王小秋，汪志明*，趙麟,

1 中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

2 勝利石油管理局博士后科研工作站，東營 257001

0 引言

水平井在開采過程中，由于“跟趾效應(yīng)”、儲(chǔ)層非均質(zhì)性和各向異性等因素的影響，生產(chǎn)剖面通常難以持續(xù)均衡推進(jìn)，易在油井高滲層段、裂縫處過早見水[1-4]。一旦發(fā)生底水錐進(jìn)將大大縮短油藏的無水采油期，并影響整個(gè)水平井其他位置的產(chǎn)油量。底水錐進(jìn)問題已經(jīng)成為了影響我國底水油藏水平井開發(fā)的主要難題[5-12]。

為了緩解水平井生產(chǎn)過程中流入剖面不均勻的問題，國內(nèi)外研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的ICD裝置，包括噴嘴型、迷宮型、螺旋通道型等[13-17]。然而，一旦油井見水，這些裝置并不能抑制，甚至還可能促進(jìn)水的流動(dòng)，致使完井失效。目前我國大部分油田進(jìn)入中高含水期，傳統(tǒng)ICD裝置難以滿足實(shí)際需求，為了有效解決這個(gè)問題，有部分機(jī)構(gòu)進(jìn)一步研發(fā)了自適應(yīng)流入控制裝置(AICD)，其水相阻力遠(yuǎn)大于油相阻力，顯著抑制水相流動(dòng)，從而達(dá)到穩(wěn)油控水的目的。平衡片AICD[18]利用不同流體的密度差來控制平衡片的開啟或關(guān)閉，但由于油水密度差別不大，該裝置不能有效控制水錐。流道式AICD[19]利用流體慣性力和黏性力的平衡關(guān)系來控制流體通過裝置時(shí)的流道和阻力，但流量、流體性質(zhì)適用范圍受限，且狹小的流道易被儲(chǔ)層出砂堵塞。浮動(dòng)圓盤式AICD[20]利用動(dòng)壓力和靜壓力的平衡關(guān)系來控制可動(dòng)盤的位置，并調(diào)整節(jié)流壓降大小，然而，圓盤易被磨損、擠毀，裝置壽命短。這些AICD結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用范圍小等缺點(diǎn)，限制了上述技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

本文基于遇水膨脹材料和多級(jí)限流原理設(shè)計(jì)了一種新型AICD結(jié)構(gòu)，利用Fluent軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及流體敏感性分析；為了進(jìn)一步分析新型AICD的性能，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了全尺寸物理模擬實(shí)驗(yàn)，與Halliburton EquiFlow AICD以及Y-shape AICD[21]進(jìn)行了比較。

1 新型AICD設(shè)計(jì)

本文結(jié)合遇水膨脹橡膠(WSR)，基于多級(jí)限流原理，創(chuàng)新性地提出了一種自適應(yīng)流入控制裝置(AICD)。這種設(shè)計(jì)主要包含了一系列的環(huán)形隔板、狹槽和遇水膨脹材料，隔板上開有2個(gè)呈180°對(duì)稱的流動(dòng)狹槽。該結(jié)構(gòu)利用流體連續(xù)通過多個(gè)流動(dòng)狹槽的瞬時(shí)壓降來限制流體流動(dòng)，因此，其對(duì)油相黏度不敏感，油相黏度適用范圍廣。單個(gè)流動(dòng)狹槽對(duì)裝置整體壓降的貢獻(xiàn)大致相當(dāng)，通過改變隔板級(jí)數(shù)便能快速調(diào)整流動(dòng)阻力等級(jí)。一旦油井見水，裝在狹槽端面上的遇水膨脹橡膠將自動(dòng)膨脹，膨脹度將根據(jù)含水率自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而可以調(diào)整裝置的最小過流面積和流動(dòng)阻力等級(jí)，如圖1所示。具體來說，當(dāng)含水率較低時(shí)，遇水膨脹橡膠的膨脹度受限，此時(shí)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)逐漸增大。

