（油气田开发工程专业论文）智能完井综合系统的数学模型研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo nm a t h e m a t i c a lm o d e lo f i n t e l l i g e n tc o m p l e t ec o m p r e h e n s i v es y s t e m s p e c i a l i t y ：o i l g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g n a m e ：x i a o s h u q i n ( s l g n a t u r e ) 笙幽么纽 i n s t r u c t o r ：q uz h a n ( s i g n a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n t c o m p l e t es y s t e mi s ac o m p l e t es y s t e mt h a tc a nc o n t r o l ，a n a l y z ea n d m a n a g eo 订f i e l d a t m u l t i p l ez o n ea n dm u l t i b r a n c ho i lw e l lf r o mt h eg r o u n d i ts o l v e st h e p r o b l e m sa r i s i n gf r o mc o n v e n t i o n a lc o m p l e t et e c h n i q u eb e c a u s eo f i t sc r e d i b l ea n da d v a n c e d t e c h n i q u ea n d i t sc h a r a c t e r i s t i co f n o t p e r f o r m i n g d o w nh o l e r e m e d i a lo p e r a t i o n o nt h eb a s i so fi n t e l l i g e n t c o m p l e t es y s t e mt h e o r y , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so f c o n v e n t i o n a l f l o w r a t e ，v a r i a b l e f l o w r a t ea n dw e l l b o r e t e m p e r a t u r e a r ee s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l yb yu s i n gm a t h e m a t i cm e t h o di nt h i sp a p e nt h e n ，w i t he x p e r i m e n td a t at h r e e m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r es t u d i e d ，a n dt h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r e g o t ：r e l i a b l e z o n e p e m l e a b i l i t yc a nb eg a i n e db yp s e u d o s t e a d y s t a t e f l o wm e t h o d ；p e r m e a b i l i t yd r a w nf r o m s p h e r i c a lb u i l du p i sm o r ea c c u r a t et h a nt h a td r a w nf r o ms p h e r i c a ld r a wd o w n ；t ol o w e r p e r m e a b l ef o r m a t i o n ，p e r m e a b i l i t yd r a w nf r o ms p h e r i c a l f l o wm e t h o di sm o r ea c c u r a t e ； r e l i a b l ep e r m e a b i l i t yc a nb ea t t a i n e db yp l a n er a d i a lf l o wm e t h o dd u r i n gb u i l du p ，e s p e c i a l l y t ol o wp e r m e a b l ez o n e ，b e s i d e s ，o r i g i n a lf o r m a t i o np r e s s u r ec a r lb ed e t e r m i n e db yt h el i n e a r p o r t i o no f l a t eb u i l d u p ；b o t hd u r i n gd r a wd o w na n dd u r i n gb u i l du p ，z o n ep e r m e a b i l i t ya n d o r i g i n a lf o r m a t i o np r e s s u r eg o tf r o mm o d i f i e dh e m i s p h e r i c a lf l o wm e t h o da r ea c c u r a t ea n d r e l i a b l e ；u s i n gv a r i a b l ef l o w r a t em e t h o dt os o l v ez o n ep e r m e a b i l i t ya n ds k i ne f f e c ti sv e r y f e a s i b l e ；j o u l e - t h o m s o nh e a t i n go f w a t e rh a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ez o n et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na r o u n daw e l ld u r i n gf l o wa n dt h ew e l l b o r e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na f t e rs h u t - i n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o m p l e t e m a t h e m a t i c a lm o d e lc o n v e n t i o n a lf l o w r a t e v a r i a b l ef l o w - r a t ew e l l b o r e t e m p e r a t u r e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y t h ep a p e ri ss u p p o r t e d b yt h ei n s i d ey o u t hc r e a t i v ef o u n d a t i o no f c h i n ap e t r o l i g e n i cn a t u r a l g a sc o l l e c t i v ec o m p a n y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文巾不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油人学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位沦文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 苗丝茎日期：趔生! ! 