译文：水平井性能的全面优化.doc

水平井性能的全面优化摘要本文是讲述对水平井流动性能的精确预测以达到所要完成的最佳产量，水平井流动性能通常假设引导出有沿着水平井眼的统一流量剖面图，这个假设忽略了水平井眼中压力的漏失，并且能引起一个不合理的井身设计。此论文针对于通过结合储集层中流体流动来优化水平井性能提出了一个模式，在井眼附近砂岩中流体流动调节储层，在水平井井眼和油管处流体流动进入一个全面的压裂体系。水平井眼中可变的多相流多砧滑动体系和油管中流体上升的性能也都用来计算。总之，储层性质的影响、流体性质和井眼特性曲线以及井完成情况的不同，包括裸眼完井、割缝衬管完井、预充填砾石衬管完井和砾石充填完井，在井的性能上都得到了分析。根据下述现存的依据来鉴定合理的井身结构。本文能看出合理的模式不仅能够增强对储层和井眼间的复杂性干扰的理解，并且能够总的优化和调整整体体系的运行。例如：在井眼中气液流动特性的准确预测的情况下，建立详细的流动图样模式是很有必要的，因为大量气体的析出能主要地影响到总的压力漏失，油管的提取和生产量。另外一个例子是在整体的压裂体系中大多数压力是用来提取油管的，因此有效的油管升降设计能帮我们得到最佳的产量。用我们完整的模式在不同形式的砂岩控制完井的方法中可以鉴定出不同的影响，我们也能够测量出井身长度、井眼直径和得到气油比，用来作为影响井产量的主要依据。绪论与常规井相比，水平井能提高井的流入性能和生产速率，尤其是对于薄层储集层、天然裂缝储集层和气体或水锥进的储集层问题。由于钻井费用的昂贵，正常的水平井设计是为了获取好的经济效益。全部操作体系的流动行为包括储集层、砂控储层、水平井井眼和油管以及在优化井身结构上，整个水力压裂的每一部分是主要的信息来源，这和操作性能相互干扰。一些研究人员曾研究过水平井的流动特性，水平井流动特性的较早的研究通常是基于无限大导电性的井眼的假设和沿着水平井身恒定不变的压力。这个假设适用于简单的计算，但着计算通常是不准确的并且可能导致不合理的设计和预测。比如：在水平井的高生产率和多相流的情况下，压力混入井筒可能主要地影响井的流动特性1。通过公认的压力混入水平井井身剖面以及储集层和水平井眼间的干扰，一些研究2-7已被引导到这个工程上。Dikken5提出了一个简单分析方法，此方法是连接水平井中的单相油流到一个等温的储层流动，并且能预测沿着水平井身上的压力摩阻的损失。Islam6基于实验结果提出了一个物理模式，它描述的是在一口水平井中多相流穿过射孔孔眼，但是，储层中流体的流动、砂控储集层、水平井眼和油管间的干涉都没有在实验中用来计算。Ozkan7提出了单相流模式用来研究水平井筒压力剖面在井的生产量和现存的井身设计准则上的影响。在他的模式下，只有两种形式的流动模型，即层流和紊流，都是用来描述井眼内的流动特性和油管中压力下降对未测定的井生产量的影响。综上所述，不仅有许多有限的研究来寻址水平井的多相气液流和储层耦合，而且基本没有研究能充足地严密的在整个水力压裂体系中耦合，包括储集层、砂控储层，水平井眼和油管。多相流在井筒中是一个很复杂的现象，它依靠许多变量如：流体性质、流动速度、压力、温度和气油比等，并且需要很深的研究。尤其是对于沿着水平井井筒可变的多相流的以个更详细的模式被用来研究流动机制的复杂程度。在此论文中，我们能得到一个模式，它不仅能模仿和预测水平井眼和油管中的多相气液流动行为的能力，并且能得到整个操作体系的复杂耦合。模型描述假设这个模式的成立受以下条件的约束：i）这是一个储层的恒压外边界，并且储层中流体的流动被假定为单相油流，稳定状态和等温流动；ii）储集层中流体仅能垂直的流入到水平井井眼，并且不是沿着井眼方向；iii）水平井位于储集层的中心，并且平行的流向定压外边界，水平井眼部分是沿X轴方向扩展的，储层流体的流入速度和压力间是通过每单位井长的生产率指数JS来简化，这是独立的X轴方向；iv）水平井眼中的流动被假定为单相油流或者两相流（油和气），1达西可变的等温线流量沿X轴方向流动。