一種新型AICD的設計及其數值模擬

曾泉樹　汪志明　王小秋　魏建光　鄒偉林　李毅巍（.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京　049；.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶　6338）

一種新型AICD的設計及其數值模擬

曾泉樹1汪志明2王小秋1魏建光2鄒偉林1李毅巍1
（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249；2.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318）

長水平井易過早見水/氣，在完井段上安裝流入控制裝置（ICD）可有效解決該問題。針對油井見水后被動式流入控制裝置（PICD）發生失效，而當前各自適應流入控制裝置（AICD）均存在其局限性的問題，創新提出了一種新型自適應流入控制裝置，該裝置由Y形導流器和圓盤形限流器組成。利用數值模擬軟件分析了其內部流動規律，優化了其結構參數，并基于優化結果研究了流體參數敏感性。研究結果表明，該裝置在徑向連接方式、60°分支角、3個Y形導流器情況下的結構最優，且其對密度、黏度均不敏感。新設計的裝置穩油控水能力強，不含可動件，對油相密度和黏度均有較大的適用范圍。

自適應流入控制裝置；設計；數值模擬；結構優化；敏感性分析

由于“跟趾效應”［1-2］、儲層非均質性［3］、儲層各向異性［4］和天然裂縫［5］等因素的影響，長水平井的生產剖面通常難以持續保持均衡推進，并將在油井的跟端處、高滲層段和裂縫處過早見水/氣。一旦油井發生水/氣錐，由于水/氣黏度較低，將在錐進處形成快速通道，并抑制其他位置的產油量。為了消除這種不平衡現象，可在完井段上安裝流入控制裝置（ICD），通過產生附加壓降來保證入流剖面沿整個水平段的均勻性。當前國內外已研制開發出各種不同的ICDs，根據其流動阻力等級（FRR）是否恒定，這些ICDs可分為被動式入流控制裝置（PICD）和自適應入流控制裝置（AICD）。當前的PICDs分別利用限制原理（噴嘴型［6］、孔板型［7］）、摩擦原理（迷宮型［8］、螺旋通道型［9］）或者結合這2種機理（混合型［10-11］、噴管型［12］）來產生附加壓降。由于PICD的FRR是定值，一旦油井發生水/氣錐，低黏度的水/氣將會占據整個井筒，并抑制油相的流動，從而導致油井產量大幅下降。

而對AICD來說，一旦油井見水/氣，其將對水/氣產生一個更大的阻力，從而達到穩油控水/氣的目的。平衡片式AICD［13］利用油氣的密度差來控制平衡片的開啟或關閉，不過該可動平衡片很容易出現故障，且由于油水密度差別不大，該裝置不能有效控制水錐。RCP閥［14］利用動壓力和靜壓力的平衡關系來控制可動盤的位置，然而當施加在該可動盤上的壓差超過其承受極限時，該部件就會損壞。EquiFlow AICD［15］則是利用流體慣性力和黏性力的平衡關系來改變流體通過裝置時的流道和阻力，不過其黏度適用范圍較小，需要針對不同儲層條件專門設計。

由于使用ICDs的油井通常能夠生產5到20多年不等，該裝置的長期穩定性對油井的成功開發至關重要。因此，在油井生產的不同階段，ICDs都應具有較好的性能表現，盡可能減少或者消除可能出現的不良結果［16］，但目前還沒有哪一種ICD能夠達到這種理想性能。

1　新型AICD設計

為了解決上述問題，結合2種動態流體技術，創新提出了一種自適應入流控制裝置，見圖1，該裝置通過Y形導流器導流，通過圓盤形限流器限流。

圖1　新型AICD的結構示意圖

根據圖1可知，圓盤形限流器可與多個Y形導流器相連。Y形導流器包括主流道和分支流道，兩流道之間呈銳角，同時所有流道的管徑相同。主流道與圓盤形限流器切向相連，而分支流道則可能與圓盤形限流器切向或徑向相連。因此，一個圓盤形限流器所能連接的Y形導流器的最大數量，取決于分支流道與限流器的連接方式和分支角的大小，具體見表1。

