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1、砂岩油藏水平井射孔参数优化研究与应用编写：唐海军 徐贵春参加：李汉周 段志刚 唐礼骅 石油工程技术研究院2010 年 3 月目 录1 水平井射孔参数优化研究 .11.1 水平井射孔完井产能评价研究 .11.1.1 油藏三维渗流与压力响应模型 .11.1.2 水平井筒多相流压力梯度模型 .21.1.3 水平井油藏与井筒耦合模型 .31.2 水平井射孔参数优化设计方法 .42 现场应用及效果 .52.1 水平井的射孔参数优化设计过程 .52.2 效果分析 .83 结论与认识 .101砂岩油藏水平井射孔参数优化研究与应用摘要：水平井水平段流入剖面均一是水平井射孔参数优化设计的最终目的。本文针对砂岩油
2、藏套管完井的水平井，引入半解析法，建立了油藏渗流和井筒流动耦合求解的水平井产能评价模型，为射孔参数优化设计提供科学的理论依据。在此基 础之上提出了系 统的水平井射孔参数优化技术，使油井水平段均匀流入，达到提高低渗透段的动用程度，延 缓 底水脊进的作用，最终提高单井采收率的目的。关键词：射孔 水平井 参数优化 产能评价 耦合水平井可以增大油气井与储层的接触面积，有效提高单井产能。但是，水平井的流动有其特殊性：一方面实际油藏为不稳定渗流过程，流体向水平井筒的渗流呈三维形式，而非平面径向流；另一方面水平井筒中的流体流动是一种变质量流，受重力、加速度、摩擦阻力等因素的影响，存在不可忽视的井筒压降，井筒
3、流入剖面不均匀。尤其是对于套管射孔完井的水平井，不同的射孔参数对水平井的三维渗流场是显著不同的，因此本文引入半解析法，通过建立井筒单元段上的油藏渗流模型和井筒流动压力损失模型，将油藏渗流与井筒流动进行耦合，计算水平井射孔完井的产能。并在此基础之上进行了系统的水平井射孔参数的优化，使油井水平段流入剖面相对均一，达到提高低渗透段的动用程度，延缓底水脊进的作用，最终提高单井采收率的目的。1 水平井射孔参数优化研究1.1 水平井射孔完井产能评价研究目前，水平井产能研究方法主要有解析法和模拟法。解析法因其形式简单、计算所需参数少、计算量小的优势而被广泛应用于水平井的产能预测，如稳态流的Borisov、G
4、iger 、Giger-Reiss-Jourdan、Renard-Dupuy、Joshi 方法等以及拟稳态流的Mutalik、Kuchuk 、Babu-Odeh、和 Helmy-Wattenbarger 模型等，但都没有考虑多相流、水平段压降以及完井参数等因素的影响。数值模拟法也得到一定的应用，虽然考虑了多项流动和钻井污染的影响，但没考虑完井参数等因素的影响。为此提出了采用半解析方法，通过建立井筒单元段上的油藏渗流模型和井筒流动压力损失模型，将油藏渗流与井筒流动进行耦合，计算水平井射孔完井的产能。1.1.1 油藏三维渗流与压力响应模型假设孔隙介质油藏，流体微可压缩，三维不稳定渗流偏微分方程为：
5、 (1)+yx ztkkppkpC其中： 为流体压缩系数，MPa -1； 为时间，h； 为孔隙度，小数tCt2考虑水平、等厚、上下封闭的无限大、各向异性的油藏物理模型，将水平井视为线源井，利用 Ozkan 和 Raghavan 提出的方法，即格林函数点源解，将每个孔眼看作是连续的线源，油藏中某点的压力响应都是由于很多线源孔眼的连续产液所引起的，最后通过点源积分获得水平井三维渗流压力响应解析模型。水平井流动三维点源解得到的井筒处压力降落为：(2)n=11842()=()+2()()()pz DwDoxy,Doxy,Dn.qsk zzKRsKRcscosnh h取 为平均渗透率，k； ； ； ；
6、， ；3zyxLDyLzDzkhLD；2znkh2,xyR其中：s 为 Laplace 变量； 为流体粘度，mPas ；L 为水平井长度，m； 为 h油藏有效厚度，m； 为单孔流量，m 3/s； 为 0 阶第二类修正 Bessel 函数。sqOK为不失一般性，油藏中任意点 M 的压力计算模型可表示为：(3)(,)(,)(,)ipxyzpxytqFxyzt式中，P i表示油藏压力， q 表示流量，F(x ， y， z， t)是关于单位源密度格林函数。根据具体的边界条件和叠加原理，便可以得出任意时刻油藏中任意点的压力响应 P(t)。1.1.2 水平井筒多相流压力梯度模型在水平井开采中，井筒沿程有流
7、体不断地流入，使得水平井筒中的流动成为一种沿流动方向流量逐渐增加的变质量流动，因此，井筒模型中需考虑流体变质量流、摩阻、动量变化、重力作用以及井筒壁面流入的混合干扰等因素，即：(4)afrgxdp常见的气液两相水平管流压力计算模型有 Beggs-Brill 模型，该模型主要特点是使用简单，但对水平管流的流态描述不够精确。因此，根据水平管流最新研究结果，气液两相流动的流态可划分为分层流、环流、间隔流和分散泡流，不同流态下有其对应的压力计算模型。由于水平井孔眼的存在及井筒变质量流，其粗糙度比常规水平管的粗糙度大得多，因此常规的管流摩阻因素关系式不能直接用于水平井压降的计算。考虑不同完井几何参数（如
