水平井調(diào)流控水篩管完井設(shè)計方法研究

趙 旭 姚志良 劉歡樂

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

隨著對油氣田開發(fā)的進(jìn)一步深入，水平井調(diào)流控水篩管完井技術(shù)相繼在冀東、大港、勝利、塔河等油田進(jìn)行了試驗應(yīng)用，取得了較好的效果，但由于調(diào)流控水篩管完井技術(shù)采用的是一種相對“被動式”的完井技術(shù)，在使用中需要合理配置控水篩管的安放位置、節(jié)流參數(shù)、分段參數(shù)，因此完井參數(shù)優(yōu)化對調(diào)流控水篩管的完井效果起著非常重要的作用［1-5］，國外各大石油技術(shù)服務(wù)公司把完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法作為水平井調(diào)流控水篩管完井技術(shù)體系中的一項核心技術(shù)?；诖耍疚耐ㄟ^對水平井調(diào)流控水篩管的工作原理及流動耦合模型的分析，建立了一套水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計方法，并結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 水平井調(diào)流控水篩管完井流體流動過程

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，通過設(shè)置不同的節(jié)流控制器的流動參數(shù)并結(jié)合水平井合理分段技術(shù)實(shí)現(xiàn)對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［6-8］。

水平井調(diào)流控水篩管完井流體流動路線如圖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)（見圖1a），在該空間內(nèi)存在軸向流動和橫向竄流，然后流體通過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)的流體通過節(jié)流裝置進(jìn)入基管內(nèi)（見圖1b），整個水平井段基管內(nèi)是由趾端到跟端的變質(zhì)量流動。

圖1 水平井調(diào)流控水篩管完井流體流動路徑示意圖

2 水平井調(diào)流控水篩管完井耦合模型

水平井調(diào)流控水篩管完井設(shè)計需要考慮以下3個影響因素［9-11］：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程，水平井調(diào)流控水篩管完井流動耦合模型可分為3個子模型［11-15］。

2.1 油藏滲流模型

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)計過程較為復(fù)雜，需要專業(yè)油藏工程師來進(jìn)行設(shè)計，但分析結(jié)果較為準(zhǔn)確。相對而言，Joshi模型分析方法較為簡單，但對于復(fù)雜油氣藏的計算精度較差。

2.2 井筒入流模型

井筒入流模型指流體從近井地帶邊界到基管的流動。井筒入流模型包含3個流動過程：地層和篩管之間的流動、篩管和基管間的流動、流經(jīng)調(diào)流控水節(jié)流裝置的流動。在這3個流動過程中地層和篩管之間的流動、篩管和基管間的流動可采用能量守恒和動量守恒來進(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，目前國內(nèi)外的節(jié)流控水裝置（簡稱為ICD）主要分為3種類型：噴嘴型、流道型和螺旋型，這3種ICD的節(jié)流計算公式如下。

（1）噴嘴型ICD完井篩管節(jié)流計算公式

式中，Δpcons為收縮效應(yīng)產(chǎn)生的壓降，Pa；Δpfric為通過管子系統(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)的額外長度，m；D為導(dǎo)流槽的等效直徑，m；υp為混合流體通過導(dǎo)流槽的速度，m/s。

（2）流道型ICD完井篩管節(jié)流計算公式

式中，Δp為通過節(jié)流管的流體壓降，Pa；ρ為通過節(jié)流管流體的平均密度，kg/m3；Vtube為通過節(jié)流管的流體流速，m/s；Qtube為通過管的流體流量，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)驗常數(shù)；qICD為ICD體積流量，m3/s。

2.3 基管內(nèi)流體多相管流模型

水平井調(diào)流控水篩管基管內(nèi)流體的流動是指地層產(chǎn)液流經(jīng)篩管后進(jìn)入篩管中心管內(nèi)后的流動，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。基管內(nèi)流體多相流流動可按照水平井筒單項流體變質(zhì)量流摩阻計算公式結(jié)合流體加速度壓降以及井壁流體附加阻力計算公式進(jìn)行計算分析。

3 完井優(yōu)化設(shè)計方法

3.1 靜態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計方法

水平井調(diào)流控水篩管完井靜態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計方法主要是通過井軌跡、井徑、測井滲透率、含油飽和度等完鉆資料對水平井段合理劃分流動單元，并結(jié)合鄰井產(chǎn)量、生產(chǎn)壓差和單井合理配產(chǎn)等確定每個流動單元的配產(chǎn)情況。該方法具有以下優(yōu)勢：（1）具有快速靈活、操作簡單、方便設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)，能夠較快地進(jìn)行完井優(yōu)化設(shè)計及參數(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）能夠在油藏數(shù)據(jù)相對較少的情況下對完井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；（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，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)測公式，但在油藏數(shù)據(jù)充足且要求設(shè)計準(zhǔn)確性較高的情況下可以采用油藏數(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.2 動態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計方法

水平井調(diào)流控水篩管完井動態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計方法是一種考慮完井優(yōu)化設(shè)計效果隨時間變化的一種完井優(yōu)化設(shè)計方法?？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)，通過限制水平井邊、底水的快速提升來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)計不能僅以油井初期投產(chǎn)時的相關(guān)數(shù)據(jù)為其設(shè)計依據(jù)，從整個油藏生命周期總采收率角度設(shè)計和優(yōu)化完井參數(shù)。

水平井調(diào)流控水篩管完井動態(tài)參數(shù)模擬設(shè)計方法主要具有以下特點(diǎn)：（1）能夠預(yù)測在不同時間段內(nèi)的水平井底水上升變化情況、產(chǎn)油情況以及分析儲層的最終采收率；（2）以大量實(shí)測數(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)，對儲層及工程參數(shù)分析較為深入，進(jìn)行完井優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果準(zhǔn)確性較高；（3）任意時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)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（4）建立油藏數(shù)值模型以及完井參數(shù)優(yōu)化分析模型的過程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行多次歷史擬合，設(shè)計過程較為復(fù)雜。

