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2008年8月4日 ⁄ 暗潮 开发采油 ⁄ 评论数 0+ ⁄ 被围观 +

摘要:总结了分支水平井的主要类型,综述了分支水平井的技术现状和进展;分析了其渗流机理及特点,并与直井进行了分析对比;指出分支水平井的典型应用条件及其潜在的经济效益。产能和压力动态一直是分支水平井研究的热点问题,本文调研了国内外研究产能和压力动态的主要方法及其核心思想,并分析了其各自的优缺点。
关键词:分支水平井;技术现状和进展;特点;应用条件;产能;压力动态
引 言
分支水平井技术是通过增大油气藏的泄油面积来提高油气井产量,以提高油气田开发经济效益效益的一项开发技术,是未来油气藏开发的主要发展方向。该技术亦可应用于水文、环保等其它领域,发展前景十分广阔。其应用与发展不仅会带来显著的经济效益和社会效益,而且具有重要的科学研究意义[1 ] 。
分支水平井是由1 个主井眼和2 个或2 个以上的分支水平井眼所组成的,是复杂结构井的一种,能使多个储层泄油。目前所钻的分支水平井主要有2 种:一种是以某种类型分支水平井为完井目的的新钻井;另一种是从现有井中侧钻分支水平井[2 ] 。从井眼轨迹可划分为栈式分支水平井、音叉式分支水平井、欧翅式分支水平井、鱼骨式分支水平井等10 种类型。还可分为平面分支水平井和空间分支水平井(多底井) 。
1  分支水平井技术现状和进展
20 世纪40~70 年代,美国和前苏联等国钻了一批水平井试验井。70 年代后,美国、加拿大、法国等国开展了水平井开发油气藏的研究,进入80年代,此项技术才开始大规模工业化推广应用。截至2000 年底,全世界已钻水平井4 000 余口。目前,全世界已完钻水平井20000 余口,主要分布在美国、加拿大、俄罗斯等70 多个国家和地区[3 ] 。
我国最早于1965 年在四川碳酸盐岩中尝试钻了2 口水平井,未取得应有的效益。直到1988 年,首先在南海完钻LH1 - 1 - 6 水平井,目前大庆、胜利、辽河等各大油田都钻有一批水平井。20 世纪30 年代,前苏联工程师格里高杨提出并发展了分支井理论。第1 批多分支井开始于前苏联的俄罗斯和乌克兰地区,第2 批多分支井于1968 年开钻于前苏联的东西伯利亚地区。1995 年以后,随着水平井完井技术的发展和三维地震技术的普及,多分支井技术得到了迅速发展。
前苏联的水平井钻井技术就主要表现在钻分支水平井方面。早在20 世纪50 年代,前苏联曾利
用涡轮钻具钻成1 口10 翼分支井,该井投产后原油产量增加17 倍。到1975 年前苏联共钻了30 多口分支水平井,截至1990 年,共钻了111 口井(其中57 口开发井、36 口探井、8 口救险井以及10 口注入井) 。而美国和其它国家的分支水平井技术发展于20 世纪90 年代,但其发展速度很快。
2  分支水平井的特点
与直井相比,分支水平井并未改变油气渗流的机理,油气藏渗流也遵循着同样的方程。但是,它却引起了储层流体流入流出条件的变化,因此,二者的流场是不同的: 一般直井的近井流场是圆柱面,而分支水平井水平段的流场是长椭球体[4 ] 。
分支水平井兼有水平井和多分支井的双重优点。
由于其完井层段长,井筒裸露面积大,因此,作为生产井,分支水平井可以提高油井产能;作为注入井,分支水平井能够增加注入流体的波及体积, 并且可以延伸至油层深处。沿水平方向压力损失减少,能够充分利用储层的垂向渗透率。虽然分支水平井本身不能提供任何辅助能量以供开采,但是它可以提高地层能量的利用率。由于其近井区内压力分布平缓,储层因压敏而产生的伤害比较轻。
除此之外, 分支水平井还具有其它特殊的用途。例如,它可以降低非均质地层中的经济风险, 降低单位技术成本,提高低渗透油藏的采收率,作为加密井可以大幅度提高产量等等。从工程方面讲,分支水平井可以节省井场占地、钻机搬迁安装、主井眼的重复钻进和下套管、废弃钻井液及岩屑处
随着分支水平井技术的不断完善及井下工具的不断开发,它几乎可以用于开发所有的油气藏。
4  分支水平井的产能研究
