水平井均衡供液完井靜態(tài)控流參數(shù)設(shè)計

陳 陽彭志剛郭立強(qiáng)張建國李 偉王紹先

（1.中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017；2.中原油田勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南鄭州 450046）

水平井均衡供液完井靜態(tài)控流參數(shù)設(shè)計

陳 陽1彭志剛1郭立強(qiáng)2張建國1李 偉1王紹先1

（1.中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017；2.中原油田勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南鄭州 450046）

針對勝利油田水平井均衡供液完井技術(shù)不完善，且面臨單井產(chǎn)量低、投產(chǎn)層系復(fù)雜等諸多問題，建立了一套均衡供液完井技術(shù)“靜態(tài)控流參數(shù)”設(shè)計方法，依次分為生產(chǎn)段分段、各投產(chǎn)井段配產(chǎn)、各投產(chǎn)井段節(jié)流壓降設(shè)計和控流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計4個步驟。生產(chǎn)段分段以減小投產(chǎn)層系非均質(zhì)性和封隔物性差異大的相鄰層段為目的；底水和邊水油藏分別使用“見水時間一致”和“均衡供液”的原則進(jìn)行各投產(chǎn)井段配產(chǎn)；制定適當(dāng)?shù)母肆鲏?，?yōu)化各投產(chǎn)井段所需節(jié)流壓降；適當(dāng)選擇控流井段盲篩比，保證控流篩管發(fā)揮良好的控流特性。實例計算結(jié)果表明，使用“靜態(tài)控流參數(shù)”方法設(shè)計出的均衡供液完井管柱的控流效果明顯。該設(shè)計方法簡便實用，為均衡供液完井技術(shù)在勝利油田的推廣應(yīng)用提供理論支持。

水平井；完井；流入控制器；控流參數(shù)優(yōu)化

近年來裸眼井下篩管完井成為國內(nèi)各大油田水平井的主要完井方法，但跟–趾效應(yīng)和油藏非均質(zhì)性使得油藏?zé)o法向水平井均衡供液，如果存在邊底水，容易導(dǎo)致水平井投產(chǎn)后短期內(nèi)含水率迅速升高甚至水淹停產(chǎn)。均衡供液完井技術(shù)作為一種有效控流手段已在國外廣泛應(yīng)用［1］，在勝利油田卻尚未完善，因此引入國外相關(guān)技術(shù)很有必要，但勝利油田面臨單井產(chǎn)量低且投產(chǎn)層系復(fù)雜等特殊情況，不允許直接照搬國外技術(shù)。針對上述情況，初步建立一套均衡供液篩管完井“靜態(tài)控流參數(shù)”設(shè)計方法［2］，該方法使用現(xiàn)場常規(guī)的地震解釋數(shù)據(jù)、測井解釋數(shù)據(jù)和生產(chǎn)測試資料即可進(jìn)行有效設(shè)計，具有方便實用的特點。

1 均衡供液完井技術(shù)簡介

均衡供液完井管柱具有管外水力學(xué)節(jié)流能力，在水平井生產(chǎn)段適當(dāng)位置制造適當(dāng)大小的節(jié)流壓降，抑制高滲透層段的泄流強(qiáng)度，增強(qiáng)低滲透層段的泄流強(qiáng)度，從而達(dá)到油藏向水平井均衡供液和實現(xiàn)全井投產(chǎn)段同時開采的目的，管柱結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 均衡供液完井管柱

（1）控流篩管。在需要防砂的油藏中，控流篩管由流入控制器（ICD）和濾砂管集成而成，同時具有控流和防砂的作用。在無需防砂的油藏中，流入控制器可單獨(dú)以短節(jié)的形式存在。流入控制器分為多種類型，限于篇幅，本文選擇節(jié)流噴嘴型流入控制器進(jìn)行分析。通常情況下，每個流入控制器內(nèi)部配置2至4個對稱分布的節(jié)流噴嘴，以對沖形式抵消噴嘴射流對管壁的沖蝕作用。

（2）盲管。盲管不具備流體通過管壁的通道，在控流篩管附近串聯(lián)適當(dāng)數(shù)量的盲管，可使得控流篩管匯集更多油藏產(chǎn)液，有利于充分發(fā)揮其控流性能。

（3）常規(guī)篩管/濾砂管。為保證低滲透層段泄流強(qiáng)度，可使用常規(guī)篩管/濾砂管而無需控流?？亓骱Y管抗堵塞能力不強(qiáng)，在投產(chǎn)層系情況復(fù)雜條件下應(yīng)保證常規(guī)篩管/濾砂管的使用數(shù)目。

