水平井控水装置发展现状

赵海峰，田建超，穆二飞，赵朝阳

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)

技术综述

水平井控水装置发展现状

赵海峰，田建超，穆二飞，赵朝阳

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)

油井过早见水/气是制约水平井技术发展的一大难点。水平井控水装置的出现为解决该问题提供了新途径。经过多年研究，目前控水装置主要有4种：①流入控制装置(ICD)；②自动流入控制装置(AICD)；③流入控制阀(ICV)；④自动流入控制阀(AICV)。各种控水装置都是通过摩擦、节流原理在油层与井筒之间产生一个附加压降，从而形成均匀入流剖面，延长底水锥进时间和油井寿命。介绍了4种装置的特点、类型以及优缺点。通过比较得出各种控水装置原理基本相同，主要是其智能化和精细化程度不断提高。

水平井；底水锥进；控制阀；发展趋势

在底水油藏开发过程中，长水平井由于泄油面积大，并且底水可以补充储层损失能量，相比直井产量高等优点得到了广泛的应用，并且取得了显著的开发效果。但是，也暴露了一些严重的问题，例如：沿水平井段不均匀流动，见水快，找堵水作业费用高[1]。经过国内外学者研究，主要由4个原因：①储层的非均质性；②趾跟效应；③水平段轨迹线的变化；④在两个压力系统内钻井等[2]。图1为底水锥进原因的示意图。为了解决底水锥进问题，经过几十年的研究，PICD、AICD、ICV、AICV等控水装置相继诞生，为解决井下流量控制和实现均匀流动提供了新的途径。

在油井见水/气前，任何控水装置都是通过沿水平段产生一个附加压降来平衡油藏与井筒之间压力的不均匀性，进而产生一个均匀流动[3]。对于油井见水/气后，不同的控水装置的智能化和精细化程度则不同。

图1 底水锥进原因

1 流入控制装置ICD

流入控制装置ICD(Inflow Control Device)是20世纪90年代提出的，目的是解决水平井过早见水/气问题。根据ICD产生附加压降的原理可以划分为：①限流原理。喷嘴型ICD[4]、孔板型ICD[5]；②摩擦原理。迷宫型ICD、螺旋通道型[6]ICD；③限流摩擦原理。混合型、喷管型ICD。

1.1 喷嘴型ICD和孔板型ICD

喷嘴型ICD、孔板型ICD如图2～3所示，两者都是利用流体从一个较大区域进入小直径的喷嘴或孔眼，从而产生一个节流压降。优点是结构简单，而且可以根据不同的控水要求更换喷嘴或孔眼；缺点是抗堵塞和抗冲蚀能力差。

图2 喷嘴型ICD

图3 孔板型ICD

1.2 迷宫型ICD和螺旋通道型ICD

这两种类型的ICD都是通过在油管外部设计更多流动通道，使流体流入时由于沿程阻力产生摩阻压降。优点是抗堵塞和抗冲蚀能力好，缺点是对流体黏度较敏感，使得水/气比油更快突破。图4～5为迷宫型ICD、螺旋通道型ICD的示意图。

图4 螺旋通道型ICD

图5 迷宫型ICD

1.3 混合型ICD和喷管型ICD

混合型ICD、喷管型ICD如图6～7所示，这两种ICD同时利用摩阻压降和节流压降来实现储层向井筒的均匀流动。由于它们的最小过流面积较大，具有较强的抗堵塞和抗冲蚀能力，而且摩阻压降所占比例较小，故对流体黏度不敏感[7-8]。

图6 混合型ICD

图7 喷管型ICD

2 自动流入控制装置AICD

传统的ICD属于被动式ICD(Passive Inflow Control Devices，PICD )，其尺寸主要根据油藏的初始条件进行设计，下入井筒后很难再进行调节。由于生产使得油藏的性质处于不断变化的过程，而且一旦水/气突破后PICD不能减少或者阻止该流动，因此PICD对油藏的生产优势仍不明显。自动流入控制装置(Autonomous Inflow Control Devices，AICD)技术由于可根据油藏性质自动调节，无需人工操作和电力设备等优点受到广泛关注和研究。当油井未见水/气前，AICD的工作原理与PICD相似；当油井见水/气后，通过对水/气产生一个更大的阻力来加强对其抑制作用，进而延长了油井寿命，更大程度地提高了油藏采收率[9]。但是，AICD只能抑制其流动，并不能在水/气突破后完全屏蔽该区域，这也是AICD的一大弊端。目前主要的AICD产品形式有平衡片型AICD、RCP阀、流道型AICD、自膨胀型AICD、自适应型AICD。

2.1 平衡片型AICD

该装置应用了阿基米德原理，由一系列的密度敏感阀组成，当气体侵入井筒的某个位置，使得该位置生产流体的密度减少，引起平衡片关闭，如图8所示的关闭状态，过流面积减小；当气锥减少时，平衡片又重新开启如图8所示的打开状态。但是平衡片很容易出现故障，而且由于油水密度差别不大，该装置很难有效预防水锥[10]。

