0 引言
调流控水技术是20世纪90年代发展起来的一项完井技术，在国内外进行了大量应用，并取得了很好的应用效果。随着调流控水完井技术的深入研究和推广应用，国内外对该技术的要求越来越高，如何最大限度地发挥调流控水的阻水稳油作用，实现全井段动态控制逐渐成为研究热点[1-3]。传统的调流控水技术主要采用油嘴式、喷管式和螺旋通道式的调流控水筛管，这些技术大都属于被动式调流控水技术[4]，使用时需要依赖电测数据对完井参数进行精确设计，然后根据设计结果下入调流控水完井管柱，通过控制流体的产出而间接控制底水锥进[5]。整套技术工艺要求高，对前期设计依赖大，控水有效期相对较短，局部层位被底水突破后，整套工艺的调流控水效果大打折扣，易导致储层的二次伤害[6]。
为此，笔者开展了自适应调流控水技术研究，研制了自适应调流控水装置及配套的专用调流控水筛管，实现了对油井开采过程中前期均衡控液、中后期阻水采油的目标，满足了在整个油井生产周期控水稳油的技术要求。
1 自适应调流控水技术 1.1 工艺组成自适应调流控水技术主要由自适应调流控水装置、专用精密滤砂网控水筛管、储层分段用膨胀封隔器、上部悬挂封隔器、连接盲管及油管等组成。
1.2 工艺原理自适应调流控水技术完井管柱整体结构如图 1所示。它采用遇油膨胀封隔器对储层分段，在膨胀封隔器的中间安装有自适应调流控水装置及专用控水筛管，统称为自适应调流控水筛管。自适应调流控水筛管分段完井后，每一段内的控水模块都能够随着所控制层位产出流体含水质量分数的变化自动调整相应的附加阻力，达到自动调节油水阻力，无需控制管线和人为干预，自适应调流控水的目的，进而在整个油井开发生产周期收到改善水平井入流剖面、提高采收率的效果。现场应用中，根据水平井地层渗透率、孔隙度、地层静压等资料以及油井产量和井筒条件的要求，设计自适应调流控水完井参数，优化完井施工管柱组合，并确定调流控水筛管的使用数量。
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| 1—悬挂封隔器；2—遇油膨胀封隔器；3—自适应调流控水筛管；4—引鞋。 图 1 自适应调流控水技术完井管柱结构示意图 Fig.1 Structural schematic of the completion string of the automatic inflow control technology for water control |
完井管柱自下而上依次为：引鞋+隔离阀+自适应控水装置+专用控水筛管+膨胀封隔器+……+自适应控水装置+专用控水筛管+膨胀封隔器+盲管+悬挂封隔器。施工过程中，在井口进行完井管柱各工具设备的连接，将悬挂封隔器随自适应调流控水完井管柱一起下入井内，悬挂封隔器定位后，投球加压坐封坐挂悬挂封隔器；验封后，下入生产测试管柱求产并注入轻质柴油促使井下膨胀封隔器膨胀坐封，关井反应，待达到膨胀封隔器膨胀时间后，根据油井的产液情况判断是否下入抽油设备，在油井产出的液体满足技术要求后，上提生产管柱，完成井口设置，并根据后期生产管柱的要求进行施工。
1.3 技术参数油井产液大于10 m3/d，油井含水体积分数0~98%，地层原油黏度3~500 mPa·s，适用井筒内径215.9 mm(8½ in)、165.1 mm(6½ in)，自调节水油压降比3~40。
2 关键技术 2.1 自适应调流控水装置 2.1.1 结构通过调研传统的调流控水装置[7-13]，设计了具有油水自调节功能的自适应调流控水装置(见图 2)。该装置主要由工作筒、核心控制件、外保护套和密封圈等组成。
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| 1—外保护套；2—核心控制件；3—核心控制件底座；4—O形圈；5—工作筒。 图 2 自适应调流控水装置 Fig.2 Structure of automatic inflow control device |
核心控制件与工作筒的连接采用精细铜铅焊的方式，外保护套与工作筒采用螺纹连接。整套自适应调流控水装置结构简单，无活动部件，可靠性高，有效期长。
2.1.2 工作原理水平井自适应调流控水完井后，地层产液由油藏渗流到水平祼眼与筛管外保护套间的环形空间内，然后经筛管滤砂层进入筛管基管与滤砂层间预留的环形空间，在该环形空间内地层产液沿水平井轴向流向安装在筛管端部的自适应调流控水装置的流体腔内。自适应调流控水装置采用特殊几何流道设计，不含任何活动部件，其工作原理是：油与水的密度和黏度差异会造成油水在几何流道中流动的差异，这样油和水在旋流过程中能量损失不同，实现高节流压降及油和水的压降差异，起到“节流”低黏度流体、“开源”高黏度流体的作用。与传统的调流控水装置相比，自适应调流控水装置具有“主动式”调流控水功能，能够根据多控制层位产液的变化自动调整所产生的附加阻力，遇油低摩阻，遇水高摩阻，实现了“低成本”的智能完井。在自适应调流控水装置内的地层产液由自适应节流控制器两侧的入口流入节流控制件内，核心控制件进行自调节油水调节后，地层流体由节流控制器中预留的中心出孔流入生产管柱，通过自喷或人工举升至地面生产管线。
