水平井产能分析理论与方法课件

1、水平井产能分析理论与方法The Art of Productivity Analysis for Horizontal Wells中国地质大学（北京） 王晓冬1石油的意义石油是地球赋予人类的宝贵财富，它推动了人类社会的文明与进步。石油是“黑色的金”、“工业的血液”。 石油工业的胜败兴衰直接影响了经济的发展、民族的兴旺乃至国家的安全。正是石油引发了海湾战争、科索沃的大爆炸、车臣境内的枪炮声。前法国总统的戴高乐将军曾逢时哀叹：“决定第一次世界大战胜败的是煤，法国没有煤；决定第二次世界大战胜败的是石油，法国没有石油”！石油是何等的不可或缺啊！石油是现代文明的神经动脉，没有石油，维持这个文明的一切工具

2、，便告瘫痪；我国石油工业本身就是国家综合国力的重要组成部分。石油对于任何一个国家都是一种生命线，它对于经济、政治、军事和人民生活的影响极大 。2006.1，科技大会制定十一五规划，“大型油气田和煤层气开发”是十六项重要专题之一。2提 纲 概述 普通水平井产能评价 分支水平井产能评价 压裂水平井产能评价 水平井的不稳态产能分析方法 总结3概 述4世界能源形势 在当今的世界能源结构中，石油与天然气占有重要比例。回顾历史，如图0-1所示，在19世纪以前世界主要能源是以木柴为主，至英国发生了以蒸汽机为标志的工业革命之后，煤的使用大量增加。1870年左右，煤代替木柴成为世界第一能源。在19101920年

3、间达到了高峰，这一过程持续了近100年。20世纪以来，以内燃机为标志的技术进步使得人们大量开发使用石油，特别是二次世界大战以来，坦克、飞机、大炮等需要大量石油，许多大油田均是在二战时期发现和开发的。二战以后大量廉价的石油被开发和利用，到1960年左右石油取代了煤成为世界第一能源。至19801990年间，石油在世界能源结构中所占的比例达到最高峰，占41。1999年世界各能源所占消费比例天然气为23.5，石油38.5，煤25.5。 5世界能源形势与海湾石油大国相比，中国不是一个富有石油的国家。IEA2004年的统计资料表明，常规石油探明储量中国是仅排名第十二位。2004年中国的探明石油地质储量为2

4、34亿吨，可采储量为65亿吨，剩余探明可采储量仅为23.7亿吨，而截止2003年1月1日，伊朗的石油剩余探明可采储量就是122.88亿吨。中国不是一个石油储量大国，却是一个石油生产大国。 图0-2常规石油探明储量前十位排名引自World Energy Outlook. (2004)7世界能源形势IEA2004 年的统计资料表明世界石油年产量排名前十位的国家分别是沙特、俄罗斯、美国、英国北海、伊朗、中国、中国在快速开采石油这样的一次性不可再生的资源！前景堪忧啊。 图0-3世界石油产量前十位排名引自World Energy Outlook. (2004)8世界能源形势IEA2004年估计说，随着经

5、济的发展，在未来的三十年内，中国的石油需求将以每年3.4%的平均速度增长，这一速度可能高于同时期世界平均水平的二倍。许多专家认为中国内地今后的石油产量可通过两条途径保持和提高，一是加强勘探，增加新区未探明储量；二是技术进步，提高老区原油采收率。中国陆上的多数油田由陆相沉积的非均质多油层构成，断层分布复杂，有效厚度偏小。诸多矿场成功实例表明，在中国国内水平井确实是一种提高原油产量的的可行技术，其应用前景广阔。 10水平井人类用水平井技术开发油气藏的历史迄今已有200多年。水平井最早出现于美国，但直到八十年代才开始大规模工业化推广应用，目前全世界已完钻水平井2万余口，主要分布于美国、加拿大、前苏联

6、等69个国家。 我国早在六十年代就在四川碳酸盐岩中尝试打成了磨3井和巴24井（采气）2口水平井，但限于当时的技术水平，未取得应有的效益。直到1988年，水平井开发技术才又重新兴起，首先在南海完钻LH1116水平井，并相继在胜利、新疆、辽河等油田开展攻关进而推广应用。到目前，胜利油田共完钻水平井500口，占全国水平井总数的80%。90s50s60s70s80s11中国南海东部流花11-1水平井1988年，Amoco东方石油公司在中国南海珠江口盆地2904合同区块的流花111构造上钻成了海上第一口水平井流花11-1-6井。到1989年1月在该构造上共钻井7口，经过试油证明该油田是一个深水、油层浅、

