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使用ICD的完井常常被认为是一种智能完井,其使用流入控制阀(ICV)来代替平常使用的井下流入控制工具。
智能完井就是一口井装备了井下监控系统,井下控制装置或者两者都有。
之前讨论过ICV是积极控制而ICD是消极控制(Crowetal.2006;
Birchenkoetal.2008)。
ICD的作用是平衡沿井筒长度的流动而不管位置和渗透率的变化。
这些ICD使得整个井筒长度对总产量都有贡献从而优化原油采收率。
ICD是节流装置,其通过在井底增加一个附加的压降来平衡流动。
其被设计成在某一流速下产生一个具体的压差。
ICD是装在一口井的完井设施中的固定不变的硬件,其根据最初的油藏条件和模拟预测的油藏性能来确定。
其是完井基本管柱(尾管或套管)的一部分,通过设计不同的流动的流道来产生附加的摩擦压降,并由此来限制流体在流道中的流动。
ICV和ICD不同,其为装在完井设施上的滑套阀。
之所以称ICV为积极控制流动,是因为ICV可以根据需要多少的流动阻力来调节自己。
另一方面,我们称ICD为消极的控制流动,这是因为其是不可以调整的(因为没有可动的部件)。
一旦在井筒中装好了,这些装置会在整个井的生产寿命中始终如一的发挥其作用,除非把整个完井装置都取回。
正因为ICD中没有任何可动部件,所以其比ICV要简单可靠。
认识到油藏的条件是动态变化的,ICD应该变得随着油藏的改变保持可靠。
流体粘度,密度,速度随着时间而改变,所以ICD应该设计成适应这些条件而不是产生流动的不平衡和对生产产生负面影响。
总之,生产条件的动态变化使得ICD的选择和设计变成决定油井产能的重要因素。
ICD是基于不同流阻级别设计的,它说明,所获压降是ICD根据一个参考流速所测得。
为了避免ICD对油井性能产生有害的影响。
本文讨论了一些基本的问题,比如什么时候应该装ICD,还有附加阻力/压降是如何影响油井的流动条件的。
分析方法
ICD类型回顾。
当今工业提供了各种各样的ICD,其产生压降的机理是运用摩擦或节流(Coronadoetal.2009;
Ouyang.2009)。
最常用的两种ICD类型是通道型和油嘴/孔板型,见图1。
通道设计和油嘴设计中还有分类。
即使hi不同机构的ICD,他们最基本的工作原理也是一样的。
图1常见ICD类型(Alkhelaiwi和Davies2007)
通道类型ICD。
这是一种最早使用的ICD,其通过表面摩擦来产生压力下降。
其使用一些提前设置好直径和长度的通道。
生产的流体流过多层筛管进入位于筛管和固体中心管之间的环空,然后被迫在进入井筒之前流经通道,如图1.a所示(AlkhelaiwiandDavies2007)。
这种设计使流体多次改变流向,这在一段长通道中将会产生压降。
这种设计被认为是有其优点的,因为这种设计将产生更低的流速,而这会降低腐蚀和堵塞的几率。
然而依靠摩擦来产生压降有一个缺点,那就是使得ICD的作用依赖于流体的粘度,当需要在一些因为产水产气而使原油粘度变化很大井中维持一个恒定的流动时,这个缺点便会引起问题。
孔板/油嘴型ICD。
这类IC利用流体的压缩来产生所需的压降。
流体通过过一个提前计算设计好的小直径油嘴(见图1b)或孔板(见图1c)进入管道,这时会产生一个流动阻力。
这种类型的ICD产生的压降是瞬时的,这就意味着其作用效果与流体密度,流速密切相关,而与流体粘度关系不大。
这一类型的ICD的令一大优点是,当实测数据需要其结构做出改变时其简单的设计允许其更容易的做到这一点。
但是另一方面,由于其作用机理与流体的流速密切相关,这也使得油嘴型的ICD非常容易被砂颗粒腐蚀,也使得其很容易被堵塞。
其他ICD类型。
除上面介绍的两种设计方案之外,还有其他的通道型ICD,孔板型ICD和混合型ICD。
有一种混合设计使用多个隔板形成流道和180°
分开的流槽,并由此而产生压降。
不同类型的ICD的机械设计也许是变化的,但是这些装置潜在的工作原理是一样的,即利用附加的摩擦压降来使水平井的流入量重新分布。
ICD的选择应该保持简单。
虽然通过多重的结构和功能的组合能在理论上使ICD工作的更好。
