調流控水篩管內部流場的數值模擬

蘇 瑩

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163000）

自20世紀20年代以來，水平井技術已廣泛用于海上、小斷塊以及邊底水油藏，水平井通過增加泄油面積來提高油井產量，逐漸成為油氣田產業一項重要技術[1-4]。但隨著水平段軸向產液不均衡導致水平井含水率上升速度加快，產油量減少，對水平井的開發效果產生很大影響[5]。調流控水篩管完井技術作為一項水平井機械堵水技術，該技術同時實現了防砂、控水，與單一的防砂篩管相比具有很大的技術優勢。調流控水篩管是在精密微孔復合防砂篩管基礎上增加了流量調節功能，局部見水后，通過使用不同直徑的噴嘴來限制產水段的產液量，使水平段均衡產液。對于注入水和邊水的局部突進造成的見水，也能調節控制出水量，延長低含水采油期[6]。本文應用流體力學軟件 FLUENT對調流控水篩管內部流場進行了數值模擬，對比分析不同條件下的篩管內部流動情況，得到最優調流控水篩管結構參數。

1 調流控水篩管作用原理

調流控水篩管作用原理是將全水平段分成若干小段，在滲透率較高的井段，控水篩管利用自身的限壓節流作用為高滲井段增加一個阻礙流體從地層流出的附加阻力，從而一定程度上降低該井段的流壓。在滲透率較低的井段，可以選用阻流能力較小的控水篩管，或者由于該段產能低，因而不需要限流，所以可以不用下入帶有限流能力的控水篩管。節流控制件可以改變流體流速大小、或者改變流體流動方向，或兩者兼有，從而干擾了流體的正常運動，產生了撞擊、分離脫流、漩渦等現象，帶來了附加阻力，增加了能量損失，這部分損失通常稱作局部阻力損失。總之，控水篩管使用與否和限流能力的選用，都是為了調節全井段產油強度，即單位長度上的產量，盡量使整個水平段的產油強度相當，這樣油井產液剖面大致呈現一條直線。只有各處均勻產油，底水才能呈現理想的均勻水脊上升，使底水達到最大的驅油效率，以提高采收率[7]。

2 調流控水篩管內部流場數值模擬

本文根據調流控水篩管的結構及工作原理，將其結構簡化，本文應用流體力學軟件FLUENT中的混合模型(mixture model)，湍流模型選為標準的k-ε模型對調流控水篩管內部流場進行了數值模擬，對比分析不同條件下的篩管內部流動情況。調流控水篩管流動模型入口直徑為?15 cm，出口直徑為?30 cm，管長為100 cm，噴嘴直徑分別設置為10 cm、8 cm、6 cm。入口邊界（Velocity inlet）氣液混合速度為1 m/s，第一相為水，密度140 kg/m3，粘度為0.02 Pa·s，第二相為空氣，密度為1.25 kg/m3，粘度為1.789×10-5Pa·s，入口氣相體積分數為 40%。出口邊界為壓力出口（Pressure outlet），出口壓力為大氣壓。

2.1 噴嘴直徑大小對調流控水篩管內部流場的影響

圖1是入口氣相體積分數為40%，噴嘴直徑分別設置為10 cm、8 cm、6 cm的調流控水篩管內部流場速度云圖。

從速度分布云圖可知，噴嘴直徑越小，管內流體速度越大。流體流入后在噴嘴處流速達到最大，而在噴嘴出口處，流體流經的截面積突然擴大，速度減小，隨著噴嘴直徑的增大，流經噴嘴后速度減小越緩慢。

圖1 不同噴嘴直徑下的模擬結果

2.2 氣相體積分數對調流控水篩管內部流場的影響

圖2是噴嘴直徑d=10 cm，氣相體積分數分別為 50%、40%、30%、20%的調流控水篩管內部流場速度云圖。從速度分布云圖可知，氣相體積分數的減少使流體速度有所減小，但減小程度很小，整體變化不明顯。

3 結束語

應用計算流體力學軟件FLUENT模擬不同條件下調流控水篩管內部流場流動情況，得出了氣相體積分數的變化對氣液兩相流速度影響不大，噴嘴直徑對氣液兩相流體速度有影響，噴嘴直徑越小，管內流體速度越大，流經噴嘴后速度減小越快。因此針對水平井不同滲透帶，可以通過調整噴嘴大小來平衡產液量。

圖2 不同氣相體積分數下的模擬結果

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[7]王超, 張軍杰, 劉廣燕.水平井分段控水完井試油技術[J].石油天然氣學報,2010, 32(6): 446-449.