7、面积大、油稠、底水锥进快的礁块状油藏。该井采用当时世界上先进的导向钻井系统、顶部驱动钻井装置、MWD随钻随驯工具以及低毒性矿物油基泥浆等工艺技术，仅用20天时间就完钻，经过180天的EDST（延长钻杆试油）测试，结果与直井相比其底水锥进慢、产量高，含水也只有垂直井的一半（黄长穆、陈洪钧，1990）。流花11-1-6井为今后同类油田的开发提供了重要依据，也鼓舞了八十年代中国大陆水平井采油技术的开展。 南海东部流花11-1井试油喷出高产油流12水平井类型海油陆采水平井大位移水平井分支水平井阶梯式双水平段水平井短半径侧钻水平井14分支水平井类型15分支水平井17水平井机理水平井的优势具有比直井更长的

8、完井层段，能够产生较大的泄油区，可以改造断块型油藏的连通性，能够有效的抑制有底水或气顶油藏的水锥或气锥，具有水力压裂造缝所不能的合理的定向控制和长度控制。水平井实质水平井并没有改变油气渗流机理，油藏流体所遵循的渗流方程与直井一样，只是流体流入条件发生了变化，由此改变了流场。水平井本身不能提供任何附加能量以助开采，但它可以提高能量的利用率。研究表明，影响水平井生产的重要因素有构造描述、Pr、裂缝密度和方位、Kv、h、合理的Lw等。水平井比较适应于开发非均质、致密、低渗透以及薄层。对于解决油田开发后期出现的水锥、气锥和高含水问题，水平井也有显著的效果。应用发展趋势单井多井 非常规常规 地质导向等先

9、进技术无论用于何种油藏，最关键的是要根据油藏特性正确设计水平井段的位置和合理的完井。18水平井地质及油藏工程设计技术区块筛选油藏类型油藏地质条件初步经济评估适合目标区块精细三维地质模型剩余油分布规律目的层及位置合理布井方式井身轨迹优化油藏工程参数优化设计方案经济评估目标区优化设计方案19产能评价基础20产能评价的意义钻井采油以最小的成本，获得最大的效益追求最大采出程度追求最大采油指数用最简明的方式解决问题21产能评价基础渗流定律=Darcy公式定义： Darcys Law符号： Q= 流量 cm3/s A = 渗流面积cm2 m= 动力粘度cP dP= 压力差 atm dx= 长度cm K =

10、 渗透率 DHenry Darcy（1803-1858）出生于1803年06月10日法国巴黎东南部Burgundy地区Cote dOr 行政区的Dijon城，因肺炎卒于1858年01月02日 22产能评价基础平均地层压力平均地层压力Pavg：在渗流系统中，平均地层压力是泄流体积内压力分布的算术平均值 。对不同的渗流方式，这一公式有更具体的表达形式。在油气开采过程中，平均地层压力标志着泄流体积内的能量水平，对井的产量起决定性的作用，所谓井无压力不出油。对于给定的渗流系统可以通过矿场不稳定试井获得平均地层压力，通过理论分析得到平均地层压力与井底流压或边界压力的关系 24产能评价基础经典渗流方式所谓

11、渗流方式（Flow Pattern）指的是渗流场的一类表现特征，即流线和等势线按一定规律分布，它反映了一种特殊的渗流规律。 25产能评价基础流动状态(Flow Regimes)稳态渗流稳态渗流是一种特殊的渗流阶段，指的是渗流运动要素（压力、渗流速度、温度）只是空间坐标的函数，与时间无关，反之是不稳态渗流。在矿场上，有些油层具有活跃的边、底水，多数的油藏采用注水开发，这时由于有充足的能量补给而容易形成注采平衡，在供给边缘上地层压力保持不变。油井投产后，井底与供给边缘之间迅速形成压差，若井底压力不变则这种压差能够在一段时间内保持不变，由此形成稳态渗流。 拟稳态渗流如果压力扰动完全波及到了封闭边界，

12、地层将发生拟稳态渗流，产量完全来源于地层压力降落引起的流体和岩石膨胀，其特征是地层各处的压力降落速度相同，都等于泄流体内平均压力降落速度。 不稳态渗流平面线形流 平面径向流 空间球形流27产能评价基础平面径向流之Dupuit公式已知泄流边界压力已知平均地层压力28产能评价基础表皮因子若S = - 5及ksk：rs/rw=148.4一般单井泄油区：ln(re/rw)6 to 8 re/rw403.4 to 2980.8PwfrwrPfPR未损害区实际井压力损害区井轴线理想井压力rsh29-30产能评价基础储层各项异性含油地层为多孔介质，具有非均质特性如果多孔介质的渗流力学性质（如储容性）与位置相

