國內(nèi)外水平井智能控水技術(shù)研究進展

賈永康，劉光普，王曉龍，王碩，李曉偉

國內(nèi)外水平井智能控水技術(shù)研究進展

賈永康，劉光普，王曉龍，王碩，李曉偉

（中海油田服務股份有限公司， 天津 300450）

隨著開發(fā)的延長，水平井開發(fā)高含水問題尤為凸顯，穩(wěn)油控水難度日趨加大。國內(nèi)外學者聚焦水平井控水研究，提出多項篩管完井控水技術(shù)，筆者通過充分調(diào)研與對比，整理出浮片式智能分流裝置、流速控制閥（RCP）控水技術(shù)、自動流入控制閥（EquiFlow）控水技術(shù)和“Y”型導流裝置控水技術(shù)等，介紹裝置結(jié)構(gòu)及控水原理，為水平井智能控水技術(shù)的進一步研究提供方向。

智能化；控水；水平井；管柱

目前，國內(nèi)大部分油田都已進入中高含水期，生產(chǎn)井隨含水升高產(chǎn)量迅速下降。有些油井開采不久甚至剛投產(chǎn)就見水，使采油效益受到很大影響。水平井的應用在很大程度上提高了油井的生產(chǎn)效率，但隨油井見水暴露出來的問題也日益突出［1-3］。

水平油井開發(fā)較直井而言，出水機理更為復雜，目前尚無經(jīng)濟有效的定位找水技術(shù)。常用的分段封隔技術(shù)的成敗主要依賴于精確的找水成果；傳統(tǒng)的ICD控水技術(shù)仍停留在非智能狀態(tài)，無法根據(jù)井下狀態(tài)實時調(diào)控。針對這些局限，國內(nèi)外學者結(jié)合流體力學、機械自動化等理論，改進完井控水裝置，根據(jù)油水流動特性改變流動通道大小，實現(xiàn)智能控水增油的目的，為解決水平井高含水問題提供一種全新工藝技術(shù)［4-5］。

1 浮片式智能分流裝置

M.P. Coronado和R.K. Mody等［6］為改進被動型ICD技術(shù)進行了探索，設計出一種利用平衡浮片裝置，根據(jù)產(chǎn)出液變化自主改變流動通道大小。

浮片式智能控水裝置（圖1）采用特殊的重量平衡片設計，當產(chǎn)出液流體密度和油密度一致時，閥門保持開放；當產(chǎn)出流體密度顯著異于標準油的密度時，閥門關(guān)閉。閥門開合完全取決于產(chǎn)出液密度。利用該原理，根據(jù)目標油氣井的流體特性來調(diào)整平衡浮片敏感性范圍，實現(xiàn)進油阻氣（水）的目的。針對此裝置開展了一系列低壓多相流測試，比較成功地完成了控水分流作業(yè)，從此開啟了自動化控水裝置研發(fā)的探索之路。但仍存在著較為明顯的局限性：可動式平衡浮片裝置很容易出現(xiàn)故障，壽命短；由于油水密度差別不大，對平衡浮片材料要求太高。

圖1 浮片式控水裝置示意圖

2 流速控制閥（RCP）控水技術(shù)

近十年，挪威石油公司(Statoil)及其他石油公司使用單分支和多分支水平井以增大與油藏的接觸面積，在很大程度上提高了油井的生產(chǎn)效率。同時，應用水平井很容易造成水過早突破［7-9］，進而影響到油藏的最終采收率。20世紀90年代，井下流量控制裝置(ICD)和井下流量控制閥(ICV)的出現(xiàn)為更好地解決井下流量控制、實現(xiàn)均衡排液提供了一種新的途徑［10-11］。但考慮其局限性，挪威石油公司研制了新型自助式AICD裝置——流速控制生產(chǎn)閥(RCP)［12-13］，通過流體黏度不同調(diào)節(jié)流動通道大小，在油井氣、水突破后，可實現(xiàn)自動、實時控水（氣）增油的功能。

