Ahdeb油田水平井控水完井及一體化耦合模型

薛 衡,黃祖熹,王賀華,3,安永生,劉 榧,3,成 一,3,何 冰,劉 卡

[1.振華石油控股有限公司,北京 100031; 2.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,四川 成都 610500;3.成都北方石油勘探開發(fā)技術(shù)有限公司,四川 成都 610000; 4.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點實驗室,北京,102249; 5.中國石化 中原石油工程有限公司 佛山三水分公司,廣東 佛山 528000]

與直井相比,水平井具有與地層接觸面積大、產(chǎn)量高、無水采油期時間長等優(yōu)點,所以水平井已大量應(yīng)用在各種油氣藏。但水平井的開發(fā)同樣遇到許多問題,最嚴(yán)重的就是邊底水或注入水的突破,從而導(dǎo)致油井含水迅速上升,產(chǎn)量急劇下降,甚至造成暴性水淹[1]。Ahdeb油田上部主力層系全部采用水平井排狀開發(fā)的注采模式,取得了較好的開發(fā)效果,但開發(fā)過程中部分井組產(chǎn)量遞減快、含水上升快已成為影響水平井穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵因素,亟需開展水平井調(diào)流控水研究。

國內(nèi)外針對水平井的調(diào)流控水完井方式及完井工藝開展了大量研究,并從最初的常規(guī)分段完井、恒流控水防砂篩管半智能完井發(fā)展到了智能完井,并在現(xiàn)場成功進(jìn)行了大量試驗,取得了明顯效果[2]。同時還發(fā)展了一些特殊的控水完井方法,比如DWS雙管完井方法、化學(xué)堵水技術(shù)和智能完井系統(tǒng)[3-5]。在水平井見水機(jī)理及調(diào)流控水效果預(yù)測方面,國內(nèi)外同樣開展了大量研究工作。其中,基于分段完井建立的解析模型被廣泛用來分析水平井生產(chǎn)過程中的油水界面分布及油藏瞬時壓力分布。但是,所有解析模型中均未考慮沿程流體流入對井筒內(nèi)壓降影響,從而未實現(xiàn)油藏滲流與井筒管流的耦合[6-7]。為了解決以上問題,基于井筒模擬和油藏模擬的耦合數(shù)值方法相繼被提出[8-9]。目前絕大部分?jǐn)?shù)值模擬均是基于底水油藏開展的研究,針對伊拉克Ahdeb油田這類邊水及注入水導(dǎo)致的水體突破問題報道較少。針對不同水平井控水完井工藝下的控水效果預(yù)測還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。因此,本文重點結(jié)合Ahdeb油田的地質(zhì)、油藏、動態(tài)及鉆完井資料,分析其水平井見水機(jī)理，同時根據(jù)不同的鉆遇儲層特征優(yōu)選老井及新井完井工藝,建立與之對應(yīng)的井筒-油藏耦合數(shù)學(xué)模型,最終針對單井控水完井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 水平井見水機(jī)理

Ahdeb油田采用下注上采的水平井網(wǎng)開發(fā),全直徑巖心分析及試井解釋結(jié)果均表明,上部層系縱向連通性較好,其中縱向滲透率與橫向滲透率之比(Kv/Kh)平均值達(dá)0.584?？v向連通性越好,下部注入水在縱向上的流動速度會越快[10]。其次,油田全區(qū)發(fā)育高滲層,該層滲透率與上部層系最小滲透率薄層之間的極差達(dá)32倍,根據(jù)最小滲流阻力原理[11],下部注入水會向上流動并溝通高滲層;當(dāng)注入水到達(dá)高滲層后,快速在高滲層中形成竄流通道,導(dǎo)致含水開始上升[12]。根據(jù)鉆井軌跡統(tǒng)計分析,絕大部分生產(chǎn)井穿過高滲層,加之生產(chǎn)井主要采用裸眼及篩管完井,不具備調(diào)流控水能力,致使注入水沿高滲層突竄后直接進(jìn)入水平井段,導(dǎo)致局部井段提前見水,Ahdeb油田水平井見水機(jī)理如圖1所示。因此有必要針對該油田上部層系的老井二次完井及新鉆水平井完井調(diào)流控水開展完井工藝優(yōu)選及工藝參數(shù)優(yōu)化研究。

