基于膨脹材料的新型AICD結構設計及其性能實驗研究

王小秋，汪志明*，趙麟,

1 中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249

2 勝利石油管理局博士后科研工作站，東營 257001

0 引言

水平井在開采過程中，由于“跟趾效應”、儲層非均質性和各向異性等因素的影響，生產剖面通常難以持續(xù)均衡推進，易在油井高滲層段、裂縫處過早見水[1-4]。一旦發(fā)生底水錐進將大大縮短油藏的無水采油期，并影響整個水平井其他位置的產油量。底水錐進問題已經成為了影響我國底水油藏水平井開發(fā)的主要難題[5-12]。

為了緩解水平井生產過程中流入剖面不均勻的問題，國內外研發(fā)了多種結構的ICD裝置，包括噴嘴型、迷宮型、螺旋通道型等[13-17]。然而，一旦油井見水，這些裝置并不能抑制，甚至還可能促進水的流動，致使完井失效。目前我國大部分油田進入中高含水期，傳統(tǒng)ICD裝置難以滿足實際需求，為了有效解決這個問題，有部分機構進一步研發(fā)了自適應流入控制裝置(AICD)，其水相阻力遠大于油相阻力，顯著抑制水相流動，從而達到穩(wěn)油控水的目的。平衡片AICD[18]利用不同流體的密度差來控制平衡片的開啟或關閉，但由于油水密度差別不大，該裝置不能有效控制水錐。流道式AICD[19]利用流體慣性力和黏性力的平衡關系來控制流體通過裝置時的流道和阻力，但流量、流體性質適用范圍受限，且狹小的流道易被儲層出砂堵塞。浮動圓盤式AICD[20]利用動壓力和靜壓力的平衡關系來控制可動盤的位置，并調整節(jié)流壓降大小，然而，圓盤易被磨損、擠毀，裝置壽命短。這些AICD結構存在結構復雜、適用范圍小等缺點，限制了上述技術的大規(guī)模推廣應用。

本文基于遇水膨脹材料和多級限流原理設計了一種新型AICD結構，利用Fluent軟件進行了結構參數(shù)優(yōu)化以及流體敏感性分析；為了進一步分析新型AICD的性能，設計并進行了全尺寸物理模擬實驗，與Halliburton EquiFlow AICD以及Y-shape AICD[21]進行了比較。

1 新型AICD設計

本文結合遇水膨脹橡膠(WSR)，基于多級限流原理，創(chuàng)新性地提出了一種自適應流入控制裝置(AICD)。這種設計主要包含了一系列的環(huán)形隔板、狹槽和遇水膨脹材料，隔板上開有2個呈180°對稱的流動狹槽。該結構利用流體連續(xù)通過多個流動狹槽的瞬時壓降來限制流體流動，因此，其對油相黏度不敏感，油相黏度適用范圍廣。單個流動狹槽對裝置整體壓降的貢獻大致相當，通過改變隔板級數(shù)便能快速調整流動阻力等級。一旦油井見水，裝在狹槽端面上的遇水膨脹橡膠將自動膨脹，膨脹度將根據(jù)含水率自動調節(jié)，從而可以調整裝置的最小過流面積和流動阻力等級，如圖1所示。具體來說，當含水率較低時，遇水膨脹橡膠的膨脹度受限，此時裝置的最小過流面積最大，流動阻力等級最低；隨著含水率增大，遇水膨脹橡膠開始膨脹，最小過流面積逐漸變小，流動阻力等級逐漸增大。

總的來說，新型AICD具有以下優(yōu)點：(1)結構簡單，流動阻力等級易于調整；(2)最小過流面積較大，不易因儲層出砂發(fā)生堵塞；(3)裝置對流量、油相流體性質不敏感，儲層適用范圍廣；(4)裝置對含水率極度敏感，應激反應快，水油壓降比大，控水穩(wěn)油效果顯著。以本文的典型設計為例，其油水壓降比可達40倍，傳統(tǒng)AICD則在4～8倍左右，該結構的控水穩(wěn)油效果遠超傳統(tǒng)AICD結構。

2 建模與分析

利用數(shù)值模擬軟件對油、水及其混合物通過該新型AICD結構的流動規(guī)律進行了分析，并對其進行了結構參數(shù)優(yōu)化和流體性質敏感性分析。

2.1 建模

該裝置在不同結構參數(shù)下的幾何模型都是在專業(yè)建模軟件中生成的，通過布爾運算得到其內部流動模型并進行網(wǎng)格劃分。裝置存在兩個入口和一個出口，入口設置為velocity-inlet，出口設置為outf l ow，其它為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，本文的模型還考慮了重力的影響。

