AICD管柱工艺在海上油田水平井中的控水效果分析

图 1 AICD 的系统构成
1 AICD 的系统构成和工作原理
AICD 由一个固定的构件和一个可移动的碟片组 成，如图 1 所示，通过移动构件即自由浮动的碟片 的移动来控制液体流通面积的大小。固定构件上有 流入和流出通道，内部有个内腔，碟片在内腔移动 控制着液体流量的大小。
AICD 工作的基本原理是伯努利定律，在流体 流动时，流动横截面积由小变大。当流体流到碟片 和本体之间狭窄通道时，流体速度较大 ；流过狭窄 通道以后，通道变宽，流体的速度就会变慢。利用 有限元分析流体的流速云图，如图 2 所示。从图 2 中可以看出，碟片前端的流速高于后端的，与理论 分析一致。根据伯努利定律，在忽略流体流动的能
PD (MPa)
Q (m3/h) PD(MPa) Q(m3/h)
0.15
0.24
0.12
0.24
0.22
0.29
0.25
0.77
0.42
0.31
0.37
0.86
0.85
0.32
0.45
1.1
0.55
0.32
0.55
1.13
0.88
0.39
0.62
1.25
2.01
0.39
1.ห้องสมุดไป่ตู้5
1.29
3.03
0.43
图 6 AICD 管柱工艺应用前后的产油和含水率曲线
逐渐下降。从表 2 中可以看出，此井油压、产气量 基本保持不变，产水量由日产水约 1 100 m3，降到 540 m3，下降了近 51%。利图中数据得到产油和含 水率曲线，如图 6 所示。
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工艺技术
计量日期
施工前 施工后
2012.9.12 2013.6.18 2014.12.30 2015.9.18 2016.1.6 2016.1.7 2016.1.11 2016.1.13 2016.1.26 2016.2.2
表 2 AICD 管柱工艺应用前后的生产数据表
油嘴 mm
9 8.7 8.7 8.7 8.7 8.7 8.7 8.5 8.7 8.7
（2） 试 验 时， 先 连 接 好 试 验 流 程， 对 流 程 试 压 6 MPa，稳压 5 min，压力不降为合格。分别在搅拌罐 装清水、纯油、配置不同含水的油水混合液，开泵 进行试验，记录 AICD 阀前后压力及流量。
3.2 试验数据分析
对试验中的压力表和流量进行数据采集，得到
的数据如表 1 所示。
表 1 三种液体通过 AICD 时的压差和流量数据表
100% 水
PD (MPa)
Q (m3/h)
0.32
0.105
0.42
0.121
0.6
0.134
0.98
0.133
1.9
0.172
2.77
0.166
3.04
0.174
2.82
0.159
3.25
0.17
2.88
0.161
50% 油水混合液 100% 油（0.1Pa•s）
作者简介 ：朱橙（197-），男，毕业于新疆石油学院，工程师，主要从事油田钻井、完井等井下工艺设计及油田增产工作。 收稿日期 ：2016-03-22
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工艺技术
量损失时“流速增加、压强降低”可知，碟片前段 流体速度较大的区域是个低压区，碟片后段流体速 度小是个高压区 ；由于碟片的前端和后端所受的压 强不同，使碟片总的受到一个向前的压力，因此在 AICD 内部充满流动的液体时，碟片会浮在内腔的液 体中。
艺在海上油田水平井中的控水效果。首先阐述了 AICD 的系统构造和工作原理，通过对 AICD 进行油、水和油
水混合液的地面试验，绘出压差—流量曲线，研究在相同压差下流经 AICD 的不同粘度的液体的流量变化特点。
对海上油田生产水平井的生产和油藏参数进行综合分析，设计符合井工况的 AICD 管柱新工艺，水平井应用新
图 3 AICD 地面试验流程图
图 2 流体经过 AICD 的流速云图
2 AICD 的智能控水效果分析
根据能量守恒定律，可得粘性流体总的伯努利 方程，如下式 1 所示 ：
