AICD流道参数的设计方法与流程

本发明属于石油开采技术领域，尤其涉及AICD流道参数的设计方法。

背景技术：

石油的开采过程中，由于“跟趾效应”、储层非均匀质、储层各向异性和天然裂缝等因素的影响，长水平井的生产剖面很难水平均匀推进。石油储层的跟端处、高渗透层和裂缝处容易形成水(气)锥。一旦在油井中形成水(气)锥，由于水(气)的粘度小于油的粘度，水(气)会在形成锥形的地方快速形成通道并且进入输油管道。这种现象称之为油田见水(气)。见水油井抑制自身产油量的同时，也会抑制其他油井的产量。

为了解决油田见水(气)的问题，国内外的科学家经过多年的研究，采取了在水平完井的水平剖面上安装流入控制装置(以下称ICD)的方法。ICD的核心原理就是由于水、气和油拥有不同物理特性(粘度和密度)，所以流过设计好的特定装置后会产生不同的附加压降，通过控制水、气和油三者的流量大小来保证水平完井的入流平面沿整个水平面的均匀性。ICD根据流动阻力等级(FRR)是否恒定又可分为被动式流入控制装置(PICD)和自适应式流入控制装置(AICD)两种。由于PICD的FRR是定值，一旦水平完井中产生水(气)锥，黏度较低的水(气)将会迅速占满整个井筒，使油井的产油量急剧下降。由于AICD的FRR是变值，它通过含水比例不同的石油流过它所产生的附加压降不同来控制石油流量的大小。由于能够有效解决油井见水(气)的问题，AICD拥有很好的应用前景。

下面简单介绍一下AICD的工作原理。图1是AICD的流道示意图。AICD的流道由进口，主流道，支流道，圆盘以及出口五部分组成。拥有一定流速的流体由AICD的进口进入主流道。流体流经主流道与支流道的交接处时，会出现以下不同的情况：

(1)见水严重的石油由于粘度较小和密度较大，石油会在惯性力的主导作用下大部分流入主流道。经主流道切向进入AICD圆盘的流体由于拥有较高的流速，所以会在AICD的圆盘内部关于出口中心做回旋转动，这样流体对出口中心形成较大的转动惯量，从而使AICD圆盘内部的压力增加。由于进口的压力不变，所以AICD进口与出口的压差减小，AICD出口处的流量会减小。

(2)同理，见水程度较轻或者没有见水的石油由于粘度较大和密度较小，大部分石油会在粘滞力的主导作用下流入支流道。经支流道径向流入AICD圆盘的流体由于对出口中心没有转动惯量，因此很容易从出口流出，因此使AICD出口处压力较小。因为进口的压力不变，AICD进口与出口的压差较大，AICD出口处的流量会增加。

以上就是AICD的工作原理。通过抑制水的流量和保证石油的通流稳定来达到抑水增油的作用，从而抑制油井见水。

目前，科研工作者的研究方向只是局限于通过实验验证AICD拥有良好的抑制油井见水的工作性能，或者利用软件仿真验证AICD产生附加压降的效果。对于AICD流道结构的优化以及根据油井的实际情况设计出最佳工作性能的AICD的研究却很少。各个油田的产油量不同，所产石油的粘度和密度不同以及井下压差不同。因此需要根据各个油田的实际情况设计AICD流道的结构，使AICD抑水增油的工作性能达到最佳。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种拥有最佳工作性能的AICD的流道结构，使AICD最大程度地抑制油井见水，提高油井的产油量和寿命的AICD流道参数的设计方法。

本发明所采用的技术方案为：AICD流道参数的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、将AICD流道模型进行简化，所述AICD流道简化模型包括一个圆盘、一个主流道进口管道、一个出口管道、，所述主流道进口与圆盘相切并与圆盘内腔相连通，出口管道与AICD圆盘相连通；

S2、利用流体力学，通过流场分析得出AICD流道的出口流量与压力以及AICD流道各参数之间的关系式为：

上式中，P为油井的井下压差，d2为出口管道直径，λ为沿程阻力系数，L为流体流经AICD流道模型的路径实际长度，r为圆盘半径；

S3、根据公式(1)求得油和水的流量差值关系式，当q差取到极大值时，即AICD拥有最佳控水性能时，得出AICD流道的优化结构；

S4、计算主流道进口管道直径d1与AICD的流量q之间的关系式，并根据实际油井的工作压差P，油井生产的石油粘度μ和密度ρ以及所要求石油的流量q，计算出主流道进口管道直径d1，并通过主流道进口管道直径d1得出AICD流道的整体结构参数；