2.2 流場分析

圖1 不同含水率下所對應的最小過流面積示意圖Fig. 1 Min. flow area for different water content

新型AICD在不同含水率條件下的總壓分布云圖見圖2。可以看出，新型AICD產生壓降的主要部位為隔板形成的流動腔室和流動狹槽，不同含水率條件下，二者的比例有所區(qū)別。對于油相流體來說，遇水膨脹材料膨脹程度受限，最小過流面積最大，流動狹槽產生的局部阻力損失相對較小，且流體黏度較大，沿程阻力損失相對較大。隨著含水率增大，遇水膨脹材料發(fā)生膨脹，最小過流面積減小，流動狹槽產生的局部阻力損失急劇增大，雖然混合流體的黏度隨含水率增大先增大后減小，但沿程阻力損失變化程度遠小于局部水頭損失的增幅。對于水相流體來說，遇水膨脹材料充分膨脹，最小過流面積最小，局部阻力損失最大，沿程阻力損失可忽略不計。

2.3 結構參數(shù)優(yōu)化

為了進一步優(yōu)化該裝置的穩(wěn)油控水性能，需要分析不同結構參數(shù)對流動阻力等級的影響，本文選取了工業(yè)上應用最廣泛的噴嘴型ICD、螺旋通道型ICD和噴管型ICD作為參照。各種ICD的結構參數(shù)多種多樣，但其流動阻力等級的變化都可歸結為最小過流面積(限流機理)和流道長度(摩阻機理)的變化。

圖2 新型AICD不同含水率壓力分布云圖Fig. 2 Contour of static pressure of novel AICD

圖3 最小過流面積對流動阻力等級的影響Fig. 3 The inf l uence of minimum flow area on FRR

流動阻力等級隨最小過流面積的變化曲線見圖3。可以看出，4種裝置的流動阻力等級隨著最小過流面積的減小而急劇增大。噴嘴型ICD利用限流機理、螺旋通道型ICD利用摩阻機理、噴管型ICD結合限流和摩阻機理，因此在同等流動阻力等級下，噴嘴型ICD的最小過流面積最小，且最大過流速度也比流體通過噴嘴時的小得多。盡管新型AICD也主要利用限流機理，但其是通過多級狹槽限流，因此，新型AICD最小過流面積最大。在各流動阻力級別下，新型AICD的最小過流面積大約是噴嘴型(螺旋通道型、噴管型)ICD的3倍(1.5倍、2倍)。特別地，在油相條件下，此時FRR=0.800 Bar，新型AICD的最小過流面積為120.0 mm2，而噴嘴型ICD的為39.0 mm2，噴管型ICD的為49.3 mm2，螺旋通道型ICD的為81.5 mm2。由于最小過流面積差異顯著影響其抗沖蝕和防堵塞性能，因此，在泥漿返排過程中新型AICD抗堵塞能力較強，在穩(wěn)產期抗顆粒沖蝕能力較強。新型AICD通過遇水膨脹材料隨含水率的膨脹變化來調整最小過流面積，從而調整裝置流動阻力等級。對于本研究來說，水相條件下的FRR=32.00 Bar，此時最小過流面積最小。

圖4 流道長度對流動阻力等級的影響Fig. 4 The inf l uence of flow length on FRR

流動阻力等級隨流道長度的變化曲線見圖4。可以看出，4種裝置的流動阻力等級隨流道長度的增加而線性增大，變化曲線與Y軸交于某一點，該點的物理意義為沿程壓降值為0時節(jié)流壓降。噴嘴型ICD通過Y軸的點為0.760 Bar，噴管型ICD的為0.527 Bar，螺旋通道型ICD的為0.035 Bar，自膨脹型AICD在油相條件下為0.043 Bar，在含水率為50%情況下，其交點為0.177 Bar，這進一步證實了新型AICD在油相條件下產生壓降的主要方式為沿程阻力，在水相條件下產生壓降的主要方式為限流。新型AICD的總體壓降隨流動狹槽的增加而線性變化，這說明可以通過增加或減少隔板數(shù)量快速調節(jié)其流動阻力等級。

2.4 流體參數(shù)敏感性分析

為進一步分析油、水及其混合物在該裝置內的流動規(guī)律，對含水率、油相密度和油相黏度進行了敏感性分析，實驗方案如表1所示。由于水相性質通常比較穩(wěn)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，4種結構的節(jié)流壓降隨含水率的變化關系如圖5所示。可以觀察到，傳統(tǒng)ICD結構不能很好地識別含水率的變化，一旦油井見水，ICD結構將失效；隨著含水率的增加，新型AICD裝置的節(jié)流壓降整體呈上升趨勢，且純水條件下的節(jié)流壓降約為純油壓降條件下的40倍，這充分保證了裝置穩(wěn)油控水的能力。

表1 實驗方案Table 1 Experimental scheme

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6所示。可以觀察到，4種結構的節(jié)流壓降隨油相密度的增加而線性增加，然而，增幅均較小。

方案3研究了油相黏度敏感性。由于油相黏度范圍通常為1～200 cP，因此黏度(cP)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7所示。可以觀察到，螺旋通道型ICD與噴管型ICD的節(jié)流壓降隨油相黏度的增大而線性增大，增幅較大；新型AICD和噴嘴型ICD的節(jié)流壓降雖然隨油相黏度的增大而線性增大，然而其增幅較小。

