（油气井工程专业论文）涩北气田水平井井筒压力计算研究.pdf

r e s e a r c ho fp r e s s u r ec a l c u l a t i o no fh o r i z o n t a lw e l l i ns e b e ig a sf i e l d c h e nh a i l i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a n gw e i d o n g a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fw e l ld r i l l i n gt e c h o n o l o g y , t h ee x p l o i t a t i o no fh o r i z o n t a lw e l l b e c o m em o r ep o p u l a r t h i st e c h o n o l o g ye x h i b i ti t sh u g ea d v a n t a g ei nm a t u r ea n dm a r g i n a l r e s e r v o i t , l o wp e r m e a b l er e s e r v o i r , l a m i n a rr e s e r v o i r s e b e ig a sf i e l db e g a nt o u s et h i s t e c h n o l o g ya n ds e h i ，s e l l 2 ，s e l l 3 ，s e l l 4w e l l ，t a i h 5 - 1a n dt a i h 5 2b e g a nt op r o d u c ef r o m 2 0 0 7 t h ep r o d u c i n gr a t er a i s em u c hi nt h e s ew e l l s b u tt h e ya l s of a c eal o to fp r o b l e m s s o m eo ft h e s ew e l lp r o d u c em u c hw a t e r , t h ep r o b l e mo fa d a p t i v e n e s si nd i f f e r e n tr e s e r v o i r , t h ep r o b l e mo fo p t i m i z a t i o ni nd e s i g nf o rd i f f e r e n tg e o l o g y t h e s ep r o b l e m sh a v es o m e r a l a t i o n s h i pw i t hw e l l b o r ep r e s s u r e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri sc a l c u l a t 吨t h ep r e s s u r ei n t h ev e r t i c a lw e l l b o r et h r o u g hl i t e r a t u r es e a r c ha n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i no r d e rt og e ta a c c u r a t e l yr e s u l tw ed i v i d et h ec a l c u l a t i o ni n t ot w ow a y s ：d r yg a s & h i g hg a sw a t e rr a t i o ，l o w g a sw a t e rr a t i o t od e f l e c t i n gp a r t , w eu s es l o p ep i p e l i n ei n s t e a do ft h ed e f l e c t i n gp a r t t h r o u g hc a l c u l a t i n gt h es l o p ep i p e l i n ew eo b t a i no u ra i mo fc a l c u l a t i n gt h ed e f l e c t i n gp a r t a p p r o x i m l a t e l y w ec o m b i n et h ec a l c u l a t i o no fp r e s s u r ei nv e r t i c a lp i p e l i n ea n