分支水平井技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展

尾礦支水井分類及井眼軌跡該分行的技術(shù)是增加油氣藏的生產(chǎn)面積，提高油氣井的產(chǎn)量，提高氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。這是未來油氣藏開發(fā)的主要發(fā)展方向。該技術(shù)亦可應(yīng)用于水文、環(huán)保等其它領(lǐng)域,發(fā)展前景十分廣闊。其應(yīng)用與發(fā)展不僅會帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,而且具有重要的科學(xué)研究意義。分支水平井是由1個主井眼和2個或2個以上的分支水平井眼所組成的,是復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的一種,能使多個儲層泄油。目前所鉆的分支水平井主要有2種:一種是以某種類型分支水平井為完井目的的新鉆井;另一種是從現(xiàn)有井中側(cè)鉆分支水平井。從井眼軌跡可劃分為棧式分支水平井、音叉式分支水平井、歐翅式分支水平井、魚骨式分支水平井等10種類型。還可分為平面分支水平井和空間分支水平井(多底井)。1我國水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展歷程20世紀(jì)40~70年代,美國和前蘇聯(lián)等國鉆了一批水平井試驗(yàn)井。70年代后,美國、加拿大、法國等國開展了水平井開發(fā)油氣藏的研究,進(jìn)入80年代,此項(xiàng)技術(shù)才開始大規(guī)模工業(yè)化推廣應(yīng)用。截至2000年底,全世界已鉆水平井4000余口。目前,全世界已完鉆水平井20000余口,主要分布在美國、加拿大、俄羅斯等70多個國家和地區(qū)。我國最早于1965年在四川碳酸鹽巖中嘗試鉆了2口水平井,未取得應(yīng)有的效益。直到1988年,首先在南海完鉆LH1-1-6水平井,目前大慶、勝利、遼河等各大油田都鉆有一批水平井。20世紀(jì)30年代,前蘇聯(lián)工程師格里高楊提出并發(fā)展了分支井理論。第1批多分支井開始于前蘇聯(lián)的俄羅斯和烏克蘭地區(qū),第2批多分支井于1968年開鉆于前蘇聯(lián)的東西伯利亞地區(qū)。1995年以后,隨著水平井完井技術(shù)的發(fā)展和三維地震技術(shù)的普及,多分支井技術(shù)得到了迅速發(fā)展。前蘇聯(lián)的水平井鉆井技術(shù)就主要表現(xiàn)在鉆分支水平井方面。早在20世紀(jì)50年代,前蘇聯(lián)曾利用渦輪鉆具鉆成1口10翼分支井,該井投產(chǎn)后原油產(chǎn)量增加17倍。到1975年前蘇聯(lián)共鉆了30多口分支水平井,截至1990年,共鉆了111口井(其中57口開發(fā)井、36口探井、8口救險井以及10口注入井)。而美國和其它國家的分支水平井技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)90年代,但其發(fā)展速度很快。2分期結(jié)構(gòu)水平井于井中與直井相比,分支水平井并未改變油氣滲流的機(jī)理,油氣藏滲流也遵循著同樣的方程。但是,它卻引起了儲層流體流入流出條件的變化,因此,二者的流場是不同的:一般直井的近井流場是圓柱面,而分支水平井水平段的流場是長橢球體。分支水平井兼有水平井和多分支井的雙重優(yōu)點(diǎn)。由于其完井層段長,井筒裸露面積大,因此,作為生產(chǎn)井,分支水平井可以提高油井產(chǎn)能;作為注入井,分支水平井能夠增加注入流體的波及體積,并且可以延伸至油層深處。沿水平方向壓力損失減少,能夠充分利用儲層的垂向滲透率。雖然分支水平井本身不能提供任何輔助能量以供開采,但是它可以提高地層能量的利用率。由于其近井區(qū)內(nèi)壓力分布平緩,儲層因壓敏而產(chǎn)生的傷害比較輕。除此之外,分支水平井還具有其它特殊的用途。例如,它可以降低非均質(zhì)地層中的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險,降低單位技術(shù)成本,提高低滲透油藏的采收率,作為加密井可以大幅度提高產(chǎn)量等等。