水平井调流控水筛管完井设计方法研究

赵 旭 姚志良 刘欢乐

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

随着对油气田开发的进一步深入，水平井调流控水筛管完井技术相继在冀东、大港、胜利、塔河等油田进行了试验应用，取得了较好的效果，但由于调流控水筛管完井技术采用的是一种相对“被动式”的完井技术，在使用中需要合理配置控水筛管的安放位置、节流参数、分段参数，因此完井参数优化对调流控水筛管的完井效果起着非常重要的作用［1-5］，国外各大石油技术服务公司把完井参数优化设计方法作为水平井调流控水筛管完井技术体系中的一项核心技术。基于此，本文通过对水平井调流控水筛管的工作原理及流动耦合模型的分析，建立了一套水平井调流控水筛管完井优化设计方法，并结合实际数据进行了分析。

1 水平井调流控水筛管完井流体流动过程

水平井调流控水筛管完井技术是指在普通筛管端部加装节流控制器，通过设置不同的节流控制器的流动参数并结合水平井合理分段技术实现对地层流体流入的合理控制，以达到地层流体均衡流入的目的［6-8］。

水平井调流控水筛管完井流体流动路线如图1所示。地层产液首先进入调流控水筛管与裸眼井筒间的环形空间内（见图1a），在该空间内存在轴向流动和横向窜流，然后流体通过控水筛管的滤砂层进入滤砂层和基管之间的环形空间，不同的控水筛管内该环形空间是不连通的，进入该环形空间内的流体通过节流装置进入基管内（见图1b），整个水平井段基管内是由趾端到跟端的变质量流动。

图1 水平井调流控水筛管完井流体流动路径示意图

2 水平井调流控水筛管完井耦合模型

水平井调流控水筛管完井设计需要考虑以下3个影响因素［9-11］：水平井调流控水完井分段方法的建立与分析；水平井调流控水筛管节流装置完井参数的优选；水平井调流控水筛管节流完井管柱的建立，三者相互影响又相互依存。

依据流体从油藏流入油管的过程，水平井调流控水筛管完井流动耦合模型可分为3个子模型［11-15］。

2.1 油藏渗流模型

油藏渗流模型指流体从油藏边界到近井地带边界的渗流。油藏渗流模型是进行一切调流控水完井优化设计的基础，模型分析方法主要有数值模拟分析方法和Joshi模型分析方法。其中数值模拟分析方法需要收集大量的油藏、地质、钻井及完钻资料，设计过程较为复杂，需要专业油藏工程师来进行设计，但分析结果较为准确。相对而言，Joshi模型分析方法较为简单，但对于复杂油气藏的计算精度较差。

2.2 井筒入流模型

井筒入流模型指流体从近井地带边界到基管的流动。井筒入流模型包含3个流动过程：地层和筛管之间的流动、筛管和基管间的流动、流经调流控水节流装置的流动。在这3个流动过程中地层和筛管之间的流动、筛管和基管间的流动可采用能量守恒和动量守恒来进行描述，需要合理设置边界条件和划分网格，而流经调流控水节流装置的流动跟节流控水装置采用的节流方法有直接关系，目前国内外的节流控水装置（简称为ICD）主要分为3种类型：喷嘴型、流道型和螺旋型，这3种ICD的节流计算公式如下。

（1）喷嘴型ICD完井筛管节流计算公式

式中，Δpcons为收缩效应产生的压降，Pa；Δpfric为通过管子系统的摩擦压降损失，Pa；Cu为单位转化常数；Cv为流量系数；ρ为混合流体密度，kg/m3；υc为混合流体通过压缩装置的速度，m/s；f为导流管摩擦系数；L为管道系统的额外长度，m；D为导流槽的等效直径，m；υp为混合流体通过导流槽的速度，m/s。

（2）流道型ICD完井筛管节流计算公式

式中，Δp为通过节流管的流体压降，Pa；ρ为通过节流管流体的平均密度，kg/m3；Vtube为通过节流管的流体流速，m/s；Qtube为通过管的流体流量，m3/s；A为节流管横截面积，m2；Ltube为节流管长度，m；Dtube为节流管直径，m；K为局部水头损失系数；f为摩擦系数；N为平行分布的节流管数目。

（3）螺旋型ICD完井筛管节流计算公式

式中，ρcal为校准流体密度，kg/m3；μcal为校准流体黏度，Pa·s；ρmix为混合流体密度，kg/m3；μmix为混合流体黏度，Pa·s；aICD为控水装置强度，经验常数；qICD为ICD体积流量，m3/s。

