多分支井結構優化研究

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

多分支井結構優化研究

劉 豪

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

本文調閱了關于多分支井的產能預測與計算的文獻，同時本實驗針對多分支井的分支數目、位置與長度等結構設計實驗、展開實驗，得出了在實驗壓力的條件下，最佳泥砂比為1:5、水灰比0．51；得出產能最高的分支井結構特征，并最終得出成果。結論顯示：隨著分支距離油層中部越近，分支井的波及效率越高，分支井的總產能越大；隨著分支數目的增加，產能減少，但產能減少的速度減緩，產能最終趨向于穩定；隨著分支增長，分支井的產能隨之增加，但產能增速減緩。

多分支井；結構；參數優化；油藏模擬；研究

1 概論

分析多分支井不同的產能計算模型，并通過分析分支井滲流阻力，得知多分支井的產能與其長度的關系為：長度對多分支井產量的影響隨著長度L的增大而降低；當井筒位于油層中部時油井具有最大的產能，但是它們的值相差不大。

基于多分支井等效井徑模型、井筒變質量流動模型、綜合表皮系數模型及勢的疊加原理,建立了新型單層油藏多分支井油藏滲流與井筒管流耦合模型。利用所建模型分析了分支數、分支長度、分支與主井筒的夾角等分支參數對多分支井入流動態及產能的影響：分支數增多、分支長度增長,多分支井總產量增加,但增長幅度越來越小；單獨改變分支與主井筒的夾角對總產能影響較小。

建立多分支井油藏滲流與井筒流動耦合的產能預測模型,得出：一個分支井的高產量會對其他分支井在主井筒里造成高背壓，同時，還會在分支中形成竄流，因此，分支長度增長,多分支井總產量增加,但增長幅度越來越小。

通過三維勢函數的定義推導出無界地層中多分支水平井三維穩態滲流速度勢分布，再根據鏡像反映和勢疊加原理，推導出了具有邊界條件下多分支水平井的三維穩定勢分布：多分支水平井各分支間的間距增大，產能增加；隨著分支數的增加，產能增加，但產能增加的幅度越來越小；對于兩分支水平井，夾角為 45°時，產能最大；對于兩分支以上的水平井，夾角為 60°時，產能最大；多分支水平井的夾角為 90°時，產能最小。

2 實驗原理

本實驗通過實驗裝置的設計，模擬均質油藏單相滲流時，開發后期以前，地層壓力變化不大的情況下，多分支井的產能與分支結構參數之間的關系。

由于在開發過程中，較短的周期內，地層的壓力基本不變，因此，在實驗時，通過用恒定高度的水壓來模擬地層壓力；同時，通過用水流來模擬地層的單相流體；通過用確定配比的沙子與水泥的混凝土塊來模擬含油的巖層；通過用飽和水的模擬巖層來模擬單相均質油藏；最終，通過研究水在不同多分支結構的情況下的流量來模擬油藏的產能，并得出最后的結論。

堵水孔方法：由于模擬油藏的每一個孔的長度是已知的，若要控制其長度，就把活塞與標尺連接，通過在標尺上讀出活塞伸入的長度，用總長度減去讀數就是實際水孔的有效長度。

有效長度=水孔的總長度-伸入的長度。

3 實驗器材

實驗用水缸、模擬方形油層、模具（用以模擬油藏）、量液用燒杯、計時器、活塞（通過與圓柱狀標尺用螺紋連接來封堵水孔或確定需要的長度）、標尺（圓柱狀，上有螺紋，以便于活塞連接）

4 實驗大體流程

圖1 位置對產能影響折線圖

圖2 分支長度對產能影響折線圖

圖3 數目對產能影響折線圖

調整好模擬油藏的各項參數，再將模擬油藏裝入水缸中，向水缸里裝入等高的水（保證油層壓力基本不變），待水進入模擬油藏穩定后，再實驗。在實驗時，打開閥門，計時10分鐘，測定流量。當換用不同分支井結構或油藏時，獲得相關的參數值及流量值，進行比較，得出結論。

5 油藏模擬

在本實驗中，通過用水泥和顆粒相近的沙子均勻混合，制出均一的模擬四方體油藏，在井眼d處接水管以便把液體排出測量，同時，在井眼處和裝置與水管的接觸處加密封圈，以防漏水。

相 關 參 數：h=25cm，l=80cm，d=1cm，a=30cm，b=10cm，α=22.5°

同時，為了能夠用控制變量法研究此油藏，而且為了節省材料，油藏在制作時，其水平分支井如圖。因為制作好以后，打孔困難，而且精確度很差，因而在制作時，使用鋼管為模具，做出這樣的分支。在不需這樣長或這么多的分支時，用活塞封堵分支。

