趙海峰，田建超，穆二飛，趙朝陽(yáng)

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)

技術(shù)綜述

水平井控水裝置發(fā)展現(xiàn)狀

趙海峰，田建超，穆二飛，趙朝陽(yáng)

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)

油井過早見水/氣是制約水平井技術(shù)發(fā)展的一大難點(diǎn)。水平井控水裝置的出現(xiàn)為解決該問題提供了新途徑。經(jīng)過多年研究，目前控水裝置主要有4種：①流入控制裝置(ICD)；②自動(dòng)流入控制裝置(AICD)；③流入控制閥(ICV)；④自動(dòng)流入控制閥(AICV)。各種控水裝置都是通過摩擦、節(jié)流原理在油層與井筒之間產(chǎn)生一個(gè)附加壓降，從而形成均勻入流剖面，延長(zhǎng)底水錐進(jìn)時(shí)間和油井壽命。介紹了4種裝置的特點(diǎn)、類型以及優(yōu)缺點(diǎn)。通過比較得出各種控水裝置原理基本相同，主要是其智能化和精細(xì)化程度不斷提高。

水平井；底水錐進(jìn)；控制閥；發(fā)展趨勢(shì)

在底水油藏開發(fā)過程中，長(zhǎng)水平井由于泄油面積大，并且底水可以補(bǔ)充儲(chǔ)層損失能量，相比直井產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了顯著的開發(fā)效果。但是，也暴露了一些嚴(yán)重的問題，例如：沿水平井段不均勻流動(dòng)，見水快，找堵水作業(yè)費(fèi)用高[1]。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究，主要由4個(gè)原因：①儲(chǔ)層的非均質(zhì)性；②趾跟效應(yīng)；③水平段軌跡線的變化；④在兩個(gè)壓力系統(tǒng)內(nèi)鉆井等[2]。圖1為底水錐進(jìn)原因的示意圖。為了解決底水錐進(jìn)問題，經(jīng)過幾十年的研究，PICD、AICD、ICV、AICV等控水裝置相繼誕生，為解決井下流量控制和實(shí)現(xiàn)均勻流動(dòng)提供了新的途徑。

在油井見水/氣前，任何控水裝置都是通過沿水平段產(chǎn)生一個(gè)附加壓降來平衡油藏與井筒之間壓力的不均勻性，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)均勻流動(dòng)[3]。對(duì)于油井見水/氣后，不同的控水裝置的智能化和精細(xì)化程度則不同。

圖1 底水錐進(jìn)原因

1 流入控制裝置ICD

流入控制裝置ICD(Inflow Control Device)是20世紀(jì)90年代提出的，目的是解決水平井過早見水/氣問題。根據(jù)ICD產(chǎn)生附加壓降的原理可以劃分為：①限流原理。噴嘴型ICD[4]、孔板型ICD[5]；②摩擦原理。迷宮型ICD、螺旋通道型[6]ICD；③限流摩擦原理。混合型、噴管型ICD。

1.1 噴嘴型ICD和孔板型ICD

噴嘴型ICD、孔板型ICD如圖2～3所示，兩者都是利用流體從一個(gè)較大區(qū)域進(jìn)入小直徑的噴嘴或孔眼，從而產(chǎn)生一個(gè)節(jié)流壓降。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可以根據(jù)不同的控水要求更換噴嘴或孔眼；缺點(diǎn)是抗堵塞和抗沖蝕能力差。

圖2 噴嘴型ICD

圖3 孔板型ICD

1.2 迷宮型ICD和螺旋通道型ICD

這兩種類型的ICD都是通過在油管外部設(shè)計(jì)更多流動(dòng)通道，使流體流入時(shí)由于沿程阻力產(chǎn)生摩阻壓降。優(yōu)點(diǎn)是抗堵塞和抗沖蝕能力好，缺點(diǎn)是對(duì)流體黏度較敏感，使得水/氣比油更快突破。圖4～5為迷宮型ICD、螺旋通道型ICD的示意圖。

圖4 螺旋通道型ICD

圖5 迷宮型ICD

1.3 混合型ICD和噴管型ICD

混合型ICD、噴管型ICD如圖6～7所示，這兩種ICD同時(shí)利用摩阻壓降和節(jié)流壓降來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層向井筒的均勻流動(dòng)。由于它們的最小過流面積較大，具有較強(qiáng)的抗堵塞和抗沖蝕能力，而且摩阻壓降所占比例較小，故對(duì)流體黏度不敏感[7-8]。

