水平井調流控水篩管完井設計方法研究

趙 旭 姚志良 劉歡樂

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

隨著對油氣田開發的進一步深入，水平井調流控水篩管完井技術相繼在冀東、大港、勝利、塔河等油田進行了試驗應用，取得了較好的效果，但由于調流控水篩管完井技術采用的是一種相對“被動式”的完井技術，在使用中需要合理配置控水篩管的安放位置、節流參數、分段參數，因此完井參數優化對調流控水篩管的完井效果起著非常重要的作用［1-5］，國外各大石油技術服務公司把完井參數優化設計方法作為水平井調流控水篩管完井技術體系中的一項核心技術。基于此，本文通過對水平井調流控水篩管的工作原理及流動耦合模型的分析，建立了一套水平井調流控水篩管完井優化設計方法，并結合實際數據進行了分析。

1 水平井調流控水篩管完井流體流動過程

水平井調流控水篩管完井技術是指在普通篩管端部加裝節流控制器，通過設置不同的節流控制器的流動參數并結合水平井合理分段技術實現對地層流體流入的合理控制，以達到地層流體均衡流入的目的［6-8］。

水平井調流控水篩管完井流體流動路線如圖1所示。地層產液首先進入調流控水篩管與裸眼井筒間的環形空間內（見圖1a），在該空間內存在軸向流動和橫向竄流，然后流體通過控水篩管的濾砂層進入濾砂層和基管之間的環形空間，不同的控水篩管內該環形空間是不連通的，進入該環形空間內的流體通過節流裝置進入基管內（見圖1b），整個水平井段基管內是由趾端到跟端的變質量流動。

圖1 水平井調流控水篩管完井流體流動路徑示意圖

2 水平井調流控水篩管完井耦合模型

水平井調流控水篩管完井設計需要考慮以下3個影響因素［9-11］：水平井調流控水完井分段方法的建立與分析；水平井調流控水篩管節流裝置完井參數的優選；水平井調流控水篩管節流完井管柱的建立，三者相互影響又相互依存。

依據流體從油藏流入油管的過程，水平井調流控水篩管完井流動耦合模型可分為3個子模型［11-15］。

2.1 油藏滲流模型

油藏滲流模型指流體從油藏邊界到近井地帶邊界的滲流。油藏滲流模型是進行一切調流控水完井優化設計的基礎，模型分析方法主要有數值模擬分析方法和Joshi模型分析方法。其中數值模擬分析方法需要收集大量的油藏、地質、鉆井及完鉆資料，設計過程較為復雜，需要專業油藏工程師來進行設計，但分析結果較為準確。相對而言，Joshi模型分析方法較為簡單，但對于復雜油氣藏的計算精度較差。

2.2 井筒入流模型

井筒入流模型指流體從近井地帶邊界到基管的流動。井筒入流模型包含3個流動過程：地層和篩管之間的流動、篩管和基管間的流動、流經調流控水節流裝置的流動。在這3個流動過程中地層和篩管之間的流動、篩管和基管間的流動可采用能量守恒和動量守恒來進行描述，需要合理設置邊界條件和劃分網格，而流經調流控水節流裝置的流動跟節流控水裝置采用的節流方法有直接關系，目前國內外的節流控水裝置（簡稱為ICD）主要分為3種類型：噴嘴型、流道型和螺旋型，這3種ICD的節流計算公式如下。

（1）噴嘴型ICD完井篩管節流計算公式

式中，Δpcons為收縮效應產生的壓降，Pa；Δpfric為通過管子系統的摩擦壓降損失，Pa；Cu為單位轉化常數；Cv為流量系數；ρ為混合流體密度，kg/m3；υc為混合流體通過壓縮裝置的速度，m/s；f為導流管摩擦系數；L為管道系統的額外長度，m；D為導流槽的等效直徑，m；υp為混合流體通過導流槽的速度，m/s。

（2）流道型ICD完井篩管節流計算公式

式中，Δp為通過節流管的流體壓降，Pa；ρ為通過節流管流體的平均密度，kg/m3；Vtube為通過節流管的流體流速，m/s；Qtube為通過管的流體流量，m3/s；A為節流管橫截面積，m2；Ltube為節流管長度，m；Dtube為節流管直徑，m；K為局部水頭損失系數；f為摩擦系數；N為平行分布的節流管數目。

（3）螺旋型ICD完井篩管節流計算公式

式中，ρcal為校準流體密度，kg/m3；μcal為校準流體黏度，Pa·s；ρmix為混合流體密度，kg/m3；μmix為混合流體黏度，Pa·s；aICD為控水裝置強度，經驗常數；qICD為ICD體積流量，m3/s。