RCP控水閥（圖2）只包含一個可活動部件——浮盤［14］，其位置高低取決于流體的屬性及油藏環(huán)境。產(chǎn)出液流入過程符合能量守恒，無需人工干預，無需提供電力或水動力，黏度高的流體（油）流速慢，浮盤上方流體動能小、勢能大，推動浮盤向下運動，讓黏度高的流體更容易的通過；黏度低的流體（水/氣）流速快，浮盤上方流體動能大、勢能小，浮盤被向上推動，讓黏度小的流體更難通過。一般情況下，每個防砂篩管安裝1個RCP閥（圖3），較長防砂段可安裝3～4個控制閥。

圖2 RCP閥示意圖

該裝置具有均衡排液、選擇性節(jié)流、分離油水等優(yōu)勢，但當施加在浮盤上的力超過其承受極限時，該部件就會損壞，因此該裝置設計需考慮材料的耐壓性能是否滿足油藏具體壓力及井筒生產(chǎn)變化情況。

圖3 安裝RCP閥的水平井段示意圖

3 自動流入控制閥（EquiFlow）控水技術(shù)

EquiFlow水平井流入裝置是美國哈里伯頓石油公司針對水平井智能控水研發(fā)出的產(chǎn)品［15-16］，通過調(diào)配地層流體在井筒的流入狀態(tài)來提高水平井防砂效果和開采效率。該控制閥為一體型設計，不含移動部件和彈性材料（圖4）。

圖4 EquiFlow水平井流入裝置示意圖

地層流體由對稱的兩個入口進入裝置，由同一出口流出。每個入口處流體沿切線方向流入，途中有徑向直達出口的豁口。主流道流體沿切向流入限流器，相對限流器中心出口具有一個很大的轉(zhuǎn)動慣量，流體將隨著其不斷接近出口而開始高速旋轉(zhuǎn)。而分支流道流體沿徑向流入限流器，相對限流器出口幾乎沒有轉(zhuǎn)動慣量，流體將沿最短的路徑直接流向出口。這兩股流體將會互相影響、混合，并產(chǎn)生不同的限流結(jié)果。當黏度較大的油流入裝置時，分支流道流量較大，對流場產(chǎn)生影響更大，并帶動混合液直接流向出口，此時限流作用最??；當黏度較小的氣、水流入流道時，主流道流量增大，而分支流道流量減小，此時旋流作用增強，并帶動混合液高速旋轉(zhuǎn)，此時限流作用最大，從而達到自主控水增油的效果［17-18］。

圖5 EquiFlow水平井流入裝置與井下工具組合示意圖

這項控水技術(shù)在國內(nèi)外一些油田進行了應用［19-22］，并取得了一定效果。該控制閥具備如下優(yōu)點：（1）EquiFlow AICD裝置較平衡片與浮動盤設計，結(jié)構(gòu)一體化，更為穩(wěn)固，大大降低了裝置本身因重復活動調(diào)節(jié)而產(chǎn)生零部件損耗，同時對井下復雜生產(chǎn)狀況適應性更強，保養(yǎng)成本與使用壽命有很大優(yōu)勢，經(jīng)濟效益顯著；（2）該裝置外部由手掌大小的碳鎢合金材質(zhì)鑲嵌設計，結(jié)構(gòu)緊湊。閥門部位安裝設計高度與管柱直徑相匹配，無冗余突出部位，有效的保證組合管柱入井。閥門使用的數(shù)量是根據(jù)用戶的需求，便于匹配井下工具。

4 “Y”型導流裝置控水技術(shù)

