（油气田开发工程专业论文）水平井油气两相流产能预测方法与动态特性研究.pdf

s t u d yo no f f - g a s t w o p h a s ef l o wp r o d u c t i v i t yp r e d i c t i o nm e t h o d a n di n f l o wp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c si nh o r i z o n t a lw e l l at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f m a s t e r c a n d i d a t e ：l i ux i n g w e n s u p e r v i s o r ：p r o f l im i n g z h o n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 0 、 v l l p 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已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：三叠兰兰塞日期：砂年易月7 日 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门( 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 指导教师签名： 、 、 日期：沙f 年参月7 日 日期：如j 1 年多月、7 日 丫， 百 也 l 摘要 随着钻井技术的发展，在油气田开发中水平井的应用越来越广泛；油气两相流的产 能预测和动态特性是采油方式选择和举升参数配置的重要依据，因此，本研究意义重大。 本文结合油藏中的质量守恒方程和达西定律得到油气两相流体的三维渗流模型；应 用井筒中的质量守恒方程和动量守恒方程得到水平井筒的压降公式，水平井筒内两相流 体的流动用漂流流动模型处理，联立两个方程得到考虑井筒变质量流与油层中渗流的耦 合模型，将耦合模型在空间与时间上进行离散，采用n e w t o n - r a p h s o n 方法可求得水平 井的产能规律，这为水平井井筒参数和完井参数的优化提供依据。 对于溶解气驱油藏，采用e c l i p s e 油藏数值模拟软件中多段井模型建立了5 1 个模型， 综合考虑了油藏流体性质( 相渗数据、流体的高压物性参数和饱和度) 、油藏性质( 渗透率、 油藏厚度、流域面积和地层孔隙度等) 和水平井筒的性质( 粗糙度、井筒半径、井筒长度、 井身轨迹和表皮因子等) 对水平井流入动态的影响，该模型第一次在井筒流动中考虑了 变质量流动。将所有模型的i p r 曲线按照v o g e l 无因次化方法处理，用o r i g i n 软件进行 了大量的非线性拟合回归，依据前人提出的i p r 曲线相关式，本文提出了不同油藏采出 程度下的新无因次i p r 曲线相关式，可快速方便准确的预测水平井的流入动态。 关键词：水平井，耦合模型，产能预测，漂移流动模型，数值模拟，多段井模型 节一 ； k 、 k s t u d yo no i l - g a st w o - p h a s e f l o wp r o d u c t i v i t yp r e d i c t i o nm e t h o d a n di n f l o wp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c si nh o r i z o n t a lw e u l i ux i n g w e n ( o i l g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l im i n g z h o n g a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fd r i l l i n gt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r eh o r i z o n t a lw e l li sa p p l i e di nt h e o i la n dg a sf i e l dd e v e l o p m e n t s t u d yo no i l - g a st w op h a s ep r o d u c t i v i t yp r e d i c t i o na n di n f l o w