油井控水阀流体参数敏感性分析

刘义刚，王丙刚，孟祥海，邢洪宪，张云宝，黄 波，刘传刚

(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

在水平井开发过程中，由于“跟趾效应”、边底水锥进等原因，大多含水上升较快。油井含水率过高，给油田污水处理带来巨大压力，也一定程度上限制了油田的开发。流入控制装置(Inflow Control Device)作为一项常规技术，可以明显改善水平井流入剖面，增加高渗层高含水区域的流动阻力，从而实现稳油控水。国外关于被动式控水阀(PICD)的研究已相对成熟，主要形成了喷嘴型、螺旋型和长管型3种类型[1-2]。流入控制装置在我国海上油田也得到了广泛的应用，以渤海油田为例，该技术应用19井次。然而，油井见水后，传统的被动式控水阀容易失效，地层水将淹没井筒和控水阀中的所有的流动通道，并对地层原油的流动产生抑制作用，导致油井产量大幅下降[3-5]。

为有效解决油井见水后被动式控水阀易失效的难题，研制了自适应控水阀(AICD)，并进行了初步应用，可针对不同含水率自适应调节流动阻力。由于各控水阀均具有一定的适用范围及优缺点，现场应用的成功率不高，其流入动态研究及完井效果评价方法欠缺，需进行相应的理论研究及完井优化指导。

针对上述问题，本文基于文献调研，分析各典型控水阀的设计原理。采用FLUENT流体力学分析软件，分析上述控水装置在相同条件下的速度及压力分布，并分析流量、含水率、原油密度、原油黏度对各装置节流压降的影响规律。

1 喷嘴型控水阀

流体通过喷嘴型控水阀时，流体流道急剧收缩，产生瞬时压降，从而产生更快的流速。常规喷嘴型控水阀遵循伯努利方程[6]：

(1)

式中：△pnozzle为工具压耗；ρ1为流体平均密度；v1为流体流速；Q1为流经工具的流体流量；D1为喷嘴直径；C1为常数因子。

以斯伦贝谢公司的FloRite ICD喷嘴型控水阀为例，设定工况条件为：流体流量Q1为5 m3/d，流体平均密度870 kg/m3，对喷嘴型控水阀进行模拟分析，得到了其内部流场的速度云图、压力云图，如图1～2所示。

由图1～2可知，产生节流作用的最主要结构是喷嘴，流体流经喷嘴时流速急剧增加，压力发生剧烈变化，由于流动面积缩小，流体速度增大，将产生局部压力损耗，其值大小主要取决于流体平均密度ρ1与喷嘴直径D1。根据上述分析可知，对于特定的喷嘴型控水阀，节流压降的大小主要取决于流体流量和流体平均密度。

图1 喷嘴型控水阀压力分布云图

图2 喷嘴型控水阀速度分布云图

2 螺旋型控水阀

流体通过螺旋型控水阀时，流经螺旋路径产生一定的表面摩阻，从而产生节流压降。螺旋型控水阀由于存在细长流道，其压耗计算公式为[7]：

(2)

式中：△phelix为压力损失；K为损耗系数；f2为摩擦因数；L2为通道长度；D2为流道直径；ρ2为流体密度；v2为流体流速。

针对此模型，f2=64/Re=64·μ/(ρ2·v2·D2)，则该公式等效为：

(3)

式中：μ为流体黏度；Re为雷诺数。

(4)

以美国贝克休斯公司的Equalizer ICD螺旋型控水阀为例，采用相同的模拟方法及输入条件，对螺旋型控水阀进行模拟，得到了其内部流场的速度、压力分布，如图3～4所示。

由图3～4可知，产生节流作用的最主要结构为螺旋型流道，流体流经螺旋型流道时速度变化相对较小，压力随着流体流过螺旋型流道而逐渐降低。流体的沿程压力损失主要取决于黏度与螺旋通道长度，由于螺旋型流道较长，其长度与过流面积的比值大，沿程压力损失很大。综合以上分析可知，对于特定的螺旋型控水阀，节流压降的大小主要取决于流体排量和黏度。

图3 螺旋型控水阀压力分布云图

图4 螺旋型控水阀速度分布云图

3 长管型控水阀

长管型控水阀的工作原理是通过均衡流体流入来提高油井产能和生产效率。以美国哈里伯顿公司的EquiFlow ICD长管型控水阀为例，长管型控水阀的孔道同样为细长型，相关压耗计算参考螺旋型控水阀推导结果，其压耗与黏度、密度、流速的二次方成正比，流体黏度越高、密度越大、通过工具流速越快，产生压耗越大。

采用相同的模拟方法及输入条件，对长管型控水阀进行模拟，得到了其内部流场的速度、压力分布，如图5～6所示。

由图5～6可知，产生节流作用的最主要结构是细长管，流体流经细长管时速度急剧增加，压力发生剧烈变化。由于流动面积急剧减小，流体速度变快，将产生局部压力损失，其值大小主要取决于流体密度、细长管直径和个数，相较于螺旋型控水阀，该细长管长度较小，沿程压力损失相对较小。综合以上分析可知，节流压降的大小主要取决于流体排量和流体密度。

