周勁輝，張瑾琳，高德利

（中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

在20世紀(jì)90年代后期，多分支井鉆井技術(shù)在國外得到大力發(fā)展，被認(rèn)為是21世紀(jì)國際石油工業(yè)的重大技術(shù)，也是未來鉆井技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一［1－2］。多分支水平井技術(shù)是在定向井、大斜度井和水平井技術(shù)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新的石油開采技術(shù)。與常規(guī)直井相比，它可以大大提高油藏的采收率，降低油藏開采綜合成本，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，應(yīng)用前景十分廣泛。多分支水平井不僅可應(yīng)用于開發(fā)煤層氣資源，而且能夠應(yīng)用于開發(fā)稠油或低滲透油氣藏、地下水資源等，還可以應(yīng)用于地下儲(chǔ)油、儲(chǔ)氣庫工程。多分支水平井產(chǎn)能的控制因素主要有分支段長度、分支數(shù)量、分支角度、分支的方位等［3－4］。目前對(duì)分支井產(chǎn)能的預(yù)測(cè)方法主要是經(jīng)驗(yàn)公式法和電模擬實(shí)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)公式法是運(yùn)用滲流力學(xué)原理，結(jié)合數(shù)學(xué)解析方法，建立多分支井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型并對(duì)影響產(chǎn)能的因素進(jìn)行分析［5－11］；電模擬實(shí)驗(yàn)法主要是應(yīng)用水電相似原理，利用電場(chǎng)模擬地層流體的滲流規(guī)律，分析多分支井產(chǎn)能影響因素與影響規(guī)律［12－17］。本文利用人工地層和水分別作為多孔介質(zhì)和地層流體，設(shè)計(jì)不同的分支形態(tài)等，通過對(duì)流體壓力的檢測(cè)，分析多分支水平井產(chǎn)能變化規(guī)律及影響因素。

1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置原理

模擬實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示，將由水泥砂漿制作而成的具有一定滲透率的人工地層放置在一個(gè)密封水箱中，人工地層中設(shè)置一個(gè)水平主井眼，若干水平分支井眼與水主平井眼連通，主井眼接有泄水管。密封水箱上端面接有一根一定高度的、帶有標(biāo)尺的注水管。

圖1 多分支水平井產(chǎn)能模擬實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將設(shè)置好分支形態(tài)的模擬地層放入密封水箱，蓋嚴(yán)上蓋；關(guān)閉控制閥，從注水管注入清水，直到地層充分滲透且主水管水位不發(fā)生變化；打開可控制閥，準(zhǔn)確記錄注水管高度H隨時(shí)間t的變化數(shù)據(jù)。H－t變化曲線就反映了產(chǎn)能的變化規(guī)律。如果產(chǎn)能大，注水管水位下降快，產(chǎn)能小則注水管水位下降慢。

1.2 模擬地層的制作

1.2.1 地層材料配比的確定

模擬地層由水泥和河砂組成，所制作的模擬地層具備一定的滲透能力，其滲透率如果太大，實(shí)驗(yàn)中來不及記錄，滲透率太小產(chǎn)能變化太緩慢，不利于對(duì)比實(shí)驗(yàn)。因此首先是確定水泥和砂的配比。確定水泥和砂的總質(zhì)量為1kg，配比方案見表1。

表1 不同泥砂及水灰比配比方案

制作外高h(yuǎn)1＝132mm，內(nèi)高h(yuǎn)2＝95mm，外徑R＝63mm，內(nèi)徑r＝30mm的中空且底部封死的圓柱體試件，如圖2所示。將制好的試件放入水中，使得水面與泥柱表面齊平，觀察水從泥柱外部滲到中空部位至滿的時(shí)間。經(jīng)過比較泥柱在水中的滲透時(shí)間，發(fā)現(xiàn)泥砂比為1∶5、水灰比為0.51的配比結(jié)果最佳。

圖2 不同泥砂比及水灰比制作的試件

1.2.2 密封水箱的制作

用有機(jī)玻璃制作成600mm×600mm×300mm的四方體水箱，上蓋粘接一內(nèi)徑為80mm的有機(jī)玻璃注水管，將水位標(biāo)尺粘貼在注水管外側(cè)。上蓋與水箱之間用橡膠墊圈密封，用螺栓緊固確保不滲水。四方體水箱外側(cè)設(shè)置有排泄水管，與模擬地層的主井眼連接。

1.2.3 模擬地層的制作

電子秤測(cè)得試件質(zhì)量均值為m－＝1.34kg，得到試件的密度ρ＝1.95g／cm3。模擬地層尺寸為400mm×400mm×150mm，總質(zhì)量為36kg。按泥砂比1∶5及水灰比0.51，計(jì)算出所需水泥6kg、砂30kg、水3.06kg，并將它們均勻混合。將和好的水泥砂漿緊密鋪入400mm×400mm×150mm木制模子內(nèi)，在鋪入一半時(shí)，按非對(duì)稱魚骨型排列外徑為20mm、內(nèi)徑為16mm的有機(jī)玻璃管5支，分支玻璃管與主管夾角均為75°，分支管之間間距均為80mm。再鋪上砂漿并緊密壓實(shí)，20min后拔出所有的有機(jī)玻璃管，并在主井眼一端接上一段直徑為20mm的有機(jī)玻璃管作為主井眼排水的接口，最后將模擬地層放置7 d，待其干透。

1.3 裝置的組裝

將做好的模擬地層放入密封水箱中，連接好排水管線，蓋上密封蓋，用螺栓將密封面緊固，以免漏水。關(guān)閉控制閥，向注水管中注入自來水，待模擬地層內(nèi)部充滿水且注水管水位不變，方可進(jìn)行產(chǎn)能變化的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物

