水平井新型自动流入控制器的研发与流体敏感性分析*

李海涛 刘 权 王 楠 张 楠 崔小江

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 四川成都 610500； 2.中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452)

水平井作为一种先进高效的油藏开采技术，具有增大泄油面积、提高产量、减小钻井数量等优点，已经大量应用于陆地和海上油田[1-3]。在底水油藏中，由于地层渗透率、井筒避水高度、跟趾效应等因素的影响，导致水平井的产液剖面很难均衡。在高渗、低避水高度、跟端处，底水容易在短时间内形成突破，使含水率快速上升，严重影响水平井的开采效益[4-5]。为了解决这一问题，可以采用在高产液段下入流入控制器(ICD，Inflow Control Device)，通过增加附加压降来均衡整个水平段的产液剖面[6-13]。但ICD只能简单地增加压降，而在实际生产中底水突破后，无法实现多限制水的流动而少限制油的流动。因此，在ICD的基础上，研发出自动流入控制器(AICD，Autonomous Inflow Control Device),AICD在底水突破前能够均衡产液剖面，在底水突破后能够自动识别流体、限制非期望流体流动，从而延长水平井的生产寿命，提高采收率，适用于油田底水突破前及突破后[13-20]。由于AICD完井技术在国内才起步，AICD种类和结构都比较单一，为了增大AICD完井技术的使用范围，本文考虑油水的物性差异，研发了一种新型的、具有可应用性的流道控制型AICD，对于延缓底水锥进、延长油井生产寿命、提高油田采收率具有重要意义。

1 新型自动流入控制器设计

1.1 基本结构

本文所设计的新型AICD的结构如图1所示。该新型AICD拥有2个入口和1个出口，内部由外旋流流道、内旋流流道、Y型流槽、T型流槽、旋流腔室组成。

图1 新型AICD结构示意图Fig.1 Structure of the new AICD

1.2 工作原理

新型AICD的设计主要是基于Y型和T型三通管分流原理，当不同的流体流过Y型和T型流槽时，会产生不同的流动倾向。由于油的黏度大，在流过T型流槽时，黏滞力对流体流动的影响大于惯性力，流体容易转向，所以当油从入口流入后，大部分都直接从T型流槽流入旋流腔室，然后再直接从出口流出，整个过程产生的压降较小。而水的黏度小，在流过T型流槽时，惯性力对流体的流动起主要作用，流体更易保持其原有的流动方向，因此，水会直接流入外旋流流道，在外旋流流道中充分预旋后，通过Y型流槽流入内旋流流道；在内旋流流道中继续旋流后，再通过T型流槽流入旋流腔室；在旋流腔室中，水会再次高速旋流，最终从出口流出。水在流过新型AICD的过程中，总共会产生3次旋流压降，远远大于油流动过程的压降，从而起到增油控水的作用。当流入流体为油水混合物，新型AICD就相当于1个油水分离器，将油水分离后，诱导流体流过不同的路径，产生不同的压降。

1.3 结构优化

本文借助CFD软件对新型AICD进行流场数值模拟，优化新型AICD具体结构，得出不同流体在新型AICD中流动的压降、流速和流动方向的变化情况。模拟过程中油相的黏度为160 mPa·s、密度为889 kg/m3，水相的黏度为1 mPa·s、密度为998.2 kg/m3。

1.3.1模型建立

1) 基本方程。

在标准k-ε模型中，k和ε是两个基本未知量，相对应的输运方程为

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：ui、uj为速度在i、j方向上的分量，m/s；μ为动力黏度，Pa·s；ρ为流体密度，kg/m3；k为湍动能，m2/s2；ε为湍动耗散率，m2/s3；t为时间，s；xi、xj为各脉动流速分量，m/s；μt为湍流黏度，Pa·s；σk、σε分别代表湍流动能及湍流动能耗散率的普朗特数，σk=1.0、σε=1.3；C1、C2、Cμ均为经验常数，默认取值为Cμ=0.09、C1=1.44、C2=1.92。

