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SPE 167415
一种流体二极管自动流入控制装置的理论
Michael Fripp，Liang Zhao，Brandon Least，Halliburton
2013年版权所有，石油工程师学会
本文准备于2013年10月28日至30日在阿联酋迪拜举行的SPE中东智能能源会议和展览会上发布。
这篇论文被SPE程序委员会选中后，审阅了作者提交的摘要中的信息。论文内容未经石油工程师学会审核，可以由作者修改。 材料不一定反映石油工程师协会，其官员或成员的任何立场。 未经油工程师学会书面同意，禁止电子复制，分发或存储本文任何部分。允许在印刷品上复制限于不超过300字的摘要; 插图可能不会被复制。摘要必须包含对SPE版权的明显确认。
摘要
传统上第一代流入控制装置（ICD）的设计旨在平衡完井压差与油藏压差，从而保持均匀流过生产区。保持均匀流动的目的是延迟不需要的流体流入，从而有助于最大限度地提高石油产量。然而，如果低粘度流体存在并且成功地突破，传统的被动ICD不能控制流量，并且不希望的流体流动将接管。为了在这些条件下提供更有效的控制，新开发的自动流入控制装置（AICD）已经引入到工业中。该装置将通过在整个完井期间平衡期望的生产流体来提高生产，同时限制具有不需要流体的区域的生产。本文讨论：1）AICD如何检测流体特性；2）如何在不使用任何活动部件的情况下限制不需要的流体的产生。
自主ICD设计用于无需移动部件，不需要干预，没有电子部件，也不需要控制线。 这是一种固态设计，具有更高的可靠性，耐腐蚀性，耐腐蚀性和抗插拔性，可以保持高机械完整性。 自主ICD通过检测生产流体是否不合需要而操作，然后，如果不需要，它限制不想要的流体的产生。
流体二极管型AICD使用流体力学，计算机建模和测量的性能数据的组合来操作，并且本文解释了这些设备如何在没有干预的情况下限制不希望的流体突破，以便井可以继续生产理想的碳氢化合物。 还将介绍测试程序和结果，其中包括数值模拟和实验测试。
介绍
流入控制装置（ICD）已成为一种常用技术，并且通常与带状隔离包装机配合使用，以便在其整个生命周期内管理水库。它们自20世纪90年代中期以来一直在使用（Madsen，1997），并且通过设计，ICD在完成时创造了额外的窒息。 传统的无源ICD包括喷嘴类型，管类型和螺旋类型; 并且每个都提供了一个稍微不同的方法来创建所需的压降。有意添加的这种压力下降有助于抵消管道内的脚后跟摩擦效应和储层渗透性的不一致性。ICD将限制任何一个区域的流量过高，并因此会延迟水或气体在油井中的穿透。
考虑用ICD完成的全部领域。由于ICD延缓了水和天然气的突破，因此该油田可以在较长时间内依靠一次采油。在使用二次开采方法的地区，ICD延迟了将水或气从注入井运送到生产井的时间。
另外，在使用二次开采的油田中，ICD通常用于平衡注入流出，其方式与平衡流入生产井的方式相同。
自主流入控制设备（AICD）是新一代的ICD。自主ICD是流入控制装置，其中用于转换装置中流体的势能的方法取决于流体的组成或其他性质，例如密度，粘度或流速。这可以通过改变流体的流动路径或改变流动路径的几何形状作为控制性质的函数来实现。AICD为不需要的流体提供额外的限制，并执行这种额外的限制，而无需与表面进行任何连接或远程驱动，且无需操作员干预。
在水或天然气突破之前，AICD像ICD一样会形成一个扼流器，以帮助平衡流入和延迟水和天然气。当水或气体突破时，与ICD不同，AICD的独特自主能力将自动改变突破区域的限制，从而产生更高的压差。图1比较了ICD和AICD完成并显示在水已经穿透的区域中减少的流速。这允许从其他区域生产更多所需的生产流体。
图1─通过典型ICD的水流量表示以及突破后的AICD的流量表示
AICD是一种固态设备，可以在流动期间允许流体如油，同时限制不需要的流体（如水）的流动。 AICD有两个主要功能; 一种是基于其粘度来识别流体，另一种是当不希望的流体存在时限制流体。这两种功能都是通过专门设计的流道创建的。
本文重点介绍流体二极管型AICD。文献SPE 160165（Least et al，2012）和SPE 166285（Least et al，2013）记录了单相实验室检测，文献SPE 166495（Least et al，2013）记录了病史。
