底水油藏水平井中心管完井?dāng)?shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化研究

楊青松，劉露，馬震 （中石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 榆林 718500）

汪志明 （中國石油大學(xué) （北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

肖京男 （中石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

底水油藏水平井中心管完井?dāng)?shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化研究

楊青松，劉露，馬震 （中石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 榆林 718500）

汪志明 （中國石油大學(xué) （北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

肖京男 （中石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

從分析水平井開采底水油藏中存在的脊進(jìn)問題出發(fā)，提出了采用中心管控水完井的思路。根據(jù)滲流力學(xué)、流體力學(xué)、油藏數(shù)值模擬，建立了水平井中心管完井多段井模型，研究了底水油藏水平井中心管完井長期入流動態(tài)規(guī)律。對比了分析不同中心管插入長度條件下調(diào)控入流剖面的效果，結(jié)果表明，在給定中心管外徑與套管內(nèi)徑之比時，中心管的插入長度是調(diào)整水平井入流剖面的關(guān)鍵參數(shù)，且中心管的長度存在一個最佳值。實例結(jié)果表明，當(dāng)中心管長度約為水平井筒長度的0.325倍時，能夠有效改善入流剖面和井筒壓力分布使其均衡化，并顯著地延緩底水突破時間，有效地延長無水采油期，降低含水率和提高油藏采出程度，長期入流控制效果最佳。

水平井；中心管完井；底水油藏；多段井模型；數(shù)值模擬

同常規(guī)的直井相比，水平井能夠有效增加與油藏的接觸面積，改變近井地帶的滲流方式，降低滲流阻力，因而可以用較低壓差生產(chǎn)更多的油，從而有利于提高原油采收率。但是，由于沿水平井筒流動方向上摩擦壓力降的存在［1，2］，導(dǎo)致在跟端處具有較大的生產(chǎn)壓差，使得沿井筒長度方向上形成不均勻的入流以及在跟端具有較高的流量。在底水油藏開采過程中，這種現(xiàn)象容易誘發(fā)錐進(jìn)現(xiàn)象發(fā)生，引起水平井跟端處過早見水，而且生產(chǎn)見水后含水率會急劇上升，產(chǎn)油量急劇下降，甚至不產(chǎn)油，造成其穩(wěn)產(chǎn)時間短，降低油層采收率，嚴(yán)重影響水平井的開發(fā)效果。因此從完井的角度，研究水平井目標(biāo)井段地層流體的入流規(guī)律以及控制方法對延緩見水時間、延長油井生產(chǎn)壽命、提高最終采收率具有重要的意義。

1994年Brekke［3］首次提出了采用中心管完井來調(diào)節(jié)井筒壓力分布以延緩底水突破，增加無水采油量，如圖1所示。隨后Permadi［4］、Sinha［5］、Jansen［6］、熊友明［7］、劉均榮［8］、張淑 琴［9，10］等 分別從不同角度對中心管完井控制水錐的原理以及實驗?zāi)M進(jìn)行了研究。目前，中心管完井優(yōu)化設(shè)計主要依賴于靜態(tài)模擬，沒有考慮生產(chǎn)時間的影響，在整個生產(chǎn)過程中，中心管完井可能無法維持其最初設(shè)計的最優(yōu)性能，這將使其應(yīng)用效果降低，所以其穩(wěn)定性和長期的控水效果至關(guān)重要。

圖1 中心管完井結(jié)構(gòu)示意圖

因此，為了更好地控制水平井生產(chǎn)段底水的錐進(jìn)，充分發(fā)揮中心管的穩(wěn)油控水作用，筆者以底水油藏中心管完井水平井為研究對象，采用多段井模型，綜合考慮中心管長度與井筒長度的比例、中心管直徑與井筒直徑的比例對入流剖面和壓力剖面的影響，對底水油藏水平井中心管完井長期動態(tài)效果展開了數(shù)值模擬研究，基于水平井控水調(diào)剖原理，給出了中心管完井最優(yōu)長度，以便為中心管完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)性建議。

1 多段井模型

由于水平井生產(chǎn)時沿井筒方向上存在著摩擦壓降，而傳統(tǒng)井模型不能準(zhǔn)確地描述這一過程，因此選擇了Eclipse油藏數(shù)值模擬軟件 （以下簡稱Eclipse軟件），通過其中的多段井模型［11］來研究水平井中心管完井入流動態(tài)規(guī)律。

