流道型自适应流入控制装置设计及数值模拟

2022-10-25周战凯王宝富

石油矿场机械 2022年5期

周战凯，刘敏，王宝富

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452)

在长水平井开采中，由于储层非均质性、跟趾效应影响，导致生产剖面不均匀，会引起井筒早期见水或见气，大幅降低油井的产量[1-5]。为了消除水锥现象，可以在每个筛管节点上布置流入控制器(ICD)来平衡整个分支上的入流剖面并抵消渗透率变化。但是，ICD一旦发生水锥进，装置将永久失效[6-8]，为此，研究者设计出自适应流入控制装置(AICD)。平衡式AICD利用油气密度差控制开关，实现控水，但其稳定性差。流道型AICD利用油气黏度差异产生不同压降，实现稳油控水，但其存在黏度适用范围较小的局限性[9-10]。

为了解决以上不足，笔者设计了新型流道型AICD控水装置，并研究其工作原理，对结构进一步优化，使其稳油控水效果最佳，且适用更广范围流量和黏度。

1 设计原理

AICD装置安装在完井管柱上，组装成自适应节流控制管柱如图1。地层水和气体的黏度小，通过AICD装置进入中间油管，所产生的节流压降大，只有小部分进入油管；黏度较高的油受到AICD节流压降小，容易进入自适应管柱，则地层原油产量增加，实现稳油控水。

图1 自适应节流控制管柱组成

流道型AICD装置设计原理：装置内流体流动满足伯努利方程式(1)，流体的总机械能保持不变，其中重力势能恒定，只有动能与压力势能间的相互转换。地层水进入装置，黏度低，惯性力大，容易形成高速旋流。越往出口流，切向速度逐渐增大，则动能增加，压力损耗增加；原油进入装置，黏度大，惯性力小，不易形成漩涡，多数原油径向流向出口，压力损耗较小。

(1)

式中：p为流体的压强，Pa；ρ为流体的密度，kg/m3；v为流体的速度，m/s；h为铅垂高度，m；g为重力加速度，m/s2；c为常数。

AICD产生的节流压降Δp分为两部分，一是流体介质流过流道产生的摩阻压降Δp1，二是流体从出口喷出产生的射流压降Δp2[11]。

Δp=Δp1+Δp2

(2)

(3)

(4)

式中：a，b，αs为常数；ρ为流体密度，kg/m3；μ为流体黏度，mPa·s；Q为入口流量，m3/d；d为出口直径，mm；Cd为出口流量系数，小于1。

2 结构及工作原理

AICD结构包括旋流结构与入流结构两部分组成，其中旋流结构也包括旋流腔、一级挡板、二级挡板、喷嘴组成，入流结构包括切向直流道与若干支路组成，具体结构如图2所示。圆盘直径30 mm，出口直径 3 mm，厚度5 mm，入口面积7.5×10-6m2。

图2 AICD结构

低黏度流体介质从AICD入口流入，主要通过切向入口旋流进入旋流腔，产生高速旋流，之后通过一级挡板和二级挡板，最终经喷嘴出口流出，产生较大旋流压降，且流动路线长，增大了沿程摩阻，达到节流控水目的；高黏度流体介质从AICD入口流入，主要从分支入口直接流入旋流腔，不产生高速旋流，直接通过一级挡板和二级挡板，最终从喷嘴出口流出，产生很小节流压降。

3 数值模拟与结构优化

3.1 模型建立

根据AICD的机械结构，在机械制图软件中通过布尔运算抽取流道，对流域再进行网格划分。在确定网格特征时，对比多种网格分布对流场计算精度的影响，发现当网格总数达到95万时，流场物理量基本不再变化，可以满足计算精度对网格的要求，最后采用Fluent求解器求解。

AICD流场属于湍流流动，可以通过三维定常、湍流流体力学方程组进行描述，具体包括质量守恒方程、动量方程、湍动能方程、湍流耗散率方程、液体状态方程，详见文献[12]。入口边界条件采用速度入口条件，由日产液量与入口面积折算出速度值；出口边界条件采用Outflow；固体壁面采用无滑移的刚性壁面边界条件。