（1） 式中，P Ⅰ——液体在Ⅰ点的压强 ；ρ——液体的 密度 ；V Ⅰ——液体在Ⅰ点的流速 ； ——液体从Ⅰ 点流动到Ⅱ点的能量损失 ；P Ⅱ——液体在Ⅱ点的压 强 ；V Ⅱ——液体在Ⅱ点的流速。 依据伯努利方程中流体动态压力与局部压力损 失之和恒定的原理， 主要与流体的粘度、密度及 流速有关 [4]。当相对粘度较高的油流经阀体时，碟 片处于开启状态，当相对粘度较低的水或气流经阀 体时，碟片因粘度变化引起的压降自动“关闭”，从 而达到控水、控气、稳油甚至增油的目的。
工艺前后的数据对比和分析结果表明，此工艺能降低水平井含水率，具有控水稳油甚至增油效果。
关 键 词 ：A IC D ；水 平 井 控 水 ；海 上 油 田 ；管柱工艺
中 图 分 类 号 ：T E 3 5 8 . 3
文 献 标识码 ：A
目前，水平井已在各类油气藏的开发中取得了 显著的经济效益。世界各地成功的水平井单井产量 约为直井的 4~6 倍。水平井增加了井筒与油藏的接 触面积，扩大了泄油面积，有利于开发薄油层和带 底 水、 气 顶 的 油 层， 可 以 减 缓 底 水 和 气 顶 的 锥 进。 但随着海上水平井生产年限的增长，水平井含水逐 渐上升，产油量受边底水锥进影响逐渐下降。目前 油田油藏水平井开发已经进入高含水阶段，油井见 水后含水上升幅度很快，严重制约了油田的高效开 发 [1-3]。AICD（Autonomous inflow control device） 即流体流动自动制阀智能控水技术属于水平井控水 中一种新的机械堵水方法，通过流经 AICD 阀体的 不同流体粘度的变化控制阀体内碟片的开度和开关。 当相对粘度较高的油流经阀体时，碟片处于开启状 态，当相对粘度较低的水或气流经阀体时，碟片因 粘度变化引起的压降自动“关闭”，从而达到改善产 层流入剖面，实现控水、控气、稳油的目的。
由非线性拟合得到的的三种液体的曲线函数系 数a为：
（4）
由上式可以得到三种液体的压差与流量的关系 式为 ：
（5）
对式 (5) 求其反函数，可以得到流量与压差的关 系式，即
（6）
上式表明，通过压差可以调节流量，从而此式 做为设计 AICD 管柱中流经 AICD 流速和 AICD 个 数的理论依据，也可以在现场应用过程中，预测由 于地层压力变化导致生产压差变化时产液量的变化。
朱橙 等·AICD 管柱工艺在海上油田水平井中的控水效果分析
AICD 管柱工艺在海上油田水平井中的 控水效果分析
朱橙 1，刘华伟 1，李登 1，张继伟 2 （1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452 ；
2. 中海石油 ( 中国 ) 有限公司天津分公司，天津 300452）
摘 要 ：针 对 目 前 油 田 开 采 过 程 中 水 平 井 含 水 越 来 越 高 的 问 题， 研 究 了 水 平 井 出 水 机 理， 分 析 A ICD 控 水 工
3 地面试验
为了验证 AICD 对油的过流和对水的节流作用， 分别对 100% 的纯水、100% 油（粘度 0.1 Pa•s），含 水 50% 的 油 水 混 合 液（ 所 用 油 的 粘 度 为 0.1 Pa•s） 等三种液体进行地面试验。
3.1 试验流程 该试验装置包括搅拌罐、酸化泵、可调式节流阀、
4 现场应用
1 — 油 管 挂 4 - 1 / 2 ″ E U B * B ；2 — 井 下 安 全 阀 ；3 — 电 缆 ； 4 — 罐 装 泵 ；5 — 4 - 1 / 2 ″ E U 油 管 及 短 节 ；6 — 定 位 密 封 总 成 ；7 — Ⅰ 段 A I C D 管 柱 ；8 — 底 部 封 隔 管 柱 ；9 — Ⅰ 段 A I C D 管 柱 Ⅱ 段 A I C D 管 柱 ；1 0 — 趾 部 封 隔 管 柱 ；1 1 — Ⅲ
1.42
1.28
3.53
0.42
2.84
1.32
3.48
0.46
3.08
1.37
·126·
第 8 期 2016年
朱橙 等·AICD 管柱工艺在海上油田水平井中的控水效果分析
图 4 三种液体流经 AICD 时的压差与流量曲线关系
水平段长度为为 597m。基于上述生产和油藏参数， 利用上述的理论分析进行相应的 AICD 管柱设计。