但是井下的环境是动态变化的,流体的类型,流体的密度和粘度,油藏的压力和温度都在变化,所以在设计完井时,流动条件是最难预测的。
一旦ICD有一个甚至更多部分失效(堵塞,腐蚀,以及其他机械原因),将会对油井中的流动产生直接的影响。
事实上,对生产过程中的问题确认进行敏感性分析是必须的。
数学方法。
为了评估装备了ICD完井装置的水平井的性能,我们使用一个水平井流动模型,在一个黑油油藏中模拟(Eclipse)计算出了流量和压力分布的关系。
这个井筒模型计算了两相液流压力在井筒中的分布。
对于井筒中的两相流,我们用前人(Yoshiokaetal.2006)的一个模型来计算压降。
油水两相流的压力梯度由以下方程计算:
…………………
(1)
其中
为混合溶液浓度,
为混合速度,如果假设各相之间没有滑脱,那么混合速度可以表示为
…………………
(2)
在方程
(2)中,
和
分别表示油和水的表观速度。
油和水混合溶液的粘度由下式估计(Jayawardena2005):
……………………(3)
其中下标
表示连续相(continuous),
表示分散相。
表示分散相持液率。
用方程
(1)解出管道内的压力分布。
因为流体会从油藏中连续的进入井筒中,所以流速是一个与位置有关的函数。
方程式
(1)中的摩擦因素
产生的流动效应导致井筒中的压降。
当流动是气液多相流时,使用漂移流动模型(Ouyang2000;
Yoshiokaetal.2006)来计算气液两相之间的滑脱速度。
对一个给定油藏,在模拟油藏流动时,使用一系列在油藏中的点源来代替水平井。
如果从油藏模型中分离,这些源网格可以连结起来组装成一个水平井的井流模型。
由ICD造成的压降包含在这个井流模型中,并在油藏模型中作为一个流入表皮系数。
这种方法可以灵活的处理井筒流入问题,而与油藏流动问题比较而言,这在大多数情况下是一个小范围问题。
为了正确评估ICD的影响,井流模型是必要的,而且有必要使用使用迭代法来达到油藏模拟和井筒流动的平衡。
这个系统的使用如图2所示。
图2.计算模型的物理系统
这种方法适用于单相或多相稳态或非稳态的油藏流动。
井筒流动中的瞬态效应包括油藏模拟中边界流动随着时间步长的连续更新。
一个最重要的假设是每一个网格都有一个井筒,井筒必须和网格边界平行。
对于非水平井段,网格尺寸要小到可以避免数值错误。
首先,假设水平井跟部的井筒流动压力,跟部网格的压差是确定的。
恒定的井筒流压作为油藏模拟的限制条件。
当每一段井网格的流量通过模拟计算出来以后,根据油藏流入量的分布,使用井模型来计算水平井中压力的分布。
井筒压力的分布又作为油藏流动模拟的新的边界条件。
当假设的井筒压力和井筒流动模型计算出得井筒压力相等时迭代收敛。
计算流程见图3。
图3预测装备ICD水平井性能的过程
ICD引起的压降被认为是一个正表皮(是流量下降)。
ICD模型取决于ICD的具体设计(Aadnoy和Hareland2009)。
为了使问题简单化,我们将是使用通道型ICD来举例说明ICD对油井生产的影响。
这是因为通道流引起的摩擦压降可以显示的表示为流量的函数。
因为摩擦压降与流量的平方(
)成比例关系,所以我们使用一个通式来计算ICD引起的压降(
):
.......................(4)
在方程(4)中,
是ICD尺寸和结构的函数,其会随着不同的设计而变化(Coronadoetal.2009)。
在本文中,我们指定在井跟部分的ICD引起的压降在给定的流量的情况下是一个定值。
总之,此值由压力下落和井筒摩擦压降引起的压力限制决定。
通过方程(4)我们可以计算出C。
C会被用在整个精通中凡是安装了ICD的位置上。
我们假设一口井的完井中使用了同样类型的ICD。
所以从方程(4)中可以看出每一个ICD产生的压降取决于每一位置的流量。
因为ICD引起的压降
与流速的平方
成比例,所以流量对压降非常的敏感。
一个微小的压降将会引起流量巨大的改变。
因此,在模拟计算时,将井筒流动作为边界条件的一部分将引起不稳定的问题。
为了避免数值收敛问题,附加压降被处理成油藏流动中的表皮。
在i位置,由该位置的ICD产生的表皮,
将被引入计算,这个表皮所产生的压降必须和ICD产生的压降是相等的。
然后,然后将这个表皮输入到油藏流动模型中。
