致密油水平井自噴階段合理工作制度研究

苗國晶（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

2013年以來，采油九廠投產(chǎn)的致密油水平井均為體積壓裂投產(chǎn)，具有水平段長、壓裂規(guī)模大等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)自噴生產(chǎn)階段裂縫不出砂、保持地層壓力、提高致密油水平井產(chǎn)量的目標(biāo)[1]，開展了自噴水平井科學(xué)生產(chǎn)制度研究。

1 自噴水平井“四階段”生產(chǎn)規(guī)律建立

通過對(duì)A 區(qū)塊6 口水平井自噴階段的生產(chǎn)壓力和產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求導(dǎo)分析[2]認(rèn)為，自噴井生產(chǎn)分為初期返排、低壓自噴、間歇自噴、下泵生產(chǎn)4 個(gè)階段。每個(gè)階段地層壓力變化不同，生產(chǎn)目標(biāo)不同，合理生產(chǎn)制度確定方法不同。

1.1 初期返排階段

通過總結(jié)致密油A 區(qū)塊6 口井自噴生產(chǎn)階段生產(chǎn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)壓裂水平井初期壓力及產(chǎn)液均會(huì)經(jīng)歷快速下降的過程[3]。例如A-平1 井，通過對(duì)初期返排段套壓與時(shí)間的變化曲線（圖1）擬合求導(dǎo)，當(dāng)時(shí)間X 為23 天時(shí)，導(dǎo)數(shù)dy 為0，壓力變化趨于平緩，此時(shí)初期返排階段結(jié)束。A區(qū)塊部分水平井初期返排階段生產(chǎn)情況見表1。

圖1 A-平1井不同自噴階段套壓與時(shí)間的變化曲線

表1 A區(qū)塊部分水平井初期返排階段生產(chǎn)情況

1.2 低壓自噴階段

低壓自噴階段壓力與產(chǎn)液下降速度緩慢，持續(xù)時(shí)間長，日產(chǎn)液均低于最大臨界排量。A-平1井低壓自噴階段套壓與時(shí)間的變化曲線見圖1，部分水平井低壓自噴階段生產(chǎn)情況見表1。

1.3 間歇自噴階段及下泵生產(chǎn)階段

間歇自噴階段油井壓力及產(chǎn)液相對(duì)低壓自噴階段進(jìn)一步降低。由圖1可知，隨著時(shí)間延長，油井壓力降到一定程度，間歇無法恢復(fù)自噴，進(jìn)入下泵生產(chǎn)階段。

2 “四階段”工作制度優(yōu)化方法

2.1 建立裂縫出砂臨界流量模型

初期返排階段管理的主要目標(biāo)為防止裂縫出砂，為此，需要建立裂縫出砂臨界流量模型[4]。

支撐劑從裂縫運(yùn)動(dòng)到井筒時(shí)存在兩種運(yùn)動(dòng)形式：一是懸浮于壓裂液中而隨壓裂液一起運(yùn)動(dòng)；二是在流體沖擊力的作用下由裂縫滾動(dòng)到井眼。兩種運(yùn)動(dòng)模式中，滾動(dòng)屬臨界條件最低的模式，故采用滾動(dòng)模式對(duì)支撐劑進(jìn)行力矩平衡力學(xué)分析。支撐劑在裂縫中受力示意圖如圖2所示。

圖2 支撐劑在裂縫中受力示意圖

當(dāng)砂粒受到的液體沖擊力矩大于啟動(dòng)力矩時(shí)，砂粒開始滾動(dòng)，此時(shí)液體流速為出砂臨界流速，即

式中：ρs為支撐劑密度，kg/m3；ρ為壓裂液密度，kg/m3；ds為支撐劑粒徑，mm；g為重力加速度，m/s2；Vc為臨界流速，m/s。

目前的英語作業(yè)評(píng)估由于種種局限，沒有得到足夠重視，學(xué)生自我反思、自我評(píng)價(jià)和進(jìn)一步改進(jìn)的空間還很狹小，學(xué)生自我反思的主動(dòng)性不高，自我評(píng)價(jià)能力不強(qiáng)，還需要老師引導(dǎo)。比如：筆者發(fā)現(xiàn)讓學(xué)生談 Do you think Beauty Salon can make people more beautiful?

