水平井均衡供液完井静态控流参数设计

陈 阳彭志刚郭立强张建国李 伟王绍先

（1.中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017；2.中原油田勘探开发科学研究院，河南郑州 450046）

水平井均衡供液完井静态控流参数设计

陈 阳1彭志刚1郭立强2张建国1李 伟1王绍先1

（1.中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017；2.中原油田勘探开发科学研究院，河南郑州 450046）

针对胜利油田水平井均衡供液完井技术不完善，且面临单井产量低、投产层系复杂等诸多问题，建立了一套均衡供液完井技术“静态控流参数”设计方法，依次分为生产段分段、各投产井段配产、各投产井段节流压降设计和控流参数优化设计4个步骤。生产段分段以减小投产层系非均质性和封隔物性差异大的相邻层段为目的；底水和边水油藏分别使用“见水时间一致”和“均衡供液”的原则进行各投产井段配产；制定适当的跟端流压，优化各投产井段所需节流压降；适当选择控流井段盲筛比，保证控流筛管发挥良好的控流特性。实例计算结果表明，使用“静态控流参数”方法设计出的均衡供液完井管柱的控流效果明显。该设计方法简便实用，为均衡供液完井技术在胜利油田的推广应用提供理论支持。

水平井；完井；流入控制器；控流参数优化

近年来裸眼井下筛管完井成为国内各大油田水平井的主要完井方法，但跟–趾效应和油藏非均质性使得油藏无法向水平井均衡供液，如果存在边底水，容易导致水平井投产后短期内含水率迅速升高甚至水淹停产。均衡供液完井技术作为一种有效控流手段已在国外广泛应用［1］，在胜利油田却尚未完善，因此引入国外相关技术很有必要，但胜利油田面临单井产量低且投产层系复杂等特殊情况，不允许直接照搬国外技术。针对上述情况，初步建立一套均衡供液筛管完井“静态控流参数”设计方法［2］，该方法使用现场常规的地震解释数据、测井解释数据和生产测试资料即可进行有效设计，具有方便实用的特点。

1 均衡供液完井技术简介

均衡供液完井管柱具有管外水力学节流能力，在水平井生产段适当位置制造适当大小的节流压降，抑制高渗透层段的泄流强度，增强低渗透层段的泄流强度，从而达到油藏向水平井均衡供液和实现全井投产段同时开采的目的，管柱结构见图1。

图1 均衡供液完井管柱

（1）控流筛管。在需要防砂的油藏中，控流筛管由流入控制器（ICD）和滤砂管集成而成，同时具有控流和防砂的作用。在无需防砂的油藏中，流入控制器可单独以短节的形式存在。流入控制器分为多种类型，限于篇幅，本文选择节流喷嘴型流入控制器进行分析。通常情况下，每个流入控制器内部配置2至4个对称分布的节流喷嘴，以对冲形式抵消喷嘴射流对管壁的冲蚀作用。

（2）盲管。盲管不具备流体通过管壁的通道，在控流筛管附近串联适当数量的盲管，可使得控流筛管汇集更多油藏产液，有利于充分发挥其控流性能。

（3）常规筛管/滤砂管。为保证低渗透层段泄流强度，可使用常规筛管/滤砂管而无需控流。控流筛管抗堵塞能力不强，在投产层系情况复杂条件下应保证常规筛管/滤砂管的使用数目。

（4）管外封隔器。卡封必封层段和必封点，封隔油藏物性差异较大的层段，实现分段完井，并抑制控流过程中的环空流。

2 均衡供液完井管柱控流参数设计方法

2.1 生产段分段

生产段分段的任务是使用管外封隔器（可以配合盲管）卡封不适宜投产的层段，封隔物性差异较大的相邻层段，从而达到降低投产井段非均质性和实施分段控流的目的。具体步骤表述如下。

（1）确定必封层段和必封点。卡封不适宜投产的层段，如无开采价值的超低渗透层段、连通水体的高渗透层段和钻遇水体的井段；封隔必封点，如不同压力系统的相邻层系之间。

（2）封隔物性差异较大的相邻投产段。对于必封层段和必封点之间的连续投产井段，使用聚类分析法进行进一步细分。在当前连续投产段选取n个样本点，每个样本点选取p项指标（指标由井下各项测试数据剖面获得，如渗透率测井剖面、孔隙度测井剖面和井眼轨迹数据资料等），建立数据资料阵，进行标准化变换，使用欧氏距离定义样本间的亲疏程度。将欧式距离小于阀值且井筒位置连续的样本点归为一类，从而形成细分之后的投产段，具体操作时选择动态聚类分析法，动态地将当前类中最靠近跟端位置的样本点选为凝聚点。