ds l o p ep i p e l i n e t o g e t h e r ic o m p a r et h ec a l c u l a t i n gr e s u l ta n dt h er e s u l tw eg o tf r o mw e l lt e s t t h e nia n a l y s e t h er e a s o n so ft h ee r r o r i nt h ef u n d e m e n t a lo ft h ep r o g r a mia n a l y s et h ew a t e rp r o d u c t i o n ， t u b i n gd i a m e t e r , t u b i n gl e n g t h , t h o s ei n f l u e n tt h ew e l lp r e s s u r ei nt h eh e e l t h e r ei s ah u g e u n c e r t a i n t yi nt h ec a l c u l a t i n go f p r e s s u r ei nt h eh o r i z o n t a lw e i l b o r eb e c a u s eo f t h ec o m p l e x o f t h er e s e r v i o r - it r e a tt h ec o u p l i n gm o d e lt h r o u g hl i t e r a t u r es e a r c ha n dt r a n s f o r mi ti nt oa p r o g r a m t h o u g ht h i sp r o g r a mw ec a l c u l a t et h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ew e l l b o r ei nt w o w a y sw i t hw a t e ro rw i t h o u tw a t e r ic a l c u l a t et h ep r e s s u r ei nt w ow e l lw i t ht h ep r o d u c t i o n d a t aa n dt h eg e o d a t a i nt h ef u n d a m e n t a lo ft h ep r o g r a mic a l c u l a t i n gt h ep r e s s u r ei n h o r i z o n t a lw e l l b o r ei nd i f f e r e n tw a t e rp r o d u c i n ga n dd i f f e r e n ta n g l eo ft h ew e l l b o r e t h e n s u mu pt h el a wb e t w e e nt h e m k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lw e l l ，w e l i b o r ep r e s s u r e ，d e f l e c t i n gp a r t ，c a l c u l a t i o np r o g r a m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 型 r 期：卯7 年j 月) 7 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名堕塑查 指导教师签名：塑匕垦冬 同期：炒7 年f 月 - 7 同 同期：卅年j 月叩同 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 柴达木盆地是中国石油天然气股份有限公司重要的气区之一，截止2 0 0 7 年底，累计 探明天然气叠合含气面积1 4 5 6 k i n z ，地质储量3 0 5 6 3 9x1 0 8 m 3 ，可采储量1 6 2 6 0 1x 1 0 8 m ? ，其中涩北、台南气田( 包括涩北一号、涩北二号、台南气田) 探明天然气地质 储量2 7 6 8 5 6 1 0 8 m 3 ，占盆地总探明地质储量的9 0 6 ，探明可采储量1 5 0 5 6 7 1 0 8 r n 3 ， 占盆地总探明可采储量的9 2 6 ，是青海气区天然气开发的主战场。 涩北、台南气田具有特殊的地质特征，其储层岩性疏松、含气井段长、气层多而薄、 边水环绕，国内外类似气田罕见，可供借鉴的开发经验少。 