表1　一個圓盤形限流器所能連接的Y形導流器的最大數量

Y形導流器實質上是利用流體慣性力和黏滯力的平衡關系來改變其流體導向行為的。而雷諾數是表征慣性力和黏滯力比值的無量綱數，因此需要研究不同雷諾數下的導流行為。具體來說，在低雷諾數下（Re≤2 320），黏滯力將會對流場產生更大的影響，流體更容易轉向，流入分支流道。隨著雷諾數增加，慣性力逐漸增加而黏滯力減小，流入分支流道中的流體減少而流入主流道中的流體增加。當雷諾數較高時（Re≥4 000），情況則恰恰相反，此時慣性力將會對流場產生更大的影響，使得更多的流體保持其原流動方向，流入主流道。另外，Y形導流器的分支角越大，流體改變其原流動方向所需的黏滯力越大。總體而言，Y形導流器主要根據分支角大小和流體性質調整其流體導向行為。

對于徑向連接方式來說，圓盤形限流器有徑向入口和切向入口兩組入口。主流道流體沿切向流入限流器，相對限流器中心出口具有一個很大的轉動慣量，流體將隨著其不斷接近出口而開始高速旋轉。而分支流道流體沿徑向流入限流器，相對限流器出口幾乎沒有轉動慣量，流體將沿最短的路徑直接流向出口。這兩股流體將會互相影響、混合，并產生不同的限流結果。正如上文所描述的，在低雷諾數下，分支流道流量較大，將對流場產生更大的影響，并帶動混合液直接流向出口，此時限流作用最小。隨著雷諾數增大，主流道流量增大，而分支流道流量減小，此時旋流作用增強。在高雷諾數下，主流道流量較大，將對流場產生更大的影響，并帶動混合液高速旋轉，此時限流作用最大。

對于切向連接方式來說，所有的流體都將沿切向進入限流器，并伴有很大的轉動慣量。然而，其轉動慣量方向通常不同，且沿不同入口進入的流體將會在限流器的某一位置以相反的方向匯合。流體匯合后，其轉動慣量將會減弱甚至相互抵消。正如上文所描述的，在低雷諾數下，不同流道的流量相當，其轉動慣量將減弱甚至相互抵消，因此混合液將直接流向出口，此時限流作用最小。隨著雷諾數增大，主流道流量增大，而分支流道流量減小，轉動慣量變大，此時旋流作用不斷增強。在高雷諾數下，主流道流量較大，將對流場產生更大的影響，并帶動混合液高速旋轉，此時限流作用最大。

通過結合上述2種動態流體技術，將使得裝置對于不同的流體產生不同的限流阻力。具體來說，黏度較高的油黏性力較大，更容易發生轉向進入分支流道，限流作用較小；而黏度較低的水慣性力較大，更容易保持原流動方向進入主流道，在限流器中充分旋轉，產生較大的限流作用。總而言之，在見水前，該新型設計將產生一個附加壓降來保證入流剖面的均勻性，與常規PICD相似；一旦油井見水，該新型設計能夠立即識別，并對水產生更大的流動阻力，抑制其流動，從而保證油井持續穩產。

2　建模與分析

2.1建模

該新型ICD存在多個入口，其壓降很難通過理論計算直接求得，通過實驗獲取數據費時費力，而隨著計算機硬件和CFD技術的發展，數值模擬已廣泛應用于復雜流動的研究。因此，利用數值模擬軟件對油水通過這種新型裝置的規律進行了研究，并進一步研究了其結構參數優化和流體性質敏感性。