学位论文使用授权的说明 本人完全了解两安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期i l 开j 论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公丌阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 桐芙的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 鱼垒茎 丝丝 同期：丝生圭! 匿 日期：刎正旷 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及背景 课题智能完井综合系统数学模型研究来源于中国石油天然气集团公 司石油科技中青年创薪基金项目智能完井综合系统的技术方法研究。本 项目的提m 主要是基于如下背景： 下套管注水泥，安装生产管线、封隔器及其它生产设备，然后对主要油 井层段进行射孔，让油藏流体流向井口的标准完井技术，已使石油工业受益 几十年。然而随着作业环境及更加复杂的井眼设计的出现，追切需要更好的 完井方法来优化生产，避免风险，降低成本。常规的完井作业只能获取有限 的油藏资料，诸如试井、测井所提供的数据均是问断的不连续的资料，而油 藏的变化是动态的，因此就很难对油藏的动态变化做出及时的反应。依靠地 面流体控制阀的完井技术已经无法满足对单井或多分支井的多个流体单元 进行选择性的生产要求，对混合流动单元层问串流或欠佳开采层也没有控制 能力。 目前我国的完井技术比较落后、自动化程度不高、作业周期长、成本高、 效率低；而且完井所采用的仪器设备存在诸多缺陷：( 1 ) 只具有短期操作的 行为特性，在井f 完成了指定任务后，不能长期驻留在井下实现在线作业； ( 2 ) 功能比较单一，必须将只具备单独功能的仪器分别下井作业后，才能实 现完井过程，不能将测试、处理、决策和控制有机的结合在一起；( 3 ) 仅适 合于单一储集层或单一分支井的分别开采，不能用于多储集层、多分支井的 优化组合开采；( 4 ) 对油气开采过程中经常出现的出砂、结蜡、产层出水、 有害气体聚集等影响生产的重要因素缺乏内在性的防范措施和应变能力，一一 旦问题出现就不得不停产进行专门的修井作业。基于以上原因，国内外专 家提出了一种更为先进的、技术上更可靠的和无需实施修井作业的完井技术 智能完井技术，以解决常规完井技术中出现的问题【。1 。 1 2 智能完并的发展现状及前景 1 2 1 智能完井的基本概念 旧安石油人学硕十学位诊丈 智能完井技术也称作智能井，是一一种能在多层段、多分支油井中从地而 控制、分析、管理油井的完井系统。智能完井系统是带有井下传感器，并能 实时采集有关数据的遥测与控制系统。它从地面通过水力式、电子式或者光 纤一水力式操作阀或滑套开关对每个生产油层进行井下流体、油藏压力和温 度测量的井下控制，进行实时油井和油田的控制和优化。其目的是将层间隔 离、流量控制、机械采油、永久性监测和出砂控制安全可靠的综合起来。它 可使经营者从地面实时的对单井多层段油、气生产或多分支井中单分支井眼 的油、气生产进行监测和控制。智能完井系统将会减少油井生产期间所需要 的大量修井作业，从而使油层以较少的油井检修工作量，保持最高的采油水 平，获得较高的油气采收率。 智能完井系统是由地面硬件控制设备和井下模块组成的。智能完井系统 井下部分由数个模块组成，这些模块具有测试油管压力和环空压力、温度和 流量的功能，类似于一种开关控制着油气由油层流入生产管柱( 系统地面框 图如图卜1 所示) 。地面系统与井下模块相结合，以辨明油层的层位、工作 状况以及每一层的流动特性。地面控制系统将指令传送给井下装置并使其运 转来改变、调整油井的流动特性。固定于油管柱外侧的电缆可进行地面和井 下设备的信号传递，并给井下设备提供电源( 图卜2 ) ”一“。 图卜1智能完井系统地面框图 西安t i 油大学硕+ 学位论文 图卜2智能完井系统井下系统 1 2 2 智能完井的分类 a 短期装置：包括“一次激发”工具或作业周期有限的装置。多年来， 国外已经使用了大量的用于油井结构或完井安装工艺与方法的设计。但是， 它们都是传统的、应用先进的原理设计的液压操作工具，从简单的剪切设计 到能够多次进行压力循环的较复杂结构。近年来，发明了更高级的系统，提 供了更多的选择性，清除了渗漏通道，并把完井施工中相应的钢丝绳作业减 至最少次数。