由于水平井具有更大的生产段裸露面积，因此其渗流阻力小、单井产能高，将具有 更大的生产潜力。特别是到了生产中后期，气水边界缩小，大量位于构造低、中部的气 井逐渐水淹，为了保持气田稳产，必须依靠水平井技术或其他增产技术提高高部位气井 的单井产量。水平井技术在涩北气田的应用尚处于试验阶段，取得了一些成果，但也暴 露出一些问题，主要体现在： ( 1 ) 气井出水问题：目前涩北二号气田的4 口水平井生产中出现出水量增大、产量 降低、压力降低的生产特征。因此，应加强出水原因分析，提出气田水平井开发防水治 水措施。 ( 2 ) 不同类别储层水平井适应性问题：结合气田三种类型储层的特征，分析水平井 在各类型储层中的适应性，以及如何应用水平井技术提高三类层( 这些气层产量低、动 用难度大) 的储量动用程度。 ( 3 ) 水平井地质优化设计问题：开展水平井目的层位优选、井位部署、井眼轨迹和 水平段长度优化研究，指导气田开发技术政策的制定。 以上的三个问题都与水平井的井筒压力有很大关系，国内很多油田单位都使用国外 的油气藏数模软件来设计和描述水平井的生产动态，这些数模软件需要建立地质模型， 导入各种生产数据，一般都是研究设计人员使用，而且这些软件采用的算法都是封闭的， 用户只是需要输入参数，就能得到相对精确的结果。但是这些软件使用起来仍然复杂， 使用起来不方便。本文将在充分调研国内外水平井资料的基础上，对于直井段选择在工 程上广泛使用的算法，对于水平段，建立压力计算模型，通过编写程序对水平井进行压 第一章绪论 力计算。 1 2 国内外研究现状 1 2 。1 气液两相流发展状况 早在1 9 1 4 年，w i s c o n s i n 大学的d a v i s - - w e l d e r 发表了在直径为3 1 7 5 m m 的短玻璃 管内以空气举升水的大量实验数据。他们把管内摩擦因数与滑移关联起来，试图得到以 d v p 为自变量，与单相流摩擦摩擦因数f 一致的曲线，但没有成功，原因是他们未考虑 混合物总的流动密度，而只是使用了水的密度。直到1 9 5 2 年，在油井和气举井的应用 方面，为了认识垂直管内气液混合物的流动规律，人们进行了大量的工作，但都未找到 满意的答案【。 1 9 5 2 年，p h i l i p s 石油公司p o e t t m a n n - - c a p e n t e r 发表了多相垂直管流在气举操作 设计中应用的文章。该文被认为是2 0 世纪6 0 年代以前关于油井多相垂直管流的最经典 的论文，得到了石油工程界广泛的承认。 p o e t t m a n n - - c a p e n t e r 方法的假设：把油气水混合物的流动处理成均匀的单相流动： 混合物的密度在流动过程中不发生变化；流体以高紊流流动，流体粘度忽略不计；温度 梯度为线性的。 他们的工作的主要进展，是较合理地引进了混合物的质量和体积的计算方法，油井 ( 油气水井) 内流动压力的计算达到了一定的精度，然而由于流动按均相流模型处理， 这种模型没有反映井内气液比、密度和粘度等参数随井深变化的特征。此方法适合于高 流量和低气液比情况，在低流量和低密度范围误差较大。虽然后来b a x e n d e l l - - t h o m a x 、 t e k 、f a n c h e r - - b r o w n 和h a g e d o r n - - b r o w n 对此作了不少改进，但这种方法已不在工程 中使用。 1 9 6 1 年r o s 和1 9 6 3 年d u n s - - r o s 的压降计算方法，是继p o e t t m a n n - - c a r p e n t e r 方法之后，对石油工业界有重要影响的又一种方法。为了全面描绘气液两相流动现象， 通过因次分析，r o s 确定出1 0 个无因次群，无因次形式的压力梯度可以用其他9 个无因 次群来表达。他指出，在铅直两相流动中，只有4 个无因次群是真正有意义的。r o s 在 长度为l o m 、直径为3 2 - - 1 4 2 3 姗的铅直管中进行了约4 0 0 0 次气液两相流动实验，获得 了2 0 0 0 个数据点，得到了流动形态分布图。 d u n s - - r o s 提出的无因次群对油井多相垂直管流方法的发展起了重要作用，由他们 在油井中开始使用的流动形态图方法至今还在深入发展。d u n s - - r o s 方法在工程上可以 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 达到很好的精度，它更适用于较短的管段，而对深度或压差很大的井，必须进行一连串 的分段计算。 1 9 6 5 年，h a g e d o r n - - b r o 啊m 为发展适合于长管的流动模型，以气液两相滑脱为基础 滑移模型建立了完全是经验性的相关式。其分析指出，两相流动的摩擦因数可由m o o d y 图表获得。