底水油藏水平井中心管完井数值模拟及参数优化研究

杨青松，刘露，马震 （中石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西 榆林 718500）

汪志明 （中国石油大学 （北京）石油工程学院，北京 102249）

肖京男 （中石化石油工程技术研究院，北京 100101）

底水油藏水平井中心管完井数值模拟及参数优化研究

杨青松，刘露，马震 （中石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西 榆林 718500）

汪志明 （中国石油大学 （北京）石油工程学院，北京 102249）

肖京男 （中石化石油工程技术研究院，北京 100101）

从分析水平井开采底水油藏中存在的脊进问题出发，提出了采用中心管控水完井的思路。根据渗流力学、流体力学、油藏数值模拟，建立了水平井中心管完井多段井模型，研究了底水油藏水平井中心管完井长期入流动态规律。对比了分析不同中心管插入长度条件下调控入流剖面的效果，结果表明，在给定中心管外径与套管内径之比时，中心管的插入长度是调整水平井入流剖面的关键参数，且中心管的长度存在一个最佳值。实例结果表明，当中心管长度约为水平井筒长度的0.325倍时，能够有效改善入流剖面和井筒压力分布使其均衡化，并显著地延缓底水突破时间，有效地延长无水采油期，降低含水率和提高油藏采出程度，长期入流控制效果最佳。

水平井；中心管完井；底水油藏；多段井模型；数值模拟

同常规的直井相比，水平井能够有效增加与油藏的接触面积，改变近井地带的渗流方式，降低渗流阻力，因而可以用较低压差生产更多的油，从而有利于提高原油采收率。但是，由于沿水平井筒流动方向上摩擦压力降的存在［1，2］，导致在跟端处具有较大的生产压差，使得沿井筒长度方向上形成不均匀的入流以及在跟端具有较高的流量。在底水油藏开采过程中，这种现象容易诱发锥进现象发生，引起水平井跟端处过早见水，而且生产见水后含水率会急剧上升，产油量急剧下降，甚至不产油，造成其稳产时间短，降低油层采收率，严重影响水平井的开发效果。因此从完井的角度，研究水平井目标井段地层流体的入流规律以及控制方法对延缓见水时间、延长油井生产寿命、提高最终采收率具有重要的意义。

1994年Brekke［3］首次提出了采用中心管完井来调节井筒压力分布以延缓底水突破，增加无水采油量，如图1所示。随后Permadi［4］、Sinha［5］、Jansen［6］、熊友明［7］、刘均荣［8］、张淑 琴［9，10］等 分别从不同角度对中心管完井控制水锥的原理以及实验模拟进行了研究。目前，中心管完井优化设计主要依赖于静态模拟，没有考虑生产时间的影响，在整个生产过程中，中心管完井可能无法维持其最初设计的最优性能，这将使其应用效果降低，所以其稳定性和长期的控水效果至关重要。

图1 中心管完井结构示意图

因此，为了更好地控制水平井生产段底水的锥进，充分发挥中心管的稳油控水作用，笔者以底水油藏中心管完井水平井为研究对象，采用多段井模型，综合考虑中心管长度与井筒长度的比例、中心管直径与井筒直径的比例对入流剖面和压力剖面的影响，对底水油藏水平井中心管完井长期动态效果展开了数值模拟研究，基于水平井控水调剖原理，给出了中心管完井最优长度，以便为中心管完井参数优化设计提供指导性建议。

1 多段井模型

由于水平井生产时沿井筒方向上存在着摩擦压降，而传统井模型不能准确地描述这一过程，因此选择了Eclipse油藏数值模拟软件 （以下简称Eclipse软件），通过其中的多段井模型［11］来研究水平井中心管完井入流动态规律。

多段井模型是Eclipse软件中一个特殊的扩展模型，能够详细、灵活地描述流体在井筒中的流动，可以用来模拟直井、水平井、大斜度井及多分支井。与传统井模型相比，多段井模型能够准确地描述发生在井筒中的以下过程：沿井筒方向上流体饱和度的变化、井筒摩擦压降以及加速度压降、多相流动中各相之间的滑脱作用、井筒内的窜流、多分支井流动等。

