水平井均衡流入控水技術

楊 志，侯 攀，馬吉祥，趙春立，趙海燕

(西南石油大學，四川 成都 610500)

水平井均衡流入控水技術

楊 志，侯 攀，馬吉祥，趙春立，趙海燕

(西南石油大學，四川 成都 610500)

水平井在開采過程中，由于各水平段的孔滲特性不盡相同，底水極易從高滲透帶侵入，使得邊底水脊進成為一個普遍的問題。為此，利用電路模擬調節原理，通過對水平井完井管柱上“控制元件”的研究，在盡可能提高各水平段產量的基礎上，遵循“均衡”各水平段地層流量的原則，提出了割縫襯管、篩管－盲管組合、節流噴嘴、毛細管等4種均衡流動控制元件及其優化設計方法。實例計算表明，各水平段原本差異較大的地層流入量，在優化設計后其差異顯著縮小，甚至幾乎沒有差異，從而使得各小層或各水平段邊底水均勻推進，防止了邊底水的提前脊進，大大延緩了邊底水油氣藏的見水時間。

水平井;均衡流入;底水;脊進;控水

1 水平井在底水油氣藏開采中的問題

對于均質油藏，在油藏壓力相同的條件下，由于井筒水平段流動阻力的存在，水平段根部的生產壓差比“指部”要大，容易導致水平段根部提前見水。而對于非均質油藏，由于各水平井段的垂向滲透率不盡相同，有些甚至差異極大，這就導致了油藏各處底水脊進速度不同，底水極易從高滲透帶侵入而導致過早見水甚至全井水淹。由于邊底水的脊進可能“封閉”部分低滲層段，使得部分可采儲量未能采出，最終導致采收率低下。

為解決水平井的底水“脊進”問題，從油藏工程角度，可以通過合理布設井位、確定合理的避水高度等措施來延緩水脊或水錐的出現。理論研究與生產實踐均表明，水平井在高采油速度下較垂直井可延緩見水時間，但在常規完井方式下無法從油藏角度避免底水沿高滲透帶的侵入，因此，不能單純從油藏工程角度解決水脊或水錐的問題。

2 控制水平井底水脊進工藝的可行性

采用的均衡流入控制水平井底水脊進的技術原理與研究方法可用以下電路圖模擬(圖1)。圖1中各支路用于模擬水平井各小層段;R1～R5模擬各小層段在普通完井方式下的滲流阻力;I1～I5模擬各小層段液流量。對于電路圖而言，在一定的電位差下，由于R1～R5不盡相同，必然使得實際電流I1～I5不同，電流主要沿電阻小的支路流過。為了使各支路的電流相等，則需要在各支路安裝一定的調節電阻，以使各支路電阻在總體較小的條件下盡可能相同。

圖1 均衡流入控水完井技術的模擬電路

對于水平井實際生產而言，在一定的地層壓力和井底流壓下，由于各小層段的滲流阻力(相當于圖中的R1～R5)不盡相同，各小層的產量或流入水平段的流量(相當于圖中的I1～I5)不等，這是導致底水沿高滲透帶竄入的根本原因。“均衡流入”的技術原理是在合理劃分水平井小層段的基礎上，通過完井管柱上的“均衡流入控制元件”(相當于電路圖中的各調節電阻)來調節過流阻力，使得調節后的各小層段滲流阻力基本相同，進而使劃定的各小層段產液量基本相同，從而控制底水的均勻推進，避免底水提前脊進。

國外水平井控水完井的方式從常規的分段完井、恒流控水篩管的半智能完井發展到了智能完井，其技術相對成熟［1］。國內的水平井控水完井技術相對落后，目前的完井方法主要有3類，即獨立篩管 SAS(割縫/預孔管、復合篩管)、篩管(SAS)+ECP 和射孔完井 CHP［2－4］，相應的控水技術主要采用完井參數控制方法。

3 幾種水平井均衡流入控水技術

位于油層中部水平井在穩態流動條件下的采油指數為［5］:

式中:C為與單位有關的系數;Kh、Kv為油層水平、垂向方向的滲透率，μm2;h為油層厚度，m;L為水平井水平段長度，m;reh為水平井泄流半徑，m;rw為井眼半徑，m;μo為流體黏度，mPa·s;Bo為流體體積系數;a為水平井橢球形泄流區域的長半軸，m;β為油層滲透率各向異性系數;S為水平井表皮系數。

