多分支水平井产能模拟实验

周劲辉，张瑾琳，高德利

（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

在20世纪90年代后期，多分支井钻井技术在国外得到大力发展，被认为是21世纪国际石油工业的重大技术，也是未来钻井技术的发展趋势之一［1－2］。多分支水平井技术是在定向井、大斜度井和水平井技术基础上迅速发展起来的一项新的石油开采技术。与常规直井相比，它可以大大提高油藏的采收率，降低油藏开采综合成本，经济效益十分显著，应用前景十分广泛。多分支水平井不仅可应用于开发煤层气资源，而且能够应用于开发稠油或低渗透油气藏、地下水资源等，还可以应用于地下储油、储气库工程。多分支水平井产能的控制因素主要有分支段长度、分支数量、分支角度、分支的方位等［3－4］。目前对分支井产能的预测方法主要是经验公式法和电模拟实验法。经验公式法是运用渗流力学原理，结合数学解析方法，建立多分支井产能预测模型并对影响产能的因素进行分析［5－11］；电模拟实验法主要是应用水电相似原理，利用电场模拟地层流体的渗流规律，分析多分支井产能影响因素与影响规律［12－17］。本文利用人工地层和水分别作为多孔介质和地层流体，设计不同的分支形态等，通过对流体压力的检测，分析多分支水平井产能变化规律及影响因素。

1 模拟实验装置

1.1 模拟实验装置原理

模拟实验装置原理如图1所示，将由水泥砂浆制作而成的具有一定渗透率的人工地层放置在一个密封水箱中，人工地层中设置一个水平主井眼，若干水平分支井眼与水主平井眼连通，主井眼接有泄水管。密封水箱上端面接有一根一定高度的、带有标尺的注水管。

图1 多分支水平井产能模拟实验原理

实验时，将设置好分支形态的模拟地层放入密封水箱，盖严上盖；关闭控制阀，从注水管注入清水，直到地层充分渗透且主水管水位不发生变化；打开可控制阀，准确记录注水管高度H随时间t的变化数据。H－t变化曲线就反映了产能的变化规律。如果产能大，注水管水位下降快，产能小则注水管水位下降慢。

1.2 模拟地层的制作

1.2.1 地层材料配比的确定

模拟地层由水泥和河砂组成，所制作的模拟地层具备一定的渗透能力，其渗透率如果太大，实验中来不及记录，渗透率太小产能变化太缓慢，不利于对比实验。因此首先是确定水泥和砂的配比。确定水泥和砂的总质量为1kg，配比方案见表1。

表1 不同泥砂及水灰比配比方案

制作外高h1＝132mm，内高h2＝95mm，外径R＝63mm，内径r＝30mm的中空且底部封死的圆柱体试件，如图2所示。将制好的试件放入水中，使得水面与泥柱表面齐平，观察水从泥柱外部渗到中空部位至满的时间。经过比较泥柱在水中的渗透时间，发现泥砂比为1∶5、水灰比为0.51的配比结果最佳。

图2 不同泥砂比及水灰比制作的试件

1.2.2 密封水箱的制作

用有机玻璃制作成600mm×600mm×300mm的四方体水箱，上盖粘接一内径为80mm的有机玻璃注水管，将水位标尺粘贴在注水管外侧。上盖与水箱之间用橡胶垫圈密封，用螺栓紧固确保不渗水。四方体水箱外侧设置有排泄水管，与模拟地层的主井眼连接。

1.2.3 模拟地层的制作

电子秤测得试件质量均值为m－＝1.34kg，得到试件的密度ρ＝1.95g／cm3。模拟地层尺寸为400mm×400mm×150mm，总质量为36kg。按泥砂比1∶5及水灰比0.51，计算出所需水泥6kg、砂30kg、水3.06kg，并将它们均匀混合。将和好的水泥砂浆紧密铺入400mm×400mm×150mm木制模子内，在铺入一半时，按非对称鱼骨型排列外径为20mm、内径为16mm的有机玻璃管5支，分支玻璃管与主管夹角均为75°，分支管之间间距均为80mm。再铺上砂浆并紧密压实，20min后拔出所有的有机玻璃管，并在主井眼一端接上一段直径为20mm的有机玻璃管作为主井眼排水的接口，最后将模拟地层放置7 d，待其干透。

1.3 装置的组装

将做好的模拟地层放入密封水箱中，连接好排水管线，盖上密封盖，用螺栓将密封面紧固，以免漏水。关闭控制阀，向注水管中注入自来水，待模拟地层内部充满水且注水管水位不变，方可进行产能变化的实验。实验装置如图3所示。

图3 模拟实验装置实物

2 产能模拟实验设计

图4为设计的分支井形态，分支角度均为75°。其中形态（a）和（b）测试分支数量对产能的影响；形态（c）、（e）和（f）测试分支数相等时，同侧分支与异侧分支对产能的影响；形态（e）、（f）测试同为异侧分支时分支间距对产能的影响；形态（d）通过控制同侧分支的长度测试分支长度对产能的影响。

图4 设计的分支井形态

3 产能模拟实验与分析

每次实验时，注水管中的初始液面高度相同，每隔30s读取1次液面高度，并做记录。图5是不同分支形态时测得的H－t变化曲线，图中曲线表明：液面高度下降越快则产能越大。

图5 多分支水平井产能模拟实验结果

3.1 分支数对产能的影响

异侧3个分支比异侧4个分支产能大，2个分支的产能最小。分支越多，井间干扰增大；分支数少，控制的面积也少。分支数量并非越多越好，存在一个最优值。

3.2 分支间距对产能的影响

同为异侧2个分支（分支间距为80mm和分支间距为240mm），最初井筒液面变化差别不大，但120s之后，分支间距为240mm的产能明显增大，因此适当加大分支间距可以增大分支井的控制面积，减少井间干扰。分支间距的最优值与油藏的压力关系密切。

3.3 分支长度对产能的影响

异侧四个分支，分别将同侧的2个分支长度缩短35mm和65mm，缩短35mm的产能较大，且是所有形态中产能最大的。这说明分支数相同时，可对分支长度进行优化获得最大产能。

3.4 分支的排列方式对产能的影响

当分支数均为2个时，异侧2个分支比同侧2个分支产能大，因此尽量将分支井异侧布置，可以增大分支井的控制面积，减少分支井之间的干扰。

4 结论

多分支水平井产能模拟实验装置可以进行不同分支形态下产能模拟实验，可为多分支井的优化设计提供实验依据。实验结果表明：分支井的数量、间距、长度和布置方式对产能均有影响。为了提高多分支水平井的产能，可适当增加分支井的数量和增大分支井间距，将各分支长度设计为不均等，尽量将分支井沿主井眼异侧布置。

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