多分支井结构优化研究

2014-06-01

中国新技术新产品 2014年1期

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

多分支井结构优化研究

刘豪

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

本文调阅了关于多分支井的产能预测与计算的文献，同时本实验针对多分支井的分支数目、位置与长度等结构设计实验、展开实验，得出了在实验压力的条件下，最佳泥砂比为1:5、水灰比0．51；得出产能最高的分支井结构特征，并最终得出成果。结论显示：随着分支距离油层中部越近，分支井的波及效率越高，分支井的总产能越大；随着分支数目的增加，产能减少，但产能减少的速度减缓，产能最终趋向于稳定；随着分支增长，分支井的产能随之增加，但产能增速减缓。

多分支井；结构；参数优化；油藏模拟；研究

1 概论

分析多分支井不同的产能计算模型，并通过分析分支井渗流阻力，得知多分支井的产能与其长度的关系为：长度对多分支井产量的影响随着长度L的增大而降低；当井筒位于油层中部时油井具有最大的产能，但是它们的值相差不大。

基于多分支井等效井径模型、井筒变质量流动模型、综合表皮系数模型及势的叠加原理,建立了新型单层油藏多分支井油藏渗流与井筒管流耦合模型。利用所建模型分析了分支数、分支长度、分支与主井筒的夹角等分支参数对多分支井入流动态及产能的影响：分支数增多、分支长度增长,多分支井总产量增加,但增长幅度越来越小；单独改变分支与主井筒的夹角对总产能影响较小。

建立多分支井油藏渗流与井筒流动耦合的产能预测模型,得出：一个分支井的高产量会对其他分支井在主井筒里造成高背压，同时，还会在分支中形成窜流，因此，分支长度增长,多分支井总产量增加,但增长幅度越来越小。

通过三维势函数的定义推导出无界地层中多分支水平井三维稳态渗流速度势分布，再根据镜像反映和势叠加原理，推导出了具有边界条件下多分支水平井的三维稳定势分布：多分支水平井各分支间的间距增大，产能增加；随着分支数的增加，产能增加，但产能增加的幅度越来越小；对于两分支水平井，夹角为 45°时，产能最大；对于两分支以上的水平井，夹角为 60°时，产能最大；多分支水平井的夹角为 90°时，产能最小。

2 实验原理

本实验通过实验装置的设计，模拟均质油藏单相渗流时，开发后期以前，地层压力变化不大的情况下，多分支井的产能与分支结构参数之间的关系。

由于在开发过程中，较短的周期内，地层的压力基本不变，因此，在实验时，通过用恒定高度的水压来模拟地层压力；同时，通过用水流来模拟地层的单相流体；通过用确定配比的沙子与水泥的混凝土块来模拟含油的岩层；通过用饱和水的模拟岩层来模拟单相均质油藏；最终，通过研究水在不同多分支结构的情况下的流量来模拟油藏的产能，并得出最后的结论。

堵水孔方法：由于模拟油藏的每一个孔的长度是已知的，若要控制其长度，就把活塞与标尺连接，通过在标尺上读出活塞伸入的长度，用总长度减去读数就是实际水孔的有效长度。

有效长度=水孔的总长度-伸入的长度。

3 实验器材

实验用水缸、模拟方形油层、模具（用以模拟油藏）、量液用烧杯、计时器、活塞（通过与圆柱状标尺用螺纹连接来封堵水孔或确定需要的长度）、标尺（圆柱状，上有螺纹，以便于活塞连接）

4 实验大体流程

图1 位置对产能影响折线图

图2 分支长度对产能影响折线图

图3 数目对产能影响折线图

调整好模拟油藏的各项参数，再将模拟油藏装入水缸中，向水缸里装入等高的水（保证油层压力基本不变），待水进入模拟油藏稳定后，再实验。在实验时，打开阀门，计时10分钟，测定流量。当换用不同分支井结构或油藏时，获得相关的参数值及流量值，进行比较，得出结论。

5 油藏模拟

在本实验中，通过用水泥和颗粒相近的沙子均匀混合，制出均一的模拟四方体油藏，在井眼d处接水管以便把液体排出测量，同时，在井眼处和装置与水管的接触处加密封圈，以防漏水。

