李渭亮 董亮亮 李林濤 謝友利

(1.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2.中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

0 引 言

近年來(lái)，水平井在油氣藏開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用越來(lái)越多，但對(duì)于邊底水油藏，由于水平井與儲(chǔ)層的接觸面積較大，沿程摩阻和儲(chǔ)層物性變化往往導(dǎo)致水平井水平段各處產(chǎn)液量不均，底水易于向水平井根部和物性較好的部位錐進(jìn)，極大地影響了水平井的開(kāi)采效果[1-5]。為了解決這類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研制了油井流入控制器(ICD)。目前，ICD從結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生壓降原理的不同劃分為3種類型，即螺旋通道型、噴嘴型和混合型。

螺旋通道型ICD設(shè)計(jì)了不同直徑和長(zhǎng)度的螺旋或者彎曲的通道，生產(chǎn)液流過(guò)時(shí)，由于流體黏度的影響會(huì)產(chǎn)生摩擦壓降，沿程壓力損失的大小受流體黏度影響很大，因此螺旋通道型ICD的一種弊端是：當(dāng)油井出現(xiàn)進(jìn)水，較低黏度的水相比于石油承受更小的阻力，更容易進(jìn)入管道，進(jìn)而影響油井石油產(chǎn)量[6-8]。噴嘴型ICD通過(guò)設(shè)備上不同尺寸的噴嘴來(lái)進(jìn)行控制，然而，因?yàn)楣?jié)流的作用，儲(chǔ)層中生產(chǎn)液流經(jīng)噴嘴后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部速度較快，生產(chǎn)液所攜帶的細(xì)砂很容易侵蝕噴嘴型ICD或者出現(xiàn)顆粒堵塞情況[9-11]?；旌闲虸CD結(jié)構(gòu)中存在的許多流動(dòng)槽隔板將產(chǎn)生一定的壓降，其結(jié)構(gòu)因流體通流面積較大，腔內(nèi)的流體流速相對(duì)較低，能夠有效緩解砂石沖蝕和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生[12]，但該裝置不能阻礙或者減少出水，造成作業(yè)成本大幅增加[13]，經(jīng)濟(jì)效益降低。

筆者在分析流體物性和稠油油藏工況[14]的基礎(chǔ)上，利用稠油與水的流動(dòng)特性，優(yōu)化出一種能根據(jù)流體產(chǎn)出量自動(dòng)調(diào)節(jié)附加阻力的稠油油藏自適應(yīng)調(diào)流控水裝置。該裝置壓降主要由最小過(guò)流面積和流道長(zhǎng)度決定，考慮到流入控制裝置應(yīng)具備一定的抗沖蝕和防堵塞能力，本結(jié)構(gòu)保證了足夠的過(guò)流面積。油和水的黏度不同導(dǎo)致它們各自在裝置中流動(dòng)狀態(tài)不同，據(jù)此可設(shè)計(jì)出對(duì)油壓降小而對(duì)水壓降大的結(jié)構(gòu)。本文采用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法具有一定的可靠性。

1 自適應(yīng)調(diào)流控水裝置幾何模型

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

裝置主要由入口通道、節(jié)流通道、節(jié)流噴嘴及中心出口等組成，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。入口通道主要作用是將流體引入自適應(yīng)稠油調(diào)流控水裝置，節(jié)流通道利用沿程摩阻效應(yīng)起到進(jìn)水阻油的作用，節(jié)流噴嘴利用局部摩阻效應(yīng)起到進(jìn)油阻水的作用，中心出口是連接裝置與中心管基管的通道。

圖1 自適應(yīng)調(diào)流控水裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of autonomous inflow control device

1.2 工作原理

整個(gè)裝置工作原理為:利用油與水的密度和黏度差異造成的油水在幾何流道中的流動(dòng)差異，使得油和水在旋流過(guò)程中能量損失不同，實(shí)現(xiàn)高節(jié)流壓降及油和水的壓降差異，起到 “節(jié)流”低黏度流體、“開(kāi)源”高黏度流體的作用。

2 CFD仿真模型

2.1 模型控制方程

稠油油藏中，當(dāng)流體流入自適應(yīng)稠油調(diào)流控水裝置時(shí)，考慮到節(jié)流通道沿程摩阻和節(jié)流噴嘴局部摩阻，流體存在能量損失，稠油與水在旋轉(zhuǎn)通道下存在邊界層流動(dòng)，故本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸運(yùn)方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

其中：

(3)

