潘鹤弦 张港玲 马梦琪 张恒 王晓东
摘 要 水平井对于薄、低渗透以及小储量边际油层的开发具有其独特的优势，极大地改善油气田开发的经济性，提高了油气田开发的效果和效益。但在不同类型的油藏开发中，尤其是底水油藏，水平井面临的一系列难题日益突出，主要表现为底水脊进过快，导致水平井含水率快速上升、水锥严重。为此，通过研究国内外底水油藏的控水原理以及新技术，针对我国底水油藏开发所面临的技术难题，研制出了一种新型的AICD控水装置。借助CAD软件进行建模，CFD软件进行流体分析，通过数值模拟，该装置对底水油藏水平井的开发具有稳油控水的作用，能够提高水平井的有效井段，从而改善开发效果，提高采收率。
关键词 底水油藏 水平井 AICD 控水
中图分类号：TE355 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.06.025
AIDC Completion Water Control Technology for Horizontal Wells in
Bottom Water Reservoirs
PAN Hexuan， ZHANG Gangling， MA Mengqi， ZHANG Heng， WANG Xiaodong
（College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249）
Abstract The horizontal well has its unique advantages for the development of thin， low permeability and small reserves marginal oil layer， which greatly improves the economy of oil and gas field development， and improves the effect and benefit of oil and gas field development. However， in the development of different types of reservoirs， especially in the bottom water reservoir， a series of difficult problems are becoming increasingly prominent in horizontal wells， which are mainly manifested in the rapid growth of bottom water ridges， resulting in rapid increase in water content in horizontal wells and serious water cones. Therefore， by studying the water control principle and new technology of the bottom water reservoir at home and abroad， a new type of AICD water control device is developed in view of the technical problems faced by the development of the bottom water reservoir in China. With the help of CAD software， CFD software is used to carry out fluid analysis. Through numerical simulation， the device has the effect of stabilizing oil and water control in the development of horizontal well in bottom water reservoir， which can improve the effective well section of horizontal well， thus improve the development effect and increase the recovery rate.
Keywords bottom water reservoir； horizontal well； AICD； water control
0 前言
水平井的生产剖面通常难以均衡推进，易在油井高渗层段、裂缝处过早见水。在底水油藏的开发过程中，一旦出现底水脊进，将大大地缩短油藏的无水采油期。针对这一难题，国内外研发了多种流入结构的控水装置（ICD），包括喷嘴型、迷宫型、螺旋通道型等结构，但被动式的ICD存在流动阻力等级恒定、见水/气失效等问题。为解决我国底水油藏水平井开发所面临的技术难题和现实问题，综合调研分析国内外的多种底水油藏水平井的控水技术，基于Y型流道平衡惯性力和粘滞力原理以及离心力分离原理，在流入控制器（ICD）的基础上自主设计研发了一种新型的AICD控水装置。
