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气锥、水锥流入控制阀的优化设计

 气锥、水锥流入控制阀的优化设计

目前市场上存在多种自动流入控制阀(AICD)的设计,应用比较普遍的有两种。一种是依靠液体的惯性和粘度将其推进阀门,另一种阀门采用了浮动设计,这种阀门能够有效限制气体和水的流入。最近,有人设计了一种内部带有遇水膨胀胶塞的喷嘴,目前这种新型的喷嘴还没有进入商业应用阶段。本文将主要描述上述三种装置的应用及特性。

油气井模型、油藏模拟和优化

本文所采用的井模型结是新一代商业油藏模拟器的一部分,该模拟器具有灵活的多节拓扑结构和超强的稳定性,还能提供更多的模型以供选择。

为了降低本项研究的成本,研发人员开发了一个专门用来优化研究的优化器。与其他常用优化器的比较结果显示该优化器具有更加优越的性能。

流入控制阀(ICDs) 建模

流入控制阀(ICD)的种类有很多,如喷嘴型、喷管型和螺旋通道型等。AICD与ICD的区别在于:AICD可以根据流量的变化来调整阀门的状态,但是其内部不一定存在移动部件。AICD的设计决定了可以通过阀门的液体种类,目前市场上已经出现了多种可供选择的AICD设计,包括挡板式阀门、油品选择式阀门、自动流入控制式阀门、生产流量控制阀门以及射流二极管式阀门。最近还出现了一种内部带有遇水膨胀胶塞的喷嘴设计,但是目前该设计还没有投入商业化应用。ICD和AICD通常安装在封隔器密封的区域内,或是安装在生产管柱上。

这些阀门在模拟过程中作为高级多段井模型的一部分。根据现场完井方式的不同,井下可能存在环流,地层流体流入井中,沿着环空的两个方向移动,从最短的路径进入主油管。

AICD 1:本文中所采用的第一代AICD装置的流动特性是基于RCP阀对流动做出的大体响应。RCP阀内有一个浮动圆盘,在类似于气体的低粘度流体流经该装置时,移动盘会朝着流入方向移动,阻碍流体的流动。流体粘度越大,产生的摩擦损失越大,这样使得移动盘背面的压力降低,移动盘远离入口,流体流速增加。

AICD 2:第二种AICD中设计了一个涡流二极管装置,允许需要的液体(如石油)通过,限制水等无用液体的流动,也可以添加更加自动的开关用来改进该装置。图1为装置流量系数与综合雷诺数之间的关系图,图中还将此类装置的流量系数同标准ICD喷嘴进行了对比。同样,图1中对比只是近似比较。

AICD 3:该类装置阀目前还处于理论设计中,其流动特征是根据含水率大小来抑制多相流。它以喷嘴式ICD为基础,将遇水膨胀型橡胶直接安装在喷嘴处。当水含量超过设计要求时,橡胶膨胀,喷嘴横截面积减少,流速降低。

为了模拟这一特殊装置,扩大了模拟器的多段井模型,这样内部约束可能会被施加在流经各段管的流体上。这种约束是管内流率或油/水/气体积流量的上限,可根据储层或地面条件来计算。如果流量超过极限值,阀门内部流量限制装置被激活,降低流速至低于极限值。在后续的模拟中,如果不再出现流速超过上限的情况,内部约束随即失效,随后流量以低于上限值的流速流动,自动节流作用停止。

气锥、水锥流入控制阀的优化设计

AlCD的现场应用

现场模拟研究在Ivar Aasen油田(原Draupne油田)进行,该油田位于北海北部,Johan Sverdrup油田西侧。该油田主要沉积情况为中型砂岩油田,深度2400米,油层厚度约为60米,水油流度比小于1。该油田的生产主要受输送能力的限制,最大的问题是原油的输送,其次是油水混合物的输送。该油田预计生产周期20年。

AICD的优点、设计优化

本文进行了确定最佳AICD横断面面积和设备校准指数的研究。为了确定喷嘴截面面积的范围,进行了分组研究,每组分别含有1-4种、直径介于1.6、2.5、4毫米喷嘴,这样分组保证了喷嘴数量和喷嘴面积在模拟中的连续变化。

六个生产井中共放置237 个AICD,每个装置间隔12米,每次模拟运行约60分钟(四核)。显然,对于实地优化研究来说的,变量的总数过多。有多种方法可以解决这种大型优化问题,针对现场状况选择了“直接-连续”方法,即在连续域内定义每个装置的有效横截面积。此外,为了减少模拟变量的数量,假设每口井内的AICD具有相同的四个变量。变量是井深的函数,其分组由每口井的产率决定。生产井1(37个装置)分为两组,生产井2(47个装置)分为四组,生产商3(56个装置)分为四组,生产井4(16个装置)作为一个群体,生产井5(46个装置)分为四组,生产井6(37个装置)分为三组。六个生产井总共18组,这样一来只需将剩下的72个控制变量进行优化。

提高石油生产和控水能力

为了评价这三种设计类型AICD提高石油产量和控水的能力。首先,令所有井都安装AICD 1或AICD 2,分别使用最优截面面积运行模拟;然后,将横截面积受含水率控制的AICD 3安装在所有生产井内,运行第三次模拟。对比使用三种装置在模拟中的累积产油和产水量可以发现:虽然在生产周期中期时产量相对变少,但是AICD 1和2的最终累计产油量同基本情况相接近;安装了AICD 3的模拟结果显示累计产油量少,累积产水情况则大大改善(水产量降低)。AICD 1在生产周期的大部分时间内改善了(降低水产量)产水情况,但在生产到第23年时水产量便接近了裸眼完井方案的水产量,AICD 2在生产周期结束时的产水量还要稍多一点。比较实际生产价值:与裸眼完井生产相比,配备AICD 1和2的油井产油量增加了大约39万标准立方米,配备AICD 3 的油井则减少了1 93.2 万标准立方米的产油量。对比累积产水情况:与裸眼完井方案相比,安装AICD 1的井累积产水量多出36万标准立方米,安装AICD 2的井多产出144万标准立方米水,安装AICD 3的井则减少了9011万标准立方米的产水量。

关于模拟的思考

由于采用AICD 1、2和假设条件下AICD3生产水的曲线与实际生产水曲线近似相同,此次模拟只能作为试验性结果。但基于商业应用设计,在油产量相同的情况下,使用AICD 1油井的水产量要明显低于使用AICD 2的油井,AICD 1也比AICD 2更加匹配优化校准参数。AICD 3还并未投入商业使用,其能够明显降低水产量,但是油产量也有一定程度的降低。通过适当的优化与油田油藏实地动态模拟,最终ICD和AICD都提高了收益并抑制了产水量,这表明该装置的效率可能会成为影响油田生产的最重要参数。

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