浮板型穩(wěn)油控水閥仿真分析及應(yīng)用

李效波，王圣虹，朱春明，周伯年

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

目前，水平井已在各類(lèi)油氣藏的開(kāi)發(fā)中取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。世界各地成功的水平井單井產(chǎn)量約為直井的4 ~ 6倍。但隨著海上水平井生產(chǎn)年限的增長(zhǎng)，水平井含水逐漸上升，產(chǎn)量受邊底水錐進(jìn)影響逐漸下降。大量水平井已經(jīng)進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)階段，油井見(jiàn)水后含水上升幅度很快，嚴(yán)重制約了油田的高效開(kāi)發(fā)。

對(duì)于長(zhǎng)水平井因井筒摩擦、儲(chǔ)層非均質(zhì)性和流體流變性差異產(chǎn)生的水錐與氣錐現(xiàn)象，自動(dòng)流入控制裝置[1-3]（Autonomous Inflow Control Devices，AICD）技術(shù)在實(shí)現(xiàn)ICD裝置原有功能的基礎(chǔ)上，著重加強(qiáng)了對(duì)不利流體（水或氣）突破后的進(jìn)一步抑制作用，實(shí)現(xiàn)了延緩不利流體侵入、增加水體波及系數(shù)、延長(zhǎng)油井生產(chǎn)周期和提高油藏采收率的目的。

在此理論指引下，國(guó)內(nèi)外加強(qiáng)了穩(wěn)油控水閥的研發(fā)和評(píng)價(jià)力度，在地質(zhì)油藏研究基礎(chǔ)上，逐漸形成了夾片型、浮板型、螺旋通道型、自膨脹型和復(fù)合型的控水閥類(lèi)型[1-9]。控水閥性能評(píng)價(jià)[10]方面也逐漸形成了數(shù)值仿真計(jì)算[11-12]和物理模擬實(shí)驗(yàn)兩種方法，均取得了一定的成果。

針對(duì)自主研發(fā)的浮板型穩(wěn)油控水閥，采用數(shù)值仿真計(jì)算的方式評(píng)價(jià)其穩(wěn)油控水效果，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

1 浮板型穩(wěn)油控水閥結(jié)構(gòu)及控水原理

1.1 浮板型穩(wěn)油控水閥結(jié)構(gòu)

浮板型穩(wěn)油控水閥由閥腔和浮板組成，在閥腔上部有一個(gè)流體入口，閥腔下部有數(shù)個(gè)呈環(huán)形排布流體出口。浮板位于閥腔內(nèi)，流體入口和出口的中間。浮板型穩(wěn)油控水閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。當(dāng)不同流體從入口流入時(shí)，浮板在腔體中處于不同的高度，從而決定了控水閥的開(kāi)度，使不同流體經(jīng)過(guò)控水閥時(shí)形成不同的流量，起到控水的作 用。

圖1 浮動(dòng)型穩(wěn)油控水閥

1.2 浮板型穩(wěn)油控水閥控水原理

浮動(dòng)圓盤(pán)型AICD裝置主要利用了伯努利方程[1]，見(jiàn)式（1）。依據(jù)伯努利方程流體動(dòng)態(tài)壓力與局部壓力損失之和恒定的理論，通過(guò)流經(jīng)裝置的不同流體黏度的變化控制裝置內(nèi)自由浮動(dòng)盤(pán)的開(kāi)度。當(dāng)相對(duì)黏度較高的原油流經(jīng)裝置時(shí)，自由浮動(dòng)盤(pán)開(kāi)度較大；當(dāng)相對(duì)黏度較低的水流經(jīng)裝置時(shí)，自由浮動(dòng)盤(pán)因黏度變化引起的壓降自動(dòng)調(diào)小開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)智能化控水、增油的目的。

式中：P1為流入控水閥的流體壓力，MPa；P2為流出控水閥的流體壓力，MPa；ρ為流體密度，kg/ cm3；V1為流入控水閥的流體速度，m/s；V2為流出控水閥的流體速度，m/s；Δ?Pf為流體摩阻能量損失，MPa。

