一种新型AICD的设计及其数值模拟

曾泉树　汪志明　王小秋　魏建光　邹伟林　李毅巍（.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京　049；.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆　6338）

一种新型AICD的设计及其数值模拟

曾泉树1汪志明2王小秋1魏建光2邹伟林1李毅巍1
（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）

长水平井易过早见水/气，在完井段上安装流入控制装置（ICD）可有效解决该问题。针对油井见水后被动式流入控制装置（PICD）发生失效，而当前各自适应流入控制装置（AICD）均存在其局限性的问题，创新提出了一种新型自适应流入控制装置，该装置由Y形导流器和圆盘形限流器组成。利用数值模拟软件分析了其内部流动规律，优化了其结构参数，并基于优化结果研究了流体参数敏感性。研究结果表明，该装置在径向连接方式、60°分支角、3个Y形导流器情况下的结构最优，且其对密度、黏度均不敏感。新设计的装置稳油控水能力强，不含可动件，对油相密度和黏度均有较大的适用范围。

自适应流入控制装置；设计；数值模拟；结构优化；敏感性分析

由于“跟趾效应”［1-2］、储层非均质性［3］、储层各向异性［4］和天然裂缝［5］等因素的影响，长水平井的生产剖面通常难以持续保持均衡推进，并将在油井的跟端处、高渗层段和裂缝处过早见水/气。一旦油井发生水/气锥，由于水/气黏度较低，将在锥进处形成快速通道，并抑制其他位置的产油量。为了消除这种不平衡现象，可在完井段上安装流入控制装置（ICD），通过产生附加压降来保证入流剖面沿整个水平段的均匀性。当前国内外已研制开发出各种不同的ICDs，根据其流动阻力等级（FRR）是否恒定，这些ICDs可分为被动式入流控制装置（PICD）和自适应入流控制装置（AICD）。当前的PICDs分别利用限制原理（喷嘴型［6］、孔板型［7］）、摩擦原理（迷宫型［8］、螺旋通道型［9］）或者结合这2种机理（混合型［10-11］、喷管型［12］）来产生附加压降。由于PICD的FRR是定值，一旦油井发生水/气锥，低黏度的水/气将会占据整个井筒，并抑制油相的流动，从而导致油井产量大幅下降。

而对AICD来说，一旦油井见水/气，其将对水/气产生一个更大的阻力，从而达到稳油控水/气的目的。平衡片式AICD［13］利用油气的密度差来控制平衡片的开启或关闭，不过该可动平衡片很容易出现故障，且由于油水密度差别不大，该装置不能有效控制水锥。RCP阀［14］利用动压力和静压力的平衡关系来控制可动盘的位置，然而当施加在该可动盘上的压差超过其承受极限时，该部件就会损坏。EquiFlow AICD［15］则是利用流体惯性力和黏性力的平衡关系来改变流体通过装置时的流道和阻力，不过其黏度适用范围较小，需要针对不同储层条件专门设计。

由于使用ICDs的油井通常能够生产5到20多年不等，该装置的长期稳定性对油井的成功开发至关重要。因此，在油井生产的不同阶段，ICDs都应具有较好的性能表现，尽可能减少或者消除可能出现的不良结果［16］，但目前还没有哪一种ICD能够达到这种理想性能。

1　新型AICD设计

为了解决上述问题，结合2种动态流体技术，创新提出了一种自适应入流控制装置，见图1，该装置通过Y形导流器导流，通过圆盘形限流器限流。

图1　新型AICD的结构示意图

根据图1可知，圆盘形限流器可与多个Y形导流器相连。Y形导流器包括主流道和分支流道，两流道之间呈锐角，同时所有流道的管径相同。主流道与圆盘形限流器切向相连，而分支流道则可能与圆盘形限流器切向或径向相连。因此，一个圆盘形限流器所能连接的Y形导流器的最大数量，取决于分支流道与限流器的连接方式和分支角的大小，具体见表1。

表1　一个圆盘形限流器所能连接的Y形导流器的最大数量

Y形导流器实质上是利用流体惯性力和黏滞力的平衡关系来改变其流体导向行为的。而雷诺数是表征惯性力和黏滞力比值的无量纲数，因此需要研究不同雷诺数下的导流行为。具体来说，在低雷诺数下（Re≤2 320），黏滞力将会对流场产生更大的影响，流体更容易转向，流入分支流道。随着雷诺数增加，惯性力逐渐增加而黏滞力减小，流入分支流道中的流体减少而流入主流道中的流体增加。当雷诺数较高时（Re≥4 000），情况则恰恰相反，此时惯性力将会对流场产生更大的影响，使得更多的流体保持其原流动方向，流入主流道。另外，Y形导流器的分支角越大，流体改变其原流动方向所需的黏滞力越大。总体而言，Y形导流器主要根据分支角大小和流体性质调整其流体导向行为。

