浮板型稳油控水阀仿真分析及应用

李效波，王圣虹，朱春明，周伯年

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459）

目前，水平井已在各类油气藏的开发中取得了显著的经济效益。世界各地成功的水平井单井产量约为直井的4 ~ 6倍。但随着海上水平井生产年限的增长，水平井含水逐渐上升，产量受边底水锥进影响逐渐下降。大量水平井已经进入高含水开发阶段，油井见水后含水上升幅度很快，严重制约了油田的高效开发。

对于长水平井因井筒摩擦、储层非均质性和流体流变性差异产生的水锥与气锥现象，自动流入控制装置[1-3]（Autonomous Inflow Control Devices，AICD）技术在实现ICD装置原有功能的基础上，着重加强了对不利流体（水或气）突破后的进一步抑制作用，实现了延缓不利流体侵入、增加水体波及系数、延长油井生产周期和提高油藏采收率的目的。

在此理论指引下，国内外加强了稳油控水阀的研发和评价力度，在地质油藏研究基础上，逐渐形成了夹片型、浮板型、螺旋通道型、自膨胀型和复合型的控水阀类型[1-9]。控水阀性能评价[10]方面也逐渐形成了数值仿真计算[11-12]和物理模拟实验两种方法，均取得了一定的成果。

针对自主研发的浮板型稳油控水阀，采用数值仿真计算的方式评价其稳油控水效果，并对现场应用效果进行了分析。

1 浮板型稳油控水阀结构及控水原理

1.1 浮板型稳油控水阀结构

浮板型稳油控水阀由阀腔和浮板组成，在阀腔上部有一个流体入口，阀腔下部有数个呈环形排布流体出口。浮板位于阀腔内，流体入口和出口的中间。浮板型稳油控水阀结构见图1。当不同流体从入口流入时，浮板在腔体中处于不同的高度，从而决定了控水阀的开度，使不同流体经过控水阀时形成不同的流量，起到控水的作 用。

图1 浮动型稳油控水阀

1.2 浮板型稳油控水阀控水原理

浮动圆盘型AICD装置主要利用了伯努利方程[1]，见式（1）。依据伯努利方程流体动态压力与局部压力损失之和恒定的理论，通过流经装置的不同流体黏度的变化控制装置内自由浮动盘的开度。当相对黏度较高的原油流经装置时，自由浮动盘开度较大；当相对黏度较低的水流经装置时，自由浮动盘因黏度变化引起的压降自动调小开度，从而实现智能化控水、增油的目的。

式中：P1为流入控水阀的流体压力，MPa；P2为流出控水阀的流体压力，MPa；ρ为流体密度，kg/ cm3；V1为流入控水阀的流体速度，m/s；V2为流出控水阀的流体速度，m/s；Δ Pf为流体摩阻能量损失，MPa。

2 数模仿真方案及计算流程

2.1 数模仿真方案

数模仿真采用计算流体动力学CFD数值计算工具，结合稳油控水阀内部结构，建立相应的数值模型。针对设定的仿真实验条件，对稳油控水阀进行CFD仿真实验，测试评价控水阀的流阻性 能。

流体样品包括：（1）清水；（2）含水率20%，油品黏度分别为30、60和100 mPa·s的油水混合液；（3）黏度60 mPa·s，含水率分别为20%、40%、60%、80%、90%、95% 、97%和99%的油水混合液。（4）黏度分别为30、60、100、150、200、300、400、500和 550 mPa·s的纯油。

压力：P1（流入控水阀的流体压力），P2（流出控水阀后的流体压力），ΔP（控水阀前后压差流量）；Q：一定时间内通过控水阀的流体量。

表1 控水阀Q-ΔP性能仿真方案

通过CFD仿真方法进行数模试验，试验过程中针对不同的油品黏度和含水率进行，试验过程中控制相同的压力测量点和压力范围，压差范围0.5 ~ 5 MPa，以0.5 MPa为一个计算测试点。

2.2 仿真计算流程

（1） 建立STEP格式的稳油控水阀装配体的3D模型。

（2） 经过布尔运算得到流体模型。

（3） 通过有限元网格划分软件Hypermesh，采用teramesh对模型进行网格划分并设置相应的流体入口面、出口面，导出cas格式流体网格。

（4） 在Fluent中选择好求解器，读入网格文件，检查网格质量，进行边界条件的设置，包括流体状态，流体材料，入口及出口边界条件等。针对油水两相不同比例混合介质，开启VOF模型，选择k-ε湍流模型，根据试验要求选择不同的油水比例和原油黏度参数进行基本相和第二相的设 置。

