氣藏多層開采多節(jié)點協(xié)調(diào)分析與產(chǎn)量預(yù)測研究

氣藏多層開采多節(jié)點協(xié)調(diào)分析與產(chǎn)量預(yù)測研究

低滲氣體藏氣井單孔的生產(chǎn)能力很低，單層開采往往無法達(dá)到工業(yè)總產(chǎn)值。通過多層開采不僅可以提高單井產(chǎn)量，還可以提高氣田整體開發(fā)的效率。為降低其開發(fā)成本,一般選擇投資和技術(shù)要求相對較低的合采方式和井下管柱,光油管合采和單管單封隔器節(jié)流嘴控壓合采是低滲氣藏的主要合采方式。多層合采在現(xiàn)場上已應(yīng)用多年,雖在井下管柱、合采方式等方面進(jìn)行了較深入的研究,但對多層合采可行性分析及產(chǎn)量預(yù)測方面的研究相對較少,特別在低滲氣藏方面更是如此。由于地層壓力和物性等方面存在較大的差異,在合采過程中可能發(fā)生層間竄流,產(chǎn)層的氣流速度過大,引起顆粒運(yùn)移,導(dǎo)致氣層損害。筆者從建立壓力方程入手,利用壓力平衡原理計算和繪制各氣層和氣井的流入動態(tài),然后采用以時間為變量的多層氣藏節(jié)點分析方法計算各氣層和氣井的產(chǎn)量、壓力隨時間的變化關(guān)系,最后根據(jù)各氣層的產(chǎn)量評價多層合采的可行性。將多層合采及產(chǎn)量預(yù)測方法的繁瑣計算過程編成程序,分析影響多層合采可行性的主要因素,程序計算結(jié)果與現(xiàn)場資料證明該方法可行。1井筒流動壓力方程Establishmentandcalculationofthepressureequationsofmultiple-zonecommingledproduction氣井的產(chǎn)量是由氣層流動壓力系統(tǒng)和井筒流動壓力系統(tǒng)共同控制的,為評價氣井多層合采的可行性和預(yù)測其產(chǎn)量,需要研究這些壓力系統(tǒng)。氣層流動壓力系統(tǒng)采用二項式產(chǎn)能方程來表達(dá)pr2-p2wf2wf=Aqsc+Bq2sc2sc(1)A=1.291×10-3ΤμgΖkh(ln0.427rerw+S)A=1.291×10?3TμgZkh(ln0.427rerw+S)B=2.828×10-21βγgΖΤrwh2式中,A為層流系數(shù),無因次;B為紊流系數(shù),無因次;pr為氣層壓力,MPa;pwf為井底流壓,MPa;qsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下天然氣的體積流量,m3/d;k為氣層有效滲透率,10-3μm2;h為儲層有效厚度,m;re為泄油半徑,m;rw為井眼半徑,m;S為表皮因子,無因次;T為儲層溫度,K;Z為天然氣平均壓縮因子,無因次;γg為天然氣相對密度,無因次;β為速度系數(shù),m-1;μg為天然氣黏度,mPa·s。在開采過程中雖然可以認(rèn)為氣層物性是恒定的,但天然氣的黏度和壓縮因子是隨著開采過程中氣層壓力的變化而變化的,且二項式系數(shù)隨壓力下降的關(guān)系為A′A=Ζ′μg′ΖμgB′B=Ζ′μg′Ζμg(2)式中,A′為不同開采階段的層流系數(shù),無因次;B′為不同開采階段的紊流系數(shù),無因次;μg′為不同開采階段的天然氣黏度,mPa·s;Z′為不同開采階段天然氣平均壓縮因子,無因次?？紤]高氣液比和干氣井兩類生產(chǎn)情況,井筒流動壓力方程可表示為∫[pΖΤ+2.69Rw(pΖΤ)2](pΖΤ)2+1.324×10-18fq2scd51dp=(0.03415γg+26.41Rw)ΔΗ1(3)式中,p為天然氣在井筒中的流動壓力,MPa;Rw為氣水比,m3/m3;f為摩阻系數(shù),無因次;d1為油管內(nèi)徑,m;ΔH為計算天然氣流過井筒段壓力降的長度,m。在井筒流動過程中還需要計算井下節(jié)流裝置引起的壓力突然下降,低滲氣藏氣井產(chǎn)能較低,氣嘴的氣體流速一般低于臨界流速,其壓力降計算公式為qsc=4.066×103p1d22√γgΤΖ√λλ-1[(p2p1)2λ-(p2p1)λ+1λ](4)式中,d2為氣嘴開口直徑,mm;λ為天然氣的絕熱指數(shù),無因次;p1,p2分別表示氣嘴入口、出口端面上的壓力,MPa。