式中：k為湍流動(dòng)能，J；ρ為流體密度，kg/m3；ui為速度分量，m/s；xi和xj為位移分量，m；μt為湍流黏度；σk、σε分別為湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特系數(shù)；ε為湍流動(dòng)能耗散率；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Gk是由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能，J ；Gb是由浮力引起的湍流動(dòng)能，J；YM為可壓縮湍流波動(dòng)動(dòng)能，J；Sk和Sε是自定義的源項(xiàng);對(duì)于不可壓縮流體Gb=0、YM=0。

2.2 邊界條件

塔河油田產(chǎn)量為20 t/d，水平段長(zhǎng)度約500 m，每10 m設(shè)置1個(gè)或1組調(diào)流控水裝置，共50個(gè)或50組，每個(gè)裝置入口速度為1.01 m/s，因此，將入口設(shè)置為速度入口邊界，出口設(shè)置為自由出口邊界。取水密度1 000 kg/m3，黏度1.003 mPa·s，稠油密度為850 kg/m3，黏度為1 200 mPa·s，其他面采用壁面條件，由壁面函數(shù)法確定，固體面采用無(wú)滑移邊界條件。

2.3 稠油適應(yīng)性仿真結(jié)果分析

借助CFD仿真計(jì)算出油水通過(guò)自適應(yīng)稠油調(diào)流控水裝置時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)云圖及油相速度矢量圖，分別如圖2和圖3所示。

圖2 油相體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.2 Cloud chart of oil phase volume faction

圖3 油相速度矢量圖Fig.3 Oil phase velocity vector

由圖2和圖3可以看出,稠油在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中主要集中在旋流通道內(nèi)環(huán)，水主要集中在旋流通道外環(huán)；稠油主要從旋流通道內(nèi)4個(gè)近流道流入，通過(guò)旋流式通道后的壓力損失比較均勻，壓力降低的過(guò)程較為平穩(wěn)。這說(shuō)明此流道具有平穩(wěn)節(jié)流的作用，在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，能夠起到均衡采液的作用，控制高滲段流體的快速產(chǎn)出。同時(shí)可以看出，水主要從旋流式主流道流入，由于水的密度大、黏度小，在通過(guò)旋流式通道時(shí)，整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中的壓力要明顯高于油通過(guò)時(shí)的壓力。此外，水流過(guò)后在圓形導(dǎo)流通道處形成高壓區(qū)，壓力要高于流體入口處的壓力，水的壓力損失主要發(fā)生在圓形導(dǎo)流通道部分。分析結(jié)果表明：此裝置對(duì)水有較高的敏感性，能夠促使低黏度流體在圓形導(dǎo)流通道內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)，形成壓力峰值區(qū)域，從而產(chǎn)生較大的壓降。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)控水效果敏感性分析

3.1 擋板結(jié)構(gòu)對(duì)控水效果影響特性

圓盤(pán)中心擋板主要起調(diào)整平衡流動(dòng)作用，能夠調(diào)整水流旋轉(zhuǎn)及減少紊流干擾，因此，擋板對(duì)油水流動(dòng)有很大影響，對(duì)不同擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到油相速度云圖，如圖4所示。

圖4 不同擋板油相速度云圖Fig.4 Cloud chart of oil phase with different layers of baffles

由圖4可以看出,油從節(jié)流通道和支路通道在圓盤(pán)中心匯聚后，由中心出口流出；隨著擋板數(shù)量增加，油相速度逐漸增大，究其原因?yàn)?一定數(shù)量的擋板使得水在外環(huán)流動(dòng)，減少了水對(duì)油向中心流動(dòng)的干擾，調(diào)整了油的平衡流動(dòng)。

不同擋板的節(jié)流控水性能如圖5所示。圖5表明，隨著擋板數(shù)量的增加，油相壓降先減小后增大，2層擋板作用時(shí)，壓降最小值為0.22 MPa；同時(shí)，水油壓降比隨著擋板數(shù)量增加，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，擋板數(shù)量為2層時(shí)，水油壓降比達(dá)到最大值4.95。這是由于擋板使水在外環(huán)流動(dòng)，減少了水對(duì)油向中心流動(dòng)的干擾，達(dá)到良好的控水效果；但擋板數(shù)量超過(guò)2層后，油相在通道內(nèi)沿程摩阻增大，對(duì)稠油適應(yīng)性變?nèi)?。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)裝配2層擋板，可以達(dá)到最佳節(jié)流控水效果。

圖5 不同擋板的節(jié)流控水性能曲線Fig.5 Throttling and water control performance curve with different layers of baffles

