控水完井技术可以最大限度地保证水平段各部分的均衡生产, 克服受到跟趾效应、油藏非均质性、水平段井眼轨迹、储层各项异性和天然裂缝等影响因素导致的出水问题。目前国内外普遍采用的水平井控水完井技术主要包括:分段变密度筛管控水完井技术、中心管控水完井技术、双管完井技术、倾斜井筒控制法、成组水平井或多分支水平井以及智能完井技术^[1-4]。其中, 智能完井技术具有实时监测、实时闭环控制、远程控制、井下控制、免干扰等功能, 可实现井下油气生产产能优化, 因其效果及功能卓越受到国内外石油公司的广泛关注和研究。

智能完井技术的核心设备是井下流量控制装置, 主要包括流入控制装置(Inflow Control Device, 以下简称为ICD)、流入控制阀门(Interval Control Valve, 以下简称为ICV)和自动流入控制装置(Autonomous Inflow Control Device, 以下简称为AICD)等。ICD是一种被动式或者固定式的控制装置^[5], 通过节流装置增加附加压差的方式限制多余水/气的流入, 从而均衡水平井的流体流入/流出剖面, 但该装置一旦安装便无法再进行调节。ICV具有无级变速、多档位控制和开关调节三种类型, 一般与封隔器组合使用对智能井进行合采或者分支流量控制, 可提高采收率并降低油藏风险, 但ICV的开启范围必须根据油田的渗透率、孔隙度和生产速率等参数进行针对性设计^[6]。AICD则是在ICD的基础上升级改造后开发的智能完井控水技术, 在被动ICD装置上增加了一个主动元件, 水或者气流入时会导致流体性质发生变化, 进而触发AICD装置。解决了ICD安装后便无法进行调节的问题, 具有智能防水、控水和增油等诸多优点, 是未来水平井控水技术发展的主要方向, 具有很好的开发价值和良好的推广应用前景。

1 AICD装置主要种类和工作原理

AICD即可实现ICD装置的功能, 又无需进行人工干预便可进一步抑制突破后的水或气等不利流体, 有效缓解长水平井因井筒摩擦、储层非均质性和流体流变性差异产生的水锥与气锥现象。目前主要有五种类型的自动流入控制装置, 包括:夹片式AICD装置、远程控制式AICD装置、圆盘式AICD装置、膨胀式AICD装置和流道式AICD装置。

1.1 夹片式AICD装置

Baker Oil Tools公司2006年开发了一种夹片式AICD装置^[7], 如图 1所示^[8]。该装置由膨胀橡胶、蝶形配重块、密度敏感夹片、重力环和重力环平衡块等部件组成。夹片可以控制从槽道式ICD腔体流入外壳内部的流体流动。当产液密度与油的密度一致时, 夹片保持开启; 但在产油过程中如果有气体流入, 产液密度便会急剧下降, 此时夹片立即关闭。该夹片式AICD装置利用油气密度差来控制夹片开闭状态。但是移动式夹片频繁动作, 容易出现故障, 而且因为油水之间密度差异小, 所以装置控制水锥现象效果不佳。

1.2 远程控制式AICD装置

Petrowell公司开发的远程式AICD装置^[9]利用无线射频识别来操作AICD套筒。该装置包括无线射频识别信号读取器、液压泵、套筒和电源, 如图 2所示^[9]。将套筒开启/关闭指令变成在一个很小的电子芯片上, 然后将芯片插入油井内, 通过无线射频识别信号读取器解码指令, 液压泵驱动安装在ICD中心管内侧的套筒。一旦检测到水或者油流入, 操作人员便可触发套筒动作, 将流体的流动路径从ICD腔体与ICD生产管路内部隔离。该装置的缺点是, 为信号接收器和套筒提供电源的电池目前的使用寿命只有两年左右。