激励信号可以通过机械的、压力的、压力脉冲的、电磁的或其 它方式提供。控制机构可以包括简单的机械、流体逻辑定时器或电子仪器。 无论用什么控制方式，这种短期装置由于安装费用少都能增加其应用价值。 由于受其功率和机械性质的限制，所有这种短期装置都不能应用到生产寿命 较长的油井中，因此，它们不能包括在智能完井的定义范围内，但具有智能 完井的短期特征和效果。 b 长期装置：指可以进行无限次数作业周期的装置，这些类型的系统具 有在一口油井生产寿命期间正常工作的能力。因此，长期装置包含于真正意 义上的智能完井。多年来，仅有几种长期遥控装置得到了一泛的应用，其中 一种引人注目的装置是地面控制的井下安全阀。通过长期实践，作业者们认 3 西安= f i 油人学硕士学位论文 识到了长期装置具有能够下入任何深度并能选择性驱动一种或多种工作方 式的、并且不含“故障一保险”的流量控制装置的潜在优点。这些k 期装置 还可以减少安装成本，并且能白始至终从各个独立产层进行选择性的生产并 进行实时生产的调节，减少作业成本，提高油井产能并增大总采收率。 c 整套集成装置：包括灵活可动的井下工具及一整套组装的传感器，它 填补了现场延长油井有效寿命的油藏管理工具箱中的空白。地面控制油藏分 析管理系统是一种为昂贵的水下和近海应用而开发的具有代表性的系统。这 种系统可以按需要任意组装，以满足特定条件下的完井工作任务要求。该系 统最重要的优点之一是具有长期的可靠性，证明了为提供最高级设备的可靠 性和系统整体性而增加投资成本是合算的。这些系统可以与当前的水下控制 系统配套工作，从而通过现有的地面网络获得井下信息。 d 单独分散的遥控系统：有些应用项目非常希望井下遥控，但是又不需 要整个配套系统，例如不需要某仪器或者减少所需装备数量和减少对功能的 要求。单独分散的遥控工具能够以相对低的成本为这些项目服务”吲。 1 2 3 智能完井的适用情况 智能完井系统特别适用于调整井和修井费用高的地区，这些地区包括海 下油井、深水油井、多分支井、水平延伸井、远距离无人操作的油井等”。1 “。 a 海下油井应用将集中体现在减少和最大限度的消除油井的采油维修 工作上。对海下油井的井卜i 流体和油层参数的监测，以及对油井产量或水井 注入量的优选，控制功能将所需的油井修理工作减少至最低限度，降低r 生 产成本。 b 深水油井将从智能完井系统的应用中获利，该系统可减少设备和操作 人员。由于采用智能完井系统，无须再用挠性管或钢丝电缆起、下检测工具， 凶而可将它们从采油平台上拆掉。另外，此系统具有远传功能，而不需要在 油井现场便可通信联络和控制油井生产，因此可大量减少现场操作人员。 c 多分支井也可从智能完井系统中获利。电子设备可精确的监测井下不 同层段的压力并调控每个生产层段的生产压差，因而可使油层以最佳方式采 油，同时也可使多分支井的各分支井同时采油。 西安石油人学硕十学位论文 d 水平延伸井应用此系统工艺技术，可使流量控制装置下入到挠性油管 所能卜入的更深位置。 1 2 4 智能完井系统的优点 智能完井作为一项新型的完井技术，与常规完井技术相比技术优势比较 突出，其主要表现在： a 地面遥控功能：智能完井能够在地面上识别流入控制阀的位置，并能 在地面上有选择地开关某一油层，从而实现在不关井的情况下进行井身结构 重配。由于智能完井具有地面遥控功能，便于管理，适用于偏远地区，也适 用于难于管理的海上油田或沙漠油田“朋。 b 实时监测功能：智能完井能够获得生产层实时井下信息，并将监测到 的资料传输到地面的计算机中储存起来，测试的资料具有较强的连续性。由 于监测资料是长期持续记录的，从而克服了不稳定试井分析所引起的模糊性 和不确定性“。 c 便于油藏管理：利用智能完井所获得的长期监测资料比传统的短期测 试资料更广泛，提供的油藏信息量更多，非常有利于油藏工程师建模。智能 完井监测的数据不但包括单井数据( 压力、温度、粘度和组分) ，还包括井问 数据( 地震的、波动的、声波的) ，从而使信息类型不断的扩大，整个油藏信 息的扩大将使先进的油藏管理向着精确的流体前缘图解和油藏描述方向发 展，将来油藏可能会进入连续管理阶段。油藏使用智能完井管理越多，被控 制的部分越大，油藏就能获得更大的潜能。因此，智能完井适用于油藏结构 复杂、具有较高不确定性、需要录取大量资料的井”“1 。 