p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c si nh o r i z o n t a lw e l lp r o v i d eb a s i sf o rt h es e l e c t i o no fo i lp r o d u c t i o n m e t h o da n dt h eo p t i m i z a t i o no fw e ub o r ep a r a m e t e r s b a s e do nm a s sc o n s e r v a t i o na n dd a r c yl a w , o i l g a st w op h a s et h r e e - d i m e n s i o n a l p e r c o l a t i o nm o d e li nr e s e r v o i ri se s t a b l i s h e d ；a n dp r e s s u r ed r o pm o d e lo fo i l - g a st w op h a s e v a r i a b l em a s sf l o wi nw e l lb o r ei sd e r i v e da c c o r d i n gt oc o n s e r v a t i o no fm a s sa n dm o m e n t u m i nt h ew e l lb o r e ，t h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft w op h a s ef l o wi nh o r i z o n t a lw e u b o r ei s d e s c r i b e du s i n gd r i f t f l u xm o d e l t h e s et w om o d e l sa b o v ea r ec o u p l e db yp r e s e r v i n gt h e c o n t i n u i t yo fp r e s s u r ea n dm a s sb a l a n c ea ts a n d f a c e l a wo fh o r i z o n t a lw e l lp r o d u c t i v i t yi s d e r i v e db yn e w t o n - r a p h s o nm e t h o da f t e rs p a c ea n dt i m ed i s c r e t i z a t i o no ft h ec o u p l e dm o d e l ， w h i c hi st h eb a s i sf o ro p t i m i z a t i o no fw e l l b o r eg e o m e t r i ca n dc o m p l e t i o np a r a m e t e r so f h o r i z o n t a lw e l l f o rt h es o l u t i o n g a s d r i v e r e s e r v o i r , c o n s i d e r i n g t h e i m p a c to fr e s e r v o i r f l u i d p r o p e r t i e s ( p v tp r o p e r t i e so fr e s e r v o i rf l u i d 、o i l g a sr e l a t i v ep e r m e a b i l i t ya n db u b b l ep o i n t p r e s s u r e ) ，r e s e r v o i rp r o p e r t i e s ( a b s o l u t ep e r m e a b i l i t y ，r e s e r v o i rt h i c k n e s s ，d r a i n a g ea r e aa n d p o r o s i t y ) a n dt h en a t u r eo fh o r i z o n t a lw e l l b o r e ( w e l l b o r er o u g h n e s s 、w e l ll e n g t h 、w e l l d i a m e t e r 、w e l ll o c a t i o na n ds k i nf a c t o r ) o ni n f l o wp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c