13、关，即某点的性质明显与另外点不同，则称为非均匀介质如果多孔介质的渗流力学性质与方向相关，即某方向的性质明显与另外方向不同，则称为各向异性介质。由此又可将多孔介质简单分为：非均匀介质、均匀各向同性介质和均匀各向异性介质。渗透率可用一个二阶对称张量表示渗透率张量可变为对角张量研究水平井产能必须注意储层各项异性 31-32产能评价基础等值渗流阻力法（巴甫洛夫斯基）在二十世纪初提出了水电相似原理。达西定律和电学欧姆定律相似。在相似场中，多孔介质对应着导电介质，渗透率对应电导率，渗流速度对应着电流通量，流体势对应着电势，因此可以将电学的某些结果（例如电路的串、并联）借鉴到渗流力学中，用来分析某些情况下井

14、的产量问题。33- 并联电路问题 串联电路问题 34普通水平井产能评价35-二维近似方法普通水平井各项异性地层、裸眼完井、无限导流流场及其近似分解三个著名公式： op ，Joshi，Giger36op (1958)37Joshi（1987）38Giger (1988)法国学者Giger认为水平井的水平面椭圆泄流区半长轴可以用某个等效的半径reh来替代，结果Joshi公式就变成： 39对比分析图3.9-1水平井产量计算结果对比图40三维圆形封闭储层拟稳态产能公式通过积分叠加方法直接给出压力分布公式，然后通过对Bessel函数及其积分的渐近分析给出圆形封闭储层拟稳态产量公式：41三维箱形封闭储层拟

15、稳态产能公式2 Babu和Odech（1989） 422D/3D 对比分析432D/3D 对比分析442D/3D 对比分析？45其他复杂情形井网多井叠加(后面讲到)完井方式表皮因子46分支水平井产能评价47分支水平井48复杂分支水平井稳态产能分析思路单分支水平井稳态产能公式当量井径公式多分支的稳态产能公式和直井的产能公式对比压降叠加原理49当量井径若已知某种井型的稳态或拟稳态产量公式，为了对比方便，在Darcy渗流的条件下将该井型公式与普通完善直井产量公式相对比，当产量相等时得到的等效井筒半径为当量井径，用rwe来表示。普通完善直井的当量井径等于原始井径，而普通不完善直井（例如有近井地层损害情

16、形）的当量井径可用下式表示： 采用当量井径分析时，当量井径越大油井增产倍数越大，产量越高，产量具体值可通过直井相应的产量公式计算得出。 50复杂分支水平井稳态产能计算及分析利用当量井径模型将每个分支等效为一口直井，再应用多井压降叠加原则得到压力分布公式，进而导出产量公式。三分支对称水平井采油指数分布图51复杂分支水平井稳态产能计算及分析分支数不是越多越好随分支数增加，单分支采油指数逐渐降低。52复杂分支水平井稳态产能计算及分析分支数不是越多越好随分支数增加，总采油指数逐渐增加，但增加幅度逐渐变小。53复杂分支水平井稳态产能计算及分析各分支夹角和井长，可调整各分支采油指数。各分支的夹角影响各分支

17、采油指数的分布。54复杂分支水平井稳态产能计算及分析调整各分支夹角及分支井长度，可调整各分支采油指数。各分支的长度影响各分支采油指数。55压裂水平井产量分析方法56两种典型裂缝v hh57水力垂直裂缝参数说明图Vfphwf2xfVfpwfrf58压裂水平井产量分析方法单裂缝拟稳态产能公式单裂缝当量井径模型和直井公式对比:多裂缝产能公式压降叠加原理压裂水平井产量分析思路:59无限导流稳态当量井径模型60有限导当量井径模型 61多裂缝系统产能计算 利用当量井径模型将压裂水平井的每条水力裂缝等效为一口直井，由压力叠加可得出关于单裂缝流量的方程组: 方程组求解:62多裂缝系统产能计算63多裂缝系统产能

18、计算64多裂缝系统产能计算65多裂缝系统产能计算裂缝长度对总采油指数影响曲线66多裂缝系统产能计算67多裂缝系统产能计算裂缝导流能力对采油指数影响曲线68总 结691考察了现有的水平井二维近似分析方法。研究表明，二维的op公式是最基础的公式，著名的Joshi公式只对其进行了一个小的改进，在对等条件下两者的计算结果相差不大，而Giger由于椭圆泄流区半长轴的相对固定，当水平井较长时其近似效果可能不好，至于Renard-Dupuy公式只是Joshi公式的另一种写法。702根据当量井径模型、利用压降叠加原理建立了不同布井方式下的分支水平井产能评价方法分析了等长、不等长分支井的产能分配及采油指数，结果认为如果水平井的分支数适当增加，可引起各分支的采油指数下降、总采油指数增加；如果分支数过分增加，总采油指数的增加幅度将不断减小因此在钻井设计时，并不是分支数越多