在多段井模型中，将井筒分割成一系列连续的井段，每一个井段都由一个节点和一个流动路径组成，相邻井段之间通过节点和流动路径连接；同时井轨迹独立于油藏网格，每一个井段与油藏网格之间可以有一个或多个连接点，也可以没有，这取决于井段是否进行射孔，如图2所示。

图2 多段井模型示意图

在多段井模型中，每个井段都有各自独立的变量参数来描述局部的流动状况，在Eclipse 100（Eclipse是由Schlumberger公司开发的油藏数值模拟软件，主模拟器由Eclipse 100，Eclipse 300和FrontSim组成，其中Eclipse 100是全隐式、三维、三相、并带有凝析气藏选项的通用黑油模拟器，它是Eclipse软件的核心模拟器）中每段拥有4个变量：流体压力、总流量、持水率、持气率；在Eclipse 300每段有Nc＋2（其中Nc为烃组分数）个变量：流体压力、总摩尔流量、烃组分Mc。每个井段的变量是通过求解各相或各组分的物质平衡方程和压力降方程确定的，考虑了局部摩擦力梯度及加速度梯度。各井段压降可以采用均质流动模型来确定，其中所有相都具有相同的流速，或采用考虑相间滑脱效应的漂移模型。为了提高计算精度和增加模拟功能，井筒压降也可采用自定义的vfp表来替代。与标准井模型一样，多段井模型也采用全隐式处理，可保证解的稳定性。

2 数值模型的建立

由于水平井沿井筒有流体不断地流入，使得水平井筒中的流动成为一种沿流动方向质量流量逐渐增加的变质量流流动。根据油藏地质及水平段流动特点，还会出现油、气、水的多相流动，这使得水平段内的流动变得复杂起来，传统井模型不能准确地描述这一过程，而采用多段井模型可以很好地描述水平井筒中的复杂流动过程。

不同于常规射孔完井，在中心管完井中，水平井筒被分成两部分，流体的流动也由一段井筒流动变成了3部分流动，即：环空中的变质量流动、井筒中的变质量流动和中心管内部的流动。

在文中，基于多段井模型的基本原理，利用Eclipse油藏数值模拟软件Office中的完井模块，建立油藏模型及水平井中心管完井模型，模型中采用互相独立的井段分别代替中心管段、环空段以及无中心管的井筒段。如图3所示，所建立的水平井中心管完井多段井模型存在两个分支：环空段和井筒段，二者的流动在中心管段末端汇合，进入中心管形成普通管流。

图3 水平井中心管完井多段井模型示意图

3 基本算例

为了对水平井中心管完井效果进行评价，笔者通过改变中心管长度与井筒长度的比例，对不同插入深度的中心管完井进行了数值模拟研究。

建立了一个具有活跃底水发育的均匀箱型油藏模型，储层厚度为30m，油藏为均质等厚油藏，中心管位于井筒的中心。为了精细地描述生产井筒内部的流入剖面特征，模型中包含有30×20×10个网格，水平井筒位于油藏顶部与油水界面1／3位置处，相关基本数据见表1，油藏模型如图4所示。在模拟中，采取定产液量生产，忽略气体对生产造成的影响，同时模拟时间为10a，以便考察水平井在不同中心管长度下的入流动态规律，从而得出合理的分析模拟结论。

表1 中心管完井数值模拟所需基础数据

为了对比不同中心管完井条件下的动态结果，选取给定中心管直径，通过改变中心管长度的方法来模拟水平井目标井段入流动态，并将模拟结果与常规的射孔完井模拟结果进行对比，从而确定给定中心管／井筒直径比 （中心管外径与完井段井筒内径的比值）条件下中心管的最优长度。

通过模拟计算，得到了水平井中心管完井井筒内含水饱和度分布图、压力剖面和流入量剖面曲线。图5为典型的射孔完井与中心管完井两种情形下底水油藏含油饱和度分布剖面，其中：图5（a）为典型的常规射孔完井油藏含油饱和度分布剖面，结果显示在水平井跟端处存在着明显的底水锥进现象。这是由于沿水平井筒流动方向上摩擦压力降的存在，导致水平井从趾端到跟端的生产压差分布不均匀，且在水平井跟端处具有较大的生产压差，故易在跟端形成压降漏斗，使得在沿井筒长度方向上形成不均匀的入流以及在跟端具有较高的流量，引起底水脊进，因此导致在水平井跟端处容易过早见水，由于油水之间黏度的差异，油井见水后产水率会迅速上升，将会降低储层采收率，严重影响水平井的开发效果。图5（b）为同一模拟时刻下典型的中心管完井油藏含油饱和度分布剖面，结果显示水脊顶点由水平井跟端移至中心管的末端处，这是由于中心管的插入改变了井筒内流体的流动方向，使井筒内的压力重新分布，在中心管末端处生产压差最大，因而入流量最大。与常规射孔完井含油饱和度分布剖面对比可以看出，中心管完井条件下底水入流剖面更加均匀，可以有效防止井筒跟端过早见水，提高储层采收率。

