0引言
智能井技术是一项新兴的油藏油田生产管理技术,主要利用在井下安装永久性的传感器,实时的监控井下参数,利用地面平台对井下开采合理的控制,提高油田的采收率,降低生产成本[1]。智能井技术一般有井下信息收集传感系统、井下生产控制系统、井下数据控制系统和地面数据收集分析、反馈系统,与常规生产管理技术相比有很多不同,如能够通过地面系统监测井下流入阀的节流位置,遥控生产,实时获取井下信息,可以控制不同产层的流量,最大限度的节约生产成本[1]。
井下流量控制阀采用滑套结构,由液压控制来推动滑套的移动,改变控制阀节流面积的大小,影响控制阀的流入动态。其是智能井技术的核心,是智能井实现智能开采的执行元件。
国际市场上,Welldynamics和BakerHughes在对井下层间流量控制阀(ICV)的研究,处于领先地位。
Welldynamics推出了HS-ICV、HV_series-ICV、IV_series-ICV和MC_series-ICV等不同系列的井下层间控制阀(ICV);BakerHughes也推出了HMC液控井下层间滑套系列的井下层间控制阀(ICV)用以满足不同的井下条件[2]。斯伦贝谢石油公司有TRFC系列的可回收式流量控制器等。图1为科威特某第一个安装有智能井系统的油田系统简图,该井分为两层,分别安装有流量控制阀(ICV),分别控制两个油层的开采。
1控制阀在单层控制中的应用
流量控制阀一般安装在射孔上部,封隔器下部,用于选择性的开采被分隔油层,提高油井采收率。在工程运用中采用节点分析法和节流口流体动力学对其分析。
节点分析法分析的对象是油藏到地面分离器整个油气系统,其本身的思想是在某位置设置节点,以压力和流量的变化关系为主要线索,把节点隔离的各层流动过程的数学模型有序的联系在一起,从而确定系统的流量。流量控制阀的设计主要是对进入控制阀的流量和流量控制阀压差的分析,在此基础上确定控制阀的流动特性。本节分别在进入控制阀前设置节点1(如图1)和原油流入控制阀后位置设置节点2(如图1)。分别代表在环空和油管的流动特性。
井下流入动态曲线(IPR)表示一定地层压力下,油井产量与井底流压的关系,反应了油层向井筒的供给能力(即产能)。其定量关系涉及油藏压力、渗透率、流体悟性、含水率及完井状况等,可根据系统试井资料用图解法获得此特性曲线。油管流出曲线是表示在一定井口压力的情况下,油管流量和井底流压的关系[3]。反应了油管的流动能力。两条曲线共同表示了油层的产量与井底压力的关系。如图2所示的两条曲线的交点A的流量就是相应油层的理论产量,其压力为理论的井底平衡压力。
控制阀一般由液压或电力控制的节流阀,能够通过地面控制系统进行调节。相对于仅有开/关功能的控制阀,多级流量控制阀往往有几个控制位置,他们有不同的节流面积、不同的形状和不同的流动特性,来满足控制要求。通过阀的流量通常和阀的流量系数和阀的前后压差相关,一般可认为[4]:
式中:Q为控制阀流量;Cv为阀的流量系数;P1为上部2倍直径接口压力;P2为下部6倍直径距离压力;R为流体密度。
控制阀的安装一般界于如图1所示的节点1和节点2之间,平衡两个节点的压力,使油层的产量稳定于某一特定值。此时控制阀两边的压差为[5]:ΔPChoke=PIPR-PTPC(2)如图2中所描述的井下流入动态曲线(IPR)和油管流出特性曲线(TPC)曲线相交在A点,也就是在没有使用的控制阀或控制阀全开时的油层产量,图2中的Δp曲线是两条特性曲线的差值曲线,表示两节点稳定流量所需要的平衡的压差。安装控制阀的目的就是平衡节流口前后的压差,根据流量与压差的特性关系,达到所需要的油层产量。如图2中的控制阀流动曲线是和流动系数相关的曲线,和压差曲线相交的点就是该节流面积下的稳定流量,经过这一点和原始点做的曲线,就可近似的得到油层-控制阀流入曲线,其与TPC曲线的交点就是此开度下,流经控制阀的流量[5]。
但是在实际的现场应用中,由于井下环境复杂多变,往往要通过设置在井下的永久传感器,实时采集井下参数,根据流量、压差和节流面的的关系,精确的调节不同控制油层的产量。
2控制阀在多层合采时的应用分析
在油井生产中,一口油井会包含多个生产油层,由于井下各产层之间的地层压力和渗透率的不同,而引起的各油层的产能不同,若不采取措施使各油层协同开采,油井的开采率就较低[7]。使用井下流入控制阀对不同产层进行有选择性开采或有节制的开采,提高油井的采收率。控制阀也可均衡隔断的流量控制油层的压力,使各原油层段同时以各自的生产压差同时生产(出油),增加油井产量。
以多层合采,控制某个单一油层控制阀为例,介绍控制阀在多层合采中的应用。在分析时假设各层间的压力是均衡的,且各油层之间不相互干扰。同样利用节点分析法,在上层油层控制阀的出口位置设置节点3(如图1)。各层间阀全开时的井下流入特性曲线分别为图3中的各层流量特性曲线,各曲线表示在节点3的对应压力下的相应的产量,图中曲线A表示各油层的总产量,是各油层流量的总和。总流入曲线(IPR)和TPC曲线相交于A点。同压力下各油层的流出曲线相对应的流量值就是相应油层的出油流量。
