水平井產(chǎn)能分析理論與方法課件

1、水平井產(chǎn)能分析理論與方法The Art of Productivity Analysis for Horizontal Wells中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 王曉冬1石油的意義石油是地球賦予人類的寶貴財富，它推動了人類社會的文明與進步。石油是“黑色的金”、“工業(yè)的血液”。 石油工業(yè)的勝敗興衰直接影響了經(jīng)濟的發(fā)展、民族的興旺乃至國家的安全。正是石油引發(fā)了海灣戰(zhàn)爭、科索沃的大爆炸、車臣境內(nèi)的槍炮聲。前法國總統(tǒng)的戴高樂將軍曾逢時哀嘆：“決定第一次世界大戰(zhàn)勝敗的是煤，法國沒有煤；決定第二次世界大戰(zhàn)勝敗的是石油，法國沒有石油”！石油是何等的不可或缺啊！石油是現(xiàn)代文明的神經(jīng)動脈，沒有石油，維持這個文明的一切工具

2、，便告癱瘓；我國石油工業(yè)本身就是國家綜合國力的重要組成部分。石油對于任何一個國家都是一種生命線，它對于經(jīng)濟、政治、軍事和人民生活的影響極大 。2006.1，科技大會制定十一五規(guī)劃，“大型油氣田和煤層氣開發(fā)”是十六項重要專題之一。2提 綱 概述 普通水平井產(chǎn)能評價 分支水平井產(chǎn)能評價 壓裂水平井產(chǎn)能評價 水平井的不穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能分析方法 總結(jié)3概 述4世界能源形勢 在當(dāng)今的世界能源結(jié)構(gòu)中，石油與天然氣占有重要比例?；仡櫄v史，如圖0-1所示，在19世紀(jì)以前世界主要能源是以木柴為主，至英國發(fā)生了以蒸汽機為標(biāo)志的工業(yè)革命之后，煤的使用大量增加。1870年左右，煤代替木柴成為世界第一能源。在19101920年

3、間達到了高峰，這一過程持續(xù)了近100年。20世紀(jì)以來，以內(nèi)燃機為標(biāo)志的技術(shù)進步使得人們大量開發(fā)使用石油，特別是二次世界大戰(zhàn)以來，坦克、飛機、大炮等需要大量石油，許多大油田均是在二戰(zhàn)時期發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的。二戰(zhàn)以后大量廉價的石油被開發(fā)和利用，到1960年左右石油取代了煤成為世界第一能源。至19801990年間，石油在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比例達到最高峰，占41。1999年世界各能源所占消費比例天然氣為23.5，石油38.5，煤25.5。 5世界能源形勢與海灣石油大國相比，中國不是一個富有石油的國家。IEA2004年的統(tǒng)計資料表明，常規(guī)石油探明儲量中國是僅排名第十二位。2004年中國的探明石油地質(zhì)儲量為2

4、34億噸，可采儲量為65億噸，剩余探明可采儲量僅為23.7億噸，而截止2003年1月1日，伊朗的石油剩余探明可采儲量就是122.88億噸。中國不是一個石油儲量大國，卻是一個石油生產(chǎn)大國。 圖0-2常規(guī)石油探明儲量前十位排名引自World Energy Outlook. (2004)7世界能源形勢IEA2004 年的統(tǒng)計資料表明世界石油年產(chǎn)量排名前十位的國家分別是沙特、俄羅斯、美國、英國北海、伊朗、中國、中國在快速開采石油這樣的一次性不可再生的資源！前景堪憂啊。 圖0-3世界石油產(chǎn)量前十位排名引自World Energy Outlook. (2004)8世界能源形勢IEA2004年估計說，隨著經(jīng)

5、濟的發(fā)展，在未來的三十年內(nèi)，中國的石油需求將以每年3.4%的平均速度增長，這一速度可能高于同時期世界平均水平的二倍。許多專家認(rèn)為中國內(nèi)地今后的石油產(chǎn)量可通過兩條途徑保持和提高，一是加強勘探，增加新區(qū)未探明儲量；二是技術(shù)進步，提高老區(qū)原油采收率。中國陸上的多數(shù)油田由陸相沉積的非均質(zhì)多油層構(gòu)成，斷層分布復(fù)雜，有效厚度偏小。諸多礦場成功實例表明，在中國國內(nèi)水平井確實是一種提高原油產(chǎn)量的的可行技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊。 10水平井人類用水平井技術(shù)開發(fā)油氣藏的歷史迄今已有200多年。水平井最早出現(xiàn)于美國，但直到八十年代才開始大規(guī)模工業(yè)化推廣應(yīng)用，目前全世界已完鉆水平井2萬余口，主要分布于美國、加拿大、前蘇聯(lián)

