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        低黏度原油自適應(yīng)控水裝置設(shè)計及試驗(yàn)研究

        2021-12-29 05:56:56周泓宇吳紹偉萬小進(jìn)張玉濤
        鉆采工藝 2021年5期
        關(guān)鍵詞:水閥高含水旋流器

        袁 輝,周泓宇,吳紹偉,萬小進(jìn),楊 明,張玉濤

        1中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2東營市瑞豐石油技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司

        0 引言

        油井高含水帶來的老油田穩(wěn)產(chǎn)、油田節(jié)能減排等問題已非常嚴(yán)峻,其中治理難度較大的水平井高含水問題尤為突出[1-4]。南海西部油田高含水、特高含水油井占比已達(dá)68%。其中,水平井的高含水占總數(shù)的55.80%。目前不僅面臨油田高含水治理難題,更直接面對水驅(qū)油藏水平井控水治理的業(yè)內(nèi)難題。

        自適應(yīng)流量控制裝置(AICD),被廣泛應(yīng)用到水平井的生產(chǎn)中,尤其是海上油田多為長水平井,其“趾端效應(yīng)”突出、邊底水錐進(jìn)現(xiàn)象明顯[5-8]。利用AICD技術(shù)可以延長無水采油期,后期見水后也能自適應(yīng)調(diào)節(jié)、均衡剖面,從而降低整體含水率,有效的提高了油氣井的收采率及壽命,因此AICD對石油開采具有重要意義[9-11]。

        南海西部油田再生產(chǎn)井原油黏度較低,普通AICD對其控水效果不是很好。目前,專門針對低黏度原油的相關(guān)研究還未有[12-15]。因此設(shè)計開發(fā)一種適用于低黏度的AICD控水閥具有重要意義。

        AICD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了其控水性能的好壞,筆者設(shè)計了一種適用于低黏度原油的AICD結(jié)構(gòu),通過計算流體力學(xué)(CFD)仿真方法進(jìn)行數(shù)模,為控水閥的設(shè)計和優(yōu)選提供依據(jù)。對新型控水閥進(jìn)行物理模擬試驗(yàn),以水、低黏度原油介質(zhì)為樣品模擬井下生產(chǎn)狀況,并進(jìn)行不同含水率試驗(yàn),通過對比油水壓差比,驗(yàn)證控水閥的控水性能。

        1 控水閥設(shè)計

        1.1 設(shè)計原理

        為解決上述高含水及原油黏度較低問題,設(shè)計了一種適用于低黏度油的AICD控水閥。該設(shè)計基于流體力學(xué)沿程摩阻理論與流體旋渦理論,利用油水雷諾數(shù)不同來選擇不同流道,即流體慣性力和黏滯力的平衡關(guān)系來改變其流體導(dǎo)向行為,油趨向于選擇通向出口的更短流道,產(chǎn)生阻力小,易于油的流動,水與之相反。

        1.2 實(shí)施方式

        新型低黏度AICD控水閥設(shè)計如圖1所示,該控水閥主要由兩級擇流器和一個旋流器構(gòu)成。擇流器由直流道和圓弧流道組成,旋流器為圓盤型,上一級流道與旋流器相切。因?yàn)樗睦字Z數(shù)相對于油較大,所以在進(jìn)入擇流器時,大部分水將保持原始的流動方向進(jìn)入圓弧流道,而油的雷諾數(shù)相對較小,大部分油流經(jīng)直線流道。通過兩級擇流器的作用,大部分水走最長的路徑,即兩個圓弧流道進(jìn)入旋流器。而大部分油會走最短的路徑,即兩個直線流道進(jìn)入擇流器,路徑的長短決定了水的沿程摩阻大于對油的沿程摩阻。進(jìn)入到旋流器后,沿圓盤進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn),而油更大程度上直接流向出口,從而對水和油產(chǎn)生不同壓降。兩級擇流器和一個旋流器,充分放大了油和水的黏度差異,實(shí)現(xiàn)控水穩(wěn)油的效果,使其更適用于低黏度的原油。

        圖1 AICD結(jié)構(gòu)示意圖

        2 CFD模擬分析

        新型AICD的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,難以用理論計算直接驗(yàn)證,因此采用有限元模擬軟件對控水穩(wěn)油性能進(jìn)行模擬研究。

        2.1 控水閥3D建模

        運(yùn)用Solidworks軟件進(jìn)行零件圖的繪制,建立如圖2所示的AICD的3D模型,其結(jié)構(gòu)與尺寸與試驗(yàn)用實(shí)物完全一致。

        圖2 AICD三維模型示意圖

        2.2 網(wǎng)格劃分

        對AICD的3D模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,定義入口、出口(模型左側(cè)為AICD進(jìn)口,圓盤中心為出口)。確定計算區(qū)域,設(shè)置邊界條件、流體物理屬性(流體密度、運(yùn)動黏度),最終得到新型低黏度AICD控水閥的流道網(wǎng)格幾何模型,如圖3所示。

        圖3 AICD流道網(wǎng)格模型

        2.3 確定邊界條件

        設(shè)置初始邊界條件如下:入口流體的質(zhì)量流量為10 m3/d,出口壓力為靜壓;流體為清水、原油,流體性質(zhì)如表1所示,流動方式為層流、湍流。