si nh o r i z o n t a l w e l l ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e s51c a s e st h r o u g ht h eu t i l i z a t i o no fm u l t i - s e g m e n tw e l lm o d e li n e c l i p s er e s e r v o i rs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，w h i c ht a k ea c c o u n to fv a r i a b l em a s sf l o wi nw e l l b o r e o ni n f l o wp e r f o r m a n c eo fw e l l s b a s e do nv o g e l sd i m e n s i o n l e s si p rg u r v em e t h o d ，t h i s d i s s e r t a t i o nh a n d l e sw i t hi p rc u r v eo fa 1 1o ft h em o d e l s w h i l eal a r g eq u a n t i t yo fn o n l i n e a r r e g r e s s i o nf i t t i n ga r ed o n eb yo r i 西_ ns o f t w a r e a e c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sc o r r e l a t i o n so fi p r c u l v e ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e ws t y l ed i m e n s i o n l e s si p r c q a l v er e g a r d l e s so fd i f f e r e n td e g r e e s o fr e s e r v o i rd e p l e t i o n , w h i c hp r e d i c t st h ei n f l o wp e r f o r m a n c eo f h o r i z o n t a lw ，e l lm o r eq u i c k l y ：一 ， a n dc o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：h o r i z o n t a lw e l l ，c o u p l i n gm o d e l ，p r o d u c t i v i t yp r e d i c t i o n , d r i f t - f l u xm o d e l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , m u l t i s e g m e n tw e l lm o d e l o f 一 +￥ k 、 l 目录 第一章前言1 1 1 研究的目的与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 水平井简变质量流动及耦合产能模型2 1 2 2 水平井筒多相流4 1 2 3 溶解气驱油藏水平井的流入动态5 1 2 4 存在的主要问题6 1 3 研究内容及拟解决的关键问题。6 1 3 1 论文的研究内容6 1 3 2 拟解决的关键问题6 第二章水平井井筒变质量流动的压降模型7 2 1 水平井筒内流体流动特性7 2 2 气液两相流动的基本特征9 2 3 漂移流动模型。10 2 3 1 分布系数c o 的确定1 1 2 3 2 气液漂移速度的相关式1 2 2 4 水平井井筒油气两相流动压降计算模型1 4 第三章水平井油藏油气两相的渗流模型1 8 3 1 油气两相渗流的质量守恒方程1 8 3 2 油气两相的渗流方程2 2 3 3 渗流模型的辅助方程2 3 3 4 耦合模型的初始条件和边界条件2 5 3 4 1 耦合模型的初始条件2 5 3 4 2 耦合模型的边界条件2 6 第四章考虑井筒和油藏渗流耦合的水平井产能预测模型2 8 4 1 耦合模型的离散化2 8 4 1 1 网格类型和有限差分方法的选择。2 9 4 1 2 渗流模型空间与时间的离散化。3 0 4 1 3 水平井井筒离散化3 4 4 1 4 油藏边界条件的离散化3 6 4 1 5 水平井筒边界条件的离散化3 8 4 2 水平井筒的初始化3 8 4 3 耦合模型的求解。