从井模型在水平井模拟(BabuandOdeh)中我们可以很容易的推导出当地表皮的表达式:
……………………………………..(5)
该式中
安装ICD的网格中的等效井半径,
是井半径,
是网格中的压差。
我们使用这种方法来模拟装备了ICD的完井系统的水平井的性能。
结果包括沿油藏和井筒的压力和流量分布。
这项研究的焦点是井流行为,以及通过井筒的沿程的分布流量和累计量来评估ICD的作用。
例子和讨论
正如前面的讨论,ICD在油田中的应用主要是解决三个问题:
平均分配水平井在高渗地层的沿程流量,推迟薄层油藏中井跟早突破,延缓非均质地层高渗透带的水突进。
我们将在这部分用三个例子来阐述这三个问题。
用一个油田的例子来说明安装正确的ICD是怎样提高产量的。
平衡高渗透地层的流量分布。
通过油藏模拟很容易知道,在好的渗透率地层中使用水平井,水平井越长,产量越高。
这有时会导致设计过长的水平井,使得井筒中摩擦压降太高。
高的摩擦压力损失会产生两个问题,井跟部分较高的压差导致过早突破,井筒沿程较高的压降导致油管生长能力有限。
这常被称为跟趾矛盾问题。
人们认为这种情况下在水平井井跟部位安装ICD能够减轻流量分布的不平衡性。
为了能让ICD在这种情况下正常工作,必须满足两个条件。
第一,井筒内德压降和油藏中的压差应该在同一个等级上,ICD能够产生有意义的压力降(需要一个确定的流量)。
井筒压降和油藏压降的比值可以用来评估井筒流是否限制了生长(Hill和Zhu2008)。
对于水平井,如果井筒压降是受摩擦压降控制,那么这个比例表明了井筒压降是否会成为生产的问题
……………………………………(6)
如果油藏渗透率高(
小),油井长度太长,或油管直井太小(
大),
会很大。
总而言之,如果
比较大,使用ICD或其他流入控制装置能够平衡井筒沿程的流量分布,提高油井的性能,提高采收率。
如果
的值小于1,在完井装置中使用ICD来分配井筒的流量就是没有必要的。
对于每一口单井,
由井身结构和完井设计来定。
第一个例子使用一个水驱油藏来说明使用ICD来解决跟趾矛盾的原理。
在这个例子中,假设了一个在均质油藏中全射孔的井,其隔离了摩擦压降对产能的影响。
非均质性的影响在随后讨论。
该油藏有一个能量充足的底水层,其原始压力为3000psi,油藏是封闭边界的。
在例子1中有两个样本,这两个样本最重要的不同就是一个是表示高流速情况(例1a),其油藏渗透率高,井筒长度长;
另外一个是表示一般的情况(例1b),其油藏有适中的渗透率,井筒有适中的长度。
两个例子都是全射孔的井筒,这有利于隔离部分射孔的影响,而反映使用ICD的作用。
每一个井筒都分成固定长度为200ft的许多部分。
我们假设每一部分都安装了一个ICD。
油藏和油井的性质总结见表1。
上述方法的模拟结果包括井筒沿程流量分布和累计产量。
对于每一个例子我们分别模拟了有ICD和没有ICD的情况下的油井动态。
设由ICD在井跟部分引起的压降为100psi,通过方程4计算高渗条件下的C。
图4a表示的是井筒沿程的单位油流量,图4b表示的是单位函含水率。
图中分别作了半年和三年的油井动态。
在图4中灰色的数据点代表有ICD,黑色的数据点代表无ICD。
根据图中的流量可以看出,在没有ICD的情况下,井跟部分的含水率极端的高(图4),而且由于井筒中的高摩擦压降导致一部分井段没有流量(图4a和图4b)。
这在高流速长水平井使一个明显的现象。
ICD有效的改善了流入条件。
油的流量变得均匀(图4a),产水也成功得到抑制(图4b)。
通过油井的累计生产量可以确认这种改善。
图5表示的是累计产油和产水量与时间的关系。
很明显,是ICD使产水推迟和产水量下降。
由于附加压降的作用,油产量在生产的初期有轻微的减少。
从长远来看装有ICD的油井的累计产量要比没有装ICD的油井的累计商量要高。
这个例子很好的说明了ICD在优化水平井性能时的积极的作用。
ICD在这个例子中起作用的主要原因是高渗透油藏导致小压差时的高产量,以及相对较长的井长产生可观的摩擦压降。
图6表示压力分布。
在安装ICD之前,井筒沿程摩擦压降接近265psi。
比较一下跟部的压降(从表1上看为280psi),得到K的值为0.93(方程6),表明井筒压降是一个问题。