總的來說，新型AICD具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流動(dòng)阻力等級(jí)易于調(diào)整；(2)最小過流面積較大，不易因儲(chǔ)層出砂發(fā)生堵塞；(3)裝置對(duì)流量、油相流體性質(zhì)不敏感，儲(chǔ)層適用范圍廣；(4)裝置對(duì)含水率極度敏感，應(yīng)激反應(yīng)快，水油壓降比大，控水穩(wěn)油效果顯著。以本文的典型設(shè)計(jì)為例，其油水壓降比可達(dá)40倍，傳統(tǒng)AICD則在4～8倍左右，該結(jié)構(gòu)的控水穩(wěn)油效果遠(yuǎn)超傳統(tǒng)AICD結(jié)構(gòu)。

2 建模與分析

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)油、水及其混合物通過該新型AICD結(jié)構(gòu)的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和流體性質(zhì)敏感性分析。

2.1 建模

該裝置在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的幾何模型都是在專業(yè)建模軟件中生成的，通過布爾運(yùn)算得到其內(nèi)部流動(dòng)模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。裝置存在兩個(gè)入口和一個(gè)出口，入口設(shè)置為velocity-inlet，出口設(shè)置為outf l ow，其它為wall。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ICDs一般是水平放置的，本文的模型還考慮了重力的影響。

2.2 流場(chǎng)分析

圖1 不同含水率下所對(duì)應(yīng)的最小過流面積示意圖Fig. 1 Min. flow area for different water content

新型AICD在不同含水率條件下的總壓分布云圖見圖2。可以看出，新型AICD產(chǎn)生壓降的主要部位為隔板形成的流動(dòng)腔室和流動(dòng)狹槽，不同含水率條件下，二者的比例有所區(qū)別。對(duì)于油相流體來說，遇水膨脹材料膨脹程度受限，最小過流面積最大，流動(dòng)狹槽產(chǎn)生的局部阻力損失相對(duì)較小，且流體黏度較大，沿程阻力損失相對(duì)較大。隨著含水率增大，遇水膨脹材料發(fā)生膨脹，最小過流面積減小，流動(dòng)狹槽產(chǎn)生的局部阻力損失急劇增大，雖然混合流體的黏度隨含水率增大先增大后減小，但沿程阻力損失變化程度遠(yuǎn)小于局部水頭損失的增幅。對(duì)于水相流體來說，遇水膨脹材料充分膨脹，最小過流面積最小，局部阻力損失最大，沿程阻力損失可忽略不計(jì)。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了進(jìn)一步優(yōu)化該裝置的穩(wěn)油控水性能，需要分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響，本文選取了工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的噴嘴型ICD、螺旋通道型ICD和噴管型ICD作為參照。各種ICD的結(jié)構(gòu)參數(shù)多種多樣，但其流動(dòng)阻力等級(jí)的變化都可歸結(jié)為最小過流面積(限流機(jī)理)和流道長(zhǎng)度(摩阻機(jī)理)的變化。

圖2 新型AICD不同含水率壓力分布云圖Fig. 2 Contour of static pressure of novel AICD

圖3 最小過流面積對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 3 The inf l uence of minimum flow area on FRR

流動(dòng)阻力等級(jí)隨最小過流面積的變化曲線見圖3。可以看出，4種裝置的流動(dòng)阻力等級(jí)隨著最小過流面積的減小而急劇增大。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，因此在同等流動(dòng)阻力等級(jí)下，噴嘴型ICD的最小過流面積最小，且最大過流速度也比流體通過噴嘴時(shí)的小得多。盡管新型AICD也主要利用限流機(jī)理，但其是通過多級(jí)狹槽限流，因此，新型AICD最小過流面積最大。在各流動(dòng)阻力級(jí)別下，新型AICD的最小過流面積大約是噴嘴型(螺旋通道型、噴管型)ICD的3倍(1.5倍、2倍)。特別地，在油相條件下，此時(shí)FRR=0.800 Bar，新型AICD的最小過流面積為120.0 mm2，而噴嘴型ICD的為39.0 mm2，噴管型ICD的為49.3 mm2，螺旋通道型ICD的為81.5 mm2。由于最小過流面積差異顯著影響其抗沖蝕和防堵塞性能，因此，在泥漿返排過程中新型AICD抗堵塞能力較強(qiáng)，在穩(wěn)產(chǎn)期抗顆粒沖蝕能力較強(qiáng)。新型AICD通過遇水膨脹材料隨含水率的膨脹變化來調(diào)整最小過流面積，從而調(diào)整裝置流動(dòng)阻力等級(jí)。對(duì)于本研究來說，水相條件下的FRR=32.00 Bar，此時(shí)最小過流面積最小。

