趙崇鎮(zhèn)

(中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京 100728)

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水平井自適應(yīng)調(diào)流控水裝置研制與應(yīng)用

趙崇鎮(zhèn)

(中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京 100728)

針對邊底水油藏水平井由于跟端趾端效應(yīng)和水平段地層非均質(zhì)性造成含水率快速升高的情況，在分析油水物性和調(diào)流控水篩管應(yīng)用工藝的基礎(chǔ)上，利用層流與紊流的流動特性，研制了一種能夠根據(jù)產(chǎn)出流體的情況自動調(diào)節(jié)附加阻力的“主動式”自適應(yīng)調(diào)流控水裝置。流體動力學(xué)流場模擬及室內(nèi)性能試驗結(jié)果表明，油水流經(jīng)自適應(yīng)調(diào)流控水裝置時，油相的摩阻低、水相的摩阻高，最大水油壓降比可達(dá)10.0以上，具有自動調(diào)節(jié)油水附加阻力的功能。自適應(yīng)調(diào)流控水裝置在塔河油田底水油藏水平井A井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，與未應(yīng)用調(diào)流控水裝置的鄰井相比，低含水采油期延長3個月以上。研究與試驗表明，自適應(yīng)調(diào)流控水裝置可以根據(jù)產(chǎn)出流體的情況，自動對產(chǎn)出水進(jìn)行節(jié)流，解決了邊底水油藏水平井底水錐進(jìn)的問題。

水平井；底水油藏；調(diào)流控水；節(jié)流控制器；現(xiàn)場試驗；塔河油田

近年來，水平井在油氣藏開發(fā)中的應(yīng)用越來越多，但對于邊底水油藏，由于水平井與儲層的接觸面積較大，沿程摩阻和儲層物性變化往往導(dǎo)致水平井水平段各處產(chǎn)液量不均，底水易于向水平井跟部和物性較好的部位錐進(jìn)，極大地影響了水平井的開采效果[1-4]。為了控制底水錐進(jìn)，實現(xiàn)水平井入流平衡，延長油井生產(chǎn)壽命，國內(nèi)外研制應(yīng)用了油井流入控制器(inflow control device，簡稱ICD)[5-11]，但傳統(tǒng)的ICD屬于被動控水裝置，使用時需要根據(jù)油藏物性、井眼軌跡、電測結(jié)果等資料對完井參數(shù)進(jìn)行提前設(shè)置，一旦投入生產(chǎn)不能再進(jìn)行調(diào)節(jié)，控水效果有限[12-18]。為此，筆者在分析流體物性和調(diào)流控水篩管應(yīng)用工藝的基礎(chǔ)上，利用層流與紊流的流動特性，研制了一種能夠根據(jù)產(chǎn)出流體的情況自動調(diào)節(jié)附加阻力的“主動式”自適應(yīng)調(diào)流控水裝置(autonomous inflow control device，簡稱AICD)，并在塔河油田底水油藏水平井A井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，獲得較好的穩(wěn)油控水效果，可以達(dá)到延遲水平井底水錐進(jìn)、提高油氣采收率的目的。

1 自適應(yīng)調(diào)流控水裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)調(diào)流控水裝置由基管、內(nèi)嵌導(dǎo)流套、節(jié)流控制器、內(nèi)保護(hù)蓋及整體外保護(hù)套等部分組成(見圖1)。其中，基管主要用于連接篩管及輸送流體;內(nèi)嵌導(dǎo)流套用于導(dǎo)流、定位及節(jié)流控制器的固定;節(jié)流控制器是整套裝置的核心部分，主要起到控水穩(wěn)油的作用;內(nèi)保護(hù)蓋是節(jié)流控制器上蓋，用于保證進(jìn)入AICD的流體流入節(jié)流控制器；整體外保護(hù)套用于保護(hù)整套控水裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受井內(nèi)環(huán)境的干擾，并保證由篩管內(nèi)流出的流體流入自適應(yīng)調(diào)流控水裝置。該裝置的尺寸與常規(guī)調(diào)流控水裝置相同，便于現(xiàn)場應(yīng)用。