1.3 圆盘式AICD装置

挪威国家石油公司开发的圆盘式AICD装置^[10]主要用于控制气体流入, 如图 3所示^[10]。该装置利用弹簧在可移动圆盘上施加特定压力, 从而改变流体的流动特性, 减少流体的流动面积。流经装置的流体流动维持圆盘在开启位置。但是, 气体流入后, 弹簧施加在圆盘上的背压增加, 圆盘便将流动路径关闭。通过调整过滤点内装置的安装数量满足所需限流要求, 具有调整灵活的特点。

1.4 膨胀式AICD装置

Statoil公司开发的膨胀式AICD装置^[11]主要用于抑制水的流入, 该装置根据膨胀材料的实际情况, 利用渗透或者热力学吸收原理来感应流体性质的变化情况。膜材料遇水膨胀后形成一个内板限制流动区域并进而限制水流进入内部, 如图 4所示^[11]。穿过整个装置的螺旋形流道产生一个特定的压降以均衡水平井孔方向的水体流入。

1.5 流道式AICD装置

流道式AICD装置^[12]则基于粘性力和惯性力之间的平衡关系而设计的。如图 5所示^[12], 该类型的AICD装置每端流入口分出五个流道。如果水和原油同时流入AICD装置, 原油粘度较大, 在粘性力的作用下直接沿侧向通道以最短路径流到出口位置, 从而涡流效应造成的附加压降最小; 水粘度较小, 在惯性力作用下沿着切向流方向流到出口位置, 以较大的角速度在出口附近快速转动, 产生较大的涡流损失, 进而降低通过设备的水流量。

Least^[13]、Wileman^[14]和Vidar^[15]等分别通过地面实验对比了浮动圆盘式、流道式和自膨胀式AICD装置的实际应用效果。结果表明, 这三种类型的AICD装置都具有较好的水体抑制效果; 随着流速的增加, 油相的压降损失小于水相的压降损失, 所以油相的流动情况都要好于水相的流动情况; 相对来讲自膨胀式AICD装置对水相流动的抑制能力最强; 在高粘度下, 由于粘度损失的影响, 随着原油粘度增加, 浮动圆盘式AICD装置对水相流动抑制效果减弱; 而流道式AICD装置在高粘度下对水相的抑制效果仍比较明显。

2 AICD装置国内研究和应用

AICD技术在中国具有广阔的应用前景和发展空间, 近年来国内许多学者也开始关注AICD技术。罗启源等^[16]针对ICD用于裂缝性礁灰岩油田时存在的局限性, 提出了应用AICD实现裂缝性油藏控水的措施, 模拟结果显示AICD能够增加单井的累计产油量, 可以改善油田开发效果, 对南海礁灰岩油田具有良好的应用前景。

阳明君等^[17]开发了一种新型的AICD用于开发底水油藏, 该装置无运动部件, 仅根据流体性质和流动路径便可区分流体以限制水的产出, 并利用CFD软件对该AICD装置进行了流场分析和敏感性分析。赵崇镇^[18]利用层流与紊流的流动特性, 研制了一种能够根据产出流体的情况自动调节附加阻力的主动式自适应调流控水装置, 并得到了实验验证, 解决了边底水油藏水平井底水锥进的问题。

曾泉树等^[19]创新提出了一种由Y形导流器和圆盘形限流器组成的自适应流入控制装置, 适用于较大变化范围的油相密度和粘度, 并利用数值模拟软件分析了该装置的内部流动规律, 优化了其结构参数, 并根据优化结果研究流体参数的敏感性。他们还将两种流体运动组件结合在一起, 设计了一种新型的自动式AICD^[20], 其中分流器指引流体的流动方向, 限流器则限制流体的流动情况。基于流动模式转换准则、均质模型、两流体模型和管路串并联理论, 他们提出了一种油-水两相流动的统一模型, 预测流体通过分流器后的流体分布及压力降情况, 并将其与计算流体力学(CFD)的结果进行对比。理论分析和模拟结果表明, 该AICD的自动功能可以在控水的同时让油井在较长时间内继续产油, 从而获得最高的油产量。他们研制了基于混合型流入控制装置和遇水膨胀橡胶的自膨胀型自适应流入控制装置^[21], 可以根据流体类型自动改变流动阻力。预装在狭槽上的遇水膨胀橡胶在油井遇水后自动膨胀, 且膨胀度根据含水率自动调整, 通过改变装置的最小过流面积, 对不同的流体产生不同的限流作用, 保证油井持续稳产。

