曾泉樹，汪志明，王小秋，魏建光，鄒偉林，李毅巍

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249； 2.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

0 引言

由于受“跟趾效應(yīng)”［1-2］、儲(chǔ)層非均質(zhì)性［3-4］、儲(chǔ)層各向異性［5］和天然裂縫［6］等因素影響，長(zhǎng)水平井的生產(chǎn)剖面難以持續(xù)、均衡推進(jìn)，將在油井的跟端處、高滲層段和裂縫處過早見水／氣.一旦油井見水／氣，由于水／氣的黏度較低，將在錐進(jìn)處形成快速通道，并抑制其他位置的產(chǎn)油量.為了消除這種不平衡現(xiàn)象，可在完井段上安裝流入控制裝置（ICD），產(chǎn)生附加壓降，以保證入流剖面沿整個(gè)水平段的均勻性［7］.

根據(jù)流動(dòng)阻力等級(jí)（FRR）是否恒定，ICD可以分為被動(dòng)式流入控制裝置（PICD）和自適應(yīng)流入控制裝置（AICD）.PICD分別利用限流原理（噴嘴型［8］、孔板型［9］）、摩擦原理（迷宮型［10］、螺旋通道型［11］），或者結(jié)合兩種機(jī)理（混合型［12-13］、噴管型［14］）產(chǎn)生附加壓降.由于PICD的FRR為定值，一旦油井見水／氣，低黏度的水／氣將占據(jù)整個(gè)井筒，并抑制油相的流動(dòng)，從而導(dǎo)致油井產(chǎn)量大幅下降.

AICD的FRR隨含水率的增加而增大，一旦油井見水／氣，將對(duì)水／氣產(chǎn)生一個(gè)更大的阻力，從而達(dá)到穩(wěn)油控水／氣的目的.目前，AICD主要包括平衡片型、浮動(dòng)圓盤型和流道型.平衡片型AICD［15］利用油氣的密度差控制平衡片的開啟或關(guān)閉，但是可動(dòng)平衡片易出現(xiàn)故障，并且油水密度差別不大，不能有效控制水錐.浮動(dòng)圓盤型AICD［16］利用動(dòng)壓力和靜壓力的平衡關(guān)系控制浮動(dòng)圓盤的位置，當(dāng)施加在浮動(dòng)圓盤上的壓差超過承受極限時(shí)即損壞.流道型AICD［17］利用流體慣性力和黏性力的平衡關(guān)系改變流體通過裝置時(shí)的流道和阻力，由于黏度適用范圍較小，需要針對(duì)不同儲(chǔ)層條件進(jìn)行專門設(shè)計(jì).

筆者提出一種基于混合型ICD和遇水膨脹橡膠（WSR）的自膨脹型AICD，利用Fluent軟件分析流體性質(zhì)敏感性并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)；為了更好地評(píng)價(jià)自膨脹型AICD的性能，與噴嘴型、噴管型、螺旋通道型和混合型等4種流入控制裝置（流動(dòng)阻力等級(jí)相同）比較.

1 自膨脹型AICD設(shè)計(jì)

提出一種基于混合型ICD和遇水膨脹橡膠的自膨脹型AICD，裝置包括一系列的隔板、流動(dòng)狹槽和遇水膨脹橡膠，結(jié)構(gòu)見圖1.與常規(guī)混合型ICD類似，每個(gè)隔板上有2個(gè)呈180°對(duì)稱的流動(dòng)狹槽，且每一組狹槽與下一組狹槽錯(cuò)開成90°相位，因此流體通過各組狹槽后均轉(zhuǎn)向，從而預(yù)防下游流道產(chǎn)生射流效應(yīng).同時(shí)，一旦油井見水，狹槽上的遇水膨脹橡膠將膨脹，且膨脹度根據(jù)含水率自動(dòng)變化，從而改變裝置的最小過流面積和流動(dòng)阻力等級(jí)（見圖2），使得油井能夠更好地穩(wěn)油控水.當(dāng)含水率較低時(shí)，遇水膨脹橡膠的膨脹度受限，裝置的最小過流面積最大，流動(dòng)阻力等級(jí)最低；隨著含水率增大，遇水膨脹橡膠開始膨脹，最小過流面積逐漸變小，流動(dòng)阻力等級(jí)變大；當(dāng)含水率較高時(shí)，遇水膨脹橡膠充分膨脹，最小過流面積最小，流動(dòng)阻力等級(jí)最高.

