水平氣井分段射孔參數優化研究及軟件開發

吳華*，李靜嘉，黃麒鈞，--張驍，吳程，阿雪慶

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水平氣井分段射孔參數優化研究及軟件開發

吳華1,2*，李靜嘉2，黃麒鈞3，--張驍4，吳程3，阿雪慶3

（1.中國石油大學（北京），北京昌平，102249；2.北京雅丹石油技術開發有限公司，北京昌平，102200；3. 青海油田鉆采工藝研究院，甘肅敦煌，736202；4. 北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，北京昌平，100007）

針對水平氣井均勻射孔完井入流剖面不均勻而導致生產過程中局部底水錐進的問題，利用非達西滲流影響下的射孔完井產能公式和分段完井井筒壓降計算公式，建立了地層-井筒流動耦合模型，研發了氣井射孔優化設計軟件。該軟件具備出砂預測、臨界生產壓差設計、射孔負壓差設計、分段射孔參數優化、產能預測、產能敏感性分析、套管強度敏感性分析、射孔壓裂聯作優化、經濟效益評價等功能。應用表明：利用該軟件編制的水平井射孔參數設計方案，在現場實際井應用中取得較好的實施效果。

水平氣井；分段射孔；參數優化；入流剖面；軟件開發

引言

目前水平氣井分段射孔各段一般采用同一種射孔槍彈，其射孔方案優化的方法仍是用常規水平氣井產能公式計算多種射孔方案的產率比，以產率比最高者為最佳方案。一方面由于沿水平井筒從趾端至跟端存在壓力降，沿井筒的井底流壓是變化的，因此采取單一的產能公式計算得到的產能誤差較大；另一方面，沿井筒存在的壓力降導致沿水平井筒流入速度剖面不均勻，跟端流率大而趾端流率小，這種現象在底水氣藏中極易誘發和加劇底水錐進現象，嚴重影響水平氣井開發效果。因此，研究沿水平井筒變質量流、射孔參數分段組合優化、控制沿水平井筒的流入速度剖面，對水平氣井射孔完井高效開發尤為重要。本文根據非達西效應的氣藏滲流和水平井筒管流耦合模型，針對現場具體射孔槍彈數據庫和實際工程技術要求，建立了以調控水平井筒流入速度剖面和提高單井產能為目標的射孔參數分段組合優化模型。根據相關理論研發了氣井射孔優化設計軟件（簡稱ComPAD_Gas），實現分段射孔方案優化設計，達到水平井筒均勻入流，緩解底水錐進。

1 模型建立與求解

對于水平井分段射孔完井，氣體的流動分為氣藏滲流和井筒管流兩個過程，即氣體從氣藏經射孔孔眼流入井筒，然后在井筒內向井跟處流動，實際上該流動過程為變質量流，越靠近跟端流量越大。

1.1 氣藏產能模型

根據氣體地下穩定滲流理論及水平井三維滲流特性，則以壓力平方形式表示的水平氣井穩定滲流的數學模型為：

井壁處壓力及水平氣井產量應滿足以下方程：

利用保角變換方法可以推導出水平井產量公式，以壓力平方形式表示的水平氣井產量公式為：

上式與垂直氣井產量公式有相似之處，不同之處在于水平井要考慮各向異性，水平井的泄油半徑及有效井半徑與垂直井不同，即在上式中：

若考慮水平氣井的損害、射孔損害及非達西效應的影響，則產量公式表示如下：

式中：

式中，Sht-水平氣井總表皮系數，包括鉆井污染表皮、射孔表皮（與射孔參數相關），在計算表皮系數時需要將射孔彈地面實驗數據折算到井下，即對穿深和孔徑進行校正。

1.2 分段完井井筒模型

下圖為水平井分段完井示意圖，從圖中可以看出氣體的流動可分為氣藏滲流與井筒管流２個過程。假設水平井筒絕對水平，即忽略井斜角變化。那么，由于盲管段無徑向流入，流動與常規水平管流一樣，壓降僅由摩阻壓降組成；然而對于生產段，由于氣體不斷的徑向匯入，其流動為不規則變質量流，壓降由摩阻壓降、加速壓降及混合壓降共同組成。

圖1 水平井分段完井示意圖

設生產段共有Ｎ段，取微元水平段長度ΔＬ將各段微分化，分段完井井筒壓降模型即為：

式中，

在水平井筒中，氣體是從趾端向跟端流動，那么第ｉ微元水平段中部流壓為：

1.3 分段完井產能耦合模型求解

氣藏滲流和井筒管流是相互聯系又相互影響的耦合流動過程，因此由氣藏模型與分段完井井筒模型可構成分段完井產能預測耦合模型。采用迭代方法求解沿水平井段的入流剖面和流壓分布。

