周戰(zhàn)凱，劉 敏，王寶富

(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)

在長水平井開采中，由于儲層非均質(zhì)性、跟趾效應(yīng)影響，導(dǎo)致生產(chǎn)剖面不均勻，會引起井筒早期見水或見氣，大幅降低油井的產(chǎn)量[1-5]。為了消除水錐現(xiàn)象，可以在每個篩管節(jié)點(diǎn)上布置流入控制器(ICD)來平衡整個分支上的入流剖面并抵消滲透率變化。但是，ICD一旦發(fā)生水錐進(jìn)，裝置將永久失效[6-8]，為此，研究者設(shè)計出自適應(yīng)流入控制裝置(AICD)。平衡式AICD利用油氣密度差控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)控水，但其穩(wěn)定性差。流道型AICD利用油氣黏度差異產(chǎn)生不同壓降，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水，但其存在黏度適用范圍較小的局限性[9-10]。

為了解決以上不足，筆者設(shè)計了新型流道型AICD控水裝置，并研究其工作原理，對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，使其穩(wěn)油控水效果最佳，且適用更廣范圍流量和黏度。

1 設(shè)計原理

AICD裝置安裝在完井管柱上，組裝成自適應(yīng)節(jié)流控制管柱如圖1。地層水和氣體的黏度小，通過AICD裝置進(jìn)入中間油管，所產(chǎn)生的節(jié)流壓降大，只有小部分進(jìn)入油管；黏度較高的油受到AICD節(jié)流壓降小，容易進(jìn)入自適應(yīng)管柱，則地層原油產(chǎn)量增加，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水。

圖1 自適應(yīng)節(jié)流控制管柱組成

流道型AICD裝置設(shè)計原理：裝置內(nèi)流體流動滿足伯努利方程式(1)，流體的總機(jī)械能保持不變，其中重力勢能恒定，只有動能與壓力勢能間的相互轉(zhuǎn)換。地層水進(jìn)入裝置，黏度低，慣性力大，容易形成高速旋流。越往出口流，切向速度逐漸增大，則動能增加，壓力損耗增加；原油進(jìn)入裝置，黏度大，慣性力小，不易形成漩渦，多數(shù)原油徑向流向出口，壓力損耗較小。

(1)

式中：p為流體的壓強(qiáng)，Pa；ρ為流體的密度，kg/m3；v為流體的速度，m/s；h為鉛垂高度，m；g為重力加速度，m/s2；c為常數(shù)。

AICD產(chǎn)生的節(jié)流壓降Δp分為兩部分，一是流體介質(zhì)流過流道產(chǎn)生的摩阻壓降Δp1，二是流體從出口噴出產(chǎn)生的射流壓降Δp2[11]。

Δp=Δp1+Δp2

(2)

(3)

(4)

式中：a，b，αs為常數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；μ為流體黏度，mPa·s；Q為入口流量，m3/d；d為出口直徑，mm；Cd為出口流量系數(shù)，小于1。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

AICD結(jié)構(gòu)包括旋流結(jié)構(gòu)與入流結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中旋流結(jié)構(gòu)也包括旋流腔、一級擋板、二級擋板、噴嘴組成，入流結(jié)構(gòu)包括切向直流道與若干支路組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圓盤直徑30 mm，出口直徑 3 mm，厚度5 mm，入口面積7.5×10-6m2。

圖2 AICD結(jié)構(gòu)

低黏度流體介質(zhì)從AICD入口流入，主要通過切向入口旋流進(jìn)入旋流腔，產(chǎn)生高速旋流，之后通過一級擋板和二級擋板，最終經(jīng)噴嘴出口流出，產(chǎn)生較大旋流壓降，且流動路線長，增大了沿程摩阻，達(dá)到節(jié)流控水目的；高黏度流體介質(zhì)從AICD入口流入，主要從分支入口直接流入旋流腔，不產(chǎn)生高速旋流，直接通過一級擋板和二級擋板，最終從噴嘴出口流出，產(chǎn)生很小節(jié)流壓降。