動態(tài)模擬參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法也采用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)計模型，只是在油藏滲流模型中采用數(shù)值模擬的方法來描述流體在油藏中的流動，在一定程度上提高了設(shè)計準(zhǔn)確性。

在數(shù)據(jù)滿足要求、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)計一般采用靜態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計與動態(tài)模擬參數(shù)優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合的方法。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 油藏基本參數(shù)

選取塔河油田一水平井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，該井基本參數(shù)為：地層壓力48.87 MPa，地層原油黏度1.73 mPa·s，密度 901 kg/m3，油層厚度 14 m，原油體積系數(shù)1.34，水平井筒距油水界面10 m，水平段長度270 m，裸眼直徑149.225 mm，生產(chǎn)壓差1 MPa，根據(jù)實(shí)際電測結(jié)果沿水平井段滲透率分布如圖2如示。

圖2 實(shí)測滲透率分布曲線

由圖2可以看出，該水平井段可以分為2個高滲透段，平均滲透率分別為197 mD和104 mD，中滲透段平均滲透率為42 mD，低滲透段平均滲透率只有3 mD，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)計方法計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 調(diào)流控水完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計分析

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)計的基礎(chǔ)，根據(jù)該井實(shí)測滲透率的變化，將該水平井分成4段，分段位置分別為：4 852 m、4 924 m、5 016 m。

4.2.1 油嘴敏感性分析 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)，建立油藏數(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調(diào)整調(diào)流控水篩管節(jié)流油嘴大小能夠?qū)崿F(xiàn)對水平井產(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)能增加趨勢逐漸變緩，當(dāng)節(jié)流油嘴直徑大于3 mm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。這說明該井水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計采用直徑為3 mm以下的油嘴才能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。

圖3 油嘴敏感性分析圖

4.2.2 入流剖面分析 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)行平滑處理后計算出裸眼完井和采用油嘴直徑為5 mm的控水篩管完井入流剖面圖，如圖4所示。

圖4 入流剖面分析

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)的入流剖面由于儲層物性差異有明顯不同。由于該井后半段儲層物性較好，儲層后兩段入流剖面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于儲層前兩段，如按照此方法進(jìn)行完井，該井后半段會由于產(chǎn)液量過高而導(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38.754 5 m3/d，而采用節(jié)流油嘴直徑為5 mm的調(diào)流控水篩管完井的產(chǎn)能為38.729 m3/d，兩者的產(chǎn)量基本一致。能夠得出整個水平段采用節(jié)流油嘴直徑為5 mm的調(diào)流控水篩管完井沒有起到節(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0.5 mm，其計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 調(diào)流控水篩管完井入流剖面分析圖

圖5中藍(lán)色曲線是水平井前兩段采用5 mm油嘴、后兩段采用0.5 mm油嘴的調(diào)流控水篩管完井后的產(chǎn)量入流剖面圖，通過與圖4對比可以看出，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，但流入剖面的形狀并沒有發(fā)生變化，只是整個入流剖面出現(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（20.649 m3/d）。為了保證水平井產(chǎn)量，采用提高整個水平井段生產(chǎn)壓差的方法來提高調(diào)流控水篩管完井后的產(chǎn)量，圖5中紅色曲線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均衡。通過計算可知，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)了對整個水平井段的調(diào)流控液。

但調(diào)流控水篩管完井技術(shù)是一項減低產(chǎn)能的技術(shù)，通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對水平井整個產(chǎn)液段的調(diào)流控液需要儲層本身具有較強(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)計有意義。

4.2.3 產(chǎn)能分析 產(chǎn)能分析主要是分析進(jìn)行入流剖面設(shè)計后所優(yōu)選的水平井調(diào)流控水篩管完井參數(shù)對整個水平井在不同開采階段的影響，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)所建立的油藏數(shù)值模型和經(jīng)過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)行水平井累計產(chǎn)油量和含水率隨時間的變化分析，其計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 產(chǎn)量隨時間變化對比

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1.6 mm油嘴，水平井前兩段5 mm油嘴的調(diào)流控水篩管完井參數(shù)設(shè)計方法隨時間變化的累積產(chǎn)油量要高于整個水平井全采用5 mm油嘴的調(diào)流控水篩管完井參數(shù)設(shè)計方法，其含水率上升速度要慢于整個水平井全部采用5 mm油嘴的調(diào)流控水篩管完井參數(shù)設(shè)計方法。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5 mm油嘴的完井方法，說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 結(jié)論

（1）水平井調(diào)流控水篩管完井設(shè)計技術(shù)是調(diào)流控水篩管完井應(yīng)用的基礎(chǔ)，采用靜態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計和動態(tài)模擬參數(shù)設(shè)計相結(jié)合的方法，能夠提高設(shè)計結(jié)果的有效性。

（2）合理分段是水平井調(diào)流控水篩管完井優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，調(diào)流控水篩管完井參數(shù)的優(yōu)化只能改變同一分段內(nèi)的整體流入剖面，而不會對同一段內(nèi)的局部流動剖面產(chǎn)生影響，對于儲層物性變化復(fù)雜的儲層，在條件允許的情況下應(yīng)多分段。

（3）使用調(diào)流控水篩管完井技術(shù)調(diào)整水平井的入流剖面，需采用調(diào)整生產(chǎn)壓差以及優(yōu)化節(jié)流參數(shù)的綜合控制方法，對于地層能量充足的井，調(diào)流控水完井效果更明顯。

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