流量控制閥在單層和多層石油合采中的應(yīng)用分析,機(jī)械工程論文

流量控制閥在單層和多層石油合采中的應(yīng)用分析,機(jī)械工程論文智能井技術(shù)是一項(xiàng)新興的油藏油田生產(chǎn)管理技術(shù),主要利用在井下安裝永久性的傳感器,實(shí)時(shí)的監(jiān)控井下參數(shù),利用地面平臺(tái)對(duì)井下開(kāi)采合理的控制,提高油田的采收率,降低生產(chǎn)成本[1]。智能井技術(shù)一般有井下信息收集傳感系統(tǒng)、井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)、井下數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)收集分析、反應(yīng)系統(tǒng),與常規(guī)生產(chǎn)管理技術(shù)相比有很多不同,如能夠通過(guò)地面系統(tǒng)監(jiān)測(cè)井下流入閥的節(jié)流位置,遙控生產(chǎn),實(shí)時(shí)獲取井下信息,能夠控制不同產(chǎn)層的流量,最大限度的節(jié)約生產(chǎn)成本[1]。井下流量控制閥采用滑套構(gòu)造,由液壓控制來(lái)推動(dòng)滑套的移動(dòng),改變控制閥節(jié)流面積的大小,影響控制閥的流入動(dòng)態(tài)。其是智能井技術(shù)的核心,是智能井實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)采的執(zhí)行元件。國(guó)際市場(chǎng)上,Welldynamics和BakerHughes在對(duì)井下層間流量控制閥(ICV)的研究,處于領(lǐng)先地位。Welldynamics推出了HS-ICV、HV_series-ICV、IV_series-ICV和MC_series-ICV等不同系列的井下層間控制閥(ICV);BakerHughes也推出了HMC液控井下層間滑套系列的井下層間控制閥(ICV)用以知足不同的井下條件[2]。斯倫貝謝石油公司有TRFC系列的可回收式流量控制器等。圖1為科威特某第一個(gè)安裝有智能井系統(tǒng)的油田系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,該井分為兩層,分別安裝有流量控制閥(ICV),分別控制兩個(gè)油層的開(kāi)采。1控制閥在單層控制中的應(yīng)用流量控制閥一般安裝在射孔上部,封隔器下部,用于選擇性的開(kāi)采被分隔油層,提高油井采收率。在工程運(yùn)用中采用節(jié)點(diǎn)分析法和節(jié)流口流體動(dòng)力學(xué)對(duì)其分析。節(jié)點(diǎn)分析法分析的對(duì)象是油藏到地面分離器整個(gè)油氣系統(tǒng),其本身的思想是在某位置設(shè)置節(jié)點(diǎn),以壓力和流量的變化關(guān)系為主要線索,把節(jié)點(diǎn)隔離的各層流動(dòng)經(jīng)過(guò)的數(shù)學(xué)模型有序的聯(lián)絡(luò)在一起,進(jìn)而確定系統(tǒng)的流量。流量控制閥的設(shè)計(jì)主要是對(duì)進(jìn)入控制閥的流量和流量控制閥壓差的分析,在這里基礎(chǔ)上確定控制閥的流動(dòng)特性。本節(jié)分別在進(jìn)入控制閥前設(shè)置節(jié)點(diǎn)1(如此圖1)和原油流入控制閥后位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)2(如此圖1)。分別代表在環(huán)空和油管的流動(dòng)特性。井下流入動(dòng)態(tài)曲線(IPR)表示一定地層壓力下,油井產(chǎn)量與井底流壓的關(guān)系,反響了油層向井筒的供應(yīng)能力(即產(chǎn)能)。其定量關(guān)系牽涉油藏壓力、浸透率、流體悟性、含水率及完井狀況等,可根據(jù)系統(tǒng)試井資料用圖解法獲得此特性曲線。油管流出曲線是表示在一定井口壓力的情況下,油管流量和井底流壓的關(guān)系[3]。反響了油管的流動(dòng)能力。兩條曲線共同表示了油層的產(chǎn)量與井底壓力的關(guān)系。如此圖2所示的兩條曲線的交點(diǎn)A的流量就是相應(yīng)油層的理論產(chǎn)量,其壓力為理論的井底平衡壓力。控制閥一般由液壓或電力控制的節(jié)流閥,能夠通過(guò)地面控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。相對(duì)于僅有開(kāi)/關(guān)功能的控制閥,多級(jí)流量控制閥往往有幾個(gè)控制位置,他們有不同的節(jié)流面積、不同的形狀和不同的流動(dòng)特性,來(lái)知足控制要求。通過(guò)閥的流量通常和閥的流量系數(shù)和閥的前后壓差相關(guān),一般可以為[4]:式中:Q為控制閥流量;Cv為閥的流量系數(shù);P1為上部2倍直徑接口壓力;P2為下部6倍直徑距離壓力;R為流體密度。