6、等69個國家。 我國早在六十年代就在四川碳酸鹽巖中嘗試打成了磨3井和巴24井（采氣）2口水平井，但限于當(dāng)時的技術(shù)水平，未取得應(yīng)有的效益。直到1988年，水平井開發(fā)技術(shù)才又重新興起，首先在南海完鉆LH1116水平井，并相繼在勝利、新疆、遼河等油田開展攻關(guān)進而推廣應(yīng)用。到目前，勝利油田共完鉆水平井500口，占全國水平井總數(shù)的80%。90s50s60s70s80s11中國南海東部流花11-1水平井1988年，Amoco東方石油公司在中國南海珠江口盆地2904合同區(qū)塊的流花111構(gòu)造上鉆成了海上第一口水平井流花11-1-6井。到1989年1月在該構(gòu)造上共鉆井7口，經(jīng)過試油證明該油田是一個深水、油層淺、

7、面積大、油稠、底水錐進快的礁塊狀油藏。該井采用當(dāng)時世界上先進的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、頂部驅(qū)動鉆井裝置、MWD隨鉆隨馴工具以及低毒性礦物油基泥漿等工藝技術(shù)，僅用20天時間就完鉆，經(jīng)過180天的EDST（延長鉆桿試油）測試，結(jié)果與直井相比其底水錐進慢、產(chǎn)量高，含水也只有垂直井的一半（黃長穆、陳洪鈞，1990）。流花11-1-6井為今后同類油田的開發(fā)提供了重要依據(jù)，也鼓舞了八十年代中國大陸水平井采油技術(shù)的開展。 南海東部流花11-1井試油噴出高產(chǎn)油流12水平井類型海油陸采水平井大位移水平井分支水平井階梯式雙水平段水平井短半徑側(cè)鉆水平井14分支水平井類型15分支水平井17水平井機理水平井的優(yōu)勢具有比直井更長的

8、完井層段，能夠產(chǎn)生較大的泄油區(qū)，可以改造斷塊型油藏的連通性，能夠有效的抑制有底水或氣頂油藏的水錐或氣錐，具有水力壓裂造縫所不能的合理的定向控制和長度控制。水平井實質(zhì)水平井并沒有改變油氣滲流機理，油藏流體所遵循的滲流方程與直井一樣，只是流體流入條件發(fā)生了變化，由此改變了流場。水平井本身不能提供任何附加能量以助開采，但它可以提高能量的利用率。研究表明，影響水平井生產(chǎn)的重要因素有構(gòu)造描述、Pr、裂縫密度和方位、Kv、h、合理的Lw等。水平井比較適應(yīng)于開發(fā)非均質(zhì)、致密、低滲透以及薄層。對于解決油田開發(fā)后期出現(xiàn)的水錐、氣錐和高含水問題，水平井也有顯著的效果。應(yīng)用發(fā)展趨勢單井多井 非常規(guī)常規(guī) 地質(zhì)導(dǎo)向等先

9、進技術(shù)無論用于何種油藏，最關(guān)鍵的是要根據(jù)油藏特性正確設(shè)計水平井段的位置和合理的完井。18水平井地質(zhì)及油藏工程設(shè)計技術(shù)區(qū)塊篩選油藏類型油藏地質(zhì)條件初步經(jīng)濟評估適合目標(biāo)區(qū)塊精細三維地質(zhì)模型剩余油分布規(guī)律目的層及位置合理布井方式井身軌跡優(yōu)化油藏工程參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方案經(jīng)濟評估目標(biāo)區(qū)優(yōu)化設(shè)計方案19產(chǎn)能評價基礎(chǔ)20產(chǎn)能評價的意義鉆井采油以最小的成本，獲得最大的效益追求最大采出程度追求最大采油指數(shù)用最簡明的方式解決問題21產(chǎn)能評價基礎(chǔ)滲流定律=Darcy公式定義： Darcys Law符號： Q= 流量 cm3/s A = 滲流面積cm2 m= 動力粘度cP dP= 壓力差 atm dx= 長度cm K =

10、 滲透率 DHenry Darcy（1803-1858）出生于1803年06月10日法國巴黎東南部Burgundy地區(qū)Cote dOr 行政區(qū)的Dijon城，因肺炎卒于1858年01月02日 22產(chǎn)能評價基礎(chǔ)平均地層壓力平均地層壓力Pavg：在滲流系統(tǒng)中，平均地層壓力是泄流體積內(nèi)壓力分布的算術(shù)平均值 。對不同的滲流方式，這一公式有更具體的表達形式。在油氣開采過程中，平均地層壓力標(biāo)志著泄流體積內(nèi)的能量水平，對井的產(chǎn)量起決定性的作用，所謂井無壓力不出油。對于給定的滲流系統(tǒng)可以通過礦場不穩(wěn)定試井獲得平均地層壓力，通過理論分析得到平均地層壓力與井底流壓或邊界壓力的關(guān)系 24產(chǎn)能評價基礎(chǔ)經(jīng)典滲流方式所謂