該裝置在不同連接方式、不同分支角和不同Y形導流器數情況下的幾何模型都是在專業建模軟件中生成，通過布爾運算得到其內部流動模型并進行網格劃分。每一個模型都有多個入口和1個出口，入口設置為velocity-inlet，出口設置為outflow，其他為wall。當模擬層流時，選用層流模型；當模擬湍流時，選用標準κ-ε模型。當流體為油水兩相分散流時，選用混合模型；當流體為油水兩相分層流時，選用VOF模型。由于ICDs一般是水平放置的，文中的模型考慮了重力的影響。

2.2結構參數優化

為提高該裝置穩油控水的性能，需要對其結構參數進行優化，從而保證裝置有較大的適用范圍，優化的參數包括連接方式、分支角和Y形導流器數量。

表2　結構參數優化研究

2.2.1連接方式

主要考慮了2種連接方式：徑向和切向。徑向連接方式是指Y形導流器的主流道與圓盤形限流器切向連接，分支流道則徑向連接。切向連接方式是指兩流道均與圓盤形限流器切向相連。水和油在不同連接方式下的流線圖分別如圖2所示。

圖2　不同連接方式下的水/油流線圖

可以觀察到，Y形導流器具有很好的導流性能。對水來說，其密度較大、黏度較小，雷諾數較大，慣性力對流場的影響更大，水更傾向于保持其原流動方向，主要沿主流道流入。對油來說，其密度較小、黏度較大，雷諾數較小，黏滯力對流場影響更大，油將同時在兩流道中流動。

對于徑向連接方式來說，圓盤形限流器有2組入口：徑向和切向。主流道流體沿切向流入限流器，相對限流器中心出口具有一個很大的轉動慣量，流體將隨著其不斷接近出口而開始高速旋轉。而分支流道流體沿徑向流入限流器，相對限流器出口幾乎沒有轉動慣量，流體將沿最短的路徑直接流向出口。這兩股流體將會互相影響、混合，并產生不同的限流結果。在低雷諾數下，分支流道流量較大，將對流場產生更大的影響，并帶動混合液直接流向出口，此時限流作用最小。隨著雷諾數增大，主流道流量增大，而分支流道流量減小，此時旋流作用增強。在高雷諾數下，主流道流量較大，將對流場產生更大的影響，并帶動混合液高速旋轉，此時限流作用最大。

由于水具有高密度、低黏度的特點，其雷諾數通常較大，因此大部分水將保持原始的流動方向，主要沿主流道流入限流器，并在限流器中高速旋轉，產生很大的限流作用。由于水相產生壓降的位置為限流器，因此無論裝置采用何種連接方式，都將產生較大的壓降。

與水相反，由于油具有低密度、高黏度的特點，其雷諾數通常很低，因此將有部分油改變原流動方向并沿分支流道流入限流器。若分支流道與限流器徑向相連，分支流道流體相對出口基本沒有轉動慣量，這部分油將會直接流向出口。若分支流道與限流器切向相連，分支流道與主流道流體都將沿切向進入限流器，并伴有一個較大的轉動慣量。然而，方向不同的流體匯聚后，其轉動慣量將削弱甚至相互抵消，從而使得油直接流向出口。綜上，切向連接方式比徑向連接方式具有更好的導流能力。然而，油相壓降主要產生于Y形導流器，且隨著油相黏度增加，油相壓降也會相應增加。為了更好保證其穩油控水性能，油相壓降不能超過水相壓降，因此，該裝置存在一個可用黏度上限，其定義為當油相壓降和水相壓降相等時所對應的油相黏度。由于切向連接時Y形導流器的流道長度遠長于徑向連接，這將使得油相黏度適用范圍受到更大的約束。因此，為了提高該裝置的黏度適用范圍，徑向連接方式是較好的選擇。