（4）管外封隔器?？ǚ獗胤鈱佣魏捅胤恻c，封隔油藏物性差異較大的層段，實現(xiàn)分段完井，并抑制控流過程中的環(huán)空流。

2 均衡供液完井管柱控流參數(shù)設(shè)計方法

2.1 生產(chǎn)段分段

生產(chǎn)段分段的任務(wù)是使用管外封隔器（可以配合盲管）卡封不適宜投產(chǎn)的層段，封隔物性差異較大的相鄰層段，從而達(dá)到降低投產(chǎn)井段非均質(zhì)性和實施分段控流的目的。具體步驟表述如下。

（1）確定必封層段和必封點?？ǚ獠贿m宜投產(chǎn)的層段，如無開采價值的超低滲透層段、連通水體的高滲透層段和鉆遇水體的井段；封隔必封點，如不同壓力系統(tǒng)的相鄰層系之間。

（2）封隔物性差異較大的相鄰?fù)懂a(chǎn)段。對于必封層段和必封點之間的連續(xù)投產(chǎn)井段，使用聚類分析法進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分。在當(dāng)前連續(xù)投產(chǎn)段選取n個樣本點，每個樣本點選取p項指標(biāo)（指標(biāo)由井下各項測試數(shù)據(jù)剖面獲得，如滲透率測井剖面、孔隙度測井剖面和井眼軌跡數(shù)據(jù)資料等），建立數(shù)據(jù)資料陣，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換，使用歐氏距離定義樣本間的親疏程度。將歐式距離小于閥值且井筒位置連續(xù)的樣本點歸為一類，從而形成細(xì)分之后的投產(chǎn)段，具體操作時選擇動態(tài)聚類分析法，動態(tài)地將當(dāng)前類中最靠近跟端位置的樣本點選為凝聚點。

（3）考慮到施工工藝和成本方面的約束條件，分段數(shù)目具有上限，因此對步驟（2）的分段結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟㈩惒僮鳌?/p>

2.2 各投產(chǎn)井段配產(chǎn)

各井段配產(chǎn)本質(zhì)上是制定均衡供液完井技術(shù)控流目標(biāo)的過程，即解決使用均衡供液完井管柱應(yīng)當(dāng)將水平井泄流剖面調(diào)節(jié)成何種狀態(tài)，才能獲得最好生產(chǎn)動態(tài)的問題。完成生產(chǎn)段分段工作后，應(yīng)建立適當(dāng)原則，將全井配產(chǎn)量分配到各投產(chǎn)井段。由于底水和邊水具有各自不同的侵入特征，因此配產(chǎn)原則不同。

（1）底水油藏使用各井段“見水時間一致”的原則進(jìn)行配產(chǎn)。對水平井實施分段生產(chǎn)控制后，各井段都具有各自的見水時間，如果各井段能夠同時見水，則生產(chǎn)段整體見水時間最晚，此時水平井獲得最好的生產(chǎn)動態(tài)?？山⑷缦路匠探M反算各投產(chǎn)井段配產(chǎn)量：

式中，m為投產(chǎn)井段總數(shù)；j為當(dāng)前投產(chǎn)井段編號；QP為當(dāng)前投產(chǎn)井段配產(chǎn)量，m3/d；QT為全井配產(chǎn)量，m3/d；tBT為當(dāng)前投產(chǎn)井段底水突破時間，d。

式（3）為見水時間公式，定量表述了各投產(chǎn)井段配產(chǎn)量和見水時間之間的關(guān)系，如果水平井水平段實際井眼軌跡垂向深度變化幅度較大，可使用范子菲公式［3］，如果投產(chǎn)段滲透率剖面變化幅度較大，可使用Papatzacos公式［4］。

（2）邊水油藏（可能同時存在底水）使用“均衡供液”的配產(chǎn)原則。嚴(yán)格地講，邊水油藏也應(yīng)使用各井段“見水時間一致”的配產(chǎn)原則，但在現(xiàn)場實際條件下（尤其是老油田）油水分布狀況十分復(fù)雜，無法建立各投產(chǎn)井段配產(chǎn)和見水時間之間的定量關(guān)系，因此退而求其次，使用“均衡供液”的配產(chǎn)原則。建立理想井（設(shè)定井筒無限導(dǎo)流），設(shè)定均質(zhì)油藏（使用平均滲透率，去掉非投產(chǎn)層段），使用離散化半解析方法［5］，求得理想井“U”型泄流剖面，根據(jù)該剖面將全井配產(chǎn)量分配至各投產(chǎn)井段。