在高流量情况下，能量损失的大部分是摩擦造成的，可用雷诺数来关联，两 相流摩擦因数的计算结果与单相流相近；在低流量情况下，静压梯度在总压力损失中起 主要作用，由于气液的滑移作用增大了静压梯度，计算结果与m o o d y 图表不相吻合，必 须计算持液率来修正摩擦因数，求解由滑移增大的静压梯度。在这种情况下，m o o d y 图 表的使用涉及到借助于混合物速度、粘度和密度重新定义雷诺数。尽管h a g e d o r n - - b r o w n 相关式是经验性的，但在应用中一直有较高的精度，滑移模型方法在水平多相流动中得 到了广泛的应用。 1 9 6 7 年，o r k i s z e w s k i 推广了g r i f f i t h - - w a l l i s 的工作方法，建立了覆盖所有流 型的垂直管两相流压降计算方法。泡状流用g r i f f i t h 方法，段塞流中的密度项用 g r i f f i t h - - w a l l i s 方法，摩阻压力梯度用o r k i s z e w s k i 的方法，段塞流与雾状流的过渡 区和雾状流均用d u n s - - r o s 方法。 o r k i s z e w s k i 采用了h a g e d o r n 的原始数据，并定义了一个随液体类型、粘度和管径、 流速变化的系数，这个系数称为液体分布系数g 。他认为液体分布系数g 隐含说明了这 一物理现象，即段塞流中的液体分布为液塞、气泡周围的液膜和气泡中的液滴。这些液 体分布的变化都将改变总的摩擦损失，这种摩擦损失基本上由液塞和液膜来决定。当气 泡举升速度为0 时，流型变成雾状流。o r k i s z e w s k i 的这种方法，使g r i f f i t - - w a l l i s 的段塞流计算延伸到高流量范围。 o r k i s z e w s k i 开始把反映两相流动机理的气泡举升速度概念用于油气垂直管两相流 压力降的计算方法中。他完整地给出了流动形态判别方法，并率先对每个流型单独进行 了计算。至此，流动形态模型法作为计算两相气液流动压力降的方法，在石油工业界的 应用已经形成。o r k i s z e w s k i 方法已被证明是计算两相流压力降的可靠方法之一。 1 9 7 2 年，a z i z - - g o v i e r - - f o g a r a s i 在g o r i e r 等人研究的基础上，提出了比d u n s - - r o s 更确切、简单的流动形态分布图。这种分布图流型转变界线明确，有表达式，计 算机处理方便。通过这种形态图识别流型被证明是较好的方法之一。 a z i z 等人是从气液两相流动机理分析出发，得出泡状流和段塞流压降计算方法的。 在泡状流中，扩散在连续油相中的小气泡及其混合物的运动，反映了泡状流的特征，气 3 第一章绪论 液相的密度差异使气泡的速度比液相速度和整个气液混合物的平均速度更快。在段塞流 中，流量的增加使大量的小气泡碰撞，合并成帽状气泡，即泰勒气泡，气泡间液体的运 动形成了段塞。 a z i z - - g o v i e r - - f o g a r a s i 在密度和摩擦损失项中，通过气液两相分离作用，引入当 地气相体积因素，显示了a z i z 相关式与均相流动模型在方法上的差异。这种方法在理 论上是合理的，己成为石油工业界广泛接受的方法之一。 1 9 7 3 年，b e g g s - - b r i l l 基于由均相流能量方程式的压力梯度方程式，以空气和水 为介质，在长1 5 m 的倾斜透明管路中进行了大量实验，得出了持液率和沿程阻力系数的 相关规律。b e g g s - - b r i l l 发现，持液率与角度之间有一定的依存关系。b e g g s - - b r i l l 根据不同的持液关系进行实验，以入口体积含液率为横坐标，f r o u d e 数为纵坐标，在双 对数纸上画出了水平流动形态图。由于大多数的研究都是集中在铅直流动或水平流动方 面，这些相关规律应用于倾斜流动时，常常是不成功的。只有b e g g s b r i l l 压降计算法 适用于具有任意倾角的管路。这一方法在井筒和集输管路上都得到了广泛的应用，但其 缺点是，对持液率的计算结果偏大，摩阻系数不连续，只预测水平管路的流型，在流型 分界处持液率的数值不连续。 1 9 8 0 年，t a i t e l - - b o r n e a - - d u k l e r 发表了垂直管内稳定向上气液流动的流型转变 模型化的文章，指出，过去的流型判别图大多以实验为基础，主要依赖当时的流量、流 体性能和油管尺寸。无论是用有因次数组，还是用无因次数组得到的流型图j 都没有足 够的理论基础使其结果更具普遍性。不同作者的流动形态图不一致，图中转变界线带有 随意性。