2.2.2分支角

Y形導流器由主流道和分支流道組成，受其本身尺寸的限制，分支角應小于60°。水和油在不同分支角下的流線圖分別如圖3所示。

圖3　不同分支角下的水/油流線圖

可以觀察到，大部分的水將保持其原流動方向，主要沿主流道切向流入限流器，旋流效應較強，并在圓盤形限流器內產生較大的水壓損失。同時，水相旋流效應隨著分支角增大而變強，并產生更大的水壓損失。而油將分別沿主流道和分支流道流入限流器，旋流效應較弱。同時，分支角越小，旋流效應越弱，然而，此時Y形導流器流道長度大大增加，將產生大得多的油壓損失。總而言之，分支角越大，水壓損失越大，而油壓損失越小。由于油壓損失與油相黏度成正比，一旦油壓損失大于水壓損失，裝置將失去其穩油控水能力，因此，對于不同分支角均存在一個可用黏度上限，如圖4所示。

圖4　油相可用黏度上限隨分支角的變化規律

可以觀察到，油相可用黏度上限隨著分支角的增大而增大。一方面，水壓損失主要產生于限流器中，水相旋流效應隨著分支角的增大而變強，并將產生更大的水壓損失。另一方面，油壓損失主要產生在Y形導流器部分，且限流器流道長度隨分支角的增大而顯著減小，并將產生更小的油壓損失。綜上，油相黏度可用范圍隨著分支角的增大而擴大，經過分析，分支角為60°時性能最佳。

2.2.3Y形導流器數量

一個圓盤形限流器所能夠連接的Y形導流器的最大數量主要取決于分支流道與限流器的連接方式和分支角的大小。徑向連接方式可以與更多的導流器相連。同時限流器上可連接的導流器數隨著分支角的增大而增多。水和油在不同導流器數下的流線圖如圖5所示。

由于總流量是固定的，Y形導流器的入口流速將隨導流器連接數的增加而減少。一方面，隨著流速的下降，慣性力對流場的影響變小，使得更多流體沿分支流道徑向流入限流器，旋流效果減弱，壓力損失變小，而油相壓降降低更明顯，就這一點而言，導流器越多越好。另一方面，流速降低后，向心力隨之變小，流體做離心運動的半徑變小，未能在整個限流器中充分旋轉，產生的壓降過小，就這一點而言，導流器越少越好。綜上，存在一個最佳的Y形導流器數，能夠充分利用圓盤形限流器進行限流，使得裝置的油相可用黏度上限最大。油相可用黏度上限隨Y形導流器數的變化關系如圖6所示，可以觀察到，3個Y形導流器時裝置的油相可用黏度上限最大。

圖5　不同Y形導流器數量的水/油流線圖

圖6　油相可用黏度上限隨Y形導流器數的變化規律

2.3流體性質敏感性分析

該裝置在徑向連接方式、60°分支角、3個Y形導流器數情況下的結構最優。為進一步分析油水兩相在該裝置內的流動規律，分別進行了含水率敏感性、油相密度敏感性和油相黏度敏感性三方面的分析（表3）。由于水相性質通常比較穩定，文中并沒有考慮水相性質的敏感性。

方案1研究了含水率敏感性，含水率（%）分別設定為0、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100。節流壓降隨含水率的變化如圖7所示。可以觀察到，純水壓降是純油壓降的4倍，這保證了裝置穩油控水的能力。同時，隨著含水率的增加，節流壓降會先降低后增加，最低點為油水反相點。另外，一旦層流轉變為湍流，壁摩擦因數會隨著雷諾數的增加而平緩降低，因此壓降也會隨含水率的增加而平緩增加。

表3　流體性質敏感性研究

圖7　含水率敏感性分析

方案2研究了油相密度敏感性。由于油相的密度范圍通常為800～1000 kg/m3，因此密度（kg/m3）取值如下：800、850、900、950、1000。不同含水率下壓降隨油相密度的變化關系如圖8所示。可以觀察到，節流壓降隨油相密度的增加而線性增加，然而，其增幅較小。綜上所述，該AICD對于油相密度并不敏感，即使在重油條件下仍有較好的穩油控水能力。