由于存在非均質性，在整個水平段長度內各小層段的滲透率不盡相同，由公式(1)可知各小層段的采油指數必然存在差異，假定油藏壓力恒定，即水平段長度內各小層段地層壓力均相同，在一定的井底流壓下，各小層段的產量也不盡相同，高滲透率層段的產量更高，這是底水容易沿水平井的高滲透帶竄入造成水脊的根本原因。若不同滲透率的各小層均以相同的流量生產，則底水不容易突出而較均勻地推進，從而有助于提高油藏的采收率。在盡可能提高各小層產量的基礎上，遵循“均衡”地層流量的原則，通過采用割縫襯管、篩管—盲管組合、節流噴嘴以及毛細管等完井技術調整流量，從而到達延緩底水脊進的目的。

3.1 割縫襯管均衡控水技術

割縫襯管是一種常見的完井方式，可以通過改變縫長、縫寬、縫密度等參數，調整割縫條件來改變流動條件，影響滲流阻力，從而控制流入水平段的流量。其計算理論是，通過改變縫長、縫寬、縫密度等割縫參數，影響完井的表皮因子，從而改變產能，最終控制流入水平段的流量。

對于割縫襯管的產能可以使用潘迎德、熊友明等提出的改進Joshi產能公式［6－7］。對于割縫襯管完井的表皮系數，Furui［8－9］在 2005 年給出了一個新的表皮因子模型，通過縫長、縫寬以及縫密度等割縫條件與地層數據，可以求得割縫襯管完井的表皮系數。

式中:SSL為割縫襯管完井表皮系數;Sf，o為裸眼完井時，污染帶產生的表皮系數;SSL，r為徑向流產生的表皮系數;fSL，r為紊流產生的表皮系數;Fo，w為Forchheimer系數;K、Ks分別為地層滲透率、地層污染帶滲透率，μm2;β、βs分別為地層、地層污染帶紊流速度系數。

3.2 篩管－盲管組合均衡控水技術

篩管－盲管組合均衡控水技術已在現場實際應用，取得了良好的效果，通過調節篩管長度來改變過流面積，從而控制流入水平段的流量。其計算理論同割縫襯管均衡控水技術相似，都是通過改變完井的表皮因子，調整滲流阻力，從而影響產能，最終控制流入水平段的流量，僅僅只是其表皮因子計算模型不同。

3.3 節流噴嘴均衡控水技術

節流噴嘴均衡控水技術是通過油嘴來調節過流面積，影響滲流阻力，從而控制流體流入水平段的流量。采用該項技術，地層流體流進井筒，要先

式中:C1為流量系數;Ap為噴嘴過流斷面面積，m2;Δp為壓力差，MPa;ρ為流體密度，g/cm3。

3.4 毛細管均衡控水技術

毛細管均衡控水技術是通過毛細管的長短來控制其滲流阻力，從而控制流體流入水平段的流量。采用該項技術，地層流體流進井筒的過程中，同樣要流經篩管和短管(即毛細管)，均會造成壓力損失，篩管的壓力損失模型如3.3所述。短管的壓力損失模型見公式(6)，hf表示沿短管流動的摩擦壓力損失，hm表示流體流入短管導致內徑突然變小的壓力損失。當短管長度較長時，其摩擦阻力較大，可忽略hm;當短管長度較小時，可以看成為水眼，壓力損失主要是內徑突然變小的壓力損失hm，可忽略 hf。

該方法的計算理論同節流噴嘴均衡控水技術相似，主要是通過短管長度的改變，影響流經短管的壓力損失，從而控制流體流入水平段的流量，達到“均衡”流量的目的。后經過篩管和噴嘴，均會造成壓力損失。經過篩管的壓力損失可由公式(1)求得，而經過噴嘴的壓力損失可由公式(5)求得。該技術的計算理論是通過調整公式(5)中的噴嘴過流斷面面積，改變流經噴嘴的壓力損失，從而達到控制流體流入水平段流量的目的。

式中:f為摩阻系數;d為短管直徑，m;L1為短管長度，m;v為流體速度，m/s;g為重力加速度，m/s2;ρ為流體密度，g/cm3;K1為局部阻力系數。

4 實例計算

某油田計算參數如下:原油黏度為350 mPa·s，原油體積系數為1.067，儲層厚度為23 m，井眼半徑為0.107 9 m，水平井泄流半徑為400 m，原油密度為0.94，水平井長度為500 m(均勻劃分為5段)，生產壓差為2 MPa。根據水平井各小層段的不同滲透率(表1)，通過公式(1)計算，得出了各小層段的原始地層流體流入量。根據上面所述方法，優化計算結果見圖2～5。