自膨脹型AICD主要以多級(jí)限流的方式產(chǎn)生壓降，其FRR主要取決于最小過流面積和腔室級(jí)數(shù)，隨著含水率的增加而增加（見圖3）.純水通過裝置時(shí)的FRR為純油通過時(shí)的40倍，數(shù)值上等于環(huán)空流量30 m3／d的水相（密度為999.55kg·m-3，黏度為1mPa·s）流過ICD結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓降［18］.

另外，壓力隨著流體通過隔板形成的各個(gè)連續(xù)腔室而循序遞減，通過裝置的總壓降與所使用的隔板數(shù)量成正比，因此通過增加或減少隔板數(shù)量可以快速調(diào)整FRR.

2 模型建立

自膨脹型AICD存在多個(gè)入口，很難通過理論計(jì)算壓降；利用數(shù)值模擬軟件分析油水通過自膨脹型AICD的規(guī)律，以研究流體性質(zhì)敏感性和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù).

利用Gambit 2.4.6軟件［19］建立不同含水率時(shí)自膨脹型AICD的幾何模型，不同含水率時(shí)的最小過流面積見圖4，通過布爾運(yùn)算得到ICD內(nèi)部流動(dòng)模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分.為了準(zhǔn)確描述縫槽和孔口附近位置的流場(chǎng)，在位置分區(qū)并加密網(wǎng)格，最后輸出網(wǎng)格文件并導(dǎo)入Fluent 6.2.16軟件［20］中.不同含水率對(duì)應(yīng)的模型均有2個(gè)入口和1個(gè)出口，環(huán)空入口和基管入口設(shè)為速度入口（Velocity-inlet）條件，出口設(shè)為出流（Outflow）條件，其他默認(rèn)為壁面（Wall）條件.環(huán)空入口設(shè)置流量為30m3／d，為了保證流體在基管中流向，基管入口設(shè)置流量為5m3／d.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ICD一般是水平放置的，建立模型時(shí)需要考慮重力的影響.

不同含水率時(shí)自膨脹型AICD的靜壓力分布云圖見圖5.由圖5可以看出，自膨脹型AICD的多級(jí)限流設(shè)計(jì)以變量分配的方式產(chǎn)生壓降，隔板的分布形成一系列連續(xù)的腔室，當(dāng)流體流過腔室時(shí)，壓力逐漸下降，通過自我調(diào)整能夠適應(yīng)不同的FRR級(jí)別.隨著含水率增加，最小過流面積自動(dòng)減少，從而改變最小流動(dòng)區(qū)域和FRR級(jí)別，自膨脹型AICD能夠最大程度地防水和保證油通過.

3 性能分析

為了更好地評(píng)價(jià)自膨脹型AICD的性能，與FRR為0.800Bar的噴嘴型、噴管型、螺旋通道型和混合型等4種ICD比較；它們利用限流和／或摩阻機(jī)理產(chǎn)生一個(gè)相似的壓降，不同流體通過各ICD的壓降差別很大.限流機(jī)理的作用主要取決于最小過流面積、流量和流體密度；摩阻機(jī)理的作用主要取決于流道長(zhǎng)度、流量和流體黏度.雖然不同ICD產(chǎn)生壓降的機(jī)理不同，但是壓降影響因素都可以歸結(jié)為流體性質(zhì)和ICD結(jié)構(gòu).

3.1 流體性質(zhì)敏感性分析

為了描述含水率、油相密度和油相黏度對(duì)ICD產(chǎn)生壓降的影響，在環(huán)空流量為30m3／d、油管流量為5m3／d的條件下，設(shè)計(jì)3種節(jié)流壓降隨含水率、油相密度和油相黏度變化的敏感性分析方案（見表1）.由于水相性質(zhì)比較穩(wěn)定，不需要考慮水相性質(zhì)的敏感性.

