流量控制閥在智能完井中的應用分析

賈禮霆，何東升，盧玲玲，楊 雄，安 倫，楊 杰

(西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500)

0 引言

智能井技術是一項新興的油藏油田生產管理技術，主要利用在井下安裝永久性的傳感器，實時的監控井下參數，利用地面平臺對井下開采合理的控制，提高油田的采收率，降低生產成本［1］。智能井技術一般有井下信息收集傳感系統、井下生產控制系統、井下數據控制系統和地面數據收集分析、反饋系統，與常規生產管理技術相比有很多不同，如能夠通過地面系統監測井下流入閥的節流位置，遙控生產，實時獲取井下信息，可以控制不同產層的流量，最大限度的節約生產成本［1］。

井下流量控制閥采用滑套結構，由液壓控制來推動滑套的移動，改變控制閥節流面積的大小，影響控制閥的流入動態。其是智能井技術的核心，是智能井實現智能開采的執行元件。

國際市場上，Welldynamics和Baker Hughes在對井下層間流量控制閥(ICV)的研究，處于領先地位。Welldynamics推出了 HS-ICV、HV_series-ICV、IV_series-ICV和MC_series-ICV等不同系列的井下層間控制閥(ICV);Baker Hughes也推出了HMC液控井下層間滑套系列的井下層間控制閥(ICV)用以滿足不同的井下條件［2］。斯倫貝謝石油公司有TRFC系列的可回收式流量控制器等。圖1為科威特某第一個安裝有智能井系統的油田系統簡圖，該井分為兩層，分別安裝有流量控制閥(ICV)，分別控制兩個油層的開采。

1 控制閥在單層控制中的應用

流量控制閥一般安裝在射孔上部，封隔器下部，用于選擇性的開采被分隔油層，提高油井采收率。在工程運用中采用節點分析法和節流口流體動力學對其分析。

節點分析法分析的對象是油藏到地面分離器整個油氣系統，其本身的思想是在某位置設置節點，以壓力和流量的變化關系為主要線索，把節點隔離的各層流動過程的數學模型有序的聯系在一起，從而確定系統的流量。流量控制閥的設計主要是對進入控制閥的流量和流量控制閥壓差的分析，在此基礎上確定控制閥的流動特性。本節分別在進入控制閥前設置節點1(如圖1)和原油流入控制閥后位置設置節點2(如圖1)。分別代表在環空和油管的流動特性。

井下流入動態曲線(IPR)表示一定地層壓力下，油井產量與井底流壓的關系，反應了油層向井筒的供給能力(即產能)。其定量關系涉及油藏壓力、滲透率、流體悟性、含水率及完井狀況等，可根據系統試井資料用圖解法獲得此特性曲線。油管流出曲線是表示在一定井口壓力的情況下，油管流量和井底流壓的關系［3］。反應了油管的流動能力。兩條曲線共同表示了油層的產量與井底壓力的關系。如圖2所示的兩條曲線的交點A的流量就是相應油層的理論產量，其壓力為理論的井底平衡壓力。

圖1 科威特應用智能井系統簡圖［6］

控制閥一般由液壓或電力控制的節流閥，能夠通過地面控制系統進行調節。相對于僅有開/關功能的控制閥，多級流量控制閥往往有幾個控制位置，他們有不同的節流面積、不同的形狀和不同的流動特性，來滿足控制要求。通過閥的流量通常和閥的流量系數和閥的前后壓差相關，一般可認為［4］:

式中:Q為控制閥流量;Cv為閥的流量系數;P1為上部2倍直徑接口壓力;P2為下部6倍直徑距離壓力;R為流體密度。

控制閥的安裝一般界于如圖1所示的節點1和節點2之間，平衡兩個節點的壓力，使油層的產量穩定于某一特定值。此時控制閥兩邊的壓差為［5］:

如圖2中所描述的井下流入動態曲線(IPR)和油管流出特性曲線(TPC)曲線相交在A點，也就是在沒有使用的控制閥或控制閥全開時的油層產量，圖2中的Δp曲線是兩條特性曲線的差值曲線，表示兩節點穩定流量所需要的平衡的壓差。安裝控制閥的目的就是平衡節流口前后的壓差，根據流量與壓差的特性關系，達到所需要的油層產量。如圖2中的控制閥流動曲線是和流動系數相關的曲線，和壓差曲線相交的點就是該節流面積下的穩定流量，經過這一點和原始點做的曲線，就可近似的得到油層-控制閥流入曲線，其與TPC曲線的交點就是此開度下，流經控制閥的流量［5］。

圖2 單井控制閥的應用分析

但是在實際的現場應用中，由于井下環境復雜多變，往往要通過設置在井下的永久傳感器，實時采集井下參數，根據流量、壓差和節流面的的關系，精確的調節不同控制油層的產量。

2 控制閥在多層合采時的應用分析

在油井生產中，一口油井會包含多個生產油層，由于井下各產層之間的地層壓力和滲透率的不同，而引起的各油層的產能不同，若不采取措施使各油層協同開采，油井的開采率就較低［7］。使用井下流入控制閥對不同產層進行有選擇性開采或有節制的開采，提高油井的采收率。控制閥也可均衡隔斷的流量控制油層的壓力，使各原油層段同時以各自的生產壓差同時生產(出油)，增加油井產量。

以多層合采，控制某個單一油層控制閥為例，介紹控制閥在多層合采中的應用。在分析時假設各層間的壓力是均衡的，且各油層之間不相互干擾。同樣利用節點分析法，在上層油層控制閥的出口位置設置節點3(如圖1)。各層間閥全開時的井下流入特性曲線分別為圖3中的各層流量特性曲線，各曲線表示在節點3的對應壓力下的相應的產量，圖中曲線A表示各油層的總產量，是各油層流量的總和?？偭魅肭€(IPR)和TPC曲線相交于A點。同壓力下各油層的流出曲線相對應的流量值就是相應油層的出油流量。

當需要對某一油層控制生產時，可通過地面控止系統，關閉或減小這一油層的節流位置。如圖3所示，在將油層B的節流面積降低時，油層B的流入曲線斜率降低，整個系統的總產量降低，總的流入曲線的斜率增大，平衡點沿油管流出曲線向左移動，平衡壓力降低，從而使另一油層的產量增加，也就是說限制某一油層的產量的同時會增加其他油層的產量，同時整個油井的產量降低。當然如若保持其他各油層的產量可以通過調節井口壓力來調節油管流出特性曲線來保證其他各層的產量不變。

圖3 流量控制閥在多層合采的應用

3 節流面積、壓差和流量三者關系的探討

圖4為流體分析模型，實際流體在流動時會因流體的粘性摩擦力而引起能量損失。根據能量損失的形式又分為沿層阻力損失和局部阻力損失。地層原油經射孔、套管環空，流經節流閥時，局部流動邊界急劇變化，流動阻力主要集中在該局部區域，在這個區域時產生漩渦，和速度方向的改變，使得局部壓力損失是經過節流閥時的主要損失方式。而沿層壓力分布是克服沿層阻力的能量損失，在經過節流閥時為次要的能量損失方式。根據伯努利方程可以得到流經節流閥前后的平衡方程為:

式中:H1、H2為測量壓力的高度;p1為進入節流閥前的靜壓;p2為在流入油管后的靜壓;v1為在環空的平均速度;v2為進入油管后的平均速度;H0為 水頭損失，為沿程損失和局部水頭損失的和。

圖4 流體分析模型

工程應用中由于閥的安裝位置和傾角有所不同，故而計算中忽略重力對局部損失和沿程損失的影響，因此僅研究節流口開口大小與流量和壓差的關系。

地層原油流經節流口時流動方向經過兩次改變:由環空進入節流孔，流道突然收縮和由節流孔流入油管時流道突然變大。假設油管截面面積和環空的面積分別是A1、A2，節流口面積的大小為A，設環空面積和油管節流面積和節流口面積的的比值分別是1/α和1/β。另流體自環空流經節流口時流道突然縮小時的局部阻力系數為ζ1，其值為0.5(1-α);另流體由節流口流出時的局部阻力系數為ζ2，其值為ζ2=(1-β)2。則通過節流閥的局部水頭損失為:

雷諾數是評價流體流動的一個重要因素，是流動狀態的體現，是和流體流動速度、運動粘度和管徑相關的參數，即:Re=v·d/ν。流體在環空和油管內流動速度比較高，因此流體通過節流口的沿層能量損失是不可忽略的，但又不及局部壓力損失，因此是次要的能量損失形式。而沿層能量損失是和流體流動狀態等因素相關的，確切的說和雷諾數相關。由于流動速度較大，設計計算中所選用的沿層阻力系數為λ=0.314Re-0.25。沿層能量損失為原油在環空和油管流動沿層損失之和，根據式(1)，選取流動距離和直徑的比值為6。因此沿層水頭損失可表示為式(5)。綜上所述可得到流經控制閥的流量、壓差和節流面積的關系如式(6)，根據式(1)也可推出在設計控制閥時的流量系數的理論值。

4 仿真分析

計算流體力學是用離散化的數值方法及電子計算機對流體無粘擾流和粘性流動進行數值模擬和分析的學科，通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所作的分析。圖5為控制流量數值結果。

圖5 控制閥流量系數值結果

以圖4所示的模型為基礎，以安裝在3.5英寸油管和4.5英寸生產套管中的控制閥為原型，并以滿足式(1)要求，以計算出口邊界和入口邊界距節流口為6倍直徑的距離的尺寸，應用CFX流體分析軟件對控制閥節流面積-節流口壓差-控制閥流量的特性關系進行分析和探討，并驗證式(6)。在利用CFX軟件分析時，做以下假設:假設井下流量控制閥為理想閥，不存在泄漏等情況、假設原有介質為不可壓縮流體、原油為牛頓流體，假設動力粘度為常值，不隨速度梯度變化、假設流體為單項流。

模擬介質選用的是密度為800，動力粘度為10 MPa·s的輕質原油。分別在壓差為1～6 MPa的情況下模擬求解，其分析結果如表1，表示閥在不同開度和不同壓差下的理論流量和數值分析值，并根據式(1)計算出閥不同位置下的流量系數曲線如圖5。

表1 數值解與CFX計算結果比較

5 結論

流量控制閥是智能井系統的執行原件，是智能井的核心。通過控制閥的節流面積，平衡流入和有關流出壓差，改變流經控制閥的流量，從而改變井下流入特性。也可通過調控某一特定產層的控制閥，對產層有選擇性的生產，或是協調各產層間的生產。

筆者通過流體動力學分析，總結出流量、節流面積和壓差間的關系公式，并通過CFX流體分析軟件模擬計算，并得到節流面積在一定值之內數值解與流暢仿真軟件的差值較小，能作為流量控制閥設計時的參考值。由于井下環境較復雜，因此理論得出的結論僅作為實際生產的參考，在井下安裝永久傳感器，實時采集井下數據，能達到精確的調節控制層的產量的目的。

［1］ 姚 軍，劉均榮，張 凱.國外智能井技術［M］.北京:石油工業出版社，2011.

［2］ 盛磊祥，許亮斌，蔣世全，等.智能完井井下流量閥液壓控制系統設計［J］.石油礦場機械，2012 41(4):34-38.

［3］ 李穎川.采油工程［M］.北京:石油工業出版社，2012.

［4］ Michael Konopczynski.Design of Intellifent Downhole Valves for Adjustable Flow Control［C］.SPE 9066 2004.

［5］ Jameel Rahman，Clliford Allen，Gireesh Bhat.Second-Generation Interval Control Valve(ICV)Improves Operational Efficiency and Inflow Performance in Intelligient Completions［C］.SPE 150850，2012.

［6］ Om Prakash Das，Khalaf Al-enezi，muhammad Aslam，Taher elgezeeri.novel Design and Implementation of Kuwai's first Smart Multilateral Well with Inflow Control Device and Inflow Control Valve for life-cycle Reservoir Management in High Mobility Reservoir，west kuwait［C］.SPE 159261，2012.

［7］ 楊繼峰，趙永瑞，趙蒞龍.智能完井流量控制設備技術及應用［J］.石油礦場機械，2013 42(3):66-70.