最早研究分支水平井产能计算问题的是原苏联的Табаков(在20 世纪60 年代初就已提出) 。其关于分支水平井的研究结果曾为Борисов采用,后来又为美国的Joshi 所采用,并得到广泛的认可。然而, Табаков的公式存在明显的矛盾: Табаков在公式的推导中,对于1、2 条分支水平井的情况,假设导流能力无限大(即井内各点压力相等) ,而对于3、4 条分支水平井则假设流量均匀分布,然后用势的叠加原理导出。Joshi 的公式也没有注意到均匀流量和导流能力无限大的区别[5 ] 。
关于早期无限导流能力产能的计算,需要下列假设:稳态等温流动且流量均匀分布。对于均质各向同性油藏, Giger 公式、Borisov 公式、Giger ReissJourdan 公式、Renard 公式、Dupuy 公式、Joshi 公式等都是比较适用的。Joshi 又针对非均质油藏引入了修正系数(采用有效渗透率) ,推广了公式的应用范围。
针对水平井段不同完井方式(如裸眼完井、割缝衬管完井、射孔完井、绕丝筛管完井、裸眼井下砾石充填完井等) 及完井参数和地层损害的影响,许多学者对其产能预测的数学模型进行了相关研究,得到了不同条件下的产能公式。
李汤玉等[6 ] 根据Borisov 提出的等值渗流阻力的概念,把水平井的流动阻力分为2 部分:一部分为液体有供油边界流向通过水平井的假想的垂直裂缝的阻力,称为外阻;另一部分是油井本身的内阻,即井周围以一个假想供给边缘向井底的流动。然后,通过一系列的保角变换,将内含裂缝的角形域变为一圆域的单直井,再求其产量。并指出:增加分支水平井井筒数可以增加产量,但井筒数需要优化;一口长水平井比总长与之相等的分支水平井的效果要好。该公式优点是假设条件比较少,便于实际油藏工程应用。
程林松等[7 ] 综合应用数学分析方法(保角变换、镜像反演、叠加原理、等值渗流阻力) 和物理模拟方法(电解模型) 对分支水平井稳定渗流进行了较系统的研究,采用拟三维求解思想及基本渗流规律推导了分支水平井的流场分布和产能计算公式。并采用电解模型试验装置对其进行实验研究,并指出了影响水平井产能的因素:水平井长度、地层厚度、井筒数、地层非均质性以及油井的位置等。分支水平井产量随井筒长度增加而增加,并且增长幅度越来越大;薄油层更有利于水平井产能的提高,分支水平井的合理井筒数应是2~4 支;地层非均质性对分支水平井产能的影响会随井筒数的减少而增大;油井位置对产能的影响也会随井筒数的减少而增大。
应用替代比的概念,利用直井产能评价结果进行分支水平井产能评价。替代比定义为在总产量和总控制面积相同的条件下,所需直井数与所需水平井井数的比值。这种方法与其它方法相比,更符合油田生产的实际。
井筒管流与油藏渗流耦合的产能分析模型[8 ] :沿水平井筒的指端到水平井筒的根端,流体质量逐渐增加(即变质量流) 。流体变质量流入水平井段的方式大致分以下几种:沿井筒压力均匀一致,均匀流入井筒;沿流入方向流入量增加;沿流入方向流入量减少等。耦合模型是复杂的非线性方程组,故一般采用牛顿迭代法求解。
对分支水平井段钻穿多条裂缝的情形,利用复位势理论和叠加原理所提出的无因次压裂水平井的产能公式存在很大的缺陷:产能将会随着裂缝条数奇偶的变化而产生间隔性跳跃,并且这种方法假定每条裂缝的产量相等,有较大的计算误差。之后,许多学者分别用2 种方法对其进行了修改。第1 种,设所有裂缝底部的压力都等于井底压力,产量为全部裂缝产量的总和,所得到的理想公式得出一些有益的结论:水平段所穿越的裂缝最优条数是3~5 条;水平井段中点处的裂缝产能最低,向两端逐渐增大;靠提高裂缝长度来大幅度增产在经济上是不可行的等。第2 种,将摩擦压力降的计算式和加速压力降的计算式与前者理想公式三者结合,得到实际生产公式,该公式指出:在靠近分支水平井水平段指端处,压力变化较小;越靠近根端的地方,压力变化越大。
5  分支水平井的压力动态分析
压力动态的研究属于试井分析的范畴,是油藏工程的重要组成部分,也是评价油气田开发动态的主要技术手段和基础工作之一。它对于准确认识油藏、合理开发油藏和有效地经营油藏都起着关键性作用。
分支水平井压力动态分析的核心内容是:寻求分支水平井源与多孔介质中的压力场在以怎样的方式进行着相互影响和相互作用,并将这种影响方式用数学语言进行描述,所得到的理论规律对油藏工程实践又起着怎样的指导作用。
