多分支井結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

多分支井結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉 豪

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

本文調(diào)閱了關(guān)于多分支井的產(chǎn)能預(yù)測(cè)與計(jì)算的文獻(xiàn)，同時(shí)本實(shí)驗(yàn)針對(duì)多分支井的分支數(shù)目、位置與長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、展開實(shí)驗(yàn)，得出了在實(shí)驗(yàn)壓力的條件下，最佳泥砂比為1:5、水灰比0．51；得出產(chǎn)能最高的分支井結(jié)構(gòu)特征，并最終得出成果。結(jié)論顯示：隨著分支距離油層中部越近，分支井的波及效率越高，分支井的總產(chǎn)能越大；隨著分支數(shù)目的增加，產(chǎn)能減少，但產(chǎn)能減少的速度減緩，產(chǎn)能最終趨向于穩(wěn)定；隨著分支增長(zhǎng)，分支井的產(chǎn)能隨之增加，但產(chǎn)能增速減緩。

多分支井；結(jié)構(gòu)；參數(shù)優(yōu)化；油藏模擬；研究

1 概論

分析多分支井不同的產(chǎn)能計(jì)算模型，并通過分析分支井滲流阻力，得知多分支井的產(chǎn)能與其長(zhǎng)度的關(guān)系為：長(zhǎng)度對(duì)多分支井產(chǎn)量的影響隨著長(zhǎng)度L的增大而降低；當(dāng)井筒位于油層中部時(shí)油井具有最大的產(chǎn)能，但是它們的值相差不大。

基于多分支井等效井徑模型、井筒變質(zhì)量流動(dòng)模型、綜合表皮系數(shù)模型及勢(shì)的疊加原理,建立了新型單層油藏多分支井油藏滲流與井筒管流耦合模型。利用所建模型分析了分支數(shù)、分支長(zhǎng)度、分支與主井筒的夾角等分支參數(shù)對(duì)多分支井入流動(dòng)態(tài)及產(chǎn)能的影響：分支數(shù)增多、分支長(zhǎng)度增長(zhǎng),多分支井總產(chǎn)量增加,但增長(zhǎng)幅度越來越?。粏为?dú)改變分支與主井筒的夾角對(duì)總產(chǎn)能影響較小。

建立多分支井油藏滲流與井筒流動(dòng)耦合的產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型,得出：一個(gè)分支井的高產(chǎn)量會(huì)對(duì)其他分支井在主井筒里造成高背壓，同時(shí)，還會(huì)在分支中形成竄流，因此，分支長(zhǎng)度增長(zhǎng),多分支井總產(chǎn)量增加,但增長(zhǎng)幅度越來越小。

通過三維勢(shì)函數(shù)的定義推導(dǎo)出無界地層中多分支水平井三維穩(wěn)態(tài)滲流速度勢(shì)分布，再根據(jù)鏡像反映和勢(shì)疊加原理，推導(dǎo)出了具有邊界條件下多分支水平井的三維穩(wěn)定勢(shì)分布：多分支水平井各分支間的間距增大，產(chǎn)能增加；隨著分支數(shù)的增加，產(chǎn)能增加，但產(chǎn)能增加的幅度越來越??；對(duì)于兩分支水平井，夾角為 45°時(shí)，產(chǎn)能最大；對(duì)于兩分支以上的水平井，夾角為 60°時(shí)，產(chǎn)能最大；多分支水平井的夾角為 90°時(shí)，產(chǎn)能最小。

2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，模擬均質(zhì)油藏單相滲流時(shí)，開發(fā)后期以前，地層壓力變化不大的情況下，多分支井的產(chǎn)能與分支結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。

由于在開發(fā)過程中，較短的周期內(nèi)，地層的壓力基本不變，因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過用恒定高度的水壓來模擬地層壓力；同時(shí)，通過用水流來模擬地層的單相流體；通過用確定配比的沙子與水泥的混凝土塊來模擬含油的巖層；通過用飽和水的模擬巖層來模擬單相均質(zhì)油藏；最終，通過研究水在不同多分支結(jié)構(gòu)的情況下的流量來模擬油藏的產(chǎn)能，并得出最后的結(jié)論。

堵水孔方法：由于模擬油藏的每一個(gè)孔的長(zhǎng)度是已知的，若要控制其長(zhǎng)度，就把活塞與標(biāo)尺連接，通過在標(biāo)尺上讀出活塞伸入的長(zhǎng)度，用總長(zhǎng)度減去讀數(shù)就是實(shí)際水孔的有效長(zhǎng)度。