2 水平井控水完井工藝優(yōu)選

2.1 水平井見水特征

分析表明,上部層系含水率≥50%的生產(chǎn)井中,不同程度穿過高滲層的井占88%,7%的生產(chǎn)井軌跡靠近高滲層,同時5%的生產(chǎn)井鉆遇斷層裂縫帶。根據(jù)這些井的鉆遇儲層特征和生產(chǎn)動態(tài)特征,將水平井分為3類：單點穿高滲層、多點穿高滲層和鉆遇斷層裂縫帶的水平井。對于單點穿高滲層生產(chǎn)井,總體上含水上升較慢,含水上升率較小(圖2a);對于多點穿高滲層生產(chǎn)井,含水變化曲線波動較大,含水上升速度快(圖2b);而對于鉆遇斷層裂縫帶的高含水井,該類井投產(chǎn)即見水或油井見水后,含水快速上升(圖2c)。因此,根據(jù)高含水水平井的不同儲層鉆遇特征,需要實施調(diào)流控水分類治理。

2.2 水平井控水完井工藝的優(yōu)選

水平井控水完井的基本思路是調(diào)整流入剖面和分段控制,改善水平井的水淹模式。目前國內(nèi)外主要的控水方法可以大致分為以下幾類：常規(guī)完井控水、半智能ICD分段完井控水、半智能AICD分段完井控水、智能完井控水、雙管完井控水和特殊控水法[1-2,4,13]。根據(jù)綜合分析對比,結(jié)合目前國內(nèi)外成熟的控水技術(shù),推薦目標(biāo)油田采用盲篩管+ECP分段完井、中心管完井及ICD完井控水技術(shù)。其中,盲篩管+ECP分段完井的控水原理是在分段完井的基礎(chǔ)上,通過改變水平井各段的完井參數(shù),達(dá)到控制水平井產(chǎn)液剖面、延緩水錐、提高油藏采收率的目的。但是常規(guī)打孔或割縫篩管的節(jié)流壓差調(diào)節(jié)能力較小(約為kPa級),因此可與盲管配合下入,達(dá)到有效封隔斷層裂縫帶(出水層段),并且一定程度上均衡水平井產(chǎn)液剖面的目的。中心管完井的控水原理是在水平段懸掛小直徑油管,通過改變水平井跟端的液體流向,增加液體環(huán)空流動摩阻,從而改善水平井流入剖面,均衡水平井跟端-趾端的生產(chǎn)壓差;該工藝技術(shù)壓差調(diào)節(jié)能力最高可達(dá)MPa級,實施成本相對低,適用于根部出水或均質(zhì)油藏控水。ICD完井的控水原理是根據(jù)油藏滲透率變化特征,在不同水平井段分別下入ICD流入控制裝置,通過增大流體摩擦阻力或者引入一個額外的限流壓力降(可達(dá)MPa級)來平衡油藏與井筒之間的壓力不均勻性,實現(xiàn)各井段均衡流量的控制。綜合考慮以上3種完井方式的技術(shù)原理,基于不同的儲層鉆遇特征及生產(chǎn)類型,形成了Ahdeb油田水平井完井控水分類治理方案,如表1所示。

圖1 Ahdeb油田上部層系水平井見水機(jī)理示意圖Fig.1 The water breakthrough mechanism of horizontal wells in upper beds of Ahdeb oilfield

