石油开采-气井产能分析及设计

1、石油开采-气井产能分析及设计,基本概念 产能： 一定回压下的产量（Deliverability） 产能试井(Gas Well Deliverability Tests)： 以不同的流量生产，测试其井底压力，反之亦然，也称回压试井(Back-Pressure Tests) 流入动态(Inflow Performance)： 井底压力与产量的关系 流入动态曲线(Inflow Performance Curve-IPR)： 井底压力与产量关系的曲线，也称IPR曲线,主 要 内 容,第一节 稳定状态流动的气井产能公式 第二节 拟稳定状态流动的气井产能公式 第三节 气井产能经验方程 第四节 气井产能试井

2、工艺 第五节 完井方式对气流入井的影响,第一节 稳定状态流动的气井产能公式,一、稳定状态流动达西公式 1、假设条件: 水平、均质K、等厚h、圆形气藏 单相气体 服从达西平面径向流,2 公式推导 达西公式：,天然气在 r 处的流量为：,qr-cm3/s; K-D, -cP, h-cm, r-cm, p- atm,（1）,因为：,qr标准状态下的流量,（2）,（1）代入（2），有：,（3）,分离变量， 得：,稳定流，外边界压力恒定，各过水断面的质量流量不变 qr= qsc,方程右端积分：,单位换算：,经单位换算后有：,（5）,Alhussaing和Ramey提出的拟压力定义式,（6）,（7）,使用

3、拟压力这一概念，式（5）可写为,（8）,式（8）还可以写为下面诸式,（9）,（10）,在r = re时，,（11）,（12）,目前，气田上仍习惯于用压力。如取平均压力 用 去求 和 ，并认为在积分范围内是常数，可移出积分号，则式（5）简化为：,（13）,（14）,（15）,例1 气井数据如下： h=9.144m，pe=31.8894MPa，pwf=16.548Mpa，g=0.76，T=395.6K 且re=167.64m,rw=0.1015m。假设气井流动符合达西流动条件，求产气量。,解：,表皮效应,二、考虑表皮效应的达西产能方程,1、表皮效应 由于钻井伤害或对储层进行改造，使得井底附近岩层渗

4、透性变差或边好的现象，称之为表皮效应. 用表皮系数S度量。,2、表皮效应造成的附加压降,Hawhins将表皮系数表示为,(16),K原气层渗透率；Ka变化了的渗透率； ra-污染带半径；,当 K= Ka，S=0； 当 K Ka，S为正值； 当 K Ka，S为负值；,将表皮效应产生的压降合并到总压降中，则稳定流动达西产能公式为,Pwf代替井底压力,例1中，若S=4或S=-4,求产气量的变化。,解：,三、非达西流动产能公式,1、非达西效应 达西定律：粘滞性流体实验得出，=层流流动。 实际情况：近井地带过水断面变小，流速增加， 紊流流动，=非达西流动,对于平面径向流（Forchheimer）,（24

5、）,式中 p压力，Pa； 流体粘度，Pa. S； u渗流速度, u =q/2rh，m/s； 流体密度，kg/m3 l线性渗流距离，m； r径向渗流半径，m； K渗透率，m2; 描述孔隙介质紊流影响的系数，称为速度系 数，单位是长度的倒数m-1,非达西流基本公式：,的通式为：,=常数/,其中常用计算公式为,式中，K的单位用10-3m2,将式（24）中的第二项即非达西流 动部分的压降，用符号表示，则,(26),在式（26）中，如将压力单位由pa换为Mpa；将,2、非达西表皮效应造成的附加压降：,考虑单位换算，有：,将和u的表达式代入上式，有：,并对其积分(rwre,pwfpe),式中 F非达西流动

6、系数,（27）,或：,（28）,（27A),(28)与(27A)比较，得到：,可视为一种压力扰动，流量一旦变化， 立即变化。这一附加压差也可以合并到式（21）或（22）中,(29),(30),3、产能公式:,4、视表皮系数,如前所述，式中S和 都表示表皮系数，前者反映井底附近渗透性变化的影响，后者反映井底流量变化的影响。 两者都发生在井底附近,在同一条压力分布曲线上难以区分。因此，常将S与 合并在一起，写成,(31),式中 视表皮系数,引入视表皮系数的概念，式（29）和式（30）可以写成,(32),(33),例3 在例1中，若S =1.5,qsc=11.2079万方/天,求(1)表皮效应引起的

