王孝剛 龍剛 熊昕東 曹陽 付先惠 薛麗娜

中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院

川西地區(qū)低滲透氣藏水平井完井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

王孝剛 龍剛 熊昕東 曹陽 付先惠 薛麗娜

中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院

水平井完井技術(shù)對(duì)低滲透致密氣藏產(chǎn)能發(fā)揮和開采動(dòng)態(tài)的影響很大。通過完井方案優(yōu)化,可以提高水平井完善程度、延緩邊底水錐進(jìn)、提高開發(fā)效果。針對(duì)川西地區(qū)低滲透致密氣藏自然產(chǎn)能低、氣水關(guān)系復(fù)雜、裂縫非均質(zhì)性強(qiáng)、儲(chǔ)層改造難度大等問題,在水平井滲流機(jī)理分析、井壁穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、產(chǎn)能評(píng)價(jià)等研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)氣藏完井方案進(jìn)行了優(yōu)化并對(duì)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究和總結(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明:①中淺層裂縫不發(fā)育的儲(chǔ)層,采用襯管完井或者射孔完井,結(jié)合壓裂改造能獲得較好的開采效果;②中深層裂縫孔隙型儲(chǔ)層,采用襯管完井結(jié)合酸化解堵,能最大限度地發(fā)揮裂縫對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn),川西地區(qū)中深層首口水平井新21-1H井襯管完井獲得無阻流量203.415×104m3。

低滲透氣藏 水平井 完井 產(chǎn)能 參數(shù)優(yōu)化 設(shè)計(jì) 川西地區(qū)

低滲透氣藏是我國(guó)目前石油戰(zhàn)略資源中的重要組成部分,采用水平井開發(fā)低滲透氣田,可以增大泄油面積、提高裂縫鉆遇率、減少成本、提高氣藏的儲(chǔ)量動(dòng)用程度和采收率[1-2]。然而,實(shí)際開采中,常暴露出完井方案與氣藏適應(yīng)性考慮不夠、邊底水錐進(jìn)控制難度大、注酸剖面不均衡、生產(chǎn)剖面不協(xié)調(diào)、采收率低等問題,嚴(yán)重制約了低滲透氣藏的高效開發(fā)。本文從完井方式優(yōu)選及完井參數(shù)優(yōu)化兩方面開展了系統(tǒng)研究,形成了一套適用于川西地區(qū)低滲透氣藏的水平井完井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 水平井完井方式優(yōu)選評(píng)價(jià)方法

1.1 完井方式適應(yīng)性模糊綜合評(píng)判

利用模糊數(shù)學(xué)建立完井方式優(yōu)選模型的技術(shù)要點(diǎn)在于確定影響水平井方式選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)因素、指標(biāo)權(quán)重、模糊評(píng)價(jià)矩陣,以及最終的多因素模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立。由于各影響因素對(duì)水平井完井方式選擇的影響程度不同。因此,對(duì)每個(gè)影響因素賦予不同的權(quán)數(shù),權(quán)重的選擇直接影響水平井完井方式的選擇結(jié)果;確定隸屬函數(shù)是進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)的關(guān)鍵,隸屬函數(shù)可以根據(jù)文獻(xiàn)中所推薦的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)來確定[3-5]。

權(quán)重值主要描述各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)完井方式選擇的重要程度:

定義模糊評(píng)判矩陣:

式(2)中 rik為隸屬度,表示指標(biāo)因素i在抉擇第k完井方式上的可能性程度。

通過評(píng)價(jià)矩陣和重要程度模糊集合矩陣的合成,構(gòu)建水平井完井方式模糊綜合評(píng)判模型,計(jì)算各完井方式的綜合評(píng)價(jià)得分,初步評(píng)價(jià)各完井方式的適應(yīng)性。

1.2 產(chǎn)能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

在完井方式適應(yīng)性模糊評(píng)判基礎(chǔ)上,結(jié)合產(chǎn)能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)完井方式的最終優(yōu)選。目前產(chǎn)能評(píng)價(jià)常用的水平氣井產(chǎn)能計(jì)算模型有解析模型式(4)和半解析模型式(5)～(11)。

式中 pe為平均地層壓力,M Pa;pwf為井底流動(dòng)壓力, M Pa;?Z為氣體偏差系數(shù);T為氣層溫度,K;h為氣層有效厚度,m;Kg為氣層有效滲透率,mD;?μg為氣體黏度,m Pa·s;qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的產(chǎn)氣量,m3/d;rw為井底半徑,m;re為供給半徑,m;β為速度系數(shù),m-1;S為表皮系數(shù);rg為天然氣的相對(duì)密度。

