低黏度原油自適應控水裝置設計及試驗研究

袁 輝，周泓宇，吳紹偉，萬小進，楊 明，張玉濤

1中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2東營市瑞豐石油技術發展有限責任公司

0 引言

油井高含水帶來的老油田穩產、油田節能減排等問題已非常嚴峻，其中治理難度較大的水平井高含水問題尤為突出[1-4]。南海西部油田高含水、特高含水油井占比已達68%。其中，水平井的高含水占總數的55.80%。目前不僅面臨油田高含水治理難題，更直接面對水驅油藏水平井控水治理的業內難題。

自適應流量控制裝置(AICD)，被廣泛應用到水平井的生產中，尤其是海上油田多為長水平井，其“趾端效應”突出、邊底水錐進現象明顯[5-8]。利用AICD技術可以延長無水采油期，后期見水后也能自適應調節、均衡剖面，從而降低整體含水率，有效的提高了油氣井的收采率及壽命，因此AICD對石油開采具有重要意義[9-11]。

南海西部油田再生產井原油黏度較低，普通AICD對其控水效果不是很好。目前,專門針對低黏度原油的相關研究還未有[12-15]。因此設計開發一種適用于低黏度的AICD控水閥具有重要意義。

AICD的內部結構設計決定了其控水性能的好壞，筆者設計了一種適用于低黏度原油的AICD結構，通過計算流體力學(CFD)仿真方法進行數模，為控水閥的設計和優選提供依據。對新型控水閥進行物理模擬試驗,以水、低黏度原油介質為樣品模擬井下生產狀況，并進行不同含水率試驗，通過對比油水壓差比，驗證控水閥的控水性能。

1 控水閥設計

1.1 設計原理

為解決上述高含水及原油黏度較低問題，設計了一種適用于低黏度油的AICD控水閥。該設計基于流體力學沿程摩阻理論與流體旋渦理論，利用油水雷諾數不同來選擇不同流道，即流體慣性力和黏滯力的平衡關系來改變其流體導向行為，油趨向于選擇通向出口的更短流道，產生阻力小，易于油的流動，水與之相反。

1.2 實施方式

新型低黏度AICD控水閥設計如圖1所示，該控水閥主要由兩級擇流器和一個旋流器構成。擇流器由直流道和圓弧流道組成，旋流器為圓盤型，上一級流道與旋流器相切。因為水的雷諾數相對于油較大，所以在進入擇流器時，大部分水將保持原始的流動方向進入圓弧流道，而油的雷諾數相對較小，大部分油流經直線流道。通過兩級擇流器的作用，大部分水走最長的路徑，即兩個圓弧流道進入旋流器。而大部分油會走最短的路徑，即兩個直線流道進入擇流器，路徑的長短決定了水的沿程摩阻大于對油的沿程摩阻。進入到旋流器后，沿圓盤進行高速旋轉，而油更大程度上直接流向出口，從而對水和油產生不同壓降。兩級擇流器和一個旋流器，充分放大了油和水的黏度差異，實現控水穩油的效果，使其更適用于低黏度的原油。

圖1 AICD結構示意圖

2 CFD模擬分析

新型AICD的結構較為復雜，難以用理論計算直接驗證，因此采用有限元模擬軟件對控水穩油性能進行模擬研究。

2.1 控水閥3D建模

運用Solidworks軟件進行零件圖的繪制，建立如圖2所示的AICD的3D模型，其結構與尺寸與試驗用實物完全一致。

圖2 AICD三維模型示意圖

2.2 網格劃分

對AICD的3D模型結構進行網格劃分，定義入口、出口(模型左側為AICD進口，圓盤中心為出口)。確定計算區域，設置邊界條件、流體物理屬性(流體密度、運動黏度)，最終得到新型低黏度AICD控水閥的流道網格幾何模型，如圖3所示。