2.3 基管內流體多相管流模型

水平井調流控水篩管基管內流體的流動是指地層產液流經篩管后進入篩管中心管內后的流動，隨著流體由水平井趾端流向跟端，基管內的流體不斷增加。基管內流體多相流流動可按照水平井筒單項流體變質量流摩阻計算公式結合流體加速度壓降以及井壁流體附加阻力計算公式進行計算分析。

3 完井優化設計方法

3.1 靜態模擬參數設計方法

水平井調流控水篩管完井靜態模擬參數設計方法主要是通過井軌跡、井徑、測井滲透率、含油飽和度等完鉆資料對水平井段合理劃分流動單元，并結合鄰井產量、生產壓差和單井合理配產等確定每個流動單元的配產情況。該方法具有以下優勢：（1）具有快速靈活、操作簡單、方便設計等優點，能夠較快地進行完井優化設計及參數敏感性分析，能夠分析在不同調流控水完井參數條件下的井筒入流剖面的變化；（2）能夠在油藏數據相對較少的情況下對完井參數進行優化設計；（3）能夠以油藏模擬數據為基礎進行完井參數優化設計，以提高模擬準確性；（4）油藏滲流模型一般采用常規產能預測公式，但在油藏數據充足且要求設計準確性較高的情況下可以采用油藏數值模擬分析結果進行優化設計。

3.2 動態模擬參數設計方法

水平井調流控水篩管完井動態模擬參數設計方法是一種考慮完井優化設計效果隨時間變化的一種完井優化設計方法。考慮到調流控水篩管完井技術是一種初期損失產能的技術，通過限制水平井邊、底水的快速提升來提高油藏的最終采收率，因此水平井調流控水篩管的完井參數設計不能僅以油井初期投產時的相關數據為其設計依據，從整個油藏生命周期總采收率角度設計和優化完井參數。

水平井調流控水篩管完井動態參數模擬設計方法主要具有以下特點：（1）能夠預測在不同時間段內的水平井底水上升變化情況、產油情況以及分析儲層的最終采收率；（2）以大量實測數據以及相鄰區塊、相鄰井的相關數據為基礎，對儲層及工程參數分析較為深入，進行完井優化設計的結果準確性較高；（3）任意時刻油藏建模擬合分析的結果可作為靜態完井參數優化設計的基礎數據；（4）建立油藏數值模型以及完井參數優化分析模型的過程較為復雜，需要進行多次歷史擬合，設計過程較為復雜。

動態模擬參數優化設計方法也采用1.2節中所建立的水平井調流控水篩管完井參數優化設計模型，只是在油藏滲流模型中采用數值模擬的方法來描述流體在油藏中的流動，在一定程度上提高了設計準確性。

在數據滿足要求、條件允許的情況下，水平井調流控水篩管完井優化設計一般采用靜態模擬參數設計與動態模擬參數優化設計相結合的方法。

4 應用實例

4.1 油藏基本參數

選取塔河油田一水平井數據進行計算分析，該井基本參數為：地層壓力48.87 MPa，地層原油黏度1.73 mPa·s，密度 901 kg/m3，油層厚度 14 m，原油體積系數1.34，水平井筒距油水界面10 m，水平段長度270 m，裸眼直徑149.225 mm，生產壓差1 MPa，根據實際電測結果沿水平井段滲透率分布如圖2如示。

圖2 實測滲透率分布曲線

由圖2可以看出，該水平井段可以分為2個高滲透段，平均滲透率分別為197 mD和104 mD，中滲透段平均滲透率為42 mD，低滲透段平均滲透率只有3 mD，滲透率差異較大，現使用建立的水平井調流控水篩管完井優化設計方法計算分析不同完井條件下地層產液沿水平井段入流剖面的分布，為合理選擇完井參數提供依據。

4.2 調流控水完井參數優化設計分析

合理分段是進行水平井調流控水篩管完井優化設計的基礎，根據該井實測滲透率的變化，將該水平井分成4段，分段位置分別為：4 852 m、4 924 m、5 016 m。

4.2.1 油嘴敏感性分析 油嘴敏感性分析主要是分析在水平井所處油藏條件下水平井調流控水篩管油嘴大小對產能的影響程度，根據該井所處油層地質數據、流體數據及實鉆數據，建立油藏數值模擬分析模型（如圖3（a）所示），將該模型作為進行水平井調流控水篩管完井優化設計的描述油藏滲流的底層模型，將其代入到1.2節中所建立的模型中，計算出水平井整體采用調流控水篩管完井后的產能與油嘴直徑的變化關系，如圖 3（b）所示。

如圖3（b）所示，采用水平井調流控水篩管完井后通過調整調流控水篩管節流油嘴大小能夠實現對水平井產能的有效調節，從圖3可以看出，隨著節流油嘴直徑增大，水平井產能先是明顯增大，隨后產能增加趨勢逐漸變緩，當節流油嘴直徑大于3 mm后繼續增大節流油嘴直徑，水平井產能增加幅度大幅減小，繼續增加油嘴直徑已經不能明顯增加水平井產能了。這說明該井水平井調流控水篩管完井優化設計采用直徑為3 mm以下的油嘴才能進行有效調節。

