水平井雙腔螺旋式AICD實驗研究

劉承婷,陳 甜,閆作秀

(東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

隨著采油技術(shù)的發(fā)展,水脊現(xiàn)象和趾跟效應(yīng)越來越嚴重[1]。水脊現(xiàn)象是指隨著采油時間的增加,井筒中心的壓力梯度增大,原來平衡的油水界面會呈脊背狀。趾跟效應(yīng)是指當水平井井筒內(nèi)有流體流過時,由于摩阻產(chǎn)生壓降,壓降使水平井的跟部和趾部產(chǎn)生不同的流入壓差,打破2部分的流入流量平衡,影響水平井的底水錐進,因此,水平井的含水率會上升[2]。自動流入控制裝置(Automatic inflow control device,AICD)可以控制不同粘度流體的流動性,進而控制水平井的含水率。AICD結(jié)構(gòu)比較簡單,主要由Y型分支導(dǎo)流器和內(nèi)、外旋流盤3部分組成[3]。內(nèi)、外旋流盤的作用是提供旋流壓降,流體的切向流動越大,壓力損失就會越大[4,5]。Y形導(dǎo)流器主要由2部分組成,可以自動鑒別劃分流體,切向部分可以使流體沿切向流進旋流盤,會形成較大的旋流摩阻,另一部分引導(dǎo)流體沿徑向流進旋流盤。施衛(wèi)平等[6]設(shè)計出流道式AICD,主要由Y型流道、弧形擋板、圓盤3部分組成,在圓盤布置雙層擋板來增加水的徑向流動摩阻[7]。李海濤團隊以Y型AICD為原理設(shè)計出新型AICD,由內(nèi)外旋流流道、T型流道、Y型流道、旋流腔室4部分組成,并通過仿真模擬軟件與室內(nèi)實驗相融合的方法,分析了該AICD的控水性能。趙旭設(shè)計的新型AICD由Y型導(dǎo)流器、控制腔室和流槽3部分組成,然后以水油壓降比為依據(jù),對AICD的進口數(shù)量、流槽距離進行優(yōu)化,以提高AICD限流控水的效果[8]。近些年,流道式以及浮動盤式的流入控制裝置一直在優(yōu)化,但是現(xiàn)有設(shè)備的適用性差、控水效果不穩(wěn)定,設(shè)備測試局限于數(shù)值模擬方式,現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)較少[9]。

針對上述問題,本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣且穩(wěn)油控水效果穩(wěn)定的雙腔螺旋式AICD,研究了粘度、流量、含水率對該裝置工作效果的影響,進而分析該裝置對油水兩相的分離效率和限流控水的敏感性。

1 設(shè)計原理

1.1 工作原理

水和油一起流進該設(shè)備時,水相受慣性力的影響繼續(xù)原來的流動方向,即沿切向流入控制室內(nèi)[10]。水相在控制腔室會產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動,進而在環(huán)形流槽內(nèi)快速旋轉(zhuǎn),這樣會抑制水相伴隨油相的流出,產(chǎn)生的較大旋轉(zhuǎn)損失和沿程壓降使水相在擋板間隔以及腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)后流出,致使水相旋轉(zhuǎn)損失進一步加大[11-15]。油相受粘滯力的影響,一部分油相會從分支流槽流進螺旋腔室內(nèi)或者在中間出口沿著徑向直接流出,另一部分流入螺旋腔的水相由于離心力的作用在腔室內(nèi)發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)[16],所以水相的壓降損失遠遠超過油相的壓降損失,兩者之間的壓降差

(1)

式中:λ為沿程壓力損失系數(shù);ζ為局部壓力損失系數(shù);ρm為混合溶液密度;L為流道長度;d為流道的水力直徑;A為流道的橫截面積;Q為流入自動相選擇控制閥的流量。沿程壓力損失系數(shù)

(2)

