數(shù)值模擬技術(shù)定量評(píng)價(jià)固井質(zhì)量對(duì)底水氣藏開發(fā)的影響

周小涪 魯瑞彬 林怡菲

中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057

0 引言

近年來海上油氣田勘探開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向深水，將探井轉(zhuǎn)為開發(fā)井能有效降低成本，但是如果探井固井質(zhì)量不好就會(huì)對(duì)開發(fā)方案造成非常嚴(yán)重的影響，特別是對(duì)于底水氣藏多層合采的情況。目前國內(nèi)外研究主要是針對(duì)如何評(píng)價(jià)固井質(zhì)量以及相關(guān)方法的改進(jìn)[1-2]，沒有將測(cè)井評(píng)價(jià)結(jié)果很好地與油藏專業(yè)相結(jié)合，并用來指導(dǎo)開發(fā)方案的優(yōu)化。針對(duì)因固井質(zhì)量差造成的復(fù)雜管外竄流，以及對(duì)開發(fā)方案的影響和優(yōu)化問題，本文提出了一種解決方案。

1 等效井模擬評(píng)價(jià)水竄影響

一般氣藏開發(fā)面臨的最大難題就是氣井見水，氣井見水后又很難找到有效的解決措施，面對(duì)復(fù)雜的地下條件，找準(zhǔn)水竄路徑，分析水竄影響對(duì)于氣田開發(fā)來說尤為重要[3-10]。對(duì)于底水氣藏多層合采，如果一旦出現(xiàn)固井質(zhì)量不好，那么水就會(huì)沿著套管外的縫隙竄到開發(fā)的氣層，從而造成氣藏水淹，嚴(yán)重影響開發(fā)效果。

如何來評(píng)價(jià)管外水竄對(duì)開發(fā)的影響？通常會(huì)將竄流的縫隙等效為1口小尺寸的井，模擬地層水在層與層之間的竄流，通過改變管徑和表皮可以模擬不同的流通條件，修改射孔層位可以模擬不同的竄流層位，從而達(dá)到定量評(píng)價(jià)水竄影響的效果（表1、圖1）。但是，將未固好井段的流態(tài)進(jìn)行等效井模擬只能反映完全的管流，而實(shí)際情況并非如此，有些層段的流態(tài)可能介于滲流與管流之間，那么如何分析才能與實(shí)際情況更為接近，就需要等效網(wǎng)格的評(píng)價(jià)方法，也涉及管流滲流相統(tǒng)一原理。

表1 不同因素對(duì)水竄量影響的程度展示表

圖1 底水氣藏合采井管外竄流示意圖

2 固井質(zhì)量定量表征方法

2.1 管流滲流相統(tǒng)一原理

通常認(rèn)為管流與滲流是完全不同的兩種流態(tài)，管流是指在單根“管子”中的流動(dòng)，而滲流則是在地下多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，如何能將兩者統(tǒng)一起來，可以通過反映兩種流態(tài)的公式來進(jìn)行轉(zhuǎn)化[11]。

一根“管子”中的流動(dòng)滿足Poiseulle定律，即

式中q表示“管子”的流量，m3/s；r表示“管子”的半徑，m；Δp表示“管子”兩端的壓差，即流動(dòng)壓差，Pa；μ表示流體的黏度，Pa·s；ΔL表示“管子”的長(zhǎng)度，m。

如果不是單根“管子”，而是一束“管子”，多根“管子”中的流動(dòng)同樣滿足Poiseulle定律，即

式中n表示“管子”的面密度，m-2；A表示橫截面積，m2；τ表示管子”的迂曲度。

而地下流體在層流的狀態(tài)下，多孔介質(zhì)中的流動(dòng)滿足Darcy定律，即

式中K表示介質(zhì)滲透率，m2。

引入Kozeny-Carman方程可以將滲透率表示為：

式中φ表示單位巖石外觀體積中的孔隙體積，即

將（5）式代入（4）式，再代入達(dá)西定律就可以得到管流的表達(dá)式，即公式（2），由此證明了管流與滲流相統(tǒng)一。

在流量相同的基礎(chǔ)上，可以將某一大小管徑的管流轉(zhuǎn)化為某一確定滲透率的滲流，即

將式（6）進(jìn)行化簡(jiǎn)，其中A管=πr2管，則滲透率的表達(dá)式為：

式中A管表示管流的橫截面積，m2；A滲表示滲流的橫截面積，m2。

2.2 定量表征方法

礦場(chǎng)上通常采用聲幅測(cè)井來評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，將聲幅曲線轉(zhuǎn)換為相對(duì)幅度，即

式中C表示相對(duì)幅度百分比；V表示目的井段聲幅值，cm；Vfp表示自由套管聲幅值，cm。

國內(nèi)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為：C≤15%，膠結(jié)好；15%＜C≤30%，膠結(jié)中等（合格）；C＞30%，膠結(jié)差（不合格）；當(dāng)C=100%時(shí)也就是自由套管，此時(shí)管外竄流屬于完全的管流，即A管=A滲，根據(jù)公式（7）可計(jì)算出該管流條件下某一確定滲流面積下對(duì)應(yīng)的滲流滲透率。比如管徑為10 mm，滲流區(qū)域網(wǎng)格徑向半徑，即滲流的橫截面積為5 m，那么就可以根據(jù)不同的C值采用線性插值法將其定量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的滲流條件下的滲透率（表2、圖2）。