2) 边界条件。

入口设为速度入口，入口处的流量为32 m3/d，流体出口为流动出口边界。固体壁面边界作为无滑移边界处理，流动参数设置为零。

1.3.2T型流槽优化

T型流槽与入口分别呈锐角、直角、钝角时的水相流线图如图2所示。从图2可以看出，当呈锐角和直角时，水相几乎不从T型流槽经过，而呈钝角时有很大一部分水从T型流槽流过。对比锐角和直角可以发现，当呈直角时，水主要从与内旋流流道相切的T型流槽流入，非常有利于水在内旋流流道的旋流。从图2b也可以看出,在此种结构下水相的旋流效果最好，水从入口流入后沿着外旋流流道流向另外一侧的入口处;在接近另一侧入口处时，其中一部分水从Y型流槽流入内旋流流道，另外一部分水与从入口流入的水汇合加入另一侧的旋流。因此,综合分析后选择T型流槽结构设计为流槽与入口呈直角。

图2 不同T型流槽位置的水相流线图Fig.2 Water streamline of T-type channel in different position

1.3.3Y型流槽角度优化

Y型流槽与外旋流流道切线的夹角称为Y型流槽角度。Y型流槽角度的不同会导致流体在控制器内的旋流强度不同，因此结合实际加工工艺情况，模拟了Y型流槽角度从30°～90°的油水压降差情况，结果如图3所示。从图3可以看出，油水压降差随着Y型流槽夹角的增大而减少，但大于60°后又略有上升。综合考虑油水压降差和Y型流槽的加工可行性， Y型流槽角度采用30°。

图3 油水压降差结果Fig.3 Differential pressure drop of water and oil

1.4 流场分析

1.4.1压力分布

利用CFD模拟计算了油相和水相流过新型AICD的压力分布，结果如图4所示。从图4a可以看出，由于水黏度小，粘滞阻力小，所产生的沿程压降也小,因此，水在新型AICD中的压降主要集中在内、外旋流流道和旋流腔室，这部分产生的旋流压降大。从图4b可以看出，由于油黏度大，粘滞阻力大，所产生的沿程压降也大，因此油流入后压力下降较为均匀。从图4还可以看出,油水在流经新型AICD时，相同产量下水的入口压力要大于油的入口压力，证明新型AICD的内部分流结构对水产生了较大的流入阻力。另外，水流过新型AICD的压降远远大于油流过的压降，证明该新型AICD对水具有较强的敏感性，能自动区分流动的流体，自动调节限流强度。

1.4.2速度分布

利用CFD模拟计算了油相和水相流过新型AICD 的速度分布，结果如图5所示。从图5a可以看出，水在新型AICD的外旋流流道和旋流腔室中的流速相对其他部位较高。分析认为，水从入口流入后，直接流入外旋流流道，绕着外旋流流道到达另一侧的入口处，与另一侧入口处流入的水汇合，增大了流动量，所以速度增加；水从T型流槽流入旋流腔室后，会产生高速旋流，所以速度在旋流腔室达到峰值。从图5b可以看出，油在新型AICD的入口和T型流槽处的流速较高。分析认为，油从入口流入后主要从T型流槽直接流向出口，T型流槽起到了一定的节流作用，所以流速较高。上述流速分析结果表明，新型AICD能区分油水流速，达到自动调节油水流速目的。

图4 油相和水相流过新型AICD 的压力分布Fig.4 Pressure profile of the new AICD with oil and water flow

图5 油相和水相流过新型AICD 的速度分布Fig.5 Velocity vectogram of the new AICD with oil and water flow

2 流体敏感性分析

为了进一步明确新型AICD的控水性能，对其进行了流体敏感性分析。由于水的性质稳定，所以仅对油的黏度、密度、含水率以及流速进行了敏感性分析。表1为敏感性分析时使用的油的物性参数，这些参数都是在Fluent的Fuel-oil-liquid的基础上改动，油的流量为16 m3/d。

油在流量为16 m3/d时过阀压降与黏度、密度、含水率的敏感性关系曲线如图6所示。从图6a可以看出，随着黏度的增加，过阀压降先减小，再略有增加。分析认为，在低黏度时，惯性力对流体流动起主要作用，这时随着黏度的增加，惯性力引起的旋流压降下降量大于粘滞阻力引起的沿程压降增大量，所以过阀压降减小。当粘滞力对流体流动起主要作用时，随着黏度的增加，惯性力引起的旋流压降下降量小于粘滞阻力引起的沿程压降增大量，所以过阀压降增大。由此可见，油黏度对过阀压降有影响，但是并不会导致控水性能失效。