圖1 自適應(yīng)調(diào)流控水裝置的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the AICD1.基管；2.內(nèi)嵌導(dǎo)流套；3.節(jié)流控制器；4.內(nèi)保護(hù)蓋；5.整體外保護(hù)套

1.2 工作原理

自適應(yīng)調(diào)流控水裝置采用特殊幾何流道設(shè)計，不含任何活動部件，其工作原理為：由于油與水的密度和黏度不同，在特殊幾何流道流動時，油和水在旋流過程壓力能與動能的轉(zhuǎn)化過程中，能量損失不同，水的流動壓降較大，而油的流動壓降較小，這樣就起到“節(jié)流”低黏度的水、“開源”高黏度油的作用。與傳統(tǒng)的調(diào)流控水裝置相比，自適應(yīng)調(diào)流控水裝置具有“主動式”調(diào)流控水功能，能夠根據(jù)產(chǎn)層產(chǎn)液的變化自動調(diào)整所產(chǎn)生的附加阻力，達(dá)到均衡產(chǎn)液剖面、控制底水錐進(jìn)的目的。

2 自適應(yīng)調(diào)流控水裝置流場模擬與分析

筆者借助CFD軟件對自適應(yīng)調(diào)流控水裝置進(jìn)行了流場模擬，分析了流線、壓力、流速和流體動能等流體流動參數(shù)的分布情況、壓降對流體黏度的敏感性以及流場變化情況，對自適應(yīng)調(diào)流控水裝置的可靠性進(jìn)行了驗證。

2.1 流動分析區(qū)域

節(jié)流控制器是自適應(yīng)調(diào)流控水裝置的核心部分，決定裝置的控水效果，為此，進(jìn)行了節(jié)流控制器對油水壓力、流動速度、流線的影響研究。節(jié)流控制器主要包括入口通道、節(jié)流噴嘴、節(jié)流通道、導(dǎo)流通道和中心出口噴嘴(見圖2)。節(jié)流控制器有2個入口通道，主要功能是將進(jìn)入控水裝置的流體引入控制器；節(jié)流噴嘴利用局部摩阻效應(yīng)起到進(jìn)油阻水的作用；節(jié)流通道利用沿程摩阻效應(yīng)起到進(jìn)水阻油的作用；導(dǎo)流通道用來引導(dǎo)流體進(jìn)行圓形流動；中心出口噴嘴是連接節(jié)流控制器與中心管的通道，用來將進(jìn)入節(jié)流控制器中的流體引入到中心管，同時在生產(chǎn)壓差大和流量較大時起到一定的節(jié)流作用。節(jié)流控制器的主體部分為圓形，可以促使密度相對較小的油在旋流過程中向中心流動，而密度較大的水在外側(cè)旋轉(zhuǎn)，其圓盤結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步保證了整個節(jié)流控制器具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的特點。

圖2 節(jié)流控制器的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the throttle controller1.入口通道；2.節(jié)流噴嘴；3.節(jié)流通道；4.導(dǎo)流通道；5.中心出口噴嘴

2.2 分析條件

左右入口通道邊界為流動入口，根據(jù)塔河油田水平井日產(chǎn)液量約15～30 m3、水平段長度多為150～300 m的情況，設(shè)定入口流速為1 m/s；中心出口噴嘴為流動出口，設(shè)定流體全部流出；固體壁面邊界作無滑移邊界處理，流動參數(shù)設(shè)置為零；選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程湍流模型。

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 流線分布

圖3為通過CFD軟件計算出的油水通過自適應(yīng)調(diào)流控水裝置節(jié)流控制器時的流線分布。

圖3 油水通過節(jié)流控制器時的流線分布Fig.3 Streamline distribution when oil/water flows through the throttle controller of the AICD

