水平井ICD控水方法计算研究
屠赛烨*，胡欣
（西安石油大学石油工程学院，陕西西安，710065）
摘要：
针对现阶段致密油藏开发中后期见水和水淹的问题，给出了安装流入控制装置下的油藏双重介质的产能模型，并模拟了ICD控制流量以及稳油控水的有效性，对比了不同限流量ICD控水程度。最后对比分析底水油藏ICD控水完井与裸眼完井、割缝衬管完井以及套管射孔完井的控水效果，得到在油藏环境、流体物性以及配产方案不变的条件下，ICD控水效果确实最有效，可以作为油藏开发中后期控水的重要手段。
关键词：水平井；产能模型；ICD完井；智能控水
中图分类号：TE
Study on water control calculation for
intelligent completion of horizontal wells
Abstract:
In view of the problems of water breakthrough
and water flooding in the late stage of tight reservoir development at present,
there is the Inflow
production model of dual porosity reservoir under
installation of inflow control device, and it simulates the effectiveness of
ICD flow control for oil stabilization and water control, as well as comparing
the degree of water control of different flow ICDs. Finally, a comparison of
the water control effect of ICD completions in bottomwater reservoirs with open
hole completions, slit-lined completions and casing injection completions shows
that under the same reservoir parameters, fluid properties and production proration
plan, ICD is indeed the most effective and can be used as an important tool for
water control in the middle and late stages of reservoir development.
Keywords:
horizontal well; inflow production model; intelligent water control; ICD completion.
引言
油藏多数非均质性强，地质构造普遍复杂，地层天然开采能量不足，且原油密度、粘度高，且海上采油平台限制和环境恶劣，使用长水平井多，但跟趾效应明显，底水锥进比较严重。
目前水平井钻完井技术在我国得到广泛应用，很适用于储量面积分布广、油层薄、低渗、稠油、底水油藏等油藏。水平井可使之增产数倍，已成为新油田开发、老油田深入挖潜、提高采收率及非常规油气藏开发的重要技术。但随着油田的不断开发，底水脊进导致含水上升速度快，对于底水能量充足的油藏来说，容易形成曲面出水，由裂缝突进进入油井造成水淹，导致水层能量高于油层能量，且水油粘度差异，使得井产油量大幅度削减，产水量剧增，含水率上升迅速，所以见水后的油藏急需稳油控水工艺。
不同完井方式的控水效果各异，现模拟限流装置ICD控水的有效性以及不同完井方式控水效果程度。
1.
国内外现状
根据实际情况，我国大多油藏物性差，地质构造复杂，天然开采能量不充足，原油粘度和密度普遍较高，使得开采不均衡，采出程度不理想。需要针对不同油藏建立其适合的模型，并随着开采工作的进行根据油藏状况和要求产量随时进行工艺和模型的调整。对于可大幅提高产量（尤其薄互层及稠油油藏）的水平井，目前应用到的模型主要有：多级压裂水平井（MFHW）产能模型、多级压裂水平井不稳定渗流模型、压裂水平井三线性模型等。后来的学者也会对已有模型进行不断调整和更新，每种模型考虑的侧重点不同，会出现如下不足：①没有考虑流体在裂缝中的导流能力，只能研究无限导流的情况；②没有考虑表皮效应，忽略径向流对产量的影响；③某些模型只适用于油藏前期开发，对后期油藏压力下降和见水情况并不适用，需要重新建立模型；④一些学者对已有模型进行改进和更新，得到更简化的模型，但结果与实际差距较大，只能用于前期大概的预测而不能作为实际开发中预判产能和压力等油藏状态的依据[1]。所以，在实际油藏开发中，通常用到不同模型结合得到一个最优化的模型，综合对比结果，避免侧重不同导致的出现大的偏差。
2.1 国内研究现状
罗启源等提出将AICD用于裂缝油藏控水，结果显示可以改善开发效果；阳明君等提出一种新型AICD用于底水油藏，其中赵崇镇研究出一种自控装置用以解决边底水锥进问题，取得较好成果；曾泉树等提出一种新型自动式AICD，能够达到控水要求并可以持续长时间产油，保证了稳产高产；赵麟等根据多级限流提出一种自适应流入控制装置，让材料遇水膨胀缩小过流面积达到控水目的；陈尧等根据提出一种AICD控水装置，进行了单相水、单油相和油水混合相实验，表明该AICD对稳油控水非常有效；王圣虹等提出螺旋通道型AICD控水装置，实验表明适用于中高粘度的油藏；王敉邦等提出机理模型和数学模型，结果表明AICD可以很好地抑制底水锥进；刘华伟鉴于尚无AICD实际应用的标准，提出了适用于海上油田应用AICD的规范和评价标准。
2.2 国外研究现状
2006年，Crow等人提出了夹片型AICD装置，利用油气密度差控制夹片开合，可以有效控制气油比，但对降低含水率没有太大作用；2012年，Least等人发表了流道控制型AICD装置，根据流体粘度差异使之沿着不同路径流出达到分流，降低含水率的作用；2014年，Zhao等人发表了浮动圆盘型AICD装置，主要是减少气体含量，气体的融入使得施加在圆盘上的压力增加而关闭流动路径；曾泉树等人发表了自膨胀型AICD装置，若有水流入则内部膨胀材料吸水膨胀减小过流面积限制水进入。国外学者分别把这几种AICD装置应用到不同的油田中检验其有效性，并且将它们应用到同一油田中进行了效果对比，实验证明加上ICD装置后，油田含水含气量明显下降，可以推广。Youngs等人利用数值模拟方法和经济评价方法提出AICD设计的优化方法和步骤，可以有效降低AICD技术的施工风险性。
2.
