水平井均衡流入控水技術(shù)

楊 志，侯 攀，馬吉祥，趙春立，趙海燕

(西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

水平井均衡流入控水技術(shù)

楊 志，侯 攀，馬吉祥，趙春立，趙海燕

(西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

水平井在開采過(guò)程中，由于各水平段的孔滲特性不盡相同，底水極易從高滲透帶侵入，使得邊底水脊進(jìn)成為一個(gè)普遍的問(wèn)題。為此，利用電路模擬調(diào)節(jié)原理，通過(guò)對(duì)水平井完井管柱上“控制元件”的研究，在盡可能提高各水平段產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，遵循“均衡”各水平段地層流量的原則，提出了割縫襯管、篩管－盲管組合、節(jié)流噴嘴、毛細(xì)管等4種均衡流動(dòng)控制元件及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。實(shí)例計(jì)算表明，各水平段原本差異較大的地層流入量，在優(yōu)化設(shè)計(jì)后其差異顯著縮小，甚至幾乎沒(méi)有差異，從而使得各小層或各水平段邊底水均勻推進(jìn)，防止了邊底水的提前脊進(jìn)，大大延緩了邊底水油氣藏的見(jiàn)水時(shí)間。

水平井;均衡流入;底水;脊進(jìn);控水

1 水平井在底水油氣藏開采中的問(wèn)題

對(duì)于均質(zhì)油藏，在油藏壓力相同的條件下，由于井筒水平段流動(dòng)阻力的存在，水平段根部的生產(chǎn)壓差比“指部”要大，容易導(dǎo)致水平段根部提前見(jiàn)水。而對(duì)于非均質(zhì)油藏，由于各水平井段的垂向滲透率不盡相同，有些甚至差異極大，這就導(dǎo)致了油藏各處底水脊進(jìn)速度不同，底水極易從高滲透帶侵入而導(dǎo)致過(guò)早見(jiàn)水甚至全井水淹。由于邊底水的脊進(jìn)可能“封閉”部分低滲層段，使得部分可采儲(chǔ)量未能采出，最終導(dǎo)致采收率低下。

為解決水平井的底水“脊進(jìn)”問(wèn)題，從油藏工程角度，可以通過(guò)合理布設(shè)井位、確定合理的避水高度等措施來(lái)延緩水脊或水錐的出現(xiàn)。理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐均表明，水平井在高采油速度下較垂直井可延緩見(jiàn)水時(shí)間，但在常規(guī)完井方式下無(wú)法從油藏角度避免底水沿高滲透帶的侵入，因此，不能單純從油藏工程角度解決水脊或水錐的問(wèn)題。

2 控制水平井底水脊進(jìn)工藝的可行性

采用的均衡流入控制水平井底水脊進(jìn)的技術(shù)原理與研究方法可用以下電路圖模擬(圖1)。圖1中各支路用于模擬水平井各小層段;R1～R5模擬各小層段在普通完井方式下的滲流阻力;I1～I(xiàn)5模擬各小層段液流量。對(duì)于電路圖而言，在一定的電位差下，由于R1～R5不盡相同，必然使得實(shí)際電流I1～I(xiàn)5不同，電流主要沿電阻小的支路流過(guò)。為了使各支路的電流相等，則需要在各支路安裝一定的調(diào)節(jié)電阻，以使各支路電阻在總體較小的條件下盡可能相同。

圖1 均衡流入控水完井技術(shù)的模擬電路

對(duì)于水平井實(shí)際生產(chǎn)而言，在一定的地層壓力和井底流壓下，由于各小層段的滲流阻力(相當(dāng)于圖中的R1～R5)不盡相同，各小層的產(chǎn)量或流入水平段的流量(相當(dāng)于圖中的I1～I(xiàn)5)不等，這是導(dǎo)致底水沿高滲透帶竄入的根本原因?！熬饬魅搿钡募夹g(shù)原理是在合理劃分水平井小層段的基礎(chǔ)上，通過(guò)完井管柱上的“均衡流入控制元件”(相當(dāng)于電路圖中的各調(diào)節(jié)電阻)來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)流阻力，使得調(diào)節(jié)后的各小層段滲流阻力基本相同，進(jìn)而使劃定的各小層段產(chǎn)液量基本相同，從而控制底水的均勻推進(jìn)，避免底水提前脊進(jìn)。

國(guó)外水平井控水完井的方式從常規(guī)的分段完井、恒流控水篩管的半智能完井發(fā)展到了智能完井，其技術(shù)相對(duì)成熟［1］。國(guó)內(nèi)的水平井控水完井技術(shù)相對(duì)落后，目前的完井方法主要有3類，即獨(dú)立篩管 SAS(割縫/預(yù)孔管、復(fù)合篩管)、篩管(SAS)+ECP 和射孔完井 CHP［2－4］，相應(yīng)的控水技術(shù)主要采用完井參數(shù)控制方法。

3 幾種水平井均衡流入控水技術(shù)

位于油層中部水平井在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下的采油指數(shù)為［5］:

式中:C為與單位有關(guān)的系數(shù);Kh、Kv為油層水平、垂向方向的滲透率，μm2;h為油層厚度，m;L為水平井水平段長(zhǎng)度，m;reh為水平井泄流半徑，m;rw為井眼半徑，m;μo為流體黏度，mPa·s;Bo為流體體積系數(shù);a為水平井橢球形泄流區(qū)域的長(zhǎng)半軸，m;β為油層滲透率各向異性系數(shù);S為水平井表皮系數(shù)。

由于存在非均質(zhì)性，在整個(gè)水平段長(zhǎng)度內(nèi)各小層段的滲透率不盡相同，由公式(1)可知各小層段的采油指數(shù)必然存在差異，假定油藏壓力恒定，即水平段長(zhǎng)度內(nèi)各小層段地層壓力均相同，在一定的井底流壓下，各小層段的產(chǎn)量也不盡相同，高滲透率層段的產(chǎn)量更高，這是底水容易沿水平井的高滲透帶竄入造成水脊的根本原因。若不同滲透率的各小層均以相同的流量生產(chǎn)，則底水不容易突出而較均勻地推進(jìn)，從而有助于提高油藏的采收率。在盡可能提高各小層產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，遵循“均衡”地層流量的原則，通過(guò)采用割縫襯管、篩管—盲管組合、節(jié)流噴嘴以及毛細(xì)管等完井技術(shù)調(diào)整流量，從而到達(dá)延緩底水脊進(jìn)的目的。

3.1 割縫襯管均衡控水技術(shù)

割縫襯管是一種常見(jiàn)的完井方式，可以通過(guò)改變縫長(zhǎng)、縫寬、縫密度等參數(shù)，調(diào)整割縫條件來(lái)改變流動(dòng)條件，影響滲流阻力，從而控制流入水平段的流量。其計(jì)算理論是，通過(guò)改變縫長(zhǎng)、縫寬、縫密度等割縫參數(shù)，影響完井的表皮因子，從而改變產(chǎn)能，最終控制流入水平段的流量。

對(duì)于割縫襯管的產(chǎn)能可以使用潘迎德、熊友明等提出的改進(jìn)Joshi產(chǎn)能公式［6－7］。對(duì)于割縫襯管完井的表皮系數(shù)，F(xiàn)urui［8－9］在 2005 年給出了一個(gè)新的表皮因子模型，通過(guò)縫長(zhǎng)、縫寬以及縫密度等割縫條件與地層數(shù)據(jù)，可以求得割縫襯管完井的表皮系數(shù)。

式中:SSL為割縫襯管完井表皮系數(shù);Sf，o為裸眼完井時(shí)，污染帶產(chǎn)生的表皮系數(shù);SSL，r為徑向流產(chǎn)生的表皮系數(shù);fSL，r為紊流產(chǎn)生的表皮系數(shù);Fo，w為Forchheimer系數(shù);K、Ks分別為地層滲透率、地層污染帶滲透率，μm2;β、βs分別為地層、地層污染帶紊流速度系數(shù)。

3.2 篩管－盲管組合均衡控水技術(shù)

篩管－盲管組合均衡控水技術(shù)已在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的效果，通過(guò)調(diào)節(jié)篩管長(zhǎng)度來(lái)改變過(guò)流面積，從而控制流入水平段的流量。其計(jì)算理論同割縫襯管均衡控水技術(shù)相似，都是通過(guò)改變完井的表皮因子，調(diào)整滲流阻力，從而影響產(chǎn)能，最終控制流入水平段的流量，僅僅只是其表皮因子計(jì)算模型不同。

3.3 節(jié)流噴嘴均衡控水技術(shù)

節(jié)流噴嘴均衡控水技術(shù)是通過(guò)油嘴來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)流面積，影響滲流阻力，從而控制流體流入水平段的流量。采用該項(xiàng)技術(shù)，地層流體流進(jìn)井筒，要先

式中:C1為流量系數(shù);Ap為噴嘴過(guò)流斷面面積，m2;Δp為壓力差，MPa;ρ為流體密度，g/cm3。

3.4 毛細(xì)管均衡控水技術(shù)

毛細(xì)管均衡控水技術(shù)是通過(guò)毛細(xì)管的長(zhǎng)短來(lái)控制其滲流阻力，從而控制流體流入水平段的流量。采用該項(xiàng)技術(shù)，地層流體流進(jìn)井筒的過(guò)程中，同樣要流經(jīng)篩管和短管(即毛細(xì)管)，均會(huì)造成壓力損失，篩管的壓力損失模型如3.3所述。短管的壓力損失模型見(jiàn)公式(6)，hf表示沿短管流動(dòng)的摩擦壓力損失，hm表示流體流入短管導(dǎo)致內(nèi)徑突然變小的壓力損失。當(dāng)短管長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，其摩擦阻力較大，可忽略hm;當(dāng)短管長(zhǎng)度較小時(shí)，可以看成為水眼，壓力損失主要是內(nèi)徑突然變小的壓力損失hm，可忽略 hf。

