羽狀分支水平井結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 洪 何愛(ài)國(guó)

(1. 中國(guó)石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249;2. 中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院, 北京 100097)

羽狀分支水平井技術(shù)是一種新型鉆井技術(shù), 適合于開(kāi)采高煤階低滲透煤層中的煤層氣, 集鉆井、完井與增產(chǎn)措施于一體, 其鉆井結(jié)構(gòu)與產(chǎn)能關(guān)系密切, 多分支水平井井結(jié)構(gòu)主要包括鉆井長(zhǎng)度 (主支及分支) 、分支數(shù)、分支角度及分支間距等。選擇最合適的分支長(zhǎng)度、角度、分支間距, 可以最大限度發(fā)揮羽狀分支水平井的產(chǎn)能潛力。

1 參數(shù)優(yōu)化

1．1 鉆井長(zhǎng)度

對(duì)于羽狀水平井, 由于分支數(shù)較多, 且分支之間需要保持一定的分支間距, 相比簡(jiǎn)單水平井, 其主支長(zhǎng)度需要增加。圖1 至圖2 利用ECLIPSE 煤層氣模塊模擬了不同長(zhǎng)度主支產(chǎn)氣量及每米進(jìn)尺產(chǎn)氣量, 考慮到簡(jiǎn)單水平井與羽狀水平井主分支所起的作用都是產(chǎn)氣的主通道, 具有相似的滲濾及產(chǎn)氣功能, 而若按羽狀水平井模擬, 主支長(zhǎng)度變化, 分支的長(zhǎng)度和支數(shù)也要變化, 無(wú)法了解產(chǎn)量變化是由主支長(zhǎng)度變化引起還是由其它原因造成的, 因此用簡(jiǎn)單水平井長(zhǎng)度變化來(lái)近似了解羽狀水平井長(zhǎng)度變化。圖中模擬了 500m、800m、1000m、1200m、1500m、2000m 等6 種不同長(zhǎng)度主支生產(chǎn)情況, 可以看出, 隨著主支長(zhǎng)度遞增, 產(chǎn)氣量在遞增, 也就是說(shuō)隨著主支長(zhǎng)度增加, 分支井產(chǎn)能會(huì)不斷增加,但是考慮到千米后的鉆井成本, 同時(shí)模擬了米進(jìn)尺在不同長(zhǎng)度下的產(chǎn)氣量, 可以看到明顯的變化 (圖2) , 每米進(jìn)尺1500m 最高, 也就是說(shuō), 主支長(zhǎng)度達(dá)到1500m 以后每米進(jìn)尺效率遞減, 每增加百米鉆井長(zhǎng)度增加的氣量在遞減, 在主支1500m 附近, 一方面鉆井成本在不斷增加, 而另一方面增加百米進(jìn)尺, 采氣量在遞減, 這就意味著在1500m 附近 (若放寬兩邊的范圍, 即為1200～1800m) 存在主支最佳長(zhǎng)度。

圖1 不同主支長(zhǎng)度產(chǎn)氣量對(duì)比

圖2 不同主支長(zhǎng)度每米產(chǎn)氣量對(duì)比

那么為什么會(huì)存在單位進(jìn)尺增加氣量的拐點(diǎn)呢, 可以用煤層氣采出機(jī)理加以解釋, 主支長(zhǎng)度增加, 為了達(dá)到平衡, 分支的支數(shù)也相應(yīng)增加, 末端分支距離排水采氣的洞穴直井越來(lái)越遠(yuǎn), 主支到一定長(zhǎng)度造成排水困難, 從而影響產(chǎn)量。

1500m 左右的主支長(zhǎng)度確定以后, 以此為基礎(chǔ)確定最佳分支長(zhǎng)度, 建立如圖3 所示的模型, 主支為1500m, 分支選最為簡(jiǎn)單的類型, 即雙對(duì)稱分支, 使其長(zhǎng)度變化分別為300m、500m、800m、1000m 變化, 模擬產(chǎn)能。可以看出, 隨著分支長(zhǎng)度增加, 產(chǎn)氣量遞增 (圖4) , 但從米進(jìn)尺產(chǎn)氣量上可以清晰看出, 500m 分支長(zhǎng)度具有最高米產(chǎn)氣量,其次是800m, 而300m 則較低, 1000m 最低。考慮到成本, 分支長(zhǎng)度可以在200～800m 間變化, 不要超過(guò)800m (圖5) 。