圖2 Ahdeb油田不同鉆遇儲層特征下的油井見水特征Fig.2 Water breakthrough characteristics of oil producers with various reservoir characters in Ahdeb oilfielda.單點穿高滲層典型井含水率曲線;b.多點穿高滲層典型井含水率曲線;c.鉆遇斷層裂縫帶典型井含水率曲線

表1 水平井控水完井分類治理方案Table 1 Categorized treatment scheme for water control completion of horizontal wells

3 水平井控水完井耦合數(shù)學(xué)模型建立

3.1 3種完井方式下的流動過程假設(shè)

基于前面推薦的3種完井工藝技術(shù),建立了與之對應(yīng)的物理模型。不同完井方式在水平井控水限流過程中所涉及的流動過程如圖3所示。在篩管完井條件下,流體在篩管與井眼環(huán)空的流動所產(chǎn)生的壓降被視為當(dāng)量直徑的水平管流所產(chǎn)生的壓降[14],因此與裸眼條件下的計算方法一致。最終,盲篩管+ECP分段完井及中心管完井可以簡化為油藏流動及井筒流動的兩種流動過程,而ICD完井主要是在以上兩種流動過程中,額外引入一個過ICD的流動過程。

3.2 油藏流動模型

假設(shè)油藏為邊水油藏邊界(由于注入水上竄至高滲層,從而流入水平井,因此同樣考慮為邊水),油藏為油水兩相滲流,不存在自由氣體,整個流動過程為等溫過程;考慮重力和毛管壓力影響,地層巖石及流體微可壓縮[15]。

通過對油水兩相流[16]在三維笛卡爾坐標(biāo)系中的展開,可以得到油相及水相方程分別為：

(1)

(2)

圖3 3種完井方式下的流動過程Fig.3 Comparison of flow process for the three completion patternsa.盲篩管+ECP分段完井技術(shù);b.中心管完井技術(shù);c.ICD完井技術(shù)

式中：Φr為油藏孔隙度,%;Bro和Brw分別為油藏中水相、油相體積系數(shù),無因次;Srw和Sro分別為油藏中水相、油相飽和度,%;prw和pro分別為油藏內(nèi)水相和油相的壓力,MPa;x,y和z分別為三維空間位置坐標(biāo);Qrfw和Qrfo分別為單位時間從油藏流出到井筒的水相、油相體積流量,m3/s;Trw和Tro分別為油藏內(nèi)水相和油相在單位壓差下從油藏網(wǎng)格i流動到相鄰油藏網(wǎng)格j的體積流量,(m3·s-1)/MPa。

其中,源匯項Qrfw和Qrfo根據(jù)達(dá)西定律有：

Qrfw=λwIw(pi-pwf)

(3)

Qrfo=λoIw(pi-pwf)

(4)

式中：λw和λo分別是水相和油相的流度,MPa-1·s-1;Iw為井指數(shù),m3;pi為i網(wǎng)格壓,MPa;pwf為水平井筒中壓力,MPa。

其中,水相和油相的流度函數(shù)分別為：

(5)

(6)

式中：Krrw和Krro分別為水相和油相的相對滲透率,無因次;μrw和μro分別為油藏水相、油相粘度,mPa·s;Brw和Bro分別為油藏水相、油相體積系數(shù),無因次。

其次,水相和油相在單位壓差下的體積流量分別為：

(7)

(8)

式中：Ar為油藏網(wǎng)格i與相鄰網(wǎng)格j交界面的面積,m2;Lr為油藏網(wǎng)格i與相鄰油藏網(wǎng)格j之間的長度,m;Kri和Krj分別為油藏網(wǎng)格i和j的滲透率,10-3μm2。

3.3 水平井筒變質(zhì)量流動模型

流體在井筒中流動時,一方面流體從水平井趾部不斷向根部流動,另一方面油藏中的流體又不斷向井筒中匯集,如圖4所示。

由于相比于常規(guī)直井而言,水平井段較長,流體從井趾流到井跟的過程中受到摩擦壓降和加速度壓降影響,會對水平井的產(chǎn)能產(chǎn)生較大的影響。忽略重力壓降,因此井筒壓力與長度的關(guān)系可以表達(dá)為：