段 A I C D 管 柱 ；1 2 — 筛 管
图 5 AICD 管柱工艺示意图
利用 AICD 智能控水装置的控水特性，控制高含水 部位产液量，提高低含水层段产油量，从而降低全 井含水率，达到稳产增产控水一体化的目的。最终 得到 AICD 管柱设计图如图 5 所示。
以海上油田的一口生产井进行应用研究，此井 于 2004 年 8 月 投 产， 初 期 最 高 日 产 油 450.96 m3， 含 水 1.68%。 截 止 2014 年 11 月 17 日， 全 井 累 计 产油 21.955×104 m3，采出程度 20%。目前，综合 含水率为 95.6%，含水较高，油井产量下降。此井 所 用 生 产 管 柱 组 合 为 油 管 规 格 × 深 度 为 4-1/2 ＂ EU×1700m+2-7/8 ＂ EU×600 m，垂深为 1 696 m，
油压 MPa 产液 m3/d 产油 m3/d 产水 m3/d
1.76 1.93 2.54 2.48 2.68 2.5 2.44 2.54 2.46 2.58
1081.45 920 1006 1024 529 413 375 587 613 582
43.26 37.72 41.95 48.16 20.1 21.48 40.88 52.24 56.4 51.22
1038.19 882.28 964.05 1077.84 508.91 391.52 334.12 534.76 556.6 530.78
产气 104m3/d
0.03 0.04 0.16 0.09 0.02 0.02 0.03 0.06 0.04 0.04
气油比 m3/ m3
8 10 37 19 12 9 7 11 7 8
含水 %
96 95.9 95.8 95.3 96.2 94.8 89.1 91.1 90.8 91.2
频率 Hz
65 65 65 65 35 30 30 35 35 37
第二，通过出水机理的分析，根据水平井的生 产和油藏参数，利用得到的流量与压差的关系，设 计相应的 AICD 管柱，现场应用结果表明，AICD 管 柱工艺能自主化的降低水平井的含水率，同时保证 稳定产油量甚至具有增油效果，大大节约了后期水 处理的成本，提高了油田的经济效益。
4.1 AICD 管柱工艺的设计 水平井的的出现水淹多是由于边水或底水突破 引起，根据大量测试数据表明，水平井的底部和趾 部最易出现水淹，所以，采用化学和机械方式进行 分段，即把化学封隔 CESP 药剂挤注到地层与筛管的 环空，同时用机械封隔器在相应的位置对油管和筛 管环空进行隔离，封隔的深度分别为 (1937.5~1962.5) m、(2187.5~2210.5)m， 然 后 根 据 生 产 和 油 藏 参 数， 理论计算出此井如式（6）的流量与压差的函数关系 式，设计出被两个封隔器分隔的三段连接若干 AICD 智能控水装置，所用的 AICD 数量分别为 5、13、6 个。
4.2 现场应用数据分析和比对 AICD 管柱新工艺施工完后，2016 年 1 月 1 日恢
复生产，由于修井后井内有残留的积液，待采出油 后，对施工前后油田的生产和油藏参数数据进行计 量，得到的生产数据如表 2 所示。
从表 2 中可以看出，在施工后行恢复生产，采 出来的是在修井过程中地层漏失的水，随后含水率
旋塞阀、流量计（量程在 0.2~6.0 m3/h），压力计和 AICD 工装（内部装 AICD），流程采用 2" 高压硬管
线连接。流程图如图 3 所示。 试验流程中的搅拌罐主要是用来调配水相、油
相和不同粘度及含水率的油水混合相，用于试验供 液、回流液及返出液回收 ；酸化泵将搅拌罐中配好 的液体送进流程。独立回路的可调式节流阀通过回 流来控制流量，流量计用来记录泵送液流量，压力 表量程为 6 MPa，用来记录进入 AICD 阀前、阀后 压力，AICD 工装连接两端管线和内置 AICD 阀建立 液体通路。两个压力计可以检测 AICD 阀在不同流 量粘度液体通过时的前后压差，AICD 后端的可调式 节流阀用来调节 AICD 的回压。压差与 P1 和 P2 的关 系式如下式表示 ：