4 0 4 4 模型的可靠性验证和影响因素分析。4 3 4 4 1 模型的合理可靠性验证4 4 4 4 2 井筒长度的影响4 5 4 4 3 井简直径的影响。4 6 4 4 4 油藏初始含气饱和度的影响4 7 4 4 5 流体粘度的影响。4 7 4 4 6 地层绝对渗透率的影响。4 8 4 4 7 地层各向异性的影响。4 9 第五章溶解气驱油藏水平井无因次i p r 曲线5 1 5 1 溶解气驱油藏的i p r 曲线5 1 5 1 1 溶解气驱油藏流入动态曲线5 1 5 1 2 溶解气驱油藏水平井的i p r 曲线5 2 5 2 溶解气驱油藏数值模拟模型5 3 5 2 1e c l i p s e 油藏数值模拟器多段井模型简介。5 3 5 2 2 地质模型及油藏参数5 6 5 2 3 井筒内流体流动对井筒压力和入流量分布的影响5 8 5 3 溶解气驱油藏水平井i p r 曲线影响因素分析5 9 5 3 1 基本油藏模型的i p r 曲线5 9 5 3 2 油藏流体性质对水平井i p r 曲线的影响6 1 5 3 3 油藏性质对水平井i p r 曲线的影响6 4 5 3 4 井筒性质对水平井i p r 曲线的影响6 7 5 4 溶解气驱油藏水平井无因次i p r 曲线拟合及其相关式“7 2 5 4 1 无因次口r 曲线的相关式o 7 2 5 4 2 水平井无因次口r 曲线相关式7 3 结论。7 5 参考文献厶7 6 附录8 0 致谢。8 9 v x v ； l 、 j i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的与意义 第一章前言 近年来，随着钻井成本的降低以及技术的进步与完善，尤其是水平井在区块整体开 发方面得到了长足的发展。与直井相比，水平井在油层渗流特征及产能规律等方面都有 较大的差别 1 】，并在多方面具备显著的优势：在相同的流域面积下增加了油藏与井筒的 接触面积，渗流面积的增加不仅使水平井单井产能大幅度提高，而且降低油藏与井筒间 压差，而压差的降低又有效的减缓了底水油藏与气顶油藏的锥进。水平井特有的优势使 其应用范围越来越广，应用水平井开发油气田已经成为一种趋势【2 】。 国内外研究学者对水平井进行了大量的研究，发现水平井开采时，井筒沿程有流 体不断地流入，使得井筒中的流动成为一种沿流动方向质量流量逐渐增加的变质量流 动。由于油藏中复杂的地质条件以及水平井筒内流体的流动特点，故井筒内流体的流动 非常复杂，因此，研究学者对水平井筒变质量流动机理进行了深入研究，并结合油藏渗 流理论，建立了两相流动条件下考虑井筒变质量流与油层中渗流耦合的水平井产能预测 模型。但现有的井筒模型将井筒内两相流体流动按照均相流动模型处理，这样无法反映 气液两相之间性质的差异，从而导致较大的计算误差，为此本文拟采用漂移流动模型描 述水平井筒中油气两相流体的流动既考虑了气液两相之间的相对运动、空隙率和流 速沿横截面的分布规律，又保证了模型的连续性，从而建立一套科学的井筒油气两相变 质量流与油层中渗流耦合的水平井产能计算模型，并有效的提高了计算模型的精度。这 对于发展水平井的开采理论具有重要的意义。 水平井流入动态是采油工程合理选择采油方式及优选采油参数的依据，是分析油井 动态、制定增产措施方案及措施实施后效果评价的理论基础，因此，从采油工程的实际 需求出发，建立两相考虑井筒变质量流与油层中渗流耦合的水平井流入动态，不仅具有 重要的理论价值，而且对于现场快速合理地评估水平井产能、优化井筒参数和采油方式 以及优选采油方式等都将具有重要的意义。针对溶解气驱油藏水平井流入动态预测理论 存在的问题，使用e c l i p s e 油藏数值模拟软件中考虑井筒变质量流与油层中渗流耦合的 多段井模型，应用数值模拟方法对溶解气驱油藏水平井流入动态进行了研究，系统地研 究油藏、油井特性等因素对溶解气驱油藏水平井流入动态的影响，回归出无因次i p r 曲 第一章前言 线及方程。对不同类型油藏水平井油气两相流入动态特征进行分析，并用实例计算、甸 归、简化处理并得出评价。 1 2 国内外研究现状 根据水平井生产时油藏和井筒中流体的类型，对水平井产能求解时采用不同的研究 方法。其产能分析方法主要通过两种方法获得：解析法或半解析法和数值模拟方法。当 油藏中渗流和水平井筒中管流都为单相流时，一般采用解析法或半解析法，即在一定的 假设条件下直接建立符合物理规律的数学模型求解，通常采用等值渗流阻力法、瞬时点 源汇法、镜像反映、复势叠加法以及瞬时格林函数法等方法。当地层和井筒中出现气液 两相流动时的产能研究采用数值模拟方法。 1 2 1 水平井筒变质量流动及耦合产能模型 对于实际水平井中最常用的射孔完井方式包括全部射开或部分射开。