水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

隨著氣田開(kāi)發(fā)的深入，水平井價(jià)格控制水井管的檢測(cè)技術(shù)先后在東海、香港、勝利、塔河等油田進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，取得了良好的效果。然而，由于調(diào)流控水壓井技術(shù)采用相對(duì)“動(dòng)態(tài)”完井技術(shù)，因此在使用中應(yīng)配置調(diào)整井管的放置位置、流量參數(shù)和分類(lèi)參數(shù)。因此，井參數(shù)優(yōu)化在調(diào)流控水壓井的完井效果中起著非常重要的作用。國(guó)外一家大型石油科技公司將井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法作為水平井調(diào)流控水壓井井檢測(cè)技術(shù)體系的一項(xiàng)核心內(nèi)容?；诖?本文通過(guò)對(duì)水平井調(diào)流控水篩管的工作原理及流動(dòng)耦合模型的分析,建立了一套水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。1地層流體進(jìn)出管出方向水平井調(diào)流控水篩管完井技術(shù)是指在普通篩管端部加裝節(jié)流控制器,通過(guò)設(shè)置不同的節(jié)流控制器的流動(dòng)參數(shù)并結(jié)合水平井合理分段技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地層流體流入的合理控制,以達(dá)到地層流體均衡流入的目的。水平井調(diào)流控水篩管完井流體流動(dòng)路線(xiàn)如圖1所示。地層產(chǎn)液首先進(jìn)入調(diào)流控水篩管與裸眼井筒間的環(huán)形空間內(nèi)(見(jiàn)圖1a),在該空間內(nèi)存在軸向流動(dòng)和橫向竄流,然后流體通過(guò)控水篩管的濾砂層進(jìn)入濾砂層和基管之間的環(huán)形空間,不同的控水篩管內(nèi)該環(huán)形空間是不連通的,進(jìn)入該環(huán)形空間內(nèi)的流體通過(guò)節(jié)流裝置進(jìn)入基管內(nèi)(見(jiàn)圖1b),整個(gè)水平井段基管內(nèi)是由趾端到跟端的變質(zhì)量流動(dòng)。2井分段方法水平井調(diào)流控水篩管完井設(shè)計(jì)需要考慮以下3個(gè)影響因素:水平井調(diào)流控水完井分段方法的建立與分析;水平井調(diào)流控水篩管節(jié)流裝置完井參數(shù)的優(yōu)選;水平井調(diào)流控水篩管節(jié)流完井管柱的建立,三者相互影響又相互依存。依據(jù)流體從油藏流入油管的過(guò)程,水平井調(diào)流控水篩管完井流動(dòng)耦合模型可分為3個(gè)子模型。2.1模擬模型和模型分析方法油藏滲流模型指流體從油藏邊界到近井地帶邊界的滲流。油藏滲流模型是進(jìn)行一切調(diào)流控水完井優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),模型分析方法主要有數(shù)值模擬分析方法和Joshi模型分析方法。其中數(shù)值模擬分析方法需要收集大量的油藏、地質(zhì)、鉆井及完鉆資料,設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜,需要專(zhuān)業(yè)油藏工程師來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),但分析結(jié)果較為準(zhǔn)確。相對(duì)而言,Joshi模型分析方法較為簡(jiǎn)單,但對(duì)于復(fù)雜油氣藏的計(jì)算精度較差。2.2水裝置的流場(chǎng)計(jì)算井筒入流模型指流體從近井地帶邊界到基管的流動(dòng)。井筒入流模型包含3個(gè)流動(dòng)過(guò)程:地層和篩管之間的流動(dòng)、篩管和基管間的流動(dòng)、流經(jīng)調(diào)流控水節(jié)流裝置的流動(dòng)。在這3個(gè)流動(dòng)過(guò)程中地層和篩管之間的流動(dòng)、篩管和基管間的流動(dòng)可采用能量守恒和動(dòng)量守恒來(lái)進(jìn)行描述,需要合理設(shè)置邊界條件和劃分網(wǎng)格,而流經(jīng)調(diào)流控水節(jié)流裝置的流動(dòng)跟節(jié)流控水裝置采用的節(jié)流方法有直接關(guān)系,目前國(guó)內(nèi)外的節(jié)流控水裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)為ICD)主要分為3種類(lèi)型:噴嘴型、流道型和螺旋型,這3種ICD的節(jié)流計(jì)算公式如下。(1)噴嘴型ICD完井篩管節(jié)流計(jì)算公式式中,△pcons為收縮效應(yīng)產(chǎn)生的壓降,Pa;△pfric為通過(guò)管子系統(tǒng)的摩擦壓降損失,Pa;Cu為單位轉(zhuǎn)化常數(shù);Cv為流量系數(shù);ρ為混合流體密度,kg/m3;υc為混合流體通過(guò)壓縮裝置的速度,m/s;f為導(dǎo)流管摩擦系數(shù);L為管道系統(tǒng)的額外長(zhǎng)度,m;D為導(dǎo)流槽的等效直徑,m;υp為混合流體通過(guò)導(dǎo)流槽的速度,m/s。