2.1.3 技术特点及优势(1) 油水自适应。根据控制层位产液状况自动调节产生的附加压降，最大水油压降比可达到20以上。利用油水基本物性差异，通过采用改变流动通道的几何特性来改变流体运动势能的方法，设计了特殊流道的核心控制件，实现自动识别流体、区块控制和自适应稳油控水功能。相对于常规的“被动式”调流控水装置，该装置具备对油水直接控制的功能，对产水段能够有针对性地增加附加阻力，从而抑制产水段的产液，达到动态调节油井在整个生产周期内各产液段入流剖面的目的，调流控水效率得到大幅度提升。
(2) 过流面积大。自适应调流控水装置内核心控制件与出口喷嘴的匹配取得了突破，实现了大直径喷嘴高节流阻力的作用效果，相同尺寸出口产生的节流阻力是喷嘴型控水装置的20倍以上。较大的过流面积和出口直径降低了自适应调流控水装置的堵塞和冲蚀风险，为井底循环作业和酸化作业提供了较大的过流空间。
(3) 核心控制件尺寸小，便于安装。单个核心控制件整体结构尺寸小，对油水阻力的调节能力强，在较低的排量下(2~5 m3/d)就可以起到显著的自适应调流控水作用。此外，单个自适应调流控水装置能够根据现场的应用需求，安装核心控制件1~4个，增大了自适应调流控水装置的流量调节范围。
(4) 可靠性高。整套自适应控水装置不含活动部件，一体化设计，延长了使用寿命，降低了安全风险，实现了无限制控水。此外，自适应控水技术比国内外常规控水技术具有更强、更智能的产出剖面调节能力，更长的产出剖面调节有效期，且管内全通径，便于后期二次完井和修井。
(5) 适应性强，密封可靠。自适应调流控水装置与筛管部分的连接采用螺纹+插入密封方式，既能满足连接的强度要求，可以实现不同规格筛管与不同规格自适应调流控水装置的自由搭配安装，以适应不同地层配产的需求，又可以实现自适应调流控水装置现场配置调整，还能够根据现场实测电测曲线对不同井段流量进行优化调节。此外，自适应调流控水装置还可以与普通筛管、盲管任意组合配套使用，降低完井成本。
2.1.4 主要技术参数根据油田现场常用生产层段井筒内径、油田技术需求及油井调流控水产能流量要求，设计了2种规格自适应调流控水装置，其主要技术参数如表 1所示。
| 外径/mm | 最大外径/mm | 最小内径/mm | 长度/m | 流道高度/mm | 中心出口直径/mm | 适应井深/m |
| 139.7 | 175 | 139.7 | 1.5 | 5.0 | 1.6~5.0 | < 7 000 |
| 114.3 | 148 | 101.6 | 1.5 | 4.5 | 1.6~5.0 | < 7 000 |
2.2 专用控水筛管 2.2.1 结构
调流控水技术一般采用筛管作为地层流体的过滤设备和导流设备[14-15]，结合自适应调流控水装置的结构特点，研制了一套精密复合滤砂网筛管作为自适应调流控水装置的专用配套筛管。该筛管主要由工作基管、绕丝骨架、绕丝网、打孔网、扩散网、滤砂网、外保护套、对接插头和中间接箍等部件组成，如图 3所示。
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| 1—基管；2—快速对接插头；3—固定环；4—改造后的精密复合滤砂层；5—中间接箍。 图 3 自适应调流控水用精密复合筛管 Fig.3 Structure of the precision composite screen for automatic inflow control device |
其中，中心管外部与绕丝网之间留有4~5 mm的环形空间，用以保证流体的横向入流，这样既能够满足调流控水完井的挡砂要求，又能够满足自适应调流控水装置调流的技术要求。
2.2.2 工作原理及过程当自适应调流控水完井管柱下入完成，开始生产后，地层流体进入筛管与地层之间的环形空间，筛管外保护套的梯形结构设计和侧入方式保证了进入筛管内流体的流动稳定性，抑制了高生产压差对筛管的直接冲击，保护了筛管内部结构。进入筛管内部的流体经过滤砂网时，滤砂网将流体中的地层砂砾和杂质挡在筛管外，使得进入自适应调流控水装置内的流体具有较高的纯净度，减轻砂砾或杂质对自适应控水装置的堵塞和冲蚀。扩散网在滤砂网内层，主要起到保护和支撑滤砂网的作用，滤砂网的过滤精度、滤砂网和扩散网的两层结构的使用数量可根据地层出砂情况在入井前进行优选。通过滤砂网和扩散网的流体经过打孔网的均衡作用后，穿过基管与绕丝网形成的中心环形通道，沿绕丝骨架流入筛管端部的自适应调流控水装置内，经自适应调流控水装置调流后进入完井管柱内，实现了精细过滤和自适应调流控水的一体化。
2.2.3 技术特点(1) 自适应调流控水装置与专用控水筛管通过对接插头连接，保证进入专用控水装置内部的流体全部被引入自适应调流控水装置，经该装置调流后进入完井管柱内部。对接插头可实现自适应调流控水装置与专用控水筛管的快速对接更换。