赵麟等^[22]根据多级限流原理开发了一种新型的自适应流入控制装置, 该装置利用安装在狭槽轴向两个端面上的遇水膨胀材料实现控水稳油的效果。一旦遇水, 挡板末端的遇水膨胀橡胶便会出现膨胀, 橡胶的膨胀度随含水率的变化自动调整, 进而改变AICD装置的最小过流面积和流动阻力等级。全尺寸物理模拟实验装置的测试结果表明, 所设计的AICD装置具有结构简单、防堵能力强、流动阻力易调整、对流体粘度不敏感等优点, 对中高含水油井具有明显的控水稳油效果。

陈尧等^[23]基于三通管分流分相原理设计了一种AICD控水装置, 并对设计的AICD装置进行了一系列的单水相、单油相和油水混合相实验, 以分析该AICD装置对水相节流控制和油相过流的控制效果。实验结果发现, AICD能够限制高含水率流体的产出, 并同时抑制低粘度流体的产出, 表明该AICD能够很好地提高底水油藏水平井的采收率, 非常适用于已经进入中高含水期的油藏。王圣虹等^[24]搭建了螺旋通道型AICD控水装置的实验装置, 验证AICD智能控水装置的控水稳油效果。实验结果表明, 相同流量下, 油水粘度差异越大, 流经AICD装置的油水产量差异越大, 该AICD装置适合在中高粘度的油藏中使用。

朱橙等^[25]通过对AICD装置进行单油相、单水相和油水混合相的地面实验, 研究不同粘度流体在相同压差下流经AICD装置的流量变化特性; 设计的适用于海上油田某口生产井的AICD管柱工艺, 在自动降低水平井含水率的同时, 还可确保稳油甚至增油生产, 提高了油田的经济效益。王敉邦等^[26]通过机理模型和数值模拟预测AICD技术在控水压锥方面的效果, 并对AICD的最佳完井时机进行了分析。他们的模拟结果表明, AICD技术能够抑制底水沿着高渗通道快速流入, 降低油井含水率, 从而提高油藏采出率和原油产量; 在油井含水率低于80%之前安装AICD装置产生的增油效果最好。

除了控水稳油之外, AICD装置还具有控气稳油的效果。梁丹等^[27]将AICD装置用于海上气顶油藏开发过程, 在延缓气顶锥进的同时, 还可以抑制气体突破后低粘度气相流入井筒。挪威Troll油田使用AICD水平井控制技术后, 同等条件下累产油可提升20%左右; 渤海Q油田安装AICD装置后, 气体锥进速度和气体产出量受到有效控制, 单井累计产油量比预期值提高12%~15%。

刘华伟等^[28]则针对目前尚无AICD油田应用技术标准的实际情况, 开发了一套适用于海上油田应用AICD装置的控水工艺设计规范、工艺施工规范和效果评价方法, 从而有效指导油井现场作业流程, 提高油田稳油控水的技术水平。

3 总结与展望

综上所述, 目前AICD装置的技术从理论层面来看已经比较成熟, 水平完井安装自动流入控制装置可有效延缓水/气锥进, 从而提高油藏采收率并延长油井生产周期。针对中国油田油藏类型复杂多样, 多种性能良好的AICD不断研发出来。研究表明:结合机理模型和数值模拟预测以及地面试验的方式能有效进行AICD优化设计和性能评估, 为AICD的技术的井下现场应用提供重要的参考。随着AICD的应用逐渐展开, 未来开发适合国内多种油田的控水工艺设计规范、工艺施工规范和效果评价方法, 将有力推动该技术的发展。