從圖3可以看出：在流動過程中油水兩相分別發(fā)生分支流動和匯集流動，油和水的流線有明顯不同，當(dāng)油通過節(jié)流控制器時，流線大部分通過節(jié)流噴嘴后匯聚，沿中心導(dǎo)流通道分叉后從中心出口噴嘴流出；而當(dāng)水通過節(jié)流控制器時，流線大部分通過節(jié)流通道進(jìn)入圓形導(dǎo)流通道，并且在圓形導(dǎo)流通道中匯聚，進(jìn)入中心導(dǎo)流通道的流線較少。這種使不同流體不斷進(jìn)行再分配的過程，使油在流動過程中的壓力損失相對較小，而水在流動過程中的壓力損失相對較大。

2.3.2 壓力分布

圖4為通過CFD軟件計算出的油水通過節(jié)流控制器后的的壓力分布云圖。

圖4 油水通過節(jié)流控制器時的壓力分布Fig.4 Pressure distribution after oil/water flows through the throttle controller

從圖4可以看出：油從入口通道流入節(jié)流控制器，然后進(jìn)入節(jié)流噴嘴直至從中心出口噴嘴流出節(jié)流控制器，整個流動過程中其壓力不斷降低；油通過控水節(jié)流器后各部分的壓力損失是比較均勻的，壓力降低的過程較為平穩(wěn)。這說明自適應(yīng)調(diào)流控水裝置具有平穩(wěn)節(jié)流的作用，在油田現(xiàn)場應(yīng)用中，能夠起到均衡采液的作用，控制高滲段流體的快速產(chǎn)出。從圖4還可以看出，水通過節(jié)流控制器時整個流動過程中的壓力要明顯高于油通過節(jié)流控制器時的壓力，此外，水流過節(jié)流控制器后在圓形導(dǎo)流通道處形成高壓區(qū)，壓力要高于流體入口處的壓力，水的壓力損失主要發(fā)生在圓形導(dǎo)流通道部分。這說明自適應(yīng)調(diào)流控水裝置對水有相對高的敏感性，能夠促使低黏流體在圓形導(dǎo)流通道內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)，形成壓力峰值區(qū)域，從而產(chǎn)生較大的壓降。

2.3.3 速度分布

圖5為通過CFD軟件計算出的油水通過自適應(yīng)調(diào)流控水裝置節(jié)流控制器的速度分布云圖。從圖5可以看出：油經(jīng)過節(jié)流控制器的過程中，流速變化較為平穩(wěn)，主要在入口通道、節(jié)流噴嘴、內(nèi)部圓環(huán)通道以及在中心出口噴嘴處流速較高且變化不大，而在主要產(chǎn)生附加摩阻的圓形導(dǎo)流通道處的速度較低，這說明節(jié)流控制器對油產(chǎn)生的壓降是平穩(wěn)的，未產(chǎn)生明顯的高速區(qū)，油對節(jié)流控制器的沖蝕相對不大；與油相比，水經(jīng)過節(jié)流控制器的過程中流速明顯要高，流速在圓形導(dǎo)流通道處達(dá)到峰值，流體在圓形通道處的高速流動能夠在節(jié)流控制器內(nèi)產(chǎn)生較大的壓降，從而實現(xiàn)對水的自適應(yīng)控制。

圖5 油水通過節(jié)流控制器的速度分布Fig.5 Velocity distribution when oil/water flows through the throttle controller

通過上述節(jié)流控制器的流線、壓力、速度分析可以看出，所研制的自適應(yīng)調(diào)流控水裝置能夠自動調(diào)節(jié)油相、水相的流動狀態(tài)，從而起到主動控水的作用，達(dá)到均衡產(chǎn)液剖面、自動阻水的目的。

3 性能測試及對比分析

3.1 控水穩(wěn)油性能測試

為了進(jìn)一步驗證自適應(yīng)調(diào)流控水裝置的穩(wěn)油阻水性能，采用地面模擬試驗的方法對其性能進(jìn)行了測試。在自適應(yīng)調(diào)流控水裝置的入口端和出口端安裝壓力傳感器，將不同流量下的水(密度1 000 kg/m3，黏度0.2 mPa·s)和油(密度850 kg/m3，黏度70 mPa·s)分別泵入出口直徑為3.0 mm的自適應(yīng)調(diào)流控水裝置，測量該裝置對水和油所產(chǎn)生的節(jié)流壓差，結(jié)果見圖6。