圖8　油相密度敏感性分析

方案3研究了油相黏度敏感性。由于油相的黏度范圍通常為1～200 mPa·s，因此黏度（單位：mPa·s）取值如下：1、2、4、10、20、30、50、100、150和200。不同含水率下壓降隨油相黏度的變化關系如圖9所示。可以觀察到，水產生的壓降遠比油大得多，尤其對于黏度處于4～200 mPa·s的油相。油相壓降隨黏度的增加先迅速下降，然后逐漸增大。一方面，隨著油相黏度的增加，將有更多的流體流入分支管路，并直接流向出口，限流器內壓降很小。另一方面，壓降隨著油相黏度的增加而增加。這2種相反的效應使得油相壓降隨油相黏度呈現出這種變化。另外，一旦含水率超過臨界含水率，水相占支配地位，此時無論油的黏度如何增加，壓降將會保持不變。綜上所述，該AICD對于油相黏度并不敏感，即使在高黏度條件下仍有較好的穩油控水能力。

圖9　油相黏度敏感性分析

3　結論與建議

（1）雖然切向連接方式的導流效果好于徑向連接方式，但切向連接方式下Y形導流器的流道長度遠大于徑向連接方式，這將使油相壓降大幅度增加，并最終導致油相黏度可用范圍的縮小。因此，建議選用徑向連接方式。

（2）分支角越大，水相在限流器中的旋流效應越明顯，產生的阻力越大。同時，分支角越大，導流器的流道長度越短，對油相產生的阻力越小。因此，油相黏度可用范圍隨分支角增大而擴大，然而受其自身尺寸的限制，分支角不能大于60°，因此60°為最佳分支角度。

（3）Y形導流器數越多，入口流速越低，裝置對油水產生的限流差異越大；然而，過多的導流器又會導致浪費。3個Y形導流器情況下該裝置既能具有較大的油水限流差異，又能充分利用限流器進行限流，因此，3個Y形導流器數時對應的油相可用黏度上限最大。

（4）該新型AICD的水壓損失是油相的4倍，具有較好的穩油控水能力，同時該裝置對油相密度和黏度的適用范圍均較廣。

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（修改稿收到日期2015-01-23）

〔編輯薛改珍〕

A new type design of AICD and its numerical simulation

ZENG Quanshu1, WANG Zhiming2, WANG Xiaoqiu1, WEI Jianguang2, ZOU Weilin1, LI Yiwei1
（1. Petroleum Engineering College, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. Petroleum Engineering College, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China）

Premature water/gas breakthrough may occur in long horizontal wells, so an inflow control device (ICD) installed in completion section can effectively address this problem. After water breakthrough in oil wells, the passive inflow control device (PICD) fails and all kinds of current adaptable inflow control devices (AICD) are more or less limited to some extent. So a new adaptable inflow control device is presented, composed of Y-diverter and a disc limiter. Its internal flow pattern was analyzed and structure parameters were optimized using numerical simulation software, and the fluid parameter sensitivity was studied based on optimization results. The research shows that this device is in its optimal structure when in radial connection mode, at 60° branch angle, having three Y-diverters, and it is not sensitive to density and viscosity. The newly designed device is strong in oil stabilization and water control, and has no moving parts and enjoys a broad application range in oil density and viscosity.

adaptable inflow control device; design; numerical simulation; configuration optimization; sensitivity analysis

TE925

A

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0101 – 06

10.13639/j.odpt.2015.02.027

國家自然科學基金“水平井油氣水砂多相復雜流動規律研究”（編號：51474225）；國家自然科學基金創新研究群體“復雜油氣井鉆井與完井基礎研究”（編號：51221003）；國家科技重大專項“復雜結構井優化設計與控制關鍵技術”（編號：2011ZX05009-005）部分研究內容。

曾泉樹，1989年生。在讀博士研究生，主要從事油氣井流體力學與工程方面的研究。電話：010-89734958。E-mail：wellcompletion@126.com。

引用格式：曾泉樹，汪志明，王小秋，等.一種新型AICD的設計及其數值模擬［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：101-106.