2.3 各投產(chǎn)井段節(jié)流壓降計算

控流篩管在水平井生產(chǎn)段適當(dāng)位置制造適當(dāng)大小的節(jié)流壓降，以達(dá)到油藏向水平井均衡供液的目的。各投產(chǎn)井段節(jié)流壓降如圖2所示。

圖2 各投產(chǎn)井段節(jié)流壓降

（1）完成各投產(chǎn)井段配產(chǎn)工作后，設(shè)定跟端流壓，選擇井筒變質(zhì)量流壓降公式，計算并繪制出井筒流壓剖面（圖2中跟端流壓ph1、ph2或ph3對應(yīng)的井筒流壓剖面）?？紤]到篩管的基管上存在預(yù)鉆孔眼影響井筒管流流動，井筒變質(zhì)量流壓降Δpw使用Su模型［6-7］進(jìn)行計算

式中，i為井筒微元段編號；Δpf為當(dāng)前微元段沿程摩阻壓降，MPa；Δpa為當(dāng)前微元段加速壓降，MPa；Δpm為當(dāng)前微元段考慮預(yù)鉆孔粗糙度的混合壓降，MPa。

（2）選擇Yoshioka方法［8］，計算各投產(chǎn)井段在指定配產(chǎn)量條件下產(chǎn)出流體的油藏滲流壓降ΔpF，油藏模型如圖3所示。

對于遠(yuǎn)離井筒的線性流，有

對于近井筒的徑向流，有

圖3 油藏滲流壓降物理模型

式中，βc為單位轉(zhuǎn)換因子；L為當(dāng)前投產(chǎn)井段長度，m；h為油藏厚度，m；k為當(dāng)前投產(chǎn)井段所處油藏層段滲透率，D；μ為油藏流體黏度，mPa·s。

（3）根據(jù)油藏壓力pE、油藏滲流壓降ΔpF和井筒流壓剖面，計算各投產(chǎn)井段節(jié)流壓降

式中，ΔpICD為當(dāng)前投產(chǎn)井段節(jié)流壓降，MPa；ΔpWF為當(dāng)前投產(chǎn)井段平均井筒流壓，由當(dāng)前投產(chǎn)井段內(nèi)各微元段流壓值做平均計算得到，MPa。

（4）如果某些投產(chǎn)井段節(jié)流壓降ΔpICD為負(fù)值，則應(yīng)適當(dāng)降低跟端流壓ph2，避免出現(xiàn)負(fù)值；如果所有投產(chǎn)井段節(jié)流壓降ΔpICD都為正值，可適當(dāng)升高跟端流壓ph3至ph1，將最小節(jié)流壓降ΔpICD調(diào)節(jié)為0，節(jié)流壓降ΔpICD為0或相對較小的投產(chǎn)井段無需控流，使用常規(guī)篩管/濾砂管。

2.4 控流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

計算出各投產(chǎn)井段節(jié)流壓降后，水平井投產(chǎn)井段分為2種，即控流井段和非控流井段，控流井段如圖1和圖2中的投產(chǎn)井段1和3，其完井管柱由控流篩管和盲管串聯(lián)而成，非控流井段如圖1和圖2中的投產(chǎn)井段2，其完井管柱由常規(guī)篩管/濾砂管串聯(lián)而成。此時均衡供液完井管柱需要計算的控流參數(shù)包括各控流井段的盲篩比和流入控制器上節(jié)流噴嘴公稱直徑。

在實際操作過程中，需要首先給定各控流投產(chǎn)井段的盲篩比，利用節(jié)流噴嘴節(jié)流特性公式［9］，配合各投產(chǎn)井段配產(chǎn)和節(jié)流壓降設(shè)計結(jié)果，反算節(jié)流噴嘴公稱直徑。

式中，DICD為當(dāng)前投產(chǎn)井段節(jié)流噴嘴公稱直徑，m；ρ為油藏產(chǎn)出流體密度，kg/m3；C為噴嘴流量系數(shù)，無因次；NITV為當(dāng)前投產(chǎn)井段控流篩管數(shù)目，根；NICD為單根控流篩管上節(jié)流噴嘴數(shù)目，個。

