调流控水筛管内部流场的数值模拟

苏 莹

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163000）

自20世纪20年代以来，水平井技术已广泛用于海上、小断块以及边底水油藏，水平井通过增加泄油面积来提高油井产量，逐渐成为油气田产业一项重要技术[1-4]。但随着水平段轴向产液不均衡导致水平井含水率上升速度加快，产油量减少，对水平井的开发效果产生很大影响[5]。调流控水筛管完井技术作为一项水平井机械堵水技术，该技术同时实现了防砂、控水，与单一的防砂筛管相比具有很大的技术优势。调流控水筛管是在精密微孔复合防砂筛管基础上增加了流量调节功能，局部见水后，通过使用不同直径的喷嘴来限制产水段的产液量，使水平段均衡产液。对于注入水和边水的局部突进造成的见水，也能调节控制出水量，延长低含水采油期[6]。本文应用流体力学软件 FLUENT对调流控水筛管内部流场进行了数值模拟，对比分析不同条件下的筛管内部流动情况，得到最优调流控水筛管结构参数。

1 调流控水筛管作用原理

调流控水筛管作用原理是将全水平段分成若干小段，在渗透率较高的井段，控水筛管利用自身的限压节流作用为高渗井段增加一个阻碍流体从地层流出的附加阻力，从而一定程度上降低该井段的流压。在渗透率较低的井段，可以选用阻流能力较小的控水筛管，或者由于该段产能低，因而不需要限流，所以可以不用下入带有限流能力的控水筛管。节流控制件可以改变流体流速大小、或者改变流体流动方向，或两者兼有，从而干扰了流体的正常运动，产生了撞击、分离脱流、漩涡等现象，带来了附加阻力，增加了能量损失，这部分损失通常称作局部阻力损失。总之，控水筛管使用与否和限流能力的选用，都是为了调节全井段产油强度，即单位长度上的产量，尽量使整个水平段的产油强度相当，这样油井产液剖面大致呈现一条直线。只有各处均匀产油，底水才能呈现理想的均匀水脊上升，使底水达到最大的驱油效率，以提高采收率[7]。

2 调流控水筛管内部流场数值模拟

本文根据调流控水筛管的结构及工作原理，将其结构简化，本文应用流体力学软件FLUENT中的混合模型(mixture model)，湍流模型选为标准的k-ε模型对调流控水筛管内部流场进行了数值模拟，对比分析不同条件下的筛管内部流动情况。调流控水筛管流动模型入口直径为Ø15 cm，出口直径为Ø30 cm，管长为100 cm，喷嘴直径分别设置为10 cm、8 cm、6 cm。入口边界（Velocity inlet）气液混合速度为1 m/s，第一相为水，密度140 kg/m3，粘度为0.02 Pa·s，第二相为空气，密度为1.25 kg/m3，粘度为1.789×10-5Pa·s，入口气相体积分数为 40%。出口边界为压力出口（Pressure outlet），出口压力为大气压。

2.1 喷嘴直径大小对调流控水筛管内部流场的影响

图1是入口气相体积分数为40%，喷嘴直径分别设置为10 cm、8 cm、6 cm的调流控水筛管内部流场速度云图。

从速度分布云图可知，喷嘴直径越小，管内流体速度越大。流体流入后在喷嘴处流速达到最大，而在喷嘴出口处，流体流经的截面积突然扩大，速度减小，随着喷嘴直径的增大，流经喷嘴后速度减小越缓慢。

图1 不同喷嘴直径下的模拟结果

2.2 气相体积分数对调流控水筛管内部流场的影响

图2是喷嘴直径d=10 cm，气相体积分数分别为 50%、40%、30%、20%的调流控水筛管内部流场速度云图。从速度分布云图可知，气相体积分数的减少使流体速度有所减小，但减小程度很小，整体变化不明显。

3 结束语

应用计算流体力学软件FLUENT模拟不同条件下调流控水筛管内部流场流动情况，得出了气相体积分数的变化对气液两相流速度影响不大，喷嘴直径对气液两相流体速度有影响，喷嘴直径越小，管内流体速度越大，流经喷嘴后速度减小越快。因此针对水平井不同渗透带，可以通过调整喷嘴大小来平衡产液量。

图2 不同气相体积分数下的模拟结果

[1]Joshi S D. Horizontal well technology[M].Tulsa :PennWell Pub-lishing Company , 1991 :203-250 .

[2]Ferreira H. Simulation studies of waterflood performance with horizontal wells[R]. SPE 35208 , 1996 .

[3]李彦兴, 韩令春, 董平川, 等. 低渗透率油藏水平井经济极限研究[J].石油学报, 2009 , 30(2):242-246 .

[4]范江, 张子香.利用水平井改善薄油层开发效果[J].石油学报,1995 ,16(2):56-62 .

[5]李宜坤, 胡频, 冯积累, 等.水平井堵水的背景、现状及发展趋势[J].石油天然气学报, 2005 , 27(5):757-760 .

[6]陈仁保. 水平井采油技术. 北京：海洋出版社, 2012，12,114-123.

[7]王超, 张军杰, 刘广燕.水平井分段控水完井试油技术[J].石油天然气学报,2010, 32(6): 446-449.