图4表示流量在接近6000ft时有一个突变。
这个瞬时的流量下降是因为油藏和井筒中个流动是两相流,流量应该是油加上水或气。
如果我们结合图4a(油流量)和图4b(水流量),那么总得流量会相对更加平滑。
较大的网格尺寸也会影响到局部的流速变化。
在类似的情况下,如果油藏的渗透率减小,油井的长度变短,那么图就会发生变化。
图7表示在例子1b(渗透率50mD,井筒长度4000ft)的情况下井筒中的油水单位流量分布。
显然油的产量(图7a)和水的产量(图7b)从井跟到井趾都是平缓的,而且其中没有摩擦压降的影响。
在此例中,如果油藏的均质性非常好,加装ICD并不会对油井性能的优化和采收率的提供产生太大的作用。
从图7b中可以看出,见水时间确实推迟了(接近三年后),但这是以牺牲原油产量为代价大的。
图8表明,在大约400天之后,在水的产量减少的同时,原油的产量也受到影响。
可以看到油井沿程有小于9psi的压降(图9)。
与400psi的压差相比,K值只有接近0.02。
强烈建议不要在诸如此例的情况下使用ICD来提高产量。
图4.例1中的油水分布
图5.例1a的累计产量图6.例1a的油井沿程流压
图7.例1b中油水分布(低渗)
图8.例1b的累计产油产水量图9.例1b的流压分布
有气顶的薄油层。
有气顶的薄油层很难高效的生产。
天然气的流动性比原油高的多,这极易导致天然气突破到井底造成气堵,使原油产量降低。
开采这类油藏的通常经验是将压差控制在一个相对小得值来延迟天然气的突破。
这种情况下ICD能够有效提高产量,而且这已经在Troll油田和北海油田证实(Rahimahetal.2010)。
第二个例子是一个有气顶的薄层油藏,其原始压力位3200psi。
油藏的尺寸和例1b是相同的,地层厚度是40ft油藏边界是封闭边界。
和例1相同,我们使用两个条件,一个是高渗透率(200mD),另外一个是适中的渗透率(100mD)。
表2总结了例子中使用的数据。
对于高渗油藏这个例子来说井跟部分的压降是60psi,而对于低渗油藏的例子,这个值是15psi。
对于薄层油藏,过早的天然气突破和超过处理能力的天然气产量都会严重影响生产。
为了开采这样的储层,需要将压差限制在一个很低的值,这样才能避免天然气的突破和天然气的产出。
前人认为并证明了ICD有助于提高薄层油藏总水平井的性能(Leemhuisetal.2008;
Henriksenetal.2006)。
两个例子中单元段的长度都是200ft,每个单元段都安装了一个ICD。
模拟的结果在以下的图表中。
对于高渗透油藏的例子2a,油和气的流量分布见图10(图10a表示油的流量,图10b表示气的流量)。
无ICD时(虚线表示),气的流量占总流量的主体,导致有的流量很低(图10a),还有一部分井段根本就没有产量(图10a和图10b)。
由于地面设施处理能力的限制,高产气其实是减低产量的。
这对于海上油井是一个严重的问题。
更重要的是,虽然降低压差可以减少产气量,但是原油产量也会随之减少,这样就降低了这口井的经济价值。
在完井中加入ICD后,油井的性能明显的提高了。
首先,压差平均分配了,整个井筒都参与了流量贡献,而不是只有井跟那么一段有产量。
第二,产气量明显减少,我们就不再去对井筒的生产压差进行限制。
从图10a中看出,原油产量也是降低的,这是因为ICD产生的附加压降。
和例1中的油水产量问题不同,对于一个有气顶的薄层油藏,压降和井筒的压差给井筒的结构和完井的设计的空间很窄。
流动分布(流体类型和流量)对压降很敏感。
在这种情况下设计ICD时要格外谨慎。
过分设计的ICD将会导致油井产量降低,油井失去经济价值。
在设计完井时应该估计压力系数K的值。
图11反映了油藏网格的压力和井筒网格处的井底流压的差异,这个差异被认为是局部压差。
如果没有ICD,经过半年的生产,井趾到井跟的压降是55psi。
对比井跟部位60psi的压力降(表2),K的值为0.9。
如果没有ICD局部压差的变化范围从井跟部位的60psi到距离接近2000ft的0psi,再远的地方就不在有流量了。
如果在设计中使用了ICD,那么井跟部位的压降
为40psi。
ICD改变了流动条件,使该例中井筒沿程的局部压力分布更加的均匀。