采用地面高壓集輸方式時,還需要計算天然氣在地面管線中流動時引起的壓力降,其計算公式為p23-p24=9.05×10-20γgq2sc[ΖΖ(Ζ#]Τ[ΖΖ)][ΖΖ(Ζ#]Ζ[ΖΖ)]fLd53(5)p=23p33-p34p23-p24式中,p3,p4分別表示水平輸氣管起點、終點的壓力,MPa;d3為輸氣管內(nèi)徑,m;L為輸氣管長度,m;T為輸氣管中的平均溫度,K;Z為在輸氣管平均壓力和平均溫度下氣體的平均壓縮因子,無量綱;p為輸氣管平均壓力,MPa?，F(xiàn)以四層合采為例分析由上述理論公式所建立的方程組和未知數(shù),可建立的方程組一共為:4個氣層產(chǎn)能方程,4個井筒流動壓力方程,1個地面管線流動壓力方程和1個物質(zhì)平衡方程,共10個方程;同樣也有10個未知數(shù),有5個壓力未知數(shù)和5個產(chǎn)量未知數(shù)。雖然方程組的個數(shù)與未知數(shù)相同,但是這些方程都是非線性方程,無法求得方程組的解析解,需要尋求合理的計算方法以求解各個未知數(shù)。實踐證明,利用節(jié)點分析方法可以推算出多層合采井各氣層的產(chǎn)氣量和井筒流動壓力。在氣井生產(chǎn)過程中隨著天然氣的不斷采出,每個氣層的平均地層壓力也在不斷發(fā)生變化。由于低滲氣藏地層壓力傳播較慢,可以假設(shè)井間不存在干擾,這樣可用定容氣藏地層壓力與儲量之間的關(guān)系來反映某一氣層壓力與儲量之間的關(guān)系pΖ=pRΖR(1-GpG)(6)式中,G為單井控制的單層可采儲量,104m3;Gp為單井控制的單層累計采出量,104m3,Gp=∑qt。由此,通過不同時間的累計采出量可求出在那個時間的氣層壓力,從而得到氣層壓力隨時間的變化關(guān)系。這樣利用上述節(jié)點分析方法就可計算不同氣井和各個氣層的產(chǎn)量隨時間變化關(guān)系。因此,采用時間為變量分別計算各個時間點下氣井和各個氣層的產(chǎn)氣量和流動壓力,即可預(yù)測多層合采產(chǎn)量。多層合采與單層開采流出動態(tài)曲線的計算方法相同,而它們的流入動態(tài)曲線的計算方法相差較大。在討論計算流入動態(tài)之前,首先利用壓力平衡原理判斷氣層是否發(fā)生倒灌:(1)當(dāng)井筒壓力大于氣層壓力時,氣層發(fā)生倒灌(氣流從井筒流到氣層);(2)當(dāng)井筒壓力小于氣層壓力時,氣層產(chǎn)氣(氣流從氣層流到井筒);(3)當(dāng)井筒壓力等于氣層壓力時,氣層既不產(chǎn)氣,又不倒灌。在計算和繪制多層合采流入動態(tài)曲線時,首先根據(jù)最下兩氣層的地層壓力大小,應(yīng)用壓力平衡原理判斷最下層是否發(fā)生倒灌。如果不發(fā)生倒灌,則對最下層假設(shè)一個產(chǎn)氣量,根據(jù)氣層產(chǎn)能方程計算其井底流動壓力,利用井筒壓力流動方程計算上一層的井筒流動壓力,以及壓力平衡原理和氣層產(chǎn)能方程計算這層產(chǎn)氣量,重復(fù)上述計算步驟,直到求出最上層的產(chǎn)量和流動壓力為止。通過反復(fù)計算不同流量所對應(yīng)的流動壓力,即可繪制出氣井流入動態(tài)曲線。如果最下層發(fā)生倒灌,則對倒數(shù)的第2層假設(shè)一個產(chǎn)氣量,根據(jù)氣層產(chǎn)能方程計算其井底流動壓力,再利用井筒壓力流動方程計算最下層的井筒流動壓力,以及壓力平衡原理和氣層產(chǎn)能方程計算這層倒灌的氣量,其余氣層計算步驟與第1種情況相同。因上述計算工作量大,繁瑣,研究編制了多層合采產(chǎn)量預(yù)測計算程序。依照各氣層的產(chǎn)氣量(當(dāng)產(chǎn)氣量為負(fù)值時就是倒灌量)來判斷多層合采的可行性;當(dāng)?shù)构鄽饬勘容^大,或某一層的流速大于臨界流速時,則不適宜合層開采。2影響多層合采可行性的因素Analysisofsensitivityfactorsformultiple-zonecommingledproduction圖1是單采與合采的產(chǎn)量和壓力對比曲線。與單層開采相比,合采能夠提高氣井產(chǎn)量,減小油壓,降低速度,延長氣井穩(wěn)產(chǎn)期。由于各個氣層壓力、物性和控制儲量的差異,在合采過程有可能發(fā)生較為嚴(yán)重的倒灌,當(dāng)某層流速大于臨界流速時,就會引起氣層內(nèi)固相顆粒運(yùn)移,從而導(dǎo)致儲層損害;因此,在實施合采之前必須對其可行性進(jìn)行評價。