用某一种管径和流体性能所得到的流动形态图是否能推广到其他情形，令人怀 疑。对流动形态转变没有完整的分析表达式。 t a i t e l 等人的工作起了承前启后的作用，t a i t e l 方法对近十几年来油气两相流的 研究产生了重要影响，使过去对压降计算方法的经验性研究转向了机理性研究。 1 9 8 6 年，h a s a n - - k a b i r 充分采用了t a i t e l 等人在气液两相流动转变机理分析方面 的研究成果，给出了各种流型下油井压力梯度的计算方法。h a s a n - - k a b i r 在泡状流到段 塞流的转变准则上，考虑到对油井方面的重要性，对t a i t e l 方法进行了修正，得出了 泡状流的判别准则。实验表明，在大气压条件下的静止水柱中，一旦气相折算速度v s g 超过0 0 8 8 m s ，段塞流就开始出现。h a s a n - - k a b i r 相关式预测了这一现象，而t a i t e l 相应方程的值偏低。在t a i t e l 等人引入的气泡极限上升速度v 。中，流型与管径无关， 而实际情况是，在小于4 5 7 2 m m 的小直径管内，液流在非常低的流量下已转变为段塞流。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 这时管内没有泡状流存在，这说明了管径对流型的影响。原因可能是由于形成两相流的 方法、系统振动和混合物速度( 剪切力) 等导致更早地形成段塞流，h a s a n - - k a b i r 相关 式正好阐明了这一点。 h a s a n - - k a b i r 分析指出，垂直管流中，除环状流外，重位压差占总压降的主要部分。 在某些情况下，如低含气率和低流量时，重位压差超过9 5 。无论是重位压差的液柱压 力还是摩阻压差的混合物密度，都需要计算当地含气率，因而正确估计管内的当地含气 率十分重要。 h a s a n - - k a b i r 在分析环状流时指出，液膜与管径相比，当厚度只有管径的5 时， 可以忽略。把环状流处理成比实际管径略小的单相气体流动，不计算含气率，但这时管 子中央核心部分的流体密度不同于单相气的密度，实际上仍是两相混合物流动，而且液 滴的流动速度比气相速度慢，液膜表面是波状的，确定合适的摩擦因数十分困难。总之， 假定液滴与管子中央核心部分的速度相等，利用气体状态方程，可得环状流总压力降相 关式。 h a s a n - - k a b i r 方法，虽然仍不能对搅动流进行模型化处理，在段塞流到搅动流转变 准则上，阐述也相对较弱，但这种以流动机理为基础的压力梯度预测模型已被石油工业 界广泛采用。 1 9 9 4 年，a n s a r i 等人把近年来对流动形态中的各个单一流型的机理研究成果组合 起来，如流型预测来自t a i t e l - - b a r n e a ，泡状流来自c a e t a n o ，发达的段塞流来自 s y l v e s t e r ，发展中的段塞流来m c q u i l l a n ，环状流来自h e w i t t 等；为适合油井垂直气 液两相流动的情况，对一些关系式的系数进行了修正，形成了一套详细的综合机理性的 压力降预测方法。 a n s a r i 的方法仍不能处理搅动流。搅动流被当作段塞流的一部分来处理。a n s a r i 用1 7 1 2 口油井的数据与6 个石油工业通用模型进行了对比，结果表明，该方法的整体 性能与其他6 种方法相当，并优于其他6 种方法。a n s a r i 方法在物理现象的描述和压力 降预测模型化处理上都比以往的方法更加严格、仔细、完整。该方法的实用性还需经石 油工业应用检验。 我国在多相垂直管流压力降预测方法的研究上起步较晚。1 9 7 9 年陈家琅提出了混合 物垂直管流压降计算的阻力系数法；1 9 8 4 年周维四提出了一个计算自喷井井底流动压力 的统计数学模型；1 9 8 6 1 9 9 0 年韩洪升、陈家琅提出了油井内多相流动压力分布的流动 形态法。总之，这些工作的开展，使我国在多相垂直管流的研究和应用上，缩短了与发 5 第一章绪论 达国家的差距，奠定了良好的基础。 1 2 2 水平井发展状况 1 8 8 2 年，美国在加利福尼亚洲圣巴巴拉的一口竖井中侧钻井眼，这是最早的分支水 平井的雏形。1 9 5 4 年，前苏联打成第一口9 0 。的分支水平井，5 0 年代前苏联共钻4 3 口水平井进行水平井试验，但由于各项技术不配套，虽能钻成水平井，但难以用于生产， 最后结论是技术上可行但无经济效益。5 0 年代中期至6 0 年代中期这十余年间曾是水平 井比较流行的时期，特别是分支水平井，作为一种提高产量的方法曾在前苏联以及美国、 加拿大、意大利等国家的许多油田受到重视，然而，由于当时技术条件的限制，这种钻 井方法是不经济的，尤其是与低成本的压裂处理相比更是如此因此，6 0 年代后期7 0 年 代中期水平井钻井急剧减少，仅在美国和前苏联少数油田钻成一些水平井【2 。 