图5 长管型控水阀压力分布云图

图6 长管型控水阀速度分布云图

4 自适应型控水阀

自适应控水阀(AICD)的研发弥补了工具入井后无法调节的不足。当所有的区域都产油时，自适应控水阀主要用于平衡入流；当发生水锥或气锥时，该工具将会自适应调节流动阻力，降低该区域水或气的排量。

自适应控水阀的代表产品为美国哈里伯顿公司的EquiFlow AICD[8]。影响该装置压耗的因素主要包括油藏流体性质、产液强度、工具控水强度3个方面[9-12]。

地层流体密度表征方程为

(5)

地层流体黏度表征方程为

(6)

工具控水强度表征方程为

(7)

式中：αo、αg、αw为流相中油、气、水所占的体积分数；g、h、i、d、e、f为各相指数；ρo、ρg、ρw分别是各相的密度；μo、μg、μw分别是各相的黏度；ρmix为混合物密度；μmix为混合物黏度；ρcal和μcal分别为参照密度和参照黏度；a、x、y是控水工具强度；q是混合体积排量；△pAICD是控水阀产生的压耗。

在同等模拟条件下，对自适应型控水阀进行模拟，得到了其内部流场的速度、压力分布，如图7。

图7 自适应型控水阀油、水相下压力、速度云图

对比油相和水相的压力分布云图和速度流线图可知，油相流体倾向于从限流通道通过，水相流体倾向于从摩擦通道通过。主流道的流体在转向器部分受限流通道或摩擦通道流体的作用发生偏转，油相流体倾向于从径向通道进入控水阀，几乎没有限流作用，而水相/气相从切向通道进入控水阀，旋转多次后从喷嘴出口流出，将产生一个很大的压降，水相通过该装置产生的压降为油相的1.446倍。根据上述分析可知，工具压耗的大小主要取决于流体密度、黏度和排量。

5 不同控水阀性能比较

为了更好地进行参数性能对比，分析各控水阀内的流动规律，分别对其流量Q、含水率Sw、油相密度ρo和油相黏度μo4个方面参数的敏感性进行了分析。

不同控水阀的节流压降随流量Q的变化关系如图8所示。喷嘴型控水阀的节流压降随流量的增大呈二次方增大，螺旋型控水阀节流压降随流量的增大呈线性增大，而长管型控水阀的压降介于二者之间，这3种控水阀的流量敏感性差别不大，自适应型控水阀的节流压降随流量的增大而明显递增。

图8 控水阀节流压降随流量的变化关系

不同控水阀的节流压降随含水率的变化关系如图9所示。随着含水率的增大，各被动式控水阀的节流压降会先升高后降低，部分区域油相产生的节流压降大于水相，油水混合物通过被动式控水阀的这种流动差异将造成油相流动受到抑制。对于自适应型控水阀，压降随着含水率的增加而缓慢增加。纯水通过自适应型控水阀产生的节流压降是纯油的4倍，这保证了控水阀的控水增油性能。

图9 节流压降随含水率的变化关系

不同控水阀的节流压降随地层原油密度的变化关系如图10所示。各控水阀节流压降与油相密度成正相关关系，由于地层原油密度变化范围较小，各控水阀对于地层原油密度均不敏感。

图10 节流压降随原油密度的变化关系

不同控水阀的节流压降随地层原油黏度的变化关系如图11所示。

图11 节流压降随原油黏度的变化关系

喷嘴型、长管型和螺旋型3种被动式控水阀的节流压降对黏度变化的敏感性差别较大，喷嘴型变化幅度为349 Pa/(mPa·s)，长管型变化幅度为2 955 Pa/(mPa·s)，螺旋型变化幅度为6 352 Pa/(mPa·s)。对于自适应型控水阀，节流压降随地层原油黏度呈现出先下降后增大趋势，压降变化幅度较小。综上所述，自适应型控水阀对于含水率最为敏感，针对不同含水率的应用条件均具有良好的控水性能。

6 结论

1) 通过对常见的喷嘴型、螺旋型、长管型和自适应型控水阀结构形式调研，结合工具流体力学计算模型及FLUENT流体力学分析软件对各控水阀的性能进行对比分析，总结出各自的优缺点及适用范围。

2) 喷嘴型控水阀对流量和流体密度最为敏感，适用于高液量稠油油藏；螺旋型控水阀对流量和黏度最为敏感，适用于低液量、低黏度油藏；长管型控水阀对流量和密度最为敏感，用于高液量的低黏油藏。

3) 被动式控水阀在油井见水前能够延缓底水锥进。但是，一旦发生水锥或气锥突破后，一定程度会抑制油的流动，从而显著降低产油量。自适应型控水阀能够自动识别流体，并自动调整油水阻力，具有卓越的稳油控水能力，且对地层产出含水率变化最为敏感，适用于不同出水阶段的油井控水，应用于井下后可保证油井长期稳产。

4) 海上油田水平井呈现快速增长趋势，急需解决控水难题。渤海油田有水平井873口，占总井数39.5%，含水≥90%水平井占水平井总数32.1%，水平井综合含水比油田综合含水高3.5%，在油井完井阶段采取有效的控水措施，结合油井实际应用条件，合理选择控水装置，对提高控水效果，指导海上油田挖潜增效、提高采收率具有重要的意义[13]。