2 產(chǎn)能模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖4為設(shè)計(jì)的分支井形態(tài)，分支角度均為75°。其中形態(tài)（a）和（b）測(cè)試分支數(shù)量對(duì)產(chǎn)能的影響；形態(tài)（c）、（e）和（f）測(cè)試分支數(shù)相等時(shí)，同側(cè)分支與異側(cè)分支對(duì)產(chǎn)能的影響；形態(tài)（e）、（f）測(cè)試同為異側(cè)分支時(shí)分支間距對(duì)產(chǎn)能的影響；形態(tài)（d）通過控制同側(cè)分支的長度測(cè)試分支長度對(duì)產(chǎn)能的影響。

圖4 設(shè)計(jì)的分支井形態(tài)

3 產(chǎn)能模擬實(shí)驗(yàn)與分析

每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，注水管中的初始液面高度相同，每隔30s讀取1次液面高度，并做記錄。圖5是不同分支形態(tài)時(shí)測(cè)得的H－t變化曲線，圖中曲線表明：液面高度下降越快則產(chǎn)能越大。

圖5 多分支水平井產(chǎn)能模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 分支數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響

異側(cè)3個(gè)分支比異側(cè)4個(gè)分支產(chǎn)能大，2個(gè)分支的產(chǎn)能最小。分支越多，井間干擾增大；分支數(shù)少，控制的面積也少。分支數(shù)量并非越多越好，存在一個(gè)最優(yōu)值。

3.2 分支間距對(duì)產(chǎn)能的影響

同為異側(cè)2個(gè)分支（分支間距為80mm和分支間距為240mm），最初井筒液面變化差別不大，但120s之后，分支間距為240mm的產(chǎn)能明顯增大，因此適當(dāng)加大分支間距可以增大分支井的控制面積，減少井間干擾。分支間距的最優(yōu)值與油藏的壓力關(guān)系密切。

3.3 分支長度對(duì)產(chǎn)能的影響

異側(cè)四個(gè)分支，分別將同側(cè)的2個(gè)分支長度縮短35mm和65mm，縮短35mm的產(chǎn)能較大，且是所有形態(tài)中產(chǎn)能最大的。這說明分支數(shù)相同時(shí)，可對(duì)分支長度進(jìn)行優(yōu)化獲得最大產(chǎn)能。

3.4 分支的排列方式對(duì)產(chǎn)能的影響

當(dāng)分支數(shù)均為2個(gè)時(shí)，異側(cè)2個(gè)分支比同側(cè)2個(gè)分支產(chǎn)能大，因此盡量將分支井異側(cè)布置，可以增大分支井的控制面積，減少分支井之間的干擾。

4 結(jié)論

多分支水平井產(chǎn)能模擬實(shí)驗(yàn)裝置可以進(jìn)行不同分支形態(tài)下產(chǎn)能模擬實(shí)驗(yàn)，可為多分支井的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分支井的數(shù)量、間距、長度和布置方式對(duì)產(chǎn)能均有影響。為了提高多分支水平井的產(chǎn)能，可適當(dāng)增加分支井的數(shù)量和增大分支井間距，將各分支長度設(shè)計(jì)為不均等，盡量將分支井沿主井眼異側(cè)布置。

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［1］沈忠厚，黃洪春，高德利.世界鉆井技術(shù)新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，33（4）：64－70.

［2］沈忠厚，王瑞和.現(xiàn)代石油鉆井技術(shù)50年進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆采工藝，2003，25（5）：1－6.

［3］高德利，鮮保安.煤層氣多分支井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28（6）：113－117.

［4］鮮保安，陳彩紅，王憲花，等.多分支水平井在煤層氣開發(fā)中的控制因素及增產(chǎn)機(jī)理分析［C］／／第四屆國際煤層氣論壇，北京，2004：88－92.

［5］程林松，李春蘭，郎兆新，等.分支水平井產(chǎn)能的研究［J］.石油學(xué)報(bào)，1995，16（2）：49－55.

［6］李璗，王衛(wèi)紅，蘇彥春.分支水平井產(chǎn)能的計(jì)算［J］.石油學(xué)報(bào)，1998，19（3）：7，89－92.

［7］蔣廷學(xué).多分枝水平井穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能研究［J］.特種油氣藏，2000，7（3）：14－17.

［8］陳衛(wèi)東，Hill A D.多分支井產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法［J］.中國海上油氣，2006，18（6）：394－398.

［9］汪志明，張磊敏，魏建光，等.分支參數(shù)對(duì)多分支井入流及產(chǎn)能的影響規(guī)律研究［J］.實(shí)驗(yàn)鉆探技術(shù)，2009，37（3）：83－87.

［10］張輝，于洋，高德利，等.煤層氣多分支井形態(tài)分析［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，33（4）：101－106.

［11］姚志良，曹飛，丁士東，等.分支井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型及分支形態(tài)優(yōu)化［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2013，20（3）：56－59.

［12］陳長春，魏俊之.水平井產(chǎn)能公式精度電模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)［J］.石油勘探與開發(fā)，1998，25（5）：62－64.

［13］韓國慶，李相方，吳曉東.多分支井電模擬實(shí)驗(yàn)研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（10）：99－101.

［14］曲占慶.輻射狀分支井產(chǎn)能電模擬實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，22（4）：65－68，71.

［15］郭迎春，黃世軍.多分支井近井油藏地帶滲流的電模擬實(shí)驗(yàn)研究［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2009，16（5）：95－96，99.

［16］朱明，吳曉東，韓國慶，等.多分支井電模擬試驗(yàn)研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2012，34（4）：110－113.

［17］曲占慶，楊陽，許霞，等.基于電模擬實(shí)驗(yàn)的分支水平井產(chǎn)能公式精度評(píng)價(jià)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（11）：3078－3081.