ICD完井压降模型
ICD（流动控制装置）分为螺旋流道式、喷嘴式、长管式，ICD通常用在油井见水前，出水后无效。并且经常和防砂筛管配合用，能均衡水平井段压降而均衡产出。流入控制装置是一种特殊的完井装置，当环空和油管之间有流动时，会在某种程度上限制其流动。实际上，流入控制装置就是在通过在井下安装设备可以调节管流过流断面，通过设置水平段中每个ICD的孔眼直径调节流量，从而控制井中压降，这些装置用于平衡水平井的压降，从而达到控制流量的目的，以延迟气/水的连通，从而有效地延缓底水、边水脊进，达到控水的目的。但是在ICD放置在井中之后流量便无法改变，因此需预设流量。这些设备的位置和设置是在使用NETool时设计的。目前已经开发出自动流入控制装置（Autonomous inflow
control device，AICD），此技术是ICD的升级，可以分相分流，利用油水粘度差，致使水有一个旋转压降，改变水油路径，加强对水的控制，可以均衡产液剖面，消除跟趾效应和环空流影响，延长油田寿命并提高采收率，要应用于中高含水的底水油藏。此项技术可以做到智能防控水并增产，应用前景良好。
这是基于伯努利方程计算的喷嘴压降的ICD的方程：
其中
流量系数关系：
这个方程是针对单孔板的流体流动。对于NETool中的多个孔，有一下两种方法：
(1)
减小单根长度使喷嘴/节理密度更高（此方法仅在多个孔大小相同时有效）
(2)
计算不同尺寸孔眼的等效直径。
则喷嘴的等效直径下式计算得出：
喷嘴型ICD和管式ICD都属于节流式ICD，通过开孔的程度和数量，可以调节流入井筒的压力和流量，在水平段不同部位根据压差的不同，使得孔眼打开程度也不同，控制在正常渗流下水平段的压力梯度，既可以调节流量，也达到稳定油水界面，均衡生产的目的，又控制了压降延缓了水锥的发生和见水时间，延长无水采油期。但因为流体携砂流经孔眼，往往会使得砂体颗粒堆积堵塞在孔眼周围造成磨蚀和堵塞。
喷嘴型ICD实质上就是在流体渗流进井筒时产生一个附加压降，使得在高渗层压降减小，从而使得与低渗层能够达到均衡推进和生产；其次通过在含水率较大的水平段加大阻力来延缓水的脊进时间来延长见水时间，限制水平段含水上升速度，也能控制流体在井壁与油管之间环空中的流动以防止局部堵塞，增强了ICD的有效性。
3.
水平井ICD完井模型耦合计算
我国现阶段大多数油藏已经开发到致密阶段，采用水平井并进行分段压裂来提高产量，油藏内流动则形成基质-裂缝双重介质油藏模型。本文借鉴了Ozkan
在1991年提出的双重介质油藏提出的拉式空间下的源函数半解析模型：
模型假设条件：
油气主要存储在油藏基质中，主要通过裂缝进行流动；
(1)
裂缝渗透率受到压力敏感影响大，基质渗透率看为常数；
(2)
油藏流动遵循达西定律，生产过程温度恒定，处热力平衡状态；
(3)
流体呈微可压缩状态。
则对于上边界封闭，下边界定压油藏的连续点源压力分布：
将油藏沿水平井筒分为N个微元段，每一段长度
各微元段无因次产量之和为1：
水平井筒变质量管流模型：
过ICD处孔眼流动模型，该模型基于伯努利方程计算的喷嘴压降：
该方程针对单孔眼流动，对不同尺寸的多孔眼流动，采用有效直径
则位于处的ICD流动模型：
耦合油藏渗流模型、井筒变质量流和过ICD管流模型，进行矩阵求解。将不同边界条件下的油藏模型和过ICD流动模型代入产量公式得到耦合模型，代入以下实例对不同完井的水平段进行模拟验证。
4.