s u 【3 】等人( 1 9 9 5 ) 实验研究了具有射孔孔眼的水平管道，根据实验条件与实验结果将压降分为四部分，明 显的缺陷是缺乏混合压降的准确计算公式。m a r a 【4 】等人( 1 9 9 3 ) 通过实验与理论研究和分 析了水平井筒气液两相流动，根据实验数据，从水平段趾端到地面分离器提出了一套计 算压力、流速和持液率分布的算法。在考虑和油藏之间的相互作用的同时，主要对水平 井水平段的流动进行了集中模拟。建立了在考虑流体从孔眼流入水平井筒的情况下的包 括加速压降在内的水平井筒压力梯度模型。o u y a n gl i a n g b i a o 5 ( 1 9 9 8 ) 等在现有的实验 条件和范围内，得出了考虑径向流入时不同流动形态的阻力系数，研究了单相、两相流 体在水平井筒内变质量流动时流动阻力计算模型；总结不同流动类型对阻力系数的影 响。研究了水平井筒内在考虑摩擦力、加速度、重力以及流体流入的影响情况下的压力 损失，建立了井筒流动与油藏渗流耦合的非稳态模型。 周生田【6 】等( 1 9 9 8 ) 利用用微元段流动分析水平井筒变质量分层流动，在忽略加速度 的影响的情况下，由气相、液相的连续性方程和动量方程，建立了水平井筒内考虑了流 体从油藏到井筒流动的影响的变质量气、液两相流动的压力梯度模型；考虑流体沿程有 径向流入时水平井筒的压力分布。周生i 丑e 7 j 等( 2 0 0 0 ) 设计并建立了水平井筒变质量流动 模拟实验装置；实验研究了射孔完井的水平井筒变质量流动，分析了水平井筒单孔眼段 三部分流动阻力损失：管壁摩擦阻力、混合损失和加速损失；处理实验数据得出了混合 损失和主流流速与孔眼流速之间的关系。周生田【8 】等( 2 0 0 9 ) 根据连续性方程、能量方程 2 鼙 u k 冬 l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 和动量方程以及研究现状与不足，推导得出了考虑摩擦、加速度和井筒壁面流入等因素 干扰的井筒压降计算模型，结合渗流方程得到稳态条件下的耦合模型，该模型可求得水 平井产能，并描述水平井流入动态。 刘想平【9 】等( 1 9 9 9 ) 导出了水平井生产时几种常见油藏类型的原油的三维稳态流动的 压力分布，并根据质量守恒原理及动量定理导出了水平井筒压降计算新公式；提出了考 虑了沿程流入对井筒内压降影响的油层中的渗流与水平井筒内渗流耦合的数学模型及 求解方法。吴宁 1 0 】等( 2 0 0 1 ) 发现水平井筒中的流动是管壁存在入流或出流的变质量流动； 需要修正或扩展常规水平管流的流型转换标准以适应水平井筒中的流动；得到水平井筒 分层流向非分层流流型转变、分散泡状流向间歇流流型转变、环空雾状流向间歇流流型 转变的判别方法，从而得出一种判别水平井筒内4 种基本流型相互转变的新方法。吴宁【1 1 】 等( 2 0 0 4 ) 推导得出一种考虑管壁入流或出流影响的水平井筒间歇流流型压降计算方法； 同时，设计并建立了模拟水平井筒流体流动的实验装置，通过实验获得了大量数据，与 导出公式求解的结果基本吻合，说明导出公式准确率较高。 张琪【1 2 】等( 2 0 0 2 ) 探索性的从理论和实验两方面对水平井筒气液两相变质量流的压 降计算与流型判别进行研究；建立了流型相互转变的判别模型以及分层流与间歇流的压 降计算模式，压降计算模型与实验结果在误差允许的范围内，说明计算模型精确度非常 高。段永刚【1 3 】等( 2 0 0 4 ) 建立水平井筒与油藏渗流耦合条件下的非稳态流动数学模型。王 小秋【1 4 】等( 2 0 0 5 ) 以无限大均质地层弹性不稳定渗流模型为基础，建立了与地层渗流耦合 的水平井筒压降模型，利用耦合模型结合具体实例求得水平井筒内的产量与压降分布， 进而得到射孔完井的水平井在耦合条件下的变质量流动特性。徐燕东【1 5 】等( 2 0 0 5 ) 流动分 析了水平井筒上存在孔眼的入流处的微元段，对微元段中气、液两相采用质量守恒方程、 能量方程和动量方程，得到相间不存在传质和等温稳态流动等条件下气、液两相的混合 损失计算模型，由求得的模型结合实例计算了不同入流角条件下水平井筒混合损失的 值。 水平井筒与油藏为油气两相的耦合模型研究相对较少。s t o n e e l6 】等( 1 9 8 9 ) 应用达西定 律和质量能量守恒定律描述两相流体在地层中的渗流，由各相的质量、动量和能量守恒 方程推导出井筒中的流动模型，联立两方面方程建立三相全隐式耦合模型。c c m n s 1 7 】 等( 1 9 9 1 ) 提出了一个模拟井筒内部和井筒附近影响的综合方法，井筒方程用这种方法或 有效的油藏数值模拟技术转化为与油藏流动方程类似的形式。f o l e f a c 1 8 】等( 1 9 9 1 ) 耦合了 一个井筒两相流动模型和一个油藏渗流模型，研究了不同的井筒参数下井筒中压力分 3 第一章前言 布；在井筒中两相流动模型是漂移流动模型。