图4 箱型底水油藏模型示意图

图5 两种完井方式下底水油藏含油饱和度分布剖面

在多段井模型中，通过改变中心管在井筒中的长度，模拟不同长度中心管完井条件下油藏流体向井筒流动的动态效果，再将井筒段和环空段的压力、井筒段壁面入流量数据导出，得到了在常规射孔完井和中心管完井条件下井筒压力分布和入流量分布剖面，如图6和图7所示 （Rsw表示中心管长度与井筒长度之比）。由图6可以看出，常规射孔完井时，沿水平井趾端到跟端，井筒压力逐渐减小。中心管完井时，水平井筒内存在着两个最大的压力点：一个位于环空跟端处，另一个位于水平井筒趾端处；同时井筒中还存在一个最小的压力点：它位于中心管的末端处，因此水平井在生产时中心管的末端处具有最大的生产压差，这也是水脊顶点由水平井跟端移至中心管末端处的根本原因。

从图7中可以看出，常规射孔完井由于沿井筒流动方向上压力降的存在，导致整个入流剖面成倾斜的 “U”型分布，在跟端处由于生产压差最大，因而造成入流量大。而在中心管完井条件下，由于中心管的存在，改变了井筒内的压力分布，降低了水平井筒跟端处的生产压差，井筒内的压力分布相对均匀，入流剖面也更加均匀；同时中心管在井筒中插入深度不同，入流剖面也存在差异。

图6 不同长度中心管完井条件下水平井筒压力分布示意图

图7 不同长度中心管完井条件下水平井筒入流量分布示意图

根据图7的模拟结果，在给定中心管外径与套管内径的比值下，通过调整中心管在井筒中的插入深度，即改变中心管与井筒长度的比例，可以实现入流剖面均匀的目的，达到最优的完井效果；因此，笔者选取了见水时间、模拟时间结束时最终含水率以及最终采出程度3个参数来评价水平井在射孔完井以及Rsw分别为0.1、0.2、0.25、0.275、0.3、0.325、0.35、0.375、0.4、0.45、0.5条件下的底水油藏水平井完井的长期动态效果。模拟结果显示：当Rsw＞0.5之后其完井效果显著降低，因此仅选择了以上11种中心管完井情形进行分析，统计结果如图8～10所示。

图8 不同中心管长度条件下水平井筒见水时间对比示意图

图9 不同中心管长度条件下水平井筒最终含水率对比示意图

从图8中可以看出，在常规射孔完井情形下，井筒在生产261d之后开始见水，模拟结果显示见水后采油量迅速下降，含水率急剧上升；同时随着中心管插入长度的增加，无水采油期逐渐延长，当Rsw超过一定值后，随着中心管插入长度的增加，无水采油期逐渐降低。此外，常规射孔完井的无水采油时间明显短于中心管完井情形下的无水采油时间。

由图9、10可以看出，随着中心管插入长度的增加，最终含水率逐渐降低，最终采出程度逐渐增加，当Rsw超过一定值后，随着中心管插入长度的增加，最终含水率逐渐增加，最终采出程度逐渐降低。

图8～10中的结果表明：相比常规射孔完井，水平井中心管完井能够显著地延缓底水突破时间，有效地延长无水采油期，降低含水率和提高油藏采出程度；同时在给定中心管外径与套管内径的比值下，中心管完井中存在着最优的插入长度。在该算例中，对比不同完井条件下的模拟结果，当Rsw＝0.325时，无水采油期最长，最终含水率最低，且最终采出程度最高，为该计算条件下的最优结果。