式(4)應(yīng)用氣井二項(xiàng)式產(chǎn)能計(jì)算模型,修正表皮因子計(jì)算水平井產(chǎn)能,此只適于計(jì)算穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的水平井產(chǎn)能。

2 完井參數(shù)優(yōu)化

基于近井帶滲流阻力研究和管流流動(dòng)理論,建立水平井氣藏與井筒流動(dòng)耦合模型,從產(chǎn)能最大化、生產(chǎn)剖面均衡、降低改造難度及提高壓裂開發(fā)效果等方面開展完井參數(shù)優(yōu)化研究。

2.1 水平井氣藏與井筒耦合滲流模型的建立

2.1.1 氣藏水平井滲流微分方程

假設(shè)氣藏均質(zhì)、各向異性、水平等厚的微可壓縮流體流動(dòng),其控制方程為:

式中 Kx、Kv、Kz分別表示3個(gè)方向上的滲透率;Ct為壓縮系數(shù);<為孔隙度;φ為流體勢(shì),在坐標(biāo)系中z的方向朝上為正,流體勢(shì)的定義為:

對(duì)于頂?shù)追忾]橫向無限大氣藏,滲流空間中任意位置(xw,yw,zw)的長(zhǎng)度為ls的連續(xù)線源對(duì)(x,y,z)處產(chǎn)生的無因次壓降的Lap lace空間解為:

2.1.2 井筒水動(dòng)力學(xué)方程

取水平段第1個(gè)節(jié)點(diǎn)(is=1)作為本井流體勢(shì)基準(zhǔn)φ(1),其他節(jié)點(diǎn)勢(shì)則沿井眼軌跡的累積井筒流動(dòng)壓降確定:

式中Δpf、Δpa分別表示井筒的摩阻壓降和加速度壓降。

2.1.3 耦合模型建立及求解

節(jié)點(diǎn)處氣藏流入壓力為該節(jié)點(diǎn)處井筒壓力與節(jié)點(diǎn)表皮壓降之和:

物質(zhì)平衡方程:

方程數(shù)目與未知量數(shù)目相同,上述建立的氣藏耦合與井筒水力的方程組有唯一解。

2.2 完井參數(shù)優(yōu)化

低滲透致密砂巖氣藏由于裂縫發(fā)育程度不同,其建產(chǎn)方式差異較大,完井參數(shù)優(yōu)化時(shí)需要區(qū)別對(duì)待。對(duì)于孔隙型致密氣藏,國(guó)內(nèi)外開發(fā)實(shí)踐表明,分段加砂壓裂是重要的增產(chǎn)措施,完井時(shí)需重點(diǎn)考慮分段完井優(yōu)化;對(duì)于裂縫發(fā)育氣藏,水平井鉆遇是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵,完井參數(shù)優(yōu)化時(shí)重點(diǎn)考慮產(chǎn)能最大化、生產(chǎn)剖面均衡、延緩邊底水錐進(jìn)等因素。

2.2.1 分段完井參數(shù)優(yōu)化

水平井分段完井參數(shù)優(yōu)化主要考慮地質(zhì)條件、分段數(shù)、打開程度、裂縫間距等因素。應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)層物性、邊底水、泥巖段分布來初步分段。通過數(shù)值模擬,流率沿縫長(zhǎng)“U”型布局、裂縫間距均勻有利于提高壓裂效果,同時(shí)少長(zhǎng)裂縫方案泄氣面積及采氣指數(shù)都優(yōu)于多短裂縫方案。對(duì)于射孔完井,還應(yīng)從集中射孔、定向射孔方面進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,從而降低地層破裂壓力、減少多裂縫的產(chǎn)生、降低彎曲摩阻,降低壓裂施工難度、提高壓裂開發(fā)效果。

2.2.2 生產(chǎn)剖面均衡完井參數(shù)優(yōu)化

均質(zhì)儲(chǔ)層水平段流率剖面呈“U”型分布,采用分段打開及中間高密度布孔,對(duì)底水脊進(jìn)和吸酸控制最有利(圖1)。非均質(zhì)儲(chǔ)層流率剖面更為復(fù)雜,須綜合水平段鉆遇軌跡、鉆井污染、滲透率及孔隙度分布、完井參數(shù)、生產(chǎn)制度等因素,通過耦合模型計(jì)算給定襯管表皮下對(duì)應(yīng)的水平段流量分布與壓力分布;再通過襯管參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,確定可控參數(shù)(割縫密度、縫長(zhǎng)、縫寬、組縫條數(shù)、相位等)的相關(guān)性,對(duì)不同方案組合進(jìn)行模擬計(jì)算,通過完井參數(shù)優(yōu)化組合達(dá)到產(chǎn)能最大化及生產(chǎn)剖面均衡的目的。