(9)

其中,等式右邊第一項為摩擦阻力壓降,第二項為加速度壓降。式中：f為流體在井筒內(nèi)的摩擦系數(shù),無因次;Δx為井筒網(wǎng)格i和網(wǎng)格i+1之間的距離,m;ρ為井筒內(nèi)流體密度,kg/m3;rw為井筒半徑,m;Qwf(i,t)為t時刻井筒網(wǎng)格i處的體積流量,m3/s。

考慮井筒內(nèi)液體的變質(zhì)量流動,建立油藏與井筒間的耦合關(guān)系式：

(10)

3.4 水平井控水完井模型耦合求解

公式(1),(2),(9)和(10)構(gòu)成了不同水平井控水完井方式下的綜合控制方程。但是,這里需要求解的未知數(shù)有6個：油相壓力、水相壓力、油相飽和度、水相飽和度、井筒壓力及井筒流量(ICD完井方式下,可以根據(jù)不同ICD類型引入不同的壓降模型,因此其未知數(shù)仍然為6個。不同ICD類型對于壓降模型已有文獻(xiàn)報道較多[17],此處不再贅述)。為了求解以上6個未知數(shù),需要引入兩個輔助方程：

圖4 生產(chǎn)過程中水平井變質(zhì)量流動示意圖Fig.4 Schematic diagram showing variable mass flows in horizontal wells in production

飽和度方程：

Sro+Srw=1

(11)

毛管壓力方程：

prcow=pro+prw

(12)

采用有限差分方法對以上控制方程進(jìn)行離散,建立與之對應(yīng)的線性方程組,將系數(shù)矩陣存入大型稀疏矩陣中,利用牛頓-拉夫森迭代方法進(jìn)行計算。為了簡化計算過程,水平井筒中的變質(zhì)量流動按照顯式處理。油藏流動按全隱式方法求解,從而最大程度上提高計算的穩(wěn)定性和收斂性。

4 水平井控水完井參數(shù)優(yōu)化

以Ahdeb油田某水平井為例,該井鉆井軌跡A點垂深2 621 m,B點垂深2 641 m,采用5-1/2″篩管完井。水平段長830 m,該井跟部穿過高滲層,測井解釋結(jié)果進(jìn)一步落實該井根部有175 m井段穿過高滲層,占全井段的21%。該段儲層平均滲透率為140×10-3μm2,而剩余井段平均滲透率為15×10-3μm2,滲透率極差達(dá)9.3倍。根據(jù)前面地質(zhì)油藏及開發(fā)動態(tài)分析結(jié)果,其產(chǎn)水貢獻(xiàn)主要來源于根部高滲層段。參照建立的水平井控水完井分類治理方案,擬采用中心管控水完井工藝對產(chǎn)水井段實施調(diào)流控水,但需結(jié)合數(shù)模進(jìn)一步驗證控水有效性。

4.1 控水完井工藝優(yōu)選

利用已建立的3種不同完井控水工藝耦合模型,通過導(dǎo)入該井真實歷史配產(chǎn)數(shù)據(jù),模擬計算了不同完井工藝下的含水率隨生產(chǎn)時間的變化關(guān)系,如圖5所示。其中,假設(shè)該井在生產(chǎn)900 d時,實施老井二次完井控水(包括：變密度篩管、中心管及ICD控水完井)。圖中,直線為不同情況下的含水率模擬結(jié)果,點為該井實際歷史含水率變化情況。從圖中可知,在未實施控水完井時的模擬含水率與真實含水率匹配度很好,說明該模型具有較高可靠度,基于該模型開展3種完井工藝下的控水效果模擬具有較高的參考價值。模擬結(jié)果顯示,在實施變密度篩管控水完井后,含水率僅從49.8%下降到48.2%。這主要是因為變密度篩管的孔徑較大,節(jié)流壓差調(diào)節(jié)的能力有限,約為kPa級[18],無法達(dá)到均衡生產(chǎn)壓差需求。而實施ICD和中心管控水完井后,含水率分別下降至37.8%和35.0%,二者控水能力相當(dāng)。但是,采用中心管完井的成本僅為ICD完井的30%～40%,考慮經(jīng)濟(jì)性,推薦該井采用中心管完井。