有效長(zhǎng)度=水孔的總長(zhǎng)度-伸入的長(zhǎng)度。

3 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)用水缸、模擬方形油層、模具（用以模擬油藏）、量液用燒杯、計(jì)時(shí)器、活塞（通過與圓柱狀標(biāo)尺用螺紋連接來封堵水孔或確定需要的長(zhǎng)度）、標(biāo)尺（圓柱狀，上有螺紋，以便于活塞連接）

4 實(shí)驗(yàn)大體流程

圖1 位置對(duì)產(chǎn)能影響折線圖

圖2 分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能影響折線圖

圖3 數(shù)目對(duì)產(chǎn)能影響折線圖

調(diào)整好模擬油藏的各項(xiàng)參數(shù)，再將模擬油藏裝入水缸中，向水缸里裝入等高的水（保證油層壓力基本不變），待水進(jìn)入模擬油藏穩(wěn)定后，再實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開閥門，計(jì)時(shí)10分鐘，測(cè)定流量。當(dāng)換用不同分支井結(jié)構(gòu)或油藏時(shí)，獲得相關(guān)的參數(shù)值及流量值，進(jìn)行比較，得出結(jié)論。

5 油藏模擬

在本實(shí)驗(yàn)中，通過用水泥和顆粒相近的沙子均勻混合，制出均一的模擬四方體油藏，在井眼d處接水管以便把液體排出測(cè)量，同時(shí)，在井眼處和裝置與水管的接觸處加密封圈，以防漏水。

相 關(guān) 參 數(shù)：h=25cm，l=80cm，d=1cm，a=30cm，b=10cm，α=22.5°

同時(shí)，為了能夠用控制變量法研究此油藏，而且為了節(jié)省材料，油藏在制作時(shí)，其水平分支井如圖。因?yàn)橹谱骱靡院?，打孔困難，而且精確度很差，因而在制作時(shí)，使用鋼管為模具，做出這樣的分支。在不需這樣長(zhǎng)或這么多的分支時(shí)，用活塞封堵分支。

5.1 測(cè)定材料的合理配比：

制作高h(yuǎn)=100mm，外徑R=63mm，內(nèi)徑r=30mm的中空且底部封死泥柱，其中所需的砂和水泥的總重為M=1kg，分別按水泥與砂的質(zhì)量配比成1:1、1:2、1:3、1:4和1:5，根據(jù)資料查得一般情況下水灰比為0.44。

將制好的模型放入水中，使得水面與泥柱表面齊平，觀察水從泥柱外部滲到中空部，在20分鐘時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過比較泥柱中水的量，發(fā)現(xiàn)泥砂比為1:5，水灰比0.51的配比結(jié)果最佳。

5.2 模具

整個(gè)模具用于制作模擬油藏用，使用木制的內(nèi)空腔長(zhǎng)80cm寬80cm高25cm的盒子，其中木板的厚度為1.5cm。為了實(shí)驗(yàn)需要，在木盒的四周高10cm的地方打了14個(gè)直徑為1.8cm的孔。

5.3 模擬步驟

（1）將模具放在水平位置，并向內(nèi)加入調(diào)好的混凝土到高度為10cm處。

（2）從模具四周的孔中插入外徑為18cm的鋼管，把鋼管調(diào)整水平。

（3）待已經(jīng)加入的混凝土凝固時(shí)，再在上邊加一層混凝土25cm,待其凝固干燥。

（4）用直徑為18cm的鉆頭在模擬油藏的孔中分別繼續(xù)打孔至O、C、D點(diǎn)。

（5）用水沖洗掉模擬油藏孔中的灰燼，以備下面實(shí)驗(yàn)用。

6 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

6.1 研究位置對(duì)分支井產(chǎn)能的影響

步驟:①用活塞關(guān)閉2、5、6、7、8、9、10號(hào)井；②輪流對(duì)3～4、11～12、13～14井各取20cm，關(guān)閉其他井，計(jì)時(shí)10分鐘，記下各自流量p；③若有必要，重復(fù)上述步驟。

