(jìn)行了敏感性分析。表1為敏感性分析時(shí)使用的油的物性參數(shù)，這些參數(shù)都是在Fluent的Fuel-oil-liquid的基礎(chǔ)上改動(dòng)，油的流量為16 m3/d。

油在流量為16 m3/d時(shí)過(guò)閥壓降與黏度、密度、含水率的敏感性關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6a可以看出，隨著黏度的增加，過(guò)閥壓降先減小，再略有增加。分析認(rèn)為，在低黏度時(shí)，慣性力對(duì)流體流動(dòng)起主要作用，這時(shí)隨著黏度的增加，慣性力引起的旋流壓降下降量大于粘滯阻力引起的沿程壓降增大量，所以過(guò)閥壓降減小。當(dāng)粘滯力對(duì)流體流動(dòng)起主要作用時(shí)，隨著黏度的增加，慣性力引起的旋流壓降下降量小于粘滯阻力引起的沿程壓降增大量，所以過(guò)閥壓降增大。由此可見(jiàn)，油黏度對(duì)過(guò)閥壓降有影響，但是并不會(huì)導(dǎo)致控水性能失效。

表1 敏感性分析時(shí)油的物性Table 1 Fluid physical properties of sensitivity analysis

圖6 新型AICD流體敏感性分析Fig.6 Fluid sensitivity analysis of the new AICD

從圖6b可以看出，隨著密度的增加,過(guò)閥壓降逐漸增大，但壓降增加的幅度很小，所以密度對(duì)過(guò)閥壓降的影響很小，這是由于新型AICD主要依靠黏度差異來(lái)識(shí)別流體。從圖6c可以直觀地看出，隨著含水率的增加，新型AICD壓降逐漸增加，而且增加的幅度越來(lái)越大，這是因?yàn)楹试礁?，混合流體在新型AICD內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)就越強(qiáng)，過(guò)閥壓降就越來(lái)越大。

流體過(guò)閥壓降與流量的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7a可以看出，水的過(guò)閥壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油的過(guò)閥壓降，這是由于低黏度的水在閥內(nèi)高速旋流產(chǎn)生了旋流壓降導(dǎo)致的。水和油的過(guò)閥壓降都隨流量的增加而增大，但是不同黏度流體的過(guò)閥壓降增大速率不同。從圖7b可以看出，低黏度油的過(guò)閥壓降比的變化趨勢(shì)是隨流量的增大而先增大后減小，高黏度油的過(guò)閥壓降比則逐漸增大。綜合分析圖7關(guān)系曲線可以得出，當(dāng)流量小于10 m3/d時(shí)，雖然油黏度低于80 mPa·s的油水壓降比很高，但是油水的壓降均小于0.2 MPa，油水過(guò)閥的阻力相當(dāng)，控水效果不明顯；當(dāng)流量大于10 m3/d時(shí)，油水壓降區(qū)別明顯，但是隨著流量增大，低黏度油上升快速，油水壓降比下降劇烈，所以油黏度取80～320 mPa·s。由于新型AICD本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和沖蝕的問(wèn)題，配產(chǎn)流量不能過(guò)大，所以一般取低于35 m3/d。綜合以上分析，新型AICD適用于中高黏度的油，黏度范圍在80～320 mPa·s，最佳黏度在160 mPa·s左右，流量范圍在10～35 m3/d。

圖7 新型AICD流體流速敏感性分析Fig.7 Fluid velocity sensitivity analysis of the new AICD

3 控水效果實(shí)驗(yàn)分析

自動(dòng)相選擇控制閥是一種經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的不含運(yùn)動(dòng)部件的流道型AICD[17]，與本文研發(fā)的新型AICD同屬一個(gè)類型，因此通過(guò)對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證新型AICD的有效性和適用性。實(shí)驗(yàn)用泵作為流體流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，用壓力傳感器測(cè)量新型AICD的入口端和出口端的壓力，并用渦輪流量計(jì)測(cè)量流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出新型AICD的CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，證明了新型AICD控水性能的可靠性。對(duì)比分析自動(dòng)相選擇控制閥與新型AICD的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，在低流量下自動(dòng)相選擇控制閥具有更好的控水效果，但是對(duì)油流動(dòng)的限制也較高；在高流量下，新型AICD則具有更好的控水效果，而且對(duì)油流動(dòng)的限制較低,所以新型AICD適用于產(chǎn)液量較高的底水油藏水平井。

圖8 新型AICD控水性能對(duì)比Fig.8 Comparison the performance of new AICD

4 結(jié)論

1) 利用T型、Y型三通管原理，設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)流入控制器(AICD)。T型流槽寬度大，為油的主要流動(dòng)通道；Y型流槽寬度窄，主要用來(lái)誘導(dǎo)水產(chǎn)生旋流，從而實(shí)現(xiàn)控水目的。

2) 通過(guò)CFD流場(chǎng)分析表明：油在新型AICD中的壓降主要為沿程壓降，而水主要是旋流壓降。油流入新型AICD后會(huì)直接從T型流槽流向出口，而水會(huì)先通過(guò)Y型流槽再通過(guò)T型流槽，并且過(guò)程中總共產(chǎn)生3次旋流，從而使水的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油的壓降。

3) 流體敏感性分析表明,流體黏度、含水率和流量對(duì)流體的過(guò)閥壓降有較大影響，而流體密度的影響很小;含水率越高，流量越大，過(guò)閥壓降越大。新型AICD控水效率較高的黏度范圍為80～320 mPa·s，最佳黏度為160 mPa·s左右，流量范圍為10～35 m3/d。

4) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型AICD的控水性能，并與自動(dòng)相選擇控制閥對(duì)比分析得出新型AICD更適用于產(chǎn)液量較高的底水油藏水平井。