孔祥言等[9 ] 对各向异性地层中分支水平井的瞬变压力行为和现代试井解释方法进行了研究。他考虑了井筒存储效应和表皮因子的影响,首先利用坐标旋转导出无限大平面上任意方向一个线段源的瞬时源函数,然后通过叠加原理给出任意多个线段源(其延长线均通过坐标原点) 各向异性的瞬时源函数。根据Newman 乘积原理得出一般情形分支水平井的Green 函数[10 ,11 ] ,进一步给出了实空间和拉氏空间中无量纲压力的解析表达式,还绘制了样板曲线。最后给出了分支水平井试井解释的方法步骤。所得到的结果对于任意夹角断层中存在单个水平井的情形同样适用,因为分支水平井在一定条件下与尖角内单个水平井是等价的,这些条件是尖角内实井和镜像井的总数目与分支水平井的分支数目相等,相应的夹角、井长、井位相同,尖角内水平井轴应通过该角的顶点。
刘慈群、王晓冬等[12] 对均质各向异性油藏中任意分支水平井的三维不定常渗流进行了研究,采用汇源积分的方法得到平面上均匀分布的任意分支水平井的压力分布通式。并利用Duhamel 褶积及Laplace 数值正、反变换方法[13 ] 获得分支水平井产量和累计产量弹性特征曲线。最后指出:多分支水平井的压力曲线族在中后期的变化趋势反映该地层中发生了平面径向流,而对应的压力导数曲线族在相应处提升的程度趋近于分支数的一半,分支水平段的井长影响曲线族水平段的位置和对应各个流态特征曲线的出现与消失。
多分支水平井合理井底流压和最佳产量的协调是实际生产中首要关心的问题, 压力的系统分析[ 14 ,15 ] 是解决两者最佳协调关系的主要手段。程林松等基于井筒流体流动与管路液体流动的流动相似性,并综合考虑了不同完井方式下地层渗流、水平段变质量管流、弯曲段和垂直段多相管流之间的耦合作用,采用整体压力分析方法建立了不同完井方式下多分支水平井地层渗流与变质量管流耦合模型[16~18 ] 。该模型可求解多分支水平井在考虑各分支间在主井眼井底相互干扰的情况下的协调产量、协调流压,以及各分支在协调点的产量贡献和各分支水平段沿程压力分布、产量分布。作为从整体系统的角度对油井压力系统进行分析的节点分析方法也逐渐在石油研究领域推广应用。
该方法的核心思想是:采用节点分析方法,将主井眼井底作为求解节点,通过节点将从油藏到井口所构成的整个油井压力系统划分为相关的独立段:各分支水平段、各分支弯曲段、各分支垂直段、主井眼段。分段进行压力损失计算,建立多分支水平井压力系统分析模型,提出相应的求解方法,最后在求解节点处(主井眼井底) 绘出该点流体流入和流出特性曲线,从而得到协调点(临界点) 的流动压力和对应产量。在水平段计算时,将水平段视为无数段微小线汇,每一微元线汇近似为等质量流, 整个水平段则为流量逐渐增加的变质量流。需要考虑水平段的压降损失。刘想平等提出了流动关系式。在弯曲段的计算时,参照钻井工程对水平井曲率半径的划分标准,相应地将分支井眼弯曲段的压降计算划分为短-超短曲率半径、中曲率半径及大曲率半径3 种情况。结合工程用最佳平方逼近和非线性方程组解法等数学方法,借鉴工程流体力学多管汇流及管路阀件损失相关理论建立多分支井眼在主井眼井底汇流的计算模型。节点汇流模型需要假设:求解节点处各分支井眼多相流处理为均相流即不考虑混相损失;假设各分支井眼流体从主井底汇流前到汇流后的温度变化为瞬态变化(即温度变化瞬间完成,与汇流的过程无关) ,求解节点处的各分支井眼的汇流近视为等温下的流动;假设各分支井眼在求解节点处的汇流为点汇流。即忽略求解节点处汇流前后流动长度上的压差损失;假定各分支均无回灌现象。
6  结束语
用分支水平井开发变异介质油藏(双重、多重、变形、非均质、分形、网络介质、低渗介质等) 、复杂流体分支水平井渗流理论以及分支水平井与直井的联合三维井网渗流理论等油田开发基础理论已露端倪。众所周知,随着油田的进一步开发,提高采收率并降低油田开发综合成本将成为主要的研究课题。由于分支水平井具有直井所不能代替的优势和潜力,其应用范围势必日益广泛,与之配套的各种技术也必将取得日新月异的发展。(作者:郝明强,李树铁等)

 
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