表1 流體性質(zhì)敏感性分析方案Table 1 Fluid property sensitivity research projects

方案1的不同含水率時(shí)ICD節(jié)流壓降結(jié)果見圖6.由圖6可以看出，4種被動(dòng)式ICD的壓降隨著含水率的增加而先增加后降低，且在臨界含水率處達(dá)到最大.在大多數(shù)情況下，水相產(chǎn)生的壓降小于油相或油水混合物產(chǎn)生的，即一旦油井見水，被動(dòng)式ICD將失效.對(duì)于自膨脹型AICD，水相產(chǎn)生的壓降幾乎是油相產(chǎn)生的40倍，且油水混合物產(chǎn)生的壓降隨著含水率的增加而增加.因此，自膨脹型AICD具有自適應(yīng)的穩(wěn)油控水能力.

方案2的不同油相密度時(shí)ICD節(jié)流壓降結(jié)果見圖7.由圖7可以看出，5種ICD的節(jié)流壓降隨油相密度的增加而線性增加，且油相密度敏感性差別不大：在含水率為0%情況下，噴嘴型ICD的壓降隨密度的變化幅度為78.0Pa／（kg·m-3），噴管型ICD的為47.6Pa／（kg·m-3），螺旋通道型ICD的為18.6Pa／（kg·m-3），混合型ICD的為79.8Pa／（kg·m-3），自膨脹型 AICD的為29.8Pa／（kg·m-3）；在含水率為50%情況下，自膨脹型AICD的壓降隨密度的變化幅度增為44.0Pa／（kg·m-3）.這表明噴嘴型和混合型ICD對(duì)密度變化最敏感，由于4種被動(dòng)式ICD的流動(dòng)阻力等級(jí)為0.800Bar，壓降隨密度的變化幅度越大，在低密度時(shí)對(duì)應(yīng)的壓降越小，噴嘴型和混合型ICD的性能最好；自膨脹型AICD在低含水率時(shí)性能更好.

方案3的不同油相黏度時(shí)ICD節(jié)流壓降結(jié)果見圖8.由圖8可以看出，5種ICD的節(jié)流壓降隨著油相黏度的增大而線性增加，不同ICD對(duì)油相黏度的敏感性差別很大：在含水率為0%情況下，噴嘴型ICD的壓降隨黏度的變化幅度為397.9Pa／（mPa·s），噴管型ICD的為3001.7Pa／（mPa·s），螺旋通道型ICD的為6401.2Pa／（mPa·s），混合型ICD的為396.0Pa／（mPa·s），自膨脹型 AICD的為361.3Pa／（mPa·s）；在含水率為50%情況下，自膨脹型AICD的壓降隨黏度的變化幅度降為45.7Pa／（mPa·s）.這表明噴嘴型、混合型ICD和自膨脹型AICD對(duì)黏度變化最不敏感；自膨脹型AICD在高含水率時(shí)性能更好.

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在生產(chǎn)過程中，地層流體的性質(zhì)和流量隨時(shí)變化.由于ICD的性能是與流動(dòng)阻力等級(jí)適應(yīng)的，對(duì)不同的儲(chǔ)層條件，主要通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化ICD配置，使其流動(dòng)阻力等級(jí)與特定儲(chǔ)層段適應(yīng)，從而保證流入剖面的均勻.在多級(jí)ICD完井中，如果有一個(gè)ICD的流動(dòng)阻力等級(jí)與特定儲(chǔ)層段不匹配，也將使油井局部位置產(chǎn)量增加，導(dǎo)致油井生產(chǎn)剖面不均衡.

影響ICD流動(dòng)阻力等級(jí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以歸結(jié)為最小過流面積（限流機(jī)理）和流道長(zhǎng)度（摩阻機(jī)理）.在環(huán)空流量30m3／d、油管流量5m3／d條件下，以水相為介質(zhì)，分析流動(dòng)阻力等級(jí)隨最小過流面積和流道長(zhǎng)度的變化.