相关参数：h=25cm，l=80cm，d=1cm，a=30cm，b=10cm，α=22.5°

同时，为了能够用控制变量法研究此油藏，而且为了节省材料，油藏在制作时，其水平分支井如图。因为制作好以后，打孔困难，而且精确度很差，因而在制作时，使用钢管为模具，做出这样的分支。在不需这样长或这么多的分支时，用活塞封堵分支。

5.1 测定材料的合理配比：

制作高h=100mm，外径R=63mm，内径r=30mm的中空且底部封死泥柱，其中所需的砂和水泥的总重为M=1kg，分别按水泥与砂的质量配比成1:1、1:2、1:3、1:4和1:5，根据资料查得一般情况下水灰比为0.44。

将制好的模型放入水中，使得水面与泥柱表面齐平，观察水从泥柱外部渗到中空部，在20分钟时间内，经过比较泥柱中水的量，发现泥砂比为1:5，水灰比0.51的配比结果最佳。

5.2 模具

整个模具用于制作模拟油藏用，使用木制的内空腔长80cm宽80cm高25cm的盒子，其中木板的厚度为1.5cm。为了实验需要，在木盒的四周高10cm的地方打了14个直径为1.8cm的孔。

5.3 模拟步骤

（1）将模具放在水平位置，并向内加入调好的混凝土到高度为10cm处。

（2）从模具四周的孔中插入外径为18cm的钢管，把钢管调整水平。

（3）待已经加入的混凝土凝固时，再在上边加一层混凝土25cm,待其凝固干燥。

（4）用直径为18cm的钻头在模拟油藏的孔中分别继续打孔至O、C、D点。

（5）用水冲洗掉模拟油藏孔中的灰烬，以备下面实验用。

6 实验及数据处理

6.1 研究位置对分支井产能的影响

步骤:①用活塞关闭2、5、6、7、8、9、10号井；②轮流对3～4、11～12、13～14井各取20cm，关闭其他井，计时10分钟，记下各自流量p；③若有必要，重复上述步骤。

随着位置距油藏中部0cm距离递增至10cm、20cm，流量由181.6q/ml渐变至176.5q/ml、165.8q/ml（见图1）。

由图1可知，分支越远离油藏中部，产能的减少也越快。其中，分支在中部时，产能最高。原因可能是由于远离中部时，打井后波及的范围较小造成的。

6.2 研究长度对分支井产能的影响

步骤：①取5、6号井，关闭其它井；②在5、6号井中先后各取5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm，各记10分钟时的流量；③若有必要，重复上述步骤。

随着分支长度由5cm递增至10cm、15cm、20cm、25cm、30cm，流量由56.4q/mL渐变至105.7q/mL、142.5q/mL、170.2q/mL、191.2q/mL、203.9q/mL（见图2）。

对于本实验，由图2可知当分支的长度增加时，分支井的产能会增加，但是，产能的增加随分支长度的增加逐渐减缓，其中到达20cm以后，增加速度明显放缓。

6.3 研究分支数目对分支井产能的影响

步骤：①关闭2、5、6、7、8、9、10号井；②在3号井取40cm，关闭其它井，记10分钟时的流量；③在3、4号井各取20cm，关闭其它井，记10分钟时的流量；④在3、4、11号井各取13.3cm，关闭其它井，记10分钟时的流量；⑤在3、4、11、12号井各取10cm，关闭其它井，记10分钟时的流量；⑥在3、4、11、12、13号井各取8cm，关闭其它井，记10分钟时的流量；⑦在3、4、11、12、13、14号井各取6.7cm，关闭其它井，记10分钟时的流量；⑧若有必要，重复上述步骤。

随着分支数目递增至2个、3个、4个、5个、6个，流量由183.1q/mL渐变至 180.3q/mL、179.5q/mL、178.8q/mL、178.4q/mL（见图3）。

在总的分支长度一样的情况下，分支的数目越多，分支井的产能就越小，当分支数为1时，分支井的产能最高；随着分支数目的增加，产能减少的速度减缓，并最终趋向于水平主井的产能。分析其原因，可能是由于当分支数目过多时，分支井的流体会形成窜流引起的。