水平气井分段射孔参数优化研究及软件开发

吴华*，李静嘉，黄麒钧，­­张骁，吴程，阿雪庆



水平气井分段射孔参数优化研究及软件开发

吴华1,2*，李静嘉2，黄麒钧3，­­张骁4，吴程3，阿雪庆3

（1.中国石油大学（北京），北京昌平，102249；2.北京雅丹石油技术开发有限公司，北京昌平，102200；3. 青海油田钻采工艺研究院，甘肃敦煌，736202；4. 北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京昌平，100007）

针对水平气井均匀射孔完井入流剖面不均匀而导致生产过程中局部底水锥进的问题，利用非达西渗流影响下的射孔完井产能公式和分段完井井筒压降计算公式，建立了地层-井筒流动耦合模型，研发了气井射孔优化设计软件。该软件具备出砂预测、临界生产压差设计、射孔负压差设计、分段射孔参数优化、产能预测、产能敏感性分析、套管强度敏感性分析、射孔压裂联作优化、经济效益评价等功能。应用表明：利用该软件编制的水平井射孔参数设计方案，在现场实际井应用中取得较好的实施效果。

水平气井；分段射孔；参数优化；入流剖面；软件开发

引言

目前水平气井分段射孔各段一般采用同一种射孔枪弹，其射孔方案优化的方法仍是用常规水平气井产能公式计算多种射孔方案的产率比，以产率比最高者为最佳方案。一方面由于沿水平井筒从趾端至跟端存在压力降，沿井筒的井底流压是变化的，因此采取单一的产能公式计算得到的产能误差较大；另一方面，沿井筒存在的压力降导致沿水平井筒流入速度剖面不均匀，跟端流率大而趾端流率小，这种现象在底水气藏中极易诱发和加剧底水锥进现象，严重影响水平气井开发效果。因此，研究沿水平井筒变质量流、射孔参数分段组合优化、控制沿水平井筒的流入速度剖面，对水平气井射孔完井高效开发尤为重要。本文根据非达西效应的气藏渗流和水平井筒管流耦合模型，针对现场具体射孔枪弹数据库和实际工程技术要求，建立了以调控水平井筒流入速度剖面和提高单井产能为目标的射孔参数分段组合优化模型。根据相关理论研发了气井射孔优化设计软件（简称ComPAD_Gas），实现分段射孔方案优化设计，达到水平井筒均匀入流，缓解底水锥进。

1 模型建立与求解

对于水平井分段射孔完井，气体的流动分为气藏渗流和井筒管流两个过程，即气体从气藏经射孔孔眼流入井筒，然后在井筒内向井跟处流动，实际上该流动过程为变质量流，越靠近跟端流量越大。

1.1 气藏产能模型

根据气体地下稳定渗流理论及水平井三维渗流特性，则以压力平方形式表示的水平气井稳定渗流的数学模型为：

井壁处压力及水平气井产量应满足以下方程：

利用保角变换方法可以推导出水平井产量公式，以压力平方形式表示的水平气井产量公式为：

上式与垂直气井产量公式有相似之处，不同之处在于水平井要考虑各向异性，水平井的泄油半径及有效井半径与垂直井不同，即在上式中：

若考虑水平气井的损害、射孔损害及非达西效应的影响，则产量公式表示如下：

式中：

式中，Sht-水平气井总表皮系数，包括钻井污染表皮、射孔表皮（与射孔参数相关），在计算表皮系数时需要将射孔弹地面实验数据折算到井下，即对穿深和孔径进行校正。

1.2 分段完井井筒模型

下图为水平井分段完井示意图，从图中可以看出气体的流动可分为气藏渗流与井筒管流２个过程。假设水平井筒绝对水平，即忽略井斜角变化。那么，由于盲管段无径向流入，流动与常规水平管流一样，压降仅由摩阻压降组成；然而对于生产段，由于气体不断的径向汇入，其流动为不规则变质量流，压降由摩阻压降、加速压降及混合压降共同组成。

图1 水平井分段完井示意图

设生产段共有Ｎ段，取微元水平段长度ΔＬ将各段微分化，分段完井井筒压降模型即为：

式中，

在水平井筒中，气体是从趾端向跟端流动，那么第ｉ微元水平段中部流压为：

1.3 分段完井产能耦合模型求解

气藏渗流和井筒管流是相互联系又相互影响的耦合流动过程，因此由气藏模型与分段完井井筒模型可构成分段完井产能预测耦合模型。采用迭代方法求解沿水平井段的入流剖面和流压分布。

图2 射孔完井耦合模型求解流程图

2 软件研发

根据以上文气藏-井筒耦合模型，编制了气井射孔优化设计软件ComPAD_Gas，主界面见图3，该软件具有出砂预测、临界生产压差设计、射孔负压差设计、分段射孔参数优化、产能预测、产能敏感性分析、套管强度敏感性分析、射孔压裂联作优化、经济效益评价等功能，见图4。能够应用于水平气井的分段射孔参数优化设计，实现防砂控水的目的。

