摘要：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(kāi)采動(dòng)態(tài)的影響很大。通過(guò)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(kāi)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(wèn)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(kāi)采效果；②ee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(wú)阻流量203.415×10⁴m³。

關(guān)鍵詞：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(kāi)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(kāi)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(wèn)題，嚴(yán)重制約了低滲透氣藏的高效開(kāi)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(kāi)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)。

    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(lái)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：

    A={a₁，a₂，a₃，…，a_i)    (1)

定義模糊評(píng)判矩陣：

 

    式(2)中r_ik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(guò)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。

 

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p_c為平均地層壓力，MPa；p_wf為井底流動(dòng)壓力，MPa；為氣體偏差系數(shù)；T為氣層溫度，K；h為氣層有效厚度，m；K_g為氣層有效滲透率，mD；為氣體黏度，mPa·s；q_sc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的產(chǎn)氣量，m³/d；r_w為井底半徑，m；r_e為供給半徑，m；β為速度系數(shù)，m^-1；S為表皮系數(shù)；r_g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。

    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(kāi)發(fā)效果等方面開(kāi)展完井參數(shù)優(yōu)化研究。

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K_x、K_v、K_z分別表示3個(gè)方向上的滲透率；C_t為壓縮系數(shù)；ф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：

    φ=p+gρz    (6)

對(duì)于頂?shù)追忾]橫向無(wú)限大氣藏，滲流空間中任意位置(x_w，y_w，z_w)的長(zhǎng)度為l_s的連續(xù)線(xiàn)源對(duì)(x，y，z)處產(chǎn)生的無(wú)因次壓降的Laplace空間解為：

 

式中，無(wú)因次；z_w為水平井距下邊界的距離，m；h為氣層厚度，m；u表示單位質(zhì)量中心一點(diǎn)在單位面積單位時(shí)間內(nèi)的流量矢量；K₀為零階第二類(lèi)貝塞爾函數(shù)；ξ為無(wú)因次流線(xiàn)坐標(biāo)；L_h為水平段長(zhǎng)度，m；q_DL為水平段質(zhì)量流量，m³；q_DL/L_hD表示每一點(diǎn)匯出的流量，m³。

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)(i_s=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：

 

式中表示從井的(i_s)節(jié)點(diǎn)到(1)節(jié)點(diǎn)的井眼軌跡上的求和；△p_wb，表示井筒的摩阻壓降和加速度壓降之和。即

 

式中△p_f、△p_a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：

    φ_wD(i_s)=△p_D,skin+φ_D(i_s)    (10)

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。

    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(kāi)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(kāi)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(lái)初步分段。通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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。

 

   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(guò)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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)。

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(yè)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(guò)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(jiàn)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。

3.2.2 襯管參數(shù)優(yōu)化

割縫縫寬大于2mm，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(mǎn)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)。

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100mm；縫寬為2mm；組縫條數(shù)為1條/組；縫眼面積比為2%～3%；考慮本井頁(yè)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(jiàn)表2)，其他參數(shù)分別為相位60°(螺旋布孔)；孔徑為13mm；開(kāi)孔面積比為1.90%。

    X21-1H井，兼顧吸酸剖面均衡及封隔泥頁(yè)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(yè)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(wú)阻流量203.415×10⁴m³。

    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(kāi)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50～400mm，打開(kāi)程度一般為2%～3%；調(diào)整襯管打開(kāi)程度和打開(kāi)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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(本文作者：王孝剛 龍剛 熊昕東 曹陽(yáng) 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)