利用多段井模型預(yù)測(cè)自流注水速度

郭 肖，周碧輝，宋 戈，王偉峰

(西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

引 言

與傳統(tǒng)注水工藝相比，自流注水工藝由于采用層間壓差引流補(bǔ)充地層虧空能量，不需要額外的動(dòng)力，同時(shí)地層水水性相近，沒(méi)有引入人工配液，可減少各類化學(xué)劑對(duì)儲(chǔ)層的傷害，尤其適用于存在高壓水層和水源補(bǔ)給困難的油田。作為一種壓力供給措施，在科威特的油田已經(jīng)應(yīng)用多年，國(guó)內(nèi)某些海上油田也開(kāi)始使用該工藝[1-3]。由于自流注水具有自發(fā)性，注入速度主要受自然能量控制，監(jiān)控困難。該工藝在應(yīng)用方面面臨的難題主要有流速的定量描述、水驅(qū)前緣控制、水突破預(yù)測(cè)以及波及控制[4-5]。

在流速定量描述方面，很多學(xué)者做了不同的嘗試。Davies C A提出針對(duì)有限水源和無(wú)限水源的速度二階微分方程[6]。Rawding J等提出用智能完井技術(shù)控制自流速度[4]。王慶勇等使用油藏工程方法，結(jié)合物質(zhì)平衡原理和擬穩(wěn)定流公式，計(jì)算了自流注水量，該方法對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要參考價(jià)值，但對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)情況，精度不足[7-8]。首次提出使用多段井模型模擬自流注水過(guò)程，預(yù)測(cè)了自流注入速度和注入量等關(guān)鍵參數(shù)，分析了影響自流速度的主要因素。

1 多段井模擬技術(shù)基本原理

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，自流井井型有直井、大斜度井或多分支井[9-11]。如果使用多分支井(圖1)，可以實(shí)現(xiàn)單井同步注采，水體在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移，可以顯著減少氧氣造成的油套管腐蝕，因此以多分支井為例進(jìn)行分析。

圖1 自流注水示意圖

多分支井拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及流體特征復(fù)雜，不能使用常規(guī)井模型模擬，而需要用到多段井模型。與常規(guī)的井模型不同，多段井模型通過(guò)將井筒劃分為一定數(shù)量的一維段結(jié)構(gòu)來(lái)詳細(xì)地描述流體在井筒內(nèi)的流動(dòng)情況。每一個(gè)分段均沿井軌跡方向和相鄰分段相連，在分支和主干連接處有一個(gè)流入節(jié)點(diǎn)(圖2)。在水平井形態(tài)上，其能做到與油藏完全耦合，在水平段內(nèi)流體流動(dòng)特征描述上考慮了流體能量在水平段內(nèi)的加速度損失、摩阻損失以及水靜力學(xué)損失，因此可以真實(shí)地模擬竄流現(xiàn)象以及整個(gè)井內(nèi)流體混合的變化[12]。多段井模型不僅可以用于模擬多分支井，也可以用于提高直井或水平井的模擬精度。

圖2 用多段井模型描述的多分支井示意圖

在現(xiàn)有的多段井模型中，以J.A.Holmes等的模型使用較為廣泛[13]。研究旨在提出該模型的一種新的應(yīng)用方向，且在主流的商業(yè)軟件中，多段井模型和黑油模型或組分模型等已經(jīng)很好地耦合，因此不再贅述算法細(xì)節(jié)。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 數(shù)值模型基本概況

以一個(gè)海上油田自流注水實(shí)踐為例，描述使用多段井模型模擬多分支井自流注水的細(xì)節(jié)。

(1)基于該油田A區(qū)塊的地質(zhì)構(gòu)造，建立了數(shù)值模型。模型面積為1 km2，厚度為180 m，包含2個(gè)水層和1個(gè)油層，上部水層和油層之間有隔層阻擋(圖1)。各層詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

(2)在模擬過(guò)程中，對(duì)1號(hào)分支進(jìn)行分段處理(圖3)，并在油層射開(kāi)，以300 m3/d生產(chǎn)，直到油層壓力降低至穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束;穩(wěn)產(chǎn)期末在上部水層側(cè)鉆2號(hào)分支，在下部水層側(cè)鉆3號(hào)分支，2號(hào)分支與1號(hào)分支用封隔器隔開(kāi)。在流體勢(shì)差的作用下，上部地層水自發(fā)流入下部水層，實(shí)現(xiàn)自流?；A(chǔ)方案中各分支長(zhǎng)度均為400 m，井筒直徑0.124 m，采用射孔完井。

表1 數(shù)值模型基本參數(shù)概況

圖3 多分支自流井分段處理后示意圖

2.2 結(jié)果分析

首先對(duì)A區(qū)塊自流注水開(kāi)發(fā)可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分別分析了自流措施對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量、油層壓力和含油飽和度分布的影響。

從圖4可以看出，使用自流注水后，由于受到上部水層的壓力補(bǔ)給，油層壓力衰竭得到緩解，油藏能量和產(chǎn)油量顯著增加。

圖4 自流措施對(duì)自流井累計(jì)產(chǎn)油量和地層壓力的影響

從圖5可以看出，實(shí)施自流注水后，上部水層水體流經(jīng)下部水層，有效地將油層底部原油驅(qū)入自流井中，提高了采收率。綜合分析說(shuō)明，該油田具有實(shí)施自流注水的基本條件。

在注水分支中 (圖3)，從趾部到跟部，由于流量累積的作用，井筒內(nèi)水流速度會(huì)逐漸增加，分支跟部必然有最大流速。從圖6可以看出，在2號(hào)分支跟部，水流速度及水流量呈類拋物線變化，最大流速為1.25 m/s，最大流量為650 m3/d。分析認(rèn)為，在自流注水前期，隨著時(shí)間推移，下部水層含水飽和度逐漸增加，水相流動(dòng)能力增強(qiáng)，自流井井筒內(nèi)水流速度逐漸增加。自流后期，主要受上部水層能量的限制，水流速度逐漸變緩。該特征與常規(guī)底水油氣藏水侵規(guī)律有諸多相似之處[14]。自流井3號(hào)分支內(nèi)流體特征與2號(hào)分支相似。

圖5 自流措施對(duì)地層含油飽和度的影響

圖6 不同時(shí)間自流井2號(hào)分支跟部節(jié)點(diǎn)水流速度和流量變化

雖然自流注水過(guò)程主要受天然能量控制，但油(套)管材料及尺寸對(duì)其也有一定影響。圖7所示為井筒摩阻系數(shù)(f)和井筒半徑(r)對(duì)井流速的影響。半徑越大，流速越小;摩阻系數(shù)越大，能量損耗越大，流速越小。在自流實(shí)施過(guò)程中，可以將改變井徑和井筒摩阻系數(shù)作為一種人工控制流速的方法。

圖7 井筒摩阻系數(shù)和內(nèi)徑對(duì)流速的影響

3 結(jié)論

(1)自流注水能夠有效彌補(bǔ)油藏壓力虧空，提高油藏開(kāi)采效率。

(2)多段井模型能夠用于描述復(fù)雜的完井方式及井筒內(nèi)流體流速、流量等特征。

(3)自流注水速度和注入量變化呈類拋物特征，峰值一般出現(xiàn)在注水的中后期。

(4)可以通過(guò)改變自流井油(套)管材料及內(nèi)徑控制自流速度。

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