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射流二极管自主流入控制装置理论
摘要：传统上, 第一代流入控制装置 (ICDs) 的设计, 以平衡完成压力差与储层压力差,甚至可以跨生产区的保持流动。维持均匀流动的目的是延缓不需要的液体的流入, 从而帮助最大限度地提高石油产量。然而, 如果低粘度流体存在, 并成功地突破, 传统的被动 ICD 无法控制的流量, 不必要的流体流动将接管。为在这些条件下提供更有效的控制, 新开发的自主 Inflowcontrol 装置 (AICD) 已引入业界。该装置将通过在完成时平衡所需的生产液来改善生产, 同时限制生产不需要的流体。本文讨论了：
1) AICD 如何检测流体特性
2) 如何在不使用任何运动部件的情况下限制不受欢迎流体的生产。
自主ICD的设计是为了在没有移动部件的情况下运行, 无需干预, 没有电子, 没有控制线。这是一个固态设计, 提高可靠性, 抗侵蚀, 耐腐蚀, 和堵塞电阻, 可以保持较高的机械完整性。自主 ICD 通过检测生产液是否不受欢迎而运作, 然后, 如果不需要, 它就限制了不需要的液体的生产。
流控二极管型 AICD 采用流体力学、计算机建模和实测性能数据相结合的方法, 解释了这些器件如何能够在不进行干预的情况下限制不必要的流体突破, 从而使好能继续产生理想的碳氢化合物。测试程序和结果, 包括数值模拟和实验测试, 也将提出。
简介：流入控制装置 (ICDs) 已成为一种常见的技术, 往往与带状隔离包装, 以管理一个水库在整个生命。他们一直在使用, 因为mid-1990s (马德森, 1997) 和设计, ICDs 制造一个额外的窒息在完成。传统的被动 ICDs 包括喷嘴类型、管型和螺旋型;每个都提供了一种稍微不同的方法来创建所需的压力降。这种压力降, 这是故意增加, 有助于抵消脚跟脚趾摩擦效应在油管和不一致的储层渗透性。ICDs 将限制流量在任何一个区域变得太高, 因此, 将延迟水或天然气在油井中破裂。
考虑用 ICDs 完成的完整字段。 由于 ICDs 延迟了水和气体的突破, 这一领域可以在较长时间内依赖初级恢复。 在使用二次恢复方法的领域中, ICDs 延迟了从注水井向生产井中注入水或气体的时间。 此外, 在使用二次恢复的领域中, ICDs 通常用于平衡注入流出, 其方式与在生产井中平衡流入量相同。
自主流入控制装置 (AICDs) 是新一代的ICDs。自主 ICD 是一种流入控制装置, 用于在装置中转换流体势能的方法取决于流体或其他性质的组成, 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道的几何形状作为控制属性的函数来实现。AICD 提供额外的限制, 不必要的流体, 并执行此附加限制, 没有任何连接或远程驱动从表面上, 没有任何干预的操作员。
在水或气体突破之前, AICDs像ICDs 一样, 制造了一个堵塞, 以帮助平衡流入和延迟水和天然气。 在水或气体的突破, 不同于 ICD, AICD 独特的自主能力将自动改变突破区的限制, 造成更高的压力差。图1将 ICD 与 AICD 完成进行比较, 并显示在水破裂的区域中的流速降低。这就允许从其他区域生产更多所需的生产液。
图 1-突破后的典型 ICD 和 AICD 的水流速率表示法
AICD 是一种固态装置, 允许流体如油的流动, 同时限制水等不良流体的流动。AICD 有两个主要功能;一种是根据其粘度来识别流体, 第二种是在存在不良流体时限制流动。这两个功能都是由专门设计的流通道创建的。
本文重点介绍了射流二极管型 AICD。 单阶段实验室测试已记录在论文spe160165 和SPE 166285，并在纸 SPE 166495记录的案例历史。
另一种类型的 AICDs 是在 AICD 145737 (Mathiesen et al 2011) 中描述的速率控制生产 (RCP) 阀, 并在 spe 159634 (哈尔沃森和 Elseth, 2012) 中描述了一个事例历史。 在 SPE 102208 (乌鸦 et al, 2006) 中描述了利用浮动挡板概念控制气体突破的第三类 AICD。如前所述, AICD 通过在完成时平衡所需的生产液来改善生产, 同时限制生产不需要的液体区域。与其他类型的 AICDs 不同, 射流二极管型 AICD 设计为无需移动部件, 无需干预, 无需电子设备, 也无需控制线即可正常工作。其结果是一个自动进料控制装置, 具有良好的可靠性, 耐蚀性, 耐腐蚀性和耐堵性, 同时保持较高的机械完整性的固态设计。 本文介绍了一种流体二极管型 AICD 如何检测生产液是否为油、水或气体, 进而能限制不需要的流体。利用流体力学、计算机建模和实测性能数据的结合说明了自主 ICD 的行为。