多段井模型是Eclipse軟件中一個特殊的擴(kuò)展模型，能夠詳細(xì)、靈活地描述流體在井筒中的流動，可以用來模擬直井、水平井、大斜度井及多分支井。與傳統(tǒng)井模型相比，多段井模型能夠準(zhǔn)確地描述發(fā)生在井筒中的以下過程：沿井筒方向上流體飽和度的變化、井筒摩擦壓降以及加速度壓降、多相流動中各相之間的滑脫作用、井筒內(nèi)的竄流、多分支井流動等。

在多段井模型中，將井筒分割成一系列連續(xù)的井段，每一個井段都由一個節(jié)點和一個流動路徑組成，相鄰井段之間通過節(jié)點和流動路徑連接；同時井軌跡獨立于油藏網(wǎng)格，每一個井段與油藏網(wǎng)格之間可以有一個或多個連接點，也可以沒有，這取決于井段是否進(jìn)行射孔，如圖2所示。

圖2 多段井模型示意圖

在多段井模型中，每個井段都有各自獨立的變量參數(shù)來描述局部的流動狀況，在Eclipse 100（Eclipse是由Schlumberger公司開發(fā)的油藏數(shù)值模擬軟件，主模擬器由Eclipse 100，Eclipse 300和FrontSim組成，其中Eclipse 100是全隱式、三維、三相、并帶有凝析氣藏選項的通用黑油模擬器，它是Eclipse軟件的核心模擬器）中每段擁有4個變量：流體壓力、總流量、持水率、持氣率；在Eclipse 300每段有Nc＋2（其中Nc為烴組分?jǐn)?shù)）個變量：流體壓力、總摩爾流量、烴組分Mc。每個井段的變量是通過求解各相或各組分的物質(zhì)平衡方程和壓力降方程確定的，考慮了局部摩擦力梯度及加速度梯度。各井段壓降可以采用均質(zhì)流動模型來確定，其中所有相都具有相同的流速，或采用考慮相間滑脫效應(yīng)的漂移模型。為了提高計算精度和增加模擬功能，井筒壓降也可采用自定義的vfp表來替代。與標(biāo)準(zhǔn)井模型一樣，多段井模型也采用全隱式處理，可保證解的穩(wěn)定性。

2 數(shù)值模型的建立

由于水平井沿井筒有流體不斷地流入，使得水平井筒中的流動成為一種沿流動方向質(zhì)量流量逐漸增加的變質(zhì)量流流動。根據(jù)油藏地質(zhì)及水平段流動特點，還會出現(xiàn)油、氣、水的多相流動，這使得水平段內(nèi)的流動變得復(fù)雜起來，傳統(tǒng)井模型不能準(zhǔn)確地描述這一過程，而采用多段井模型可以很好地描述水平井筒中的復(fù)雜流動過程。

不同于常規(guī)射孔完井，在中心管完井中，水平井筒被分成兩部分，流體的流動也由一段井筒流動變成了3部分流動，即：環(huán)空中的變質(zhì)量流動、井筒中的變質(zhì)量流動和中心管內(nèi)部的流動。

在文中，基于多段井模型的基本原理，利用Eclipse油藏數(shù)值模擬軟件Office中的完井模塊，建立油藏模型及水平井中心管完井模型，模型中采用互相獨立的井段分別代替中心管段、環(huán)空段以及無中心管的井筒段。如圖3所示，所建立的水平井中心管完井多段井模型存在兩個分支：環(huán)空段和井筒段，二者的流動在中心管段末端匯合，進(jìn)入中心管形成普通管流。

圖3 水平井中心管完井多段井模型示意圖

3 基本算例

為了對水平井中心管完井效果進(jìn)行評價，筆者通過改變中心管長度與井筒長度的比例，對不同插入深度的中心管完井進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

建立了一個具有活躍底水發(fā)育的均勻箱型油藏模型，儲層厚度為30m，油藏為均質(zhì)等厚油藏，中心管位于井筒的中心。為了精細(xì)地描述生產(chǎn)井筒內(nèi)部的流入剖面特征，模型中包含有30×20×10個網(wǎng)格，水平井筒位于油藏頂部與油水界面1／3位置處，相關(guān)基本數(shù)據(jù)見表1，油藏模型如圖4所示。在模擬中，采取定產(chǎn)液量生產(chǎn)，忽略氣體對生產(chǎn)造成的影響，同時模擬時間為10a，以便考察水平井在不同中心管長度下的入流動態(tài)規(guī)律，從而得出合理的分析模擬結(jié)論。

