考虑井下流入控制阀可靠性的智能完井数值模拟方法

2019-06-12尚凡杰

钻采工艺 2019年5期

尚凡杰

（中国海洋石油国际有限公司）

尚凡杰.考虑井下流入控制阀可靠性的智能完井数值模拟方法.钻采工艺，2019，42（5）：52-55

智能完井技术是一种通过实时监测井下信息，经分析决策遥控油气井最优化生产的完井技术，其一方面能够准确监测各产层的流量、压力、温度、含水率等参数，另一方面能实现井下流入控制阀（以下简称ICV）的远程调控，无需钢丝作业即可实现油井动态的调整。特别地，由于深水油田调整余地小，开发风险高，智能完井技术的应用前景更为广阔［1-2］。

然而，目前成熟的商业数值模拟软件中并无专门的智能完井模块［3］，采用等效模拟的方法难以实现多种智能完井策略特别是积极控制策略的模拟，无法充分体现智能完井的优势［4-8］；另一方面，从现场实施情况来看，智能完井设备存在可靠性不足的问题，使得人们对其实际应用效果存在疑虑［9］。在这种背景下，如何考虑ICV可靠性，实现智能完井技术实施效果的综合评价是亟待解决的问题。

一、智能完井数值模拟方法

在实际操作中，智能完井有两种控制策略［3］，第一种是“被动控制”，即当某一产层的含水率或者气油比达到一定值时对相应ICV进行操作（打开／关闭或者放大／减小阀门开度），从而实现全井含水率或者气油比的降低；第二种称为“积极控制”，在油井含水率或者气油比上升之前即开始注入井段和生产井段ICV的调节，形成油田全生产寿命的最佳ICV配置。

本文借助斯伦贝谢公司的Petrel-RE软件和INTERSECT数值模拟器，综合应用完井设计、高级油藏管理、不确定性与优化、目标函数及多段井等功能，实现了被动控制策略和积极控制策略下的智能完井数值模拟。

1.机理模型

机理模型设计1注1采，采用注水开发，保持注采平衡；模型在纵向上可以分为3个小层，小层间存在不渗透隔层，注入井和生产井均进行智能完井，每小层为1个完井段，部署1个ICV；模型第2小层有两个较为明显的高渗层。机理模型概况见图1。

借助Petrel-RE软件的完井设计模块，对注入井和生产井进行多段智能完井设计，为考虑ICV的部署造成的压力损失，本文采用多段井模型进行井筒流动计算，多段井模型较常规井筒模型能够更加准确地描述由于摩阻、加速度造成的井筒压降［10］。完井设计示意图见图2。

2.数值模拟方法实现及结果分析

借助Petrel-RE软件的相关功能，分别设计智能完井被动控制策略和积极控制策略下的数值模拟实现方案，结合机理模型，介绍其具体实现方法。

图1 机理模型概况

图2 完井设计示意图

方案A：基础方案。生产井含水达到90%后关井。

方案B：二级被动控制方案。将生产井所有ICV置于同一动态列表，将触发条件定义为单井含水率达到90%，将该条件被触发后的动作设置为将最差产层关闭。

方案C：多级被动控制方案。在该策略下设置两级触发条件和执行动作：①当某一产层含水率达到30%时，将该产层对应的ICV开度调小10%，每半年执行一次判断；②当生产井单井含水率达到90%之后，将含水最高产层关闭。

方案D：积极控制方案。借助Petrel-RE中的不确定性与优化模块，以累产油量为目标，以不同时刻注入井和生产井每个ICV的开度为变量，采用进化算法多次实现，最终得到最佳的ICV配置方案。

不同智能完井控制策略的增油效果如表1所示。与方案A相比，智能完井方案B、C、D的累产油量均有不同程度的提高，其中方案B在单井含水率达到阈值后，将含水最高产层关闭，延长了油井寿命，提高了低含水产层的动用和采出程度，生产10年后采出程度提高8.4%；方案C通过对每个ICV开度的多级控制，实现更加精细的生产动态调整，在单一产层含水达到30%时即对其进行干预，通过调小ICV开度，增大该层渗流阻力，使得注入水更多地流向水淹程度较低产层；方案D执行的控制策略更加积极主动，不再将单一井点处的动态监测数据作为ICV调节的依据，而是以油藏全生产周期渗流场的改善为目标，ICV的调节时间更早。模拟结果表明，该方案早期含水上升速度最慢，油井全生产寿命的累积产水量最低（累增油量略低于方案C，这与优化算法的实现次数有关）。