流动方程。水平井的生产过程最先被认为是一个储层到井眼间的复杂的累计生产体系，这个结论在某种程度上不仅确保了最佳的设计和生产量，而且贯穿于整个生产体系。我们用节点分析法得到对系统性能的分析，这些节点处于不同的液压系统位置处，整个系统分为四个子系统：储集层流动子系统、砂控储层流动子系统、水平井眼流动子系统和油管子系统，生产系统的示意图如图1所示。第一个子系统是在井眼和储层间流体从储层流向分界面，随着裸眼完井方法的实施，表面压力和井筒压力相等，储层流体的流入速度和压力间是通过每单位井长的生产率指数JS来简化。由于常规的储层伴随着单相流和稳定流，所以采用了Joshi8的生产率指数解析的计算模式。同时，由于油井伴随着高的生产速率从而关闭井眼形成非达西流，因此在这个模式中惯性流的影响也得用来计算,井眼附近的高速流效应用下面的Forchheimer方程进行计算.（1）通过结合方程1，压力在储层和砂岩表面的下降而得到下面的方程，方程2展示了储层中流体的流入速率和井筒压力之间的关系：(2)(3) (4) (5)(6)(7)(8)(9)第二个子系统是流体在井眼附近的砂控储集层内的流动。高生产速率的井通常都是趋向于非胶结的砂岩储集层，因此砂控的方法就需要防止出砂。但是，同时砂控储层也会影响生产速率和流体流动性能，在这篇论文中我们要学习四种类型的完井方法，这些方法包括裸眼完井、割缝衬管完井、预充填砾石筛管完井和砾石充填完井。与裸眼完井相比，其他三个砂控完井的井眼压力和砂岩的表面压力不相等，因此存在一个附加压力混入到砂控储集层。由于完井方法的不同，砂控的机制和流动性能都是不同的。在割缝衬管完井这中，在衬管和砂岩表面由于砂粒析出而自然地形成一个砂岩储层，这个出砂导致了流体附加压力的下降。惯性和粘度的影响都被用在附加压力漏失的计算中。衬管和砂岩表面的压力下降也如下所示，(10),(11)(12),(13),(14)由于裸眼井的砾石充填，砾石充填在筛管和砂岩表面的空间中，砾石充填的产层将导致附加压力的漏失，这个附加压力用公式1510来计算，Cg和Dg的计算都是基于相同的因素即DL和DL.（15）由于预充填砾石筛管完井，砂控储层也引起附加压力的下降，这个附加压力由两部分组成：(1)在外围筛管和砂岩表面间的压力降；（2）衬管内部和外围的压力降；（16）和的计算是基于相同的因素即和 (17) (18)(19) (20) 第三个子系统是流体在水平井筒中的流动，水平井筒中的流动方程是在其可变的多相流流动形式下产生的。由于流体在水平井筒内的流动，水平井筒中的横流速度随着流动位置而增大，这主要是由于我们对单位井长的产量指数的假设是沿独立的X轴方向。压力和流动速度在储层和井筒分界面间的连续性是为了水平井筒和储层流动耦合的需求，为了分析水平井筒内的可变多相流行为，正如图2所示我们首先应该取得一个小的流动单元，然后根据下面的动量守恒方程，就通过以下不同的方程建立起水平井筒内流体的流动模式： (21) (22) 在可变的多相流流动条件下，井筒内的流动特性比那些常规的不变流动变的更复杂些。因此，它不适合描述仅有两种流动形式的井筒内的气液流动模式，经研究得出存在一个详细的流动形式趋向于水平井筒，它包括泡沫流、锥形流、层状流、波状流、段塞流、环形流和雾状流。沿着井筒的每一位置处的流动形式都用Beggs-Brill11流动模式来测定,我们认为在油和气之间存在滑脱效应。流体流动特性，比如持液率HL,它代表液相管子内的体积分数，并且摩擦因子是用特定的流动模式来定义计算的，在多相流中也能发现这些细节的相关性。第四种子系统是流体在油管内的流动，由于井筒中的流体速度恒定不变，因此井筒中的流体从水平井井底到井眼的流动和在井身中的流动是不同的。流动的计算需要考虑在流动行为中倾斜角的影响，气液混合流的一般稳定的能量守恒方程是像方程23建立起来的：(23)基于方程23，在倾斜和垂直井筒中的压力梯度方程是通过下面不同的方程来描述的：(24)在压力梯度的计算中，我们也可以在不同的井眼位置和条件（压力和温度）下用Beggs-Brill11流动模式方法来计算持液率HL和两相流的摩擦阻力因数。