羽状分支水平井结构优化

张 洪 何爱国

(1. 中国石油大学石油与天然气工程学院石油工程教育部重点实验室, 北京 102249;2. 中国石油钻井工程技术研究院, 北京 100097)

羽状分支水平井技术是一种新型钻井技术, 适合于开采高煤阶低渗透煤层中的煤层气, 集钻井、完井与增产措施于一体, 其钻井结构与产能关系密切, 多分支水平井井结构主要包括钻井长度 (主支及分支) 、分支数、分支角度及分支间距等。选择最合适的分支长度、角度、分支间距, 可以最大限度发挥羽状分支水平井的产能潜力。

1 参数优化

1．1 钻井长度

对于羽状水平井, 由于分支数较多, 且分支之间需要保持一定的分支间距, 相比简单水平井, 其主支长度需要增加。图1 至图2 利用ECLIPSE 煤层气模块模拟了不同长度主支产气量及每米进尺产气量, 考虑到简单水平井与羽状水平井主分支所起的作用都是产气的主通道, 具有相似的渗滤及产气功能, 而若按羽状水平井模拟, 主支长度变化, 分支的长度和支数也要变化, 无法了解产量变化是由主支长度变化引起还是由其它原因造成的, 因此用简单水平井长度变化来近似了解羽状水平井长度变化。图中模拟了 500m、800m、1000m、1200m、1500m、2000m 等6 种不同长度主支生产情况, 可以看出, 随着主支长度递增, 产气量在递增, 也就是说随着主支长度增加, 分支井产能会不断增加,但是考虑到千米后的钻井成本, 同时模拟了米进尺在不同长度下的产气量, 可以看到明显的变化 (图2) , 每米进尺1500m 最高, 也就是说, 主支长度达到1500m 以后每米进尺效率递减, 每增加百米钻井长度增加的气量在递减, 在主支1500m 附近, 一方面钻井成本在不断增加, 而另一方面增加百米进尺, 采气量在递减, 这就意味着在1500m 附近 (若放宽两边的范围, 即为1200～1800m) 存在主支最佳长度。

图1 不同主支长度产气量对比

图2 不同主支长度每米产气量对比

那么为什么会存在单位进尺增加气量的拐点呢, 可以用煤层气采出机理加以解释, 主支长度增加, 为了达到平衡, 分支的支数也相应增加, 末端分支距离排水采气的洞穴直井越来越远, 主支到一定长度造成排水困难, 从而影响产量。

1500m 左右的主支长度确定以后, 以此为基础确定最佳分支长度, 建立如图3 所示的模型, 主支为1500m, 分支选最为简单的类型, 即双对称分支, 使其长度变化分别为300m、500m、800m、1000m 变化, 模拟产能。可以看出, 随着分支长度增加, 产气量递增 (图4) , 但从米进尺产气量上可以清晰看出, 500m 分支长度具有最高米产气量,其次是800m, 而300m 则较低, 1000m 最低。考虑到成本, 分支长度可以在200～800m 间变化, 不要超过800m (图5) 。

图3 分支水平井分支长度优化模型

图4 不同分支长度产气量

图5 不同分支长度米进尺产气量

1．2 分支角度与分支间距

利用数值模拟的方法研究了鄂尔多斯保德地区中低煤阶煤, 两个分支的简单水平井在该地区的适应性, 并对其结构进行了优化。该地区中低煤阶,渗透率2～4mD, 属于较高的渗透率, 含气量平均7m3/t , 比较低, 厚度达到15m, 该地区虽然是中低煤阶, 但硬度较大, 渗透率和厚度较大, 割理较为发育, 可以考虑直井压裂或是比较简单的水平井, 因此一个主支两个分支的井型应该是适用的(图6) 。

图6 鄂尔多斯保德地区煤层气储层对应的分支水平井

在对该模型井型优化时, 分别考虑了30°、45°、60°三种角度。图7 展示了不同角度的产能,可以看出, 在分支间距一定的前提下, 随着角度增加, 产能明显增加, 同时考虑到钻到60°造斜非常困难, 而且对于具有非均质性储层来说, 45°可以均匀的分到面割理和端割理两个方向起到沟通作用, 因此我们优选45°。

图7 不同分支角度的产能比较

在主分支长度, 分支角度确定之后, 以之作为依据, 确立模型模拟最佳分支间距 (图8) 。分别模拟间距为150m、200m、300m、400m, 模拟结果可以看出, 日产气量随间距增大而增大, 但米进尺产气量以300m 为最佳, 因此分支间距可以考虑250～300m (图10) 。

图8 分支间距优化模型

图9 不同分支间距产气量对比

图10 不同分支间距米进尺产气量对比

1．3 分支数

在“主支控域, 分支沟通”的思路指导下, 主支长度及控制面积一旦确定, 分支数取决于控制面积内煤层的非均质程度, 非均质程度越高, 需要的分支数越大, 当进尺数一定的情况下, 增加分支数意味着降低分支的长度, 而对于沁水盆地、鄂尔多斯等含煤盆地, 其非均质程度不是很高, 而且在主支1500m 左右, 分支间距250～300m 之间的条件限制下, 分支数在8～10 分支即可。

2 优化后的模型

对各项参数优化后, 一个标准的羽状水平井优化模型见图11, 其主支长1200～1500m, 分支长度由水平井近端到远端依次递减, 取值100～800m,分支与主支夹角45 度, 分支数8～10。

图11 羽状水平井标准优化模型

3 结论

(1) 羽状水平井结构, 包括分支长度、角度、分支间距及分支数影响其产能, 存在最佳值使产能和经济效益达到最优。

(2) 在数值模拟基础上,对羽状分支水平井结构进行了优化,结果表明,最优的结构其主支长度1200～1500m,分支长度800～100m 依次递减,分支角度45°,分支间距250～300m,分支数8～10 个。

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