圖4 流道長(zhǎng)度對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 4 The inf l uence of flow length on FRR

流動(dòng)阻力等級(jí)隨流道長(zhǎng)度的變化曲線見圖4?？梢钥闯?，4種裝置的流動(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。噴嘴型ICD通過Y軸的點(diǎn)為0.760 Bar，噴管型ICD的為0.527 Bar，螺旋通道型ICD的為0.035 Bar，自膨脹型AICD在油相條件下為0.043 Bar，在含水率為50%情況下，其交點(diǎn)為0.177 Bar，這進(jìn)一步證實(shí)了新型AICD在油相條件下產(chǎn)生壓降的主要方式為沿程阻力，在水相條件下產(chǎn)生壓降的主要方式為限流。新型AICD的總體壓降隨流動(dòng)狹槽的增加而線性變化，這說明可以通過增加或減少隔板數(shù)量快速調(diào)節(jié)其流動(dòng)阻力等級(jí)。

2.4 流體參數(shù)敏感性分析

為進(jìn)一步分析油、水及其混合物在該裝置內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，對(duì)含水率、油相密度和油相黏度進(jìn)行了敏感性分析，實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。由于水相性質(zhì)通常比較穩(wěn)定，文中并沒有考慮水相性質(zhì)的敏感性。

方案1研究了含水率敏感性，4種結(jié)構(gòu)的節(jié)流壓降隨含水率的變化關(guān)系如圖5所示?？梢杂^察到，傳統(tǒng)ICD結(jié)構(gòu)不能很好地識(shí)別含水率的變化，一旦油井見水，ICD結(jié)構(gòu)將失效；隨著含水率的增加，新型AICD裝置的節(jié)流壓降整體呈上升趨勢(shì)，且純水條件下的節(jié)流壓降約為純油壓降條件下的40倍，這充分保證了裝置穩(wěn)油控水的能力。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

方案2研究了油相密度敏感性。由于油相的密度范圍通常為800～1000 kg/m3，因此密度(kg/m3)取值如下：800、850、900、950、1000。不同含水率下壓降隨油相密度的變化關(guān)系如圖6所示。可以觀察到，4種結(jié)構(gòu)的節(jié)流壓降隨油相密度的增加而線性增加，然而，增幅均較小。

方案3研究了油相黏度敏感性。由于油相黏度范圍通常為1～200 cP，因此黏度(cP)取值如下：1、2、4、10、20、30、50、100、150和200。不同含水率下壓降隨油相黏度的變化關(guān)系如圖7所示。可以觀察到，螺旋通道型ICD與噴管型ICD的節(jié)流壓降隨油相黏度的增大而線性增大，增幅較大；新型AICD和噴嘴型ICD的節(jié)流壓降雖然隨油相黏度的增大而線性增大，然而其增幅較小。

綜上所述，該AICD對(duì)于流量、油相流體性質(zhì)并不敏感，即使在重油條件下仍有較好的穩(wěn)油控水能力，儲(chǔ)層適用范圍廣。該裝置對(duì)含水率極度敏感，應(yīng)激反應(yīng)快，一旦油井見水，該裝置壓降顯著增大。

3 AICD性能分析

3.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 含水率對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 5 The inf l uence of water content on FRR

圖6 油相密度對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 6 The inf l uence of oil density on FRR

基于中國石油大學(xué)(北京)井筒復(fù)雜流動(dòng)與完井工程實(shí)驗(yàn)室的全尺寸井筒流動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置(圖8)，對(duì)新型AICD開展了流動(dòng)測(cè)試。

圖7 油相黏度對(duì)流動(dòng)阻力等級(jí)的影響Fig. 7 The inf l uence of oil viscosity on FRR

圖8 全尺寸井筒流動(dòng)測(cè)試裝置Fig. 8 Full-scale wellbore flow test device

表2 AICD實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 AICD test parameter

AICD流動(dòng)測(cè)試室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)參數(shù)見表2，原油黏度根據(jù)渤海油田相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，實(shí)驗(yàn)裝置模擬在1000 m水平井段中包含20個(gè)AICD結(jié)構(gòu)，通過改變壁面注入流量和主流流量可以模擬不同位置水平段的入流情況。