(2)流道型ICD完井篩管節(jié)流計(jì)算公式其中Htotal=H1+H2式中,△p為通過(guò)節(jié)流管的流體壓降,Pa;ρ為通過(guò)節(jié)流管流體的平均密度,kg/m3;Vtube為通過(guò)節(jié)流管的流體流速,m/s;Qtube為通過(guò)管的流體流量,m3/s;A為節(jié)流管橫截面積,m2;Ltube為節(jié)流管長(zhǎng)度,m;Dtube為節(jié)流管直徑,m;K為局部水頭損失系數(shù);f為摩擦系數(shù);N為平行分布的節(jié)流管數(shù)目。(3)螺旋型ICD完井篩管節(jié)流計(jì)算公式式中,ρcal為校準(zhǔn)流體密度,kg/m3;μcal為校準(zhǔn)流體黏度,Pa·s;ρmix為混合流體密度,kg/m3;μmix為混合流體黏度,Pa·s;aICD為控水裝置強(qiáng)度,經(jīng)驗(yàn)常數(shù);qICD為ICD體積流量,m3/s。2.3中心管內(nèi)流體流動(dòng)水平井調(diào)流控水篩管基管內(nèi)流體的流動(dòng)是指地層產(chǎn)液流經(jīng)篩管后進(jìn)入篩管中心管內(nèi)后的流動(dòng),隨著流體由水平井趾端流向跟端,基管內(nèi)的流體不斷增加?；軆?nèi)流體多相流流動(dòng)可按照水平井筒單項(xiàng)流體變質(zhì)量流摩阻計(jì)算公式結(jié)合流體加速度壓降以及井壁流體附加阻力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算分析。3井完井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法3.1井合理配產(chǎn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)水平井調(diào)流控水篩管完井靜態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計(jì)方法主要是通過(guò)井軌跡、井徑、測(cè)井滲透率、含油飽和度等完鉆資料對(duì)水平井段合理劃分流動(dòng)單元,并結(jié)合鄰井產(chǎn)量、生產(chǎn)壓差和單井合理配產(chǎn)等確定每個(gè)流動(dòng)單元的配產(chǎn)情況。該方法具有以下優(yōu)勢(shì):(1)具有快速靈活、操作簡(jiǎn)單、方便設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),能夠較快地進(jìn)行完井優(yōu)化設(shè)計(jì)及參數(shù)敏感性分析,能夠分析在不同調(diào)流控水完井參數(shù)條件下的井筒入流剖面的變化;(2)能夠在油藏?cái)?shù)據(jù)相對(duì)較少的情況下對(duì)完井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);(3)能夠以油藏模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高模擬準(zhǔn)確性;(4)油藏滲流模型一般采用常規(guī)產(chǎn)能預(yù)測(cè)公式,但在油藏?cái)?shù)據(jù)充足且要求設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性較高的情況下可以采用油藏?cái)?shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.2研究方法及特點(diǎn)水平井調(diào)流控水篩管完井動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計(jì)方法是一種考慮完井優(yōu)化設(shè)計(jì)效果隨時(shí)間變化的一種完井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?？紤]到調(diào)流控水篩管完井技術(shù)是一種初期損失產(chǎn)能的技術(shù),通過(guò)限制水平井邊、底水的快速提升來(lái)提高油藏的最終采收率,因此水平井調(diào)流控水篩管的完井參數(shù)設(shè)計(jì)不能僅以油井初期投產(chǎn)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)為其設(shè)計(jì)依據(jù),從整個(gè)油藏生命周期總采收率角度設(shè)計(jì)和優(yōu)化完井參數(shù)。