7、附加压降；(2)非达西流动引起的附加压降；（3）这两种附加压降同时存在时的井底流动压力。,解：,(1)表皮效应引起的附加压降,解：,(2)非达西流动引起的附加压降,解：,（3）这两种附加压降同时存在时的井底流动压力,第二节 拟稳定状态流动的气井产能公式,一、产能公式 1、假设条件： 封闭、水平、均质K、等厚h、圆形气藏 单相气体服从达西渗流 拟稳定流,拟稳定状态：,在一定范围的排气面积内，气井定产量生产一段较长时间，层内各压力随时间的变化相同，不同时间的压力分布曲线依时间变化互成一组平行的曲线族。此时这种情况称为拟稳定状态。,2 产能公式推导 呈拟稳态实例：正常生产期内的压力消耗方式开发，多井

8、采气的气田。 拟稳态采气特点：气井采气全靠排气范围内气体本身的弹性膨胀，没有外部气源补给。 对此情况，由气体等温压缩的定义式可以推得,(34),式中V气体控制的烃孔隙体积； Cg气体等温压缩率； qsc恒定的采气量。,如上图所示的模型和导出达西产能公式作法，设想圆形气层中心一口井定产量采气，在任一半径r，流过的流量 与r到边界半径之间的气层体积成正比,式中 h地层有效厚度； 孔隙度； 换算到标准状态r处的流量。,(35),当r=rw时,rw re,可忽略rw,(36),(35)式,(36)式,（35）/（36）式,（37）,类似前节导出式（5）的思路，将式（37）中的代入式（2），可得：,（2

9、）,积分：,单位换算，有：,（38）,或：,因为 忽略 ， 则,（40）,或,（41）,当r=re时,（42）,对于拟稳定状态，一般不用不断变化难以确定的 ，而用气井控制气体积内的实际气体体积平均假压力或用平均地层压力表示，有：,（43）,将（41）代入（43），得,方程右边第二项,（44）,研究第一项积分：,研究第二项积分：,所以：,（46）,拟稳定状态虽属不稳定状态，但被视为一种半稳态,仍可按稳定状态处理。因此，前节所介绍的表皮系数S和流量相关表皮系数Dqsc 可代入式中。,（47）,（48）,如用压力表示，,（49）,（50）,利用气井试井资料确定气井产能方程时，可将将式（49）改写成下

10、面形式,或：,（52）,式中，A-层流系数,（53）,式中，B紊流系数,（54）,式（52）可表示为,定义：井底压力为零时，气井的产量。,3、气井绝对无阻流量AOF,第三节 气井产能经验方程,一、经验产能方程式 经验式，也称指数式：,（61）,式中 qsc日产气量,104m3/d； pR平均地层压力,Mpa； pwf 井底流动压力； C系数， 104m3/d （ Mpa ）-2n； n 指数；,n系数 （0.5n1） n1时为达西流，n=0.5，非达西流动，n由1.0向0.5减小，说明井底附近的视表皮系数可能增大。n1说明试井存在问题，须重新进行试井。,C系数,第四节 气井产能试井工艺,1地面

11、流程 不含硫化氢的干气井：主要设备是针形阀、流量计、油套管压力表、静重压力计、温度计、取样装置和大气压力计等。 若是生产井试气，一般原有的井场流程设备可以借用。 若是刚完钻的井试气，应准备放喷管线和临界流速流量计。,一 试井设计,对于凝析气井和气水井：井内的流体是气液两相，针形阀之后增加保温或防水合物设备及安装气液分离器、气液取样装置和计量仪表。,对于含硫化氢的气井：除设备、仪表和管线需要考虑抗硫材质和采取防硫措施外，应采用撬装式轻型硫装置处理含硫气体。若气体无法处理，应在远离井口（25m以外）安装离地高度不低于12m的火炬管线，在取得环保部门的同意下点火燃烧。,2仪表,对于气井， 需测试井口

12、最大关井压力、井口流动压力，套管压力表和油管表精度等级要符合试井要求，试井前必须用标准压力表或静重压力计校压，同时进行井口测压也是必要的。,对于气水同产井或井底大段积液的井，应下井底压力计测压。如果不可能，也只有根据地面生产资料进行计算。,生产井试气：气体流量一般都用孔板流量计测量。 新井试气使用临界流速流量计，对孔板、温度计和压力表应检查和校正。此外，对产气量、产油量的计量也应引起重视。 气体对温度十分敏感。试井前，确定取温点和校正温度计也要从严要求。,3放喷（井底有积液存在时）,需在较大的生产压差下，喷净井底积液。 如果气井是与集输管网相连，放喷意味着用较大的产气量多生产一段时间。 如果这