控制閥的安裝一般界于如此圖1所示的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間,平衡兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力,使油層的產(chǎn)量穩(wěn)定于某一特定值。此時(shí)控制閥兩邊的壓差為[5]:PChoke=PIPR-PTPC(2)如此圖2中所描繪敘述的井下流入動(dòng)態(tài)曲線(IPR)和油管流出特性曲線(TPC)曲線相交在A點(diǎn),也就是在沒(méi)有使用的控制閥或控制閥全開(kāi)時(shí)的油層產(chǎn)量,圖2中的p曲線是兩條特性曲線的差值曲線,表示兩節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定流量所需要的平衡的壓差。安裝控制閥的目的就是平衡節(jié)流口前后的壓差,根據(jù)流量與壓差的特性關(guān)系,到達(dá)所需要的油層產(chǎn)量。如此圖2中的控制閥流動(dòng)曲線是和流動(dòng)系數(shù)相關(guān)的曲線,和壓差曲線相交的點(diǎn)就是該節(jié)流面積下的穩(wěn)定流量,經(jīng)過(guò)這一點(diǎn)和原始點(diǎn)做的曲線,就可近似的得到油層-控制閥流入曲線,其與TPC曲線的交點(diǎn)就是此開(kāi)度下,流經(jīng)控制閥的流量[5]。但是在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,由于井下環(huán)境復(fù)雜多變,往往要通過(guò)設(shè)置在井下的永久傳感器,實(shí)時(shí)采集井下參數(shù),根據(jù)流量、壓差和節(jié)流面的的關(guān)系,精到準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)不同控制油層的產(chǎn)量。2控制閥在多層合采時(shí)的應(yīng)用分析在油井生產(chǎn)中,一口油井會(huì)包含多個(gè)生產(chǎn)油層,由于井下各產(chǎn)層之間的地層壓力和浸透率的不同,而引起的各油層的產(chǎn)能不同,若不采取措施使各油層協(xié)同開(kāi)采,油井的開(kāi)采率就較低[7]。使用井下流入控制閥對(duì)不同產(chǎn)層進(jìn)行有選擇性開(kāi)采或有節(jié)制的開(kāi)采,提高油井的采收率?？刂崎y可以平衡隔斷的流量控制油層的壓力,使各原油層段同時(shí)以各自的生產(chǎn)壓差同時(shí)生產(chǎn)(出油),增加油井產(chǎn)量。以多層合采,控制某個(gè)單一油層控制閥為例,介紹控制閥在多層合采中的應(yīng)用。在分析時(shí)假設(shè)各層間的壓力是平衡的,且各油層之間不互相干擾。同樣利用節(jié)點(diǎn)分析法,在上層油層控制閥的出口位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)3(如此圖1)。各層間閥全開(kāi)時(shí)的井下流入特性曲線分別為圖3中的各層流量特性曲線,各曲線表示在節(jié)點(diǎn)3的對(duì)應(yīng)壓力下的相應(yīng)的產(chǎn)量,圖中曲線A表示各油層的總產(chǎn)量,是各油層流量的總和?？偭魅肭€(IPR)和TPC曲線相交于A點(diǎn)。同壓力下各油層的流出曲線相對(duì)應(yīng)的流量值就是相應(yīng)油層的出油流量。當(dāng)需要對(duì)某一油層控制生產(chǎn)時(shí),可通過(guò)地面控止系統(tǒng),關(guān)閉或減小這一油層的節(jié)流位置。如此圖3所示,在將油層B的節(jié)流面積降低時(shí),油層B的流入曲線斜率降低,整個(gè)系統(tǒng)的總產(chǎn)量降低,總的流入曲線的斜率增大,平衡點(diǎn)沿油管流出曲線向左移動(dòng),平衡壓力降低,進(jìn)而使另一油層的產(chǎn)量增加,也就是講限制某一油層的產(chǎn)量的同時(shí)會(huì)增加其他油層的產(chǎn)量,同時(shí)整個(gè)油井的產(chǎn)量降低。當(dāng)然如若保持其他各油層的產(chǎn)量能夠通過(guò)調(diào)節(jié)井口壓力來(lái)調(diào)節(jié)油管流出特性曲線來(lái)保證其他各層的產(chǎn)量不變。3節(jié)流面積、壓差和流量三者關(guān)系的討論圖4為流體分析模型,實(shí)際流體在流動(dòng)時(shí)會(huì)因流體的粘性摩擦力而引起能量損失。根據(jù)能量損失的形式又分為沿層阻力損失和局部阻力損失。地層原油經(jīng)射孔、套管環(huán)空,流經(jīng)節(jié)流閥時(shí),局部流動(dòng)邊界急劇變化,流動(dòng)阻力主要集中在該局部區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生漩渦,和速度方向的改變,使得局部壓力損失是經(jīng)過(guò)節(jié)流閥時(shí)的主要損失方式。而沿層壓力分布是克制沿層阻力的能量損失,在經(jīng)過(guò)節(jié)流閥時(shí)為次要的能量損失方式。