流動(dòng)阻力等級(jí)隨最小過流面積的變化曲線見圖9.由圖9可以看出，5種ICD的流動(dòng)阻力等級(jí)隨著最小過流面積的減小而急劇增大.最小過流面積影響裝置抗沖蝕和防堵塞能力.由于噴嘴型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、混合型和自膨脹型AICD利用多級(jí)限流機(jī)理產(chǎn)生壓降，因此在同等流動(dòng)阻力等級(jí)下，其他ICD的最小過流面積大于噴嘴型ICD的，且最大過流速度也比流體通過噴嘴時(shí)的小得多.在各流動(dòng)阻力級(jí)別下，混合型（螺旋通道型、噴管型）ICD的最小過流面積大約是噴嘴型的3倍（2倍、1.25倍）.如當(dāng)FRR為0.800Bar時(shí)，噴嘴型ICD的最小過流面積為39.0mm2，噴管型ICD的為49.3mm2，螺旋通道型ICD的為81.5mm2，混合型ICD和自膨脹型AICD的為120.0mm2.由自膨脹型AICD在不同含水率時(shí)最小過流面積和流動(dòng)阻力等級(jí)可以看出，其最小過流面積隨含水率增加迅速減小，且流動(dòng)阻力等級(jí)與最小過流面積遵循混合型ICD的關(guān)系曲線.自膨脹型AICD保留混合型ICD的性能，在泥漿返排過程中抗堵塞能力較強(qiáng)，在穩(wěn)產(chǎn)期抗顆粒沖蝕能力較強(qiáng).

流動(dòng)阻力等級(jí)隨流道長(zhǎng)度的變化曲線見圖10.由圖10可以看出，5種ICD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.在含水率為0%情況下，噴嘴型ICD通過Y軸的點(diǎn)為0.760Bar，噴管型ICD的為0.527Bar，螺旋通道型ICD的為0.035Bar，混合型ICD的為0.107Bar，自膨脹型AICD的為0.043Bar；在含水率為50%情況下，自膨脹型AICD與Y軸的交點(diǎn)為0.177Bar.噴嘴型ICD的最大過流速度最大，在同等流道長(zhǎng)度下壓降增幅最大.由于噴嘴型ICD的噴嘴長(zhǎng)度一般很短，且基本上不能調(diào)整，因此對(duì)FRR影響很??；其他4種ICD的流道長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于噴嘴型ICD的，對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)影響很大.此外，混合型ICD和自膨脹型AICD還可以通過增加或減少隔板數(shù)量快速調(diào)整流動(dòng)阻力等級(jí).

總體上，自膨脹型AICD利用隔板形成的多個(gè)連續(xù)腔室對(duì)流體產(chǎn)生多級(jí)限流，最小過流面積較大，且對(duì)黏度變化不敏感，一旦油井見水預(yù)裝的遇水膨脹橡膠即膨脹，并產(chǎn)生一個(gè)較大的流動(dòng)阻力.另外，該裝置還能通過增加或減少隔板數(shù)量快速調(diào)整FRR.因此，該裝置在油井生產(chǎn)的不同階段都具有卓越的性能，適合在油田現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用：在泥漿返排階段防堵塞能力強(qiáng)，在穩(wěn)產(chǎn)期抗沖蝕性能強(qiáng)，在衰竭生產(chǎn)期能持續(xù)控制入流且對(duì)黏度不敏感，一旦油井見水還能顯著增加阻力.

4 結(jié)論

（1）提出基于混合型ICD和遇水膨脹橡膠的自膨脹型AICD.一旦油井見水，預(yù)裝在狹槽上的遇水膨脹橡膠自動(dòng)膨脹，且膨脹度根據(jù)含水率自動(dòng)調(diào)整，從而改變裝置的最小過流面積，對(duì)不同的流體產(chǎn)生不同的限流作用，保證油井持續(xù)穩(wěn)產(chǎn).

（2）該裝置在油井生產(chǎn)的不同階段都具有卓越的性能：在泥漿返排過程中抗堵塞能力較強(qiáng)；在穩(wěn)產(chǎn)期抗顆粒沖蝕能力較強(qiáng)，且阻力較??；在衰竭生產(chǎn)階段能夠持續(xù)控制入流，且對(duì)黏度不敏感；一旦油井見水，還能產(chǎn)生更大的阻力.

（3）影響ICD壓降的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以歸結(jié)為最小過流面積（限流機(jī)理）和流道長(zhǎng)度（摩阻機(jī)理）.當(dāng)調(diào)整ICD的流動(dòng)阻力等級(jí)時(shí)，應(yīng)先確定最小過流面積，再確定流道長(zhǎng)度，也可以通過增減隔板數(shù)量快速調(diào)整自膨脹型AICD的流動(dòng)阻力等級(jí).

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