但该模型存在缺陷。s u 和l e d l 9 1 ( 1 9 9 5 ) 用 一个机械模型来区分流型以及计算管壁和界面剪切应力，在考虑井简中相变和热传递的 基础上用一个通用油藏模型中实现了一个瞬时井筒流动模型。于乐香 2 0 】等( 2 0 0 1 ) 建立了 油藏流体从水平井筒管壁流人孔眼段时井筒中的压力梯度模型，着重分析了井筒有效管 壁摩擦系数的影响；结合该模型即d i k l 【e i l 模型中关于整个水平段单位长度生产指数为 常数的假定的推广，建立了同时考虑油藏渗流和井筒流体流动的耦台模型。 综上所述，实验研究气液两相在井筒中的变质量流动时井筒流动和模拟的油藏流动 是完全分离的，但是井筒和油藏之间存在显著的相互作用，两种流动完全分离将导致水 平井的生产能力计算结果产生较大的误差：而气液两相流动时井筒与油藏的耦合模型只 考虑了分散流型( 包括泡状流和雾状流) ，流型不完整且没有考虑入流和射孔对管壁摩擦 系数的影响。 1 2 2 水平井筒多相流 l o c k h a r t 和m a r t i n e l l i e ：2 1 1 ( 1 9 4 9 ) 最先提出了两相流动时水平管中压降的一般规律，尽 管该规律存在缺陷，但为以后的研究奠定了基础。杜克勒【2 2 】等( 1 9 6 0 ) 在气液两相流动研 究方面做了大量的工作；两种方法都不需要确定流动型态，杜克勒第一法假设流体是气 液两相无滑脱的混合物；杜克勒第二法假定气液两相之间是有滑脱的，且液相速度与气 相速度之比是不变的，这两种方法的两相压降与单相压降的计算方法一样简便。格雷戈 里、曼德汉和阿济兹【2 习( 1 9 7 5 ) 分析加拿大卡尔加里大学的多相管流数据库，综合分析了 计算水平气液两相管流的1 6 种方法，得出了每种流动型态对应的最适宜的求解方法。 t a i t e l 和队姒e r 【冽( 1 9 7 6 ) 分析了水平和接近水平的气液两相管流的层状流的受力情况，求 得无因次的力学平衡方程式，全面的研究了各个流型的转变机理，提出了不同流型之间 相互转换的条件。 l a i l d m 趾【2 5 】等( 1 9 9 1 ) 人简化处理了井筒中的流动，体会到井筒流动和油藏渗流的耦 合状况；考虑到水平段压降由管壁摩擦和加速造成，但没有包括流体混合的压力损失。 s u t 冽( 1 9 9 4 ) 较全面考虑了影响水平井水平段压降产生的各种因素；但由于常规管道中的 紊流产生的机理与水平井筒不同，所以水平段压降的合理计算必须从压降产生的机理出 发。h e w i d u r ( 1 9 9 7 ) 实验研究了气一液两相流和液一液两相流的流型并做了详细的分析， 得出三个关于流型的重要的结论。 综上所述，对于水平井筒内气液两相流是在井壁上存在流入的变质量流动，在这种 4 鼍 v - l k t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 状态下得到流型转换的标准对于井筒入流与油藏渗流的耦合具有重大的意义。 1 2 3 溶解气驱油藏水平井的流入动态 v o g e l 利用数值模拟结果得出了溶解气驱油藏垂直井的产能，应用该方法对水平井 产能进行分析，因溶解气驱油藏中流体是油气两相的混合物，油藏流体的高压物性和相 渗曲线随地层压力的有明显变化，故随着流动压力的变化，溶解气驱油藏的油井产量是 非线性变化的，而依据两相流理论求解溶解气驱油藏中水平井产能的计算模型是非常困 难的。 s h e r a d 2 8 】等( 1 9 8 6 ) 采用油藏数值模拟方法求得水平井的无因次i p r 方程，其曲线的 形状十分接近v o g e l 2 9 1 ( 1 9 6 8 ) - 与f e t k o v i c h 求得的直井的i p r 方程对应的形状。b e n d a k h l i a 和a z i z 3 0 1 ( 1 9 8 9 ) 假设在盒状具有泄油边界的溶解气驱油藏中，水平井设置在油藏中部并 完全穿透地层，在不考虑水平井筒内压降的情况下采用三维三相的黑油模型求得水平井 的i p r 方程，并分析各种影响因素的影响程度；修改v o g e l 方程和f e t k o v i c h 方程以后， b e n d a k h l i a 组合这两个方程，其结果接近实际曲线，该模型计算溶解气驱油藏在不同采 出程度下对应的产能。r e t n a n t o 和e c o n o m i d e s ( 1 9 9 8 ) 利用油藏数值模拟器研究了溶解 气驱水平井流入动态，通过非线性分析得出了一组水平井无因次i p r 方程。 