自主ICDS的历史背景：
AICD通过平衡多个区域的石油生产来改善生产, 同时限制生产水或天然气的区域的产量。AICD的表现就像一个标准 (被动) ICD, 当区域生产的主要是石油。AICD, 就像一个被动的 ICD, 将有助于平衡生产完成时, 所有的生产区域生产石油。
然而, 当一个或多个区域开始产生水或气体时, AICD 与被动 ICD 不同。随着水和天然气含量的增加, AICD 将为生产提供额外的限制。其结果是, AICD 将允许更多的生产从生产石油的地区, 并减少生产的地区, 生产的水和天然气。结果表明, 油井中的油层产生了更多的油, 产生了较少的水和气体。
在生产中, AICD 放置在形成和生产油管之间。如图2所示, 生产流体必须经过 AICD 才能进入生产油管。因此, 每个区域的生产流程都可以由 AICD 控制。这也是一个被动的 ICD 是如何运作的。不同的是, AICD 可以根据生产流程中流体的类型和可取性来控制流的不同。
图 2-在流体进入生产管之前, 生产流体通过屏幕和通过 AICD 流动
射流二极管型 AICD 的流体力学原理：
AICD 必须完成两个主要任务:
1) 它必须确定生产液主要是石油, 还是主要是水和气体
2) 必须限制生产时, 流体主要是水和气体。
虽然其他 ICD 设计的特点堵塞容易移动部件已经提出, 更好的设计的射流二极管型 AICD 没有移动部件。 相反, 流体的识别和流体的限制是通过使用流体的射流特性和流动路径的几何来完成的, 而不需要移动部件。
射流二极管型 AICD 通过不同的通道引导不同的流体来发挥作用。通道路径的选择是由 AICD 的几何形状和流体的性质决定的。AICD 最重要的流体特性是流体的密度、粘度和流速。用密度和流速来描述惯性力, 用粘度和流速来描述粘性力。AICD 的操作方法是在惯性力与流体粘性力之间进行平衡。 通过调整流路径几何, AICD 可以非常敏感的流体性质。
AICD的流量控制功能最好用简化的模型来说明, 如图3所示。生产液通过屏幕, 然后进入 AICD 模型在入口处。生产液通过涡流碗中心的孔出口 AICD, 然后由生产油管运到表面。一旦流体进入 AICD, 流体必须选择通向出口的途径之一。流动可以走直线路径, 也可以分裂和采取发散的途径。
图 3-AICD 的简化模型。
路径的选择是由惯性力和粘性力的平衡决定的。当惯性力占主导地位时, 水流趋向于保持原方向的流动, 并会采取直线路径。当粘性力处于主导地位时, 水流将趋向于扩散到所有的通路, 而流动将会在发散通路和直线通路之间分裂。因此, 流体被定向到不同的路径取决于流体的性质。具有较高粘性力的油, 往往会在发散和直路径之间分裂。具有较高惯性力的水和气体将倾向于采取直线通路, 绕过发散通路。
当大部分的生产流体是一个理想的流体, 如油, AICD 的设计, 使所有的流体将采取的分歧和直接途径。两个通路中流体的角动量是平衡的, 在旋涡碗内会有极小的旋转。因此, 流体将直接朝出口方向前进。AICD 将提供一个最小的限制, 生产液, 并将执行像标准的被动 ICD。
当大部分的生产液是一个不太理想的流体, 如水或气体, AICD 的设计, 使所有的流体将主要采取直接途径, 并将绕过不同的途径。当流体进入直线通道时, 它们会以高角动量向旋涡碗中切去。流体将循环的漩涡碗, 并会在到达出口之前, 以高速旋转的速度。 这一短暂的高纺纱期之前流出的出口孔限制生产流程通过AICD。
AICD 的制约通过简要地转动液体在出口附近完成。 通过伯努利方程, 流体的压力差与流体速度有关。 在没有引力的情况下, 压力与流体速度的平方有关, 可以表示为:
P1minus;P0=1/2rho;V12minus;1/2rho;V02=∆P . . . . . . . . (1)
AICD 中Delta;P 的限制量与流体中的局部速度变化有关。出口孔附近的流体流动速度比入口的流体快。在出口孔附近高速旋转速度的短暂周期产生较大的压力差。 在恒定压力油藏中, 这种效应将被视为减少不需要的流体的总质量流量。 随着直线通道中流体比例的增加, 局部纺丝速度增加, 这就产生了较大的限制。更高浓度的不需要的液体将导致更大的比例流速在直线通道, 反过来, 导致更多的旋转在漩涡碗, 因此, 更大的限制AICD。
