混合型流入控制装置改进及性能分析

曾泉树，汪志明，王小秋，魏建光，邹伟林，李毅巍

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249； 2.东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

0 引言

由于受“跟趾效应”［1-2］、储层非均质性［3-4］、储层各向异性［5］和天然裂缝［6］等因素影响，长水平井的生产剖面难以持续、均衡推进，将在油井的跟端处、高渗层段和裂缝处过早见水／气.一旦油井见水／气，由于水／气的黏度较低，将在锥进处形成快速通道，并抑制其他位置的产油量.为了消除这种不平衡现象，可在完井段上安装流入控制装置（ICD），产生附加压降，以保证入流剖面沿整个水平段的均匀性［7］.

根据流动阻力等级（FRR）是否恒定，ICD可以分为被动式流入控制装置（PICD）和自适应流入控制装置（AICD）.PICD分别利用限流原理（喷嘴型［8］、孔板型［9］）、摩擦原理（迷宫型［10］、螺旋通道型［11］），或者结合两种机理（混合型［12-13］、喷管型［14］）产生附加压降.由于PICD的FRR为定值，一旦油井见水／气，低黏度的水／气将占据整个井筒，并抑制油相的流动，从而导致油井产量大幅下降.

AICD的FRR随含水率的增加而增大，一旦油井见水／气，将对水／气产生一个更大的阻力，从而达到稳油控水／气的目的.目前，AICD主要包括平衡片型、浮动圆盘型和流道型.平衡片型AICD［15］利用油气的密度差控制平衡片的开启或关闭，但是可动平衡片易出现故障，并且油水密度差别不大，不能有效控制水锥.浮动圆盘型AICD［16］利用动压力和静压力的平衡关系控制浮动圆盘的位置，当施加在浮动圆盘上的压差超过承受极限时即损坏.流道型AICD［17］利用流体惯性力和黏性力的平衡关系改变流体通过装置时的流道和阻力，由于黏度适用范围较小，需要针对不同储层条件进行专门设计.

笔者提出一种基于混合型ICD和遇水膨胀橡胶（WSR）的自膨胀型AICD，利用Fluent软件分析流体性质敏感性并优化结构参数；为了更好地评价自膨胀型AICD的性能，与喷嘴型、喷管型、螺旋通道型和混合型等4种流入控制装置（流动阻力等级相同）比较.

1 自膨胀型AICD设计

提出一种基于混合型ICD和遇水膨胀橡胶的自膨胀型AICD，装置包括一系列的隔板、流动狭槽和遇水膨胀橡胶，结构见图1.与常规混合型ICD类似，每个隔板上有2个呈180°对称的流动狭槽，且每一组狭槽与下一组狭槽错开成90°相位，因此流体通过各组狭槽后均转向，从而预防下游流道产生射流效应.同时，一旦油井见水，狭槽上的遇水膨胀橡胶将膨胀，且膨胀度根据含水率自动变化，从而改变装置的最小过流面积和流动阻力等级（见图2），使得油井能够更好地稳油控水.当含水率较低时，遇水膨胀橡胶的膨胀度受限，装置的最小过流面积最大，流动阻力等级最低；随着含水率增大，遇水膨胀橡胶开始膨胀，最小过流面积逐渐变小，流动阻力等级变大；当含水率较高时，遇水膨胀橡胶充分膨胀，最小过流面积最小，流动阻力等级最高.

自膨胀型AICD主要以多级限流的方式产生压降，其FRR主要取决于最小过流面积和腔室级数，随着含水率的增加而增加（见图3）.纯水通过装置时的FRR为纯油通过时的40倍，数值上等于环空流量30 m3／d的水相（密度为999.55kg·m-3，黏度为1mPa·s）流过ICD结构所产生的压降［18］.

另外，压力随着流体通过隔板形成的各个连续腔室而循序递减，通过装置的总压降与所使用的隔板数量成正比，因此通过增加或减少隔板数量可以快速调整FRR.

2 模型建立

自膨胀型AICD存在多个入口，很难通过理论计算压降；利用数值模拟软件分析油水通过自膨胀型AICD的规律，以研究流体性质敏感性和优化结构参数.