式中:g為重力加速度;r為雙腔螺旋式AICD的曲率半徑;L為通道長度;v為雙腔螺旋式AICD內(nèi)的流速。

1.2 裝置

本文根據(jù)現(xiàn)有的AICD技術(shù),基于AICD的工作原理、螺旋分離理論[17]以及三通分相分離原理設(shè)計出一種雙腔螺旋式AICD。該裝置主要由入口、螺旋腔室、環(huán)形流槽、螺旋腔腔室、出口5部分組成。入口和出口切向連接,雙螺旋擋板最小曲率半徑為6 mm,如圖1的雙腔螺旋式AICD,該裝置的切向入口和雙螺旋腔室進口部分組成無分支流槽的“Y”型導(dǎo)流器,雙螺旋腔室在控制腔室內(nèi),3個出口的結(jié)構(gòu)能縮短油相的流動路徑,減少油相與水相之間的相混。該裝置設(shè)計為固定的螺旋腔式,相比于傳統(tǒng)的運動部件,可以減少部件的損耗,延長部件的使用壽命;利用雙螺旋腔室,可以對原油進行二次分離,進而減小油水的混輸量,降低原油的含水率。圖2為Y型AICD。

圖1 雙腔螺旋式AICD結(jié)構(gòu)圖

圖2 Y型AICD結(jié)構(gòu)圖

1.3 可行性驗證

為了對該裝置的可行性進行驗證,采用數(shù)值模擬的方法對傳統(tǒng)Y型和雙腔螺旋式AICD模擬的結(jié)果進行對比,如圖3和圖4所示。由圖3可知,相比于傳統(tǒng)Y型AICD利用離心原理以及漩渦理論,雙腔螺旋式AICD可在螺旋腔室內(nèi)形成渦旋。兩相的流速在該裝置內(nèi)會發(fā)生較大的分層現(xiàn)象,可以將油相中摻混的水相進一步分離。雙腔螺旋式AICD中兩相的壓降相比于Y型AICD,壓力變化幅度較大,合理的壓力域?qū)捒梢允姑芏炔煌脑彤a(chǎn)生不同的流速以及分離。為了該裝置的可行性研究以及對參數(shù)進行優(yōu)選,采取實驗驗證方法,在現(xiàn)場應(yīng)用該裝置,為提高礦場原油的采收率提供理論依據(jù)以及實際參數(shù)。

圖3 2種結(jié)構(gòu)模擬速度結(jié)果對比圖

圖4 2種結(jié)構(gòu)模擬壓力結(jié)果對比圖

2 實驗效果模擬

為了分析雙腔螺旋式AICD的具體性能,在實驗室構(gòu)建該裝置的控水實驗系統(tǒng),主要由4個部分組成:第1部分為流體混合系統(tǒng),攪拌器可以攪拌混合流體,讓不同性質(zhì)的流體充分均勻混合,用來配置不同含水率以及粘度的流體。第2部分為流體供給和控制系統(tǒng),可以控制電動機控制箱控制板上的變頻參數(shù)來改變電動機的轉(zhuǎn)速,進而使螺桿泵的流量發(fā)生變化,流體依靠螺桿泵的動力流動,可以將儲液罐的流體泵送進實驗系統(tǒng),同時還可以調(diào)節(jié)流體的流量大小以及流速。第3和第4部分為裝置固定系統(tǒng)和壓力測量與處理系統(tǒng),主要由壓力表和連接傳感器的電腦組成,該系統(tǒng)可以檢測螺桿泵的流量大小以及壓力表的參數(shù)變化,從而對流經(jīng)雙腔螺旋式AICD的流體壓降進行分析。如圖5、圖6所示,實驗設(shè)備主要有電動機控制箱、A1010粘度測定儀、G型35-1螺桿泵。雙腔螺旋式AICD與實物連接圖分別如圖7和圖8所示,實驗系統(tǒng)如圖9所示。

圖5 電動機控制箱實物圖

圖6 粘度測定儀實物圖

為了考慮不同粘度以及油水混合比例對該裝置的影響以及優(yōu)越性,根據(jù)現(xiàn)場對傳統(tǒng)Y型自動限流控水裝置使用的原油粘度以及油水混合比的測量結(jié)果,選取粘度為20 mPa·s、60 mPa·s、150 mPa·s、200 mPa·s的混合液進行實驗。按照含水率為30%、60%、90%配制油水混合液,每組實驗測試3次,取平均數(shù)并觀察該裝置內(nèi)的流動狀況;對不同含水率的流體進行實驗并獲取雙腔螺旋式AICD的前后壓差,分析不同流量、不同含水率、不同粘度下的實驗數(shù)據(jù)。

