射孔水平井产能评价及完井参数优化研究

论文摘要

水平井的产能评价和完井参数优化设计是水平井技术研究中的热点问题。水平井具有泄油面积大和生产压差小的特点,已经成为提高单井产量、延迟底水或顶气锥进、改善开发效果和提高采收率的重要途径。本文以顶底封闭无限大板状油藏中的裸眼和射孔水平井为研究对象,系统研究了水平井油藏渗流和水平井筒压降模型,建立了水平井油藏渗流与井筒变质量流动耦合模型,进行了影响水平井产能的完井参数敏感性分析;将最优化理论应用于油藏渗流与井筒流动耦合模型,在完井参数敏感性分析的基础上,建立了射孔水平井的参数优化模型,并采用序列二次规划(SQP)算法对其进行优化分析。通过研究和分析,得到以下主要研究成果:针对顶底封闭边界的均质各向异性无限大板状油藏中的单相渗流问题,采用Green函数和源函数法、Newman乘积法、Laplace变换与反变换、叠加原理、镜像法等数学物理方法,并考虑地层损害和非Darcy流所产生的附加压降,得到了时域中裸眼和射孔水平井井筒表面处压力响应方程的长时间渐近解;将该压力响应方程与考虑摩擦损失、加速损失和壁面入流影响产生的井筒压降模型进行耦合,建立了水平井油藏渗流与井筒流动耦合模型,为水平井产能评价、敏感性参数分析和参数优化设计提供了理论基础。裸眼水平井产能影响的完井参数敏感性分析表明,水平井位于油藏中部时产能指数最大,偏离中部时其产能指数均呈下降趋势。产能指数随水平井长度的增加而增大且存在一个最优长度。同一污染程度条件下,产能指数随地层污染厚度的增加而减小;同一地层污染厚度下,产能指数随污染程度的增大而明显减小;污染程度较小时,产能指数随地层污染厚度的增加而减小缓慢;污染程度较大时,产能指数随地层污染厚度的增加而明显减小。非Darcy流在流量较大时对产能指数有显著的影响。射孔水平井产能影响的完井参数敏感性分析表明,相位角对产能指数有显著的影响且180o相位角性能最好,相位角对产能指数的影响在孔密较大时差别较小而在孔密较小时差别较大。产能指数随射孔密度的增大而增大,但当射孔密度超过6孔/m时,增加射孔密度对产能指数的影响不大。增加孔眼深度可以提高水平井的产能,而且孔密较小时的孔深对产能影响尤为显著。射孔能否穿过钻井污染带对产能非常重要,钻井污染带厚度大于射孔深度时,产能指数随钻井污染带厚度的增加而缓慢减小,随钻井污染带渗透率的减小而减小,钻井污染在孔眼未穿过污染带时严重影响产能,钻井污染程度小于0.5时将导致产能显著减小,而钻井污染程度大于0.5时将保证水平井有较高的产能,在较低的钻井污染程度下进行深穿透射孔可以获得更高的产能。射孔损害程度大于0.4时,射孔损害对产能指数的影响并不严重。非Darcy流在流量较大时对产能指数有显著的影响。基于油藏渗流与井筒流动耦合模型,在完井参数敏感性分析的基础上,结合最优化理论,以提高产能和改善沿井入流剖面为目的,建立了以孔眼位置为决策变量、以沿井入流量为约束条件、以产能指数为目标函数的射孔水平井优化数学模型,为射孔水平井的参数优化提供了研究基础。编程实现了SQP算法程序,对几个典型非线性约束优化问题进行了数值试验,所得结果基本与文献结果一致,验证了该算法的正确性。通过SQP算法对射孔水平井完井参数优化分析表明,射孔水平井位于油藏中部,采用180o相位螺旋布孔,孔深穿过钻井污染带,沿井射孔密度呈“∪”形分布时,产能指数最大,沿井射孔密度呈“∩”形分布时,沿井入流剖面均匀、产能指数有所降低但不明显。采用全井段变密度射孔对产能的提高并不明显。采用选择性完井射孔时,每个射孔段孔密的增加都将提高水平井的产能,但增加端部处的孔密可显著提高水平井的产能。建立了射孔水平井的参数优化策略,对射孔水平井的优化设计具有理论指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 论文研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 水平井筒内流体流动研究现状及分析