圖6 混合型ICD

圖7 噴管型ICD

2 自動(dòng)流入控制裝置AICD

傳統(tǒng)的ICD屬于被動(dòng)式ICD(Passive Inflow Control Devices，PICD )，其尺寸主要根據(jù)油藏的初始條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，下入井筒后很難再進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于生產(chǎn)使得油藏的性質(zhì)處于不斷變化的過程，而且一旦水/氣突破后PICD不能減少或者阻止該流動(dòng)，因此PICD對(duì)油藏的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)仍不明顯。自動(dòng)流入控制裝置(Autonomous Inflow Control Devices，AICD)技術(shù)由于可根據(jù)油藏性質(zhì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，無需人工操作和電力設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注和研究。當(dāng)油井未見水/氣前，AICD的工作原理與PICD相似；當(dāng)油井見水/氣后，通過對(duì)水/氣產(chǎn)生一個(gè)更大的阻力來加強(qiáng)對(duì)其抑制作用，進(jìn)而延長(zhǎng)了油井壽命，更大程度地提高了油藏采收率[9]。但是，AICD只能抑制其流動(dòng)，并不能在水/氣突破后完全屏蔽該區(qū)域，這也是AICD的一大弊端。目前主要的AICD產(chǎn)品形式有平衡片型AICD、RCP閥、流道型AICD、自膨脹型AICD、自適應(yīng)型AICD。

2.1 平衡片型AICD

該裝置應(yīng)用了阿基米德原理，由一系列的密度敏感閥組成，當(dāng)氣體侵入井筒的某個(gè)位置，使得該位置生產(chǎn)流體的密度減少，引起平衡片關(guān)閉，如圖8所示的關(guān)閉狀態(tài)，過流面積減小；當(dāng)氣錐減少時(shí)，平衡片又重新開啟如圖8所示的打開狀態(tài)。但是平衡片很容易出現(xiàn)故障，而且由于油水密度差別不大，該裝置很難有效預(yù)防水錐[10]。

圖8 平衡片型AICD

2.2 RCP閥

該AICD裝置由Statoi依據(jù)伯努利方程設(shè)計(jì)，又被稱為RCP閥(The Rate Controlled Production Valve)，RCP閥僅僅由一個(gè)可以自由浮動(dòng)的圓盤構(gòu)成，圓盤的位置取決于動(dòng)壓力和靜壓力的平衡關(guān)系。該裝置能夠限制低黏流體的流動(dòng)速率，當(dāng)?shù)宛ち黧w通過時(shí)，圓盤內(nèi)側(cè)的壓力減小，作用在圓盤上的合力使其向入口方向移動(dòng)，使過流面積減少，流量減少；當(dāng)黏稠流體通過時(shí)，與上述過程相反，使得利于其通過[11]。圖9為RCP閥及示意圖。

圖9 RCP閥及其示意

2.3 流道型AICD

流道型AICD的流動(dòng)方式如圖10所示。該裝置利用了黏滯力與慣性力間的平衡關(guān)系，該裝置的流道根據(jù)油藏流體的物性來設(shè)計(jì)。當(dāng)油水同時(shí)流入時(shí)，更黏稠的油趨向于選擇通向出口的更短流道，該流道對(duì)油產(chǎn)生更小的流動(dòng)阻力，易于油的流動(dòng)。低黏稠的水則直接沿出口的切線方向高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生更大的壓降，達(dá)到降低水的流速的目的[12]。

圖10 流道型AICD

2.4 自膨脹型AICD

自膨脹型AICD由一系列的隔板、狹槽和遇水膨脹橡膠組成，每個(gè)隔板上都有2個(gè)成180°相位角的流動(dòng)狹槽，而且每一組狹槽與下一組狹槽之間錯(cuò)開90°，如圖11所示，通過各個(gè)狹槽后使流體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，從而預(yù)防射流效應(yīng)的產(chǎn)生。一旦油井見水，狹槽上橡膠遇水膨脹，且膨脹度隨含水率自動(dòng)變化，從而改變裝置的最小過流面積和流動(dòng)阻力，達(dá)到穩(wěn)油控水的目的。但是，該裝置采用了遇水膨脹橡膠，不能對(duì)氣錐實(shí)現(xiàn)限流作用[13]。

圖11 自膨脹型AICD

2.5 自適應(yīng)型AICD

該裝置由多個(gè)Y形導(dǎo)流器和圓盤形限流器組成。Y形導(dǎo)流器包括主流道和分支流道，Y形導(dǎo)流器的個(gè)數(shù)與分支角α有關(guān)，圖12 為自適應(yīng)型AICD示意圖。自適應(yīng)型AICD與流道型AICD作用機(jī)理相似，當(dāng)油水從入口進(jìn)入，高黏性的油沿分支流道進(jìn)入，水由于慣性力作用從主流道進(jìn)入，這樣油直接從出口流出，而水進(jìn)入圓盤后充分旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大的限流作用。在油井見水前，作用效果與PICD相似，當(dāng)水錐突破后，通過對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)更大的阻力來抑制水的流入[14]。