1 新型AICD装置结构及控水原理
新型自动流入控制器的设计基于Y型流道平衡惯性力和粘滞力原理以及离心力分离原理，见图1，惯性力大的流体由主流道流进AICD阀，粘滞力大的流体由支路流道流入AICD阀，主流道为切向式入口，支路流道为径向式入口，主流道与支路流道管径相同并且最佳夹角为60啊V髁鞯懒魈逖忧邢蛄魅？
AICD控制器内部，相对于中心出口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。而分支流体延径向流入AICD控制器内部，相对出口几乎没有转动惯量，流体将延最短的路径直接流向出口。当油水同时进入新型AICD时，由于油的粘度大，主要从支路流道进入腔室，以最短的路径流入喷嘴；水的粘度小，主要延切向流入腔室，在圆形腔室里旋转。由于水的惯性力远大于油的惯性力，流入腔室的油会以最短的路径到达出口，而水会在圆形腔室里产生高速的旋转压降。通过油水二者在惯性力和粘滞力上的差别，结合离心力分离原理，故水流过新型AICD的压降大于油流过时的压降，新型AICD限制了水的产出。
同时，新型AICD能够均匀剖面、消除趾跟效应、消除环空流影响等作用，又能根据流体性质和流动路径对油水进行自动分流分相处理，最后限制了水的产出。由于新型AICD装置不存在运动部件，其可靠性大大提高，适用于非均质强的底/边水油藏，能有效解决中高含水率油藏，大大改善油藏的综合开采水平。
1.1 基于CFD的流体流场分析
新型AICD的实体模型经ICEM软件进行结构化网格划分之后，再导入CFD软件里面进行流体数值模拟分析与计算，该软件从基本的物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，能清晰直观的获得数据，从而在理论上对新型AICD装置进行了验证。基于CFD的模拟实验分三种情况：在纯油的条件下，取油的粘度分别为1、20、50、70（单位：mPa.s），验证不同粘度下油的流速与压降之间的关系；在纯水条件下，取水的密度分别为1000、900、800、700（单位：kg/m2），验证不同密度下水的流速与压降的关系；在油水混合的条件下，含水率分别20%、40%、60%、80%，验证不同含水率下油水混合相的流速与压降的关系。在速度云图和压力云图中，不同颜色代表不同的流速、压力分布，其中蓝色代表流速、压力相对较小，颜色由蓝变绿再变红，意味着相应的速度、压力不断增大。通过分析速度云图和压力云图：纯水进入腔室比纯油进入腔室的速度快，而且纯水产生较大的惯性力进而在腔室内高速旋转，油的粘滞力较大，速度变化较慢，而在喷嘴处速度增加；纯水从入口到喷嘴的压降大于纯油的，说明水在腔室内高速旋转时产生了附加压降；油水混合时，水主要从切向入口进入，然后在腔室内产生高速旋转，油主要从径向入口进入，易最短的路径到达喷嘴，水产生的压降大于油产生的压降，故新型AICD能控制水的产出。
1.2 基于CFD模拟的流体敏感性分析
新型AICD根据流体的性质和流动路径限制水的产出，在油水混合条件下，对新型AICD粘度、密度和流速敏感性进行分析，结果见图2。CFD软件流体数值模拟过程中得到：在纯油的条件下，一定粘度的油随着流速增加压降上升；纯油在相同流速下，粘度越高压降越小，故新型AICD能适应多种粘度的油；在纯水条件下，水的密度一定时，随着流体流量增加压降增大；随着水的密度的增加压降越大，但是密度从700kg/m2增加到1000kg/m2，压降变化只有0.02～0.028MPa，因此密度对压降影响很小。油水混合时，一定含水率下，随着流体流量增加压降增大；随着含水率的增加压降增大，在含水率从20%上升至80%的过程中，压降变化率也增大，说明混合流体流经新型AICD后，AICD能改变压降进而控制水的产出。通过分析敏感性曲线，流体流过新型AICD的压降主要由流体的粘度和流量决定，流量越大控水效果越好，故新型AICD能够适应多粘度和多密度下的流体，对于中高含水率的底水油藏也有明显的控水保油的优势。
2 结论
（1）传统ICD无法适应油井见水后的一系列问题，新型AICD的设计理念融合传统ICD的优点，又能根据储层生产动态进行自我调节。该装置是根据流体特性和流动路径限制水的产出，无需在井下安装其他运动部件和电子设备，故具有较高的实用性和可靠性。
（2）在流体敏感性分析时，流体流经新型AICD时，随着流体流量的增加压降升高，并且流体的压降变化与流体密度关系不大。油水混合相时，随着含水率的增加，流体的压降升高，压降变化率也升高。故该新型AICD能在较复杂的粘度、密度条件下有效控制水的产出。
（3）新型AICD从设计到CFD软件的流体模拟分析，都实现了“控水保油”的目标，其安装位置灵活，能够适应目前大部分中高含水的底水油藏，并且能够解决见水前后的一系列储层问题，改善油田的综合开发效益。
基金项目：中国石油大学（北京）大学生创新创业训练计划资助（2017）项目“底水油藏水平井AICD完井控水技术研究”
参考文献
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