图3 软件主界面

图4 软件功能图

分段射孔参数优化设计包括射孔枪弹选择、射孔段数、射孔段长度及射孔位置。通过设计多种分段射孔方案，预测气井产量、入流剖面及其套管强度，对多种方案进行经济效益评价，优选出入流剖面均匀、产量高、套管强度符合要求且较为经济的方案为最佳射孔方案。此外，也可根据产能敏感性分析结果，对影响气井产能的各个射孔因素进行排序，在进一步优化射孔方案时调整相应的射孔参数使入流剖面更加均匀。具体的优化设计流程见图5：

图5 分段射孔方案优化设计流程图

3 算例分析

利用该软件对某油田的一口水平气井进行分段射孔方案优化设计，具体参数见表1。采用30m（盲管段）-70m（生产段）-40m（盲管段）-90m（生产段）-40m（盲管段）-90m（生产段）-40m（盲管段）-100m（生产段）的分段模式，射孔后定压生产。

表1 基础参数

预测储层出砂情况，如图6所示，该井采用五种方法预测结果均为“不出砂”，与该区块实际情况相符。

图6 出砂预测

从射孔枪弹数据库中选择该油田正在应用的多种射孔枪弹，添加一个四段射孔方案，设计四种射孔枪弹组合（见图7），计算其产率比及套管强度降低系数（见图8），预测这四种组合沿水平井筒的入流剖面（见图9）、流压分布等，并计算各个射孔组合方案的气井产量（见图10）。通过观察各个射孔组合方案的入流剖面，优选出入流剖面均匀、产率比高且套管强度在安全范围内的方案为最佳方案，能够有效延缓底水锥进。该实例中各个射孔组合方案套管强度均在安全范围内，组合2和组合4流入剖面较为均匀，组合1和组合2的产气量较高，因此，最终选择产量高且入流剖面均匀的组合2为最佳射孔方案。

图7 分段射孔方案设计及计算结果

图8 射孔组合方案计算结果

图9 分段射孔入流剖面

图10 多种射孔组合方案产量对比

4 结束语

（1）本文建立了气藏-井筒耦合模型，实现了沿水平井筒的变质量流计算，能够更加准确地预测沿井筒的入流剖面。

（2）软件满足分段射孔参数优化设计，解决了均匀射孔跟端过早见水的问题，能有效延缓底水锥进。

（3）该软件在某油田的应用结果表明，软件采用的理论模型适应性较好、软件运行稳定，为水平气井分段射孔参数优化设计提供了有力的理论支撑。

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Parameters Optimization and Software Development for the Selectively Perforated Horizontal Gas Wells

WU Hua1,2*, LI Jingjia2, HUANG Qijun3, ZHANG Xiao4, WU Cheng3, A Xueqing3

(1. China University of Petroleum,Beijing Changping 102249, China; 2.Beijing Yandan Petroleum Technology Development Co, Ltd, Beijing Changping 102200, China; 3.Ｒesearch Institute of Drilling and Production Engineering，Qinghai Oilfield，Petro China，Dunhuang 736200，China; 4.CNPC Beijing Richfit Information Technology Co.,Ltd,Beijing Changping 100007,China)

For the problem that local bottom water coning caused by non-uniform inflow profile in uniform perforation completion of horizontal gas well, by using productivity formula of non-Darcy flow for perforated horizontal gas wells and wellbore pressure drop model, reservoir-wellbore coupling model was built, and the software for optimizing perforation parameters was developed. The software has the functions of Sanding Prediction, critical production pressure drop design, Underbalanced Perforation Pressure Design, selective perforation parameters optimization, productivity prediction, productivity sensitivity analysis, casing strength sensitivity analysis, perforation and fracturing combined technology optimization and economic evaluation. It is shown that optimum perforation scheme for horizontal gas well designed by this software has achieved good effect in field application.

horizontal gas wells; selective perforation; parameters optimization; inflow profile; software development

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.025

TE355

A

1672-9129(2018)01-0064-03

吴华, 李静嘉, 黄麒钧, 等. 水平气井分段射孔参数优化研究及软件开发[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 64-66.

WU Hua, LI Jingjia, HUANG Qijun, et al. Parameters Optimization and Software Development for the Selectively Perforated Horizontal Gas Wells[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 64-66.

2017-12-23；

2018-01-02。

吴华（1985.12-），女，2009年获中国石油大学（北京）石油工程专业学士学位，现为中国石油大学（北京）硕士研究生，主要从事油气田开发工程方面的研究。E-mail:394652043@qq.com