在井下管柱結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下,影響多層合采可行性的因素有:氣層壓力、氣層物性參數(shù)(A、B值)、氣井產(chǎn)氣量和氣層控制儲量。在氣層物性相同(A=60,B=1.4)條件下,各個氣層的深度逐漸遞增50m,從第1到第4的氣層壓力分別為:35.0,37.0,43.0,43.2MPa,圖2是各個氣層產(chǎn)量與時間關(guān)系。由圖2可知:(1)隨著氣層間壓力差的增大,倒灌氣量增加;由于向低壓氣層倒灌,高壓氣層的產(chǎn)量明顯增大,這樣高壓氣層的流速有可能超過臨界流速;(2)倒灌只發(fā)生在生產(chǎn)初期,隨著開采的不斷進(jìn)行,高壓氣層的氣體逐步流向低壓氣層,高壓氣層的壓力下降較快,而低壓氣層的壓力或者上升,或者下降較慢,通過一段時間的壓力調(diào)整后各個氣層壓力都相近,不再發(fā)生倒灌;在后面討論中只研究有可能發(fā)生倒灌的生產(chǎn)初期。為研究氣層物性參數(shù)變化對合采的影響,在其他條件保持不變的情況下,計算和討論3種情況。第1種情況:各個氣層的物性相同,都是A=60,B=1.4;第2種情況只將第1、2層的A、B值增大5倍;第3種情況只將第3、4層的A、B值增大5倍,計算結(jié)果見表1。由表1可知,只有在各個氣層物性相同的條件下,倒灌發(fā)生的氣量最大,延續(xù)的時間較長;當(dāng)?shù)蛪簹鈱游镄宰儾顣r,倒灌延續(xù)的時間最長,而倒灌氣量有較大幅度的降低,這主要是需要較長的壓力調(diào)整時間;當(dāng)高壓氣層物性變差時,倒灌氣量最小,延續(xù)時間最短,這主要是氣體在高壓氣層中流動阻力較大形成的。通過上述對多層合采可行性的影響因素分析,可得到以下結(jié)論:(1)層間壓力相差越大,倒灌氣量越大,合采可行性也就越小;(2)氣層物性越好,從氣層流到井筒的壓力損失就越小,發(fā)生倒灌的可能性就越大;如果氣層的物性之間存在差異,則可以降低倒灌發(fā)生氣量。3多層合采產(chǎn)量預(yù)測ModelCaseStudyofmultiple-zonecommingledproduction由于低滲氣藏關(guān)井地層壓力恢復(fù)慢,測試花費(fèi)的時間較長,一般情況下不可能對較多氣井進(jìn)行地層測試,所以試井資料非常有限。必須利用資料較為齊全的典型井進(jìn)行合采可行性評價,然后根據(jù)多層合采敏感性影響因素分析結(jié)果對整個氣藏的多層合采可行性進(jìn)行評價。某氣藏有2個主力氣層,其物性基本參數(shù)為:上氣層埋深3200~3400m,氣層壓力28~33MPa,氣層壓力系數(shù)0.86~0.89;下氣層埋深3250~3500m,氣層壓力28~33MPa,氣層壓力系數(shù)0.86~0.89,氣層間壓差一般小于2.0MPa。合層測試的修正等時試井產(chǎn)能方程系數(shù)A、B范圍分別為14.28~60.397,0.1265~1.4765。為評價整個氣藏合采的可行性,選用物性參數(shù)好且假設(shè)它們是相同的、其余參數(shù)均為氣井的實際參數(shù),分別計算了不同產(chǎn)氣量和不同壓差下每個氣層的產(chǎn)氣量,計算結(jié)果列于表2,由表2可知:在層間壓差2.0MPa條件下,只有氣井產(chǎn)量為2.0×104m3/d時,才發(fā)生小氣量倒灌,而實際上氣藏內(nèi)一般氣井生產(chǎn)初期產(chǎn)量都高于這個值(上述計算結(jié)果是在假設(shè)最有可能發(fā)生倒灌的條件下所得各個氣層的倒灌氣量,實際上倒灌的可能性更小),通過合層開采氣井產(chǎn)氣剖面的測試結(jié)果也證實了該結(jié)論,因此該氣田適宜于多層合采。為了驗證多層合采產(chǎn)量預(yù)測程序的準(zhǔn)確程度,對測試和試采資料較為齊全的2口氣井(X和Y)進(jìn)行了產(chǎn)量預(yù)測。X井在2002年10月21日開始投產(chǎn)至2003年3月20日產(chǎn)量都保持為6×104m3/d左右;Y井在2002年10月21日開始投產(chǎn)至2003年1月19日產(chǎn)量都保持為6×104m3/d左右。主要是針對該生產(chǎn)時間段進(jìn)行計算,計算的氣井產(chǎn)量都保持在6×104m3/d,油、套壓計算結(jié)果見圖3。將這2口井的計算結(jié)果與實際采氣動態(tài)曲線相比較可知:油、套壓計算值與實際值比較接近,說明合采產(chǎn)量預(yù)測理論模型