圖6 自適應(yīng)調(diào)流控水裝置節(jié)流控水性能測試結(jié)果Fig.6 Test results of performance of the AICD

從圖6可以看出：當(dāng)自適應(yīng)調(diào)流控水裝置內(nèi)的流體為純油時，流動產(chǎn)生的流動壓差始終保持在非常低的水平，隨著流量增大，流動壓差小幅度增加；而當(dāng)通過流體為水時，流動產(chǎn)生的壓差隨流量增大而迅速增大?？梢?，自適應(yīng)調(diào)流控水裝置具有對水高敏感性而對油低敏感性的特性。采用自適應(yīng)調(diào)流控水裝置分段完井后，在水平井未見水前，原油流經(jīng)該裝置時產(chǎn)生一定的流動壓差，通過合理配置各水平段的自適應(yīng)調(diào)流控水裝置參數(shù)，使各水平段內(nèi)各位置處的生產(chǎn)壓差基本一致，從而達(dá)到沿整個水平段自動均衡生產(chǎn)壓差和產(chǎn)液剖面、延緩邊底水突進(jìn)、延長油井無水產(chǎn)油期目的；水平井見水后，自適應(yīng)調(diào)流控水裝置可以根據(jù)各個水平段產(chǎn)液含水率的變化自動調(diào)節(jié)地層產(chǎn)液流經(jīng)時的壓差，可有效降低高含水率井段的產(chǎn)水量，使整個水平段的油相入流剖面均衡，減小由于地層非均質(zhì)性導(dǎo)致的死油區(qū)，提高產(chǎn)油量以及油井的最終采收率。

綜上所述，自適應(yīng)調(diào)流控水裝置不僅可以有效地調(diào)整產(chǎn)液入流剖面，而且能根據(jù)各井段產(chǎn)水率的變化自動調(diào)節(jié)壓差，從而實現(xiàn)均衡油相入流剖面的作用。

3.2 性能對比分析

為了進(jìn)一步分析自適應(yīng)調(diào)流控水裝置與常規(guī)噴嘴型調(diào)流控水裝置的性能差異，采用地面模擬試驗裝置，在流量5 m3/d、出口直徑3.0 mm條件下，分別進(jìn)行了節(jié)流控水性能測試，結(jié)果見圖7。

圖7 自適應(yīng)調(diào)流控水裝置與常規(guī)噴嘴型調(diào)流控水裝置節(jié)流壓降對比Fig.7 Comparison of throttling pressure drop between AICD and nozzle ICD

從圖7可以看出：水和油流經(jīng)常規(guī)噴嘴型調(diào)流控水裝置時產(chǎn)生的節(jié)流壓差基本相等，且都非常低，因此只能用于水平井見水前的產(chǎn)液剖面的調(diào)整，且調(diào)整能力一般；而水和油流經(jīng)自適應(yīng)調(diào)流控水裝置時可以產(chǎn)生較大的節(jié)流壓差，并且節(jié)流壓差的差別非常大(含水率越高，節(jié)流壓差越大)，所以自適應(yīng)調(diào)流控水裝置在水平井見水前具有更強(qiáng)的產(chǎn)液剖面調(diào)整能力，而且水平井局部或全部見水后還可以調(diào)整水平井各段的油相入流剖面，從而有效降低油井的含水率。

4 現(xiàn)場試驗

A井是塔河油田井9區(qū)三疊系阿4段河道砂體巖性圈閉構(gòu)造上的一口加密井，井深4 981.07 m，油層厚度2.5 m，油層下部為底水，水平段避水高度僅0.75～1.20 m ，4口鄰井平均產(chǎn)油量5.4 t/d，平均含水率90%以上，均采用機(jī)械采油方式生產(chǎn)。