11、滲流方式（Flow Pattern）指的是滲流場的一類表現(xiàn)特征，即流線和等勢線按一定規(guī)律分布，它反映了一種特殊的滲流規(guī)律。 25產(chǎn)能評價基礎(chǔ)流動狀態(tài)(Flow Regimes)穩(wěn)態(tài)滲流穩(wěn)態(tài)滲流是一種特殊的滲流階段，指的是滲流運動要素（壓力、滲流速度、溫度）只是空間坐標(biāo)的函數(shù)，與時間無關(guān)，反之是不穩(wěn)態(tài)滲流。在礦場上，有些油層具有活躍的邊、底水，多數(shù)的油藏采用注水開發(fā)，這時由于有充足的能量補給而容易形成注采平衡，在供給邊緣上地層壓力保持不變。油井投產(chǎn)后，井底與供給邊緣之間迅速形成壓差，若井底壓力不變則這種壓差能夠在一段時間內(nèi)保持不變，由此形成穩(wěn)態(tài)滲流。 擬穩(wěn)態(tài)滲流如果壓力擾動完全波及到了封閉邊界，

12、地層將發(fā)生擬穩(wěn)態(tài)滲流，產(chǎn)量完全來源于地層壓力降落引起的流體和巖石膨脹，其特征是地層各處的壓力降落速度相同，都等于泄流體內(nèi)平均壓力降落速度。 不穩(wěn)態(tài)滲流平面線形流 平面徑向流 空間球形流27產(chǎn)能評價基礎(chǔ)平面徑向流之Dupuit公式已知泄流邊界壓力已知平均地層壓力28產(chǎn)能評價基礎(chǔ)表皮因子若S = - 5及ksk：rs/rw=148.4一般單井泄油區(qū)：ln(re/rw)6 to 8 re/rw403.4 to 2980.8PwfrwrPfPR未損害區(qū)實際井壓力損害區(qū)井軸線理想井壓力rsh29-30產(chǎn)能評價基礎(chǔ)儲層各項異性含油地層為多孔介質(zhì)，具有非均質(zhì)特性如果多孔介質(zhì)的滲流力學(xué)性質(zhì)（如儲容性）與位置相

13、關(guān)，即某點的性質(zhì)明顯與另外點不同，則稱為非均勻介質(zhì)如果多孔介質(zhì)的滲流力學(xué)性質(zhì)與方向相關(guān)，即某方向的性質(zhì)明顯與另外方向不同，則稱為各向異性介質(zhì)。由此又可將多孔介質(zhì)簡單分為：非均勻介質(zhì)、均勻各向同性介質(zhì)和均勻各向異性介質(zhì)。滲透率可用一個二階對稱張量表示滲透率張量可變?yōu)閷菑埩垦芯克骄a(chǎn)能必須注意儲層各項異性 31-32產(chǎn)能評價基礎(chǔ)等值滲流阻力法（巴甫洛夫斯基）在二十世紀(jì)初提出了水電相似原理。達西定律和電學(xué)歐姆定律相似。在相似場中，多孔介質(zhì)對應(yīng)著導(dǎo)電介質(zhì)，滲透率對應(yīng)電導(dǎo)率，滲流速度對應(yīng)著電流通量，流體勢對應(yīng)著電勢，因此可以將電學(xué)的某些結(jié)果（例如電路的串、并聯(lián)）借鑒到滲流力學(xué)中，用來分析某些情況下井

14、的產(chǎn)量問題。33- 并聯(lián)電路問題 串聯(lián)電路問題 34普通水平井產(chǎn)能評價35-二維近似方法普通水平井各項異性地層、裸眼完井、無限導(dǎo)流流場及其近似分解三個著名公式： op ，Joshi，Giger36op (1958)37Joshi（1987）38Giger (1988)法國學(xué)者Giger認(rèn)為水平井的水平面橢圓泄流區(qū)半長軸可以用某個等效的半徑reh來替代，結(jié)果Joshi公式就變成： 39對比分析圖3.9-1水平井產(chǎn)量計算結(jié)果對比圖40三維圓形封閉儲層擬穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能公式通過積分疊加方法直接給出壓力分布公式，然后通過對Bessel函數(shù)及其積分的漸近分析給出圓形封閉儲層擬穩(wěn)態(tài)產(chǎn)量公式：41三維箱形封閉儲層擬