利用Gambit 2.4.6软件［19］建立不同含水率时自膨胀型AICD的几何模型，不同含水率时的最小过流面积见图4，通过布尔运算得到ICD内部流动模型并进行网格划分.为了准确描述缝槽和孔口附近位置的流场，在位置分区并加密网格，最后输出网格文件并导入Fluent 6.2.16软件［20］中.不同含水率对应的模型均有2个入口和1个出口，环空入口和基管入口设为速度入口（Velocity-inlet）条件，出口设为出流（Outflow）条件，其他默认为壁面（Wall）条件.环空入口设置流量为30m3／d，为了保证流体在基管中流向，基管入口设置流量为5m3／d.当模拟层流时，选用层流模型；当模拟湍流时，选用标准κ-ε模型.当流体为油水两相分散流时，选用混合模型；当流体为油水两相分层流时，选用VOF模型.由于ICD一般是水平放置的，建立模型时需要考虑重力的影响.

不同含水率时自膨胀型AICD的静压力分布云图见图5.由图5可以看出，自膨胀型AICD的多级限流设计以变量分配的方式产生压降，隔板的分布形成一系列连续的腔室，当流体流过腔室时，压力逐渐下降，通过自我调整能够适应不同的FRR级别.随着含水率增加，最小过流面积自动减少，从而改变最小流动区域和FRR级别，自膨胀型AICD能够最大程度地防水和保证油通过.

3 性能分析

为了更好地评价自膨胀型AICD的性能，与FRR为0.800Bar的喷嘴型、喷管型、螺旋通道型和混合型等4种ICD比较；它们利用限流和／或摩阻机理产生一个相似的压降，不同流体通过各ICD的压降差别很大.限流机理的作用主要取决于最小过流面积、流量和流体密度；摩阻机理的作用主要取决于流道长度、流量和流体黏度.虽然不同ICD产生压降的机理不同，但是压降影响因素都可以归结为流体性质和ICD结构.

3.1 流体性质敏感性分析

为了描述含水率、油相密度和油相黏度对ICD产生压降的影响，在环空流量为30m3／d、油管流量为5m3／d的条件下，设计3种节流压降随含水率、油相密度和油相黏度变化的敏感性分析方案（见表1）.由于水相性质比较稳定，不需要考虑水相性质的敏感性.

表1 流体性质敏感性分析方案Table 1 Fluid property sensitivity research projects

方案1的不同含水率时ICD节流压降结果见图6.由图6可以看出，4种被动式ICD的压降随着含水率的增加而先增加后降低，且在临界含水率处达到最大.在大多数情况下，水相产生的压降小于油相或油水混合物产生的，即一旦油井见水，被动式ICD将失效.对于自膨胀型AICD，水相产生的压降几乎是油相产生的40倍，且油水混合物产生的压降随着含水率的增加而增加.因此，自膨胀型AICD具有自适应的稳油控水能力.

方案2的不同油相密度时ICD节流压降结果见图7.由图7可以看出，5种ICD的节流压降随油相密度的增加而线性增加，且油相密度敏感性差别不大：在含水率为0%情况下，喷嘴型ICD的压降随密度的变化幅度为78.0Pa／（kg·m-3），喷管型ICD的为47.6Pa／（kg·m-3），螺旋通道型ICD的为18.6Pa／（kg·m-3），混合型ICD的为79.8Pa／（kg·m-3），自膨胀型 AICD的为29.8Pa／（kg·m-3）；在含水率为50%情况下，自膨胀型AICD的压降随密度的变化幅度增为44.0Pa／（kg·m-3）.这表明喷嘴型和混合型ICD对密度变化最敏感，由于4种被动式ICD的流动阻力等级为0.800Bar，压降随密度的变化幅度越大，在低密度时对应的压降越小，喷嘴型和混合型ICD的性能最好；自膨胀型AICD在低含水率时性能更好.

方案3的不同油相黏度时ICD节流压降结果见图8.由图8可以看出，5种ICD的节流压降随着油相黏度的增大而线性增加，不同ICD对油相黏度的敏感性差别很大：在含水率为0%情况下，喷嘴型ICD的压降随黏度的变化幅度为397.9Pa／（mPa·s），喷管型ICD的为3001.7Pa／（mPa·s），螺旋通道型ICD的为6401.2Pa／（mPa·s），混合型ICD的为396.0Pa／（mPa·s），自膨胀型 AICD的为361.3Pa／（mPa·s）；在含水率为50%情况下，自膨胀型AICD的压降随黏度的变化幅度降为45.7Pa／（mPa·s）.这表明喷嘴型、混合型ICD和自膨胀型AICD对黏度变化最不敏感；自膨胀型AICD在高含水率时性能更好.