S5、根据步骤S4中得到的AICD流道的整体结构参数，利用数值模拟软件模拟油井的实际情况计算出石油流经初步设计的AICD流道的流量值q仿；如果＜设定误差比例，则d1为AICD流道的最终结构的主流道进口管道直径，否则，根据步骤S4中主流道进口管道直径d1与AICD的流量q之间的关系式，通过调节主流道进口管道直径d1使＜设定误差比例即可。

按上述技术方案，步骤S3中，计算出的理论AICD流道模型的初始结构关系式为：d2＝d1,r＝5d1,L支＝d1×sinθ，其中，r为圆盘直径，L主为主流道长度，L支为支流道宽度，θ为支流道与主流道之间的夹角。

按上述技术方案，步骤S4中，进口直径d1与AICD的流量q之间的关系式为：

其中，k为修正系数，修正系数k是利用FLUENT仿真后推导得出的数值。

按上述技术方案，AICD主流道形状为圆形，支流道形状为矩形。

本发明所取得的有益效果为：本发明能够使AICD的控水性能达到最佳，能够最大程度地抑制油井见水并且使石油的流速均匀，从而使长水平井的生产剖面均匀推进，增加油井的寿命和产油量。

附图说明

图1是现有的AICD流道示意图。

图2为本发明中简化的AICD流道简化模型示意图。

图3为AICD流道模型的俯视图。

图4为AICD流道模型的主视图。

图5为图3的A-A剖视图。

图6为图3的B-B剖视图。

图7是圆盘半径r与主流道直径d1的比值和流量差q差之间的关系图，此图用于得出控水性能最好的AICD流道中圆盘半径与主流道直径的对应关系。

图8是流体流经支流道流量与流经AICD总流量的比值，此图用于得出控水性能最好的AICD流道中主流道与支流道夹角的角度值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实例提供了AICD流道参数的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、将AICD流道模型进行简化，所述AICD流道简化模型包括一个圆盘、一个主流道进口管道、一个出口管道、，所述主流道进口与圆盘相切并与圆盘内腔相连通，出口管道与AICD圆盘相连通，如图2所示；

S2、根据流体力学，计算AICD流道的出口流量与压力之间的关系式，其推导过程为：

流体从主流道进口管道流入，经圆盘由出口管道流出。以100cp的石油为例，简化模型的计算如下：

根据流体力学中的伯努利方程可得：

其中v1是进口处流体流速，v2是出口处流体流速，P为进出口压差，h为进出口圆心的高度差(见图2)，ρ为流体密度，hω为单位重量流体由进口到出口的能量损耗，α1和α2分别为进口与出口的动能修正系数，层流时α＝2，紊流时α＝1。

且有

其中d1为主流道进口圆管管径，λ为沿程阻力系数，v为流体在圆盘内的平均流速，L为流体流经AICD的路径实际长度，ε为局部阻力系数,hλ为单位重量流体由进口到出口的沿程能量损耗，hζ为单位重量流体由进口到出口的局部能量损耗。

进出口流体的流速关系由流量连续性方程可得

其中d2为出口管道直径，q为流体流过AICD的出口管道的流量。

流体由主流道流入圆盘时，由流量连续性方程可得：

v×2×r＝v1×d1....(4)

其中r为圆盘半径。

联立(1)(2)(3)(4)式，省去式中数值极小项可得：

S3、根据公式(5)，可以计算出油和水的流量差值关系式为：

下面根据式(6)来设计AICD的流道结构，即当q差取到极大值时，AICD流道的控水性能达到最佳，从而可以得出AICD流道的优化初始结构，如图3-图6，下面具体介绍其设计过程：

(1)进出口大小的设计

由于式(6)有d1，d2，r三个变量，本步骤主要讨论d1，d2之间的关系。因此可以将d1，r两个参数看作常量，只对d2求导有：

其中

当q差取到极大值时，即有：

其中

经查表，ρ油＝850kg/m³,ρ水＝1000kg/m³。经仿真计算，λ油＝0.147，λ水＝0.0179，L油＝0.052m，L水＝1m。将以上数值带入上式可得：

一般r≥4d1，且前乘系数较小，所以这项可以省略。因此有：当q差取到极大值时，有d1＝d2。

综上所述，AICD的进出口大小相等。

(2)圆盘半径的设计

AICD流道中圆盘的作用是增强水在AICD中的回旋作用，使水在圆盘中的能量损失加大，增大AICD出口处的压力，从而进一步减小通过AICD的水的流量。圆盘的另一个作用是使经过支流道与主流道流入圆盘中的石油在圆盘中发生流向干涉，从而降低石油的流速，进而降低AICD出口处的压力，增加石油的流量。

