劉義剛，王丙剛，孟祥海，邢洪憲，張?jiān)茖?，黃 波，劉傳剛

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

在水平井開發(fā)過程中，由于“跟趾效應(yīng)”、邊底水錐進(jìn)等原因，大多含水上升較快。油井含水率過高，給油田污水處理帶來巨大壓力，也一定程度上限制了油田的開發(fā)。流入控制裝置(Inflow Control Device)作為一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)，可以明顯改善水平井流入剖面，增加高滲層高含水區(qū)域的流動阻力，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水。國外關(guān)于被動式控水閥(PICD)的研究已相對成熟，主要形成了噴嘴型、螺旋型和長管型3種類型[1-2]。流入控制裝置在我國海上油田也得到了廣泛的應(yīng)用，以渤海油田為例，該技術(shù)應(yīng)用19井次。然而，油井見水后，傳統(tǒng)的被動式控水閥容易失效，地層水將淹沒井筒和控水閥中的所有的流動通道，并對地層原油的流動產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致油井產(chǎn)量大幅下降[3-5]。

為有效解決油井見水后被動式控水閥易失效的難題，研制了自適應(yīng)控水閥(AICD)，并進(jìn)行了初步應(yīng)用，可針對不同含水率自適應(yīng)調(diào)節(jié)流動阻力。由于各控水閥均具有一定的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)場應(yīng)用的成功率不高，其流入動態(tài)研究及完井效果評價方法欠缺，需進(jìn)行相應(yīng)的理論研究及完井優(yōu)化指導(dǎo)。

針對上述問題，本文基于文獻(xiàn)調(diào)研，分析各典型控水閥的設(shè)計(jì)原理。采用FLUENT流體力學(xué)分析軟件，分析上述控水裝置在相同條件下的速度及壓力分布，并分析流量、含水率、原油密度、原油黏度對各裝置節(jié)流壓降的影響規(guī)律。

1 噴嘴型控水閥

流體通過噴嘴型控水閥時，流體流道急劇收縮，產(chǎn)生瞬時壓降，從而產(chǎn)生更快的流速。常規(guī)噴嘴型控水閥遵循伯努利方程[6]：

(1)

式中：△pnozzle為工具壓耗；ρ1為流體平均密度；v1為流體流速；Q1為流經(jīng)工具的流體流量；D1為噴嘴直徑；C1為常數(shù)因子。

以斯倫貝謝公司的FloRite ICD噴嘴型控水閥為例，設(shè)定工況條件為：流體流量Q1為5 m3/d，流體平均密度870 kg/m3，對噴嘴型控水閥進(jìn)行模擬分析，得到了其內(nèi)部流場的速度云圖、壓力云圖，如圖1～2所示。

由圖1～2可知，產(chǎn)生節(jié)流作用的最主要結(jié)構(gòu)是噴嘴，流體流經(jīng)噴嘴時流速急劇增加，壓力發(fā)生劇烈變化，由于流動面積縮小，流體速度增大，將產(chǎn)生局部壓力損耗，其值大小主要取決于流體平均密度ρ1與噴嘴直徑D1。根據(jù)上述分析可知，對于特定的噴嘴型控水閥，節(jié)流壓降的大小主要取決于流體流量和流體平均密度。

圖1 噴嘴型控水閥壓力分布云圖

圖2 噴嘴型控水閥速度分布云圖

2 螺旋型控水閥

流體通過螺旋型控水閥時，流經(jīng)螺旋路徑產(chǎn)生一定的表面摩阻，從而產(chǎn)生節(jié)流壓降。螺旋型控水閥由于存在細(xì)長流道，其壓耗計(jì)算公式為[7]：

(2)

式中：△phelix為壓力損失；K為損耗系數(shù)；f2為摩擦因數(shù)；L2為通道長度；D2為流道直徑；ρ2為流體密度；v2為流體流速。

針對此模型，f2=64/Re=64·μ/(ρ2·v2·D2)，則該公式等效為：

(3)

式中：μ為流體黏度；Re為雷諾數(shù)。

(4)

以美國貝克休斯公司的Equalizer ICD螺旋型控水閥為例，采用相同的模擬方法及輸入條件，對螺旋型控水閥進(jìn)行模擬，得到了其內(nèi)部流場的速度、壓力分布，如圖3～4所示。