表2 聲幅測(cè)井值轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格滲透率展示表

圖2 聲幅測(cè)井值轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格滲透率值圖

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用LGR徑向網(wǎng)格加密方法，在近井地帶將井周圍的滲透率設(shè)置為由管流換算的滲透率值，就可以等效代替管外竄流的一種方法（圖3），圓柱中心紅色區(qū)域?yàn)樵O(shè)置的高滲流通道，也就是管外竄自由套管的位置。從而通過滲透率對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行了定量化表征，以此來反應(yīng)不同的管外竄流情況，這樣就形成了等效網(wǎng)格的模擬評(píng)價(jià)方法，既可以模擬完全的管流，還能模擬完全的滲流，或者是介于兩者之間的一些流通情況，適用性得到了極大的提升。

圖3 聲幅測(cè)井值轉(zhuǎn)換為滲透率值網(wǎng)格示意圖

3 水竄結(jié)果分析方法與實(shí)例應(yīng)用

目前常規(guī)的數(shù)值模擬結(jié)果并不能直觀反映各個(gè)時(shí)刻各個(gè)氣組水竄量的大小，因此必須找到一種方法能夠時(shí)刻表征各個(gè)氣組水竄的動(dòng)態(tài)，從而對(duì)井型井位的優(yōu)化起到指導(dǎo)作用。某深水大氣田L(fēng)-4井區(qū)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ氣組都是底水氣藏，采用1口定向井進(jìn)行合采，該定向井是由探井轉(zhuǎn)為的開發(fā)井，結(jié)合固井質(zhì)量測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)部分層段固井質(zhì)量較差，需要考慮管外水竄的影響。用該井區(qū)的模擬基礎(chǔ)參數(shù)及固井質(zhì)量測(cè)試結(jié)果（表3、表4）來建立等效網(wǎng)格模擬水竄通道。

表3 模擬區(qū)域基本參數(shù)表

表4 固井質(zhì)量測(cè)井結(jié)果表

示蹤劑能夠清楚反應(yīng)水竄來源，是一種比較常用的數(shù)值模擬方法，不同顏色代表地層水來源不同（圖4）?？梢酝ㄟ^示蹤劑產(chǎn)出濃度對(duì)比出各個(gè)氣組水竄量的大小，但對(duì)于水的走向，水竄路徑的反應(yīng)還是不夠直觀，因此再引入另外一種數(shù)模方法——流線模型，流線模型可以很清晰地反映出水線的走向。當(dāng)然也可以同時(shí)添加示蹤劑和采用流線模擬，這樣就既能知道各個(gè)氣組水竄量的大小，還可以清楚直觀地觀看水的走向，進(jìn)而可以比較有針對(duì)性地進(jìn)行方案優(yōu)化。

圖4 不同示蹤劑反映水竄來源圖

采用等效網(wǎng)格評(píng)價(jià)方法結(jié)合流線數(shù)值模擬方法進(jìn)行水線分布形態(tài)模擬[12-16]，從而可以進(jìn)行井位優(yōu)化避開較易水竄位置；應(yīng)用虛擬示蹤劑方法[17-20]，模擬分析水竄來源（圖5），進(jìn)行井型或井?dāng)?shù)優(yōu)化，降低水竄風(fēng)險(xiǎn)。這樣綜合水竄結(jié)果進(jìn)行分析，在開發(fā)方案優(yōu)化時(shí)考慮儲(chǔ)層含氣性、有效厚度、隔夾層位置、疊合性、內(nèi)邊界等因素，從井型、井位、井?dāng)?shù)3個(gè)方面逐步進(jìn)行優(yōu)化研究（表5）。通過方案比選最終采用井型優(yōu)化方案，將1口直井優(yōu)化為水平井，該方案很好地防止了底水過快錐進(jìn)，開發(fā)效果最好，L-4井區(qū)各氣組合計(jì)采收率達(dá)到53.69%，相比于優(yōu)化前采收率提高8%。該方案相比于井位優(yōu)化或井?dāng)?shù)優(yōu)化采收率提高效果最明顯，有效降低了固井質(zhì)量差導(dǎo)致的水竄對(duì)開發(fā)的影響。

表5 不同優(yōu)化方案指標(biāo)對(duì)比

圖5 各個(gè)氣組水相示蹤劑產(chǎn)出濃度圖

4 結(jié)論

1）應(yīng)用滲流與管流相統(tǒng)一的原理建立等效網(wǎng)格定量表征固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，該方法不僅可以模擬管流、滲流情況下的管外竄流，而且還能模擬介于這兩種流動(dòng)狀態(tài)間的流態(tài)，更符合實(shí)際。

2）綜合運(yùn)用徑向網(wǎng)格加密、虛擬示蹤劑、流線模型等數(shù)模技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜水竄的時(shí)變表征，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行井型井位優(yōu)化，解決固井質(zhì)量不好對(duì)開發(fā)影響的分析，結(jié)果表明該方法對(duì)底水氣藏開發(fā)方案調(diào)整及后期動(dòng)態(tài)分析有一定的指導(dǎo)意義。