綜上所述，該AICD對于流量、油相流體性質并不敏感，即使在重油條件下仍有較好的穩(wěn)油控水能力，儲層適用范圍廣。該裝置對含水率極度敏感，應激反應快，一旦油井見水，該裝置壓降顯著增大。

3 AICD性能分析

3.1 物理模擬實驗裝置

圖5 含水率對流動阻力等級的影響Fig. 5 The inf l uence of water content on FRR

圖6 油相密度對流動阻力等級的影響Fig. 6 The inf l uence of oil density on FRR

基于中國石油大學(北京)井筒復雜流動與完井工程實驗室的全尺寸井筒流動測試實驗裝置(圖8)，對新型AICD開展了流動測試。

圖7 油相黏度對流動阻力等級的影響Fig. 7 The inf l uence of oil viscosity on FRR

圖8 全尺寸井筒流動測試裝置Fig. 8 Full-scale wellbore flow test device

表2 AICD實驗參數(shù)Table 2 AICD test parameter

AICD流動測試室內模擬實驗的基礎參數(shù)見表2，原油黏度根據(jù)渤海油田相關數(shù)據(jù)進行選取，實驗裝置模擬在1000 m水平井段中包含20個AICD結構，通過改變壁面注入流量和主流流量可以模擬不同位置水平段的入流情況。

3.2 測試流程

實驗選取了3種類型的AICD裝置進行測試，分別是Y型AICD、哈里伯頓的Equif l ow AICD以及設計研制的新型AICD。實驗流程示意圖見圖9。

實驗步驟：

(1)首先調整實驗環(huán)道至水平狀態(tài)，將液相支路緩沖罐上的軟管與射孔段外層套管的注射孔對接；

(2)將油抽到罐中，開啟回流蝶閥，保證實驗正常循環(huán)，調節(jié)其含水率至既定值；

(3)啟動計算機，開啟差壓計量系統(tǒng)和流量測試系統(tǒng)；開啟液相供給線的螺桿泵組，調節(jié)液相的主路供給排量至既定值；

圖9 井筒流動測試實驗示意圖Fig. 9 Schematic of wellbore flow test

(4)依次調節(jié)液相支路供給排量，待流動穩(wěn)定后，分別測定并保存實驗數(shù)據(jù)；

(5)重新調節(jié)液相的主路供給排量，并重復上述步驟；

(6)向儲液罐中添加水，重新調節(jié)液相體系的含水率，并重復上述步驟。

3.3 實驗結果分析

如圖10所示，在油相黏度132 mPa·s，壁面入流 量0.8 m3/h的 情 況 下，Y型AICD與Halliburton EquiFlow AICD的水油壓降比最大，均為6，在這種情況下，能夠控制油井見水。然而，實際生產過程中，不同層段含水率差異通常介于10%～30%，不同含水率下的壓降差別較小，不能有效控制油井見水，這大大限制了該技術的推廣應用。新型AICD在實驗條件下水油壓降比最高可達36～40，即使含水率差異不大，其壓降差別亦較大。在高含水情況下，其壓降隨含水率變化更加敏感，該裝置特別適用于中高含水油井。

AICD結構在不同壁面入流量下的性能測試結果如圖11、12、13所示。對EquiFlow AICD和Y型AICD來說，壁面入流量越大，水油壓降比越大，然而兩種結構嚴重依賴于油水流型差異，在低入流量下水油壓降比較小，不能有效控水。新型AICD其水油壓降比并不依賴于入流量大小，在所研究入流量范圍內，水油壓降比介于36～40之間，能夠有效控水。

如圖14所示，對新型AICD來說，改變主流流量，其節(jié)流壓降幾乎沒有變化，這說明在開展AICD布置優(yōu)化過程中，不需要專門考慮井筒位置對AICD布置的影響，而應更注重儲層性質的影響。

圖10 含水率對裝置性能的影響Fig. 10 Device performance with varying water contents

圖11 壁面入流量對Equif l ow AICD性能的影響Fig. 11 Equif l ow AICD performance

圖12 壁面入流量對Y型AICD性能的影響Fig. 12 Y-shape AICD performance

圖13 壁面入流量對新型AICD性能的影響Fig. 13 Novel AICD performance

圖14 主流流量對新型AICD性能的影響Fig. 14 Novel AICD performance with varying injection rate

4 結論

本文基于遇水膨脹材料和多級限流原理設計了一種新型AICD裝置并針對不同種類AICD裝置性能進行了實驗研究，基于實驗結果得出以下結論：

(1)新型AICD結構簡單，遇水后根據(jù)含水率自動調整流動阻力，防堵性能好。

(2)新型ACID與傳統(tǒng)AICD相比，水油壓差提升明顯，在油井不同生產階段都具有卓越的性能，由于其對流體流量和黏度不敏感，適用范圍廣。

(3)完井過程中，該新型AICD可以簡化完井設計難度，不需要專門考慮井筒位置對AICD的影響，可以更多的考慮儲層非均質的影響。