2.3 基管内流体多相管流模型

水平井调流控水筛管基管内流体的流动是指地层产液流经筛管后进入筛管中心管内后的流动，随着流体由水平井趾端流向跟端，基管内的流体不断增加。基管内流体多相流流动可按照水平井筒单项流体变质量流摩阻计算公式结合流体加速度压降以及井壁流体附加阻力计算公式进行计算分析。

3 完井优化设计方法

3.1 静态模拟参数设计方法

水平井调流控水筛管完井静态模拟参数设计方法主要是通过井轨迹、井径、测井渗透率、含油饱和度等完钻资料对水平井段合理划分流动单元，并结合邻井产量、生产压差和单井合理配产等确定每个流动单元的配产情况。该方法具有以下优势：（1）具有快速灵活、操作简单、方便设计等优点，能够较快地进行完井优化设计及参数敏感性分析，能够分析在不同调流控水完井参数条件下的井筒入流剖面的变化；（2）能够在油藏数据相对较少的情况下对完井参数进行优化设计；（3）能够以油藏模拟数据为基础进行完井参数优化设计，以提高模拟准确性；（4）油藏渗流模型一般采用常规产能预测公式，但在油藏数据充足且要求设计准确性较高的情况下可以采用油藏数值模拟分析结果进行优化设计。

3.2 动态模拟参数设计方法

水平井调流控水筛管完井动态模拟参数设计方法是一种考虑完井优化设计效果随时间变化的一种完井优化设计方法。考虑到调流控水筛管完井技术是一种初期损失产能的技术，通过限制水平井边、底水的快速提升来提高油藏的最终采收率，因此水平井调流控水筛管的完井参数设计不能仅以油井初期投产时的相关数据为其设计依据，从整个油藏生命周期总采收率角度设计和优化完井参数。

水平井调流控水筛管完井动态参数模拟设计方法主要具有以下特点：（1）能够预测在不同时间段内的水平井底水上升变化情况、产油情况以及分析储层的最终采收率；（2）以大量实测数据以及相邻区块、相邻井的相关数据为基础，对储层及工程参数分析较为深入，进行完井优化设计的结果准确性较高；（3）任意时刻油藏建模拟合分析的结果可作为静态完井参数优化设计的基础数据；（4）建立油藏数值模型以及完井参数优化分析模型的过程较为复杂，需要进行多次历史拟合，设计过程较为复杂。

动态模拟参数优化设计方法也采用1.2节中所建立的水平井调流控水筛管完井参数优化设计模型，只是在油藏渗流模型中采用数值模拟的方法来描述流体在油藏中的流动，在一定程度上提高了设计准确性。

在数据满足要求、条件允许的情况下，水平井调流控水筛管完井优化设计一般采用静态模拟参数设计与动态模拟参数优化设计相结合的方法。

4 应用实例

4.1 油藏基本参数

选取塔河油田一水平井数据进行计算分析，该井基本参数为：地层压力48.87 MPa，地层原油黏度1.73 mPa·s，密度 901 kg/m3，油层厚度 14 m，原油体积系数1.34，水平井筒距油水界面10 m，水平段长度270 m，裸眼直径149.225 mm，生产压差1 MPa，根据实际电测结果沿水平井段渗透率分布如图2如示。

图2 实测渗透率分布曲线

由图2可以看出，该水平井段可以分为2个高渗透段，平均渗透率分别为197 mD和104 mD，中渗透段平均渗透率为42 mD，低渗透段平均渗透率只有3 mD，渗透率差异较大，现使用建立的水平井调流控水筛管完井优化设计方法计算分析不同完井条件下地层产液沿水平井段入流剖面的分布，为合理选择完井参数提供依据。

4.2 调流控水完井参数优化设计分析

合理分段是进行水平井调流控水筛管完井优化设计的基础，根据该井实测渗透率的变化，将该水平井分成4段，分段位置分别为：4 852 m、4 924 m、5 016 m。

4.2.1 油嘴敏感性分析 油嘴敏感性分析主要是分析在水平井所处油藏条件下水平井调流控水筛管油嘴大小对产能的影响程度，根据该井所处油层地质数据、流体数据及实钻数据，建立油藏数值模拟分析模型（如图3（a）所示），将该模型作为进行水平井调流控水筛管完井优化设计的描述油藏渗流的底层模型，将其代入到1.2节中所建立的模型中，计算出水平井整体采用调流控水筛管完井后的产能与油嘴直径的变化关系，如图 3（b）所示。

如图3（b）所示，采用水平井调流控水筛管完井后通过调整调流控水筛管节流油嘴大小能够实现对水平井产能的有效调节，从图3可以看出，随着节流油嘴直径增大，水平井产能先是明显增大，随后产能增加趋势逐渐变缓，当节流油嘴直径大于3 mm后继续增大节流油嘴直径，水平井产能增加幅度大幅减小，继续增加油嘴直径已经不能明显增加水平井产能了。这说明该井水平井调流控水筛管完井优化设计采用直径为3 mm以下的油嘴才能进行有效调节。