水平井調(diào)流控水篩管完井動(dòng)態(tài)參數(shù)模擬設(shè)計(jì)方法主要具有以下特點(diǎn):(1)能夠預(yù)測(cè)在不同時(shí)間段內(nèi)的水平井底水上升變化情況、產(chǎn)油情況以及分析儲(chǔ)層的最終采收率;(2)以大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及相鄰區(qū)塊、相鄰井的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)儲(chǔ)層及工程參數(shù)分析較為深入,進(jìn)行完井優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果準(zhǔn)確性較高;(3)任意時(shí)刻油藏建模擬合分析的結(jié)果可作為靜態(tài)完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);(4)建立油藏?cái)?shù)值模型以及完井參數(shù)優(yōu)化分析模型的過(guò)程較為復(fù)雜,需要進(jìn)行多次歷史擬合,設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜。動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也采用1.2節(jié)中所建立的水平井調(diào)流控水篩管完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,只是在油藏滲流模型中采用數(shù)值模擬的方法來(lái)描述流體在油藏中的流動(dòng),在一定程度上提高了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)滿(mǎn)足要求、條件允許的情況下,水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)一般采用靜態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)模擬參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。4使用示例4.1井段滲透率分布選取塔河油田一水平井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,該井基本參數(shù)為:地層壓力48.87MPa,地層原油黏度1.73mPa·s,密度901kg/m3,油層厚度14m,原油體積系數(shù)1.34,水平井筒距油水界面10m,水平段長(zhǎng)度270m,裸眼直徑149.225mm,生產(chǎn)壓差1MPa,根據(jù)實(shí)際電測(cè)結(jié)果沿水平井段滲透率分布如圖2如示。由圖2可以看出,該水平井段可以分為2個(gè)高滲透段,平均滲透率分別為197mD和104mD,中滲透段平均滲透率為42mD,低滲透段平均滲透率只有3mD,滲透率差異較大,現(xiàn)使用建立的水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法計(jì)算分析不同完井條件下地層產(chǎn)液沿水平井段入流剖面的分布,為合理選擇完井參數(shù)提供依據(jù)。4.2水平井分段設(shè)置合理分段是進(jìn)行水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),根據(jù)該井實(shí)測(cè)滲透率的變化,將該水平井分成4段,分段位置分別為:4852m、4924m、5016m。4.2.1水平井調(diào)流控水篩管內(nèi)充放電效率分析油嘴敏感性分析主要是分析在水平井所處油藏條件下水平井調(diào)流控水篩管油嘴大小對(duì)產(chǎn)能的影響程度,根據(jù)該井所處油層地質(zhì)數(shù)據(jù)、流體數(shù)據(jù)及實(shí)鉆數(shù)據(jù),建立油藏?cái)?shù)值模擬分析模型(如圖3(a)所示),將該模型作為進(jìn)行水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)的描述油藏滲流的底層模型,將其代入到1.2節(jié)中所建立的模型中,計(jì)算出水平井整體采用調(diào)流控水篩管完井后的產(chǎn)能與油嘴直徑的變化關(guān)系,如圖3(b)所示。如圖3(b)所示,采用水平井調(diào)流控水篩管完井后通過(guò)調(diào)整調(diào)流控水篩管節(jié)流油嘴大小能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水平井產(chǎn)能的有效調(diào)節(jié),從圖3可以看出,隨著節(jié)流油嘴直徑增大,水平井產(chǎn)能先是明顯增大,隨后產(chǎn)能增加趨勢(shì)逐漸變緩,當(dāng)節(jié)流油嘴直徑大于3mm后繼續(xù)增大節(jié)流油嘴直徑,水平井產(chǎn)能增加幅度大幅減小,繼續(xù)增加油嘴直徑已經(jīng)不能明顯增加水平井產(chǎn)能了。這說(shuō)明該井水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)采用直徑為3mm以下的油嘴才能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。4.2.2水平井調(diào)流控水篩管完井效果分析入流剖面分析是進(jìn)行水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,根據(jù)建立的模型將滲透率數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理后計(jì)算出裸眼完井和采用油嘴直徑為5mm的控水篩管完井入流剖面圖,如圖4所示。