3.2 结构参数优化

在生产过程中，地层流体的性质和流量随时变化.由于ICD的性能是与流动阻力等级适应的，对不同的储层条件，主要通过调整结构参数优化ICD配置，使其流动阻力等级与特定储层段适应，从而保证流入剖面的均匀.在多级ICD完井中，如果有一个ICD的流动阻力等级与特定储层段不匹配，也将使油井局部位置产量增加，导致油井生产剖面不均衡.

影响ICD流动阻力等级的结构参数可以归结为最小过流面积（限流机理）和流道长度（摩阻机理）.在环空流量30m3／d、油管流量5m3／d条件下，以水相为介质，分析流动阻力等级随最小过流面积和流道长度的变化.

流动阻力等级随最小过流面积的变化曲线见图9.由图9可以看出，5种ICD的流动阻力等级随着最小过流面积的减小而急剧增大.最小过流面积影响装置抗冲蚀和防堵塞能力.由于喷嘴型ICD利用限流机理、螺旋通道型ICD利用摩阻机理、喷管型ICD结合限流和摩阻机理、混合型和自膨胀型AICD利用多级限流机理产生压降，因此在同等流动阻力等级下，其他ICD的最小过流面积大于喷嘴型ICD的，且最大过流速度也比流体通过喷嘴时的小得多.在各流动阻力级别下，混合型（螺旋通道型、喷管型）ICD的最小过流面积大约是喷嘴型的3倍（2倍、1.25倍）.如当FRR为0.800Bar时，喷嘴型ICD的最小过流面积为39.0mm2，喷管型ICD的为49.3mm2，螺旋通道型ICD的为81.5mm2，混合型ICD和自膨胀型AICD的为120.0mm2.由自膨胀型AICD在不同含水率时最小过流面积和流动阻力等级可以看出，其最小过流面积随含水率增加迅速减小，且流动阻力等级与最小过流面积遵循混合型ICD的关系曲线.自膨胀型AICD保留混合型ICD的性能，在泥浆返排过程中抗堵塞能力较强，在稳产期抗颗粒冲蚀能力较强.

流动阻力等级随流道长度的变化曲线见图10.由图10可以看出，5种ICD的流动阻力等级随流道长度的增加而线性增大，变化曲线与Y轴交于某一点；该点的物理意义为沿程压降值为0时节流压降.在含水率为0%情况下，喷嘴型ICD通过Y轴的点为0.760Bar，喷管型ICD的为0.527Bar，螺旋通道型ICD的为0.035Bar，混合型ICD的为0.107Bar，自膨胀型AICD的为0.043Bar；在含水率为50%情况下，自膨胀型AICD与Y轴的交点为0.177Bar.喷嘴型ICD的最大过流速度最大，在同等流道长度下压降增幅最大.由于喷嘴型ICD的喷嘴长度一般很短，且基本上不能调整，因此对FRR影响很小；其他4种ICD的流道长度远远长于喷嘴型ICD的，对流动阻力等级影响很大.此外，混合型ICD和自膨胀型AICD还可以通过增加或减少隔板数量快速调整流动阻力等级.

总体上，自膨胀型AICD利用隔板形成的多个连续腔室对流体产生多级限流，最小过流面积较大，且对黏度变化不敏感，一旦油井见水预装的遇水膨胀橡胶即膨胀，并产生一个较大的流动阻力.另外，该装置还能通过增加或减少隔板数量快速调整FRR.因此，该装置在油井生产的不同阶段都具有卓越的性能，适合在油田现场推广应用：在泥浆返排阶段防堵塞能力强，在稳产期抗冲蚀性能强，在衰竭生产期能持续控制入流且对黏度不敏感，一旦油井见水还能显著增加阻力.

4 结论

（1）提出基于混合型ICD和遇水膨胀橡胶的自膨胀型AICD.一旦油井见水，预装在狭槽上的遇水膨胀橡胶自动膨胀，且膨胀度根据含水率自动调整，从而改变装置的最小过流面积，对不同的流体产生不同的限流作用，保证油井持续稳产.

（2）该装置在油井生产的不同阶段都具有卓越的性能：在泥浆返排过程中抗堵塞能力较强；在稳产期抗颗粒冲蚀能力较强，且阻力较小；在衰竭生产阶段能够持续控制入流，且对黏度不敏感；一旦油井见水，还能产生更大的阻力.

（3）影响ICD压降的结构参数可以归结为最小过流面积（限流机理）和流道长度（摩阻机理）.当调整ICD的流动阻力等级时，应先确定最小过流面积，再确定流道长度，也可以通过增减隔板数量快速调整自膨胀型AICD的流动阻力等级.

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