曾泉樹、汪志明等［23-24］在EquiFlow AICD裝置研究的基礎上，提出一種新型自主限流裝置。考慮了切向進入與徑向進入兩種方式，設計Y型入口，增加入口數(shù)量，優(yōu)選出最佳裝置設計，在其原有優(yōu)勢基礎上，克服黏度適用范圍小的局限性。對于徑向連接方式，流速較低時，更多流體進入分支流道直達出口；流速較高時，更多流體進入主流道產(chǎn)生旋流作用，從而達到限流目的。對于切向連接方式，主流道與分支流道進入的流體所攜帶的轉(zhuǎn)動慣量方向相反，在限流器某一位置匯合時其轉(zhuǎn)動慣量將會減弱甚至相互抵消，該裝置正是利用兩個方向流體轉(zhuǎn)動慣量抵消程度來實現(xiàn)自主控水增油：流速較低時，不同流道的流量相當，其轉(zhuǎn)動慣量將減弱甚至相互抵消，此時限流作用最小；流速較高時，主流道流量增大，分支流道流量減小，轉(zhuǎn)動慣量差值變大，此時旋流作用不斷增強，限流作用也逐漸變大［25-26］。

通過流線數(shù)值模擬等手段得出如下結(jié)論：（1）切向連接方式的導流效果好于徑向連接方式，但切向連接方式下流道長度大，油相壓降大幅度增加導致油相黏度可用范圍的縮小。因此，建議選用徑向連接方式；（2）分支角越大，水相在限流器中的旋流效應越明顯，產(chǎn)生的阻力越大。同時，分支角越大，導流器的流道長度越短，對油相產(chǎn)生的阻力越小。因此，油相黏度可用范圍隨分支角增大而擴大，然而受其自身尺寸的限制，分支角不能大于60°，因此60°為最佳分支角度；（3）3個Y形導流器情況下該裝置既能具有較大的油水限流差異，又能充分利用限流器進行限流，因此，3個Y 形導流器數(shù)時對應的油相可用黏度上限最大；（4）該裝置水壓損失是油相的4 倍，具有較好的穩(wěn)油控水能力，且對油相密度和黏度的適用范圍均較廣［27-29］。

5 結(jié) 論

1）在傳統(tǒng)ICD/ICV控水技術(shù)發(fā)展較為成熟的基礎上，水平井智能控水技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來，形成了一些產(chǎn)品，并隨著國內(nèi)外推廣應用逐步完善。

2）現(xiàn)階段幾種智能控水技術(shù)主要利用井下開采流體（油、氣、水）流動特性的不同，結(jié)合機械改進裝置，結(jié)構(gòu)與材料不斷優(yōu)化，實現(xiàn)智能控水與經(jīng)濟效益共贏，國內(nèi)外油田的應用探索也充分證實該項技術(shù)為解決水平井高含水難題提供了一種全新的工藝思路。

3）在水平井開發(fā)早期，可以以智能控水裝置為核心，配套不同完井管柱，組成復合生產(chǎn)管柱，減少后期完善費用，提高產(chǎn)品利用率。

4）水平井控水智能化已成為大勢所趨，并將集成地面調(diào)控、井下智能數(shù)采監(jiān)測系統(tǒng)等多種手段，真正做到水平井生產(chǎn)的實時監(jiān)測及壓力、流量等的實時調(diào)整，最大程度地提高油田的采收率。

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Research Progress of Intelligent Water Control Technology in Horizontal Wells

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（China Oilfield Services Limited, Tianjin 300450, China）

High water cut in horizontal wells is becoming more and more remarkable with the production time goes on, which makes it be more difficult todecrease water cut and enhance oil recovery. Domestic and foreign scholars focused on the research of horizontal well water control, and proposed a number of screen completion water control technologies. Through thorough investigation and comparison, some water control technologies were discussed, such as floating-piece intelligent diversion device, flow rate control valve (RCP) water control technology, and automatic inflow control valve (EquiFlow) water control technology, "Y" type diversion device water control technology and so on. The device structure and water control principle were introduced, providing a proper direction for further research on horizontal well intelligent water control technology.

High water cut; Intelligent; Water control; Horizontal wells

2021-03-03

賈永康（1988-），男，工程師，碩士學位，河南安陽市人，2014年畢業(yè)于長江大學油氣田開發(fā)工程專業(yè)，研究方向：海上油田增產(chǎn)技術(shù)研究與應用。

TE358.3

A

1004-0935（2022）01-0075-04