該方法的計(jì)算理論同節(jié)流噴嘴均衡控水技術(shù)相似，主要是通過(guò)短管長(zhǎng)度的改變，影響流經(jīng)短管的壓力損失，從而控制流體流入水平段的流量，達(dá)到“均衡”流量的目的。后經(jīng)過(guò)篩管和噴嘴，均會(huì)造成壓力損失。經(jīng)過(guò)篩管的壓力損失可由公式(1)求得，而經(jīng)過(guò)噴嘴的壓力損失可由公式(5)求得。該技術(shù)的計(jì)算理論是通過(guò)調(diào)整公式(5)中的噴嘴過(guò)流斷面面積，改變流經(jīng)噴嘴的壓力損失，從而達(dá)到控制流體流入水平段流量的目的。

式中:f為摩阻系數(shù);d為短管直徑，m;L1為短管長(zhǎng)度，m;v為流體速度，m/s;g為重力加速度，m/s2;ρ為流體密度，g/cm3;K1為局部阻力系數(shù)。

4 實(shí)例計(jì)算

某油田計(jì)算參數(shù)如下:原油黏度為350 mPa·s，原油體積系數(shù)為1.067，儲(chǔ)層厚度為23 m，井眼半徑為0.107 9 m，水平井泄流半徑為400 m，原油密度為0.94，水平井長(zhǎng)度為500 m(均勻劃分為5段)，生產(chǎn)壓差為2 MPa。根據(jù)水平井各小層段的不同滲透率(表1)，通過(guò)公式(1)計(jì)算，得出了各小層段的原始地層流體流入量。根據(jù)上面所述方法，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2～5。

表1 水平井各段滲透率

圖2 割縫襯管控水設(shè)計(jì)結(jié)果

圖3 篩管—盲管組合控水設(shè)計(jì)結(jié)果

圖4 節(jié)流噴嘴控水設(shè)計(jì)結(jié)果

圖5 毛細(xì)管控水設(shè)計(jì)結(jié)果

通過(guò)圖2～5中調(diào)節(jié)前后各水平井小層段流量的對(duì)比，可以看出:①由于孔滲特性的差異，調(diào)節(jié)前100～200 m段地層流量很大，而200～300 m段地層流量很小(如圖2中調(diào)節(jié)前原始地層流量)，若不加控制，底水很容易從100～200 m區(qū)間的高滲透段侵入;②為了實(shí)現(xiàn)各水平段的均衡流入，需要對(duì)高滲層段進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)節(jié)，即通過(guò)割縫襯管參數(shù)、篩管－盲管長(zhǎng)度比、噴嘴直徑、毛細(xì)管直徑－長(zhǎng)度等增大高滲段的表皮或流動(dòng)阻力，達(dá)到調(diào)峰(高滲段流量)的目的;③通過(guò)均衡流入控水優(yōu)化設(shè)計(jì)后，各小層段流體的流入量差異都明顯減小，甚至沒(méi)有差異，這將大大延緩底水油藏見(jiàn)水時(shí)間;④圖5中調(diào)節(jié)后流量實(shí)現(xiàn)了均衡，但產(chǎn)量較圖4明顯降低，不利于高產(chǎn)，因此優(yōu)化調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)以不降低低滲段的產(chǎn)量作為優(yōu)化目標(biāo)之一。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于非均質(zhì)油氣藏，在分析水平井底水脊進(jìn)時(shí)，要充分考慮地層的滲透率因素，它對(duì)于底水脊進(jìn)的影響十分重要，不能忽略。

(2)通過(guò)實(shí)例計(jì)算，對(duì)于非均質(zhì)油氣藏，采用水平井均衡流入控水技術(shù)(割縫襯管、篩管－盲管組合、節(jié)流噴嘴及毛細(xì)管等技術(shù))，能顯著“均衡”地層流量，大大延緩底水油藏見(jiàn)水時(shí)間。

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Uniform inflow and water control technology for horizontal wells

YANG Zhi，HOU Pan，MA Ji– xiang，ZHAO Chun– li，ZHAO Hai － yan(Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan610500，China)

In the process of horizontal well production，edge/bottom water coning is a common issue due to varied porosity and per-meability in different intervals of horizontal wells．Based on the principle of circuit simulated regulation，4 uniform flow control elements such as slotted liner，screen －blank tubing combination，throttling nozzle and capillary as well as their optimal design have been introduced through research on the control elements on horizontal well completion pipestring to maximize production and allow uniform inflow from each horizontal interval．Design calculation indicates that the big inflow difference from each horizontal interval has been remarkably reduced or even disappeared after optimal design，thus allowing uniform advance of edge/bottom water from each sublayer or horizontal interval to prevent premature coning and delay water breakthrough in edge/bottom water reservoirs．

horizontal well;uniform inflow;bottom water;coning;water control

TE357.6

A

1006－6535(2012)01－0116－04

20110616;改回日期20111024

中海油湛江分公司科技攻關(guān)項(xiàng)目“W12－8W油田控水技術(shù)研究”(ZJ2010－035)

楊志(1967－)，男，副教授，1992年畢業(yè)于西南石油學(xué)院海洋石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事采油采氣工程及海洋油氣工程的教學(xué)和科研工作。

編輯 王 昱