圖3 油嘴敏感性分析圖

4.2.2 入流剖面分析 入流剖面分析是進行水平井調流控水篩管完井優化設計的關鍵，根據建立的模型將滲透率數據進行平滑處理后計算出裸眼完井和采用油嘴直徑為5 mm的控水篩管完井入流剖面圖，如圖4所示。

圖4 入流剖面分析

從圖4可以看出，在裸眼完井條件下水平井入流剖面按照分段位置被分為了4段，不同分段內的入流剖面由于儲層物性差異有明顯不同。由于該井后半段儲層物性較好，儲層后兩段入流剖面要遠遠高于儲層前兩段，如按照此方法進行完井，該井后半段會由于產液量過高而導致底水快速錐進。從圖4可以看出，裸眼完井的產能為38.754 5 m3/d，而采用節流油嘴直徑為5 mm的調流控水篩管完井的產能為38.729 m3/d，兩者的產量基本一致。能夠得出整個水平段采用節流油嘴直徑為5 mm的調流控水篩管完井沒有起到節流效果。為了控制水平井后兩段的入流剖面，將后兩段油嘴直徑調小為0.5 mm，其計算結果如圖5所示。

圖5 調流控水篩管完井入流剖面分析圖

圖5中藍色曲線是水平井前兩段采用5 mm油嘴、后兩段采用0.5 mm油嘴的調流控水篩管完井后的產量入流剖面圖，通過與圖4對比可以看出，由于采用了小直徑油嘴，水平井后兩段產量被明顯控制下來，但流入剖面的形狀并沒有發生變化，只是整個入流剖面出現了整體下降，水平井后兩段的產能較裸眼完井時下降了約60%，進而也導致了水平井的整體產量明顯下降（20.649 m3/d）。為了保證水平井產量，采用提高整個水平井段生產壓差的方法來提高調流控水篩管完井后的產量，圖5中紅色曲線顯示的是在上述完井條件下采用提高生產壓差的方法，使采用調流控水篩管完井后的產量與裸眼完井產量相同時的水平井入流剖面圖，可以看出，水平井低滲段產量大幅提高，水平井入流剖面相對均衡。通過計算可知，水平井前兩段產能提高了2.23倍，而水平段后兩段高產液段的產能卻被調低了35%，實現了對整個水平井段的調流控液。

但調流控水篩管完井技術是一項減低產能的技術，通過該技術實現對水平井整個產液段的調流控液需要儲層本身具有較強的供液能力，這樣才能發揮調流控水篩管完井的控液作用，也才能保證進行水平井調流控水完井參數優化設計有意義。

4.2.3 產能分析 產能分析主要是分析進行入流剖面設計后所優選的水平井調流控水篩管完井參數對整個水平井在不同開采階段的影響，分析采用調流控水篩管完井后水平井產能及含水率隨時間的變化規律，進而進一步優選水平井調流控水篩管完井參數。

根據所建立的油藏數值模型和經過初步分析得出的水平井調流控水篩管完井參數的優化結果，運用數值模擬軟件進行水平井累計產油量和含水率隨時間的變化分析，其計算結果如圖6所示。

圖6 產量隨時間變化對比

圖6顯示了采用水平井調流控水篩管完井后的兩種節流油嘴參數條件下的累積產油量以及含水率變化，可以看出，采用在水平井后兩段1.6 mm油嘴，水平井前兩段5 mm油嘴的調流控水篩管完井參數設計方法隨時間變化的累積產油量要高于整個水平井全采用5 mm油嘴的調流控水篩管完井參數設計方法，其含水率上升速度要慢于整個水平井全部采用5 mm油嘴的調流控水篩管完井參數設計方法。采用調流控水篩管完井壓低高滲段產量的完井方法，要優于整體采用5 mm油嘴的完井方法，說明采用減小油嘴控制產量的方法，控制了水平井底水錐進。

5 結論

（1）水平井調流控水篩管完井設計技術是調流控水篩管完井應用的基礎，采用靜態模擬參數設計和動態模擬參數設計相結合的方法，能夠提高設計結果的有效性。

（2）合理分段是水平井調流控水篩管完井優化設計的基礎，調流控水篩管完井參數的優化只能改變同一分段內的整體流入剖面，而不會對同一段內的局部流動剖面產生影響，對于儲層物性變化復雜的儲層，在條件允許的情況下應多分段。

（3）使用調流控水篩管完井技術調整水平井的入流剖面，需采用調整生產壓差以及優化節流參數的綜合控制方法，對于地層能量充足的井，調流控水完井效果更明顯。

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