刘想平【3 2 】等( 2 0 0 0 ) 发现溶解气驱油藏用不同的流压生产，油藏的采出程度与平均压 力并不是一一对应的关系，改进其制作方法，以油藏平均压力为基础给出相应的i p r 曲 线；按照这一思路模拟三维流动模型得到该类模型的i p r 曲线，这样就有了油藏平均压 力和无因次i p r 曲线的形状之间的对应关系，最后提出了新型相关式描述该类油藏水平 井的无因次i p r 曲线。曾祥林 3 3 1 ( 2 0 0 2 ) 结合溶解气驱油藏中流体流动的非线性渗流理论， 得出了油井产量和压力的相关式，得到了新的无因次i p r 曲线相关式，该方程具有精度 高、适用较广的优点；提出了用数值模拟的结果拟合的方程验证了溶解气驱油藏水平井 新的i p r 曲线方程，为将来的研究奠定了基础。w a n g t 3 q ( 2 0 0 5 ) 依据现实状况提出了两种 模型( 模型的假设条件与下面模型的条件相同) ：一是不同油藏采出程度对应的水平井 i p r 曲线及其产能规律；二是油藏采出程度不明情况下水平井i p r 曲线及其产能规律。 综上所述，对于溶解气驱油藏，应用油藏数值模拟软件使用v o g e l 分析垂直井产能 的方法对水平井井产能进行研究能够获得类似垂直井v o g e l 无因次i p r 曲线，这样方便 现场应用，但文献中水平井无因次i p r 曲线末考虑井筒流体流动的影响，但是对于高产、 小井径的水平井会对产能造成较大的计算误差。 5 第一章前言 1 2 4 存在的主要问题 目前国内外学者对水平井产能预测方法研究已取得了一定的成果，但仍存在着一些， 问题和不足，归纳如下： ( 1 ) 气液两相流动条件下油藏与水平井筒的耦合模型中井筒流体的流动采用均相流 动模型，不能准确的描述流体在井筒中的流动； ( 2 ) 油藏渗流模型没有考虑由于水平井的存在造成的单元块中流体质量的损失； ( 3 ) 耦合模型没有考虑水平并井筒中的变质量流动以及井筒与油藏的相互作用对产 能的影响： ( 4 ) 研究水平井的流入动态时没有考虑水平井井筒中的变质量流动的影响。 1 3 研究内容及拟解决的关键问题 1 3 1 论文的研究内容 根据当前研究存在的主要问题及研究目的确定研究内容为： ( 1 ) 建立气液两相流动条件下考虑水平井筒变质量流与油层中渗流耦合的产能预测 模型； ( 2 ) 应用e c l i p s e 油藏数值模拟软件中的多段井模型模拟计算不同类型油藏，不同井 筒轨迹，不同井筒参数的溶解气驱水平井，求得水平井生产时沿井筒压力分布和油藏到 井筒入流量分布规律； ( 3 ) 对计算结果进行回归分析得到考虑井筒变质量流动以及井筒与油藏的相互影响 的溶解气驱水平井无因次i p r 曲线及方程： ( 4 ) 对不同类型油藏水平井油气两相流入动态特征进行分析，并用实例计算、回归 简化处理并得出评价。 1 3 2 拟解决的关键问题。 针对以上主要研究内容，论文的开展需要解决以下关键性问题： ( 1 ) 建立气液两相变质量流动条件下水平井筒与油藏渗流耦合产能模型； ( 2 ) 利用e c l i p s e 油藏数值模拟软件中的多段井模型计算不同类型油藏，不同井身轨 迹，不用井筒参数的溶解气驱水平井； ( 3 ) 对上述条件下的水平井在考虑变质量流动的条件下，溶解气驱水平井的生产模 拟数据进行回归分析得到i p r 曲线及方程，并且与耦合模型结果进行对比验证。 6 v 一 k k l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章水平井井筒变质量流动的压降模型 流体由油藏沿水平井筒各点以径向流动流入井筒，流入的流体与井筒内流体混合流 向水平井的跟端，所以只有水平井趾端与水平井的跟端之间有一定的压差才能保证水平 并筒内流体的流动性。早期研究水平井在地层中的渗流时，常常忽略了水平井筒内的压 降，认为井筒内压力相同，即把水平井筒看作是具有无限导流能力的，这种简化的假设 对于低渗透油藏和产量较低的水平井具有较高的精确度，特别是对于水平井井筒内流体 流动是单相流体的层流流动，这是因为油藏中流体渗流到水平井筒内的压力损失要比流 体在井筒内流动的压力降大得多，所以才有这么好的效果。但是在水平井筒内流体为两 相流体甚至是三相流体、水平井筒较长或油藏渗透率较高时，油藏渗流的生产压差与水 平井筒内流动的压力降差别不大，因此此时忽略水平井筒内的压降会造成较大的误差。 有以上分析可知，水平井筒内流体造成的压降不仅影响了水平井产能和生产状况，更对 水平井的油井工况分析、完井工程设计以及采油方式的选择等等的结果有深远的影响； 综上所述，水平井筒内压降影响了水平井流入动态关系的建立、水平井渗流方程的研究 以及水平井的产能模型的预测。 2 1 水平井筒内流体流动特性 在普通水平圆管内流体的流动，可通过质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定 律【3 5 】三个方程联立求得沿程的压力降，其总的压力梯度的表达式为： 去= ( 妾) 。