表1 中心管完井?dāng)?shù)值模擬所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了對比不同中心管完井條件下的動態(tài)結(jié)果，選取給定中心管直徑，通過改變中心管長度的方法來模擬水平井目標(biāo)井段入流動態(tài)，并將模擬結(jié)果與常規(guī)的射孔完井模擬結(jié)果進(jìn)行對比，從而確定給定中心管／井筒直徑比 （中心管外徑與完井段井筒內(nèi)徑的比值）條件下中心管的最優(yōu)長度。

通過模擬計算，得到了水平井中心管完井井筒內(nèi)含水飽和度分布圖、壓力剖面和流入量剖面曲線。圖5為典型的射孔完井與中心管完井兩種情形下底水油藏含油飽和度分布剖面，其中：圖5（a）為典型的常規(guī)射孔完井油藏含油飽和度分布剖面，結(jié)果顯示在水平井跟端處存在著明顯的底水錐進(jìn)現(xiàn)象。這是由于沿水平井筒流動方向上摩擦壓力降的存在，導(dǎo)致水平井從趾端到跟端的生產(chǎn)壓差分布不均勻，且在水平井跟端處具有較大的生產(chǎn)壓差，故易在跟端形成壓降漏斗，使得在沿井筒長度方向上形成不均勻的入流以及在跟端具有較高的流量，引起底水脊進(jìn)，因此導(dǎo)致在水平井跟端處容易過早見水，由于油水之間黏度的差異，油井見水后產(chǎn)水率會迅速上升，將會降低儲層采收率，嚴(yán)重影響水平井的開發(fā)效果。圖5（b）為同一模擬時刻下典型的中心管完井油藏含油飽和度分布剖面，結(jié)果顯示水脊頂點由水平井跟端移至中心管的末端處，這是由于中心管的插入改變了井筒內(nèi)流體的流動方向，使井筒內(nèi)的壓力重新分布，在中心管末端處生產(chǎn)壓差最大，因而入流量最大。與常規(guī)射孔完井含油飽和度分布剖面對比可以看出，中心管完井條件下底水入流剖面更加均勻，可以有效防止井筒跟端過早見水，提高儲層采收率。

圖4 箱型底水油藏模型示意圖

圖5 兩種完井方式下底水油藏含油飽和度分布剖面

在多段井模型中，通過改變中心管在井筒中的長度，模擬不同長度中心管完井條件下油藏流體向井筒流動的動態(tài)效果，再將井筒段和環(huán)空段的壓力、井筒段壁面入流量數(shù)據(jù)導(dǎo)出，得到了在常規(guī)射孔完井和中心管完井條件下井筒壓力分布和入流量分布剖面，如圖6和圖7所示 （Rsw表示中心管長度與井筒長度之比）。由圖6可以看出，常規(guī)射孔完井時，沿水平井趾端到跟端，井筒壓力逐漸減小。中心管完井時，水平井筒內(nèi)存在著兩個最大的壓力點：一個位于環(huán)空跟端處，另一個位于水平井筒趾端處；同時井筒中還存在一個最小的壓力點：它位于中心管的末端處，因此水平井在生產(chǎn)時中心管的末端處具有最大的生產(chǎn)壓差，這也是水脊頂點由水平井跟端移至中心管末端處的根本原因。

從圖7中可以看出，常規(guī)射孔完井由于沿井筒流動方向上壓力降的存在，導(dǎo)致整個入流剖面成傾斜的 “U”型分布，在跟端處由于生產(chǎn)壓差最大，因而造成入流量大。而在中心管完井條件下，由于中心管的存在，改變了井筒內(nèi)的壓力分布，降低了水平井筒跟端處的生產(chǎn)壓差，井筒內(nèi)的壓力分布相對均勻，入流剖面也更加均勻；同時中心管在井筒中插入深度不同，入流剖面也存在差異。

圖6 不同長度中心管完井條件下水平井筒壓力分布示意圖

圖7 不同長度中心管完井條件下水平井筒入流量分布示意圖

根據(jù)圖7的模擬結(jié)果，在給定中心管外徑與套管內(nèi)徑的比值下，通過調(diào)整中心管在井筒中的插入深度，即改變中心管與井筒長度的比例，可以實現(xiàn)入流剖面均勻的目的，達(dá)到最優(yōu)的完井效果；因此，筆者選取了見水時間、模擬時間結(jié)束時最終含水率以及最終采出程度3個參數(shù)來評價水平井在射孔完井以及Rsw分別為0.1、0.2、0.25、0.275、0.3、0.325、0.35、0.375、0.4、0.45、0.5條件下的底水油藏水平井完井的長期動態(tài)效果。模擬結(jié)果顯示：當(dāng)Rsw＞0.5之后其完井效果顯著降低，因此僅選擇了以上11種中心管完井情形進(jìn)行分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 不同中心管長度條件下水平井筒見水時間對比示意圖