從工程方面講,分支水平井可以節(jié)省井場占地、鉆機(jī)搬遷安裝、主井眼的重復(fù)鉆進(jìn)和下套管、廢棄鉆井液及巖屑處理等費(fèi)用,還可降低地面采油和集輸設(shè)備、海上鉆井平臺隔水管、井口等材料成本以及減少鉆井和采油平臺的費(fèi)用等。3分段水平井的用途多分支水平井在開發(fā)隱蔽油藏、斷塊油藏、邊際油藏以及一井多層、單井多靶,實(shí)行立體開發(fā)等方面有優(yōu)越性。它可以在下述情況下應(yīng)用:(1)天然裂縫油藏,水平段可鉆穿多條裂縫,多條裂縫都可出油。(2)邊底水、氣頂斷塊油氣藏,水平段可以減少水錐、氣錐等問題,因而可以提高產(chǎn)量。(3)稠油油藏。(4)整裝高含水油藏。(5)低滲透油藏。(6)薄儲層油藏。(7)天然氣藏,在高滲透層分支水平井可以降低近井區(qū)域的產(chǎn)氣速度,同時能夠降低近井地區(qū)的紊流現(xiàn)象,改善高滲氣層的產(chǎn)能。(8)小型或隔離區(qū)塊油層;閣樓油層;透鏡狀儲層;高定向滲透性儲層;垂直疊加的單個油層;需要優(yōu)化壓力控制和提高波及效率的儲層;滲透率不同需要水驅(qū)的儲層;有多組天然裂縫的儲層;開采有增油潛力的儲層。分支水平井的其它用途,主要涉及解決鉆井技術(shù)和有關(guān)鉆井費(fèi)用問題,在近海地區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)及環(huán)境敏感區(qū)域,采用分支水平井是非常理想的。因?yàn)椴粌H可以獲得所要求的產(chǎn)量,而且還可以少鉆直井,所節(jié)約的費(fèi)用非?？捎^。隨著分支水平井技術(shù)的不斷完善及井下工具的不斷開發(fā),它幾乎可以用于開發(fā)所有的油氣藏。4施工地層模型及產(chǎn)能預(yù)測最早研究分支水平井產(chǎn)能計算問題的是原蘇聯(lián)的Табаков(在20世紀(jì)60年代初就已提出)。其關(guān)于分支水平井的研究結(jié)果曾為Борисов采用,后來又為美國的Joshi所采用,并得到廣泛的認(rèn)可。然而,Табаков的公式存在明顯的矛盾:Табаков在公式的推導(dǎo)中,對于1、2條分支水平井的情況,假設(shè)導(dǎo)流能力無限大(即井內(nèi)各點(diǎn)壓力相等),而對于3、4條分支水平井則假設(shè)流量均勻分布,然后用勢的疊加原理導(dǎo)出。Joshi的公式也沒有注意到均勻流量和導(dǎo)流能力無限大的區(qū)別。關(guān)于早期無限導(dǎo)流能力產(chǎn)能的計算,需要下列假設(shè):穩(wěn)態(tài)等溫流動且流量均勻分布。對于均質(zhì)各向同性油藏,Giger公式、Borisov公式、GigerReissJourdan公式、Renard公式、Dupuy公式、Joshi公式等都是比較適用的。Joshi又針對非均質(zhì)油藏引入了修正系數(shù)(采用有效滲透率),推廣了公式的應(yīng)用范圍。針對水平井段不同完井方式(如裸眼完井、割縫襯管完井、射孔完井、繞絲篩管完井、裸眼井下礫石充填完井等)及完井參數(shù)和地層損害的影響,許多學(xué)者對其產(chǎn)能預(yù)測的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了相關(guān)研究,得到了不同條件下的產(chǎn)能公式。李湯玉等根據(jù)Borisov提出的等值滲流阻力的概念,把水平井的流動阻力分為2部分:一部分為液體有供油邊界流向通過水平井的假想的垂直裂縫的阻力,稱為外阻;另一部分是油井本身的內(nèi)阻,即井周圍以一個假想供給邊緣向井底的流動。然后,通過一系列的保角變換,將內(nèi)含裂縫的角形域變?yōu)橐粓A域的單直井,再求其產(chǎn)量。并指出:增加分支水平井井筒數(shù)可以增加產(chǎn)量,但井筒數(shù)需要優(yōu)化;一口長水平井比總長與之相等的分支水平井的效果要好。該公式優(yōu)點(diǎn)是假設(shè)條件比較少,便于實(shí)際油藏工程應(yīng)用。