（3）考虑到施工工艺和成本方面的约束条件，分段数目具有上限，因此对步骤（2）的分段结果进行适当的并类操作。

2.2 各投产井段配产

各井段配产本质上是制定均衡供液完井技术控流目标的过程，即解决使用均衡供液完井管柱应当将水平井泄流剖面调节成何种状态，才能获得最好生产动态的问题。完成生产段分段工作后，应建立适当原则，将全井配产量分配到各投产井段。由于底水和边水具有各自不同的侵入特征，因此配产原则不同。

（1）底水油藏使用各井段“见水时间一致”的原则进行配产。对水平井实施分段生产控制后，各井段都具有各自的见水时间，如果各井段能够同时见水，则生产段整体见水时间最晚，此时水平井获得最好的生产动态。可建立如下方程组反算各投产井段配产量：

式中，m为投产井段总数；j为当前投产井段编号；QP为当前投产井段配产量，m3/d；QT为全井配产量，m3/d；tBT为当前投产井段底水突破时间，d。

式（3）为见水时间公式，定量表述了各投产井段配产量和见水时间之间的关系，如果水平井水平段实际井眼轨迹垂向深度变化幅度较大，可使用范子菲公式［3］，如果投产段渗透率剖面变化幅度较大，可使用Papatzacos公式［4］。

（2）边水油藏（可能同时存在底水）使用“均衡供液”的配产原则。严格地讲，边水油藏也应使用各井段“见水时间一致”的配产原则，但在现场实际条件下（尤其是老油田）油水分布状况十分复杂，无法建立各投产井段配产和见水时间之间的定量关系，因此退而求其次，使用“均衡供液”的配产原则。建立理想井（设定井筒无限导流），设定均质油藏（使用平均渗透率，去掉非投产层段），使用离散化半解析方法［5］，求得理想井“U”型泄流剖面，根据该剖面将全井配产量分配至各投产井段。

2.3 各投产井段节流压降计算

控流筛管在水平井生产段适当位置制造适当大小的节流压降，以达到油藏向水平井均衡供液的目的。各投产井段节流压降如图2所示。

图2 各投产井段节流压降

（1）完成各投产井段配产工作后，设定跟端流压，选择井筒变质量流压降公式，计算并绘制出井筒流压剖面（图2中跟端流压ph1、ph2或ph3对应的井筒流压剖面）。考虑到筛管的基管上存在预钻孔眼影响井筒管流流动，井筒变质量流压降Δpw使用Su模型［6-7］进行计算

式中，i为井筒微元段编号；Δpf为当前微元段沿程摩阻压降，MPa；Δpa为当前微元段加速压降，MPa；Δpm为当前微元段考虑预钻孔粗糙度的混合压降，MPa。

（2）选择Yoshioka方法［8］，计算各投产井段在指定配产量条件下产出流体的油藏渗流压降ΔpF，油藏模型如图3所示。

对于远离井筒的线性流，有

对于近井筒的径向流，有

图3 油藏渗流压降物理模型

式中，βc为单位转换因子；L为当前投产井段长度，m；h为油藏厚度，m；k为当前投产井段所处油藏层段渗透率，D；μ为油藏流体黏度，mPa·s。

（3）根据油藏压力pE、油藏渗流压降ΔpF和井筒流压剖面，计算各投产井段节流压降

式中，ΔpICD为当前投产井段节流压降，MPa；ΔpWF为当前投产井段平均井筒流压，由当前投产井段内各微元段流压值做平均计算得到，MPa。

（4）如果某些投产井段节流压降ΔpICD为负值，则应适当降低跟端流压ph2，避免出现负值；如果所有投产井段节流压降ΔpICD都为正值，可适当升高跟端流压ph3至ph1，将最小节流压降ΔpICD调节为0，节流压降ΔpICD为0或相对较小的投产井段无需控流，使用常规筛管/滤砂管。

2.4 控流参数优化设计

计算出各投产井段节流压降后，水平井投产井段分为2种，即控流井段和非控流井段，控流井段如图1和图2中的投产井段1和3，其完井管柱由控流筛管和盲管串联而成，非控流井段如图1和图2中的投产井段2，其完井管柱由常规筛管/滤砂管串联而成。此时均衡供液完井管柱需要计算的控流参数包括各控流井段的盲筛比和流入控制器上节流喷嘴公称直径。

在实际操作过程中，需要首先给定各控流投产井段的盲筛比，利用节流喷嘴节流特性公式［9］，配合各投产井段配产和节流压降设计结果，反算节流喷嘴公称直径。

式中，DICD为当前投产井段节流喷嘴公称直径，m；ρ为油藏产出流体密度，kg/m3；C为喷嘴流量系数，无因次；NITV为当前投产井段控流筛管数目，根；NICD为单根控流筛管上节流喷嘴数目，个。