2 數(shù)模仿真方案及計(jì)算流程

2.1 數(shù)模仿真方案

數(shù)模仿真采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD數(shù)值計(jì)算工具，結(jié)合穩(wěn)油控水閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立相應(yīng)的數(shù)值模型。針對(duì)設(shè)定的仿真實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)穩(wěn)油控水閥進(jìn)行CFD仿真實(shí)驗(yàn)，測(cè)試評(píng)價(jià)控水閥的流阻性 能。

流體樣品包括：（1）清水；（2）含水率20%，油品黏度分別為30、60和100 mPa·s的油水混合液；（3）黏度60 mPa·s，含水率分別為20%、40%、60%、80%、90%、95% 、97%和99%的油水混合液。（4）黏度分別為30、60、100、150、200、300、400、500和 550 mPa·s的純油。

壓力：P1（流入控水閥的流體壓力），P2（流出控水閥后的流體壓力），ΔP（控水閥前后壓差流量）；Q：一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)控水閥的流體量。

表1 控水閥Q-ΔP性能仿真方案

通過(guò)CFD仿真方法進(jìn)行數(shù)模試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)不同的油品黏度和含水率進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中控制相同的壓力測(cè)量點(diǎn)和壓力范圍，壓差范圍0.5 ~ 5 MPa，以0.5 MPa為一個(gè)計(jì)算測(cè)試點(diǎn)。

2.2 仿真計(jì)算流程

（1） 建立STEP格式的穩(wěn)油控水閥裝配體的3D模型。

（2） 經(jīng)過(guò)布爾運(yùn)算得到流體模型。

（3） 通過(guò)有限元網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh，采用teramesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并設(shè)置相應(yīng)的流體入口面、出口面，導(dǎo)出cas格式流體網(wǎng)格。

（4） 在Fluent中選擇好求解器，讀入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，包括流體狀態(tài)，流體材料，入口及出口邊界條件等。針對(duì)油水兩相不同比例混合介質(zhì)，開(kāi)啟VOF模型，選擇k-ε湍流模型，根據(jù)試驗(yàn)要求選擇不同的油水比例和原油黏度參數(shù)進(jìn)行基本相和第二相的設(shè) 置。

（5） 求解初始化后進(jìn)行求解計(jì)算，待殘差收斂后，計(jì)算出入口壓強(qiáng)，建立關(guān)鍵截面得到壓力場(chǎng)分布云圖、速度場(chǎng)分布云圖、跡線圖、介質(zhì)不同體積分?jǐn)?shù)云圖等結(jié)果。

按照上述仿真流程，按照仿真方案設(shè)置不同的流體參數(shù)、含水率，依據(jù)入口和出口壓差0.5 ~ 5 MPa的仿真參數(shù)范圍，進(jìn)行邊界條件設(shè)置，通過(guò)仿真計(jì)算得到相應(yīng)的Q-ΔP特性仿真試驗(yàn)數(shù) 據(jù)。

3 數(shù)模仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.1 數(shù)模仿真云圖

設(shè)置20%含水率、油黏度60 mPa·s、壓力2.5 MPa進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。通過(guò)仿真計(jì)算，得到浮板型穩(wěn)油控水閥內(nèi)部流體粒子跡線、壓力分布云圖（圖2、圖3）。

圖2 流體粒子跡線分布云圖

圖3 流體壓力分布云圖

從油粒子跡線分布云圖（圖2）可見(jiàn)，流體從閥頂入口流入，通過(guò)閥內(nèi)部時(shí)油粒子和水粒子流動(dòng)方式有一定差異，油粒子大部分直接從出口處流出，而水粒子較多地分布在閥腔內(nèi)上部邊緣不易流出，從而起到了穩(wěn)油控水的作用。

