利用多段井模型预测自流注水速度

郭 肖，周碧辉，宋 戈，王伟峰

(西南石油大学，四川 成都 610500)

引 言

与传统注水工艺相比，自流注水工艺由于采用层间压差引流补充地层亏空能量，不需要额外的动力，同时地层水水性相近，没有引入人工配液，可减少各类化学剂对储层的伤害，尤其适用于存在高压水层和水源补给困难的油田。作为一种压力供给措施，在科威特的油田已经应用多年，国内某些海上油田也开始使用该工艺[1-3]。由于自流注水具有自发性，注入速度主要受自然能量控制，监控困难。该工艺在应用方面面临的难题主要有流速的定量描述、水驱前缘控制、水突破预测以及波及控制[4-5]。

在流速定量描述方面，很多学者做了不同的尝试。Davies C A提出针对有限水源和无限水源的速度二阶微分方程[6]。Rawding J等提出用智能完井技术控制自流速度[4]。王庆勇等使用油藏工程方法，结合物质平衡原理和拟稳定流公式，计算了自流注水量，该方法对实际生产具有重要参考价值，但对于复杂的地质情况，精度不足[7-8]。首次提出使用多段井模型模拟自流注水过程，预测了自流注入速度和注入量等关键参数，分析了影响自流速度的主要因素。

1 多段井模拟技术基本原理

现场应用中，自流井井型有直井、大斜度井或多分支井[9-11]。如果使用多分支井(图1)，可以实现单井同步注采，水体在一个封闭的系统中转移，可以显著减少氧气造成的油套管腐蚀，因此以多分支井为例进行分析。

图1 自流注水示意图

多分支井拓扑结构及流体特征复杂，不能使用常规井模型模拟，而需要用到多段井模型。与常规的井模型不同，多段井模型通过将井筒划分为一定数量的一维段结构来详细地描述流体在井筒内的流动情况。每一个分段均沿井轨迹方向和相邻分段相连，在分支和主干连接处有一个流入节点(图2)。在水平井形态上，其能做到与油藏完全耦合，在水平段内流体流动特征描述上考虑了流体能量在水平段内的加速度损失、摩阻损失以及水静力学损失，因此可以真实地模拟窜流现象以及整个井内流体混合的变化[12]。多段井模型不仅可以用于模拟多分支井，也可以用于提高直井或水平井的模拟精度。

图2 用多段井模型描述的多分支井示意图

在现有的多段井模型中，以J.A.Holmes等的模型使用较为广泛[13]。研究旨在提出该模型的一种新的应用方向，且在主流的商业软件中，多段井模型和黑油模型或组分模型等已经很好地耦合，因此不再赘述算法细节。

2 应用实例分析

2.1 数值模型基本概况

以一个海上油田自流注水实践为例，描述使用多段井模型模拟多分支井自流注水的细节。

(1)基于该油田A区块的地质构造，建立了数值模型。模型面积为1 km2，厚度为180 m，包含2个水层和1个油层，上部水层和油层之间有隔层阻挡(图1)。各层详细参数见表1。

(2)在模拟过程中，对1号分支进行分段处理(图3)，并在油层射开，以300 m3/d生产，直到油层压力降低至稳产期结束;稳产期末在上部水层侧钻2号分支，在下部水层侧钻3号分支，2号分支与1号分支用封隔器隔开。在流体势差的作用下，上部地层水自发流入下部水层，实现自流。基础方案中各分支长度均为400 m，井筒直径0.124 m，采用射孔完井。

表1 数值模型基本参数概况

图3 多分支自流井分段处理后示意图

2.2 结果分析

首先对A区块自流注水开发可行性进行了评价，分别分析了自流措施对累计产油量、油层压力和含油饱和度分布的影响。

从图4可以看出，使用自流注水后，由于受到上部水层的压力补给，油层压力衰竭得到缓解，油藏能量和产油量显著增加。

图4 自流措施对自流井累计产油量和地层压力的影响

从图5可以看出，实施自流注水后，上部水层水体流经下部水层，有效地将油层底部原油驱入自流井中，提高了采收率。综合分析说明，该油田具有实施自流注水的基本条件。

在注水分支中 (图3)，从趾部到跟部，由于流量累积的作用，井筒内水流速度会逐渐增加，分支跟部必然有最大流速。从图6可以看出，在2号分支跟部，水流速度及水流量呈类抛物线变化，最大流速为1.25 m/s，最大流量为650 m3/d。分析认为，在自流注水前期，随着时间推移，下部水层含水饱和度逐渐增加，水相流动能力增强，自流井井筒内水流速度逐渐增加。自流后期，主要受上部水层能量的限制，水流速度逐渐变缓。该特征与常规底水油气藏水侵规律有诸多相似之处[14]。自流井3号分支内流体特征与2号分支相似。

图5 自流措施对地层含油饱和度的影响

图6 不同时间自流井2号分支跟部节点水流速度和流量变化

虽然自流注水过程主要受天然能量控制，但油(套)管材料及尺寸对其也有一定影响。图7所示为井筒摩阻系数(f)和井筒半径(r)对井流速的影响。半径越大，流速越小;摩阻系数越大，能量损耗越大，流速越小。在自流实施过程中，可以将改变井径和井筒摩阻系数作为一种人工控制流速的方法。

图7 井筒摩阻系数和内径对流速的影响

3 结论

(1)自流注水能够有效弥补油藏压力亏空，提高油藏开采效率。

(2)多段井模型能够用于描述复杂的完井方式及井筒内流体流速、流量等特征。

(3)自流注水速度和注入量变化呈类抛物特征，峰值一般出现在注水的中后期。

(4)可以通过改变自流井油(套)管材料及内径控制自流速度。

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