对于径向连接方式来说，圆盘形限流器有径向入口和切向入口两组入口。主流道流体沿切向流入限流器，相对限流器中心出口具有一个很大的转动惯量，流体将随着其不断接近出口而开始高速旋转。而分支流道流体沿径向流入限流器，相对限流器出口几乎没有转动惯量，流体将沿最短的路径直接流向出口。这两股流体将会互相影响、混合，并产生不同的限流结果。正如上文所描述的，在低雷诺数下，分支流道流量较大，将对流场产生更大的影响，并带动混合液直接流向出口，此时限流作用最小。随着雷诺数增大，主流道流量增大，而分支流道流量减小，此时旋流作用增强。在高雷诺数下，主流道流量较大，将对流场产生更大的影响，并带动混合液高速旋转，此时限流作用最大。

对于切向连接方式来说，所有的流体都将沿切向进入限流器，并伴有很大的转动惯量。然而，其转动惯量方向通常不同，且沿不同入口进入的流体将会在限流器的某一位置以相反的方向汇合。流体汇合后，其转动惯量将会减弱甚至相互抵消。正如上文所描述的，在低雷诺数下，不同流道的流量相当，其转动惯量将减弱甚至相互抵消，因此混合液将直接流向出口，此时限流作用最小。随着雷诺数增大，主流道流量增大，而分支流道流量减小，转动惯量变大，此时旋流作用不断增强。在高雷诺数下，主流道流量较大，将对流场产生更大的影响，并带动混合液高速旋转，此时限流作用最大。

通过结合上述2种动态流体技术，将使得装置对于不同的流体产生不同的限流阻力。具体来说，黏度较高的油黏性力较大，更容易发生转向进入分支流道，限流作用较小；而黏度较低的水惯性力较大，更容易保持原流动方向进入主流道，在限流器中充分旋转，产生较大的限流作用。总而言之，在见水前，该新型设计将产生一个附加压降来保证入流剖面的均匀性，与常规PICD相似；一旦油井见水，该新型设计能够立即识别，并对水产生更大的流动阻力，抑制其流动，从而保证油井持续稳产。

2　建模与分析

2.1建模

该新型ICD存在多个入口，其压降很难通过理论计算直接求得，通过实验获取数据费时费力，而随着计算机硬件和CFD技术的发展，数值模拟已广泛应用于复杂流动的研究。因此，利用数值模拟软件对油水通过这种新型装置的规律进行了研究，并进一步研究了其结构参数优化和流体性质敏感性。

该装置在不同连接方式、不同分支角和不同Y形导流器数情况下的几何模型都是在专业建模软件中生成，通过布尔运算得到其内部流动模型并进行网格划分。每一个模型都有多个入口和1个出口，入口设置为velocity-inlet，出口设置为outflow，其他为wall。当模拟层流时，选用层流模型；当模拟湍流时，选用标准κ-ε模型。当流体为油水两相分散流时，选用混合模型；当流体为油水两相分层流时，选用VOF模型。由于ICDs一般是水平放置的，文中的模型考虑了重力的影响。

2.2结构参数优化

为提高该装置稳油控水的性能，需要对其结构参数进行优化，从而保证装置有较大的适用范围，优化的参数包括连接方式、分支角和Y形导流器数量。

表2　结构参数优化研究

2.2.1连接方式

主要考虑了2种连接方式：径向和切向。径向连接方式是指Y形导流器的主流道与圆盘形限流器切向连接，分支流道则径向连接。切向连接方式是指两流道均与圆盘形限流器切向相连。水和油在不同连接方式下的流线图分别如图2所示。

图2　不同连接方式下的水/油流线图

可以观察到，Y形导流器具有很好的导流性能。对水来说，其密度较大、黏度较小，雷诺数较大，惯性力对流场的影响更大，水更倾向于保持其原流动方向，主要沿主流道流入。对油来说，其密度较小、黏度较大，雷诺数较小，黏滞力对流场影响更大，油将同时在两流道中流动。

对于径向连接方式来说，圆盘形限流器有2组入口：径向和切向。主流道流体沿切向流入限流器，相对限流器中心出口具有一个很大的转动惯量，流体将随着其不断接近出口而开始高速旋转。而分支流道流体沿径向流入限流器，相对限流器出口几乎没有转动惯量，流体将沿最短的路径直接流向出口。这两股流体将会互相影响、混合，并产生不同的限流结果。在低雷诺数下，分支流道流量较大，将对流场产生更大的影响，并带动混合液直接流向出口，此时限流作用最小。随着雷诺数增大，主流道流量增大，而分支流道流量减小，此时旋流作用增强。在高雷诺数下，主流道流量较大，将对流场产生更大的影响，并带动混合液高速旋转，此时限流作用最大。