圖1 分3段打開水平井單元段孔密對(duì)流率的影響圖

3 水平井完井方案優(yōu)化

3.1 川西地區(qū)中淺層水平井完井方案優(yōu)化

川西地區(qū)中淺層低孔隙度、低滲透率,各相異性相差大,儲(chǔ)層裂縫不發(fā)育。沙溪廟組鉆、完井過程中井壁穩(wěn)定性好,但存在井壁長(zhǎng)期裸露后受水化作用或酸化后井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.1 川西地區(qū)中淺層完井方式優(yōu)選

川西地區(qū)中淺層水平井自然產(chǎn)能不理想,酸化效果不明顯,分段加砂壓裂是開發(fā)孔隙型低滲致密砂巖氣藏最佳增產(chǎn)措施。裸眼封隔器分段壓裂暴露出工具可靠性差的問題,同時(shí)成本高,不宜推廣。采用襯管完井和射孔完井結(jié)合分段壓裂投產(chǎn),顯示了良好的應(yīng)用前景。

3.1.2 分段壓裂完井參數(shù)設(shè)計(jì)

隨著壓開裂縫數(shù)的增加,中間縫的單裂縫的采氣指數(shù)下降。結(jié)合目前川西地區(qū)水平井分段改造的技術(shù)水平,3段分段加砂壓裂具有普遍的適用性。井間干擾效應(yīng)表現(xiàn)在水平井裂縫對(duì)產(chǎn)能的影響主要體現(xiàn)在裂縫的間距設(shè)置,間距與干擾效應(yīng)呈負(fù)相關(guān)。通過分段優(yōu)化,新場(chǎng)沙溪廟組氣藏的水平井壓裂裂縫設(shè)計(jì)參數(shù):段數(shù)為3～4段;裂縫間距在允許的范圍內(nèi)盡可能地增大,減輕縫間干擾,提高單井產(chǎn)能。XS311H、XS21-1H井進(jìn)行分段壓裂,分別獲產(chǎn)能16.1×104m3和4.3 ×104m3,分別是相鄰直井壓裂的2.0倍和2.2倍,顯示了水平井開發(fā)的優(yōu)勢(shì)。

3.2 川西地區(qū)中深層水平井完井方案優(yōu)化

川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組氣藏縱向上發(fā)育多套砂體、裂縫非均質(zhì)性強(qiáng)、局部有泥頁巖發(fā)育、層間矛盾突出、氣水關(guān)系復(fù)雜。

3.2.1 完井方式優(yōu)選

考慮生產(chǎn)過程中井壁是否穩(wěn)定性、是否出砂、鉆遇薄水層、地層壓力高、改造難度大等15個(gè)相關(guān)因素和10種不同的完井方式,模糊評(píng)判結(jié)果見表1。若以獲取自然產(chǎn)能為目標(biāo),降低投資成本,應(yīng)采用襯管完井;若需兼顧均勻布酸和后期控水,采用帶 ECP的襯管完井。

表1 模糊評(píng)價(jià)各種完井方案的相關(guān)程度表

3.2.2 襯管參數(shù)優(yōu)化

割縫縫寬大于2 mm,隨著縫密的增加襯管強(qiáng)度急劇下降(圖2),常規(guī)割縫管不滿足本井堵漏材料的返排要求,應(yīng)采用預(yù)孔襯管完井或下入帶ECP的割縫襯管酸化后投產(chǎn)。

圖2 不同縫寬下割縫襯管允許抗拉強(qiáng)度隨縫密的變化圖

表2 X21-1H井襯管變密度設(shè)計(jì)方案表

圖3 地層吸酸量沿水平段分布曲線圖

孔密為影響X21-1H井產(chǎn)率比的主控因素。先對(duì)襯管割縫密度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(表2),實(shí)現(xiàn)布酸均勻(圖3),其他參數(shù)根據(jù)加工精度及襯管強(qiáng)度綜合考慮,設(shè)計(jì)相位為60°,縫長(zhǎng)為100 mm;縫寬為2 mm;組縫條數(shù)為1條/組;縫眼面積比為2%～3%;考慮本井頁巖夾層酸化效果差、夾層兩端流率變化大,應(yīng)在夾層兩端設(shè)計(jì)安裝ECP的襯管。對(duì)襯管預(yù)孔密度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(見表2),其他參數(shù)分別為相位60°(螺旋布孔);孔徑為13 mm;開孔面積比為1.90%。