另一种类型的AICD是文章SPE 145737（Mathiesen等2011）中描述的速率控制生产（RCP）阀AICD，其具有在SPE 159634（Halvorsen和Elseth，2012）中描述的病史。在SPE102208（Crow等，2006）中描述了使用浮动挡板概念来控制气体突破的第三种AICD。如前所述，AICD通过在完井期间平衡期望的生产流体来提高生产，同时限制生产区域多余的流体。与其他类型的AICD不同，流体二极管型AICD设计用于无需移动部件，无需干预，没有电子部件，也无需控制线。其结果是自动流入控制装置具有固态设计，提高了可靠性，耐腐蚀性，耐腐蚀性和抗插拔性，同时保持高机械完整性。本文介绍了流体二极管型AICD如何检测生产流体是油，水还是气体，然后如何限制不需要的流体。自主ICD的行为通过流体力学，计算机建模和测量的性能数据进行解释。
自主AICD的背景
AICD通过平衡多个区域的石油生产来提高产量，同时限制生产水或天然气的区域的产量。 当该区域主要生产石油时，AICD表现为标准（被动）ICD。AICD与被动ICD一样，将有助于在所有生产区生产石油时在整个完井期间平衡生产。
但是，当一个或多个区域开始生产水或气时，AICD与被动ICD不同。 随着水和气含量的增加，AICD将为生产提供额外的限制。其结果是，AICD将允许从生产石油的地区获得更多的生产量，而从生产水和天然气的地区减少生产。最终的结果是，油井中的油层会产生更多的油，并且会产生更少的水和气。
在生产中，AICD被放置在地层和生产油管之间。如图2所示，生产液在进入生产管之前必须通过AICD。因此，每个区域的生产流量都可以由AICD控制。这也是被动ICD的运作方式。之处在于，AICD可以根据生产流体中流体的类型和合意性不同地控制流量不同。
图2─生产流体在流体进入生产管之前流过筛网并通过AICD。
AICD流体二极管的流体力学
AICD必须完成两项主要任务：
1）它必须确定生产流体是否主要是油或者主要是水和气
2）当液体主要是水和气时，它必须限制生产。
虽然已经提出了具有容易出现堵塞的运动部件的其他ICD设计，但流体二极管型AICD的更好设计没有移动部件。相反，通过使用流体的流体性质和流动路径的几何形状来实现流体识别和流体限制而不移动部件。
流体二极管型AICD将通过引导不同流体通过不同的通道起作用。 通道的选择取决于AICD的几何形状和流体的特性。AICD最重要的流体性质是流体的密度，粘度和流速。密度和流量用于描述惯性力，而粘度和流量用于描述粘性力。AICD通过在流体中的惯性力与粘性力之间的平衡进行操作。 通过调整流路几何形状，AICD可以对流体特性非常敏感。如图3所示，AICD的流量控制功能最好使用简化模型进行说明。生产流体通过筛网，然后在入口处进入AICD模型。生产流体通过旋流碗中心的一个孔离开AICD，然后由生产油管运送到地面。 一旦流体进入AICD，流体必须选择一条通向出口的通道。 流可以通过直通路，也可以分流通路。
涡流
碗
出口
发散
路
直行
路
入口
。
图3─AICD的简化模型
AICD中的限制量Delta;P与流体中的局部速度变化有关。出口孔附近的流体将比入口处的流体流动得更快。在出口孔附近的高旋转速度的短暂时期产生较大的压差。 在恒压储存器中，这种影响将被视为不想要的流体总质量流量的减少。随着直路径中流体的比例增加，局部旋转速度增加，并且这导致更大的限制。多余的流体浓度会导致直通路径中较大的流量比例，从而导致涡流碗中更多的旋转，从而对AICD产生更大的限制。
AICD的设计使得纺丝液速度随着液体性质而变化。这个概念将AICD与传统的无源ICD区分开来，其中流体速度总是与无源ICD中的质量流量成正比。
流体二极管类型AICD的计算流体动力学建模
通过计算流体动力学建模（CFD）建模来模拟流体二极管型AICD的简化模型。来自CFD模拟的流线如图4所示。图4A显示了流过AICD的油。油是所需的流体，并且油的粘性力大于惯性力。粘度较高的油在直线路径和分支路径之间均匀流动。流线是通向出口的最直接路径，并且油在通过AICD时保持一致的速度（如深蓝色流线所示）。因此，AICD对粘度较高的流体流量提供最小的限制。当不需要的流体流过AICD时，惯性力占主导地位，流体则采取直线路径。图4B显示低粘度水取直线路径。水以切向进入旋涡碗，并在朝向出口旋转时加速。这个短速度的较高速度产生的背压限制了不想要的流体通AICD。因此，AICD限制了低粘度流体的流动，但对较高粘度油的流动提供了最小的限制.