• 1.2.2 油藏渗流与水平井筒耦合模型研究现及分析
• 1.2.3 完井表皮系数模型研究现状及分析
• 1.2.4 射孔水平井完井参数优化研究现状及分析
• 1.3 论文主要研究内容
• 1.4 本文采取的技术路线
• 第2章 源函数理论及基本解
• 2.1 油藏渗流方程和源密度函数
• 2.2 Green 函数及基本解
• 2.3 叠加原理和 Newman 乘积法
• 2.3.1 叠加原理
• 2.3.2 Newman 乘积法
• 2.4 时域和 Laplace 变换域中的点源函数解
• 2.5 无限大板状油藏的点源解
• 2.5.1 无因次变量
• 2.5.2 顶底封闭无限大板状油藏的点源解
• 2.5.3 顶部封闭底部恒压无限大板状油藏的点源解
• 2.5.4 顶部恒压底部封闭无限大板状油藏的点源解
• 2.5.5 顶底恒压无限大板状油藏的点源解
• 2.6 本章小结
• 第3章 裸眼完井和射孔完井水平井的油藏压力响应
• 3.1 裸眼完井水平井的油藏压力响应
• 3.1.1 顶底封闭板状油藏中裸眼水平井的油藏压力响应
• 3.1.2 顶部封闭底部恒压板状油藏中裸眼水平井的油藏压力响应
• 3.1.3 顶部恒压底部封闭板状油藏中裸眼水平井的油藏压力响应
• 3.1.4 顶底恒压板状油藏中裸眼水平井的油藏压力响应
• 3.1.5 压力长时间渐近解的离散形式
• 3.2 射孔完井水平井的油藏压力响应
• 3.2.1 顶底封闭板状油藏中射孔水平井井筒的顶部压力响应
• 3.2.2 顶部封闭底部恒压板状油藏中射孔水平井井筒的顶部压力响应
• 3.2.3 顶部恒压底部封闭板状油藏中射孔水平井井筒的顶部压力响应
• 3.2.4 顶底恒压板状油藏中射孔水平井井筒的顶部压力响应
• 3.2.5 压力长时间渐近解的离散形式
• 3.3 机械表皮和非Darcy 流引起的附加压降
• 3.3.1 裸眼完井中机械表皮引起的附加压降
• 3.3.2 裸眼完井中高速流引起的附加压降
• 3.3.3 射孔完井中机械表皮引起的附加压降
• 3.3.4 射孔完井中高速流引起的附加压降
• 3.4 本章小结
• 第4章 油藏渗流与水平井井筒内流体流动耦合模型
• 4.1 水平井井筒内流体流动压降模型
• 4.1.1 微元控制体质量连续性原理
• 4.1.2 微元控制体的动量定理
• 4.1.3 微元控制体的压降模型
• 4.1.4 水平井筒壁面摩擦系数
• 4.2 油藏渗流与水平井筒耦合模型
• 4.3 实例计算及敏感性参数分析
• 4.3.1 裸眼完井水平井产能敏感性参数分析
• 4.3.2 射孔完井水平井产能敏感性参数分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 射孔水平井优化问题的序列二次规划算法
• 5.1 非线性规划问题的最优条件
• 5.2 非线性规划问题的SQP 算法
• 5.2.1 非线性规划问题的拟牛顿法
• 5.2.2 罚函数和一维搜索
• 5.2.3 Maratos 效应及其对策
• 5.2.4 SQP 算法的实施
• 5.3 SQP 算法验证的数值试验
• 5.4 本章小结
• 第6章 射孔水平井的完井参数优化研究
• 6.1 射孔水平井的参数优化模型
• 6.2 射孔水平井的完井参数优化分析
• 6.2.1 无限导流水平井射孔参数优化
• 6.2.2 有限导流水平井射孔参数优化
• 6.3 选择性射孔对水平井产能的影响
• 6.4 射孔水平井的完井参数优化策略
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果