d 提高油田最终采收率：智能完井上的流入控制阀可以对不同层位有选 择性地进行开关，从而实现了从特定油层段采油的目的。智能完井上的传感 器能够监测各油层油、气、水量，并能修正油井工作制度。当生产中出现水 或气的锥进时，可通过调整层段流量( 即关闭产水层或产气层，控制注水或 注气等) 来延缓水或气的锥进，从而加速生产，达到提高油田最终采收率的 f i 的。1 。因此，对于油层性质差距较大，需进行多层合采或合注的井或需控 制水、气锥进的井可以采用智能完井，从而实现提高油田最终采收率的目的。 5 西安石油大学硕士学位论文 e 控制不同层位的流量：a b b 公司最近研制的井下监测和油藏控制系统 是市场上多种智能完井系统的最新补充。该系统包括测量压力、温度、流量 和含水率的传感器，同时还具有控制和平衡不同层位之间液流的井下油嘴、 控制管缆，这些装置是智能型完井系统的主要部件。它允许动力从地面传递 到井下启动油嘴，同时又将井下的压力、温度和流动数据传回地面。a b b 的 分公司n o r s kk a b e l 公司已经为此智能完井系统制造了控制管缆。油嘴内的 基本部件采用了石英压力和温度传感器来测量油管和环形空间里的参数，为 此生产出光纤压力和温度仪表系统。此智能型完井系统的另一主要功能是能 够控制不同层位的液流量。a b b 公司已经研制出的液流控制装置，可以多位 置的进行开关控制，并且还研制出了几种非侵入式的、不干扰液流流动的液 流计量仪表。 f 节约生产成本：智能完井系统可以通过减少大量的井筒维修工作量、 优选采油方式和工作制度以及提高最终采收率两个方面节约成本。一口采油 井的日常维修管理费用是根据油井所处位置和完井类型而变化的，例如一次 海下油井修井费用为1 0 0 万美元，而一次两天平台维修费用不超过l o 万美 元“。另一个要考虑的问题是修井所设计的时间问题，例如一个经营者要检 测油层水的突破情况，首先他要安排一个油井作业计划等待作业，这种取决 于修井设备有效利用率的一次修井作业与可以实时地进行油井检测的智能 完井系统相比较，常常要花去数个月时间。另外，油层供油半径得以改善， 并有效利用地层能量，智能完井系统能方便适时地提高油层的总产量。 1 2 5 国内外智能完井的发展状况及前景 a 国外发展概况：目前，国外一些大公司已开发出了智能完井系统，有 的j i e 处于设计过程中。井下流量控制装置主要为液压式或电驱动式的流量节 流阀，截至目前，石油工业安装的大部分是液压驱动流量控制装置，但电驱 动系统也正在被接受。 在最近的几年里，永久性电子压力温度传感器已被广泛应用，但很少与 井下遥控工具进行结合。除了电子式传感器外，光纤传感器也逐渐被接受。 这些传感器能记录连续温度、间断温度、压力、流量，也能监测地震参数。 曲安7 i 油火学硕i 二学位论文 截至日前为止，贝克石油一：具公司、斯伦贝谢油田服务公司、哈里伯顿 能源服务公司、r o x a r 有限公司、n o r s kh y d r oa s a 公司等已安装了近1 0 0 套智能完井系统。这些智能完井系统的生产动态均远远好于常规完井系统， 并大大加快了油藏的开采速度，提高油1 的最终采收率。 ( a ) 贝克休斯工具公司已有的或j f 在开发的系统： 液压控制阀和电子永久性井下仪器： 电驱动的电子控制阀和电子永久性井下仪器； 光纤或电子传感器和液压或电子控制阀。 到目前为止，贝克公司已安装了4 套液压控制的智能完井系统，累计井 下工作时间2 5 0 0 0 小时，循环超过5 5 次。第一套智能完井系统于1 9 9 9 年由 阿曼石油开发公司安装，用于管理一口偏远油井中电潜泵上的载荷，反转电 潜泵将废水注入地层，省去了地面需要大排量泵进行回注的要求；第二套智 能完井系统于1 9 9 9 年i 2 月在印度尼西亚苏门答腊岛的p tc a l t e x 井安装， 解决了油井的出水问题，使油井上下油层同时不问断的开采成为显示；第一 套全电控的智能完井系统目前已在巴西石油公司测试，并计划在其近海海底 油井中安装该系统。 目前，贝克休斯工具公司已经研制出了被称为石油行业的第一套高级智 能完井系统i n c h a r g e 智能完井系统，该系统实现了完全电气化，可 以进行远程实时遥控生产作业和注入管理。