5.1 測定材料的合理配比：

制作高h=100mm，外徑R=63mm，內徑r=30mm的中空且底部封死泥柱，其中所需的砂和水泥的總重為M=1kg，分別按水泥與砂的質量配比成1:1、1:2、1:3、1:4和1:5，根據資料查得一般情況下水灰比為0.44。

將制好的模型放入水中，使得水面與泥柱表面齊平，觀察水從泥柱外部滲到中空部，在20分鐘時間內，經過比較泥柱中水的量，發現泥砂比為1:5，水灰比0.51的配比結果最佳。

5.2 模具

整個模具用于制作模擬油藏用，使用木制的內空腔長80cm寬80cm高25cm的盒子，其中木板的厚度為1.5cm。為了實驗需要，在木盒的四周高10cm的地方打了14個直徑為1.8cm的孔。

5.3 模擬步驟

（1）將模具放在水平位置，并向內加入調好的混凝土到高度為10cm處。

（2）從模具四周的孔中插入外徑為18cm的鋼管，把鋼管調整水平。

（3）待已經加入的混凝土凝固時，再在上邊加一層混凝土25cm,待其凝固干燥。

（4）用直徑為18cm的鉆頭在模擬油藏的孔中分別繼續打孔至O、C、D點。

（5）用水沖洗掉模擬油藏孔中的灰燼，以備下面實驗用。

6 實驗及數據處理

6.1 研究位置對分支井產能的影響

步驟:①用活塞關閉2、5、6、7、8、9、10號井；②輪流對3～4、11～12、13～14井各取20cm，關閉其他井，計時10分鐘，記下各自流量p；③若有必要，重復上述步驟。

隨著位置距油藏中部0cm距離遞增至10cm、20cm，流量由181.6q/ml漸變至176.5q/ml、165.8q/ml（見圖1）。

由圖1可知，分支越遠離油藏中部，產能的減少也越快。其中，分支在中部時，產能最高。原因可能是由于遠離中部時，打井后波及的范圍較小造成的。

6.2 研究長度對分支井產能的影響

步驟：①取5、6號井，關閉其它井；②在5、6號井中先后各取5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm，各記10分鐘時的流量；③若有必要，重復上述步驟。

隨著分支長度由5cm遞增至10cm、15cm、20cm、25cm、30cm， 流 量 由56.4q/mL漸變至105.7q/mL、142.5q/mL、170.2q/mL、191.2q/mL、203.9q/mL（見圖2）。

對于本實驗，由圖2可知當分支的長度增加時，分支井的產能會增加，但是，產能的增加隨分支長度的增加逐漸減緩，其中到達20cm以后，增加速度明顯放緩。

6.3 研究分支數目對分支井產能的影響

步驟：①關閉2、5、6、7、8、9、10號井；②在3號井取40cm，關閉其它井，記10分鐘時的流量；③在3、4號井各取20cm，關閉其它井，記10分鐘時的流量；④在3、4、11號井各取13.3cm，關閉其它井，記10分鐘時的流量；⑤在3、4、11、12號井各取10cm，關閉其它井，記10分鐘時的流量；⑥在3、4、11、12、13號井各取8cm，關閉其它井，記10分鐘時的流量；⑦在3、4、11、12、13、14號井各取6.7cm，關閉其它井，記10分鐘時的流量；⑧若有必要，重復上述步驟。

隨著分支數目遞增至2個、3個、4個、5個、6個，流量由183.1q/mL漸變至 180.3q/mL、179.5q/mL、178.8q/mL、178.4q/mL（見圖3）。

在總的分支長度一樣的情況下，分支的數目越多，分支井的產能就越小，當分支數為1時，分支井的產能最高；隨著分支數目的增加，產能減少的速度減緩，并最終趨向于水平主井的產能。分析其原因，可能是由于當分支數目過多時，分支井的流體會形成竄流引起的。

結語

本文提出了預測多分支井分支結構對產能影響的方法，同時，設計出了實驗裝置，得出了模擬油藏的具體方法，并最終通過實驗的方法分析在實驗條件下，均勻長方體薄層油藏單相流體滲流時，分支井結構參數（包括分位置度、長度、數目）對多分支井產能的影響。

1 分支位置對分支井總產能的影響較大，隨著分支距離油層中部越近，分支井的波及效率越高，分支井的總產能越大。

2 分支長度對產能的影響很大，隨著分支增長，分支井的產能隨之增加，但是增長有一定的限度。隨著長度的增加，產能增加減緩。

3 在總的分支長度一樣的情況下，由于分支井內流體會形成竄流，分支的數目越多，分支井的產能就越小，當分支數為1時，分支井的產能最高；隨著分支數目的增加，產能減少的速度減緩，并最終趨于穩定。

[1]汪志明，張磊敏，魏建光，等．分支參數對多分支井入流及產能的影響規律研究[J]．石油鉆探技術，2009，37（03）．

[2]楊占偉，程時清，趙志明．多分支水平井的產能計算[J]．石油鉆采工藝，2009，31（06）．

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