圆盘半径的选取对AICD的工作性能至关重要。圆盘半径太小，会使石油在圆盘中的油流向干涉作用减弱，甚至会使石油在圆盘中做回旋运动，使出口压力增加，石油流量减小，流量差降低。圆盘半径太大，会使水经主流道进入圆盘后关于出口中心做向心运动，使出口压力减小，水通过AICD的流量增大，流量差降低。

根据以上分析，只要保持流体在AICD中的流速相对稳定，圆盘半径与主流道直径之间存在一种对应关系，使AICD的工作性能达到最好。经过数值模拟软件仿真分析，得出了圆盘半径r与主流道直径d1的比值和流量差q差之间的关系。如图3所示。

由图7可知，圆盘半径为主流道直径的5倍时，AICD的工作性能达到最佳。所以取r＝5d1。

(3)支流道个数的设计

水通过AICD的主流道与支流道的交接处时，由边界条件可知，靠近管壁部分水的流速为0。因此有少部分靠近管壁的水会由支流道径向进入圆盘。由支流道进入圆盘的水会与做回旋运动的水在圆盘内发生冲击，使水的回旋效应降低，水的流量增大。这对于AICD的控水性能是极为不利的。支流道个数越多，水通过AICD的流量越大。AICD的首要功能是控水，支流道的增多使AICD丧失了首要功能。因此，AICD的支流道越少越好。

综上所述，AICD的支流道个数取1。

(4)主流道与支流道夹角的设计

图8所示的折线图是以AICD的主流道与支流道为模型经数值模拟软件仿真计算后做出的。在工作压差为5MPa的情况下，粘度为100cp的石油通过模型时随着主流道与支流道夹角的增大，石油流经支流道流量占流经模型总流量的比重逐渐下降。水经过AICD时，大部分由主流道流出模型，支流道的流量占总流量的比值随着主流道与支流道夹角的增大几乎不发生变化。由此可知主流道与支流道夹角越小，AICD的控水能力越好。但是主流道与支流道夹角太小会使夹角处在加工后出现应力集中的现象。制作AICD的材料为硬质合金，这种材料脆性较大，因此主流道与支流道夹角过小会使应力集中部位发生断裂。AICD是在工作压差较大，工作环境较差(石油中会伴有泥沙和腐蚀性物质)的井下工作。为了使AICD拥有较高的耐用性，主流道与支流道夹角取30°。

综上所述，通过理论计算最终得出拥有最佳控水性能的AICD的流道结构的初始关系式为：

(1)AICD的进出口大小应该相等，即d1＝d2(d1,d2分别为AICD的进口和出口直径)；

(2)圆盘直径r＝5d1；

(3)AICD的支流道个数为1，且支流道的实际宽度均为L支＝d1×sinθ(θ为主流道与支流道的夹角)；

(4)主流道与支流道的夹角为30°；

(5)AICD的主流道长度为

(6)AICD主流道形状为圆形，支流道形状为矩形。

S4、AICD中100cp的石油的流态为层流，所以α＝2，带入式(5)，计算得到进口直径d1与AICD的流量q之间的关系式：

且有d1＝d2,r＝5d1,流体为粘度较高的石油，因此流体在AICD中的路径长度粗略取L＝26d1，沿程阻力系数可粗略估计(雷诺数Re与μ有关)。经查表，ρ油＝850kg/m³。

将以上参数带入上式可得：

其中k为修正系数，取k＝3.242219。

以上给出了理论计算AICD整体结构中d1的方法。修正系数k是利用FLUENT仿真后推导得出的数值。根据实际油井的工作压差P，油井生产的石油粘度μ和密度ρ以及所要求石油的流量q，计算出d1的具体值，通过d1可以得出AICD流道的整体结构的具体参数值，即d2＝d1,r＝5d1,L支＝d1×sinθ，θ＝30°。

需要注意的是，以上得出的流道结构并不是AICD流道的最终结构，因为上面的公式中有许多参数都是粗略估计得出的。

S5、根据步骤S4中得到的AICD流道的整体结构参数，利用数值模拟软件模拟油井的实际情况计算出石油流经初步设计的AICD流道的流量值q仿；如果＜设定误差比例，其中，设定误差比例值优选2％，则d1为AICD流道的最终结构的进口直径，根据上面计算d1的公式可知，流量q与d1²成正比。因此可以通过调节d1使＜设定误差比例即可。