更快
比较慢
A)
AICD中的限制量与通过“直路径”相对于“发散路径”行进的流体的比例有关。通过改变流体的粘度可以改变通过发散路径行进的流体的量。图5说明了具有恒定入口流量的恒定密度流体的CFD分析结果，并绘制了随着流体粘度变化绘制分流路径中质量流率的分数。中的粘度图5当粘滞力与惯性力平衡时，通过将实际粘度除以粘度而无量纲化。低粘度流体停留在直线路径中，因此，发散路径中的流量比例接近0％。随着流体粘度的增加，发散路径中流体的比例增加。如果粘性力平衡惯性力，则流体的四分之一选择分流通道。如果粘滞力支配惯性力，那么一半的流体选择发散路径
AICD中的限制量与通过“直路径”相对于“发散路径”行进的流体的比例有关。通过改变流体的粘度可以改变通过发散路径行进的流体的量。 图5说明了具有恒定入口流量的恒定密度流体的CFD分析结果，并绘制了随着流体粘度变化绘制分流路径中质量流率的分数。
其中的粘度图5当粘滞力与惯性力平衡时，通过将实际粘度除以粘度而无量纲化。低粘度流体停留在直线路径中，因此，发散路径中的流量比例接近0％。 随着流体粘度的增加，发散路径中流体的比例增加。如果粘性力平衡惯性力，则流体的四分之一选择分流通道。如果粘滞力支配惯性力，那么一半的流体选择发散路径。
60
模型
CFD模拟
50
发散路径中的流量，质量流量百分比
40
30
20
10
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
无量纲粘度
图5：在简化的AICD模型中，随着粘度的增加，分流途径中的流量百分比增加。
直线和分流路径中的相对流量与旋涡中将发生的旋转量相关。 当直通路径中流动更多时，流体会在旋涡碗内旋转，从而导致更大的压降。 随着粘度的增加，更高比例的流体沿分流通道向下流动，这减少了涡流碗中的旋转。
图6显示了简化的AICD模型的相同分析的压降。 压力在最小粘度时由压力无量纲化。 在该模型中，通过装置的流体的体积流速和质量流速保持恒定，同时评估流体的不同粘度。 随着流体粘度的增加，AICD中的压力差减小，因为旋涡碗中的旋转较少。
14
模型
CFD模拟
12
10
无量纲压降
8
6
4
2
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
无量纲粘度
图6：根据模拟的流体粘度的函数通过简化的AICD的压降。
高粘度流体比低粘度流体更容易通过AICD。在低粘度时，涡流盆中流体的短暂旋转会产生压降，从而限制不需要的流体的产生。随着粘度增加，发散路径中的流体成比例地增加，并且旋转量减小。结果，通过装置的压降随着所需流体比例的增加而急剧下降。随着流体的粘度继续增加，由于来自较高粘度流体的粘性损失，压降有轻微增加。请注意，水通过AICD的速度会比高粘度油更慢。
流体中的惯性力平衡流体中的粘性力的过渡点不仅是流体的函数，而且也是AICD的几何形状的函数。结果，可以基于期望的流体和不
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