各控流井段應(yīng)當(dāng)優(yōu)化最佳盲篩比，盲篩比的選擇范圍通常介于0∶1至7∶1之間。如果盲篩比過小，使用的控流篩管過多，單根控流篩管匯集的油藏產(chǎn)出液量不足，為了產(chǎn)生設(shè)計要求的節(jié)流壓降，勢必要求節(jié)流噴嘴公稱直徑較小，此時節(jié)流噴嘴工作面易被磨蝕，節(jié)流流道易被堵塞，可靠性不高；如果盲篩比過大，盲管附近的油藏產(chǎn)出流體將要通過較長的環(huán)空段匯集到控流篩管處，環(huán)空流本身會產(chǎn)生流動壓降，環(huán)空流和油藏滲流耦合，將導(dǎo)致控流篩管外井筒壁面泄流強(qiáng)度過高，盲管外井筒壁面泄流強(qiáng)度過低。盲篩比過大或過小會均阻礙控流篩管發(fā)揮良好的控流特性。因此，需要通過實例井針對盲篩比進(jìn)行變參數(shù)分析，優(yōu)化出各控流井段的最佳盲篩比。在實際操作時將各控流井段盲篩比逐漸增大，當(dāng)反算出的節(jié)流噴嘴公稱直徑足夠大時（大量應(yīng)用經(jīng)驗表明最好大于3 mm），即可停止計算。如果當(dāng)前控流井段只布置了一根控流篩管，而反算出的節(jié)流噴嘴公稱直徑仍較小，則應(yīng)考慮適當(dāng)減少流入控制器內(nèi)部配置的節(jié)流噴嘴數(shù)目或調(diào)整水平井投產(chǎn)井段分段結(jié)果，重新進(jìn)行設(shè)計。

3 實例計算和變參數(shù)分析

某實例井及其所在油藏各項已知參數(shù)表述如下：非均質(zhì)砂巖底水油藏厚度14.2 m，原始油藏壓力50.9 MPa，油藏巖石孔隙度25%。水平井水平段距油藏頂部4.2 m，靶點A井深4 300 m，靶點B井深4 510 m，裸眼井筒直徑215.9 mm。水平井投產(chǎn)過程需要防砂措施，單根控流篩管、濾砂管和盲管長度10 m，外徑127 mm，單根控流篩管內(nèi)部配置2個對稱分布的節(jié)流噴嘴。油藏條件下原油黏度32.2 mPa·s，原油體積系數(shù)1.4，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下原油密度860 kg/m3，地層水密度1 030 kg/m3。水平井原油配產(chǎn)量80 m3/d，油藏絕對滲透率剖面如圖4所示。

圖4 油藏絕對滲透率剖面

根據(jù)實例井各項參數(shù)和第2節(jié)設(shè)計方法，得到設(shè)計結(jié)果如表1所示。

表1 實例井設(shè)計結(jié)果

水平井4 460~4 480 m井段屬于無開采價值的超低滲透層段，因此作為必封層段，其余井段被分為3個投產(chǎn)井段。投產(chǎn)井段2無需控流，布置常規(guī)濾砂管即可。投產(chǎn)井段3長度為30 m，一根均衡供液篩管/盲管的長度通常為10 m左右，不方便實現(xiàn)盲篩比5∶1的布置方案，因此未計算。表1設(shè)計結(jié)果顯示，投產(chǎn)井段1選擇盲篩比2∶1為佳，對應(yīng)的控流篩管節(jié)流噴嘴公稱直徑為4.8 mm，投產(chǎn)井段3選擇盲篩比2∶1為佳，對應(yīng)的控流篩管節(jié)流噴嘴公稱直徑為3.5 mm。水平井見水時間由未控流條件下的37.5 d延長至67.4 d，控流效果非常明顯。水平井在未控流（常規(guī)完井）和控流（均衡供液完井）條件下，井筒壁面流入流率剖面對比如圖5所示。

由圖5可知，水平井在未控流條件下受到跟–趾效應(yīng)和油藏非均質(zhì)性影響，其泄流剖面非常不均衡，投產(chǎn)井段1和3的泄流強(qiáng)度較高。水平井在控流條件下，對投產(chǎn)井段1和3進(jìn)行控流，使其泄流強(qiáng)度明顯下降，跟端流壓由未控流條件下的49.9 MPa下調(diào)至控流條件下的49.1 MPa，增強(qiáng)了投產(chǎn)井段2的泄流強(qiáng)度，水平井生產(chǎn)段泄流剖面在整體上更加均衡。