3 數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 模型建立

根據(jù)AICD的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在機(jī)械制圖軟件中通過布爾運(yùn)算抽取流道，對流域再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在確定網(wǎng)格特征時，對比多種網(wǎng)格分布對流場計算精度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到95萬時，流場物理量基本不再變化，可以滿足計算精度對網(wǎng)格的要求，最后采用Fluent求解器求解。

AICD流場屬于湍流流動，可以通過三維定常、湍流流體力學(xué)方程組進(jìn)行描述，具體包括質(zhì)量守恒方程、動量方程、湍動能方程、湍流耗散率方程、液體狀態(tài)方程，詳見文獻(xiàn)[12]。入口邊界條件采用速度入口條件，由日產(chǎn)液量與入口面積折算出速度值；出口邊界條件采用Outflow；固體壁面采用無滑移的剛性壁面邊界條件。

流體參數(shù)如表1，入口流量為5 m3/d，則入口速度為3.86 m/s，流體介質(zhì)為水、油，數(shù)值仿真結(jié)果如圖3～4。

水相從切向流道進(jìn)行旋流腔，并在旋流盤中旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入擋板后旋流速度大幅提高，在中心孔出口達(dá)到最大，與水相速度分布對應(yīng)，水相流體在旋流的中心位置，壓力最低，產(chǎn)生旋流壓降0.53 MPa。油相大部分流體從分支進(jìn)入旋流腔，其他流體沿切向流道流入。在向中心孔流動過程中旋流速度低，進(jìn)入中心孔時出現(xiàn)低速旋流與噴嘴射流共同作用，形成如圖4中的速度分布特征，最大速度遠(yuǎn)小于水相的旋流速度，相對應(yīng)產(chǎn)生的節(jié)流壓降很小，為0.08 MPa。

表1 流體介質(zhì)物性參數(shù)

圖3 AICD水相流場

圖4 AICD油相流場

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

AICD的擋板結(jié)構(gòu)和出口參數(shù)對裝置穩(wěn)油控水有影響，對擋板結(jié)構(gòu)和出口直徑進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

3.2.1 擋板結(jié)構(gòu)

設(shè)計2種結(jié)構(gòu)：一個為圓盤內(nèi)部不加擋板，另一個為圓盤內(nèi)部內(nèi)部加擋板；流體介質(zhì)參照表1，然后進(jìn)行對比分析。水、油流過2種結(jié)構(gòu)的壓力流線如圖5所示。

擋板對速度與壓力分布影響很大，裝置過水時，大部分水沿切向流入圓盤產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，擋板的存在提高了中心出口的旋流強(qiáng)度與壓降。裝置過油時，一部分油沿切向流入圓盤，另外一部分油沿支路進(jìn)入。兩路流體在旋流腔碰撞混合后經(jīng)過擋板直接進(jìn)入中心孔流道，節(jié)流壓降很低。所以，采用擋板結(jié)構(gòu)有助于提高AICD的過水壓降、降低過油壓降，增加穩(wěn)油控水效果。

圖5 AICD有無擋板流場壓力分布

3.2.2 出口直徑

出口位于圓盤中心處，出口的直徑分別為2、3、5 mm，流體介質(zhì)參照表1，對比壓降效果，如圖6。

出口直徑對流場影響很大，裝置過水、油時，出口旋流速度隨出口直徑減小顯著增大，流體動能增加則消耗更多壓力能，從而產(chǎn)生更大壓降。由壓降曲線圖7可以得出，壓降隨出口直徑增加而減小，減小出口直徑有助于提高過壓降。為了提高裝置穩(wěn)油控水效果，同時保障油井的產(chǎn)量，出口直徑選為3 mm合適。