圖3 AICD流道網格模型

2.3 確定邊界條件

設置初始邊界條件如下：入口流體的質量流量為10 m3/d，出口壓力為靜壓；流體為清水、原油，流體性質如表1所示，流動方式為層流、湍流。

表1 模擬用流體性質

2.4 模擬結果分析

根據上述設計的模型，利用Flow simulation進行模擬求解和模擬結果輸出，得到相同流量、不同流體性質條件下AICD流場的壓力分布云圖(圖4)和速度分布圖(圖5)。

圖4 壓力分布云圖

從圖4、圖5可以看出，水的過閥壓降遠高于油的過閥壓降。水相在旋流器部分發生旋轉，產生較高的旋轉速度；油相在旋流器未產生明顯的旋轉且速度相對較低。

圖5 速度分布流線圖

3 新型AICD控水閥性能試驗

3.1 試驗裝置及條件

控水閥性能模擬試驗裝置主要由齒輪泵、電機、電加熱裝置、控制柜、水箱、油箱、旁通閥、回壓閥、安全閥、流量計、壓力傳感器、壓差傳感器、AICD試驗工裝、管線及相關配件組成，其流程圖如圖6所示。利用壓力傳感器、壓差傳感器和流量計測量進入模擬裝置的壓力、壓差和流量，通過對比壓差—流量關系來評價控水閥的控水效果。

圖6 實驗裝置流程圖

3.2 試驗流程

按流程圖連接設備，試驗裝置連接完成后，以清水試運行，確保設備運轉正常、管線無刺漏后裝入控水閥。試驗前進行密封性驗證，啟動柱塞泵，對實驗裝置試壓6 MPa,穩壓5 min，壓力未出現下降視為合格。

開始試驗，啟動齒輪泵。調節齒輪泵的頻率，記錄通過控水閥的流量值、壓力值及壓差，即完成一組數據的錄取。針對每一種流體，壓力取值范圍最低小于0.5 MPa，最高大于2.0 MPa，測試數據點不少于5個，記錄并做數據表及曲線圖。更換流體樣品，重復上述步驟，直到完成全部試驗。

3.3.1 單相油、水試驗

按照試驗流程，對新型AICD控水閥進行單相油、水試驗，試驗流體為黏度1 mPa·s的水和10 mPa·s、15 mPa·s的輕質油，對比AICD對不同性質流體的壓差—流量關系，并繪制出壓差—流量曲線，如圖7所示。

由圖7可知,相同流量條件下，水通過AICD控水閥產生較高的過閥壓降，油的過閥壓降遠低于水的，隨著油的黏度增大，產生的過閥壓降降低。新型AICD具有控水穩油效果，并且適用于低黏度油。

圖7 AICD單相試驗壓差—流量曲線圖

3.3.2 不同含水率試驗

在15 mPa·s的油中添加不同比例的水，配成含水率為20%、40%、60%、80%的混合流體，驗證不同含水率條件下AICD的控水穩油特性。根據試驗數據繪制出壓差—流量曲線，如圖8所示。

圖8 AICD不同含水率試驗壓差—流量曲線圖

由圖8可知，在相同流量條件下，純水的過閥壓降遠高于純油的過閥壓降，并且隨著混合流體介質的含水率體積分數的增長，新型AICD的流阻增大，產生的過閥壓降增大，向純水靠近，因此新型AICD具有控水穩油效果。

4 結論及建議

(1)設計了用于低黏度的控水閥，并對控水結構進行了分析，該結構能充分放大因油、水性質差異而產生的影響，實現控水穩油。

(2)通過有限元模擬分析得出新型AICD的工作原理，不同流體通過不同的路徑，產生不同的效果，清水通過較遠路徑并產生高速旋流，流出限制高，輕質原油通過較近路徑，流出限制低。

(3)通過性能測試試驗，得到新型AICD相同流量下，清水通過AICD的過閥壓降是15 mPa·s輕質油的3倍以上，驗證AICD具有控水穩油效果并適用于輕質原油。

(4)根據含水率試驗表明，隨著混合流體介質的含水率的增長，新型AICD產生的過閥壓降逐漸增大，接近于水的過閥壓降。證明新型AICD具有自適應能力，無需人為控制，實現半智能完井。