從流體壓力分布云圖（圖3）可見(jiàn)，在流體流過(guò)入口后，流動(dòng)橫截面積從入口處由小變大。當(dāng)流體流經(jīng)碟片和本體之間狹窄通道時(shí)，流體速度較大，流過(guò)狹窄通道以后，通道變寬，流體的速度就會(huì)變慢。浮板前段流體速度較大的區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)，浮板后段流體速度小為高壓區(qū)。由于浮板的前端和后端所受的壓強(qiáng)不同，使浮板受到一個(gè)向上的壓力。在流體黏滯力和慣性力共同作用下，一旦浮板接觸到腔體下沿，又會(huì)與壁面碰撞反彈，因此在浮板式閥內(nèi)部充滿流動(dòng)的液體時(shí)，浮板總會(huì)浮在內(nèi)腔的流體中。當(dāng)相對(duì)黏度較高的油流經(jīng)閥體時(shí)，黏度較大的油品直接沿通道流向出口，當(dāng)相對(duì)黏度較低的水體流經(jīng)閥體時(shí)，在高流速下具有較大的動(dòng)能，導(dǎo)致水體在閥腔內(nèi)上部邊緣和浮板下部高速湍動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，到達(dá)出口花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，渦流損失增大，從而達(dá)到控水、控氣、穩(wěn)油甚至增油的目的。

3.2 流量-壓差特性曲線

按照仿真方案的內(nèi)容，對(duì)純水、不同黏度純油和不同含水率油水混合液進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，得到其流量壓差曲線（圖4、圖5、圖6、圖7），通過(guò)曲線的趨勢(shì)和反映的規(guī)律可以掌握該浮板型穩(wěn)油控水閥的性能。

圖4 純水、不同黏度油介質(zhì)Q-ΔP仿真特性曲線

圖5 不同含水率的油水混合液Q-ΔP仿真特性曲線

圖7 含水率60% ~ 80%的油水混合液Q-ΔP仿真特性曲線

由仿真計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：

（1） 相同壓差條件下，純水和黏度低于500 mPa·s的油品流量差別明顯，表明控水閥在該范圍內(nèi)穩(wěn)油控水效果顯著。

（2） 不同含水率條件下，控水閥體現(xiàn)出了明顯的穩(wěn)油控水效果，尤其低含水率范圍更加效果顯著，體現(xiàn)出該控水閥的適用性范圍較廣。

（3） 控水閥在不同黏度油品在相同含水率條件下反映出來(lái)的穩(wěn)油控水規(guī)律與純油純水一致。

4 浮板型穩(wěn)油控水閥現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況分析

浮板型穩(wěn)油控水閥的仿真計(jì)算結(jié)果表明了其良好的穩(wěn)油控水效果，結(jié)合海上某油田的穩(wěn)油控水需求設(shè)計(jì)控水管柱（圖8）并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用。該海上油田原油黏度5 ~ 150 mPa·s，介于輕質(zhì)原油至普通稠油的范圍，同時(shí)該原油黏度范圍也在本次仿真計(jì)算結(jié)果中的穩(wěn)油控水有效范圍。通過(guò)生產(chǎn)階段的產(chǎn)量及含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行浮板型穩(wěn)油控水閥的控水效果分析可見(jiàn)，與油藏模擬預(yù)測(cè)不采取控水作業(yè)的產(chǎn)量和含水率相比，實(shí)施控水作業(yè)后的含水率明顯低于預(yù)測(cè)值，且在產(chǎn)油量維持的情況下產(chǎn)液量顯著降低（圖9），有效保障了油田的高效開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該浮板型穩(wěn)油控水閥具有良好的穩(wěn)油控水效果，仿真計(jì)算結(jié)果有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖8 控水管柱示意圖

圖9 控水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1） 仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果均表明，浮板型穩(wěn)油控水閥具有良好的穩(wěn)油控水效果。

（2） 浮板型穩(wěn)油控水閥在現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用，為高含水油田高效開(kāi)發(fā)提供了有力保障。

（3） 仿真計(jì)算分析為穩(wěn)油控水閥的性能評(píng)價(jià)提供了有效的分析和評(píng)價(jià)手段，為今后控水產(chǎn)品的研發(fā)和評(píng)價(jià)提供了有效依據(jù)。