由于水具有高密度、低黏度的特点，其雷诺数通常较大，因此大部分水将保持原始的流动方向，主要沿主流道流入限流器，并在限流器中高速旋转，产生很大的限流作用。由于水相产生压降的位置为限流器，因此无论装置采用何种连接方式，都将产生较大的压降。

与水相反，由于油具有低密度、高黏度的特点，其雷诺数通常很低，因此将有部分油改变原流动方向并沿分支流道流入限流器。若分支流道与限流器径向相连，分支流道流体相对出口基本没有转动惯量，这部分油将会直接流向出口。若分支流道与限流器切向相连，分支流道与主流道流体都将沿切向进入限流器，并伴有一个较大的转动惯量。然而，方向不同的流体汇聚后，其转动惯量将削弱甚至相互抵消，从而使得油直接流向出口。综上，切向连接方式比径向连接方式具有更好的导流能力。然而，油相压降主要产生于Y形导流器，且随着油相黏度增加，油相压降也会相应增加。为了更好保证其稳油控水性能，油相压降不能超过水相压降，因此，该装置存在一个可用黏度上限，其定义为当油相压降和水相压降相等时所对应的油相黏度。由于切向连接时Y形导流器的流道长度远长于径向连接，这将使得油相黏度适用范围受到更大的约束。因此，为了提高该装置的黏度适用范围，径向连接方式是较好的选择。

2.2.2分支角

Y形导流器由主流道和分支流道组成，受其本身尺寸的限制，分支角应小于60°。水和油在不同分支角下的流线图分别如图3所示。

图3　不同分支角下的水/油流线图

可以观察到，大部分的水将保持其原流动方向，主要沿主流道切向流入限流器，旋流效应较强，并在圆盘形限流器内产生较大的水压损失。同时，水相旋流效应随着分支角增大而变强，并产生更大的水压损失。而油将分别沿主流道和分支流道流入限流器，旋流效应较弱。同时，分支角越小，旋流效应越弱，然而，此时Y形导流器流道长度大大增加，将产生大得多的油压损失。总而言之，分支角越大，水压损失越大，而油压损失越小。由于油压损失与油相黏度成正比，一旦油压损失大于水压损失，装置将失去其稳油控水能力，因此，对于不同分支角均存在一个可用黏度上限，如图4所示。

图4　油相可用黏度上限随分支角的变化规律

可以观察到，油相可用黏度上限随着分支角的增大而增大。一方面，水压损失主要产生于限流器中，水相旋流效应随着分支角的增大而变强，并将产生更大的水压损失。另一方面，油压损失主要产生在Y形导流器部分，且限流器流道长度随分支角的增大而显著减小，并将产生更小的油压损失。综上，油相黏度可用范围随着分支角的增大而扩大，经过分析，分支角为60°时性能最佳。

2.2.3Y形导流器数量

一个圆盘形限流器所能够连接的Y形导流器的最大数量主要取决于分支流道与限流器的连接方式和分支角的大小。径向连接方式可以与更多的导流器相连。同时限流器上可连接的导流器数随着分支角的增大而增多。水和油在不同导流器数下的流线图如图5所示。

由于总流量是固定的，Y形导流器的入口流速将随导流器连接数的增加而减少。一方面，随着流速的下降，惯性力对流场的影响变小，使得更多流体沿分支流道径向流入限流器，旋流效果减弱，压力损失变小，而油相压降降低更明显，就这一点而言，导流器越多越好。另一方面，流速降低后，向心力随之变小，流体做离心运动的半径变小，未能在整个限流器中充分旋转，产生的压降过小，就这一点而言，导流器越少越好。综上，存在一个最佳的Y形导流器数，能够充分利用圆盘形限流器进行限流，使得装置的油相可用黏度上限最大。油相可用黏度上限随Y形导流器数的变化关系如图6所示，可以观察到，3个Y形导流器时装置的油相可用黏度上限最大。

图5　不同Y形导流器数量的水/油流线图

图6　油相可用黏度上限随Y形导流器数的变化规律

2.3流体性质敏感性分析

该装置在径向连接方式、60°分支角、3个Y形导流器数情况下的结构最优。为进一步分析油水两相在该装置内的流动规律，分别进行了含水率敏感性、油相密度敏感性和油相黏度敏感性三方面的分析（表3）。由于水相性质通常比较稳定，文中并没有考虑水相性质的敏感性。

