摘 要

长水平井易过早见水见气，在完井端上安装流入控制装置可延缓见水/气，均衡压降，保证石油最大化产出。但是一旦见水/气，传统的被动式流入控制装置失效，水/气接管油井，明显减少油井产量。针对此问题以及当前自适应流入控制装置（AICD）均存在其局限性，创新性提出了一种新型AICD，该装置由弧形导流器及椭圆型限流器组成。利用FLUENT（一个CFD数值模拟软件）分析了其内部流动规律，优化了其结构参数，并基于优化结果研究了流体参数敏感性。论文的主要内容如下：

1. 完成该AICD的三维建模、划分网格和CFD仿真计算；
2. 研究限流器形状及尺寸、导流器曲率、出入口尺寸和分支流道位置对该AICD性能的影响；
3. 研究含水率、油相密度、油相粘度对压降的影响。

研究结果表明：该装置在径向连接方式，椭圆形限流器长轴为40mm，短轴为35mm，弧形导流器曲率为0.5，入口尺寸为4mm，出口直径为3mm，分支位置角为140°，2个导流器时性能最佳，且其对密度、粘度均不敏感。

新设计的装置不含可动件，无需人工干预，无电，无控制线路。固态设计可提高可靠性，抗侵蚀性，抗腐蚀性，防堵塞。它根据流体物理属性来限制有害液体的产出。 并且对油相密度和粘度均有较大的适用范围。

关键词：AICD；设计并优化；FLUENT；敏感性分析

Abstract

Premature water/gas breakthrough may occur in long horizontal wells, so an inflow control device（ICD）installed in competition section can delay unwanted water/gas break through,balance the competition pressure differential with the reservoir pressure so that an even influx across production zones is maintained. However，when unwanted water/gas do finally break through，they can take over the well, significantly reducing the production of oil. According to this problem and all kinds of current adaptable inflow control device （AICD） are more or less limited to some extent. So a new adaptable inflow control device is presented,composed of arc-diverter and a ellipse limiter. It’s internal flow pattern was analyzed and structure parameters were optimized using FLUENT （a CFD numerical simulation software ）, and the fluid parameter sensitivity was studied based on optimization results.The main content of this paper are as follows:

1. Accomplish three-dimensional modeling、meshing and CFD simulation of the AICD；
2. Study the effect of connection’s shape and size、arc-diverter’s curvature、inlet’s size、outlet’s size、branch’s angle to the AICD’s performance.
3. Study the effect of the rate of water、the oil density、the oil viscosity on pressure drop.

The research shows that this device is in it’s optimal structure when in radial connection mode, ellipse limiter long axis is 40 millimeter, short axis is 35 millimeter, the curvature of arc-diverter is 0.5, inlet’s dimension is 4 millimeter, outlet’s diameter is 3 millimeter, at 140° branch angle, having 2 arc-diverters. And it is not sensitive to density and viscosity.

The newly designed device is designed to function without moving parts, without intervention, without electronics, and without control lines. It is a solid state design with improved reliability, erosion resistance, corrosion resistance, and plugging resistance that can maintain high mechanical integrity. It operates by detecting whether the production fluid is undesirable, and then, if unwanted, it restricts the production of the unwanted fluid. And it enjoys a broad application range in oil density and viscosity.

Key Words：AICD；Design And Optimization；FLUENT；Sensitivity Analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本章小结 4

第2章 FLUENT 数值模拟 5

2.1 单相流动 9

2.2 多项流动 11

2.3 本章小结 12

第3章 结构参数优化 13

3.1 限流器形状及尺寸 13

3.2弧形导流器曲率 16

3.3 入口尺寸 19

3.4 出口尺寸 21

3.5 分支位置 24

3.6 弧形导流器数量 27

3.7 与3A型AICD的对比及选材 28

3.8 本章小结 30

第4章 流体性质敏感性分析 31

4.1 含水率敏感性 31

4.2 油相密度敏感性 32

4.3 油相粘度敏感性 33

4.4 本章小结 34

第5章 总结与展望 35

参考文献 37

致谢 39

第一章 绪论

1.1研究背景

1983年第11次世界石油大会提出，石油是包括自然界存在的气态、液态和固态烃类化合物一级少量杂物组成的复杂混合物。而在本论文中，只考虑自然界产生的液态石油，它主要位于地壳上层部分，主要成分是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。

石油被称为"黄金血液"，是重要能源，是一个国家国民经济的重要支柱。石油与煤相较而言，具有能量密度大（等重的石油燃烧热比标准煤高50%）、运输存储方便、燃烧后对大气的污染程度较小等优势。从石油中提炼出来的燃料油是运输工具、电站锅炉、冶金工业和建筑材料工业种种窑炉的主要燃料。以石油为原料的液化气和管道煤气是城市居民日常生活不可或缺的燃料。飞机、坦克、舰艇、火箭以及其他航天器，也需要消耗许多石油燃料。因此，许多国家都把石油列为战略物资。