圖3 分支水平井分支長(zhǎng)度優(yōu)化模型

圖4 不同分支長(zhǎng)度產(chǎn)氣量

圖5 不同分支長(zhǎng)度米進(jìn)尺產(chǎn)氣量

1．2 分支角度與分支間距

利用數(shù)值模擬的方法研究了鄂爾多斯保德地區(qū)中低煤階煤, 兩個(gè)分支的簡(jiǎn)單水平井在該地區(qū)的適應(yīng)性, 并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。該地區(qū)中低煤階,滲透率2～4mD, 屬于較高的滲透率, 含氣量平均7m3/t , 比較低, 厚度達(dá)到15m, 該地區(qū)雖然是中低煤階, 但硬度較大, 滲透率和厚度較大, 割理較為發(fā)育, 可以考慮直井壓裂或是比較簡(jiǎn)單的水平井, 因此一個(gè)主支兩個(gè)分支的井型應(yīng)該是適用的(圖6) 。

圖6 鄂爾多斯保德地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)的分支水平井

在對(duì)該模型井型優(yōu)化時(shí), 分別考慮了30°、45°、60°三種角度。圖7 展示了不同角度的產(chǎn)能,可以看出, 在分支間距一定的前提下, 隨著角度增加, 產(chǎn)能明顯增加, 同時(shí)考慮到鉆到60°造斜非常困難, 而且對(duì)于具有非均質(zhì)性儲(chǔ)層來(lái)說(shuō), 45°可以均勻的分到面割理和端割理兩個(gè)方向起到溝通作用, 因此我們優(yōu)選45°。

圖7 不同分支角度的產(chǎn)能比較

在主分支長(zhǎng)度, 分支角度確定之后, 以之作為依據(jù), 確立模型模擬最佳分支間距 (圖8) 。分別模擬間距為150m、200m、300m、400m, 模擬結(jié)果可以看出, 日產(chǎn)氣量隨間距增大而增大, 但米進(jìn)尺產(chǎn)氣量以300m 為最佳, 因此分支間距可以考慮250～300m (圖10) 。

圖8 分支間距優(yōu)化模型

圖9 不同分支間距產(chǎn)氣量對(duì)比

圖10 不同分支間距米進(jìn)尺產(chǎn)氣量對(duì)比

1．3 分支數(shù)

在“主支控域, 分支溝通”的思路指導(dǎo)下, 主支長(zhǎng)度及控制面積一旦確定, 分支數(shù)取決于控制面積內(nèi)煤層的非均質(zhì)程度, 非均質(zhì)程度越高, 需要的分支數(shù)越大, 當(dāng)進(jìn)尺數(shù)一定的情況下, 增加分支數(shù)意味著降低分支的長(zhǎng)度, 而對(duì)于沁水盆地、鄂爾多斯等含煤盆地, 其非均質(zhì)程度不是很高, 而且在主支1500m 左右, 分支間距250～300m 之間的條件限制下, 分支數(shù)在8～10 分支即可。

2 優(yōu)化后的模型

對(duì)各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化后, 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的羽狀水平井優(yōu)化模型見(jiàn)圖11, 其主支長(zhǎng)1200～1500m, 分支長(zhǎng)度由水平井近端到遠(yuǎn)端依次遞減, 取值100～800m,分支與主支夾角45 度, 分支數(shù)8～10。

圖11 羽狀水平井標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化模型

3 結(jié)論

(1) 羽狀水平井結(jié)構(gòu), 包括分支長(zhǎng)度、角度、分支間距及分支數(shù)影響其產(chǎn)能, 存在最佳值使產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)。

(2) 在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上,對(duì)羽狀分支水平井結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果表明,最優(yōu)的結(jié)構(gòu)其主支長(zhǎng)度1200～1500m,分支長(zhǎng)度800～100m 依次遞減,分支角度45°,分支間距250～300m,分支數(shù)8～10 個(gè)。

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