设计了 AICD, 使纺丝液速度随流体的性质而变化。这个概念是什么区别 AICD 从传统的, 被动的 ICDs, 其中流体速度总是与质量流速成正比的被动 ICD。
射流二极管型 AICD 的计算流体动力学建模：
利用计算流体力学建模 (CFD) 模型模拟了射流二极管型 AICD 简化模型的流动。CFD 模拟中的流线如图4所示。图4A 显示油流经 AICD。油是理想的流体, 油的粘性力大于惯性力。高粘度油在直线和发散路径之间均匀流动。流动线采取最直接的路线到出口, 并且油保持一致的速度, 当通过 AICD (由深蓝色流动线证明)。因此, AICD 对高粘度流体的流动提供了极小的限制。
图 4-AICD 的 CFD 模拟结果。流体根据区域是否产生水或油而采取不同的途径。A) 水流线, B) 流线
当一个不需要的流体流经 AICD 时, 惯性力就会主宰, 而流体则采用直线路径。4B. 表明低粘度水采用直线通道。水进入旋涡碗切向和加速, 因为它向出口旋转。 这个更高速度的短暂时期创造了背压, 限制了不必要的流体通过 AICD 的通道。因此, AICD 限制了低粘度流体的流动, 但对高粘度油的流动提供了极小的限制。
AICD 的限制量与通过 '直线路径' 与 '发散通路' 的流体比例有关。通过改变流体的粘度可以改变通过发散通路流动的流体量。图5给出了一个恒定密度流体的 CFD 分析结果, 该常数的入口流速, 并在流体粘度变化时, 绘制出发散通路中质量流速的分数。
在粘性力与惯性力平衡的情况下, 通过粘度划分实际粘度, 图5中的粘度是不 dimensionalized 的。低粘度流体停留在直线通道中, 因此, 发散通路中流动的比例接近0%。随着流体粘度的增加, 流体在发散通路中的比例增加。 如果粘性力平衡惯性力, 那么1/4 的流体选择发散通路。如果粘性力支配惯性力, 那么一半的流体选择发散通路。
图 5: 在简化的 AICD 模型中, 随着粘度的增加, 发散通路中流动的百分比增加
直线和发散路径中的相对流量与涡旋中的旋转量有关。当直线通道中有更多的流动时, 流体在旋涡碗中旋转, 从而导致较大的压力下降。随着粘度的增加, 流体的比例越高, 流动的扩散路径越低, 这就减少了涡旋碗中的旋转。
图6显示了对简化 AICD 模型的相同分析的压力降。压力是由最小粘度的压力 nondimensionalized 的。 在该模型中, 流体的体积流量和质量流量通过该装置保持恒定, 同时对不同的流体粘度进行评价。AICD 的压力差随着流体粘度的增加而减小, 因为旋涡碗中的旋转较少。
图 6: 根据模拟作为流体粘度函数的简化 AICD 的压力降
高粘度流体比低粘度流体更容易通过 AICD。在低粘度下, 旋涡盆地中流体的短暂纺丝产生了压力降, 限制了不需要的液体的产生。随着粘度的增加, 发散通路中的流体比例越多, 旋转量就减小。因此, 随着所需流体比例的增加, 通过该装置的压力下降会急剧减小。随着流体粘度的不断增加, 由于高粘度流体的粘性损失, 压降略有增加。注意, 水会比高粘度的油更慢地流过 AICD。
流体中的惯性力平衡流体中粘性力的过渡点不仅是流体的作用, 也是AICD 的几何性质。因此, 受限和最小限流之间的过渡可以根据所需流体和不需要的流体的性质进行调整。 AICD 内流动通路的不同几何图形可以用来限制水和/或气体, 并且可以用来通过轻质油或重油。
射流二极管型 AICD 中的流量测试：
AICD 的性能可以通过测量不同流体粘度的压降与流速来表征。较低的粘度流体, 如水, 将有更多的限制比较高的粘性流体, 如石油。AICD 的流量通过油、水、气的流动测试以及混合的多相流进行了验证。
图7中的压力率曲线显示了 AICD 的一个几何图形的流剖面。 该图显示了180°F 水、10cP 油和60cP 油的压力速率依赖性。这些曲线是测量流体通过一个单一的 AICD 的压力流曲线。图7中所代表的 AICD 的几何形状是在油是所需流体的情况下, 水和气体是不需要的流体。
这个几何比图3中所示的简化模型更复杂, 但这个 AICD 在类似的原则下运行。
图 7-通过范围3流体二极管型 AICD 测量的流量
如图7所示, 高粘度60cP
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