各控流井段应当优化最佳盲筛比，盲筛比的选择范围通常介于0∶1至7∶1之间。如果盲筛比过小，使用的控流筛管过多，单根控流筛管汇集的油藏产出液量不足，为了产生设计要求的节流压降，势必要求节流喷嘴公称直径较小，此时节流喷嘴工作面易被磨蚀，节流流道易被堵塞，可靠性不高；如果盲筛比过大，盲管附近的油藏产出流体将要通过较长的环空段汇集到控流筛管处，环空流本身会产生流动压降，环空流和油藏渗流耦合，将导致控流筛管外井筒壁面泄流强度过高，盲管外井筒壁面泄流强度过低。盲筛比过大或过小会均阻碍控流筛管发挥良好的控流特性。因此，需要通过实例井针对盲筛比进行变参数分析，优化出各控流井段的最佳盲筛比。在实际操作时将各控流井段盲筛比逐渐增大，当反算出的节流喷嘴公称直径足够大时（大量应用经验表明最好大于3 mm），即可停止计算。如果当前控流井段只布置了一根控流筛管，而反算出的节流喷嘴公称直径仍较小，则应考虑适当减少流入控制器内部配置的节流喷嘴数目或调整水平井投产井段分段结果，重新进行设计。

3 实例计算和变参数分析

某实例井及其所在油藏各项已知参数表述如下：非均质砂岩底水油藏厚度14.2 m，原始油藏压力50.9 MPa，油藏岩石孔隙度25%。水平井水平段距油藏顶部4.2 m，靶点A井深4 300 m，靶点B井深4 510 m，裸眼井筒直径215.9 mm。水平井投产过程需要防砂措施，单根控流筛管、滤砂管和盲管长度10 m，外径127 mm，单根控流筛管内部配置2个对称分布的节流喷嘴。油藏条件下原油黏度32.2 mPa·s，原油体积系数1.4，标准状态下原油密度860 kg/m3，地层水密度1 030 kg/m3。水平井原油配产量80 m3/d，油藏绝对渗透率剖面如图4所示。

图4 油藏绝对渗透率剖面

根据实例井各项参数和第2节设计方法，得到设计结果如表1所示。

表1 实例井设计结果

水平井4 460~4 480 m井段属于无开采价值的超低渗透层段，因此作为必封层段，其余井段被分为3个投产井段。投产井段2无需控流，布置常规滤砂管即可。投产井段3长度为30 m，一根均衡供液筛管/盲管的长度通常为10 m左右，不方便实现盲筛比5∶1的布置方案，因此未计算。表1设计结果显示，投产井段1选择盲筛比2∶1为佳，对应的控流筛管节流喷嘴公称直径为4.8 mm，投产井段3选择盲筛比2∶1为佳，对应的控流筛管节流喷嘴公称直径为3.5 mm。水平井见水时间由未控流条件下的37.5 d延长至67.4 d，控流效果非常明显。水平井在未控流（常规完井）和控流（均衡供液完井）条件下，井筒壁面流入流率剖面对比如图5所示。

由图5可知，水平井在未控流条件下受到跟–趾效应和油藏非均质性影响，其泄流剖面非常不均衡，投产井段1和3的泄流强度较高。水平井在控流条件下，对投产井段1和3进行控流，使其泄流强度明显下降，跟端流压由未控流条件下的49.9 MPa下调至控流条件下的49.1 MPa，增强了投产井段2的泄流强度，水平井生产段泄流剖面在整体上更加均衡。

图5 未控流和控流条件下流率剖面对比图

4 结论

（1）建立了以生产段分段、各投产井段配产、各投产井段节流压降设计和控流参数优化设计4个步骤为主要内容的“静态控流参数”设计方法，形成了较完整的水平井均衡供液完井技术理论设计流程，为该技术在胜利油田的推广应用提供理论支持，也可作为国内其他油田相似井况水平井的完井设计参考依据。

（2）各投产井段配产的“见水时间一致”和“均衡供液”原则分别针对胜利油田普遍存在的底水油藏和边水油藏而引入，保证在复杂油水分布条件下最大程度延缓见水时间。优化跟端流压和生产段分段等流程针对解决胜利油田水平井单井产量低和投产层系复杂问题而建立，保证发挥单井最大产能和防止层间干扰。

（3）实例计算过程显示，运行设计方法只需提供现场常规测试数据即可，并能优化多种设计结果，设计方法适用性和可操作性较强。后续将引入其他类型的流入控制器，如螺旋流道型流入控制器和孔板型流入控制器，丰富设计方法的适用工具种类。

［1］何彦庆， 荣晓辉， 张兴平.油井流入控制器［J］.国外油田工程， 2008， 24（7）：45-46.