由圖3～4可知，產(chǎn)生節(jié)流作用的最主要結(jié)構(gòu)為螺旋型流道，流體流經(jīng)螺旋型流道時速度變化相對較小，壓力隨著流體流過螺旋型流道而逐漸降低。流體的沿程壓力損失主要取決于黏度與螺旋通道長度，由于螺旋型流道較長，其長度與過流面積的比值大，沿程壓力損失很大。綜合以上分析可知，對于特定的螺旋型控水閥，節(jié)流壓降的大小主要取決于流體排量和黏度。

圖3 螺旋型控水閥壓力分布云圖

圖4 螺旋型控水閥速度分布云圖

3 長管型控水閥

長管型控水閥的工作原理是通過均衡流體流入來提高油井產(chǎn)能和生產(chǎn)效率。以美國哈里伯頓公司的EquiFlow ICD長管型控水閥為例，長管型控水閥的孔道同樣為細(xì)長型，相關(guān)壓耗計(jì)算參考螺旋型控水閥推導(dǎo)結(jié)果，其壓耗與黏度、密度、流速的二次方成正比，流體黏度越高、密度越大、通過工具流速越快，產(chǎn)生壓耗越大。

采用相同的模擬方法及輸入條件，對長管型控水閥進(jìn)行模擬，得到了其內(nèi)部流場的速度、壓力分布，如圖5～6所示。

由圖5～6可知，產(chǎn)生節(jié)流作用的最主要結(jié)構(gòu)是細(xì)長管，流體流經(jīng)細(xì)長管時速度急劇增加，壓力發(fā)生劇烈變化。由于流動面積急劇減小，流體速度變快，將產(chǎn)生局部壓力損失，其值大小主要取決于流體密度、細(xì)長管直徑和個數(shù)，相較于螺旋型控水閥，該細(xì)長管長度較小，沿程壓力損失相對較小。綜合以上分析可知，節(jié)流壓降的大小主要取決于流體排量和流體密度。

圖5 長管型控水閥壓力分布云圖

圖6 長管型控水閥速度分布云圖

4 自適應(yīng)型控水閥

自適應(yīng)控水閥(AICD)的研發(fā)彌補(bǔ)了工具入井后無法調(diào)節(jié)的不足。當(dāng)所有的區(qū)域都產(chǎn)油時，自適應(yīng)控水閥主要用于平衡入流；當(dāng)發(fā)生水錐或氣錐時，該工具將會自適應(yīng)調(diào)節(jié)流動阻力，降低該區(qū)域水或氣的排量。

自適應(yīng)控水閥的代表產(chǎn)品為美國哈里伯頓公司的EquiFlow AICD[8]。影響該裝置壓耗的因素主要包括油藏流體性質(zhì)、產(chǎn)液強(qiáng)度、工具控水強(qiáng)度3個方面[9-12]。

地層流體密度表征方程為

(5)

地層流體黏度表征方程為

(6)

工具控水強(qiáng)度表征方程為

(7)

式中：αo、αg、αw為流相中油、氣、水所占的體積分?jǐn)?shù)；g、h、i、d、e、f為各相指數(shù)；ρo、ρg、ρw分別是各相的密度；μo、μg、μw分別是各相的黏度；ρmix為混合物密度；μmix為混合物黏度；ρcal和μcal分別為參照密度和參照黏度；a、x、y是控水工具強(qiáng)度；q是混合體積排量；△pAICD是控水閥產(chǎn)生的壓耗。

在同等模擬條件下，對自適應(yīng)型控水閥進(jìn)行模擬，得到了其內(nèi)部流場的速度、壓力分布，如圖7。

圖7 自適應(yīng)型控水閥油、水相下壓力、速度云圖

對比油相和水相的壓力分布云圖和速度流線圖可知，油相流體傾向于從限流通道通過，水相流體傾向于從摩擦通道通過。主流道的流體在轉(zhuǎn)向器部分受限流通道或摩擦通道流體的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，油相流體傾向于從徑向通道進(jìn)入控水閥，幾乎沒有限流作用，而水相/氣相從切向通道進(jìn)入控水閥，旋轉(zhuǎn)多次后從噴嘴出口流出，將產(chǎn)生一個很大的壓降，水相通過該裝置產(chǎn)生的壓降為油相的1.446倍。根據(jù)上述分析可知，工具壓耗的大小主要取決于流體密度、黏度和排量。