程林松等綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)分析方法(保角變換、鏡像反演、疊加原理、等值滲流阻力)和物理模擬方法(電解模型)對分支水平井穩(wěn)定滲流進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,采用擬三維求解思想及基本滲流規(guī)律推導(dǎo)了分支水平井的流場分布和產(chǎn)能計算公式。并采用電解模型試驗(yàn)裝置對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并指出了影響水平井產(chǎn)能的因素:水平井長度、地層厚度、井筒數(shù)、地層非均質(zhì)性以及油井的位置等。分支水平井產(chǎn)量隨井筒長度增加而增加,并且增長幅度越來越大;薄油層更有利于水平井產(chǎn)能的提高,分支水平井的合理井筒數(shù)應(yīng)是2~4支;地層非均質(zhì)性對分支水平井產(chǎn)能的影響會隨井筒數(shù)的減少而增大;油井位置對產(chǎn)能的影響也會隨井筒數(shù)的減少而增大。應(yīng)用替代比的概念,利用直井產(chǎn)能評價結(jié)果進(jìn)行分支水平井產(chǎn)能評價。替代比定義為在總產(chǎn)量和總控制面積相同的條件下,所需直井?dāng)?shù)與所需水平井井?dāng)?shù)的比值。這種方法與其它方法相比,更符合油田生產(chǎn)的實(shí)際。井筒管流與油藏滲流耦合的產(chǎn)能分析模型:沿水平井筒的指端到水平井筒的根端,流體質(zhì)量逐漸增加(即變質(zhì)量流)。流體變質(zhì)量流入水平井段的方式大致分以下幾種:沿井筒壓力均勻一致,均勻流入井筒;沿流入方向流入量增加;沿流入方向流入量減少等。耦合模型是復(fù)雜的非線性方程組,故一般采用牛頓迭代法求解。對分支水平井段鉆穿多條裂縫的情形,利用復(fù)位勢理論和疊加原理所提出的無因次壓裂水平井的產(chǎn)能公式存在很大的缺陷:產(chǎn)能將會隨著裂縫條數(shù)奇偶的變化而產(chǎn)生間隔性跳躍,并且這種方法假定每條裂縫的產(chǎn)量相等,有較大的計算誤差。之后,許多學(xué)者分別用2種方法對其進(jìn)行了修改。第1種,設(shè)所有裂縫底部的壓力都等于井底壓力,產(chǎn)量為全部裂縫產(chǎn)量的總和,所得到的理想公式得出一些有益的結(jié)論:水平段所穿越的裂縫最優(yōu)條數(shù)是3~5條;水平井段中點(diǎn)處的裂縫產(chǎn)能最低,向兩端逐漸增大;靠提高裂縫長度來大幅度增產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)上是不可行的等。第2種,將摩擦壓力降的計算式和加速壓力降的計算式與前者理想公式三者結(jié)合,得到實(shí)際生產(chǎn)公式,該公式指出:在靠近分支水平井水平段指端處,壓力變化較小;越靠近根端的地方,壓力變化越大。5基于壓力分析方法的地層滲流模型壓力動態(tài)的研究屬于試井分析的范疇,是油藏工程的重要組成部分,也是評價油氣田開發(fā)動態(tài)的主要技術(shù)手段和基礎(chǔ)工作之一。它對于準(zhǔn)確認(rèn)識油藏、合理開發(fā)油藏和有效地經(jīng)營油藏都起著關(guān)鍵性作用。分支水平井壓力動態(tài)分析的核心內(nèi)容是:尋求分支水平井源與多孔介質(zhì)中的壓力場在以怎樣的方式進(jìn)行著相互影響和相互作用,并將這種影響方式用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行描述,所得到的理論規(guī)律對油藏工程實(shí)踐又起著怎樣的指導(dǎo)作用?？紫檠缘葘Ω飨虍愋缘貙又蟹种骄乃沧儔毫π袨楹同F(xiàn)代試井解釋方法進(jìn)行了研究。他考慮了井筒存儲效應(yīng)和表皮因子的影響,首先利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)出無限大平面上任意方向一個線段源的瞬時源函數(shù),然后通過疊加原理給出任意多個線段源(其延長線均通過坐標(biāo)原點(diǎn))各向異性的瞬時源函數(shù)。