图8 平衡片型AICD

2.2 RCP阀

该AICD装置由Statoi依据伯努利方程设计，又被称为RCP阀(The Rate Controlled Production Valve)，RCP阀仅仅由一个可以自由浮动的圆盘构成，圆盘的位置取决于动压力和静压力的平衡关系。该装置能够限制低黏流体的流动速率，当低黏流体通过时，圆盘内侧的压力减小，作用在圆盘上的合力使其向入口方向移动，使过流面积减少，流量减少；当黏稠流体通过时，与上述过程相反，使得利于其通过[11]。图9为RCP阀及示意图。

图9 RCP阀及其示意

2.3 流道型AICD

流道型AICD的流动方式如图10所示。该装置利用了黏滞力与惯性力间的平衡关系，该装置的流道根据油藏流体的物性来设计。当油水同时流入时，更黏稠的油趋向于选择通向出口的更短流道，该流道对油产生更小的流动阻力，易于油的流动。低黏稠的水则直接沿出口的切线方向高速旋转，从而产生更大的压降，达到降低水的流速的目的[12]。

图10 流道型AICD

2.4 自膨胀型AICD

自膨胀型AICD由一系列的隔板、狭槽和遇水膨胀橡胶组成，每个隔板上都有2个成180°相位角的流动狭槽，而且每一组狭槽与下一组狭槽之间错开90°，如图11所示，通过各个狭槽后使流体实现转向，从而预防射流效应的产生。一旦油井见水，狭槽上橡胶遇水膨胀，且膨胀度随含水率自动变化，从而改变装置的最小过流面积和流动阻力，达到稳油控水的目的。但是，该装置采用了遇水膨胀橡胶，不能对气锥实现限流作用[13]。

图11 自膨胀型AICD

2.5 自适应型AICD

该装置由多个Y形导流器和圆盘形限流器组成。Y形导流器包括主流道和分支流道，Y形导流器的个数与分支角α有关，图12 为自适应型AICD示意图。自适应型AICD与流道型AICD作用机理相似，当油水从入口进入，高黏性的油沿分支流道进入，水由于惯性力作用从主流道进入，这样油直接从出口流出，而水进入圆盘后充分旋转，产生较大的限流作用。在油井见水前，作用效果与PICD相似，当水锥突破后，通过对其产生一个更大的阻力来抑制水的流入[14]。

图12 自适应型AICD

3 流入控制阀ICV

智能井的核心技术——流入控制阀ICV(Inflow Control Valves或者Interval Control Valves)是一种可以远程进行操作的控制阀，从滑套技术进化而来，通过压力驱动滑套来调整阀门的开度，进而调节进入井筒的流量，与AICD相似，都可以实现自动调节功能。并且，当水/气突破后，ICV可以实现完全屏蔽突破区域[15]。

ICV可以与封隔器联合使用来实现流量控制功能，根据流量控制的类型，ICV可以分为两位开关型、多档位型和无极变速型。两位开关型只允许阀门处于打开或关闭的状态；多档位型提供几种控制流量的选择；无级变速型可以通过传感器实现精细调整流量[16]。多档位和无级变速ICV包括一系列线性分布的流入孔道，多档位流入控制阀ICV及示意图如图13所示。ICV的驱动方式有液压、电动以及两者混合驱动。ICV阀体上装有可移动滑套，每个阀门由多根管线控制，可以在地面进行操作来调整阀门的开度，实现流量的调整。但是，ICV价格昂贵，而且有许多流量仪和温度压力传感器需要通过电缆进行连接，从地面遥控操作不稳定，容易发生故障[17]。

图13 多档位流入控制阀ICV示意

4 AICV

AICV利用层流和紊流具有不同的流动方式，由一系列的层流单元和紊流单元组合而成。层流单元是一个圆管，压降公式为：

(1)

式中：μ为流体的黏度；v为流体速度；D为油管直径；L为油管长度。

紊流单元是薄圆盘，压降公式为：

(2)

式中：k为几何常数；ρ为流体密度。

图14～15为AICV的示意图，最细的箭头是主流道阀门的入口，2个水平箭头是主流道基管的出口。作用在活塞上的合力向下，则活塞打开，如图14；合力向上，则活塞关闭[18-19]，如图15。

AICV结合了AICD和ICV的优点，可以实现自动调节和不需要任何电缆或者地面控制系统，能够完全关闭突破区域，使得未突破区域继续生产，从而提高原油采收率和原油产量。该技术可以应用于新钻水平井，也可应用于高产水的老井再完井。尤其在提高重油和超重油的采收率方面应用广泛[20]。

图14 打开状态的AICV

图15 闭合状态的AICV

5 结论

1) 水平井出水的原因与储层性质(如渗透率不均、厚度等)和储层类型(例如裂缝性储层)有很大关系，不同的储层类型出水原因不同。

2) 目前评价控水装置的优劣主要有：控水能力、抗堵塞能力、抗冲蚀能力等，应综合考虑各个评价参数来优选控水装置。

3) AICV是比较先进的控水装置，可以实现精细调节和自动调节，是未来控水装置的发展方向。

[1] 帅春岗，段永刚，冉林，等.水平井ICD控水方法研究[J].石油钻采工艺，2012，34(1)：85-88.