控制并治理底水、保證控水穩(wěn)油生產(chǎn)是該井完井所面臨的主要難題。為此，該井采用了水平井自適應(yīng)調(diào)流控水裝置進(jìn)行完井，利用水平井自適應(yīng)調(diào)流控水裝置的阻水穩(wěn)油特性達(dá)到控水穩(wěn)油的目的，從而抑制底水的快速抬升和錐進(jìn)，實現(xiàn)水平井產(chǎn)液剖面的均勻上升。根據(jù)該井水平段井眼軌跡、井徑變化、滲透率、孔隙度和油水飽和度的變化情況，確定了該井自適應(yīng)控水完井參數(shù)、分段段數(shù)及分段位置，該井的完井管柱見圖8。

圖8 塔河油田A井自適應(yīng)調(diào)流控水完井管柱Fig.8 Completion string of the AICD in Well A, Tahe Oilfield

該井開井后自噴生產(chǎn)，油壓10.5 MPa，套壓18.0 MPa。截至目前，已自噴生產(chǎn)176 d，累計產(chǎn)油量4 123 t，平均產(chǎn)油量24.0 t/d，平均含水率在5%以下(見圖9)，與4口鄰井的生產(chǎn)情況相比，穩(wěn)油控水的效果顯著，表明該井采用的水平井自適應(yīng)調(diào)流控水完井管柱設(shè)計合理、安全性高、工作可靠性強(qiáng)，體現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)流控水完井的技術(shù)優(yōu)勢。

圖9 塔河油田A井自適應(yīng)調(diào)流控水完井后生產(chǎn)情況Fig.9 Production curves after AICD completion of Well A,Tahe Oilfield

5 結(jié) 論

1) 水平井自適應(yīng)調(diào)流控水裝置利用流道自動調(diào)節(jié)油水阻力，油進(jìn)入控水裝置以近似“直線”的方式流出，而水在控水裝置內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)以“旋轉(zhuǎn)”的方式流出。

2) CFD分析和地面測試結(jié)果表明，自適應(yīng)調(diào)流控水裝置具有對水高敏感、對油低敏感的特點，能夠根據(jù)過流流體的黏度自動調(diào)節(jié)產(chǎn)生的附加阻力，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)流控水的功能。

3) 室內(nèi)模擬試驗及現(xiàn)場試驗表明，自適應(yīng)調(diào)流控水裝置能均衡井筒油相入流剖面，選擇性阻水，消除跟端和趾端效應(yīng)，延遲底水錐進(jìn)，提高油井的采收率。

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[編輯 劉文臣]

Development and Application of an Autonomous Inflow Control Device in Horizontal Wells

ZHAO Chongzhen

(Oilfield Exploration & Development Department，China Petroleum & Chemical Corporation, Beijing，100728, China)

For horizontal wells in oil reservoirs with edge water or bottom water, the heel and toe effect and the heterogeneity of horizontal section can lead to a rapid increase of water content. Through the analysis of oil/water properties and flow adjustment and water control screen pipe techniques, and a consideration of the features of laminar flow and turbulent flow, an “active” autonomous inflow control device (AICD) was developed which could automatically adjust additional resistance depending on fluids produced. The hydrodynamics flow field simulation and lab test showed low friction of oil and high friction of water when oil and water flow through the AICD, with the maximum water-oil pressure drop ratio up to 20 or more. Thus, the additional resistance of oil and water was adjusted automatically. A field test of AICD was conducted in Well A, while a horizontal well in oil reservoir with bottom water, Tahe Oilfield. Compared with adjacent wells with no AICD applied, the oil production period of Well A with low water content was postponed for 3 months or longer. The study and test revealed that the AICD could throttle the water produced automatically depending on the fluids produced, so as to avoid bottom water coning in oil reservoirs with edge water or bottom water.

horizontal well； oil reservoir with bottom water； flow adjustment and water control； throttle controller； field test； Tahe Oilfield

2015-08-31；改回日期：2016-04-11。

趙崇鎮(zhèn)(1968—)，男，河南南陽人，1992年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，高級工程師，主要從事采油(氣)工程管理工作。E-mail: zhaocz@sinopec.com。

國家科技重大專項“海相碳酸鹽巖油氣井井筒關(guān)鍵技術(shù)(二期)”(編號：2011ZX05005-006)資助。

?油氣開發(fā)?

10.11911/syztjs.201603017

TE931+.2

A

1001-0890(2016)03-0095-06