图3 油嘴敏感性分析图

4.2.2 入流剖面分析 入流剖面分析是进行水平井调流控水筛管完井优化设计的关键，根据建立的模型将渗透率数据进行平滑处理后计算出裸眼完井和采用油嘴直径为5 mm的控水筛管完井入流剖面图，如图4所示。

图4 入流剖面分析

从图4可以看出，在裸眼完井条件下水平井入流剖面按照分段位置被分为了4段，不同分段内的入流剖面由于储层物性差异有明显不同。由于该井后半段储层物性较好，储层后两段入流剖面要远远高于储层前两段，如按照此方法进行完井，该井后半段会由于产液量过高而导致底水快速锥进。从图4可以看出，裸眼完井的产能为38.754 5 m3/d，而采用节流油嘴直径为5 mm的调流控水筛管完井的产能为38.729 m3/d，两者的产量基本一致。能够得出整个水平段采用节流油嘴直径为5 mm的调流控水筛管完井没有起到节流效果。为了控制水平井后两段的入流剖面，将后两段油嘴直径调小为0.5 mm，其计算结果如图5所示。

图5 调流控水筛管完井入流剖面分析图

图5中蓝色曲线是水平井前两段采用5 mm油嘴、后两段采用0.5 mm油嘴的调流控水筛管完井后的产量入流剖面图，通过与图4对比可以看出，由于采用了小直径油嘴，水平井后两段产量被明显控制下来，但流入剖面的形状并没有发生变化，只是整个入流剖面出现了整体下降，水平井后两段的产能较裸眼完井时下降了约60%，进而也导致了水平井的整体产量明显下降（20.649 m3/d）。为了保证水平井产量，采用提高整个水平井段生产压差的方法来提高调流控水筛管完井后的产量，图5中红色曲线显示的是在上述完井条件下采用提高生产压差的方法，使采用调流控水筛管完井后的产量与裸眼完井产量相同时的水平井入流剖面图，可以看出，水平井低渗段产量大幅提高，水平井入流剖面相对均衡。通过计算可知，水平井前两段产能提高了2.23倍，而水平段后两段高产液段的产能却被调低了35%，实现了对整个水平井段的调流控液。

但调流控水筛管完井技术是一项减低产能的技术，通过该技术实现对水平井整个产液段的调流控液需要储层本身具有较强的供液能力，这样才能发挥调流控水筛管完井的控液作用，也才能保证进行水平井调流控水完井参数优化设计有意义。

4.2.3 产能分析 产能分析主要是分析进行入流剖面设计后所优选的水平井调流控水筛管完井参数对整个水平井在不同开采阶段的影响，分析采用调流控水筛管完井后水平井产能及含水率随时间的变化规律，进而进一步优选水平井调流控水筛管完井参数。

根据所建立的油藏数值模型和经过初步分析得出的水平井调流控水筛管完井参数的优化结果，运用数值模拟软件进行水平井累计产油量和含水率随时间的变化分析，其计算结果如图6所示。

图6 产量随时间变化对比

图6显示了采用水平井调流控水筛管完井后的两种节流油嘴参数条件下的累积产油量以及含水率变化，可以看出，采用在水平井后两段1.6 mm油嘴，水平井前两段5 mm油嘴的调流控水筛管完井参数设计方法随时间变化的累积产油量要高于整个水平井全采用5 mm油嘴的调流控水筛管完井参数设计方法，其含水率上升速度要慢于整个水平井全部采用5 mm油嘴的调流控水筛管完井参数设计方法。采用调流控水筛管完井压低高渗段产量的完井方法，要优于整体采用5 mm油嘴的完井方法，说明采用减小油嘴控制产量的方法，控制了水平井底水锥进。

5 结论

（1）水平井调流控水筛管完井设计技术是调流控水筛管完井应用的基础，采用静态模拟参数设计和动态模拟参数设计相结合的方法，能够提高设计结果的有效性。

（2）合理分段是水平井调流控水筛管完井优化设计的基础，调流控水筛管完井参数的优化只能改变同一分段内的整体流入剖面，而不会对同一段内的局部流动剖面产生影响，对于储层物性变化复杂的储层，在条件允许的情况下应多分段。

（3）使用调流控水筛管完井技术调整水平井的入流剖面，需采用调整生产压差以及优化节流参数的综合控制方法，对于地层能量充足的井，调流控水完井效果更明显。

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