8 0 年代由于水平井钻井、完井工艺的不断改进，水平井钻井变得比较容易实施，并 显示出很大的经济效益，因而导致一个钻水平井的新的热潮出现。水平井因此成为对勘 探开发具有革命性变革意义的一项技术，并进入工业性应用的发展阶段。截止到1 9 9 2 年底，在美国己经钻了大约2 5 0 0 口水平井，到目前为止，全世界利用水平井进行开发 的油气井己超过2 0 0 0 0 余口。 在国内，“八五”、“九五 以及“十五期间，我国开展了对各项水平井技术的研究 和应用，取得了一些成果。我国已完钻水平井基本上覆盖了我国所有油藏类型，绝大部 分水平井较直井显示了巨大的优越性，并取得了良好的经济效益。 从目前国内外水平井的发展状况来看，水平井具体应用在以下方面： ( 1 ) 分支水平井开发成熟油田或枯竭油藏 采用分支水平井，即由主井筒向四面八方钻辅助井筒向生产层深入百余米，这些辅 助井筒作为排油通道把普通井之间实际上未曾投入开发的大片油藏连通，就经济效果而 言，其价值等于在完全建设好的矿场区内打开了新油田。在成熟油田利用原井眼侧钻水 平井眼进行二次完井已是一种技术上可行而更具经济吸引力的方法。 ( 2 ) 开发低渗透油气藏 对于产能很低的低渗透油气藏，钻水平井可以提高产量，其主要优点为： 增加泄油长度。 增大传导率。 通过水平井贯穿低渗透储层中的天然裂缝，而后还可对水平井进行增产处理，可 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 显著提高油气产量和采收率。 ( 3 ) 开发裂缝性油气藏 大多数油气储层天然裂缝的方位基本垂直或近似垂直，因此穿越多条裂缝钻水平井 是开发裂缝性油气藏的最佳方式。美国的大部分地区均已钻了水平井，主要用来开发天 然裂缝性储层。在意大利海上，应用水平并开发低孔隙度、多裂缝的石灰岩储层。在法 国，应用水平井提高天然裂缝性储层开发后期的产量。在澳大利亚用水平井开发裂缝性 页岩储层显示了良好的前景。 ( 4 ) 开发薄层油气藏 垂直井的采油长度就是油层的厚度，开发薄层均质储层，水平井的产量明显高于直 井。对于垂向渗透率相对较高的薄层油气藏，用水平井开发，优越性更为显著。 ( 5 ) 减缓气、水锥进，延长无水开采期 在底水和气顶油藏开发当中，如何减缓气、水锥进，延长无水开采期是一个需要解 决的重要问题。对于高流度比的两相流而言，几天就会见到水的突破，由于粘滞指进作 用，可以预料，实际见水时间甚至更早。应用水平井开发底水和气顶油藏，能使产能得 以提高。产能的提高导致粘滞力降低，从而可以大大提高临界流量。 ( 6 ) 改善蒸汽驱机理，开发稠油油藏 利用水平井进行稠油蒸汽驱的采油机理除了热力降粘和液力驱替外，还可增强排替 作用，解决或减弱蒸汽越项问题。水平井靠注蒸汽增加重力排替作用的采油方法对于超 重质稠油油藏尤其有效。 ( 7 ) 提高聚合物驱油效果 水平井能大大提高注入能力和区域扫油效率，尤其对聚合物和活性剂的注入很有 效。 ( 8 ) 改善水驱或注水 每口井周围都要产生明显的压力降，使油水界面变形，水转向生产井后被采出。如 果利用水平井开发，压力降就不象垂直井那样集中在某一点上，而是分散在比较长的泄 油井段上，因而压力降较小，油水界面的变形也小，而井到达油水界面的距离较垂直井 大，从而推迟水的突破，使含水率增加缓慢。 ( 9 ) 避免出砂事故 当开采疏松或固结不强的产层时出砂往往是一个严重的问题。出砂量与井眼附近流 体流速成正比由于水平井的泄油段长度远远大于垂直井的泄油段长度，因而水平井井壁 7 第一章绪论 附近的流体流速远远小于垂直井井壁附近的流体流速。 ( 1 0 ) 克服地面障碍 在开发某些地面有障碍( 如城市、大型水库等) 或地面条件不允许的油藏时，直井 可能无法利用，用水平井则可以很好的开发该类油藏，而且还能避免地面障碍及环境污 染。 根据美国所钻水平井的统计，其主要目的是用来横穿多条裂缝提高开发效果的占 5 3 ，用来控制和降低油藏的气或水锥进的占3 3 ，其它的用于水驱油藏开发和克服地面 障碍。加拿大用水平并开发稠油取得很大的成功，1 9 9 4 年完成的1 2 0 0 口水平井中用于 稠油油藏开发的占5 0 以上。从钻井的目的来看属于减缓气水锥进的占4 8 ，横穿地层 裂缝的占2 7 。 综合分析国内外水平井的状况可以看出，水平井开采技术应用于裂缝油藏和底水油 藏技术上比较成熟、应用范围较大，水平井开采稠油也取得较好的经济效益。但是，如 果油藏是明显分层的，且层间基本上不连通，那么其效果可能并不如垂直井。因此，非 均质性对水平井的产能有着重要的影响，而且非均质性分布的细节也将制约水平井最经 济的井段长度。