（5） 求解初始化后进行求解计算，待残差收敛后，计算出入口压强，建立关键截面得到压力场分布云图、速度场分布云图、迹线图、介质不同体积分数云图等结果。

按照上述仿真流程，按照仿真方案设置不同的流体参数、含水率，依据入口和出口压差0.5 ~ 5 MPa的仿真参数范围，进行边界条件设置，通过仿真计算得到相应的Q-ΔP特性仿真试验数 据。

3 数模仿真计算结果分析

3.1 数模仿真云图

设置20%含水率、油黏度60 mPa·s、压力2.5 MPa进行动态仿真。通过仿真计算，得到浮板型稳油控水阀内部流体粒子迹线、压力分布云图（图2、图3）。

图2 流体粒子迹线分布云图

图3 流体压力分布云图

从油粒子迹线分布云图（图2）可见，流体从阀顶入口流入，通过阀内部时油粒子和水粒子流动方式有一定差异，油粒子大部分直接从出口处流出，而水粒子较多地分布在阀腔内上部边缘不易流出，从而起到了稳油控水的作用。

从流体压力分布云图（图3）可见，在流体流过入口后，流动横截面积从入口处由小变大。当流体流经碟片和本体之间狭窄通道时，流体速度较大，流过狭窄通道以后，通道变宽，流体的速度就会变慢。浮板前段流体速度较大的区域为低压区，浮板后段流体速度小为高压区。由于浮板的前端和后端所受的压强不同，使浮板受到一个向上的压力。在流体黏滞力和惯性力共同作用下，一旦浮板接触到腔体下沿，又会与壁面碰撞反弹，因此在浮板式阀内部充满流动的液体时，浮板总会浮在内腔的流体中。当相对黏度较高的油流经阀体时，黏度较大的油品直接沿通道流向出口，当相对黏度较低的水体流经阀体时，在高流速下具有较大的动能，导致水体在阀腔内上部边缘和浮板下部高速湍动、旋转，到达出口花费时间长，涡流损失增大，从而达到控水、控气、稳油甚至增油的目的。

3.2 流量-压差特性曲线

按照仿真方案的内容，对纯水、不同黏度纯油和不同含水率油水混合液进行了仿真分析计算，得到其流量压差曲线（图4、图5、图6、图7），通过曲线的趋势和反映的规律可以掌握该浮板型稳油控水阀的性能。

图4 纯水、不同黏度油介质Q-ΔP仿真特性曲线

图5 不同含水率的油水混合液Q-ΔP仿真特性曲线

图7 含水率60% ~ 80%的油水混合液Q-ΔP仿真特性曲线

由仿真计算结果可见：

（1） 相同压差条件下，纯水和黏度低于500 mPa·s的油品流量差别明显，表明控水阀在该范围内稳油控水效果显著。

（2） 不同含水率条件下，控水阀体现出了明显的稳油控水效果，尤其低含水率范围更加效果显著，体现出该控水阀的适用性范围较广。

（3） 控水阀在不同黏度油品在相同含水率条件下反映出来的稳油控水规律与纯油纯水一致。

4 浮板型稳油控水阀现场应用情况分析

浮板型稳油控水阀的仿真计算结果表明了其良好的稳油控水效果，结合海上某油田的稳油控水需求设计控水管柱（图8）并进行了现场实施应用。该海上油田原油黏度5 ~ 150 mPa·s，介于轻质原油至普通稠油的范围，同时该原油黏度范围也在本次仿真计算结果中的稳油控水有效范围。通过生产阶段的产量及含水率数据进行浮板型稳油控水阀的控水效果分析可见，与油藏模拟预测不采取控水作业的产量和含水率相比，实施控水作业后的含水率明显低于预测值，且在产油量维持的情况下产液量显著降低（图9），有效保障了油田的高效开发。现场应用结果表明，该浮板型稳油控水阀具有良好的稳油控水效果，仿真计算结果有效指导了现场应用。

图8 控水管柱示意图

图9 控水井生产数据与预测值对比曲线

5 结论及认识

（1） 仿真计算和现场应用结果均表明，浮板型稳油控水阀具有良好的稳油控水效果。

（2） 浮板型稳油控水阀在现场的成功应用，为高含水油田高效开发提供了有力保障。

（3） 仿真计算分析为稳油控水阀的性能评价提供了有效的分析和评价手段，为今后控水产品的研发和评价提供了有效依据。