考慮井下流入控制閥可靠性的智能完井數(shù)值模擬方法

尚凡杰

（中國海洋石油國際有限公司）

尚凡杰.考慮井下流入控制閥可靠性的智能完井數(shù)值模擬方法.鉆采工藝，2019，42（5）：52-55

智能完井技術(shù)是一種通過實時監(jiān)測井下信息，經(jīng)分析決策遙控油氣井最優(yōu)化生產(chǎn)的完井技術(shù)，其一方面能夠準確監(jiān)測各產(chǎn)層的流量、壓力、溫度、含水率等參數(shù)，另一方面能實現(xiàn)井下流入控制閥（以下簡稱ICV）的遠程調(diào)控，無需鋼絲作業(yè)即可實現(xiàn)油井動態(tài)的調(diào)整。特別地，由于深水油田調(diào)整余地小，開發(fā)風險高，智能完井技術(shù)的應用前景更為廣闊［1-2］。

然而，目前成熟的商業(yè)數(shù)值模擬軟件中并無專門的智能完井模塊［3］，采用等效模擬的方法難以實現(xiàn)多種智能完井策略特別是積極控制策略的模擬，無法充分體現(xiàn)智能完井的優(yōu)勢［4-8］；另一方面，從現(xiàn)場實施情況來看，智能完井設備存在可靠性不足的問題，使得人們對其實際應用效果存在疑慮［9］。在這種背景下，如何考慮ICV可靠性，實現(xiàn)智能完井技術(shù)實施效果的綜合評價是亟待解決的問題。

一、智能完井數(shù)值模擬方法

在實際操作中，智能完井有兩種控制策略［3］，第一種是“被動控制”，即當某一產(chǎn)層的含水率或者氣油比達到一定值時對相應ICV進行操作（打開／關(guān)閉或者放大／減小閥門開度），從而實現(xiàn)全井含水率或者氣油比的降低；第二種稱為“積極控制”，在油井含水率或者氣油比上升之前即開始注入井段和生產(chǎn)井段ICV的調(diào)節(jié)，形成油田全生產(chǎn)壽命的最佳ICV配置。

本文借助斯倫貝謝公司的Petrel-RE軟件和INTERSECT數(shù)值模擬器，綜合應用完井設計、高級油藏管理、不確定性與優(yōu)化、目標函數(shù)及多段井等功能，實現(xiàn)了被動控制策略和積極控制策略下的智能完井數(shù)值模擬。

1.機理模型

機理模型設計1注1采，采用注水開發(fā)，保持注采平衡；模型在縱向上可以分為3個小層，小層間存在不滲透隔層，注入井和生產(chǎn)井均進行智能完井，每小層為1個完井段，部署1個ICV；模型第2小層有兩個較為明顯的高滲層。機理模型概況見圖1。

借助Petrel-RE軟件的完井設計模塊，對注入井和生產(chǎn)井進行多段智能完井設計，為考慮ICV的部署造成的壓力損失，本文采用多段井模型進行井筒流動計算，多段井模型較常規(guī)井筒模型能夠更加準確地描述由于摩阻、加速度造成的井筒壓降［10］。完井設計示意圖見圖2。

2.數(shù)值模擬方法實現(xiàn)及結(jié)果分析

借助Petrel-RE軟件的相關(guān)功能，分別設計智能完井被動控制策略和積極控制策略下的數(shù)值模擬實現(xiàn)方案，結(jié)合機理模型，介紹其具體實現(xiàn)方法。

圖1 機理模型概況

圖2 完井設計示意圖

方案A：基礎(chǔ)方案。生產(chǎn)井含水達到90%后關(guān)井。

方案B：二級被動控制方案。將生產(chǎn)井所有ICV置于同一動態(tài)列表，將觸發(fā)條件定義為單井含水率達到90%，將該條件被觸發(fā)后的動作設置為將最差產(chǎn)層關(guān)閉。

方案C：多級被動控制方案。在該策略下設置兩級觸發(fā)條件和執(zhí)行動作：①當某一產(chǎn)層含水率達到30%時，將該產(chǎn)層對應的ICV開度調(diào)小10%，每半年執(zhí)行一次判斷；②當生產(chǎn)井單井含水率達到90%之后，將含水最高產(chǎn)層關(guān)閉。

方案D：積極控制方案。借助Petrel-RE中的不確定性與優(yōu)化模塊，以累產(chǎn)油量為目標，以不同時刻注入井和生產(chǎn)井每個ICV的開度為變量，采用進化算法多次實現(xiàn)，最終得到最佳的ICV配置方案。

不同智能完井控制策略的增油效果如表1所示。與方案A相比，智能完井方案B、C、D的累產(chǎn)油量均有不同程度的提高，其中方案B在單井含水率達到閾值后，將含水最高產(chǎn)層關(guān)閉，延長了油井壽命，提高了低含水產(chǎn)層的動用和采出程度，生產(chǎn)10年后采出程度提高8.4%；方案C通過對每個ICV開度的多級控制，實現(xiàn)更加精細的生產(chǎn)動態(tài)調(diào)整，在單一產(chǎn)層含水達到30%時即對其進行干預，通過調(diào)小ICV開度，增大該層滲流阻力，使得注入水更多地流向水淹程度較低產(chǎn)層；方案D執(zhí)行的控制策略更加積極主動，不再將單一井點處的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為ICV調(diào)節(jié)的依據(jù)，而是以油藏全生產(chǎn)周期滲流場的改善為目標，ICV的調(diào)節(jié)時間更早。模擬結(jié)果表明，該方案早期含水上升速度最慢，油井全生產(chǎn)壽命的累積產(chǎn)水量最低（累增油量略低于方案C，這與優(yōu)化算法的實現(xiàn)次數(shù)有關(guān)）。