方案1研究了含水率敏感性，含水率（%）分别设定为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100。节流压降随含水率的变化如图7所示。可以观察到，纯水压降是纯油压降的4倍，这保证了装置稳油控水的能力。同时，随着含水率的增加，节流压降会先降低后增加，最低点为油水反相点。另外，一旦层流转变为湍流，壁摩擦因数会随着雷诺数的增加而平缓降低，因此压降也会随含水率的增加而平缓增加。

表3　流体性质敏感性研究

图7　含水率敏感性分析

方案2研究了油相密度敏感性。由于油相的密度范围通常为800～1000 kg/m3，因此密度（kg/m3）取值如下：800、850、900、950、1000。不同含水率下压降随油相密度的变化关系如图8所示。可以观察到，节流压降随油相密度的增加而线性增加，然而，其增幅较小。综上所述，该AICD对于油相密度并不敏感，即使在重油条件下仍有较好的稳油控水能力。

图8　油相密度敏感性分析

方案3研究了油相黏度敏感性。由于油相的黏度范围通常为1～200 mPa·s，因此黏度（单位：mPa·s）取值如下：1、2、4、10、20、30、50、100、150和200。不同含水率下压降随油相黏度的变化关系如图9所示。可以观察到，水产生的压降远比油大得多，尤其对于黏度处于4～200 mPa·s的油相。油相压降随黏度的增加先迅速下降，然后逐渐增大。一方面，随着油相黏度的增加，将有更多的流体流入分支管路，并直接流向出口，限流器内压降很小。另一方面，压降随着油相黏度的增加而增加。这2种相反的效应使得油相压降随油相黏度呈现出这种变化。另外，一旦含水率超过临界含水率，水相占支配地位，此时无论油的黏度如何增加，压降将会保持不变。综上所述，该AICD对于油相黏度并不敏感，即使在高黏度条件下仍有较好的稳油控水能力。

图9　油相黏度敏感性分析

3　结论与建议

（1）虽然切向连接方式的导流效果好于径向连接方式，但切向连接方式下Y形导流器的流道长度远大于径向连接方式，这将使油相压降大幅度增加，并最终导致油相黏度可用范围的缩小。因此，建议选用径向连接方式。

（2）分支角越大，水相在限流器中的旋流效应越明显，产生的阻力越大。同时，分支角越大，导流器的流道长度越短，对油相产生的阻力越小。因此，油相黏度可用范围随分支角增大而扩大，然而受其自身尺寸的限制，分支角不能大于60°，因此60°为最佳分支角度。

（3）Y形导流器数越多，入口流速越低，装置对油水产生的限流差异越大；然而，过多的导流器又会导致浪费。3个Y形导流器情况下该装置既能具有较大的油水限流差异，又能充分利用限流器进行限流，因此，3个Y形导流器数时对应的油相可用黏度上限最大。

（4）该新型AICD的水压损失是油相的4倍，具有较好的稳油控水能力，同时该装置对油相密度和黏度的适用范围均较广。

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（修改稿收到日期2015-01-23）

〔编辑薛改珍〕

A new type design of AICD and its numerical simulation

ZENG Quanshu1, WANG Zhiming2, WANG Xiaoqiu1, WEI Jianguang2, ZOU Weilin1, LI Yiwei1
（1. Petroleum Engineering College, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. Petroleum Engineering College, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China）

Premature water/gas breakthrough may occur in long horizontal wells, so an inflow control device (ICD) installed in completion section can effectively address this problem. After water breakthrough in oil wells, the passive inflow control device (PICD) fails and all kinds of current adaptable inflow control devices (AICD) are more or less limited to some extent. So a new adaptable inflow control device is presented, composed of Y-diverter and a disc limiter. Its internal flow pattern was analyzed and structure parameters were optimized using numerical simulation software, and the fluid parameter sensitivity was studied based on optimization results. The research shows that this device is in its optimal structure when in radial connection mode, at 60° branch angle, having three Y-diverters, and it is not sensitive to density and viscosity. The newly designed device is strong in oil stabilization and water control, and has no moving parts and enjoys a broad application range in oil density and viscosity.

adaptable inflow control device; design; numerical simulation; configuration optimization; sensitivity analysis

TE925

A

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0101 – 06

10.13639/j.odpt.2015.02.027

国家自然科学基金“水平井油气水砂多相复杂流动规律研究”（编号：51474225）；国家自然科学基金创新研究群体“复杂油气井钻井与完井基础研究”（编号：51221003）；国家科技重大专项“复杂结构井优化设计与控制关键技术”（编号：2011ZX05009-005）部分研究内容。

曾泉树，1989年生。在读博士研究生，主要从事油气井流体力学与工程方面的研究。电话：010-89734958。E-mail：wellcompletion@126.com。

引用格式：曾泉树，汪志明，王小秋，等.一种新型AICD的设计及其数值模拟［J］.石油钻采工艺，2015，37（2）：101-106.