［2］赵旭， 姚志良， 刘欢乐.水平井调流控水筛管完井设计方法研究［J］.石油钻采工艺， 2013， 35（1）：23-27.

［3］范子菲，傅秀娟.气顶底水油藏水平井产能公式和见水时间研究［J］.中国海上油气(地质)，1995，9(6)：406-413.

［4］PAPATZACOS P, HERRING T R, MARTINSEN R, et al.Cone breakthrough time for horizontal wells［J］.SPE reservoir engineering, 1991, 6（3）:311-318.

［5］王晓冬，于国栋，李治平.复杂分支水平井产能研究［J］.石油勘探与开发，2006，33（6）：729-733.

［6］SU Z, GUDMUNDSSON J S.Friction factor of perforation roughness in pipes［R］.SPE 26521,1993.

［7］SU Z, GUDMUNDSSON J S.Pressure drop in perforated pipes:experiments and analysis［R］.SPE 28800, 1994.

［8］YOSHIOKA K, ZHU D, HILL A D, et al.A comprehensive model of temperature behavior in a horizontal well［R］.SPE 95656, 2005.

［9］刘成文，李兆敏.锥形喷嘴流量系数及水力参数的理论计算方法［J］.钻采工艺，2000，23（5）：1-3.

（修改稿收到日期 2014-08-18）

〔编辑 朱 伟〕

图4 Y52井负压试压结果解释（Horner方法）

6 结论

（1）根据油气井完整性的要求，对尾管（重叠段）负压试压的必要性进行了分析，

（2）根据对尾管在生产及后期作业过程中承受压力情况提出了负压试压参数的计算方法和负压试压的工艺流程，并给出了负压试压结果的解释方法。

（3）伊朗Y油田的应用表明，建立的尾管试压方法用于检测尾管完整性，满足现场试压的要求。该方法对其他油田和区块进行负压试压有一定参考和借鉴意义。

参考文献：

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［2］李洪乾，王人旭.套管试压影响因素分析［J］.石油钻探技术， 1994，22（4）：44-46.

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［4］GARG T, GOKAVARAPU S.Lessons learnt from root cause analysis of Gulf of Mexico oil spill 2010［R］.SPE 163276, 2012.

［5］STUART McAleese.Operational aspects of oil and gas well testing ［M］.Oxford：Elsevier Science, 2010.

（修改稿收到日期 2014-10-17）

〔编辑 朱 伟〕

Design of static flow control parameters for equilibrium fluid supply completion of horizontal wells

CHEN Yang1, PENG Zhigang1, GUO Liqiang2, ZHANG Jianguo1, LI Wei1, WANG Shaoxian1
（1.Drilling Technology Research Institute,SINOPEC Shengli Petroleum Engineering Co.Ltd.,Dongying257017,China;2.Exploration and Development Scientific Research Institute,Zhongyuan Oilfield,Zhengzhou450046,China）

In view with imperfect equilibrium fluid supply completion technology for horizontal wells in Shengli Oilfield as well as the problems such as low single well production, complex producing zones, a set of design methods were established for ‘static flow control parameters’ of equilibrium fluid supply completion technology, which is divided into four steps in a proper order:division of producing sections, production allocation of each producing section, choke and pressure drop design for each producing section and design optimization of flow control parameters.Division of producing section is for the purpose of reducing the adjoining zones with great difference in heterogeneity and isolating physical properties of the producing zones;the bottom-water and edge-water reservoirs respectively use the principles of ‘consistent water breakthrough time’ and ‘equilibrium fluid supply’ for production allocation of each producing wells;the flow pressure at heel should be properly established to optimize the choke pressure drop required by each producing well section;the blind screen ratio should be properly selected for flow control section to ensure that the flow control screen can give full play of its flow control performance.The result of example calculation shows that the completion string with equilibrium fluid supply designed by ‘static flow control parameter’ method has remarkable flow control effect.This design method is easy and practical, and provides theoretical support for the promotion of equilibrium fluid supply completion technology in Shengli Oilfield.

horizontal well;completion;inflow controller;optimization of flow control parameters

陈阳，彭志刚，郭立强，等.水平井均衡供液完井静态控流参数设计［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：45-49.

TE257

：A

1000–7393（2014） 06–0045–05

10.13639/j.odpt.2014.06.012

中石化集团公司科技攻关项目“水平井智能完井分段控流关键技术研究”（编号：JP12009）。

陈阳，1985年生。2013年毕业于西南石油大学海洋油气工程专业，获博士学位，主要从事智能完井方面的研究工作。电话：13561053085。E-mail：slchenyang@163.com。