利用多段井模型預測自流注水速度

郭 肖，周碧輝，宋 戈，王偉峰

(西南石油大學，四川 成都 610500)

引 言

與傳統注水工藝相比，自流注水工藝由于采用層間壓差引流補充地層虧空能量，不需要額外的動力，同時地層水水性相近，沒有引入人工配液，可減少各類化學劑對儲層的傷害，尤其適用于存在高壓水層和水源補給困難的油田。作為一種壓力供給措施，在科威特的油田已經應用多年，國內某些海上油田也開始使用該工藝[1-3]。由于自流注水具有自發性，注入速度主要受自然能量控制，監控困難。該工藝在應用方面面臨的難題主要有流速的定量描述、水驅前緣控制、水突破預測以及波及控制[4-5]。

在流速定量描述方面，很多學者做了不同的嘗試。Davies C A提出針對有限水源和無限水源的速度二階微分方程[6]。Rawding J等提出用智能完井技術控制自流速度[4]。王慶勇等使用油藏工程方法，結合物質平衡原理和擬穩定流公式，計算了自流注水量，該方法對實際生產具有重要參考價值，但對于復雜的地質情況，精度不足[7-8]。首次提出使用多段井模型模擬自流注水過程，預測了自流注入速度和注入量等關鍵參數，分析了影響自流速度的主要因素。

1 多段井模擬技術基本原理

現場應用中，自流井井型有直井、大斜度井或多分支井[9-11]。如果使用多分支井(圖1)，可以實現單井同步注采，水體在一個封閉的系統中轉移，可以顯著減少氧氣造成的油套管腐蝕，因此以多分支井為例進行分析。

圖1 自流注水示意圖

多分支井拓撲結構及流體特征復雜，不能使用常規井模型模擬，而需要用到多段井模型。與常規的井模型不同，多段井模型通過將井筒劃分為一定數量的一維段結構來詳細地描述流體在井筒內的流動情況。每一個分段均沿井軌跡方向和相鄰分段相連，在分支和主干連接處有一個流入節點(圖2)。在水平井形態上，其能做到與油藏完全耦合，在水平段內流體流動特征描述上考慮了流體能量在水平段內的加速度損失、摩阻損失以及水靜力學損失，因此可以真實地模擬竄流現象以及整個井內流體混合的變化[12]。多段井模型不僅可以用于模擬多分支井，也可以用于提高直井或水平井的模擬精度。

圖2 用多段井模型描述的多分支井示意圖

在現有的多段井模型中，以J.A.Holmes等的模型使用較為廣泛[13]。研究旨在提出該模型的一種新的應用方向，且在主流的商業軟件中，多段井模型和黑油模型或組分模型等已經很好地耦合，因此不再贅述算法細節。

2 應用實例分析

2.1 數值模型基本概況

以一個海上油田自流注水實踐為例，描述使用多段井模型模擬多分支井自流注水的細節。

(1)基于該油田A區塊的地質構造，建立了數值模型。模型面積為1 km2，厚度為180 m，包含2個水層和1個油層，上部水層和油層之間有隔層阻擋(圖1)。各層詳細參數見表1。

(2)在模擬過程中，對1號分支進行分段處理(圖3)，并在油層射開，以300 m3/d生產，直到油層壓力降低至穩產期結束;穩產期末在上部水層側鉆2號分支，在下部水層側鉆3號分支，2號分支與1號分支用封隔器隔開。在流體勢差的作用下，上部地層水自發流入下部水層，實現自流?；A方案中各分支長度均為400 m，井筒直徑0.124 m，采用射孔完井。

表1 數值模型基本參數概況

圖3 多分支自流井分段處理后示意圖

2.2 結果分析

首先對A區塊自流注水開發可行性進行了評價，分別分析了自流措施對累計產油量、油層壓力和含油飽和度分布的影響。

從圖4可以看出，使用自流注水后，由于受到上部水層的壓力補給，油層壓力衰竭得到緩解，油藏能量和產油量顯著增加。

圖4 自流措施對自流井累計產油量和地層壓力的影響

從圖5可以看出，實施自流注水后，上部水層水體流經下部水層，有效地將油層底部原油驅入自流井中，提高了采收率。綜合分析說明，該油田具有實施自流注水的基本條件。

在注水分支中 (圖3)，從趾部到跟部，由于流量累積的作用，井筒內水流速度會逐漸增加，分支跟部必然有最大流速。從圖6可以看出，在2號分支跟部，水流速度及水流量呈類拋物線變化，最大流速為1.25 m/s，最大流量為650 m3/d。分析認為，在自流注水前期，隨著時間推移，下部水層含水飽和度逐漸增加，水相流動能力增強，自流井井筒內水流速度逐漸增加。自流后期，主要受上部水層能量的限制，水流速度逐漸變緩。該特征與常規底水油氣藏水侵規律有諸多相似之處[14]。自流井3號分支內流體特征與2號分支相似。

圖5 自流措施對地層含油飽和度的影響

圖6 不同時間自流井2號分支跟部節點水流速度和流量變化

雖然自流注水過程主要受天然能量控制，但油(套)管材料及尺寸對其也有一定影響。圖7所示為井筒摩阻系數(f)和井筒半徑(r)對井流速的影響。半徑越大，流速越小;摩阻系數越大，能量損耗越大，流速越小。在自流實施過程中，可以將改變井徑和井筒摩阻系數作為一種人工控制流速的方法。

圖7 井筒摩阻系數和內徑對流速的影響

3 結論

(1)自流注水能夠有效彌補油藏壓力虧空，提高油藏開采效率。

(2)多段井模型能夠用于描述復雜的完井方式及井筒內流體流速、流量等特征。

(3)自流注水速度和注入量變化呈類拋物特征，峰值一般出現在注水的中后期。

(4)可以通過改變自流井油(套)管材料及內徑控制自流速度。

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