数值解。为了得到流量剖面和整个水力压裂体系的压力分布的最终解，这就要求结合四种流动子系统的全部流动方程。在流动方程中首先要确定储层和井筒内的流体性能，但是，流动性能是与温度和压力相关的，这些温度和压力都是我们要计算的未知参数。在流动性能，压力和温度中存在一个非线性和隐含的关系，因此，要得到这个问题的一个解析的解是不可能的，并且我们要力求一个数值解。在这个研究中，我们要应用迭代法计算方法，从外部边缘开始，这些包括压力，流动速度，流动性能和流动行为的未知参数需要同时解出，井眼内部边缘的压力用来作为迭代法计算的校验条件。最佳水平井长度。当水平井井筒内的压力漏失不能给忽略时，水平井的生产率也随着井的长度成非线性增长，因此对于水平井要确立一个最佳的井长。在这儿的最佳井长要确定为具体的长度，在这个具体长度上水平井筒内的压力漏失使得生产率降低了20%.结果和讨论用图表1中的参数和建立的模式来分析水平井生产体系的流动性能。井长的影响与无限导流能力和有限导流能力假设之间的不同。我们首先观察无限导流能力和有限导流能力中水平井产量的不同，在图3中，展现出在三种情况下井长对井的生产速率的影响，这三种情况包括无限导流能力，伴随着单相流的有限导流能力水平井和伴随着气液两相流的有限导流能力井。当井长短时，在这三种情形中生产速率的不同性是既小而且可以被忽略不计，但是，当井长足够长并且生产速率高时，由于水平井中压力漏失不能忽略以至于区别很大，在这种情形下我们不能把水平井视为无限导流能力的井，否则我们将建立错误的判定。图3也能表明单相和气液两相有限导流能力水平井之间的不同，由于气体从原油中的析出，这样就加强了井内的压力损失，气液两相流的井的生产速率比单相流井的生产速率小，图4表明了在这两种情形下压力漏失的比较。可变多相流行为的研究。图5到图8指出了水平井井筒内的可变多相流，图5表明在储层的不同位置流体的流入速度是不相等的，在每单位井长的恒定生产指数的假设下，水平井井筒底部的流入速度是最高的。图6清楚的表明水平井筒中的流动速度从井的前缘到底部都在增大，这就说明水平井筒内的流动有一个可变的多相流模式，图7描述了从前缘到根部所对应的压力分布，图8表明压力沿着整个井筒体系的分布，包括水平井段、倾斜井段和垂直井段（油管）。油管内的压力损失比水平井筒内的压力损失较大，因此，大多数压力能量被用在油管内流体的举升，但是，我们不能忽略水平井筒内的压力不同的重要性，因为水平井筒内的压力损失主要地能影响水平井体系的产量，尤其是当生产速率高时。多相流的影响。图9到图11表明气相对原油生产率的影响和井筒内的压力损失，图9中在280立方英尺/桶的生产气油比处，井的最佳生产速率是5817桶/日，并且最佳井长是1803英尺；在1684立方英尺/桶的高生产气油比处，井的最佳生产速率是4300桶/日，并且最佳井长是1246英尺。因此从较低的生产气油比能得到较高的生产速率，并且较高的生产气油比能得到较长的最佳井长，原因是井筒中较高的生产气油比内气相变为主要因素，井筒内的压力损失比较低的生产气油比井内的压力损失较大，这就导致了生产速率的减小，在井内伴随着高的生产气油比下，由于井筒内大量的气体增加了井筒内总的压力漏失和限制了油气产量的增长速度，所以不能为了达到高的生产速率而来建议增加井长。这个研究中也分析了水平井筒中可变的流动模式下生产气油比的影响。在低生产气油比的情况下，井筒内从井的前缘到底部的流动模式是从液流、锥形流变为层状流的；在高的生产气油比情况下，流动形式从液流、层状流变为段塞流。由于高的气油比，再加上大量气体的析出，井筒内存在一个长的段塞流区域。储层渗透率的影响。图12表明储层渗透率对生产速率和最佳井长的影响，在1000毫达西的渗透率下储层的最佳生产速率为3900桶/日，并且最佳井长是1344英尺；在200毫达西渗透率下储层的最佳渗透率为1918桶/日，并且其最佳井长为2623英尺。