尽管压差显著的减少,引起了原油产量的减少,但是ICD使气体产量的减少得更多。
在一个合理的时间范围内安装ICD的油井将比没有安装ICD的油井有个更高的原油累计产量。
图12表示,在大约200天后配置了ICD的油井的原油累计产量将变得更高,这说明ICD平衡了产量,提高了油井的性能。
但是在短时间类,没有配置ICD的油井的产量要高些。
所以我们需要经济分析来证明ICD的作用。
对于含气顶的薄层油藏,我们还需要研究渗透率对完井设计的影响。
对于例2b我们把渗透率从200mD减少到100mD。
为了延缓天然气突破,将压差设置在15psi。
图13表示原油和天然气的流量。
随着原油和天然气的产量大幅下降,井筒的压降也下降,水平井全井段都开始生产。
图14表示井筒沿程压降。
井筒沿程摩擦压降小于1psi。
很很明显,井筒压降对生长并不是很重要。
在这个例子中,我们试图用一个能产生26psi的ICD来阻止井跟部位的天然气流入。
这虽然减少了天然气的流量,但是也减少了原油的流量。
图15表示油气产量都受到了影响。
在生产了三年以后,配置了ICD的油井的累计产油量依然比没有配置ICD的要低。
图10例2a(油水在高渗底层下)的流量
图11例2a中井筒沿程压力分布图12例2a中油气累计产量
图13.例2(底层高渗)中流量分布
图14.例2中油井流压图15.例2中累计产量
非均质油藏。
对于非均质油藏,有时在完井设备里配置ICD来控制局部高渗区域比如高渗通道(channels)和天然裂缝。
开发非均质油藏的一个生产问题就是,高渗区域会比其他区域更早产水,而使用ICD能减少这个区域的流量。
图16表示在一个含有五个沿5000ft水平井段分布的高渗带的油藏中使用ICD的作用。
输入资料见表3油藏边界的水层能量充足。
使用这样的措施的主要问题是,在设计和安装完井设备前确定高渗带的位置。
只有在需要ICD的位置安装ICD,其才能发挥正确的作用。
一个确定高渗带的可靠方法是井底成像测井,而这种方法花费很高。
如果井筒沿程的地层渗透率没有确定的,而ICD又常常是均匀的沿井筒分布,这就可能造成ICD被安装在错误的位置。
图16中的例子表示的是三种不同情况下的油水流量,没有配置ICD,在正确位置配置了ICD,ICD离高渗带有一定的距离。
这三种情况中井跟的压力都设置成一样的。
在该例中使用了五个ICD,每一个的长度是20ft。
在错误使用ICD的那个例子中,ICD距高渗带180ft。
图17表示3年的产油史(图17a)和累计原油产量(图17b)。
图18表示产水史。
从图17中我们可以看出因为ICD的限制作用,原油产量比没有安装ICD的低。
如果ICD安装在距高渗带180ft处,那么ICD对产量的影响可以忽略。
这是因为ICD的限制作用决定与流量,如果安装在低渗带,流量很低,限制作用就小了。
对于这三个例子,累计产油量没有明显的改变。
但是从图18可以看出,正确的安放ICD能成功的减少产水量,这证明了ICD提高油井性能的作用。
注意到ICD安装在离高渗带180ft的地方时,其对水的突破失去了控制作用。
这样错误的安装ICD会带来成本的上升和风险,但是并不会对生产带来任何益处。
油藏压力会随着生产的进行而改变,而这又将改变油井的流动条件。
ICD是基于某一时间的流动条件设计的。
应该研究其对油井整个生产寿命的影响。
一旦装上ICD就很难再取出和调整,而其影响将一直存在。
经济的评估和开发的优先性在井身结构和完井设计中是关键因素。
图16.非均质性例子原理图
图17.例3中油井沿程产油量
图18.例3中沿程产水量
总结
本文研究了ICD优化水平井油井产能的作用。
考虑了底水驱和薄层气顶驱动两种油藏驱动机理。
发展了一种预测水平井油井产能的的数学方法。
将ICD引起的压力降以表皮的形式考虑进去。
本文通过研究得出以下结论:
1.使用ICD能够提高油井性能和采收率。
使用ICD可以克服三个生长问题:
跟趾矛盾问题,非均质的渗透率分布问题,薄层油藏问题。
2.只有在井筒摩擦压降和油藏压差的比值很高时(长井段和高渗油藏会出现这种情况),ICD才能发挥作用解决跟趾矛盾问题。
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