圖6 AICD不同出口直徑流場壓力分布

圖7 AICD壓降曲線

4 水力參數(shù)影響分析

基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，對有擋板、出口直徑3 mm的裝置進(jìn)行水力參數(shù)影響分析，研究流量、黏度對節(jié)流壓降影響，為AICD裝置在現(xiàn)場應(yīng)用提供指導(dǎo)。

4.1 流量影響分析

油密度870 kg/m3，黏度選100、200 mPa·s；水的密度998 kg/m3，黏度1 mPa·s。流量分別取2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 m3/d，進(jìn)行數(shù)值仿真計算，得出壓降曲線如圖8。

不同流量條件下水和油過AICD裝置產(chǎn)生的壓降曲線特征為：過水壓降隨流量呈拋物線增長，過油壓降隨流量呈直線上升，過水壓降上升幅度遠(yuǎn)大于過油壓降。水油壓降比隨流量增加而增大，表明該裝置在大流量下穩(wěn)油控水效果更好。

圖8 AICD不同流量壓降曲線

4.2 黏度影響分析

油密度870 kg/m3，黏度分別取20、50、100、150、200 mPa·s。水密度998 kg/m3，黏度1 mPa·s。流量取5 m3/d，進(jìn)行數(shù)值仿真計算，得出壓降曲線圖9。

壓降隨流體黏度的變化規(guī)律，第1數(shù)據(jù)點(diǎn)為過水的壓降；其余各點(diǎn)為不同黏度下的油。對比得出水的壓降明顯高于油的壓降，裝置控水效果明顯。油黏度對節(jié)流壓降的影響存在臨界點(diǎn)，當(dāng)?shù)陀谂R界黏度時，節(jié)流壓降隨黏度增加壓降開始下降很快，當(dāng)黏度超過某一個臨界黏度時節(jié)流壓降隨黏度增加緩慢。原因是隨著油相黏度的增加,從分支流道流進(jìn)圓盤的油越多,并直接流向出口流速較小，產(chǎn)生的壓降減小。當(dāng)黏度繼續(xù)增加時，油相產(chǎn)生的摩阻壓降增加。

圖9 AICD不同黏度壓降曲線圖

4.3 壓降流量水力特性曲線

針對不同流量，不同黏度的油水分別進(jìn)行數(shù)值模擬。油的密度870 kg/m3，黏度分別取20、50、100、150、200 mPa · s。水密度998 kg/m3，黏度1 mPa · s。流量分別取2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 m3/d。在以上流量與黏度條件下繪制水力特性曲線如圖10。由圖10可知，油、水壓降均隨流量增加而增大，過油壓降線性變化；在相同流量情況下，油的壓降隨黏度變化不大，并且遠(yuǎn)低于水相產(chǎn)生的壓降，穩(wěn)油控水效果較好。綜上，該AICD裝置在廣泛的流量與黏度范圍內(nèi)都具有良好的穩(wěn)油控水效果，較其他裝置的適用范圍更廣。

圖10 AICD壓降-黏度曲線

5 結(jié)論

1) 設(shè)計了新型流道型AICD裝置。通過數(shù)值模擬分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)、參數(shù)。

2) 水相從該裝置切向流道進(jìn)入，產(chǎn)生高速旋流，節(jié)流壓降較大；油相流過該裝置時大部分油從分支流道進(jìn)入，直接從出口流出，節(jié)流壓降較小，起到穩(wěn)油控水作用。

3) 擋板結(jié)構(gòu)影響流體流速，能提高過水壓降、降低過油壓降，增加穩(wěn)油控水效果；節(jié)流壓降隨出口直徑增加而減小，兼顧油井產(chǎn)量，出口直徑3 mm最優(yōu)。

4) 相同流量情況下，過油壓降隨黏度變化不大，且遠(yuǎn)低于水相產(chǎn)生的壓降。該裝置在廣泛的流量與黏度范圍內(nèi)都具有良好的穩(wěn)油控水效果。