圖2 射孔完井耦合模型求解流程圖

2 軟件研發

根據以上文氣藏-井筒耦合模型，編制了氣井射孔優化設計軟件ComPAD_Gas，主界面見圖3，該軟件具有出砂預測、臨界生產壓差設計、射孔負壓差設計、分段射孔參數優化、產能預測、產能敏感性分析、套管強度敏感性分析、射孔壓裂聯作優化、經濟效益評價等功能，見圖4。能夠應用于水平氣井的分段射孔參數優化設計，實現防砂控水的目的。

圖3 軟件主界面

圖4 軟件功能圖

分段射孔參數優化設計包括射孔槍彈選擇、射孔段數、射孔段長度及射孔位置。通過設計多種分段射孔方案，預測氣井產量、入流剖面及其套管強度，對多種方案進行經濟效益評價，優選出入流剖面均勻、產量高、套管強度符合要求且較為經濟的方案為最佳射孔方案。此外，也可根據產能敏感性分析結果，對影響氣井產能的各個射孔因素進行排序，在進一步優化射孔方案時調整相應的射孔參數使入流剖面更加均勻。具體的優化設計流程見圖5：

圖5 分段射孔方案優化設計流程圖

3 算例分析

利用該軟件對某油田的一口水平氣井進行分段射孔方案優化設計，具體參數見表1。采用30m（盲管段）-70m（生產段）-40m（盲管段）-90m（生產段）-40m（盲管段）-90m（生產段）-40m（盲管段）-100m（生產段）的分段模式，射孔后定壓生產。

表1 基礎參數

預測儲層出砂情況，如圖6所示，該井采用五種方法預測結果均為“不出砂”，與該區塊實際情況相符。

圖6 出砂預測

從射孔槍彈數據庫中選擇該油田正在應用的多種射孔槍彈，添加一個四段射孔方案，設計四種射孔槍彈組合（見圖7），計算其產率比及套管強度降低系數（見圖8），預測這四種組合沿水平井筒的入流剖面（見圖9）、流壓分布等，并計算各個射孔組合方案的氣井產量（見圖10）。通過觀察各個射孔組合方案的入流剖面，優選出入流剖面均勻、產率比高且套管強度在安全范圍內的方案為最佳方案，能夠有效延緩底水錐進。該實例中各個射孔組合方案套管強度均在安全范圍內，組合2和組合4流入剖面較為均勻，組合1和組合2的產氣量較高，因此，最終選擇產量高且入流剖面均勻的組合2為最佳射孔方案。

圖7 分段射孔方案設計及計算結果

圖8 射孔組合方案計算結果

圖9 分段射孔入流剖面

圖10 多種射孔組合方案產量對比

4 結束語

（1）本文建立了氣藏-井筒耦合模型，實現了沿水平井筒的變質量流計算，能夠更加準確地預測沿井筒的入流剖面。

（2）軟件滿足分段射孔參數優化設計，解決了均勻射孔跟端過早見水的問題，能有效延緩底水錐進。

（3）該軟件在某油田的應用結果表明，軟件采用的理論模型適應性較好、軟件運行穩定，為水平氣井分段射孔參數優化設計提供了有力的理論支撐。

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Parameters Optimization and Software Development for the Selectively Perforated Horizontal Gas Wells

WU Hua1,2*, LI Jingjia2, HUANG Qijun3, ZHANG Xiao4, WU Cheng3, A Xueqing3

(1. China University of Petroleum,Beijing Changping 102249, China; 2.Beijing Yandan Petroleum Technology Development Co, Ltd, Beijing Changping 102200, China; 3.Ｒesearch Institute of Drilling and Production Engineering，Qinghai Oilfield，Petro China，Dunhuang 736200，China; 4.CNPC Beijing Richfit Information Technology Co.,Ltd,Beijing Changping 100007,China)

For the problem that local bottom water coning caused by non-uniform inflow profile in uniform perforation completion of horizontal gas well, by using productivity formula of non-Darcy flow for perforated horizontal gas wells and wellbore pressure drop model, reservoir-wellbore coupling model was built, and the software for optimizing perforation parameters was developed. The software has the functions of Sanding Prediction, critical production pressure drop design, Underbalanced Perforation Pressure Design, selective perforation parameters optimization, productivity prediction, productivity sensitivity analysis, casing strength sensitivity analysis, perforation and fracturing combined technology optimization and economic evaluation. It is shown that optimum perforation scheme for horizontal gas well designed by this software has achieved good effect in field application.

horizontal gas wells; selective perforation; parameters optimization; inflow profile; software development

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.025

TE355

A

1672-9129(2018)01-0064-03

吳華, 李靜嘉, 黃麒鈞, 等. 水平氣井分段射孔參數優化研究及軟件開發[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 64-66.

WU Hua, LI Jingjia, HUANG Qijun, et al. Parameters Optimization and Software Development for the Selectively Perforated Horizontal Gas Wells[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 64-66.

2017-12-23；

2018-01-02。

吳華（1985.12-），女，2009年獲中國石油大學（北京）石油工程專業學士學位，現為中國石油大學（北京）碩士研究生，主要從事油氣田開發工程方面的研究。E-mail:394652043@qq.com