13、样作还不可能放喷干净，则有必要另拉放喷管线向大气放喷。,4安排测试气量的顺序,试井的最小流量和最大流量控制在不大于井口最大关井压力的95%和不小于75%。,流量的选择需在所确定的流量范围内，不会引起气井出砂或造成水的舌进或锥进。 对于气水同产井，最小产量应大于最小携水气量。 防止流量太大，造成井口温度过低或调压（节流）压差过大促进水合物的生成。 对于凝析气井，杜绝在地层或井底凝析出液烃 同时，流量的选择还要顾及工程因素。,通常试井的流量应是从小到大，按正顺序试井。 反顺序试井：可以提高井底温度，有利于防止水合物的生成；排除井底积液。,5确定压力稳定依据,低渗气藏：,高渗气藏：井口压力降低（如开

14、井）或恢复（如关井）的过程中，在记录压力后15（或30）分钟内，压力变化小于前一个记录压力读数的千分之一，即可认为气井已稳定。,6 几个基本概念,(1) 稳定测点：流量和压力都不随时间变化,一个流量和对应的稳定压力为一个稳定测点。 (2) 工作制度：在一个流量下稳定生产时的情况。与稳定测点相同。 (3) 改变工作制度：从一个流量稳定生产的状态改变到另一个流量稳定生产的状态。 (4) 产能试井稳定测点数：一般至少个测点。 (5) 测点顺序：正常顺序，流量由小大；反常顺序，流量由大小。,二、产能试井方法,常规回压试井 等时试井 修正等时试井,、常规回压法试井,(1)、试井步骤 、关井测压：测量最大

15、的井口关井压力 、开井试气：测点不少于4个，精确测量qsc和pwf。 qsct图 Pwft图,(2)、要求： 每个测点需稳定，即有四个稳定测点(qi,Pwfi)；,(3)、资料处理 、二项式：,、等时试井,(1)目的：缩短试井时间。 对低渗气藏，Pwf达到稳定的时间长。,(2)思路： 对前个流量，取较短的相同开井时间t进行测试，得个不稳定Pwf，求出B 第5个测点，为一稳定测点，可求A。,(4)试井步骤： qsct图 Pwft图,(5) 数据处理: 、除延时点外，个不稳定测点进行拟合，求得A(t)，B，或C(t)，n。 、利用延时点求稳定的A或C。例如过延时点作斜率为B的直线,截距为A。,、修

16、正等时试井,(1) 目的：缩短试井时间。对等时试井的关井压力恢复到PR作改进。 (2) 思路：将关井时间改为与开井生产时间相等。 (3) 步骤： qsct图、 Pwft图,(4) 数据处理： 、除延时点外，个不稳定测点进行拟合，求得A(t)，B或C(t)。 、利用延时点求A或C，例如过延时点作斜率为B的直线, 截距为A。,第五节 完井方式对气流入井的影响,基本完井方式：裸眼完井、射孔完、射孔砾石衬管完井。 一、裸眼完井 用途：碳酸盐岩和坚硬砂岩气层。,二项式: 污染表皮系数Sd：,二、射孔完井,(1) 用途： 多层气藏的分层开采 分层压裂 分层酸化 砂岩,(3)二项式：,Sp反映流线向孔眼汇集影响的系数； Sdp反映流体通过孔眼周围压实区和泥浆污染区影响的系数。 采用Mcleod公式计算。,dp速度系数，m-1， rp射孔弹半径，m； Lp子弹射穿长度，m； N 总射孔数。,三、射孔砾石衬管完井,(1) 用途： 高渗透、胶结疏松的地层，防塌、防砂。砾石尺寸是关键。出砂危害。,(2) 二项式：,AG砾石衬管层流系数（单向）； BG 砾石衬管紊流系数（单向）； KG 砾石渗透率，10-3m2； L 射孔长度，m； G 速度系数，m-1。,本 讲 思 考 题,1 稳定流和拟稳定流气井产能公式的形式有何异同，如何导出？ 2 如何利用三种试井资料求取产能二项式和经验公式？ 3 表皮系数的正