表1 敏感性分析时油的物性Table 1 Fluid physical properties of sensitivity analysis

图6 新型AICD流体敏感性分析Fig.6 Fluid sensitivity analysis of the new AICD

从图6b可以看出，随着密度的增加,过阀压降逐渐增大，但压降增加的幅度很小，所以密度对过阀压降的影响很小，这是由于新型AICD主要依靠黏度差异来识别流体。从图6c可以直观地看出，随着含水率的增加，新型AICD压降逐渐增加，而且增加的幅度越来越大，这是因为含水率越高，混合流体在新型AICD内的高速旋转就越强，过阀压降就越来越大。

流体过阀压降与流量的关系曲线如图7所示。从图7a可以看出，水的过阀压降远远大于油的过阀压降，这是由于低黏度的水在阀内高速旋流产生了旋流压降导致的。水和油的过阀压降都随流量的增加而增大，但是不同黏度流体的过阀压降增大速率不同。从图7b可以看出，低黏度油的过阀压降比的变化趋势是随流量的增大而先增大后减小，高黏度油的过阀压降比则逐渐增大。综合分析图7关系曲线可以得出，当流量小于10 m3/d时，虽然油黏度低于80 mPa·s的油水压降比很高，但是油水的压降均小于0.2 MPa，油水过阀的阻力相当，控水效果不明显；当流量大于10 m3/d时，油水压降区别明显，但是随着流量增大，低黏度油上升快速，油水压降比下降剧烈，所以油黏度取80～320 mPa·s。由于新型AICD本身结构强度和冲蚀的问题，配产流量不能过大，所以一般取低于35 m3/d。综合以上分析，新型AICD适用于中高黏度的油，黏度范围在80～320 mPa·s，最佳黏度在160 mPa·s左右，流量范围在10～35 m3/d。

图7 新型AICD流体流速敏感性分析Fig.7 Fluid velocity sensitivity analysis of the new AICD

3 控水效果实验分析

自动相选择控制阀是一种经过现场试验的不含运动部件的流道型AICD[17]，与本文研发的新型AICD同属一个类型，因此通过对两者进行对比来验证新型AICD的有效性和适用性。实验用泵作为流体流动的动力来源，用压力传感器测量新型AICD的入口端和出口端的压力，并用涡轮流量计测量流量，实验结果如图8所示。从图8可以看出新型AICD的CFD模拟结果与实验结果吻合程度较高，证明了新型AICD控水性能的可靠性。对比分析自动相选择控制阀与新型AICD的实验结果可以得出，在低流量下自动相选择控制阀具有更好的控水效果，但是对油流动的限制也较高；在高流量下，新型AICD则具有更好的控水效果，而且对油流动的限制较低,所以新型AICD适用于产液量较高的底水油藏水平井。

图8 新型AICD控水性能对比Fig.8 Comparison the performance of new AICD

4 结论

1) 利用T型、Y型三通管原理，设计了一种新型自动流入控制器(AICD)。T型流槽宽度大，为油的主要流动通道；Y型流槽宽度窄，主要用来诱导水产生旋流，从而实现控水目的。

2) 通过CFD流场分析表明：油在新型AICD中的压降主要为沿程压降，而水主要是旋流压降。油流入新型AICD后会直接从T型流槽流向出口，而水会先通过Y型流槽再通过T型流槽，并且过程中总共产生3次旋流，从而使水的压降远远大于油的压降。

3) 流体敏感性分析表明,流体黏度、含水率和流量对流体的过阀压降有较大影响，而流体密度的影响很小;含水率越高，流量越大，过阀压降越大。新型AICD控水效率较高的黏度范围为80～320 mPa·s，最佳黏度为160 mPa·s左右，流量范围为10～35 m3/d。

4) 室内实验验证了新型AICD的控水性能，并与自动相选择控制阀对比分析得出新型AICD更适用于产液量较高的底水油藏水平井。