從圖4可以看出,在裸眼完井條件下水平井入流剖面按照分段位置被分為了4段,不同分段內(nèi)的入流剖面由于儲(chǔ)層物性差異有明顯不同。由于該井后半段儲(chǔ)層物性較好,儲(chǔ)層后兩段入流剖面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于儲(chǔ)層前兩段,如按照此方法進(jìn)行完井,該井后半段會(huì)由于產(chǎn)液量過(guò)高而導(dǎo)致底水快速錐進(jìn)。從圖4可以看出,裸眼完井的產(chǎn)能為38.7545m3/d,而采用節(jié)流油嘴直徑為5mm的調(diào)流控水篩管完井的產(chǎn)能為38.729m3/d,兩者的產(chǎn)量基本一致。能夠得出整個(gè)水平段采用節(jié)流油嘴直徑為5mm的調(diào)流控水篩管完井沒(méi)有起到節(jié)流效果。為了控制水平井后兩段的入流剖面,將后兩段油嘴直徑調(diào)小為0.5mm,其計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖5中藍(lán)色曲線(xiàn)是水平井前兩段采用5mm油嘴、后兩段采用0.5mm油嘴的調(diào)流控水篩管完井后的產(chǎn)量入流剖面圖,通過(guò)與圖4對(duì)比可以看出,由于采用了小直徑油嘴,水平井后兩段產(chǎn)量被明顯控制下來(lái),但流入剖面的形狀并沒(méi)有發(fā)生變化,只是整個(gè)入流剖面出現(xiàn)了整體下降,水平井后兩段的產(chǎn)能較裸眼完井時(shí)下降了約60%,進(jìn)而也導(dǎo)致了水平井的整體產(chǎn)量明顯下降(20.649m3/d)。為了保證水平井產(chǎn)量,采用提高整個(gè)水平井段生產(chǎn)壓差的方法來(lái)提高調(diào)流控水篩管完井后的產(chǎn)量,圖5中紅色曲線(xiàn)顯示的是在上述完井條件下采用提高生產(chǎn)壓差的方法,使采用調(diào)流控水篩管完井后的產(chǎn)量與裸眼完井產(chǎn)量相同時(shí)的水平井入流剖面圖,可以看出,水平井低滲段產(chǎn)量大幅提高,水平井入流剖面相對(duì)均衡。通過(guò)計(jì)算可知,水平井前兩段產(chǎn)能提高了2.23倍,而水平段后兩段高產(chǎn)液段的產(chǎn)能卻被調(diào)低了35%,實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)水平井段的調(diào)流控液。但調(diào)流控水篩管完井技術(shù)是一項(xiàng)減低產(chǎn)能的技術(shù),通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水平井整個(gè)產(chǎn)液段的調(diào)流控液需要儲(chǔ)層本身具有較強(qiáng)的供液能力,這樣才能發(fā)揮調(diào)流控水篩管完井的控液作用,也才能保證進(jìn)行水平井調(diào)流控水完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)有意義。4.2.3調(diào)整后的地層控制水平井調(diào)流控水篩管完井參數(shù)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用效果產(chǎn)能分析主要是分析進(jìn)行入流剖面設(shè)計(jì)后所優(yōu)選的水平井調(diào)流控水篩管完井參數(shù)對(duì)整個(gè)水平井在不同開(kāi)采階段的影響,分析采用調(diào)流控水篩管完井后水平井產(chǎn)能及含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律,進(jìn)而進(jìn)一步優(yōu)選水平井調(diào)流控水篩管完井參數(shù)。根據(jù)所建立的油藏?cái)?shù)值模型和經(jīng)過(guò)初步分析得出的水平井調(diào)流控水篩管完井參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果,運(yùn)用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行水平井累計(jì)產(chǎn)油量和含水率隨時(shí)間的變化分析,其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。圖6顯示了采用水平井調(diào)流控水篩管完井后的兩種節(jié)流油嘴參數(shù)條件下的累積產(chǎn)油量以及含水率變化,可以看出,采用在水平井后兩段1.6mm油嘴,水平井前兩段5mm油嘴的調(diào)流控水篩管完井參數(shù)設(shè)計(jì)方法隨時(shí)間變化的累積產(chǎn)油量要高于整個(gè)水平井全采用5mm油嘴的調(diào)流控水篩管完井參數(shù)設(shè)計(jì)方法,其含水率上升速度要慢于整個(gè)水平井全部采用5mm油嘴的調(diào)流控水篩管完井參數(shù)設(shè)計(jì)方法。采用調(diào)流控水篩管完井壓低高滲段產(chǎn)量的完井方法,要優(yōu)于整體采用5mm油嘴的完井方法,說(shuō)明采用減小油嘴控制產(chǎn)量的方法,控制了水平井底水錐進(jìn)。5設(shè)計(jì)結(jié)果