多分支水平井井身結構優化研究

1經濟效益分析多段井技術是在定向井、大位移井和水平井技術的基礎上迅速開發的一種石油開采技術。它顯著提高了油藏的采收率，降低了油藏開采的總成本，經濟效益顯著。這是21世紀氣田開發的主要技術之一。只要將多分支水平井與煤層特點有機結合起來,其同樣能作為低滲透儲層煤層氣的高效開發技術。開發煤層氣的多分支水平井與低滲透油藏的最大區別在于,煤層多分支水平井要追求更長的水平位移和更多的分支數。2分流水平井結構多分支井水平井按水平段幾何形態可分為:集束分支水平井、徑向分支水平井、反向分支水平井、疊狀分支水平井和羽狀分支水平井(圖1)。集束分支水平井是在一垂直井段鉆多個輻射狀分支井眼;徑向分支水平井是在一垂直段鉆出多個超短半徑分支井眼;反向分支水平井,即一個分支井眼下傾,另一個分支井眼上傾,并且井眼方向相反;疊狀分支井,用于開采兩個不同產層或在一個低滲透阻擋層之上或之下開采油氣;羽狀分支水平井,即在一主水平段兩側鉆出多個分支井眼。3用量模型分析多分支水平井能夠大幅度提高煤層氣單井產量,但其影響因素也較多,要分析具體的影響因素還要從分支水平井的產量函數入手。煤層水平方向的滲透率存在著各向異性,對煤層氣井的產能有較大影響。煤層氣分支井產量模型也屬于多目標函數,其與煤層地質條件及分支井眼幾何結構密切相關。根據煤層的物理特性,煤層氣多分支水平井產能主要受以下與工程有關的因素控制。3.1煤層厚度煤層厚度對煤層氣井的產量影響較大。煤層厚度增加,煤層氣產量會有所增加,但薄煤層的氣產量提高的幅度更大。3.2水平段長度對產量的影響根據產能模擬結果,分支水平井產量隨井筒長度增加而增加。從圖2可見,當水平段長度較短時,產量增加幅度越來越大;當分支水平段長度增長到一定程度,產量增加幅度并沒有明顯的變化,即并不是分支水平井長度越長越好,具體的合理長度需要優化。3.3不同分工數對產量的影響水平井筒長度一定時,增加水平井井筒數,可以提高產量。但從圖3可見,當水平分支數較少時,產量隨分支數增加其產量大幅度增加;當井筒數增加到一定程度,產量的增加幅度逐漸減小。另外,隨著分支數的大幅度增加,鉆井成本必然大幅度增加。由此可見,并不是井筒數越多越好,井筒數也存在一個經濟合理值。3.4飽和度的區域性差異煤層的非均質性因素包括煤層滲透率、深度、厚度、含氣量及飽和度的區域性差異。煤層的各向異性對煤層氣井的產能有一定影響,并且,當井筒數減少時,煤層非均質性的影響會更大。另外,煤層中的泥巖夾層和斷層是鉆多分支水平井的最大障礙。3.5水平段的位置水平段在煤層中的位置對水平井產能有一定的影響,并且井筒數較少時,水平段位置對產能影響會更大。3.6最大、最小水平滲透率kh的計算根據水平井滲流機理,各向異性氣藏中,水平井筒與最大滲透率方向的夾角越大,水平井產能指數越大,所以水平井眼應垂直于綜合滲透率方向(K),見圖4。綜合滲透率是指最大與最小水平滲透率的矢量疊加。如KH為最大水平滲透率;Kh為最小水平滲透率;K為最大和最小水平滲透率的矢量和;W為分支水平井眼長度;α為綜合滲透率與最大滲透率方向的夾角;β為分支水平井眼與最大水平滲透率方向夾角,則:K?=K?H+K?K?h?W?⊥K??α+β=π。Κ→=Κ→Η+Κ→Κ→h?W→⊥Κ→?α+β=π。經過計算分析,采用綜合滲透率模擬的產能比采用最大水平滲透率模擬產能高出11.8%,從而證實,采用綜合滲透率是合理的。3.7沿高滲方向鉆水平井,保證了井中面割理的滲透率裂縫方向對水平油井產能的影響主要取決于裂縫與水平井方向。對于面割理和端割理不明顯的煤層,水平段的走向對水平井的開采效果和產能影響不大,但對于面割理滲透率遠高于端割理的煤層來說,沿著高滲方向鉆水平井是非常不利的。其結果,第一,沿高滲方向鉆井,即平行面割理方向鉆水平井,其結果導致水平井對面割理的鉆遇率降低;第二,沿高滲方向鉆水平井,井眼波及面積小,既不利于水平井產能的發揮,也降低了采收率。相反,沿低滲方向鉆水平井,有利于水平井最大限度地貫穿面割理,溝通更多的滲透率較高的面割理(圖5),這就大大提高了水平井的波及程度和采收率。因此,單一水平井眼應垂直于面割理方向。4低滲透儲層煤層氣井開井技術多分支水平井鉆井完井技術是一項高效煤層氣開發技術,它是集鉆井、完井與增產技術于一體的新型開發技術。