水平井水平段長度優化設計與實踐

趙利軍

（中國石化國際石油勘探開發公司，北京100029）

水平井在提高產量和采收率方面較之直井有明顯優勢，而設計最佳的水平段長度是決定水平井開發效果的關鍵指標。國內外通常采用數據建模的方式進行理論計算，但其模擬效果往往與實際情況差距較大，其原因是此類模型受限于油藏、采油、地質和工程等諸多因素，很難進行準確系統地分析，得出的結論難免以偏概全［1－4］。為此，筆者在南美D油田綜合調研了地質、油藏、采油和鉆井工程等各方面的情況，利用Joshi模型對水平段長度進行了優化設計，并通過鉆井實踐證實，取得初步成果。

1 油藏特征與水平井開發效果

D油田位于南美亞諾斯盆地，儲層巖性以石英砂巖為主，屬于三角洲水下分流河道和河口壩等沉積儲集體。儲層砂體巖石松散，受壓實作用弱，基本未膠結。砂體橫向展布變化快、連通性相對較差，縱向上砂泥巖互層沉積，屬于高孔、高滲儲層，儲層層內和層間非均質性嚴重。

通過對D油田主儲層井壁取心的物性分析，綜合地質、井壁取心化驗分析及試油、試采資料，對儲層物性特征及物性參數進行研究和解釋，得出主儲層的孔隙度范圍在17%～35%，均值約在26%；大多數樣品點滲透率集中在（200～3000）×10－3μm2范圍內，平均滲透率1 400×10－3μm2左右，總體上屬于高孔中滲及高孔高滲儲層。

該油田現有井5口，其中直井1口，水平井4口，水平段長度200～300 m（見表1）。其中，C5A井雖是直井，但其采油曲線與泄油規律與水平井具有較高相似性，故在此作為水平井的參照。C4FH井由于水平段鉆遇大段泥頁巖，其滲透率及孔隙度均較低，采油指數偏低，與其他水平井不具可比性，本文不做分析。從較典型的水平井C4H和C3ASTH井可看出，其采油指數在11～21 BOPD／psi之間，效果明顯好于直井，且控制的泄油面積大，故該區塊適用于水平井的開發模式。

表1 地層特征及水平井開發情況

從表1可以看出，雖然受滲透率和孔隙度的影響，每口井產液量各不相同，但隨著水平段長度的延伸，采油指數有明顯的上升趨勢。因此，進一步研究水平段的最佳長度具有重要的經濟意義。

2 水平段長度敏感性分析［5－8］

水平井產能計算公式很多，根據D油田的油藏特性，本文選擇Joshi公式來計算不同長度的水平段產能，并據此進行敏感性分析。計算公式為：

式中：Kh——水平段的滲透率，10－3μm2；h——油層厚度 m，μo——原油粘度，mPa·s；Bo——原油體積因數；L——水平段長度 m，rw——井半徑，m。

2．1 滲透率敏感性分析

在滲透率100×10－3μm2的情況下（圖1a），水平 井產量隨著水平段的延長而提高，但6 0 0 m后采油指數的增長曲率放緩并逐漸趨于穩定。

圖1 采油指數與水平段長度關系

在滲透率900×10－3μm2的情況下（圖1b），采油指數隨著水平段延長而達到12 BOPD／psi，然后會略有下降，在1 220～3 050 m水平段長度采油指數增長趨于穩定，但增長速度明顯慢于600 m水平段長度以下。

當地層滲透率是1800×10－3μm2時（圖1c），水平段長度在0～600 m時采油指數增長的速度最快，達到15 BOPD／psi，然后隨著水平段的延長采油指數增速明顯放緩。

從上述3種水平段長度對滲透率敏感性分析圖中可以看出，滲透率越高對水平段長度越不敏感，較短的水平段長度即可達到較高產量，而低滲或中滲地層更需要延長水平段長度來獲得產量。

2．2 地面原油粘度敏感性分析

通過對不同粘度的原油進行敏感性分析，可見原油粘度越低，采油指數對水平段長度越敏感（圖2）。對于低粘度、高滲透性的油藏，通過大幅延長水平段長度獲得產量的方法并不經濟。而原油粘度較高的情況下，長水平段對提高采油指數值的作用比較明顯（圖3），此時可綜合考慮鉆完井成本來延長水平段的長度。