3.2 入口支路對(duì)控水效果影響特性

油的黏度大，控水結(jié)構(gòu)中大部分油相通過(guò)節(jié)流噴嘴由支路進(jìn)入圓盤(pán)中心，因此，支路數(shù)量對(duì)節(jié)流控水有很大影響，對(duì)不同支路數(shù)量進(jìn)行仿真，得到油相速度云圖，如圖6所示。不同支路的節(jié)流控水性能曲線如圖7所示。

圖6 不同支路油相速度云圖Fig.6 Cloud chart of oil phase velocity with different branches

圖7 不同支路的節(jié)流控水性能曲線Fig.7 Throttling and water control performance curve with different branches

由圖6可以看出，當(dāng)只有1個(gè)入口支路時(shí)，很大一部分油從節(jié)流通道進(jìn)入，能量損失大，當(dāng)支路數(shù)量增加到4時(shí)，油基本從支路進(jìn)入圓盤(pán)中心，減少了油在流動(dòng)中的能量損失，提高了油水分離效率。由圖7可以看出，隨著入口支路的增加，油相壓降逐漸減小，在入口支路數(shù)量為4時(shí)，壓降達(dá)到最小值0.22 MPa；而水油壓降比隨著入口支路數(shù)量增加，呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)入口支路數(shù)量為4時(shí)，水油壓降比達(dá)到最大值5.04。這是因?yàn)槿肟谥吩龆?，提高了油從支路流入的效率，促進(jìn)了水進(jìn)入節(jié)流通道，大大增強(qiáng)了控水性能。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，適當(dāng)增加噴嘴數(shù)量，以提高調(diào)流控水效果。

3.3 入口角度對(duì)控水效果影響特性

入口角度對(duì)流體在節(jié)流流道中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有很大影響，對(duì)不同入口角度進(jìn)行仿真，得到油相速度云圖，如圖8所示。不同入口角度的節(jié)流控水性能曲線如圖9所示。

圖8 不同入口角度油相速度云圖Fig.8 Cloud chart of oil phase velocity with different inlet angles

圖9 不同入口角度的節(jié)流控水性能曲線Fig.9 Throttling and water control performance curve with different inlet angles

由圖8和圖9可以看出，不同的入口角度對(duì)水的壓降影響較大，在入口角度為50°～90°時(shí)，水流壓降變化明顯，但對(duì)油的壓降影響卻很小，基本保持穩(wěn)定。這是由于水的密度大、黏度小，主要從節(jié)流通道流入，而入口角度的變化影響了水流在節(jié)流通道中的能量損失。同時(shí)可以看出，水油壓降比變化明顯，在入口角度為40°時(shí)，水油壓降比達(dá)到最大值4.98，達(dá)到最佳控水效果。這是由于在入口角度為40°時(shí)，保持入口支路與節(jié)流通道最短距離便于油從支路流入，減少能量損失。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)入口角度控制在40°時(shí)的節(jié)流控水效果最佳。

4 最佳結(jié)構(gòu)的適用性分析

通過(guò)上述仿真分析得到調(diào)流控水裝置最佳結(jié)構(gòu)(擋板2層、入口支路4個(gè)、入口角度40°)，其速度流場(chǎng)云圖如圖10所示。

圖10 最佳結(jié)構(gòu)速度流場(chǎng)云圖Fig.10 Optimal structure

同時(shí)對(duì)稠油和稀油的結(jié)構(gòu)適用性做了分析。稀油密度850 kg/m3，黏度30 mPa·s；稠油密度900 kg/m3，黏度120 mPa·s ，改變流體的入口油相體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到出口處油相體積分?jǐn)?shù)變化曲線，如圖11所示。

圖11 結(jié)構(gòu)適用性曲線Fig.11 Structural adaptability curve

由圖11可以看出，隨著入口油相體積分?jǐn)?shù)的增大，稠油和稀油在出口處油相的體積分?jǐn)?shù)都有所增大，但稠油整體增加大于稀油，充分說(shuō)明本結(jié)構(gòu)對(duì)稠油有更好的適應(yīng)性，并且當(dāng)油水比為0.2時(shí)，控水效果最好。

為進(jìn)一步比較自適應(yīng)調(diào)流控水裝置與常規(guī)調(diào)流控水裝置的性能差異，分析水和油分別在不同裝置出口處的節(jié)流壓降，如圖12所示。

圖12 與常規(guī)調(diào)流控水裝置節(jié)流壓降對(duì)比Fig.12 Comparison of throttling pressure drop with conventional inflow control device