圖5 不同完井方式下的控水效果對比Fig.5 Comparison of water control results with different completion patterns

4.2 中心管下入比例優(yōu)化

基于中心管控水完井工藝,需進(jìn)一步分析中心管下入深度和下入時機(jī)對水平井控水效果的影響,從而優(yōu)選完井工藝參數(shù)。圖6是中心管在不同下入比例時的含水率。從圖中可以看出,隨著下入比例逐漸增大,含水率逐漸降低。當(dāng)下入比例達(dá)0.3時,含水率從49.8%下降到了35.0%,達(dá)到最小值。當(dāng)下入比例超過0.3后,含水率基本保持不變,因此優(yōu)化下入比例為0.3。這主要是因為出水位置主要分布在根部21%井段,如果中心管下入比例小于該值,則無法實現(xiàn)有效控水。同時,下入比例應(yīng)略大于該值,因為高滲層段會對周圍儲層產(chǎn)生壓力干擾,從而加快附近井段見水速度。

4.3 控水裝置下入時機(jī)優(yōu)化

圖7是在不同時間下入中心管后,含水率隨生產(chǎn)時間變化曲線。模擬發(fā)現(xiàn),6種方案均能有效控制含水,含水率從未實施控水完井的54.2%下降至約30.5%(時間節(jié)點為1 500 d)。但是,在見水初期實施控水完井能夠更有效地降低整個生產(chǎn)過程中的含水率,從而利于提高累計產(chǎn)油量。因為在配產(chǎn)相同情況下,含水率越低,整個生產(chǎn)過程中的累產(chǎn)油量越高。同時,見水初期實施控水完井能夠減緩局部流體突進(jìn)現(xiàn)象,使?jié)B流剖面更為均衡。例如,在初期投產(chǎn)和250d時下入中心管后的含水率在整個生產(chǎn)過程中均小于其他方案,因此其控水效果最好。

5 結(jié)論與建議

1) 根據(jù)Ahdeb油田水平井鉆遇儲層特征和見水特征,優(yōu)選3種不同完井控水工藝,形成了老井二次完井和新投產(chǎn)井調(diào)流控水分類治理方案;

2) 建立了盲篩分段組合完井、中心管完井及ICD完井方式下的井筒-油藏一體化耦合模型。其中,井筒模型考慮了流體變質(zhì)量流動過程,提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,模型為水平井完井控水效果預(yù)測及參數(shù)優(yōu)化提供了技術(shù)手段;

圖6 中心管下入比例優(yōu)化(900 d時下入中心管)Fig.6 Optimization of the central pipe implement location(working time:900 days)

圖7 中心管下入時機(jī)優(yōu)化(下入比例為0.3)Fig.7 Optimization of the central pipe implement time(setting ratio:0.3)

3) 研究表明,對于根部見水的水平井,ICD完井及中心管完井均有較好控水效果。其中,中心管下入比例應(yīng)略大于出水井段,才能有效降低水平井含水率。變密度篩管完井節(jié)流壓差調(diào)節(jié)的能力有限,無法達(dá)到均衡生產(chǎn)壓差需求;

4) 模擬發(fā)現(xiàn),在水平井見水前實施控水完井能夠更有效地降低整個生產(chǎn)過程中的含水率,從而利于提高單井累產(chǎn)油量,因此建議新鉆水平井在完井時即考慮下入調(diào)流控水裝置。