根據(jù)伯努利方程能夠得到流經(jīng)節(jié)流閥前后的平衡方程為:式中:H1、H2為測(cè)量壓力的高度;p1為進(jìn)入節(jié)流閥前的靜壓;p2為在流入油管后的靜壓;v1為在環(huán)空的平均速度;v2為進(jìn)入油管后的平均速度;H0為水頭損失,為沿程損失和局部水頭損失的和。工程應(yīng)用中由于閥的安裝位置和傾角有所不同,故而計(jì)算中忽略重力對(duì)局部損失和沿程損失的影響,因而僅研究節(jié)流口開(kāi)口大小與流量和壓差的關(guān)系。地層原油流經(jīng)節(jié)流口時(shí)流動(dòng)方向經(jīng)過(guò)兩次改變:由環(huán)空進(jìn)入節(jié)流孔,流道忽然收縮和由節(jié)流孔流入油管時(shí)流道忽然變大。假設(shè)油管截面面積和環(huán)空的面積分別是A1、A2,節(jié)流口面積的大小為A,設(shè)環(huán)空面積和油管節(jié)流面積和節(jié)流口面積的的比值分別是1/和1/。另流體自環(huán)空流經(jīng)節(jié)流口時(shí)流道忽然縮小時(shí)的局部阻力系數(shù)為1,其值為0.5(1-);另流體由節(jié)流口流出時(shí)的局部阻力系數(shù)為2,其值為2=(1-)2。則通過(guò)節(jié)流閥的局部水頭損失為:雷諾數(shù)是評(píng)價(jià)流體流動(dòng)的一個(gè)重要因素,是流動(dòng)狀態(tài)的具體表現(xiàn)出,是和流體流動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)粘度和管徑相關(guān)的參數(shù),即:Re=vd/。流體在環(huán)空和油管內(nèi)流動(dòng)速度比擬高,因而流體通過(guò)節(jié)流口的沿層能量損失是不可忽略的,但又不及局部壓力損失,因而是次要的能量損失形式。而沿層能量損失是和流體流動(dòng)狀態(tài)等因素相關(guān)的,確切的講和雷諾數(shù)相關(guān)。由于流動(dòng)速度較大,設(shè)計(jì)計(jì)算中所選用的沿層阻力系數(shù)為=0.314Re-0.25。沿層能量損失為原油在環(huán)空和油管流動(dòng)沿層損失之和,根據(jù)式(1),選取流動(dòng)距離和直徑的比值為6。因而沿層水頭損失可表示為式(5)。綜上所述可得到流經(jīng)控制閥的流量、壓差和節(jié)流面積的關(guān)系如式(6),根據(jù)式(1)可以推出在設(shè)計(jì)控制閥時(shí)的流量系數(shù)的理論值。4仿真分析計(jì)算流體力學(xué)是用離散化的數(shù)值方式方法及電子計(jì)算機(jī)對(duì)流體無(wú)粘擾流和粘性流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的學(xué)科,通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示,對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。圖5為控制流量數(shù)值結(jié)果。以圖4所示的模型為基礎(chǔ),以安裝在3.5英寸油管和4.5英寸生產(chǎn)套管中的控制閥為原型,并以知足式(1)要求,以計(jì)算出口邊界和入口邊界距節(jié)流口為6倍直徑的距離的尺寸,應(yīng)用CFX流體分析軟件對(duì)控制閥節(jié)流面積-節(jié)流口壓差-控制閥流量的特性關(guān)系進(jìn)行分析和討論,并驗(yàn)證式(6)。在利用CFX軟件分析時(shí),做下面假設(shè):假設(shè)井下流量控制閥為理想閥,不存在泄漏等情況、假設(shè)原有介質(zhì)為不可壓縮流體、原油為牛頓流體,假設(shè)動(dòng)力粘度為常值,不隨速度梯度變化、假設(shè)流體為單項(xiàng)流。模擬介質(zhì)選用的是密度為800,動(dòng)力粘度為10MPas的輕質(zhì)原油。分別在壓差為1~6MPa的情況下模擬求解,其分析結(jié)果如表1,表示閥在不同開(kāi)度和不同壓差下的理論流量和數(shù)值分析值,并根據(jù)式(1)計(jì)算出閥不同位置下的流量系數(shù)曲線如此圖5。5結(jié)論流量控制閥是智能井系統(tǒng)的執(zhí)行原件,是智能井的核心。通過(guò)控制閥的節(jié)流面積,平衡流入和有關(guān)流出壓差,改變流經(jīng)控制閥的流量,進(jìn)而改變井下流入特性?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)控某一特定產(chǎn)層的控制閥,對(duì)產(chǎn)層有選擇性的生產(chǎn),或是協(xié)調(diào)各產(chǎn)層間的生產(chǎn)。筆者通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)分析,總結(jié)出流量、節(jié)流面積和壓差間的關(guān)系公式,并通過(guò)CFX流體分析軟件模擬計(jì)算,并得到節(jié)流面積在一定值之內(nèi)數(shù)值解與流暢仿真軟件的差值較小,能作為流量控制閥設(shè)計(jì)時(shí)的參考值。由于井下環(huán)境較復(fù)雜,因