i n c h a r g e 系统使用可变阻流器、 开关控制和高精度温压传感器，对油管和环空中井底油层的实时压力、温度 和流量及油井的生产管理和注入情况进行监测，对各个油层的优化生产流量 进行连续的监测和控制。在一口并中，作业者可以最多监测控制1 2 个产层， 一套i n c h a r g e 系统监测控制的井数最多可以达到1 2 口。该系统还可以通 过个人电脑进行作业控制，如对流量进行合理分配、控制气窜和水窜、对多 目的层进行预完井，进行选择性投产或者根据需要关闭产层“3 。 ( b ) 斯伦贝谢油田服务公司：已在1 4 口井上安装了液压钢丝可回收流 量控制器，其中8 套在t r o l l 油田、3 套在o s e b e r g 油田、3 套在w y t c h f a r m 油田。 曲安石油大学硕士学位论文 第一1 套全电智能完井系统于2 0 0 0 年8 月在w y t c hf a r m 油田由b p 公司 安装，当油井老井眼出水时，b p 公司从该老井眼中钻开了两个分支井眼， 选择对每个分支井眼进行井f 流量控制，从而恢复了两个油束。带流量传感 器的液压控制阀于2 0 0 1 年第二季度在英国安装。 斯伦贝谢油田服务公司的液压控制阀是通过压力循环来改变控制阀到 计量位置，而电流量控制阀允许在打开和关闭的位置之间进行无级调节。在 t r o l l 油田开发中，在液压流量控制器帮助下经营者开采了在气顶和含水层 之间的4 0 英尺厚的油层“。 ( c ) 哈里伯顿能源服务公司：有全电控、平衡活塞液压、油藏平衡液 压三种智能井控制系统。该公司已经安装了1 4 套高端智能完井系统，其中 8 套在北海、2 套在a d r i a t i c 、2 套在墨西哥湾、2 套在西非。在其高端系 统中，控制阀与压力温度传感器结合为一体，提供了一个无限变化的油层控 制阀。该公司还有3 8 套液压装置用于远东、中东及南美，这些装置系统提 供了遥控的井下液压流量控制，但没有电子和压力温度传感器“。 ( d ) r o x a r 有限公司：该公司的全液压驱动智能完井系统可控制4 个 油井层段。该公司的第一套智能完井装置安装在委内瑞拉东部f u r r i a l 油田 的p d v s a 油井上，该装置包括放置在4 个控制阀上的1 2 个压力温度传感器， 对油藏进行广泛监控“”。 ( e ) n o r s kh y d r oa s a 公司：于2 0 0 2 年8 月完成了业内第一口多光纤 传感器智能井。光纤测量系统安装在北海挪威海域o s e b e r go s t ( 东) e l l c 井，包括在井内安装多光纤压力计温度计、分布式温度传感( d t s ) 光纤及地 面操纵智能完井流量控制装置。自设备安装以来，井下传感器阵列已经为日 常油田生产管理提供测量数据，作业者能在整个油田生产寿命期间进行战略 性油藏管理。e - 1 i c 井的井下压力计温度计提供两个产层的连续监测数据； d t s 传感光纤提供整个井眼的温度数据，光缆把测量数据传输到地面阳”1 。 b 国内概况：目前国内智能完井只是停留在研究阶段，尚未实施。中国 海洋石油有限公司与斯伦贝谢油田服务公司成功的在印度尼西亚南爪哇海 n e i n t e n a 一2 4 井设计并实施了t a m l 第6 级分支井的智能完井，该井是印度 砖安石油大学硕士学何论文 尼西钻的第一口t a m l 第6 级分支井，也是世界卜第一次在第6 级分支井 中采用智能完井。斯伦贝谢公司使用最先进的r a p i d s e a l 分支井系统成功的 实施了这。项目，该系统可以实时测量井下温度和压力，可选择性的优化每 个分支的石油叫：产，尽量减少水侵“。 辽河油田对智能完井系统进行了初步研究，通过对国外智能完井系统剖 析以及安放在井下的、间隔分布于整个井筒中的井下温度、压力、流量、位 移、时间等传感器组的研究，完成了智能完井技术方案、可遥控的井下液压 滑套等井下工具方案、井下数据采集控制系统方案等设计工作“。 大庆油田由于目前已进入高含水后期开发阶段，高含水而导致关井的油 井越来越多，已经成为油田增效开采的障碍之一。由于这部分高含水井几乎 都存在低含水层或低含水部位，为了经济有效的开采高含水井，大庆油田正 在研究利用水动力采油原理，采用智能完井进行生产，即利用智能完井的实 时监测功能，监测油井的含水情况，及时关闭高含水层，控制油井在低含水 层或低含水部位进行生产”3 。 