同時(shí)，假設(shè)裂縫為標(biāo)準(zhǔn)矩形，支撐劑回流臨界流量可由下式求得：

式中：QC為現(xiàn)場返排量，m3/h；hf為儲(chǔ)層厚度，m；wf為裂縫寬度，m；φp為支撐剖面孔率，%；Bo為體積系數(shù)。

以A-平1井為例，根據(jù)A區(qū)塊支撐劑及裂縫參數(shù)，通過臨界流速計(jì)算公式可求得臨界出砂流速為0.06 m/s。結(jié)合該井裂縫條數(shù)、射開厚度等參數(shù)計(jì)算出臨界流量為4.9 m3/h，即壓后初期最大返排速度應(yīng)控制在118 m3/d以內(nèi)。A-平1井臨界返排計(jì)算見表2。

在明確了最大返排速度以后，需要通過油嘴來實(shí)現(xiàn)不同的井口油壓下所需的臨界流量，根據(jù)伯努利、連續(xù)性方程確定油嘴的大小。

伯努利方程：

連續(xù)性方程：

表2 A-平1井臨界返排量計(jì)算

根據(jù)以上方法，初步繪制了不同壓力與油嘴對(duì)應(yīng)排量圖版（圖3）。

圖3 不同壓力與油嘴對(duì)應(yīng)排量圖版

2.2 低壓自噴階段合理工作制度確定

在低壓自噴階段管理的主要目標(biāo)為合理利用地層能量提高采油速度。根據(jù)單井壓力情況，計(jì)算對(duì)應(yīng)的油嘴直徑，確定該階段生產(chǎn)制度。

根據(jù)工程流體力學(xué)原理[5]，當(dāng)油嘴后壓力與油嘴前壓力比小于0.5時(shí)，即嘴前壓力是嘴后壓力的2倍時(shí)，流體在油嘴處的流動(dòng)達(dá)到臨界流動(dòng)，此時(shí)流體流量只與嘴前壓力有關(guān)。

嘴前壓力Pt與油嘴流量q關(guān)系式為式

中：Pt為油嘴前壓力，MPa；Rn為變量；q為油嘴流量，m3/h；dm為油嘴直徑，m；c為常數(shù)。

由公式（5）可知，油嘴直徑確定時(shí)，油井產(chǎn)量和嘴前壓力呈線性關(guān)系，由此可得出不同直徑油嘴下壓力與產(chǎn)量變化關(guān)系圖（圖4），從而確定不同井口壓力下油嘴直徑。

2.3 間歇自噴階段合理工作制度確定

在間歇自噴階段管理的主要目標(biāo)是合理利用地層能量提高采油速度。理論分析及現(xiàn)場試驗(yàn)表明，將被動(dòng)間歇自噴轉(zhuǎn)為主動(dòng)間歇自噴可提高油井產(chǎn)量[6]，結(jié)合低壓自噴階段研究結(jié)論得出間歇自噴須滿足以下條件：24 h 內(nèi)壓力恢復(fù)拐點(diǎn)值大于2 倍回壓。

油井是否需要間歇自噴生產(chǎn)，需要通過壓力恢復(fù)速度和壓力穩(wěn)定值來確定。通過對(duì)A區(qū)塊壓力恢復(fù)試驗(yàn)得出該區(qū)塊滿足間歇自噴的條件：一是壓力恢復(fù)速度超過0.05 MPa/2 h；二是壓力穩(wěn)定值大于1.6 MPa（回壓0.8 MPa）。

圖4 不同直徑油嘴下壓力與產(chǎn)量變化關(guān)系圖

為了摸索間歇自噴生產(chǎn)制度，在A區(qū)塊開展了壓力恢復(fù)試驗(yàn)。2 口井被動(dòng)自噴與主動(dòng)自噴效果對(duì)比（表3）證明，主動(dòng)間歇自噴采油速度高于被動(dòng)間歇自噴。

2.4 下泵時(shí)機(jī)判斷

與確定間歇自噴生產(chǎn)相同，通過壓力恢復(fù)試驗(yàn)判斷油井壓力能否達(dá)到回壓的2倍，且壓力恢復(fù)速度能否超過0.05 MPa/2 h。若不能滿足以上兩個(gè)條件，該井需要下泵生產(chǎn)。由圖5可知，從壓力恢復(fù)試驗(yàn)可判斷該井此時(shí)需要下泵生產(chǎn)。

圖5 A-平4井下泵前壓力恢復(fù)曲線

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截至2019 年，在42 口致密油水平井上應(yīng)用“四階段”自噴生產(chǎn)管理制度，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)裂縫出砂。執(zhí)行間歇自噴制度的4 口井中，單井日增油5.7 t，累計(jì)少影響產(chǎn)油236.5 t，每噸原油利潤2 249 元，創(chuàng)效益53.18萬元。

表3 2口井被動(dòng)自噴與主動(dòng)自噴效果對(duì)比

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）分四個(gè)階段確定壓裂水平井合理自噴工作制度，為科學(xué)指導(dǎo)大規(guī)模壓裂水平井自噴生產(chǎn)管理提供了理論基礎(chǔ)。

2）根據(jù)裂縫出砂模型及工程流體力學(xué)計(jì)算合理的初期返排和低壓自噴階段的油嘴大小，能夠?qū)崿F(xiàn)壓裂水平井自噴階段不出砂和保持地層能量的同時(shí)提高采油速度的開發(fā)目標(biāo)。

3）通過壓力恢復(fù)試驗(yàn)法確定的下泵條件，為及時(shí)安全下泵提供了現(xiàn)場指導(dǎo)。