根據(jù)Newman乘積原理得出一般情形分支水平井的Green函數(shù),進(jìn)一步給出了實(shí)空間和拉氏空間中無量綱壓力的解析表達(dá)式,還繪制了樣板曲線。最后給出了分支水平井試井解釋的方法步驟。所得到的結(jié)果對于任意夾角斷層中存在單個水平井的情形同樣適用,因?yàn)榉种骄谝欢l件下與尖角內(nèi)單個水平井是等價的,這些條件是尖角內(nèi)實(shí)井和鏡像井的總數(shù)目與分支水平井的分支數(shù)目相等,相應(yīng)的夾角、井長、井位相同,尖角內(nèi)水平井軸應(yīng)通過該角的頂點(diǎn)。劉慈群、王曉冬等對均質(zhì)各向異性油藏中任意分支水平井的三維不定常滲流進(jìn)行了研究,采用匯源積分的方法得到平面上均勻分布的任意分支水平井的壓力分布通式。并利用Duhamel褶積及Laplace數(shù)值正、反變換方法獲得分支水平井產(chǎn)量和累計產(chǎn)量彈性特征曲線。最后指出:多分支水平井的壓力曲線族在中后期的變化趨勢反映該地層中發(fā)生了平面徑向流,而對應(yīng)的壓力導(dǎo)數(shù)曲線族在相應(yīng)處提升的程度趨近于分支數(shù)的一半,分支水平段的井長影響曲線族水平段的位置和對應(yīng)各個流態(tài)特征曲線的出現(xiàn)與消失。多分支水平井合理井底流壓和最佳產(chǎn)量的協(xié)調(diào)是實(shí)際生產(chǎn)中首要關(guān)心的問題,壓力的系統(tǒng)分析是解決兩者最佳協(xié)調(diào)關(guān)系的主要手段。程林松等基于井筒流體流動與管路液體流動的流動相似性,并綜合考慮了不同完井方式下地層滲流、水平段變質(zhì)量管流、彎曲段和垂直段多相管流之間的耦合作用,采用整體壓力分析方法建立了不同完井方式下多分支水平井地層滲流與變質(zhì)量管流耦合模型。該模型可求解多分支水平井在考慮各分支間在主井眼井底相互干擾的情況下的協(xié)調(diào)產(chǎn)量、協(xié)調(diào)流壓,以及各分支在協(xié)調(diào)點(diǎn)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)和各分支水平段沿程壓力分布、產(chǎn)量分布。作為從整體系統(tǒng)的角度對油井壓力系統(tǒng)進(jìn)行分析的節(jié)點(diǎn)分析方法也逐漸在石油研究領(lǐng)域推廣應(yīng)用。該方法的核心思想是:采用節(jié)點(diǎn)分析方法,將主井眼井底作為求解節(jié)點(diǎn),通過節(jié)點(diǎn)將從油藏到井口所構(gòu)成的整個油井壓力系統(tǒng)劃分為相關(guān)的獨(dú)立段:各分支水平段、各分支彎曲段、各分支垂直段、主井眼段。分段進(jìn)行壓力損失計算,建立多分支水平井壓力系統(tǒng)分析模型,提出相應(yīng)的求解方法,最后在求解節(jié)點(diǎn)處(主井眼井底)繪出該點(diǎn)流體流入和流出特性曲線,從而得到協(xié)調(diào)點(diǎn)(臨界點(diǎn))的流動壓力和對應(yīng)產(chǎn)量。在水平段計算時,將水平段視為無數(shù)段微小線匯,每一微元線匯近似為等質(zhì)量流,整個水平段則為流量逐漸增加的變質(zhì)量流。需要考慮水平段的壓降損失。劉想平等提出了流動關(guān)系式。在彎曲段的計算時,參照鉆井工程對水平井曲率半徑的劃分標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)地將分支井眼彎曲段的壓降計算劃分為短-超短曲率半徑、中曲率半徑及大曲率半徑3種情況。結(jié)合工程用最佳平方逼近和非線性方程組解法等數(shù)學(xué)方法,借鑒工程流體力學(xué)多管匯流及管路閥件損失相關(guān)理論建立多分支井眼在主井眼井底匯流的計算模型。節(jié)點(diǎn)匯流模型需要假設(shè):求解節(jié)點(diǎn)處各分支井眼多相流處理為均相流即不考慮混相損失;假設(shè)各分支井眼流體從主井底匯流前到匯流后的溫度變化為瞬態(tài)變化(即溫度變化瞬間完成,與匯流的過程無關(guān)),求解節(jié)點(diǎn)處的各分支井眼的匯流近視