(2) 中间对接接箍实现了两根专用控水筛管内部中心流道的连接，使用一个自适应调流控水装置即可控制多根专用控水筛管的入流，增加了自适应调流控水装置对地层入流流体控制的灵活性。
(3) 6层结构的筛管滤砂层设计，解决了入流流体的高精度过滤问题，减弱了砂砾和杂质对自适应调流控水装置堵塞和冲蚀的效果；复合高精度滤砂网具有较好的自洁功能和较高的过流性能，有利于地层流体由地层进入筛管内部，满足过滤及进液的技术需求。
(4) 高密冲缝过滤外保护套采用304不锈钢材料，冲缝为螺旋分布，采用精密冲缝技术，不锈钢冲缝过滤外保护套的冲缝开口在侧面，可减小地层产液对冲缝外保护筛管的直接冲蚀。
2.2.4 主要技术参数根据油田现场常用生产层段井筒内径、油田技术需求及油井调流控水产能流量要求，设计了2种规格精密滤砂网控水筛管，其主要技术参数如表 2所示。
| 外径/mm | 最大外径/mm | 最小内径/mm | 单根长度/m | 过滤精度/μm | 冲孔规格/(mm×mm) |
| 139.7 | 180.0 | 139.7 | 10 | 70、80、100、120、150 | 18×8 |
| 114.3 | 148.0 | 101.6 | 9 | 70、80、100、120、150 | 18×8 |
3 现场试验及效果评价 3.1 现场试验
新疆B油田某水平井井深4 981 m，水平段长约240 m，水平井所在位置油藏厚度2.5 m，最低避水高度1.22 m，油藏下部为大底水，属底水驱油藏，底水能量足、水体大。水平井所在油藏区块已开发10 a，区块生产井平均含水质量分数82%，平均日产油6.7 t，控制并治理底水、延缓水平井底水锥进是该井完井工程所面临的主要问题。采用自适应调流控水技术进行控水增油完井，成功进行了施工作业，组装下入自适应调流控水完井管柱及封隔器，坐封坐挂作业均一次性成功。
3.2 效果评价施工完成后，下入生产管柱，水平井的产量变化情况如图 4所示。
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| 图 4 试验井产量变化示意图 Fig.4 Production change of the test well |
从图 4可以看出，该井在投产后一直自喷生产，产能变化稳定，稳产已超过400 d，平均日产油20.2 t，油井日出水始终处于低水平，平均含水质量分数5.4%。与试验井所处区块同期的产能及出水情况相比，试验井的日产油量提高了近3倍，低含水采油期已延长超过310 d，试验井的控水增油效果明显。该井在生产过程中曾出现过多次产水量上升随后下降的情况，尤其是在正常生产110 d时出现了明显的产水量上升且维持了一段时间，产水量才开始下降重新回到低出水量的生产状态。这是因为试验井的油层厚度小，避水高度低，试验井在生产过程中出现了底水锥进的现象。但由于使用了自适应调流控水技术，水平段在出现底水锥进后，底水锥进处的自适应调流控水筛管产生额外的附加阻力，有针对性地抑制了出水层位的生产，促进产油段的生产，收到了动态阻水采油的效果。
为了进一步分析试验井的控水增油效果，将该试验井与同期开发的一口邻井的产能变化情况(见图 5)进行对比。从图 5可以看出：该邻井自喷生产只有110 d，随后开始机抽生产，平均日产油11.4 t，平均含水质量分数达到56%；试验井平均日产油增加了近2倍，延长低含水采油期200 d以上，体现了自适应调流控水完井技术的控水增油优势。
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| 图 5 同期邻井产量变化示意图 Fig.5 Production change of the offset wells |
4 结论
(1) 自适应调流控水技术可对油井开采过程中前期均衡控液，中后期阻水采油，满足了在整个油井生产周期控水稳油的技术要求，整体工艺管柱结构简单，施工方便。
(2) 自适应调流控水装置采用流道式调流机构，实现了油水自选择、阻水稳油的自动化，无需人为干预，无需控制管线，一体化结构设计，无限级控水。
(3) 专用控水筛管采用6层结构精密滤砂网设计，基管筛网内部留有4~5 mm的过流通道，既满足调流控水井内流体横向入流要求，也可对进入井筒内的流体进行深度过滤。
(4) 现场试验结果表明：应用自适应调流控水技术后，水平井日产油量提高了近3倍，延长低含水采油期300 d以上；可有针对性地抑制出水层位的生产，促进产油段的生产，取得了较好的控水增油效果。
(5) 自适应调流控水技术能够在一定程度上解决常规调流控水完井技术存在的控水针对性差的问题，满足调流控水长期性、可靠性以及生产后期阻水采油的技术要求。
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