AICD智能控水阀性能评价及应用

2023-10-25莘怡成张斌斌高彦才袁征汪华珍

石油工业技术监督 2023年10期

莘怡成，张斌斌，高彦才，袁征，汪华珍

中海油田服务股份有限公司（天津 300459）

0 引言

水平井因其具有更大的油藏接触面积和更小的压降，能够充分发挥油井的产能，因此被广泛应用于海上油田的开发。水平井井段较长，井筒中摩阻造成跟趾段压力存在差异，会导致沿井筒段地层油水前缘剖面不同，特别是非均质地层，水平井在高渗段或跟部极易发生底水锥进[1-3]，一旦见水，整个井筒会很快水淹，严重影响油井生产能力，降低油藏采收率。因此如何有效延长油井无水或低含水采油期，降低油井含水上升速度是海上油田普遍面临的挑战[4-9]。

近年来，针对水平井控水方式方面的研究较多，机械控水方式主要包括：中心管控水、ICD/AICD控水、改性疏水颗粒调流控水、C-AICD 复合控水等[10-16]。其中AICD 控水是一种新型控水完井方式，可以根据产水量的大小自动调节阀板大小，降低油井含水率上升速度。但国内外针对AICD 控水阀的研究主要集中在结构和油藏耦合模拟方法上，对于常用的浮板型AICD 控水阀的过阀压降与流体物性、流速等的关系研究较少。因此本文在实验的基础上，研究AICD 过阀压降模型，并结合南海某油田进行控水设计，评价控水效果。

1 浮板型AICD控水原理

1.1 浮板型AICD工作原理

浮板式AICD控水阀原理[17-20]是基于伯努利方程的流体机械能守恒定律，即动能+重力势能+压力势能等于常数，常数是指浮板上下的机械能是个常数。根据流体黏度与速度的关系，自动调节浮板上下运移，如图1所示。黏度高的流体流速慢，浮板上方流体动能小，势能大推动复盘向下运动，增大流体过流通道；黏度低的流体（如水和气）流速快，浮板上方流体动能大，势能小，浮板上移，减小过流通道。

图1 不同流体流过时浮板移动示意图

1.2 浮板型AICD压降模型

目前国内外普遍通用的浮板型AICD 控水阀压降模型表达式见式（1）[21]，过阀压降主要受流体密度、黏度、流量和阀的数量等影响。流体黏度越大、密度越小、流速越低，完井压降就越小。

式中：∂P、q分别为过阀压降和流量，MPa、m3/d；ρmix、μmix分别为混合物的密度和黏度，kg/m3、mPa·s；n为单根短节上阀的数量，个；aAICD为AICD阀强度参数；ρcal、μcal分别为校准的密度和黏度，kg/m3、mPa·s；x、y均为常数。

海上常规油田开发主要涉及油、水两相流，产气量较小。因此可以简化压降模型研究油、水通过浮板时产生的附加压降，以水相密度和黏度作为参考标准，研究单个控水阀压降模型。简化后的公式为：

2 浮板型AICD压降模型参数优选

2.1 AICD过流能力物理模拟实验

为研究浮板型AICD 控水阀的过流能力，设计室内物理模拟实验，实验流程如图2 所示。分别注入黏度为5 mPa·s煤油和水，测试海上油田常用的5 mm 浮板型AICD 在不同流体下压降与流量大小的关系，实验结果见表1。

表1 油水过阀压降测试结果

图2 控水阀测试流程图

从实验结果可以看出：①在低流速条件下（流量≤5 m3/d），由于流量小，流速低，浮板上下压差小，对流体密度、黏度等不敏感，因此浮板型AICD对油、水过流阻力相近；②当流量增大后（流量＞5 m3/d），水相黏度低、密度大，通过时浮板上方压强小，浮板上移，过流通道减小，水相过流压降增大；③与水相比，煤油黏度高、密度低，在相同流量下（流量＞5 m3/d）,过阀压降远小于水相，表明在高流速下黏度是影响压降的主要因素。

2.2 压降模型参数优选

非线性回归常用的方法是通过变量转换和对数变换，将非线性回归转化为线性回归，按照最小二乘法的原理，求取表达式中的系数值，使模型与实验数据的误差平方和最小。因此对式（2）进行线性变换：

令Yi为计算出的压降数值，qi、Yj为实验测得的流量和压差，则：

令：

根据最小二乘法的原理，分别对aAICD、x、y求偏导数。当φ趋近于零时，表明拟合的模型能够基本表达变量之间的关系。用纯水进行实验，此时ρmix=1 000 kg/m3，μmix=1 mPa·s；用纯油进行实验，此时ρmix=800 kg/m3，μmix=5 mPa·s，进行迭代计算，拟合aAICD、x、y3个参数的数值。

最小二乘法迭代计算可以借助于SPSS 软件非线性回归分析模块进行，导入上述压降模型和实验数据，经过97 次迭代后结果趋于稳定，此时估算的参数结果见表2，方差分析见表3。

表2 参数估算值

表3 参数方差分析

该模型R2=1-（残差平方和）/（修正平方和）=0.993，拟合效果较好，能够较精确地表达该阀的压降模型。此时压降模型表达式为：

用上述模型计算不同流量下的压差，如图3 所示，结果与实验值基本吻合，能准确反映过阀压降与密度、黏度、流量等的关系。同时对比了相同孔径ICD 控水阀的压降曲线，由于ICD 阀不具有调节流道的能力，在高流速条件下压降小于AICD 阀，且水相流动阻力远大于油相，证明AICD 控水效果要优于ICD。基于拟合后的表达式，分别计算了5 mmAICD控水阀在不同含水率条件下的流体过阀压降大小，计算结果如图4 所示。从图4 可以看出，在含水率＞50%、流量＞30 m3/d时，压降明显增大。为防止地层出砂，油田普遍允许的最大完井压降在3～5 MPa，因此AICD 控水不适合已发生水淹的高产量油井。

图3 不同流量下的过阀压降

图4 不同含水率下的流体过阀压降

2.3 控水完井案例分析

采用AICD阀进行控水完井时，除了要达到控水的目的，还要满足油藏的配产要求，因此在进行控水方案设计前，需要按照产量初选控水阀孔径大小。以海上某口井A1H为例，该井下入139.7 mmAICD控水筛管，进行机械控水完井，按照油藏要求投产后该井生产压差要控制在1.5 MPa 以内，最大液量300 m3/d。水平段长度为300 m，考虑控水阀损坏、砂堵等情况，单阀平均产液量达到20 m3/d，可以满足产能要求。按照产量与压差的关系图版，采用5 mm控水阀可以满足该井不同含水率时期的产量和生产压差的要求。

A1H 井投产初期日产液147.87 m3，日产油146 m3，含水率1.26%，井底流压9.78 MPa，生产压差0.97 MPa，与油藏预测相比日产油提高了56 m3，含水率降低了16.5%，投产一年后日产油166 m3，含水率10%，控水增油效果显著。同层位相同构造位置的邻井A5H 采用139.7 mm 普通筛管砾石充填防砂完井，投产初期日产油80.2 m3，含水率8.6%，生产8个月后日产油7.1 m3，含水率97%，证明设计合理的AICD控水完井能够有效抑制含水上升速度，提高采油量。