8、孔眼、孔密及布孔格式）对表观摩阻系数的影响，水平井井筒侧流的摩阻系数可用下式计算： 3(5) hcinb qkmdCaNf241Re其中：a，b， C 是经验常数； 是雷诺数； 是每个孔眼的流量与平均主ehcinq流量之比； 为射孔密度； 是井筒直径，m。kmd1.1.3 水平井油藏与井筒耦合模型虽然油藏流入井筒各点流量不同，但可以将水平井分成很多小井段单元，每一井段单元内的各点从油藏流入井筒流量假定为相同，当分段数目越大，这一假设越接近实际情况。计算出单元段的连续生产引起的油藏中各点的压力降落，并在时间和空间上利用叠加原理计算出整个井筒生产引起油藏任意点的压力降落。1.1.3.1 渗流与井筒
9、压力模型的耦合及求解将水平井筒离散为 nseg个井筒单元段，第一段表示水平井的根端，最后一段表示水平井趾端，第 k 井筒单元段中点的油藏砂面压力表示为 Pk，单元段平均油藏流入流量为 qk。相应地，第 k 井筒单元段水平井筒内的流量为 qw,k，水平井筒单元段中点的压力为 Pw,k。那么整个系统的未知量 4nseg个，其中包括 nseg个井段单元对应的油藏砂面压力（P 1，P 2，P nseg） 、n seg个井段单元对应的井筒内压力（P w,1，P w,2，P w,nseg） ，nseg个井段单元对应的油藏流入井筒流量（q 1，q 2，q nseg） ，n seg个井段单元中点对应的井筒内流
10、量（q w,1，q w,2，q w,nseg） ，因此，要求解出 4nseg个未知量，则需要4nseg个方程。图 1 水平井筒分段流入示意图（1）物质平衡方程。流体从油藏流入井筒流量和井筒内个点流量满足：流出单元段的流量= 从油藏流入单元流量+ 从井筒流入单元的流量。即从水平井筒趾端开始（第nseg 单元段开始） ，可以写出 nseg 个物质平衡方程：(6)1, kwkwqq1,2segn（2）油藏和井筒压力连续性方程。为了保证一维井筒动量平衡方程的连续性和求解稳定性，一般忽略了从油藏砂面节点流入到井筒中心节点的压力损耗，于是可建立nseg 个节点压力连续性方程，表示为：(7), 1,2wk
11、segpn（3）油藏渗流压力响应方程。在任意时间t 时，水平井井筒 k 单元中点处砂面的压力降落可表示为第 k 井段单元和其他井段单元以各自的产量生产时引起的第 k 单元4井段中点处对应油藏砂面的压力降落，可建立 n 个方程。(8)1,2, ,()()()segsekkknkpqFttqFt(9)ttp segseknik ,2, segn,21（4）井筒多相流压力降方程。对于井筒内的任意管段单元 k，其入口压力相当于第 k+1 单元段出口压力，出口压力则相当于第 k-1 单元管段的入口压力，因此，对于nseg 个井段单元的水平井筒，可以得到 nseg-1 个压力降落方程：(10)kkkwki
12、nkw p 22211, 1,2segn式中， 表示单元管段 k 入口处压力， 为第 k 单元井段的多相管流压力梯度。i（5）油藏与井筒耦合方程的求解。前面共得到 4nseg-1 个方程，再考虑水平井定压或定产量生产，即 或 ，则得到一个非线性方程组。 1,min0wfpmax1segnikqQ1.1.3.2 瞬时流动下的压力响应对于水平井瞬时流动，时间不同油藏通过单元井段 k 的产出量不同，因此对于瞬时流动模型必须分时间步长进行迭代求解，通过叠加原理来计算油藏中某点压力降落。当 t=nt 时，在第 m 单元节点砂面处引起的压力响应方程如下：(11)1, ,1()()segnnk jkmjpq
13、FtqFnjt (12)() 21j k segjt 1.2 水平井射孔参数优化设计方法江苏油田原有的水平井射孔参数优化设计方法经验化成分较强、设计参数面窄、设计目的单一，射孔参数的选择主要以沟通储层为主，未立足油井的长效开发。因此在水平井射孔完井产能评价模型研究的基础上，提出了更为系统的水平井射孔设计方法，优化产液剖面，以实现控水增产的目的。为了明确射孔参数的功能和用途，把射孔参数分为三类：射孔器材参数：实施射孔作业所选的枪型和弹型。不同的射孔枪有不同的孔密、布孔方式、相位参数，不同的射孔弹会产生不同的孔深、孔径射孔压实程度和厚度，枪弹参数对油油井的产能有较大的影响。这些参数主要是根据储层特
14、征、钻井情况、测井解释等基础数据，进行污染评价、射孔枪弹校正、产率比的分析，最终选择合理的射孔枪弹。5射孔位置参数：相同的射孔枪弹，射孔位置不同，产率比不同；打开程度不同，产率比也不同；射孔方位不同，产率比也不同，即孔眼分布参数直接影响射孔水平井的产能。射孔方位主要分螺旋全方位射孔和定向射孔。该类射孔参数根据实际钻井情况，在考虑油井的合理产能、控制底水脊进、节约射孔成本等因素的基础上合理选择。射孔工艺参数：实施射孔时的射孔压差和射孔液。对于地层压力较高或气油比较大的油藏一般选择常压射孔，而对于地层压力、气油比较低及污染严重的井一般选择负压射孔，射孔液种类一般由地层配物性试验决定。射孔参数优化设计是根据具体的储层流体特征、井身结构、测井解释等，通过污染评价和射孔枪弹校正，进行射孔参数的初选、打开位置和打开程度的优化，在有效穿透污染带和套降系数允许范围内选择最大产能下射孔参数，并通过模拟不同水