多分支水平井技術特別適合于開采低滲透儲層的煤層氣,是低滲透儲層煤層氣開采技術的一次革命性進展。與采用射孔完井和水力壓裂增產的常規直井相比,多分支水平井具有得天獨厚的優越性,能夠最大限度地溝通煤層割理(微裂隙)和裂縫系統,增加井眼在煤層中的波及面積和泄氣面積,降低煤層裂隙內氣液兩相流的流動阻力,大幅度提高單井產量,減少鉆井數量。與常規直井相比,在開發低滲透儲層煤層氣資源時,多分支井具有單井產量高、采出程度高、經濟效益高的優勢。4.1多段水平井的產量4.1.2地層水接觸及割理能力分析分支水平井的地層水滲流阻力可按下面公式計算,這里僅比較單一水平井和單一割理的滲流阻力。R=μ2πkh|ln41/nreL+hnLlnh2πrw|R=μ2πkh|ln41/nreL+hnLlnh2πrw|式中R為滲流阻力(MPa);L為分支水平井長度(m);k為地層滲透率(10-3μm2);h為煤層厚度(m);μ為流體粘度(MPa·S);re為供給半徑(m);rw為井筒半徑(m);n為分支水平井井筒數。計算割理阻力可將井筒半徑換成割理半徑,當水平井段長為100m,井眼直徑取152mm,割理簡化成1.5mm的圓孔時,經計算比較,地層水在割理中的摩阻,比在分支水平井的摩阻高出3倍以上。可見,分支水平井能夠明顯地降低流體在煤層中的摩阻。4.1.3擴張擴展井眼周邊微裂紋由于鉆井和試采過程中抽吸壓力和激動壓力的存在,導致水平井眼附近應力場發生變化,誘導了井眼附近原始微裂紋的擴張與擴展。另外,當煤層在試采降壓后,部分煤層水和游離氣排出,煤層基巖顆粒會有不同程度的收縮,也促進了原始裂紋的擴張與擴展,這樣煤層的導流能力和產量會大大提高。原始裂紋的擴展程度取決于煤巖斷裂韌性和井內壓力激動的幅度與頻率。4.2多分支機構水平井鉆井完鉆效果好,多分支水平井技術特別適合于開采低滲透儲層的煤層氣,與采用射孔完井和水力壓裂增產的常規直井相比,具有不可替代的優越性。多分支水平井技術的優點主要有:a.增加有效供給范圍水平鉆進400～600m是比較容易的,然而要壓裂這么長的裂縫幾乎是不可能的,而且,造就一條較長的支撐裂縫要求使用大型的壓裂設備。多分支水平井在煤層中呈網狀分布,將煤層分割成很多連續的狹長條帶(圖6c),從而大大增加煤層氣的供給范圍。b.提高了導流能力壓裂的裂縫無論長度多長,流動的阻力都是相當大的,而水平井內流體的流動阻力相對于割理系統要小得多。分支井眼與煤層割理的相互交錯,煤層割理與裂隙更暢通,就提高了裂隙的導流能力。c.減少了對煤層的損害常規直井鉆井完鉆后要固井,完井后還要進行水力壓裂改造,每個環節都會對煤層造成不同程度的損害,而且煤層損害很難恢復。采用多分支水平井鉆井完井方法,就避免了固井和水力壓裂作業,這樣只要在鉆井時設法降低鉆井液對煤層的損害,就能滿足工程要求。d.單井產量高,經濟效益好采用多分支水平井開發煤層氣,單井成本比直井高,但在一個相對較大的區塊開發,可大大減少鉆井數量,降低鉆井工程、采氣工程及地面集輸與處理費用,從而降低綜合成本。而且產量是常規直井的2～10倍,采出程度比常規直井平均高出近2倍,既提高了經濟效益,最為重要的是更充分地開發了煤層氣資源。e.具有廣闊的應用前景多分支水平井不僅可用于開發煤層氣資源,還能應用于開發稠油或低滲透油藏、地下水資源,另外,還可以用于地下儲油、儲氣工程。5地面工程費用沁水煤層氣田煤層屬高煤階、低滲透、高強度和高含氣量煤層氣藏,適合應用多分支水平井技術開發。應用多分支水平井技術,尤其是定向羽狀水平井,地面工程費用將是常規直井的三分之一。通過對沁水煤層氣田產量模擬和對比分析,可得出以下結果(表1)。經過經濟評價,采用多分支水平井可大幅度提高經濟效益,預計3a時間可收回全部投資,與常規直井相比,經濟效益可提高10倍以上。如采用直井常規鉆井方法和水力壓裂增產措施,投資回收期將達到7.03a,而且,煤層氣總產量和采收程度都明顯低于分支水平井方案。6多分支機構水平井a.多分支水平井是未來油氣開發的趨勢,但受到多種因素的控制,最敏感的客觀控制因素是地層滲透率、目的層厚度等。能夠人為控制的主觀因素有:分支井眼數目、分支段長、分支井眼方向及這個分支水平井眼系統的控制面積。將各種控制因素有機結合并進行優化,就能發揮多分支水平井的效率。b.多分支水平井,特別是羽狀水平井能夠最大限度