实例模拟
模拟使用ICD限流装置前后的油井生产过程。对比了其产量变化和含水量的变化。首先根据油藏属性参数和完井方式组合对水平井段进行不同区块的分段划分，导出水平段流量分布，再进行分段封隔控流：
图1 水平段流量分布图
Fig.1 Horizontal section flow distribution
如图，产油段集中在水平段400m~950m，1500m~1750m两个区间，产气段集中在400m~950m，1050m~1400m，1500m~1750m三个区间，产水段主要集中在100m~410m区间。
对图中高产水段和高产气低产油段安装限流装置ICD进行流量控制，得到安装ICD前后流量变化分布：
图2 水平段流量分布剖面图
Fig.2 Horizontal section flow distribution profile
表1 产量变化表
Tab.1 Production change table
|
|
产油 |
产气 |
产水 |
气油比 |
含水率 |
|
|
Sm3/d |
MMSm3/d |
Sm3/d |
Sm3/
Sm3 |
% |
|
割缝衬管 |
6031 |
0.97 |
558 |
161 |
8.5 |
|
ICV |
5443 |
0.62 |
16 |
114 |
0.29 |
|
降幅 |
10 |
36 |
97 |
29 |
97 |
可以得到：封隔见水油藏水平井的高产水段和高产气区域，该水平井产气产水大幅下降，并且产油量影响较小，说明ICD完井方案可以有效降低水平井含水率，也能控制高产气段以降低气体对采油泵的影响，并通过改变控流阀喷嘴直径来控制流量。
继续模拟喷嘴直径变化对整个水平井见水时间及含水率影响。保持控制段不变，改变喷嘴直径，模拟安装不同限流量的ICD后水平井生产情况，结果如下：
图3 安装不同ICD喷嘴直径后生产情况
Fig.3 Production after installing different ICD
nozzle diameters
可以得到：封隔见水油藏水平井的高产水段和高产气区域，该水平井产气产水大幅下降，并且产油量影响较小，说明ICD完井方案可以有效降低水平井含水率，也能控制高产气段以降低采油过程中抽油泵出现气锁以及液击的概率，从而减小采油泵游动阀组损坏的概率，并通过改变控流阀喷嘴直径来控制流量，对于同一时间同一累积产油量下，过流断面流量越大，含水率越高，流量越小，含水率越低。
继续模拟喷嘴直径变化对整个水平井见水时间及含水率的影响：保持控制段不变，改变喷嘴直径，模拟安装不同限流量的ICD后水平井生产情况，结果如下：
图4 不同控水完井方式模拟结果对比
Fig.4 Simulation comparison for different water
control completion methods
可以看出，由图可得，在油藏条件及配产条件不变的情况下，改变完井方式却能降低油井出水率，其中ICD稳油控水效果最优，同时控制高渗段段产量与整个水平段平均产量越接近，同一生产时间同一累积产油量下，含水控制越有效，即说明，在ICD完井条件下，ICD可以通过控制高渗段的流量来均衡水平井筒段的压降，且可以均衡推进油水界面，一定程度上能够抑制底水突进，从而来延长无水采油期，极大地延缓了见水时间。所以，ICD可以作为油藏开发后期控水的一个重要工艺方法。
5.
结论：
从国内外油藏开发情况来看，大多数油藏开发到中后期均会出现出水的情况，最普遍的便是底水锥进的形式，而如果不及时控水堵水或是方式不当则会造成水淹等严重后果，补救成本非常之高，以至于弃井。对比不同完井方式下的控水效果得到，对于见水后的油藏，可通过改变完井方式不同程度降低油藏见水后的含水率，通过在NETool模拟软件中针对割缝衬管完井使用ICD（控流装置）前后的产水量和产气量进行了对比，验证了此种控水方式的可行性，其中ICD稳油控水最有效，可以作为油藏开发中后期稳油控水的重要手段进行推广。
符号说明
参考文献：
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