圖5 未控流和控流條件下流率剖面對比圖

4 結(jié)論

（1）建立了以生產(chǎn)段分段、各投產(chǎn)井段配產(chǎn)、各投產(chǎn)井段節(jié)流壓降設(shè)計和控流參數(shù)優(yōu)化設(shè)計4個步驟為主要內(nèi)容的“靜態(tài)控流參數(shù)”設(shè)計方法，形成了較完整的水平井均衡供液完井技術(shù)理論設(shè)計流程，為該技術(shù)在勝利油田的推廣應(yīng)用提供理論支持，也可作為國內(nèi)其他油田相似井況水平井的完井設(shè)計參考依據(jù)。

（2）各投產(chǎn)井段配產(chǎn)的“見水時間一致”和“均衡供液”原則分別針對勝利油田普遍存在的底水油藏和邊水油藏而引入，保證在復(fù)雜油水分布條件下最大程度延緩見水時間。優(yōu)化跟端流壓和生產(chǎn)段分段等流程針對解決勝利油田水平井單井產(chǎn)量低和投產(chǎn)層系復(fù)雜問題而建立，保證發(fā)揮單井最大產(chǎn)能和防止層間干擾。

（3）實例計算過程顯示，運(yùn)行設(shè)計方法只需提供現(xiàn)場常規(guī)測試數(shù)據(jù)即可，并能優(yōu)化多種設(shè)計結(jié)果，設(shè)計方法適用性和可操作性較強(qiáng)。后續(xù)將引入其他類型的流入控制器，如螺旋流道型流入控制器和孔板型流入控制器，豐富設(shè)計方法的適用工具種類。

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（修改稿收到日期 2014-08-18）

〔編輯 朱 偉〕

圖4 Y52井負(fù)壓試壓結(jié)果解釋（Horner方法）

6 結(jié)論

（1）根據(jù)油氣井完整性的要求，對尾管（重疊段）負(fù)壓試壓的必要性進(jìn)行了分析，

（2）根據(jù)對尾管在生產(chǎn)及后期作業(yè)過程中承受壓力情況提出了負(fù)壓試壓參數(shù)的計算方法和負(fù)壓試壓的工藝流程，并給出了負(fù)壓試壓結(jié)果的解釋方法。

（3）伊朗Y油田的應(yīng)用表明，建立的尾管試壓方法用于檢測尾管完整性，滿足現(xiàn)場試壓的要求。該方法對其他油田和區(qū)塊進(jìn)行負(fù)壓試壓有一定參考和借鑒意義。

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（修改稿收到日期 2014-10-17）

〔編輯 朱 偉〕

Design of static flow control parameters for equilibrium fluid supply completion of horizontal wells

CHEN Yang1, PENG Zhigang1, GUO Liqiang2, ZHANG Jianguo1, LI Wei1, WANG Shaoxian1
（1.Drilling Technology Research Institute,SINOPEC Shengli Petroleum Engineering Co.Ltd.,Dongying257017,China;2.Exploration and Development Scientific Research Institute,Zhongyuan Oilfield,Zhengzhou450046,China）

In view with imperfect equilibrium fluid supply completion technology for horizontal wells in Shengli Oilfield as well as the problems such as low single well production, complex producing zones, a set of design methods were established for ‘static flow control parameters’ of equilibrium fluid supply completion technology, which is divided into four steps in a proper order:division of producing sections, production allocation of each producing section, choke and pressure drop design for each producing section and design optimization of flow control parameters.Division of producing section is for the purpose of reducing the adjoining zones with great difference in heterogeneity and isolating physical properties of the producing zones;the bottom-water and edge-water reservoirs respectively use the principles of ‘consistent water breakthrough time’ and ‘equilibrium fluid supply’ for production allocation of each producing wells;the flow pressure at heel should be properly established to optimize the choke pressure drop required by each producing well section;the blind screen ratio should be properly selected for flow control section to ensure that the flow control screen can give full play of its flow control performance.The result of example calculation shows that the completion string with equilibrium fluid supply designed by ‘static flow control parameter’ method has remarkable flow control effect.This design method is easy and practical, and provides theoretical support for the promotion of equilibrium fluid supply completion technology in Shengli Oilfield.

horizontal well;completion;inflow controller;optimization of flow control parameters

陳陽，彭志剛，郭立強(qiáng)，等.水平井均衡供液完井靜態(tài)控流參數(shù)設(shè)計［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：45-49.

TE257

：A

1000–7393（2014） 06–0045–05

10.13639/j.odpt.2014.06.012

中石化集團(tuán)公司科技攻關(guān)項目“水平井智能完井分段控流關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：JP12009）。

陳陽，1985年生。2013年畢業(yè)于西南石油大學(xué)海洋油氣工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事智能完井方面的研究工作。電話：13561053085。E-mail：slchenyang@163.com。