圖12 自適應(yīng)型AICD

3 流入控制閥ICV

智能井的核心技術(shù)——流入控制閥ICV(Inflow Control Valves或者Interval Control Valves)是一種可以遠(yuǎn)程進(jìn)行操作的控制閥，從滑套技術(shù)進(jìn)化而來，通過壓力驅(qū)動(dòng)滑套來調(diào)整閥門的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入井筒的流量，與AICD相似，都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。并且，當(dāng)水/氣突破后，ICV可以實(shí)現(xiàn)完全屏蔽突破區(qū)域[15]。

ICV可以與封隔器聯(lián)合使用來實(shí)現(xiàn)流量控制功能，根據(jù)流量控制的類型，ICV可以分為兩位開關(guān)型、多檔位型和無極變速型。兩位開關(guān)型只允許閥門處于打開或關(guān)閉的狀態(tài)；多檔位型提供幾種控制流量的選擇；無級(jí)變速型可以通過傳感器實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整流量[16]。多檔位和無級(jí)變速ICV包括一系列線性分布的流入孔道，多檔位流入控制閥ICV及示意圖如圖13所示。ICV的驅(qū)動(dòng)方式有液壓、電動(dòng)以及兩者混合驅(qū)動(dòng)。ICV閥體上裝有可移動(dòng)滑套，每個(gè)閥門由多根管線控制，可以在地面進(jìn)行操作來調(diào)整閥門的開度，實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)整。但是，ICV價(jià)格昂貴，而且有許多流量?jī)x和溫度壓力傳感器需要通過電纜進(jìn)行連接，從地面遙控操作不穩(wěn)定，容易發(fā)生故障[17]。

圖13 多檔位流入控制閥ICV示意

4 AICV

AICV利用層流和紊流具有不同的流動(dòng)方式，由一系列的層流單元和紊流單元組合而成。層流單元是一個(gè)圓管，壓降公式為：

(1)

式中：μ為流體的黏度；v為流體速度；D為油管直徑；L為油管長(zhǎng)度。

紊流單元是薄圓盤，壓降公式為：

(2)

式中：k為幾何常數(shù)；ρ為流體密度。

圖14～15為AICV的示意圖，最細(xì)的箭頭是主流道閥門的入口，2個(gè)水平箭頭是主流道基管的出口。作用在活塞上的合力向下，則活塞打開，如圖14；合力向上，則活塞關(guān)閉[18-19]，如圖15。

AICV結(jié)合了AICD和ICV的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和不需要任何電纜或者地面控制系統(tǒng)，能夠完全關(guān)閉突破區(qū)域，使得未突破區(qū)域繼續(xù)生產(chǎn)，從而提高原油采收率和原油產(chǎn)量。該技術(shù)可以應(yīng)用于新鉆水平井，也可應(yīng)用于高產(chǎn)水的老井再完井。尤其在提高重油和超重油的采收率方面應(yīng)用廣泛[20]。

圖14 打開狀態(tài)的AICV

圖15 閉合狀態(tài)的AICV

5 結(jié)論

1) 水平井出水的原因與儲(chǔ)層性質(zhì)(如滲透率不均、厚度等)和儲(chǔ)層類型(例如裂縫性儲(chǔ)層)有很大關(guān)系，不同的儲(chǔ)層類型出水原因不同。

2) 目前評(píng)價(jià)控水裝置的優(yōu)劣主要有：控水能力、抗堵塞能力、抗沖蝕能力等，應(yīng)綜合考慮各個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)來優(yōu)選控水裝置。

3) AICV是比較先進(jìn)的控水裝置，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，是未來控水裝置的發(fā)展方向。

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Developing Situation of Water Control Device in Horizontal Wells

ZHAO Haifeng，TIAN Jianchao，MU Erfei，ZHAO Zhaoyang

(SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Early water/gas breakthrough is a technical problem in horizontal well technology，downhole inflow control technology such as ICD，AICD，ICV，AICV，provide a new way to tackle the problem，which exert an exert pressure drop between reservoir and wellbore to balance inflow profile and delay water break through.The types，characteristics and advantage of the four devices are introduced in the paper.Through comparing various water control devices have the same principle，mainly their intelligent and fine degree enhances unceasingly.

horizontal well；bottom water coning；control valve；developing trend

1001-3482(2017)01-0081-05

2016-07-12

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05009-004)；中國(guó)石油大學(xué)(北京)基金(ZX20150191)

趙海峰(1980-)，男，副教授，博士，2007年畢業(yè)于中科院力學(xué)所，研究方向：巖石力學(xué)、水力壓裂及非常規(guī)壓裂液，E-mail：2363760116@qq.com。

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.019