隨著位置距油藏中部0cm距離遞增至10cm、20cm，流量由181.6q/ml漸變至176.5q/ml、165.8q/ml（見圖1）。

由圖1可知，分支越遠(yuǎn)離油藏中部，產(chǎn)能的減少也越快。其中，分支在中部時(shí)，產(chǎn)能最高。原因可能是由于遠(yuǎn)離中部時(shí)，打井后波及的范圍較小造成的。

6.2 研究長(zhǎng)度對(duì)分支井產(chǎn)能的影響

步驟：①取5、6號(hào)井，關(guān)閉其它井；②在5、6號(hào)井中先后各取5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm，各記10分鐘時(shí)的流量；③若有必要，重復(fù)上述步驟。

隨著分支長(zhǎng)度由5cm遞增至10cm、15cm、20cm、25cm、30cm， 流 量 由56.4q/mL漸變至105.7q/mL、142.5q/mL、170.2q/mL、191.2q/mL、203.9q/mL（見圖2）。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，由圖2可知當(dāng)分支的長(zhǎng)度增加時(shí)，分支井的產(chǎn)能會(huì)增加，但是，產(chǎn)能的增加隨分支長(zhǎng)度的增加逐漸減緩，其中到達(dá)20cm以后，增加速度明顯放緩。

6.3 研究分支數(shù)目對(duì)分支井產(chǎn)能的影響

步驟：①關(guān)閉2、5、6、7、8、9、10號(hào)井；②在3號(hào)井取40cm，關(guān)閉其它井，記10分鐘時(shí)的流量；③在3、4號(hào)井各取20cm，關(guān)閉其它井，記10分鐘時(shí)的流量；④在3、4、11號(hào)井各取13.3cm，關(guān)閉其它井，記10分鐘時(shí)的流量；⑤在3、4、11、12號(hào)井各取10cm，關(guān)閉其它井，記10分鐘時(shí)的流量；⑥在3、4、11、12、13號(hào)井各取8cm，關(guān)閉其它井，記10分鐘時(shí)的流量；⑦在3、4、11、12、13、14號(hào)井各取6.7cm，關(guān)閉其它井，記10分鐘時(shí)的流量；⑧若有必要，重復(fù)上述步驟。

隨著分支數(shù)目遞增至2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)，流量由183.1q/mL漸變至 180.3q/mL、179.5q/mL、178.8q/mL、178.4q/mL（見圖3）。

在總的分支長(zhǎng)度一樣的情況下，分支的數(shù)目越多，分支井的產(chǎn)能就越小，當(dāng)分支數(shù)為1時(shí)，分支井的產(chǎn)能最高；隨著分支數(shù)目的增加，產(chǎn)能減少的速度減緩，并最終趨向于水平主井的產(chǎn)能。分析其原因，可能是由于當(dāng)分支數(shù)目過多時(shí)，分支井的流體會(huì)形成竄流引起的。

結(jié)語(yǔ)

本文提出了預(yù)測(cè)多分支井分支結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能影響的方法，同時(shí)，設(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)裝置，得出了模擬油藏的具體方法，并最終通過實(shí)驗(yàn)的方法分析在實(shí)驗(yàn)條件下，均勻長(zhǎng)方體薄層油藏單相流體滲流時(shí)，分支井結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括分位置度、長(zhǎng)度、數(shù)目）對(duì)多分支井產(chǎn)能的影響。

1 分支位置對(duì)分支井總產(chǎn)能的影響較大，隨著分支距離油層中部越近，分支井的波及效率越高，分支井的總產(chǎn)能越大。

2 分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響很大，隨著分支增長(zhǎng)，分支井的產(chǎn)能隨之增加，但是增長(zhǎng)有一定的限度。隨著長(zhǎng)度的增加，產(chǎn)能增加減緩。

3 在總的分支長(zhǎng)度一樣的情況下，由于分支井內(nèi)流體會(huì)形成竄流，分支的數(shù)目越多，分支井的產(chǎn)能就越小，當(dāng)分支數(shù)為1時(shí)，分支井的產(chǎn)能最高；隨著分支數(shù)目的增加，產(chǎn)能減少的速度減緩，并最終趨于穩(wěn)定。

[1]汪志明，張磊敏，魏建光，等．分支參數(shù)對(duì)多分支井入流及產(chǎn)能的影響規(guī)律研究[J]．石油鉆探技術(shù)，2009，37（03）．

[2]楊占偉，程時(shí)清，趙志明．多分支水平井的產(chǎn)能計(jì)算[J]．石油鉆采工藝，2009，31（06）．

TE31 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A