流体参数如表1，入口流量为5 m3/d，则入口速度为3.86 m/s，流体介质为水、油，数值仿真结果如图3～4。

水相从切向流道进行旋流腔，并在旋流盘中旋转，进入挡板后旋流速度大幅提高，在中心孔出口达到最大，与水相速度分布对应，水相流体在旋流的中心位置，压力最低，产生旋流压降0.53 MPa。油相大部分流体从分支进入旋流腔，其他流体沿切向流道流入。在向中心孔流动过程中旋流速度低，进入中心孔时出现低速旋流与喷嘴射流共同作用，形成如图4中的速度分布特征，最大速度远小于水相的旋流速度，相对应产生的节流压降很小，为0.08 MPa。

表1 流体介质物性参数

图3 AICD水相流场

图4 AICD油相流场

3.2 结构参数优化

AICD的挡板结构和出口参数对装置稳油控水有影响，对挡板结构和出口直径进行结构参数优化。

3.2.1 挡板结构

设计2种结构：一个为圆盘内部不加挡板，另一个为圆盘内部内部加挡板；流体介质参照表1，然后进行对比分析。水、油流过2种结构的压力流线如图5所示。

挡板对速度与压力分布影响很大，装置过水时，大部分水沿切向流入圆盘产生高速旋转，挡板的存在提高了中心出口的旋流强度与压降。装置过油时，一部分油沿切向流入圆盘，另外一部分油沿支路进入。两路流体在旋流腔碰撞混合后经过挡板直接进入中心孔流道，节流压降很低。所以，采用挡板结构有助于提高AICD的过水压降、降低过油压降，增加稳油控水效果。

图5 AICD有无挡板流场压力分布

3.2.2 出口直径

出口位于圆盘中心处，出口的直径分别为2、3、5 mm，流体介质参照表1，对比压降效果，如图6。

出口直径对流场影响很大，装置过水、油时，出口旋流速度随出口直径减小显著增大，流体动能增加则消耗更多压力能，从而产生更大压降。由压降曲线图7可以得出，压降随出口直径增加而减小，减小出口直径有助于提高过压降。为了提高装置稳油控水效果，同时保障油井的产量，出口直径选为3 mm合适。

图6 AICD不同出口直径流场压力分布

图7 AICD压降曲线

4 水力参数影响分析

基于结构优化结果，对有挡板、出口直径3 mm的装置进行水力参数影响分析，研究流量、黏度对节流压降影响，为AICD装置在现场应用提供指导。

4.1 流量影响分析

油密度870 kg/m3，黏度选100、200 mPa·s；水的密度998 kg/m3，黏度1 mPa·s。流量分别取2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 m3/d，进行数值仿真计算，得出压降曲线如图8。

不同流量条件下水和油过AICD装置产生的压降曲线特征为：过水压降随流量呈抛物线增长，过油压降随流量呈直线上升，过水压降上升幅度远大于过油压降。水油压降比随流量增加而增大，表明该装置在大流量下稳油控水效果更好。

图8 AICD不同流量压降曲线

4.2 黏度影响分析

油密度870 kg/m3，黏度分别取20、50、100、150、200 mPa·s。水密度998 kg/m3，黏度1 mPa·s。流量取5 m3/d，进行数值仿真计算，得出压降曲线图9。

压降随流体黏度的变化规律，第1数据点为过水的压降；其余各点为不同黏度下的油。对比得出水的压降明显高于油的压降，装置控水效果明显。油黏度对节流压降的影响存在临界点，当低于临界黏度时，节流压降随黏度增加压降开始下降很快，当黏度超过某一个临界黏度时节流压降随黏度增加缓慢。原因是随着油相黏度的增加,从分支流道流进圆盘的油越多,并直接流向出口流速较小，产生的压降减小。当黏度继续增加时，油相产生的摩阻压降增加。

图9 AICD不同黏度压降曲线图

4.3 压降流量水力特性曲线

针对不同流量，不同黏度的油水分别进行数值模拟。油的密度870 kg/m3，黏度分别取20、50、100、150、200 mPa · s。水密度998 kg/m3，黏度1 mPa · s。流量分别取2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 m3/d。在以上流量与黏度条件下绘制水力特性曲线如图10。由图10可知，油、水压降均随流量增加而增大，过油压降线性变化；在相同流量情况下，油的压降随黏度变化不大，并且远低于水相产生的压降，稳油控水效果较好。综上，该AICD装置在广泛的流量与黏度范围内都具有良好的稳油控水效果，较其他装置的适用范围更广。