15、穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能公式2 Babu和Odech（1989） 422D/3D 對比分析432D/3D 對比分析442D/3D 對比分析？45其他復(fù)雜情形井網(wǎng)多井疊加(后面講到)完井方式表皮因子46分支水平井產(chǎn)能評價47分支水平井48復(fù)雜分支水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能分析思路單分支水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能公式當(dāng)量井徑公式多分支的穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能公式和直井的產(chǎn)能公式對比壓降疊加原理49當(dāng)量井徑若已知某種井型的穩(wěn)態(tài)或擬穩(wěn)態(tài)產(chǎn)量公式，為了對比方便，在Darcy滲流的條件下將該井型公式與普通完善直井產(chǎn)量公式相對比，當(dāng)產(chǎn)量相等時得到的等效井筒半徑為當(dāng)量井徑，用rwe來表示。普通完善直井的當(dāng)量井徑等于原始井徑，而普通不完善直井（例如有近井地層損害情

16、形）的當(dāng)量井徑可用下式表示： 采用當(dāng)量井徑分析時，當(dāng)量井徑越大油井增產(chǎn)倍數(shù)越大，產(chǎn)量越高，產(chǎn)量具體值可通過直井相應(yīng)的產(chǎn)量公式計算得出。 50復(fù)雜分支水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能計算及分析利用當(dāng)量井徑模型將每個分支等效為一口直井，再應(yīng)用多井壓降疊加原則得到壓力分布公式，進而導(dǎo)出產(chǎn)量公式。三分支對稱水平井采油指數(shù)分布圖51復(fù)雜分支水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能計算及分析分支數(shù)不是越多越好隨分支數(shù)增加，單分支采油指數(shù)逐漸降低。52復(fù)雜分支水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能計算及分析分支數(shù)不是越多越好隨分支數(shù)增加，總采油指數(shù)逐漸增加，但增加幅度逐漸變小。53復(fù)雜分支水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能計算及分析各分支夾角和井長，可調(diào)整各分支采油指數(shù)。各分支的夾角影響各分支

17、采油指數(shù)的分布。54復(fù)雜分支水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能計算及分析調(diào)整各分支夾角及分支井長度，可調(diào)整各分支采油指數(shù)。各分支的長度影響各分支采油指數(shù)。55壓裂水平井產(chǎn)量分析方法56兩種典型裂縫v hh57水力垂直裂縫參數(shù)說明圖Vfphwf2xfVfpwfrf58壓裂水平井產(chǎn)量分析方法單裂縫擬穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能公式單裂縫當(dāng)量井徑模型和直井公式對比:多裂縫產(chǎn)能公式壓降疊加原理壓裂水平井產(chǎn)量分析思路:59無限導(dǎo)流穩(wěn)態(tài)當(dāng)量井徑模型60有限導(dǎo)當(dāng)量井徑模型 61多裂縫系統(tǒng)產(chǎn)能計算 利用當(dāng)量井徑模型將壓裂水平井的每條水力裂縫等效為一口直井，由壓力疊加可得出關(guān)于單裂縫流量的方程組: 方程組求解:62多裂縫系統(tǒng)產(chǎn)能計算63多裂縫系統(tǒng)產(chǎn)能

18、計算64多裂縫系統(tǒng)產(chǎn)能計算65多裂縫系統(tǒng)產(chǎn)能計算裂縫長度對總采油指數(shù)影響曲線66多裂縫系統(tǒng)產(chǎn)能計算67多裂縫系統(tǒng)產(chǎn)能計算裂縫導(dǎo)流能力對采油指數(shù)影響曲線68總 結(jié)691考察了現(xiàn)有的水平井二維近似分析方法。研究表明，二維的op公式是最基礎(chǔ)的公式，著名的Joshi公式只對其進行了一個小的改進，在對等條件下兩者的計算結(jié)果相差不大，而Giger由于橢圓泄流區(qū)半長軸的相對固定，當(dāng)水平井較長時其近似效果可能不好，至于Renard-Dupuy公式只是Joshi公式的另一種寫法。702根據(jù)當(dāng)量井徑模型、利用壓降疊加原理建立了不同布井方式下的分支水平井產(chǎn)能評價方法分析了等長、不等長分支井的產(chǎn)能分配及采油指數(shù)，結(jié)果認(rèn)為如果水平井的分支數(shù)適當(dāng)增加，可引起各分支的采油指數(shù)下降、總采油指數(shù)增加；如果分支數(shù)過分增加，總采油指數(shù)的增加幅度將不斷減小因此在鉆井設(shè)計時，并不是分支數(shù)越多