水平井在曲流河环境中的应用表明，它在波及面积上可能具有优势，但 是也要考虑垂向分层，如果相互不连通的层数不太多，那么水平井可钻成阶梯状而穿越 这些层位，这时，如何在最高产能下安排各水平段的长度和位置就变得很关键。如果同 时考虑到经济效益和现有开采技术的难度，水平井适应的油藏类型还是有所限制： ( 1 ) 油气藏深度1 0 0 0 - - 4 0 0 0 m 一般认为浅油层( 小于1 0 0 0 m ) 打水平井不合算。技术难度大、曲率小、钻井花费大。 最大适应深度为4 0 0 0 m ，主要考虑井下测试工具，适应的井下温度为1 2 0 。c 一1 2 5 c ，按 3 0 1 0 0 m 地温梯度推算所得。如果地温梯度小，预计最大深度可达4 3 0 0 m 。 ( 2 ) 油气层的厚度大于6 m 油气层的厚度大于6 m ，主要有以下几个原因：井身轨迹的要求；我国小于6 m 的薄油 层多属河流相沉积，横向变化大，容易尖灭；在有气顶、底水油藏中水平井偏离油水或 油气界面的垂向距离至少4 m 。 ( 3 ) 油层厚度与系数乘积小于l o o m = ( k ) 2 ，反映油层各向异性。与h 的乘积小于l o o m 是据美国的经验定的， 其目的一是限制油层不能太厚，二是油层垂向渗透率不能太低。因为这两个因素对水平 井增产有较大影响。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 论文主要工作 ( 1 ) 研究目前天然气生产过程中井筒压力常见方法，了解各种方法的适用范围、局 限性，得到适用于涩北气田较好的计算方法。 ( 2 ) 研究气体在水平井垂直井筒和造斜段的压力计算方法，并且根据气井生产过程 中含水率的不同设计适用于不同含水率情况的算法，编制井底压力计算软件。通过该软 件分析井底压力的影响因素。 ( 3 ) 研究气体在水平井水平段的压力计算方法，对于有水和无水气体在井筒内变质 量的流动，通过耦合气藏模型来计算压力沿着井筒的分布，分析含水量对井筒压力的影 响，并编写水平段的压力计算软件。 ( 4 ) 通过软件计算涩北气田的井筒压力，并且与实际数据进行对比确定误差范围， 并且分析误差原因。 9 第二章基础物性参数计算 第二章基础物性参数计算 气藏中存在着主要流体是天然气和水。天然气是从油气田开采的可燃气体，它在各 种压力和温度下的物性参数( 如密度、压缩系数、粘度等) ，是气藏工程和采气工艺所 必须的基础数据，对于井筒压力计算也相当关键。在可能的情况下，应该直接通过气样 试验的方法进行测定。由于在实际气藏开发生产中不易获得实测值，因而采用具有代表 性的参数来计算地层流体的高压物性显得十分必要。 2 1 天然气物性参数计算 2 1 1 天然气的组成 天然气是以石蜡族低分子饱和烃为主的烃类气体和少量非烃类气体组成的混合气 体。对于一个油、气田来说，其所产的天然气含有哪些成分，每一组分又各占多少，对 于天然气的物质和品质影响极大 4 1 。 在天然气的组分中，甲烷( c h 4 ) 占绝大部分，乙烷( c 2 h 6 ) 、丙烷( c 3 h 8 ) 、丁烷 ( c 4 h l o ) 和戊烷( c 5 h 1 2 ) 含量不多。天然气中还含有少量的非烃类气体，如硫化氢( h 2 s ) 、 二氧化碳( c 0 2 ) 、一氧化碳( c o ) 、氮( n 2 ) 、氧( 0 2 ) 、氢( h 2 ) 和水汽( h 2 0 ) 等。 天然气中有时也含有微量稀有气体，如氦( h e ) 和氩( 心) 等。 各种组分在天然气中所占数量的比率，称为天然气的组成。各类油、气田中，天然 气的组成差异很大。不同的气田或裂缝系统，天然气的组成也不同。天然气的组成不仅 可作为气田分类的依据，也是地面天然气处理的重要依据。 2 1 2 天然气临界参数的计算 ( 1 ) 天然气的平均分子量 天然气是混合气体，无恒定的分子量，其平均分子量按k e y 规则计算 收= 咒m 2 - 1 ) 式中： 以天然气的平均分子量 乃、m 天然气中组分i 的莫尔分数和分子量。 ( 2 ) 天然气的相对密度 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如天然气与空气都取i 司一标准状态，天然气的相对密度可用下式表示： y ：鱼：丝：兰丝 j g p 口i rm 衙2 8 9 7 29(2-2) 式中： 以天然气相对密度； b 、纵同一标准状态下，天然气、空气的密度； 收、蚝天然气、空气的平均分子量。 ( 3 ) 拟临界压力取和拟临界温度的计算 由于天然气是以烃类气体为主而含有少量非烃类气体的混合气体，因此它没有固定 的临界压力和临界温度，它的临界参数均是由“组分分析计算方法 和“相关经验公式 计算方法 两种方法计算得出的，故被称为拟临界参数( 或视临界参数) 。 