当需要对某一油层控制生产时,可通过地面控止系统,关闭或减小这一油层的节流位置。如图3所示,在将油层B的节流面积降低时,油层B的流入曲线斜率降低,整个系统的总产量降低,总的流入曲线的斜率增大,平衡点沿油管流出曲线向左移动,平衡压力降低,从而使另一油层的产量增加,也就是说限制某一油层的产量的同时会增加其他油层的产量,同时整个油井的产量降低。当然如若保持其他各油层的产量可以通过调节井口压力来调节油管流出特性曲线来保证其他各层的产量不变。
3节流面积、压差和流量三者关系的探讨
图4为流体分析模型,实际流体在流动时会因流体的粘性摩擦力而引起能量损失。根据能量损失的形式又分为沿层阻力损失和局部阻力损失。地层原油经射孔、套管环空,流经节流阀时,局部流动边界急剧变化,流动阻力主要集中在该局部区域,在这个区域时产生漩涡,和速度方向的改变,使得局部压力损失是经过节流阀时的主要损失方式。而沿层压力分布是克服沿层阻力的能量损失,在经过节流阀时为次要的能量损失方式。根据伯努利方程可以得到流经节流阀前后的平衡方程为:
式中:H1、H2为测量压力的高度;p1为进入节流阀前的静压;p2为在流入油管后的静压;v1为在环空的平均速度;v2为进入油管后的平均速度;H0为水头损失,为沿程损失和局部水头损失的和。
工程应用中由于阀的安装位置和倾角有所不同,故而计算中忽略重力对局部损失和沿程损失的影响,因此仅研究节流口开口大小与流量和压差的关系。地层原油流经节流口时流动方向经过两次改变:
由环空进入节流孔,流道突然收缩和由节流孔流入油管时流道突然变大。假设油管截面面积和环空的面积分别是A1、A2,节流口面积的大小为A,设环空面积和油管节流面积和节流口面积的的比值分别是1/α和1/β。另流体自环空流经节流口时流道突然缩小时的局部阻力系数为ζ1,其值为0.5(1-α);另流体由节流口流出时的局部阻力系数为ζ2,其值为ζ2=(1-β)2。则通过节流阀的局部水头损失为:
雷诺数是评价流体流动的一个重要因素,是流动状态的体现,是和流体流动速度、运动粘度和管径相关的参数,即:Re=v·d/ν。流体在环空和油管内流动速度比较高,因此流体通过节流口的沿层能量损失是不可忽略的,但又不及局部压力损失,因此是次要的能量损失形式。而沿层能量损失是和流体流动状态等因素相关的,确切的说和雷诺数相关。由于流动速度较大,设计计算中所选用的沿层阻力系数为λ=0.314Re-0.25。沿层能量损失为原油在环空和油管流动沿层损失之和,根据式(1),选取流动距离和直径的比值为6。因此沿层水头损失可表示为式(5)。
综上所述可得到流经控制阀的流量、压差和节流面积的关系如式(6),根据式(1)也可推出在设计控制阀时的流量系数的理论值。
4仿真分析
计算流体力学是用离散化的数值方法及电子计算机对流体无粘扰流和粘性流动进行数值模拟和分析的学科,通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。图5为控制流量数值结果。
以图4所示的模型为基础,以安装在3.5英寸油管和4.5英寸生产套管中的控制阀为原型,并以满足式(1)要求,以计算出口边界和入口边界距节流口为6倍直径的距离的尺寸,应用CFX流体分析软件对控制阀节流面积-节流口压差-控制阀流量的特性关系进行分析和探讨,并验证式(6)。在利用CFX软件分析时,做以下假设:假设井下流量控制阀为理想阀,不存在泄漏等情况、假设原有介质为不可压缩流体、原油为牛顿流体,假设动力粘度为常值,不随速度梯度变化、假设流体为单项流。
模拟介质选用的是密度为800,动力粘度为10MPa·s的轻质原油。分别在压差为1~6MPa的情况下模拟求解,其分析结果如表1,表示阀在不同开度和不同压差下的理论流量和数值分析值,并根据式(1)计算出阀不同位置下的流量系数曲线如图5。
5结论
流量控制阀是智能井系统的执行原件,是智能井的核心。通过控制阀的节流面积,平衡流入和有关流出压差,改变流经控制阀的流量,从而改变井下流入特性。也可通过调控某一特定产层的控制阀,对产层有选择性的生产,或是协调各产层间的生产。
笔者通过流体动力学分析,总结出流量、节流面积和压差间的关系公式,并通过CFX流体分析软件模拟计算,并得到节流面积在一定值之内数值解与流畅仿真软件的差值较小,能作为流量控制阀设计时的参考值。由于井下环境较复杂,因此理论得出的结论仅作为实际生产的参考,在井下安装永久传感器,实时采集井下数据,能达到精确的调节控制层的产量的目的。
参考文献: [1]姚军,刘均荣,张凯.国外智能井技术[M].北京:石油工业出版社,2011. [2]盛磊祥,许亮斌,蒋世全,等.智能完井井下流量阀液压控制系统设计[J].石油矿场机械,201241(4):34-38. [3]李颖川.采油工程[M].北京:石油工业出版社,2012.