表1 不同智能完井控制策略下增油效果

3.参数敏感性分析

采用上述智能完井数值模拟方法（仅被动控制策略），考虑储层纵向连通情况和层间渗透率差异两个地质因素，进行参数敏感性分析，对不同ICV个数的智能完井增油效果进行对比，见图3。

由图3看出，储层纵向连通状况越差，层间非均质性越强，智能完井增油效果越好，这是因为当模型纵向连通状况较差，尤其是存在隔夹层时，层间窜流减少，更容易实现单层注采动态的调控；而层间非均质性越强，注入水沿高渗层的突进就越突出，更加有利于发挥智能完井技术的优势。此外，ICV个数越多，油井调整的灵活性越强，但在实际油田决策中，ICV的安装和维护成本也是需要考虑的因素。

图3 参数敏感性分析

二、失效率模型

现场实践表明，ICV在安装和运行过程中可能因腐蚀或堵塞等问题发生故障，无法实现其调节功能，例如，Statoil称其在Snorre油田B平台安装的36个ICV中有39%失效［3］。尽管近年来ICV的故障率有所下降，但其可靠性仍然是一个不容忽视的问题。因此，对智能完井技术的适应性进行评价，失效率是一个重要的考量因素。

本文采用工业界常用的浴盆曲线对ICV的失效率进行描述，浴盆曲线可以用Weibull分布［11］来进行描述，其表达式如下：

式中：pdf和cumpdf—分别为Weibull分布的概率密度分布函数和累积概率密度分布函数；α—尺度参数；β—形状参数；t—时间。

图4 ICV失效率曲线

本文采用2组分别表征早期失效期（β＜1）和耗损失效期（β＞1）的Weibull分布的组合来描述ICV的失效率，基于Al-Khelaiwi等在2008年公布的ICV安装5年后（4%）和10年后（12%）的故障率数据［3］，对两组Weibull分布的参数进行拟合，最终得到描述ICV失效率的浴盆曲线见图4。

考虑ICV失效类型，对于每一个ICV，在每一年初生成一个在［0，1］内均匀分布的随机数Probrandom，将其与上述失效率曲线中相应时刻ICV失效的概率ProbW进行对比。

（1）0≤Probrandom＜1／3 ProbW，失效类型为Ⅰ型，ICV在当前开度下遇卡，失去调节功能。

（2）1／3 ProbW≤Probrandom＜2／3 ProbW，失效类型为Ⅱ型，ICV只能保持100%开启。

（3）2／3 ProbW≤Probrandom＜ProbW，失效类型为Ⅲ型，ICV关闭。

（4）Probrandom＞ProbW，ICV功能正常。

三、应用实例

目标油田巴西L深水油田为巨型湖相碳酸盐岩油田，储层非均质性强，局部发育高渗条带，如何在巨厚储层、强非均质性条件下提高水驱波及体积、提高开发效果成为L油田开发面临的关键课题。鉴于积极控制策略计算量巨大且其优越性已展示，此处仅评价被动控制策略下的智能完井增油效果。

表2 L油田智能完井增油效果

建立L油田数值模拟模型，采用注水开发，每口生产井部署2～3个ICV（暂仅考虑ICV在生产井的安装效果），全油田共安装19个，模拟生产22年。

采用第二节介绍的失效率曲线对L油田ICV的失效情况进行计算，可知在22年生产期内，共有3个ICV发生Ⅰ型失效，2个ICV发生Ⅱ型失效，2个ICV发生Ⅲ型失效，总失效率36.8%。

将失效ICV在相应时刻下进行失效模式的设置，最终得到不同智能完井控制方案的模拟结果见表2及图5，可以看出，在不考虑ICV失效的情况下，智能完井技术在L油田具有较好的增油潜力，在二级和多级被动控制策略下，智能完井方案较基础方案分别提高采出程度3.5%和3.2%；但若考虑ICV的失效，智能完井方案的优势被大为削弱，可见ICV的失效确实是一个不容忽视的问题。