圖9 不同中心管長度條件下水平井筒最終含水率對比示意圖

從圖8中可以看出，在常規(guī)射孔完井情形下，井筒在生產(chǎn)261d之后開始見水，模擬結(jié)果顯示見水后采油量迅速下降，含水率急劇上升；同時隨著中心管插入長度的增加，無水采油期逐漸延長，當(dāng)Rsw超過一定值后，隨著中心管插入長度的增加，無水采油期逐漸降低。此外，常規(guī)射孔完井的無水采油時間明顯短于中心管完井情形下的無水采油時間。

由圖9、10可以看出，隨著中心管插入長度的增加，最終含水率逐漸降低，最終采出程度逐漸增加，當(dāng)Rsw超過一定值后，隨著中心管插入長度的增加，最終含水率逐漸增加，最終采出程度逐漸降低。

圖8～10中的結(jié)果表明：相比常規(guī)射孔完井，水平井中心管完井能夠顯著地延緩底水突破時間，有效地延長無水采油期，降低含水率和提高油藏采出程度；同時在給定中心管外徑與套管內(nèi)徑的比值下，中心管完井中存在著最優(yōu)的插入長度。在該算例中，對比不同完井條件下的模擬結(jié)果，當(dāng)Rsw＝0.325時，無水采油期最長，最終含水率最低，且最終采出程度最高，為該計算條件下的最優(yōu)結(jié)果。

圖10 不同中心管長度條件下水平井筒最終采出程度對比示意圖

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）基于水平井控水調(diào)剖原理，采用數(shù)值模擬的方法，建立了水平井中心管完井多段井模型，對底水油藏水平井中心管完井長期生產(chǎn)動態(tài)進(jìn)行了模擬，研究了給定中心管外徑與套管內(nèi)徑的比值下中心管長度對控水效果的影響規(guī)律。

2）模擬結(jié)果表明：采用中心管完井能夠有效緩解跟端－趾端效應(yīng)，可以起到延緩底水突破時間、降低含水率、提高油藏采出程度的作用，有利于提高底水油藏的開發(fā)效果。

3）最優(yōu)的中心管長度對于均勻油藏入流剖面和提高采收率具有重要的意義，在所給出的算例中，最優(yōu)的Rsw＝0.325；中心管完井能夠使井筒內(nèi)的壓力重新分布，有效調(diào)節(jié)井筒內(nèi)生產(chǎn)壓差分布使其相對均勻化，從而降低跟端處的大壓差，改善水平井生產(chǎn)段入流分布，達(dá)到 “穩(wěn)油控水”的目的。

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［編輯］ 黃鸝

Dynam ic Sim ulation and Optim ization for HorizontalW ell Com p letion w ith Stinger of Bottom W ater Reservoir

YANG Qingsong，LIU Lu，MA Zhen，WANG Zhim ing，XIAO Jingnan (First Author's Address:No.1 Gas Production Plant，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Yulin 718500，Shaanxi，China)

Starting from the analysis of problems existed in the bottom-water reservoirs in horizontalwell production，an ideawas proposed forwater controlled completion using center casings.According to the principles of filtrationmechanics，fluid mechanics and reservoir numerical simulation，amodel ofmulti-section well for central casing completion of horizontal well production，the dynamic rules of long-term inflow in center casing completion of horizontal wells were studied in bottom water reservoirs.The effect of inflow under condition of different inserting lengthsof center casingswas contrasted.The result indicated that the comparison of the given center casing OD with casing ID presented that the insert length of center casingwas the key parameter of inflow profile adjustment forhorizontalwells，while there existed an optimal value of the center casing length.Case study result indicates thatwhen the center casing length is about0.325 time as that of horizontal section，its inflow profile and borehole pressure distribution can be improved uniform ly，thus the timeof bottom-water breakthrough can beevidently slow down for lengthening the period ofwater-free oil production，reducing water content and enhancing oil recovery and aswell as for the optimal effect of permanent inflow control.

horizontal well;center casing completion;bottom water reservoir;multi-segmentwellmodel;numerical simulation

TE319

A

1000-9752（2014）05-0110-06

2013-10-16

國家科技重大專項 （2011ZX05009-005）。

楊青松 （1987-），男，2012年中國石油大學(xué) （北京）畢業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事氣田開發(fā)、氣井井下作業(yè)、提高采收率等方面的研究工作。