图10 不同中心管长度条件下水平井筒最终采出程度对比示意图

4 结论与认识

1）基于水平井控水调剖原理，采用数值模拟的方法，建立了水平井中心管完井多段井模型，对底水油藏水平井中心管完井长期生产动态进行了模拟，研究了给定中心管外径与套管内径的比值下中心管长度对控水效果的影响规律。

2）模拟结果表明：采用中心管完井能够有效缓解跟端－趾端效应，可以起到延缓底水突破时间、降低含水率、提高油藏采出程度的作用，有利于提高底水油藏的开发效果。

3）最优的中心管长度对于均匀油藏入流剖面和提高采收率具有重要的意义，在所给出的算例中，最优的Rsw＝0.325；中心管完井能够使井筒内的压力重新分布，有效调节井筒内生产压差分布使其相对均匀化，从而降低跟端处的大压差，改善水平井生产段入流分布，达到 “稳油控水”的目的。

［1］Dikken B J.Pressure drop in horizontal wells and its effect on production performance［J］.Journal of Petroleum Technology，1990，12（11）：1426～1433.

［2］Hill A D，Zhu D.The relative importance of wellbore pressure drop and formation damage in horizontal wells［J］.SPE100207，2008.

［3］Brekke K，Lien S C.Simple completion methods for horizontal wells improve production performance in high-permeability thin oil zones［J］.SPE24762，1994.

［4］Wibowo P.Horizontal well completion with stinger for reducing water coning problems［J］.SPE37464，1997.

［5］Sinha S，Kumar R.Flow equilibration towards horizontal wells using downhole valves［J］.SPE68635，2001.

［6］Jansen J D，Wagenvoor T A M.Smart well solutions for thin oil rims：switching and the smart stinger［J］.SPE77942，2002.

［7］熊友明，刘理明，唐海雄，等 .延缓和控制水平井底水脊进的均衡排液完井技术 ［J］.石油钻探技术，2011，39（4）：66～71.

［8］刘均荣，姚军 .改善水平生产井段流入剖面的尾管优化方法 ［J］.中国石油大学学报 （自然科学版），2008，32（3）：89～98.

［9］张舒琴，李海涛，杨时杰，等 .水平井中心管完井流入和压力剖面预测 ［J］.钻采工艺，2009，32（6）：43～45.

［10］张舒琴，李海涛，韩歧清，等 .中心管采油设计方法及应用 ［J］.石油钻采工艺，2010，32（2）：62～64.

［11］Holmes J A，Barkve T，Lund O.Application of a multi－segment well model to simulate flow in advanced wells［J］.SPE50646，1998.

［编辑］ 黄鹂

Dynam ic Sim ulation and Optim ization for HorizontalW ell Com p letion w ith Stinger of Bottom W ater Reservoir

YANG Qingsong，LIU Lu，MA Zhen，WANG Zhim ing，XIAO Jingnan (First Author's Address:No.1 Gas Production Plant，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Yulin 718500，Shaanxi，China)

Starting from the analysis of problems existed in the bottom-water reservoirs in horizontalwell production，an ideawas proposed forwater controlled completion using center casings.According to the principles of filtrationmechanics，fluid mechanics and reservoir numerical simulation，amodel ofmulti-section well for central casing completion of horizontal well production，the dynamic rules of long-term inflow in center casing completion of horizontal wells were studied in bottom water reservoirs.The effect of inflow under condition of different inserting lengthsof center casingswas contrasted.The result indicated that the comparison of the given center casing OD with casing ID presented that the insert length of center casingwas the key parameter of inflow profile adjustment forhorizontalwells，while there existed an optimal value of the center casing length.Case study result indicates thatwhen the center casing length is about0.325 time as that of horizontal section，its inflow profile and borehole pressure distribution can be improved uniform ly，thus the timeof bottom-water breakthrough can beevidently slow down for lengthening the period ofwater-free oil production，reducing water content and enhancing oil recovery and aswell as for the optimal effect of permanent inflow control.

horizontal well;center casing completion;bottom water reservoir;multi-segmentwellmodel;numerical simulation

TE319

A

1000-9752（2014）05-0110-06

2013-10-16

国家科技重大专项 （2011ZX05009-005）。

杨青松 （1987-），男，2012年中国石油大学 （北京）毕业，硕士，助理工程师，现从事气田开发、气井井下作业、提高采收率等方面的研究工作。