表1 水平井各段滲透率

圖2 割縫襯管控水設計結果

圖3 篩管—盲管組合控水設計結果

圖4 節流噴嘴控水設計結果

圖5 毛細管控水設計結果

通過圖2～5中調節前后各水平井小層段流量的對比，可以看出:①由于孔滲特性的差異，調節前100～200 m段地層流量很大，而200～300 m段地層流量很小(如圖2中調節前原始地層流量)，若不加控制，底水很容易從100～200 m區間的高滲透段侵入;②為了實現各水平段的均衡流入，需要對高滲層段進行重點調節，即通過割縫襯管參數、篩管－盲管長度比、噴嘴直徑、毛細管直徑－長度等增大高滲段的表皮或流動阻力，達到調峰(高滲段流量)的目的;③通過均衡流入控水優化設計后，各小層段流體的流入量差異都明顯減小，甚至沒有差異，這將大大延緩底水油藏見水時間;④圖5中調節后流量實現了均衡，但產量較圖4明顯降低，不利于高產，因此優化調節時應以不降低低滲段的產量作為優化目標之一。

5 結論

(1)對于非均質油氣藏，在分析水平井底水脊進時，要充分考慮地層的滲透率因素，它對于底水脊進的影響十分重要，不能忽略。

(2)通過實例計算，對于非均質油氣藏，采用水平井均衡流入控水技術(割縫襯管、篩管－盲管組合、節流噴嘴及毛細管等技術)，能顯著“均衡”地層流量，大大延緩底水油藏見水時間。

［1］王金忠.水平井管內分段調流控水技術研究與應用［J］.石油機械，2011，39(1):60 －61.

［2］饒富培，董云龍.大港油田底水油藏水平井控水完井工藝［J］.石油鉆采工藝，2010，32(3):107－109.

［3］熊友明.延緩和控制底水錐進的水平井完井新方法［J］.西南石油大學學報，2009，31(1):103－106.

［4］馮大鵬，陳培亮.水平井延緩底水錐進井下作業方法研究［J］.重慶科技學院學報，12(5):85－87.

［5］李穎川.采油工程［M］.北京:石油工業出版社，2009:4－16.

［6］潘迎德，熊友明.裸眼系列完井方式下水平井產能預測研究［J］.西南石油大學學報，1997，19(2):42－46.

［7］劉健，練章華.水平井不同完井方式下產能預測方法研究［J］.特種油氣藏，2006，13(1):61－63.

［8］Furui K，Zhu D，Hill A D.A comprehensive Skin－Factor model of horizontal well completion performance［C］．SPE84401，2005:207 －220.

［9］Furui K，Zhu D，Hill U A D.A rigorous formation damage skin factor and reservoir inflow model for a horizontal well［C］.SPE84964，2003:151－157.

Uniform inflow and water control technology for horizontal wells

YANG Zhi，HOU Pan，MA Ji– xiang，ZHAO Chun– li，ZHAO Hai － yan(Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan610500，China)

In the process of horizontal well production，edge/bottom water coning is a common issue due to varied porosity and per-meability in different intervals of horizontal wells．Based on the principle of circuit simulated regulation，4 uniform flow control elements such as slotted liner，screen －blank tubing combination，throttling nozzle and capillary as well as their optimal design have been introduced through research on the control elements on horizontal well completion pipestring to maximize production and allow uniform inflow from each horizontal interval．Design calculation indicates that the big inflow difference from each horizontal interval has been remarkably reduced or even disappeared after optimal design，thus allowing uniform advance of edge/bottom water from each sublayer or horizontal interval to prevent premature coning and delay water breakthrough in edge/bottom water reservoirs．

horizontal well;uniform inflow;bottom water;coning;water control

TE357.6

A

1006－6535(2012)01－0116－04

20110616;改回日期20111024

中海油湛江分公司科技攻關項目“W12－8W油田控水技術研究”(ZJ2010－035)

楊志(1967－)，男，副教授，1992年畢業于西南石油學院海洋石油工程專業，現從事采油采氣工程及海洋油氣工程的教學和科研工作。

編輯 王 昱