圖7 雙腔螺旋式AICD實物圖

圖8 雙腔螺旋式AICD實物連接圖

圖9 雙腔螺旋式AICD實驗系統(tǒng)示意圖

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 不同粘度流體水油壓降比分析

圖10為不同粘度流體的過閥壓降圖。由圖10可知,流體的壓降隨著流體粘度的增大逐漸減小,水相的壓降變化幅度在1 MPa左右,粘度不同的原油流體壓降曲線趨勢基本一致,油相的變化幅度在0.25 MPa左右,即水相的壓降為油相壓降的4倍。流體的壓降隨著流體流量的增大逐漸增大,當流體的流量增大到16 m3/d時,流體壓降幅度開始發(fā)生明顯的波動,最大的流體壓降可達2 MPa,說明該裝置對大流量流體的控水效果更為敏感。因為隨著流量的增大,流體的流動速度逐漸增大,由于慣性力作用的影響,流體在雙螺旋腔室以及環(huán)形流槽之間的摩擦阻力將會增大,進而導(dǎo)致流體在雙腔室以及流槽的壓降損失增大。在原油流經(jīng)螺旋腔室時由于離心力的作用,流體的壓降會發(fā)生變化。

圖10 不同粘度流體的過閥壓降圖

圖11為水相與不同粘度油相壓降比曲線圖?？梢钥闯?隨著流量的增大,不同水相與油相的壓降比逐漸增大,但是增大的幅度不一致。可以將水相與不同粘度油相的壓降比劃分為3個變化階段:第1階段為快速增長階段,當流量在5～10 m3/d之間時,150 mPa·s和200 mPa·s的水油壓降比的變化幅度在0.1～1之間,20 mPa·s和60 mPa·s的水油壓降比變化幅度在0.1～0.5之間;第2階段為緩沖階段,當流量在10～15 m3/d之間時,4種粘度的水油壓降比變化幅度為0.001～0.01之間;第3階段為恢復(fù)階段,150 mPa·s和200 mPa·s的水油壓降比的變化幅度在0.1～1.5之間,20 mPa·s和60 mPa·s的水油壓降比基本無變化。低粘流體相比于高粘流體對于該裝置的敏感性更大,可以有效控制高粘流體水平井中的水脊現(xiàn)象,有效降低水平井中的含水率。

從壓降分析來看:流量達到25 m3/d左右后,4種粘度原油的水油壓降比增加趨勢趨于平緩。當原油的粘度為20 mPa·s時,10 m3/d的流體水油壓降比最大,為1.8;原油的粘度為60 mPa·s時,15 m3/d的流體水油壓降比最大,為2;原油的粘度為150 mPa·s和200 mPa·s時,25 m3/d的流體水油壓降比最大,為4.4。粘度越大的流體,當流量增大時,流體的水油壓降比就越大,即該裝置對于高粘混合流體的控水性能更好。這是因為低粘度流體在流經(jīng)螺旋腔室時,粘滯力對于流體的作用力較小,油水的分層現(xiàn)象沒有高粘流體的明顯,即流體的壓降變化就會越小。

圖11 水相與不同粘度油相壓降比曲線圖

因為大慶原油的粘度較高,雙腔螺旋式AICD對高粘流體的效果較好,流量在25 m3/d時,該裝置可以很好地穩(wěn)定高粘原油的產(chǎn)量,防止水相的流出和原油的摻混,穩(wěn)油控水的效果最佳。

3.2 分離效率及控水性能分析

上文分析得到25 m3/d為最佳流量,圖12為流量為25 m3/d時不同含水率下雙腔螺旋式AICD中流體的壓降。

圖12 壓降與含水率關(guān)系曲線圖

由壓降圖12分析可得,流體的含水率越大,壓降幅度就越大。不同粘度含水率的壓降曲線可分為2個階段:第1階段為平穩(wěn)上升階段,當含水量率為0～30%時,低粘流體(20 mPa·s和60 mPa·s)的壓降曲線變化域?qū)捯恢?域?qū)捿^小;高粘流體(150 mPa·s和200 mPa·s)的壓降曲線變化域?qū)捯恢?域?qū)挶鹊驼沉黧w的壓降寬0.01 MPa;第2階段為快速上升階段,當含水率大于30%時,低粘流體壓降相比于高粘流體壓降域?qū)捿^大,但是高粘流體的總體壓降還是大于低粘流體。這是因為在流體流經(jīng)雙螺旋腔室時,粘度對流體的流動形態(tài)雷諾數(shù)影響較大,流體與螺旋腔室和流槽壁面之間的摩阻損失將會增大,進而低粘流體的壓降域?qū)挄儗挕?/p>