表1 不同智能完井控制策略下增油效果

3.參數(shù)敏感性分析

采用上述智能完井數(shù)值模擬方法（僅被動控制策略），考慮儲層縱向連通情況和層間滲透率差異兩個地質(zhì)因素，進行參數(shù)敏感性分析，對不同ICV個數(shù)的智能完井增油效果進行對比，見圖3。

由圖3看出，儲層縱向連通狀況越差，層間非均質(zhì)性越強，智能完井增油效果越好，這是因為當模型縱向連通狀況較差，尤其是存在隔夾層時，層間竄流減少，更容易實現(xiàn)單層注采動態(tài)的調(diào)控；而層間非均質(zhì)性越強，注入水沿高滲層的突進就越突出，更加有利于發(fā)揮智能完井技術(shù)的優(yōu)勢。此外，ICV個數(shù)越多，油井調(diào)整的靈活性越強，但在實際油田決策中，ICV的安裝和維護成本也是需要考慮的因素。

圖3 參數(shù)敏感性分析

二、失效率模型

現(xiàn)場實踐表明，ICV在安裝和運行過程中可能因腐蝕或堵塞等問題發(fā)生故障，無法實現(xiàn)其調(diào)節(jié)功能，例如，Statoil稱其在Snorre油田B平臺安裝的36個ICV中有39%失效［3］。盡管近年來ICV的故障率有所下降，但其可靠性仍然是一個不容忽視的問題。因此，對智能完井技術(shù)的適應性進行評價，失效率是一個重要的考量因素。

本文采用工業(yè)界常用的浴盆曲線對ICV的失效率進行描述，浴盆曲線可以用Weibull分布［11］來進行描述，其表達式如下：

式中：pdf和cumpdf—分別為Weibull分布的概率密度分布函數(shù)和累積概率密度分布函數(shù)；α—尺度參數(shù)；β—形狀參數(shù)；t—時間。

圖4 ICV失效率曲線

本文采用2組分別表征早期失效期（β＜1）和耗損失效期（β＞1）的Weibull分布的組合來描述ICV的失效率，基于Al-Khelaiwi等在2008年公布的ICV安裝5年后（4%）和10年后（12%）的故障率數(shù)據(jù)［3］，對兩組Weibull分布的參數(shù)進行擬合，最終得到描述ICV失效率的浴盆曲線見圖4。

考慮ICV失效類型，對于每一個ICV，在每一年初生成一個在［0，1］內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)Probrandom，將其與上述失效率曲線中相應時刻ICV失效的概率ProbW進行對比。

（1）0≤Probrandom＜1／3 ProbW，失效類型為Ⅰ型，ICV在當前開度下遇卡，失去調(diào)節(jié)功能。

（2）1／3 ProbW≤Probrandom＜2／3 ProbW，失效類型為Ⅱ型，ICV只能保持100%開啟。

（3）2／3 ProbW≤Probrandom＜ProbW，失效類型為Ⅲ型，ICV關(guān)閉。

（4）Probrandom＞ProbW，ICV功能正常。

三、應用實例

目標油田巴西L深水油田為巨型湖相碳酸鹽巖油田，儲層非均質(zhì)性強，局部發(fā)育高滲條帶，如何在巨厚儲層、強非均質(zhì)性條件下提高水驅(qū)波及體積、提高開發(fā)效果成為L油田開發(fā)面臨的關(guān)鍵課題。鑒于積極控制策略計算量巨大且其優(yōu)越性已展示，此處僅評價被動控制策略下的智能完井增油效果。

表2 L油田智能完井增油效果

建立L油田數(shù)值模擬模型，采用注水開發(fā)，每口生產(chǎn)井部署2～3個ICV（暫僅考慮ICV在生產(chǎn)井的安裝效果），全油田共安裝19個，模擬生產(chǎn)22年。

采用第二節(jié)介紹的失效率曲線對L油田ICV的失效情況進行計算，可知在22年生產(chǎn)期內(nèi)，共有3個ICV發(fā)生Ⅰ型失效，2個ICV發(fā)生Ⅱ型失效，2個ICV發(fā)生Ⅲ型失效，總失效率36.8%。

將失效ICV在相應時刻下進行失效模式的設置，最終得到不同智能完井控制方案的模擬結(jié)果見表2及圖5，可以看出，在不考慮ICV失效的情況下，智能完井技術(shù)在L油田具有較好的增油潛力，在二級和多級被動控制策略下，智能完井方案較基礎(chǔ)方案分別提高采出程度3.5%和3.2%；但若考慮ICV的失效，智能完井方案的優(yōu)勢被大為削弱，可見ICV的失效確實是一個不容忽視的問題。

圖5 L油田智能完井增油效果（考慮ICV失效）

四、結(jié)論

（1）智能完井技術(shù)的應用能夠有效改善液流方向，提高水驅(qū)波及體積，特別在積極控制策略下，能夠?qū)崿F(xiàn)早期產(chǎn)油量的增加和產(chǎn)出水量的減少，對油田開發(fā)效果具有積極作用，體現(xiàn)油藏精細動態(tài)監(jiān)測和生產(chǎn)管理的內(nèi)涵。

（2）智能完井技術(shù)對于層間物性差異較大（特別是高滲層發(fā)育）、儲層縱向連通性較差的油藏具有較好的適應性。

（3）ICV的失效是油田現(xiàn)場實施中一個不容忽視的問題，要對智能完井技術(shù)在某油田的適應性進行評價，需從智能完井增油效果、ICV失效率、安裝成本等多方面進行綜合考慮和決策。