        表1 模擬用流體性質(zhì)

        2.4 模擬結(jié)果分析

        根據(jù)上述設(shè)計的模型,利用Flow simulation進(jìn)行模擬求解和模擬結(jié)果輸出,得到相同流量、不同流體性質(zhì)條件下AICD流場的壓力分布云圖(圖4)和速度分布圖(圖5)。

        圖4 壓力分布云圖

        從圖4、圖5可以看出,水的過閥壓降遠(yuǎn)高于油的過閥壓降。水相在旋流器部分發(fā)生旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生較高的旋轉(zhuǎn)速度;油相在旋流器未產(chǎn)生明顯的旋轉(zhuǎn)且速度相對較低。

        圖5 速度分布流線圖

        3 新型AICD控水閥性能試驗(yàn)

        3.1 試驗(yàn)裝置及條件

        控水閥性能模擬試驗(yàn)裝置主要由齒輪泵、電機(jī)、電加熱裝置、控制柜、水箱、油箱、旁通閥、回壓閥、安全閥、流量計、壓力傳感器、壓差傳感器、AICD試驗(yàn)工裝、管線及相關(guān)配件組成,其流程圖如圖6所示。利用壓力傳感器、壓差傳感器和流量計測量進(jìn)入模擬裝置的壓力、壓差和流量,通過對比壓差—流量關(guān)系來評價控水閥的控水效果。

        圖6 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

        3.2 試驗(yàn)流程

        按流程圖連接設(shè)備,試驗(yàn)裝置連接完成后,以清水試運(yùn)行,確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常、管線無刺漏后裝入控水閥。試驗(yàn)前進(jìn)行密封性驗(yàn)證,啟動柱塞泵,對實(shí)驗(yàn)裝置試壓6 MPa,穩(wěn)壓5 min,壓力未出現(xiàn)下降視為合格。

        開始試驗(yàn),啟動齒輪泵。調(diào)節(jié)齒輪泵的頻率,記錄通過控水閥的流量值、壓力值及壓差,即完成一組數(shù)據(jù)的錄取。針對每一種流體,壓力取值范圍最低小于0.5 MPa,最高大于2.0 MPa,測試數(shù)據(jù)點(diǎn)不少于5個,記錄并做數(shù)據(jù)表及曲線圖。更換流體樣品,重復(fù)上述步驟,直到完成全部試驗(yàn)。

        3.3.1 單相油、水試驗(yàn)

        按照試驗(yàn)流程,對新型AICD控水閥進(jìn)行單相油、水試驗(yàn),試驗(yàn)流體為黏度1 mPa·s的水和10 mPa·s、15 mPa·s的輕質(zhì)油,對比AICD對不同性質(zhì)流體的壓差—流量關(guān)系,并繪制出壓差—流量曲線,如圖7所示。

        由圖7可知,相同流量條件下,水通過AICD控水閥產(chǎn)生較高的過閥壓降,油的過閥壓降遠(yuǎn)低于水的,隨著油的黏度增大,產(chǎn)生的過閥壓降降低。新型AICD具有控水穩(wěn)油效果,并且適用于低黏度油。

        圖7 AICD單相試驗(yàn)壓差—流量曲線圖

        3.3.2 不同含水率試驗(yàn)

        在15 mPa·s的油中添加不同比例的水,配成含水率為20%、40%、60%、80%的混合流體,驗(yàn)證不同含水率條件下AICD的控水穩(wěn)油特性。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出壓差—流量曲線,如圖8所示。

        圖8 AICD不同含水率試驗(yàn)壓差—流量曲線圖

        由圖8可知,在相同流量條件下,純水的過閥壓降遠(yuǎn)高于純油的過閥壓降,并且隨著混合流體介質(zhì)的含水率體積分?jǐn)?shù)的增長,新型AICD的流阻增大,產(chǎn)生的過閥壓降增大,向純水靠近,因此新型AICD具有控水穩(wěn)油效果。

        4 結(jié)論及建議

        (1)設(shè)計了用于低黏度的控水閥,并對控水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,該結(jié)構(gòu)能充分放大因油、水性質(zhì)差異而產(chǎn)生的影響,實(shí)現(xiàn)控水穩(wěn)油。

        (2)通過有限元模擬分析得出新型AICD的工作原理,不同流體通過不同的路徑,產(chǎn)生不同的效果,清水通過較遠(yuǎn)路徑并產(chǎn)生高速旋流,流出限制高,輕質(zhì)原油通過較近路徑,流出限制低。

        (3)通過性能測試試驗(yàn),得到新型AICD相同流量下,清水通過AICD的過閥壓降是15 mPa·s輕質(zhì)油的3倍以上,驗(yàn)證AICD具有控水穩(wěn)油效果并適用于輕質(zhì)原油。

        (4)根據(jù)含水率試驗(yàn)表明,隨著混合流體介質(zhì)的含水率的增長,新型AICD產(chǎn)生的過閥壓降逐漸增大,接近于水的過閥壓降。證明新型AICD具有自適應(yīng)能力,無需人為控制,實(shí)現(xiàn)半智能完井。

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