3.2 測(cè)試流程

實(shí)驗(yàn)選取了3種類型的AICD裝置進(jìn)行測(cè)試，分別是Y型AICD、哈里伯頓的Equif l ow AICD以及設(shè)計(jì)研制的新型AICD。實(shí)驗(yàn)流程示意圖見圖9。

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)首先調(diào)整實(shí)驗(yàn)環(huán)道至水平狀態(tài)，將液相支路緩沖罐上的軟管與射孔段外層套管的注射孔對(duì)接；

(2)將油抽到罐中，開啟回流蝶閥，保證實(shí)驗(yàn)正常循環(huán)，調(diào)節(jié)其含水率至既定值；

(3)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，開啟差壓計(jì)量系統(tǒng)和流量測(cè)試系統(tǒng)；開啟液相供給線的螺桿泵組，調(diào)節(jié)液相的主路供給排量至既定值；

圖9 井筒流動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖Fig. 9 Schematic of wellbore flow test

(4)依次調(diào)節(jié)液相支路供給排量，待流動(dòng)穩(wěn)定后，分別測(cè)定并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(5)重新調(diào)節(jié)液相的主路供給排量，并重復(fù)上述步驟；

(6)向儲(chǔ)液罐中添加水，重新調(diào)節(jié)液相體系的含水率，并重復(fù)上述步驟。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖10所示，在油相黏度132 mPa·s，壁面入流 量0.8 m3/h的 情 況 下，Y型AICD與Halliburton EquiFlow AICD的水油壓降比最大，均為6，在這種情況下，能夠控制油井見水。然而，實(shí)際生產(chǎn)過程中，不同層段含水率差異通常介于10%～30%，不同含水率下的壓降差別較小，不能有效控制油井見水，這大大限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。新型AICD在實(shí)驗(yàn)條件下水油壓降比最高可達(dá)36～40，即使含水率差異不大，其壓降差別亦較大。在高含水情況下，其壓降隨含水率變化更加敏感，該裝置特別適用于中高含水油井。

AICD結(jié)構(gòu)在不同壁面入流量下的性能測(cè)試結(jié)果如圖11、12、13所示。對(duì)EquiFlow AICD和Y型AICD來說，壁面入流量越大，水油壓降比越大，然而兩種結(jié)構(gòu)嚴(yán)重依賴于油水流型差異，在低入流量下水油壓降比較小，不能有效控水。新型AICD其水油壓降比并不依賴于入流量大小，在所研究入流量范圍內(nèi)，水油壓降比介于36～40之間，能夠有效控水。

如圖14所示，對(duì)新型AICD來說，改變主流流量，其節(jié)流壓降幾乎沒有變化，這說明在開展AICD布置優(yōu)化過程中，不需要專門考慮井筒位置對(duì)AICD布置的影響，而應(yīng)更注重儲(chǔ)層性質(zhì)的影響。

圖10 含水率對(duì)裝置性能的影響Fig. 10 Device performance with varying water contents

圖11 壁面入流量對(duì)Equif l ow AICD性能的影響Fig. 11 Equif l ow AICD performance

圖12 壁面入流量對(duì)Y型AICD性能的影響Fig. 12 Y-shape AICD performance

圖13 壁面入流量對(duì)新型AICD性能的影響Fig. 13 Novel AICD performance

圖14 主流流量對(duì)新型AICD性能的影響Fig. 14 Novel AICD performance with varying injection rate

4 結(jié)論

本文基于遇水膨脹材料和多級(jí)限流原理設(shè)計(jì)了一種新型AICD裝置并針對(duì)不同種類AICD裝置性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)新型AICD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，遇水后根據(jù)含水率自動(dòng)調(diào)整流動(dòng)阻力，防堵性能好。

(2)新型ACID與傳統(tǒng)AICD相比，水油壓差提升明顯，在油井不同生產(chǎn)階段都具有卓越的性能，由于其對(duì)流體流量和黏度不敏感，適用范圍廣。

(3)完井過程中，該新型AICD可以簡(jiǎn)化完井設(shè)計(jì)難度，不需要專門考慮井筒位置對(duì)AICD的影響，可以更多的考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)的影響。