圖2 采油指數與水平段長度關系（μo＝1 mPa·s）

2．3 生產效率敏感性分析

由圖4可以看出，在高滲透率情況下（＞900×10－3μm2），單位生產壓差的效率自300 m水平段后迅速下降，在750 m水平段后生產壓差的效率極低；而在低滲透率的情況下（100×10－3μm2）生產效率雖有降低，但并不明顯。這說明對于低滲透油藏可以通過延長水平段的方法獲得大幅增產，而對于高滲透油藏更應該充分考慮生產效率的影響來優化水平段長度。

圖3 采油指數與水平段長度關系（μo＝20 mPa·s）

圖4 生產效率與水平段長度關系

3 影響水平段長度的其他因素

3．1 經濟效益的約束

由于水平井屬于特殊工藝井，其鉆井成本會大幅高于相同進尺的直井（例如在D油田鉆進的C5H，C4FH和C3ASTH井的成本是鉆進傳統直井C5A井的1．5倍。），雖然水平段越長，油氣產量越高，但同時會帶來更大鉆井的風險和地質不確定性。只有水平段的油層穿透率達到足夠長度，水平井與直井間的油氣產量差額足以彌補其鉆井生產費用時，水平井所取得的經濟效益才優于直井。

3．2 鉆井工藝方面的制約

水平段的實際鉆進長度要受限于現有的鉆井工藝水平。首先是鉆機負荷要滿足鉆進長水平段的要求；其次鉆具的屈曲變形與摩阻也限制了水平段長度；且隨著水平段的延長，井壁穩定性問題越加突出。由于水平段的垂深基本不變，因此其破裂壓力與坍塌壓力也基本不變，但隨著水平段長度的增加，井眼內的壓力波動會對井壁造成較大影響。當水平段超過一定長度，則可能出現由于下鉆時波動壓力過大而壓漏地層，或由于起鉆時的抽吸壓力造成井壁失穩。因此實際所能鉆的水平段長度往往要小于最佳的理論長度。

3．3 油藏及地層的不確定性影響

在底水高滲油藏中，底水的存在對水平段最優長度有相當大的影響，一旦局部底水突破，則整個水平段將很快水淹。因此有底水的水平井水平段最優長度要遠小于沒有底水或底水很弱、離得很遠的井。通常情況下，有底水時水平段的最優長度往往只有無底水情況下的一半左右。而低滲油藏中，底水的存在對水平段最優長度影響不大。

此外，由于地質構造或地層的不確定性，如果在水平段中鉆遇泥頁巖或砂體物性不好，很可能也會直接影響水平段的有效長度。例如C4FH井鉆遇大段泥頁巖，滲透率不高，雖然有700ft水平段，但實際的采油指數很低。遇到這種情況，水平段的實鉆長度要根據鉆進地層情況及時調整。

4 水平段長度優化設計實例

計劃在D油田北部新布置一口水平井C7H井，開發C3ASTH井同一層位，以增大泄油面積，提高儲量動用程度。根據鄰近井資料和所建立的地質模型，預計該井水平段的油層滲透率為（800～2500）×10－3μm2，地層孔隙度30%，地面原油粘度μo為1 mPa·s，故可參照低粘度、高滲透率的模型來設計最佳水平段長度。通過經濟技術可行性論證，考慮設備實際生產能力，水平段長度設計為300～400 m，具體長度根據實鉆情況確定，預計獲得10 BOPD／psi以上的生產能力，采油效率55%。C7H井最終實鉆水平段長267 m，由于中間鉆遇部分泥頁巖互層，在砂體中實際有效長度約230 m，初期投產獲得3 200桶液量，綜合含水15%，增加控制面積7285 m2，采油指數12 BOPD／psi，與模型預測的產量相當。

5 結論

（1）D油田采用水平井生產采油指數高，控制的泄油面積大，經濟效益顯著優于直井，適用于水平井的開發模式。

（2）根據理論計算，對D油田此類低粘度、高滲透油層，水平段長度對采油指數并不敏感，且超過某值后生產效率還會下降。

（3）實際的最優水平段長度是多方面因素綜合作用的結果，不能一味地追求長度而忽視工程和地質風險。

（4）實踐證明，本文建立的生產計算模型符合油田生產實際，可以用來指導水平段的長度設計。

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