5 不同控水閥性能比較

為了更好地進(jìn)行參數(shù)性能對比，分析各控水閥內(nèi)的流動規(guī)律，分別對其流量Q、含水率Sw、油相密度ρo和油相黏度μo4個方面參數(shù)的敏感性進(jìn)行了分析。

不同控水閥的節(jié)流壓降隨流量Q的變化關(guān)系如圖8所示。噴嘴型控水閥的節(jié)流壓降隨流量的增大呈二次方增大，螺旋型控水閥節(jié)流壓降隨流量的增大呈線性增大，而長管型控水閥的壓降介于二者之間，這3種控水閥的流量敏感性差別不大，自適應(yīng)型控水閥的節(jié)流壓降隨流量的增大而明顯遞增。

圖8 控水閥節(jié)流壓降隨流量的變化關(guān)系

不同控水閥的節(jié)流壓降隨含水率的變化關(guān)系如圖9所示。隨著含水率的增大，各被動式控水閥的節(jié)流壓降會先升高后降低，部分區(qū)域油相產(chǎn)生的節(jié)流壓降大于水相，油水混合物通過被動式控水閥的這種流動差異將造成油相流動受到抑制。對于自適應(yīng)型控水閥，壓降隨著含水率的增加而緩慢增加。純水通過自適應(yīng)型控水閥產(chǎn)生的節(jié)流壓降是純油的4倍，這保證了控水閥的控水增油性能。

圖9 節(jié)流壓降隨含水率的變化關(guān)系

不同控水閥的節(jié)流壓降隨地層原油密度的變化關(guān)系如圖10所示。各控水閥節(jié)流壓降與油相密度成正相關(guān)關(guān)系，由于地層原油密度變化范圍較小，各控水閥對于地層原油密度均不敏感。

圖10 節(jié)流壓降隨原油密度的變化關(guān)系

不同控水閥的節(jié)流壓降隨地層原油黏度的變化關(guān)系如圖11所示。

圖11 節(jié)流壓降隨原油黏度的變化關(guān)系

噴嘴型、長管型和螺旋型3種被動式控水閥的節(jié)流壓降對黏度變化的敏感性差別較大，噴嘴型變化幅度為349 Pa/(mPa·s)，長管型變化幅度為2 955 Pa/(mPa·s)，螺旋型變化幅度為6 352 Pa/(mPa·s)。對于自適應(yīng)型控水閥，節(jié)流壓降隨地層原油黏度呈現(xiàn)出先下降后增大趨勢，壓降變化幅度較小。綜上所述，自適應(yīng)型控水閥對于含水率最為敏感，針對不同含水率的應(yīng)用條件均具有良好的控水性能。

6 結(jié)論

1) 通過對常見的噴嘴型、螺旋型、長管型和自適應(yīng)型控水閥結(jié)構(gòu)形式調(diào)研，結(jié)合工具流體力學(xué)計(jì)算模型及FLUENT流體力學(xué)分析軟件對各控水閥的性能進(jìn)行對比分析，總結(jié)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

2) 噴嘴型控水閥對流量和流體密度最為敏感，適用于高液量稠油油藏；螺旋型控水閥對流量和黏度最為敏感，適用于低液量、低黏度油藏；長管型控水閥對流量和密度最為敏感，用于高液量的低黏油藏。

3) 被動式控水閥在油井見水前能夠延緩底水錐進(jìn)。但是，一旦發(fā)生水錐或氣錐突破后，一定程度會抑制油的流動，從而顯著降低產(chǎn)油量。自適應(yīng)型控水閥能夠自動識別流體，并自動調(diào)整油水阻力，具有卓越的穩(wěn)油控水能力，且對地層產(chǎn)出含水率變化最為敏感，適用于不同出水階段的油井控水，應(yīng)用于井下后可保證油井長期穩(wěn)產(chǎn)。

4) 海上油田水平井呈現(xiàn)快速增長趨勢，急需解決控水難題。渤海油田有水平井873口，占總井?dāng)?shù)39.5%，含水≥90%水平井占水平井總數(shù)32.1%，水平井綜合含水比油田綜合含水高3.5%，在油井完井階段采取有效的控水措施，結(jié)合油井實(shí)際應(yīng)用條件，合理選擇控水裝置，對提高控水效果，指導(dǎo)海上油田挖潛增效、提高采收率具有重要的意義[13]。