表1與圖13為流量為25 m3/d時,不同含水率條件下雙腔螺旋式AICD中水相分離效率以及粘度的變化關(guān)系。

表1 不同含水率下油水分離效率與粘度的變化關(guān)系表

由表1與圖13可知:當流體的粘度越大且含水率越高時,流體壓降的變化域?qū)捑蜁酱?即該裝置的油水分離效果越明顯。原油粘度200 mPa·s、含水率90%時, 油水分離效率達到30%左右, 油水之間的分離效果最好。 而且隨著三次采油技術(shù)的開發(fā),原油的含水率更高,該裝置可以很好地在三次采油的水平井中運行,對油水的分離也會達到很好的效果。

圖13 油水分離效率與粘度的變化關(guān)系圖

圖14為不同粘度原油水相分離效率與流量以及含水率的變化圖。由圖14可得:隨著含水率的增加,出口與入口之間的含油率差值逐漸增大。隨著流量的增大,含油率差值也逐漸增大;隨著流體粘度的增大,含油率差值的變化域?qū)捴饾u增大,超低粘(20 mPa·s)大流量流體和超高粘(200 mPa·s)大流量流體的含油率差值變化域?qū)捿^大,最大可以達到15%。當20 mPa·s原油的含水率是30%時,出口與入口的含油率差值在4%～5%之間,當含水率上升為90%時,含油率差值在12%～18%之間,為60 mPa·s原油含水率的1.05～2.5倍;200 mPa·s原油的含水率是30%時,含油率差值在5%～10%之間,當含水率上升為90%時,含油率差值在20%～27%之間,為150 mPa·s原油含水率的1.08～4倍。因此,經(jīng)過雙腔螺旋式AICD后可以有效地控制高含水原油的流出,加大低含水流體的產(chǎn)量,發(fā)揮較好的穩(wěn)油控水效果。

圖14 不同含水率下分離效率與流量的變化關(guān)系圖

圖15為不同粘度原油在不同含水率條件下流量與壓降的關(guān)系曲線。由圖15可知:隨著含水率以及流量的增大,流體的壓降逐漸增大,但是流量對流體壓降的影響大于含水率。不同含水率下流體的壓降曲線主要可以分為2個階段:第1階段為平穩(wěn)上升階段,當流體的流量在5～15 m3/d時,流體壓降的變化幅度在0～0.35 MPa之間;第2階段為急速上升階段,流量在15～25 m3/d時,壓降變化幅度最大可達6 MPa。低粘流體的壓降變化域?qū)捫∮诟哒沉黧w的域?qū)?含水率為90%時,流體的壓降最大為16 MPa。所以,當高含水率流體流經(jīng)該裝置時,流動阻力和摩阻損失會加大,可以有效地控制水相進入井筒內(nèi),抑制了原油中的含水率上升,達到穩(wěn)油控水的效果。

圖15 不同含水率下油相壓降與流量的變化關(guān)系圖

4 結(jié)束語

本文基于水平井含水率不斷上升的問題,在傳統(tǒng)Y型AICD的基礎(chǔ)上,設(shè)計了雙腔螺旋式AICD,利用流體流變性不同的特性,對流體進行多因素實驗分析。實驗結(jié)果表明該裝置限制水相、低粘度流體與高含水率流體流出的效率提高了3.5%。該裝置可為現(xiàn)場水平井的限流控水提供一定的實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文主要研究了雙腔螺旋式AICD結(jié)構(gòu)本身的控水效果,實際生產(chǎn)過程中需將AICD安裝在水平井生產(chǎn)系統(tǒng)中進行工作。因此,需要進一步研究新型AICD在整個水平段生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)對井筒流動及油藏流體流動的影響效果。