[2] Hongfu Shi，Haiyan Zhou，Yong Hu，et al.A new method to design and optimize the ICD for horizontal wells[R].OTC-26905，2016.[3] 熊友明，刘理明，唐海雄，等.延缓和控制水平井底水脊进的均衡排液完井方法[J].石油钻探技术.2011，39(4)：66-70.

[4] Vela I，Viloria-Gomez L A，Caicedo R，et al.Well production enhancement results with inflow control device (ICD)completions in horizontal wells in Ecuador[R].SPE 143431，2011.

[5] Aadnoy B S，Hareland G.Analysis of inflow control devices[R].SPE122824，2009.

[6] Brekke K，Lien S C.New and simple completion methods for horizontal wells improve production performance in high-permeabliity thin oil zones[R].SPE24762，1994.[7] Martin P Coronado，Luis A Garcia，Ronnie D Russell.New inflow control device reduces fluid viscosity sensitivity and Maintains erosion resistance[R].OTC 19811，2009.

[8] Kim Sam Youl，Harkomoyo，Widayat Suhana.Passive Inflow Control Devices and Swellable Packers Control WaterProduction in Fractured Carbonate Reservoir：[R].SPE24762，1994.

[9] 王敉邦.国外AICD技术应用与启示[J].中外能源，2016(4)：40-43.

[10] CROW S L，CORONADO M P，MODY R K.Means for passive inflow control upon gas breakthrough[R].SPE102208，2006.

[11] Vidar Mathiesen，Haavard Aakre，Bjornar Werswick，et al.The autonomous RCP valve-new technology for inflow control in horizontal wells[R].SPE 145737，2011.[12] Brandon Least，Stephen Greci，Halliburton，et al.Fluidic diode autonomous inflow control device range 3B-oil，water，and gas flow performance testing[R].SPE167379.2013.

[13] Quanshu ZENG，Zhiming WANG，Xiaoqiu WANG，et al.A novel autonomous inflow control device design：improvements to hybrid ICD[R].SPE 17776，2014.

[14] 曾泉树，汪志明，王小秋，等.混合型流入控制装置改进及性能分析[J].东北石油大学学报，2015，39(1)：106-110.

[15] Marwan Zarea，Saudi Aramco，Ding Zhu.An integrated performance model for Multilateral wells equipped with inflow control valves[R].SPE 142373，2011.

[16] Haavard Aakre，Britt Halvorsen，Bjornar Werswick,et al.Smart well with autonomous inflow control valve technology[R].SPE 164348-MS，2013.

[17] Ebadi F，Davies D R.Heriot-Watt U.Techniques for optimum placement of interval control valve(s) in an intelligent well[R].SPE 100191，2006.

[18] Haavard Aakre，Britt Halvorsen，Bjørnar Werswick，et al.Autonomous inflow control valve for heavy and extra-heavy oil[R].SPE 171141-MS，2014.

[19] Vidar Mathiesen，Bjornar Werswick，Haavard Aakre.The next generation inflow control，the next step to increase oil recovery on the Norwegian Continental Shelf[R].SPE 169233-MS，2014.

[20] Haavard Aakre，Britt Halvorsen，Bjornar Werswick et al.Smart well with autonomous inflow control valve technology[R].SPE 164348-MS，2013.

Developing Situation of Water Control Device in Horizontal Wells

ZHAO Haifeng，TIAN Jianchao，MU Erfei，ZHAO Zhaoyang

(SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

Early water/gas breakthrough is a technical problem in horizontal well technology，downhole inflow control technology such as ICD，AICD，ICV，AICV，provide a new way to tackle the problem，which exert an exert pressure drop between reservoir and wellbore to balance inflow profile and delay water break through.The types，characteristics and advantage of the four devices are introduced in the paper.Through comparing various water control devices have the same principle，mainly their intelligent and fine degree enhances unceasingly.

horizontal well；bottom water coning；control valve；developing trend

1001-3482(2017)01-0081-05

2016-07-12

国家科技重大专项(2016ZX05009-004)；中国石油大学(北京)基金(ZX20150191)

赵海峰(1980-)，男，副教授，博士，2007年毕业于中科院力学所，研究方向：岩石力学、水力压裂及非常规压裂液，E-mail：2363760116@qq.com。

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.019