從圖12可以看出，水和油流經(jīng)自適應(yīng)調(diào)流控水裝置時(shí)可以產(chǎn)生較大的節(jié)流壓降，水油壓降比可達(dá)4.95，并且節(jié)流壓降的差別非常大(含水體積分?jǐn)?shù)越高，節(jié)流壓降越大)。而水和油在流過(guò)常規(guī)調(diào)流控水裝置時(shí)，產(chǎn)生的節(jié)流壓降基本相等，且非常低，水油壓降比僅有1.77，因此只能用于水平井見(jiàn)水前的產(chǎn)液剖面調(diào)整，且調(diào)整能力一般?？傊赃m應(yīng)稠油調(diào)流控水裝置在稠油油藏中具有更強(qiáng)的產(chǎn)液剖面調(diào)整能力，能有效提高控水效果。

5 室內(nèi)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該裝置對(duì)稠油的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控水性能室內(nèi)試驗(yàn)，從水、油壓降方面來(lái)評(píng)價(jià)其控水性能。試驗(yàn)原理如圖13所示。試驗(yàn)連線圖與結(jié)果圖如圖14和圖15所示。

圖13 試驗(yàn)原理圖Fig.13 Principle of test

圖14 試驗(yàn)連線圖Fig.14 Connection diagram of test

圖15 試驗(yàn)結(jié)果圖Fig.15 Test results

制定相關(guān)試驗(yàn)方案，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，用柴油與原油調(diào)配出不同黏度稠油，測(cè)試出控水閥板前后壓降。試驗(yàn)得到的水油壓降結(jié)果如表1及圖16所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results

圖16 水和不同黏度油節(jié)流壓降曲線Fig.16 Throttling pressure drop curve of water and oil with different viscosities

從圖16可以看出，水相的節(jié)流壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3種不同黏度油相的節(jié)流壓降，水油壓降比在4.52左右，并且隨著流量增大，水相節(jié)流壓降急劇增大，而油相節(jié)流壓降增幅較小。比較幾種不同黏度油相可以看出：在低流量0.6～0.9 L/min時(shí)，Ⅲ號(hào)油相的節(jié)流壓降較大，Ⅰ號(hào)油相的節(jié)流壓降較?。划?dāng)流量大于0.9 L/min后，Ⅰ號(hào)油相節(jié)流壓降增幅快速增大，與Ⅱ號(hào)油相交于點(diǎn)0.95 L/min；在流量低于0.95 L/min時(shí)，Ⅰ號(hào)油油相壓降更小，在流量大于0.95 L/min時(shí)，Ⅱ號(hào)油油相壓降更小。在低流量時(shí)，低黏度的節(jié)流壓降小于高黏度的節(jié)流壓降，隨著流量增大，低黏度油相節(jié)流壓降增幅快速增大，最終大于高黏度油相節(jié)流壓降，充分證明了每個(gè)黏度均存在一定適用的流量范圍，同時(shí)也證明了該調(diào)流控水裝置對(duì)稠油有較好的適應(yīng)性。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)調(diào)流控水問(wèn)題，基于兩相流理論，建立了自適應(yīng)調(diào)流控水結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)仿真計(jì)算模型，對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)控水效果的影響，形成以下結(jié)論。

(1)通過(guò)運(yùn)用兩相流方法，建立了自適應(yīng)稠油調(diào)流控水結(jié)構(gòu)內(nèi)部流動(dòng)仿真計(jì)算模型，并進(jìn)行了仿真結(jié)果分析，驗(yàn)證了此裝置的流道具有平穩(wěn)節(jié)流的作用。

(2)分析了不同結(jié)構(gòu)對(duì)裝置調(diào)流控水的影響，得到了節(jié)流控水的最佳結(jié)構(gòu)，即在擋板為2層、入口支路為4個(gè)、入口角度為40°時(shí)，水油壓降比接近5，節(jié)流控水效果最好。

(3)對(duì)最佳結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性分析，并與常規(guī)裝置的節(jié)流壓降進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本結(jié)構(gòu)對(duì)稠油和稀油都有很好的節(jié)流控水效果，同時(shí)，對(duì)稠油有更好的適應(yīng)性，相較于常規(guī)裝置具有更強(qiáng)的控水能力。

(4)室內(nèi)試驗(yàn)得出，該調(diào)流控水裝置對(duì)稠油產(chǎn)生的水油壓降比在4.52左右，且隨著流量增大，水相節(jié)流壓降急劇增大，而油相節(jié)流壓降增幅較小，充分證明了該調(diào)流控水裝置對(duì)稠油有較好的適應(yīng)性。