低黏度原油自适应控水装置设计及试验研究

袁 辉，周泓宇，吴绍伟，万小进，杨 明，张玉涛

1中海石油(中国)有限公司湛江分公司 2东营市瑞丰石油技术发展有限责任公司

0 引言

油井高含水带来的老油田稳产、油田节能减排等问题已非常严峻，其中治理难度较大的水平井高含水问题尤为突出[1-4]。南海西部油田高含水、特高含水油井占比已达68%。其中，水平井的高含水占总数的55.80%。目前不仅面临油田高含水治理难题，更直接面对水驱油藏水平井控水治理的业内难题。

自适应流量控制装置(AICD)，被广泛应用到水平井的生产中，尤其是海上油田多为长水平井，其“趾端效应”突出、边底水锥进现象明显[5-8]。利用AICD技术可以延长无水采油期，后期见水后也能自适应调节、均衡剖面，从而降低整体含水率，有效的提高了油气井的收采率及寿命，因此AICD对石油开采具有重要意义[9-11]。

南海西部油田再生产井原油黏度较低，普通AICD对其控水效果不是很好。目前,专门针对低黏度原油的相关研究还未有[12-15]。因此设计开发一种适用于低黏度的AICD控水阀具有重要意义。

AICD的内部结构设计决定了其控水性能的好坏，笔者设计了一种适用于低黏度原油的AICD结构，通过计算流体力学(CFD)仿真方法进行数模，为控水阀的设计和优选提供依据。对新型控水阀进行物理模拟试验,以水、低黏度原油介质为样品模拟井下生产状况，并进行不同含水率试验，通过对比油水压差比，验证控水阀的控水性能。

1 控水阀设计

1.1 设计原理

为解决上述高含水及原油黏度较低问题，设计了一种适用于低黏度油的AICD控水阀。该设计基于流体力学沿程摩阻理论与流体旋涡理论，利用油水雷诺数不同来选择不同流道，即流体惯性力和黏滞力的平衡关系来改变其流体导向行为，油趋向于选择通向出口的更短流道，产生阻力小，易于油的流动，水与之相反。

1.2 实施方式

新型低黏度AICD控水阀设计如图1所示，该控水阀主要由两级择流器和一个旋流器构成。择流器由直流道和圆弧流道组成，旋流器为圆盘型，上一级流道与旋流器相切。因为水的雷诺数相对于油较大，所以在进入择流器时，大部分水将保持原始的流动方向进入圆弧流道，而油的雷诺数相对较小，大部分油流经直线流道。通过两级择流器的作用，大部分水走最长的路径，即两个圆弧流道进入旋流器。而大部分油会走最短的路径，即两个直线流道进入择流器，路径的长短决定了水的沿程摩阻大于对油的沿程摩阻。进入到旋流器后，沿圆盘进行高速旋转，而油更大程度上直接流向出口，从而对水和油产生不同压降。两级择流器和一个旋流器，充分放大了油和水的黏度差异，实现控水稳油的效果，使其更适用于低黏度的原油。

图1 AICD结构示意图

2 CFD模拟分析

新型AICD的结构较为复杂，难以用理论计算直接验证，因此采用有限元模拟软件对控水稳油性能进行模拟研究。

2.1 控水阀3D建模

运用Solidworks软件进行零件图的绘制，建立如图2所示的AICD的3D模型，其结构与尺寸与试验用实物完全一致。

图2 AICD三维模型示意图

2.2 网格划分

对AICD的3D模型结构进行网格划分，定义入口、出口(模型左侧为AICD进口，圆盘中心为出口)。确定计算区域，设置边界条件、流体物理属性(流体密度、运动黏度)，最终得到新型低黏度AICD控水阀的流道网格几何模型，如图3所示。

图3 AICD流道网格模型

2.3 确定边界条件

设置初始边界条件如下：入口流体的质量流量为10 m3/d，出口压力为静压；流体为清水、原油，流体性质如表1所示，流动方式为层流、湍流。

表1 模拟用流体性质

2.4 模拟结果分析

根据上述设计的模型，利用Flow simulation进行模拟求解和模拟结果输出，得到相同流量、不同流体性质条件下AICD流场的压力分布云图(图4)和速度分布图(图5)。

图4 压力分布云图

从图4、图5可以看出，水的过阀压降远高于油的过阀压降。水相在旋流器部分发生旋转，产生较高的旋转速度；油相在旋流器未产生明显的旋转且速度相对较低。

图5 速度分布流线图

3 新型AICD控水阀性能试验

3.1 试验装置及条件

控水阀性能模拟试验装置主要由齿轮泵、电机、电加热装置、控制柜、水箱、油箱、旁通阀、回压阀、安全阀、流量计、压力传感器、压差传感器、AICD试验工装、管线及相关配件组成，其流程图如图6所示。利用压力传感器、压差传感器和流量计测量进入模拟装置的压力、压差和流量，通过对比压差—流量关系来评价控水阀的控水效果。

图6 实验装置流程图

3.2 试验流程

按流程图连接设备，试验装置连接完成后，以清水试运行，确保设备运转正常、管线无刺漏后装入控水阀。试验前进行密封性验证，启动柱塞泵，对实验装置试压6 MPa,稳压5 min，压力未出现下降视为合格。

开始试验，启动齿轮泵。调节齿轮泵的频率，记录通过控水阀的流量值、压力值及压差，即完成一组数据的录取。针对每一种流体，压力取值范围最低小于0.5 MPa，最高大于2.0 MPa，测试数据点不少于5个，记录并做数据表及曲线图。更换流体样品，重复上述步骤，直到完成全部试验。

3.3.1 单相油、水试验

按照试验流程，对新型AICD控水阀进行单相油、水试验，试验流体为黏度1 mPa·s的水和10 mPa·s、15 mPa·s的轻质油，对比AICD对不同性质流体的压差—流量关系，并绘制出压差—流量曲线，如图7所示。

由图7可知,相同流量条件下，水通过AICD控水阀产生较高的过阀压降，油的过阀压降远低于水的，随着油的黏度增大，产生的过阀压降降低。新型AICD具有控水稳油效果，并且适用于低黏度油。

图7 AICD单相试验压差—流量曲线图

3.3.2 不同含水率试验

在15 mPa·s的油中添加不同比例的水，配成含水率为20%、40%、60%、80%的混合流体，验证不同含水率条件下AICD的控水稳油特性。根据试验数据绘制出压差—流量曲线，如图8所示。

图8 AICD不同含水率试验压差—流量曲线图

由图8可知，在相同流量条件下，纯水的过阀压降远高于纯油的过阀压降，并且随着混合流体介质的含水率体积分数的增长，新型AICD的流阻增大，产生的过阀压降增大，向纯水靠近，因此新型AICD具有控水稳油效果。

4 结论及建议

(1)设计了用于低黏度的控水阀，并对控水结构进行了分析，该结构能充分放大因油、水性质差异而产生的影响，实现控水稳油。

(2)通过有限元模拟分析得出新型AICD的工作原理，不同流体通过不同的路径，产生不同的效果，清水通过较远路径并产生高速旋流，流出限制高，轻质原油通过较近路径，流出限制低。

(3)通过性能测试试验，得到新型AICD相同流量下，清水通过AICD的过阀压降是15 mPa·s轻质油的3倍以上，验证AICD具有控水稳油效果并适用于轻质原油。

(4)根据含水率试验表明，随着混合流体介质的含水率的增长，新型AICD产生的过阀压降逐渐增大，接近于水的过阀压降。证明新型AICD具有自适应能力，无需人为控制，实现半智能完井。