+ ( 妾) ，+ ( 妾) 。 ( 2 1 ) 式中 罢沿流动方向的总的压力梯度； ( 罢) 。一重力压降梯度； ( 妾) ，一阻压降梯威 ( 妾) 。一加速度压降梯度； 对于普通的水平圆管内的单相流动，由于没有垂直；h - r 甸上流动和流速的变化，因此 重力压降与加速度压降都为零。水平方向用坐标x 表示，则式( 2 1 ) 就可以简化为： 第二章水平井井筒变质量流动压降模型 妾= ( 妾) ， 夕 ， 普通水平管道单相流体流动时的压力梯度公式可以依据流体力学中管流公式得到： 罢= 旯丛2 d 。，( 2 - 3 ) 出 、7 式中p 水平管道中流体的密度； y 水平管道中流体的流速； d 水平管道的直径； 名水平管道管壁的摩擦阻力系数。 通过研究水平井筒内流体的流动得出，水平井筒内除了有普通圆管沿井筒轴向的流 动( 称为主流) 存在外，还有从油藏到水平井筒的径向流动，如图2 1 所示。因此，与普 通的水平管道内的流动特性相比，水平井筒的流动特性有自己独特的特点，下面四点着 重介绍了水平并筒内流体流动特性： 图2 - 1 水平井井筒变质量流动示意图 f 蟾2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fv a r i a b l em a s sf l o wi nh o r i z o n t a lw e l l ( 1 ) 水平井筒变质量流。由于由油藏到水平井筒沿程各处存在径向流动，从井筒趾 端到跟端井筒内流动流体的质量流量越来越大，这种流动为变质量流，如图2 1 所示。 ( 2 ) 加速度压降的梯度不为零。因为水平井筒内流体的流动为变质量流动，故从水 平井指端到跟端沿程的流动流体的质量流量是越来越大的，因此在井筒条件不变的情况 下，流体的流速和体积流量同样越来越大，流速的增加使其加速度压降梯度不为零，所 8 i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 以不能忽略。 ( 3 ) 混合压降。由于油藏流体通过水平井筒沿程各处的径向流动，并且它与油藏内 的渗流相互影响，油藏渗流场的压力分布和水平井筒内的压力分布是相互联系的。由于 油藏流体的径向流入而引起的压降称为混合压降。 ( 4 ) 轴向流速剖面的变形和与油藏内渗流的耦合。由于油藏中流体到水平井筒的径 向流入，径向流入对管壁的边界层的摩阻系数造成影响，改变了壁面的摩擦阻力；径向 流入流体冲击轴向流动速度剖面，因此与普通的水平圆管的速度剖面相比有很大的不 同，沿水平井筒的轴向流动的速度剖面发生变化。水平井筒内压力分布和压降大小受水 平井筒径向流入的流量大小的影响，而从油藏径向流入井筒的流量大小同样影响井筒内 的压力分布，因而水平井筒内的流动与油藏内的渗流是耦合的。因此水平井筒内流体的 流动与普通水平管道内流体流动相比要复杂得多。 综上所述，水平井筒内流体的流动特性不能简单的用普通水平管道内的压力梯度模 型计算，而是应该根据水平井筒内流体的具体流动特性重新推导沿程的压力梯度模型。 水平井筒的单相流动模型比两相流动模型要简单得多。一般情况下采用均相流动模 型、分相流动模型或漂移流动模型等。在本文中采用漂移流动模型来处理水平井筒中的 气液两相流动。该模型认为两相介质已经达到了热力学平衡状态，并且对于产能结果的 预测具有较高的精度。 2 2 气液两相流动的基本特征 当油藏压力或水平井筒内的压力低于油藏的饱和压力时，原油中的溶解气开始分 离出来，形成气液两相流动。气液两相流动的流动特性比单相流要复杂的多，气液两相 流的基本特征【3 5 】，可以概括如下： ( 1 ) 气液两相流动中存在相界面，两相流体在相界面处存在相互作用力，并且在流 动过程中伴随着质量交换和能量的交换，不可避免的存在机械能的损失；两相流体与外 界也会发生相同的作用； ( 2 ) 在气液两相流动过程中，两相流体的分布状况很多； ( 3 ) 在气液两相的流动过程中，由于气液两相速度的差异，会出现滑脱现象； ( 4 ) 在水平井筒中，由于从油藏到井筒中径向流动，沿程流体的体积流量会逐渐增 加，但是其质量流量是不变的。 9 第二章水平井井筒变质量流动压降模型 2 3 漂移流动模型 朱伯( z u b c r ) 和芬德莱( f i n d l a y ) 依据均相流动模型( 均流模型) 与分相流动模型( 分 流模型) 和实际两相流动之间的差异，提出了漂移流动模型即漂移模型。均流模型用平 均的流动参数来模拟两相介质，但是没有考虑两相间的相互作用；分流模型在流动特性 方面不但分别考虑了每相介质，而且考虑了两相界面上的相互作用力，但是唯一的缺陷 是每相的流动特性仍是孤立的。但在漂移流动模型中，不但考虑了油气两相之间的相对 速度，而且考虑了流