X21-1H井,兼顧吸酸剖面均衡及封隔泥頁巖,采用割縫襯管方案;若考慮獲取自然產(chǎn)能,采用預(yù)孔襯管方案,依靠變密度設(shè)計(jì)及泥頁巖縮頸,能夠在一定程度上均衡產(chǎn)出剖面?，F(xiàn)場(chǎng)采用預(yù)孔管方案獲得獲得無阻流量203.415×104m3。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)中淺層致密砂巖氣藏裂縫不發(fā)育,分段壓裂是獲得高產(chǎn)的有效手段,相應(yīng)的完井方式主要有襯管完井和射孔完井兩種。分段壓裂最優(yōu)分段數(shù)為3～4段, X311H井采用襯管完井結(jié)合3段壓裂效果顯著,有效降低了干擾,是同層位相鄰直井壓后產(chǎn)能的2.2倍。

2)中深層裂縫發(fā)育的低滲透氣藏,鉆遇裂縫是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵,如何發(fā)揮裂縫對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)是完井優(yōu)化需要考慮的首要因素,川西地區(qū)中深層第一口水平井開發(fā)實(shí)踐表明,襯管完井具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3)對(duì)于深層氣藏襯管完井,襯管割縫(預(yù)孔)密度是影響水平井產(chǎn)率比的主要因素,襯管割縫長(zhǎng)度一般為50～400 mm,打開程度一般為2%～3%;調(diào)整襯管打開程度和打開位置,能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)量最優(yōu)、布酸均勻和延緩底水錐進(jìn)的目的。

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An optimal design of horizontal well completion in low-permeability gas reservoirs of west Sichuan Basin

Wang Xiaogang,Long Gang,Xiong Xindong,Cao Yang,Fu Xianhui,Xue Lina
(Engineering and Technology Research Institute,Sinopec Southw est B ranch Com pany,Deyang,Sichuan 618000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 7,pp.65-68,7/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The technology of horizontal well comp letion p lays an impo rtant role in imp roving the p roductivity and controlling the dynamic recovery of low-permeability tight gas reservoirs.An op timal design of ho rizontalwell completion can help enhance the degree of well comp letion,delay the edge and bottom water coning,thus,achieving good results of exp loitation.Based on the analysis of percolation mechanism,fo recast of bo rehole stability,and p roductivity assessment,a systematic study wasmade on the op timal design of well comp letion from two aspectsof modes and parameters.Thus,a seriesof technology was formed on the op timal design of ho rizontal well completion in low-permeability tight gas reservoirsof thewestern Sichuan Basin,w hich are characterized by low natural p roduction capacity,comp licated gas/water relationship,strong heterogeneity of fractures,and great difficulty in reservoir reconstruction.Then through analysisof the key techniques adop ted in thisop timal design,we concluded from the field p ractice that①as fo r themedium and shallow reservoirsw ith undeveloped fractures,favorable gas deliverability could be achieved by liner or perforation comp letion in com bination w ith fracturing treatment,and②as fo r deep fracture po re type reservoirs,liner comp letion w ith acidizing plugging removal could help tap the potential of fractures in making contribution to gas p roductivity.The well Xin21-1H,the first horizontal well in deep reservoirs of the western Sichuan Basin,obtained the open flow capacity of 203.415×104m3after liner comp letion.

low-permeability gas reservoir,horizontal well,well comp letion,p roductivity capacity,op timization of parameters,design

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金項(xiàng)目“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(編號(hào):2008ZX05022-006)。

王孝剛,1979年生,工程師,碩士;2003年畢業(yè)于西南石油大學(xué)并獲碩士學(xué)位;從事完井測(cè)試方面的研究工作。地址:(618000)四川省德陽市龍泉山北路298號(hào)。電話:13689643119。E-mail:wanjinggys@263.net

王孝剛等.川西地區(qū)低滲透氣藏水平井完井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù).天然氣工業(yè),2010,30(7):65-68.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.018

2010-05-02 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.018

Wang Xiaogang,bo rn in 1979,holds an M.Sc.degree,being mainly engaged in research of well completion and cementing design.

Add:No.298,North Longquanshan Rd.,Deyang,Sichuan 618000,P.R.China

Mobile:+86-13689643119E-mail:wanjinggys@263.net