组分分析计算方法 若能实测出天然气的组成数据，可计算出天然气的拟临界压力取，拟临界温度乙 和平均分子量畋即： = m 几 ( 2 - 3 ) = 乃瓦( 2 - 4 ) 畋= m m ( 2 - 5 ) 式中： 咒第i 组分气体的摩尔分数，小数： 儿第i 组分气体的临界压力，m p a ； 瓦第i 组分气体的临界温度，k ； m 第i 组分气体的分子量，k g k m o l 。 相关经验公式计算方法 在缺乏天然气组分分析数据的情况下，可引用s t a n d i n g 提供的相关经验公式。 对于千气： 第二章基础物性参数计算 p 睇= 4 6 6 7 + 0 1 0 3 4 y g - 0 2 5 8 6 y ； 乙= 9 3 3 3 3 3 + 1 8 0 5 5 5 6 y g - 6 9 4 4 4 磋 对于凝析气( 湿气) ： p = 4 。8 6 7 7 0 3 5 6 5 y g - 0 0 7 6 5 3 y ； = 1 0 3 8 8 8 9 + 1 8 3 3 3 3 3 y g - 3 9 7 2 2 2 y 9 2 也可以用下面的经验关系式进行计算。 对于干气且0 7 以 0 7 对于凝析气且0 7 ： 0 7 p m = 4 8 8 0 3 9 y g 0 = 9 2 2 + 1 7 6 6 y g p 昨= 4 7 8 0 2 5 y g = 9 2 2 + 1 7 6 6 y g p d c = 5 1 0 0 6 9 y g t = 1 3 2 2 + 1 1 6 1 7g 以 o 7 5 ) ，用式 ( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 计算跟和y 肛会导致确定气体偏差系数的误差。同时指出，如采用s t e 、删 等人( 1 9 5 9 ) 的混合规划和进行必要的校正后，误差可以减少。 所用公式及校正步骤如下。 a 、计算s t e w e r t 等人提出的相关参数 ，= 三 。2 4 咒( 吾 ， + 詈 。，锄( 丢) 5 2 q 乏 1 3 第二章基础物性参数计算 磁 0 1 4 嘞酬 式中，j ，k 为s t e w e r t 相关参数。 b 、计算校正系数 2 ；：，= ： 。2 4 5 ，( 去) c ，+ - 詈 。，4 ，( 考 。5 二，+ 乃= o 6 0 81 f j + 1 13 2 5 f 孑- 14 0 0 4 f j y c 7 + 6 4 4 3 4 f j y ；7 + 删m 9 5 p c c 7 + 0 3 1 2 9 y c 7 + - 4 8 1 5 6 露7 + + 2 7 3 7 5 1 赢 式中： y c ，+ 庚烷以上组分的摩尔分数； ( p c ) 。，+ 庚烷以上组分的临界压力，m p a ； ( t ) m 庚烷以上组分的临界温度，k ； e 、勺、气校正系数。 c 、对j 、k 进行校正 j j = j 一l k i = k 一k d 、计算以、不 不：譬 7 以= 1 2 4 l l 1 0 t 等 p 0 和毫可用于查s t a n d i n g - k a t z 气体偏差系数的图表。 2 1 3 天然气偏差系数及其计算 ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 s ) 天然气偏差系数是指在某一温度和压力条件下，同一质量气体的真实体积与理想体 积的比值，其定义式为： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中： 圪实际气体的体积； 矿 z = 卫 形 同一状态下等质量气体理想体积； z 天然气的偏差系数。 ( 1 ) g o p a l 方法 g o p a l 对s t a n d i n g k a t z 气体偏差系数图板的曲线分段用下面直线方程进行拟合： 式中： z = ( 4 乙+ b ) + c 0 + d 拟对比压力，2 p p ： ( 2 - 2 9 ) 0 拟对比温度，易= 丁，。 将常数a 、b 、c 和d 代入上式，即可由式( 2 - 2 9 ) 求得天然气的偏差系数。 在不同的拟对比压力和拟对比温度范围内，a 、b 、c 、d 的值是不同的。 该方法的适用范围为：l 0 5 易3 一，0 2 p p , 1 5 一。 ( 2 ) c r a n m e r 方法 + 0 3 1 5 0 6 1 0 4 6 7 一可0 5 7 8 3 j + ( 0 5 3 5 3 0 6 1 2 3 露+ ( 0 6 8 m 刳。， 2 ( 0 2 7 ) ( z 巧) ( 2 - 3 1 ) 式中： 钐拟对比密度。 已知p 、t 求z ，计算步骤如下： 计算如、： 计算、易： 对z 赋初值，取z o = l ，利用式( 2 3 1 ) 计算5 1 5 第二章基