这个结果表明储层中在相对较低的渗透率下井长的增加能实现一个高生产速率的增长，但是对于高渗透率的储层就不是这种情形，当井长比最佳长度较长时，产量的增长将会减少。不同的完井方法中流动性能的比较。图13比较了三种类型完井方法的流动性能，明显的可以看出在裸眼砾石充填的砂控储层中压力损失是最低的，并且在三种完井中割缝衬管完井有最高的压力降，原因是由于砾石充填，砂控储层有最大的窜流区域和最高的渗透率，此图也表明在水平井筒的不同位置，砂控储层的压力降是不同的，在每单位井长恒定的生产指数的假设下，井底部的压力降是最高的。井底部流动性能的研究。在这个研究中建立了节点分析模式来分析整个水平井生产体系的流动性能，在新井的设计和检测中流动性能的分析关系是一个临界单元，并且存在生产井的优化。在水平井底部我们来分析流入性能和流出性能之间的节点关系，这表明了第四流动环节和另外三个流动环节间的相互影响，运用节点模式，我们能研究在生产速率上不同参数的影响。图14表明底部节点的流入性能，这反映出从储集层到底部节点的压力降和生产速率间的关系，底部压力和生产速率间的关系曲线表明，随着底部压力曲线在开始阶段的降低，当底部压力比泡点压力（泡点压力=1189.2帕）较大时，生产速率呈线性增长，但是当底部压力比泡点压力较低时，生产速率的增长率将变的越来越小。这表明当压力比泡点压力低时，气体的析出将导致储集层和水平段井筒内压力漏失的增加。图15表明根部节点的流出性能，这反映出从根部节点到井眼的压力降和生产速率间的关系，此图也能展示出油管的举升性能，在这个模式中，井口压力是稳定的（井口压力=145帕）。随着生产速率的增加，由于油管内部压力漏失的增加，需要高的举升能量来实现。不同油管直径的影响。图16表明在井的性能上不同油管直径的影响，对于不同的油管，流入曲线（HIPR）和流出曲线（HOPR）的交点是相匹配的点，这些点上的生产速率是相匹配的生产速率。随着油管直径变的越来越大，生产速率就不断增大，但是生产速率的增长率将降低，因此我们能断定在高生产率井中，一个很小直径的油管将增加油管内的压力漏失，并且能限制生产量。但是由于油管费用的昂贵，一个大直径的油管是不适用的，在我们研究的这种情形下，4.5英寸直径的油管是最好的选择。不同的水平井直径的影响。图17表明了不同的水平井眼直径对生产速率的影响，在井底部的流入曲线(HIPR)和流出曲线（HOPR）交点处的生产速率是匹配的生产量。大的水平井眼对生产速率是有利的，因为大的井眼压力漏失将减小。井口压力的影响。图18表明井口压力对生产速率的影响，我们能够得到一个最佳的井口压力来选择得到一个较高的生产速率，因为在整个体系中，这个最佳的井口压力比其他压力值能实现较低的压力漏失。结论从这篇论文中能得到以下的结论：1. 综合的模式不仅能更好的实现储集层、砂控储层和井筒间的相互影响的复杂性的理解，而且也能实现整个体系的最佳操作。2. 水平井筒内的压力漏失主要地影响井的性能，并且压力漏失不能被忽略。3. 必需建立井筒内详细的流体流动模式，在不同的流动条件下为了准确地预测，要考虑混合物性质参数的变化，并且描述了井筒内复杂可变的气液多相流的行为。4. 主要与单相油流相比，由于气体的析出，水平井筒内的压力漏失增加，这导致了产量的减少。5. 在整个水力压裂体系中，大多数压力都用来举升油管，因此有效的举升设计也能帮我们得到最佳的产量，选择合理的油管直径对优化油管举升是很重要的。6. 井长、渗透率和气油比都是影响产量的主要因素，在高渗透率的储集层中，如果水平井筒太长，它将对最佳的产量产生负面影响，在高的生产气油比的井中，大量气体的析出主要影响整个压力漏失、油管举升和生产量。7. 对于这三种不同的防砂完井，流动性能在砂控储层中是不同的，并且裸眼砾石充填完井有最低的压力漏失。符号说明=井筒的横截面积，平方英尺底层体积系数，地下桶/地面桶数=紊流系数，帕/（桶/日）2=井眼直径，英尺=流体的质量流量，磅/秒=常量重力加速度，32.174英尺/