c 智能完井的前景：智能完井虽然仅有六年的历史，但已经展现出光明 的前景。很快将会出现完全自动化和相当智能化的完井，仅需要少数人工或 不需要人t 参与的优化开采，将自动监测油井的压力、温度和流量，并且利 用这些数据连续、自动地修改油藏模型，调整井下阀门、优化原油开采、减 少水和气的采出。自动化完井的主要障碍是缺乏处理大量数据和滤清这些数 据提供有用信息所需要的软件。某些公司正在研究这些软件瞳。 井下智能装置可以监测、控制不同油层的产量，而不会影响正常生产。 这些监测装置可以计量油井压力、流量、流体组分和温度分布。永久安装的 电子压力计可连续计量单点压力。流量控制装置一般为带执行器的滑套，它 可以打开、关闭或控制1 口井的多层流体。新一代光纤仪表具有更高的精度， 光缆也具有更好的光学透明度。美国墨谣哥湾的庞帕诺( p o m p a n o ) 油田已在 试用这种光纤压力计，且计划还要扩大使用范围。 智能井下装置要求更高的可靠性，航天技术公司正在参与智能完井的研 究项目并开展了这方面的技术研究或攻关。从井下传感器和仪表到地面通信 西安石油大学硕士学位论文 是智能完井中亟待解决的一个重要问题。b p 公司指出，油藏开发和管理决 策需要智能完井装置所提供的资料，而智能完井需要先进的通信系统，包括 井下电子传感器、遥测系统、数据访问管理系统。e x p r o 公司新开发了一 种名为“收获”的系统，具有全地址寻址数字多信道结构，系统能进行2 5 6 个节点记录，一根通信光缆就能访问控制井下生产过程。该系统由3 个芯 块组成，可适应各种井筒几何尺寸和不同的完井设计。 连续油管的应用曰益广泛，但对它的无损检测要求也更高了。目前对连 续油管的工作压力要求，已从l o 年前的3 5 m p a 提高到了7 0 m p a 以上。有的 公司已将连续油管用于长达6 1 0 0 米的大位移井，其工作压力高达8 0 m p a 以 上。哈里伯顿能源服务公司新推出一种名为a n a c o n d a 的井身结构系统，此 技术关键在于采用了碳纤维连续管( s m a r t p i p e ) ，比钢管轻得多，材料的抗 疲劳强度也有很大提高，而且电缆与管柱结构成为一体。采用这种连续油管 的井下工具包括三维实时导向工具、先进的信息分析工具和钻井综合参数实 时计量工具i “1 ”1 。 未来几年，智能型完井技术可以通过连续模拟、测量和控制井下所发生 的情况，并把重点放在优化产量上，需要更好的数据管理以便了解什么信息 最有价值和如何对油藏管理作出更及时的反应，实际上几乎所有的智能完井 装置都是采用液压技术制造的。采用液压技术开启和关闭控制阀和油嘴，只 需要- 条小直径电缆进行操作；光纤在井f 作业的应用正在推广。在北海和 美国墨西哥湾正在成功地布置光纤温度监测系统，在优化采油方面获得有益 的结果，同时提供液压和电动智能型完井装置的供应商正在研究光纤一电动 和光纤一液压探测装置1 。 最终优化的油藏或油田需要智能完井系统，将导致跨井通信。将来油藏 优化的其它技术还包括探测井眼以外进入油藏的技术，如利用传感器监测和 测量进入油藏的水。将来智能完井不仅应用于深水复杂的油井，而且将普遍 应用于浅水或陆上油井。 1 3 本文研究的目的及意义 根据国内外智能完井技术的发展状况来看，为保证多油层采油井、多分 1 n 西安石油人学硕士学位论文 支井、水平延伸井以及电潜泵采油井的智能化管理和智能化牛产，有必要进 行智能完井综合系统的技术研究。目前园内外对智能完井综合系统的数学模 型研究涉及较少，因此本文利用数学的方法对智能完井技术进行研究，用所 建立的数学模型对智能完井井下系统传输上来的压力、流量、温度数据进行 处理以便确定地层的压力分布和温度分布以及计算井眼附近地层的渗透率 和表皮因子。并且将所建立的数学模型用于实验室和现场指导，可以为油气 开采提供科学有效的技术手段，从而实现油气开发工程的信息化、数字化、 智能化管理，以尽量减少或避免井下复杂情况出现、减少修井工作量、改善 油气井产能、延长油气井寿命、降低生产成本、提高开采效率，以达到最终 提高采收率的目的。 1 4 本文的构思及主要工作任务 本文利用数学方法建立的模型对智能完井井下系统测试数据进行处理， 以便确定原始地层压力和地层压力分布以及计算井眼附近地层的渗透率和 表皮因子。本文采用常规方法和修正的半球形流动方法来分析智能完井井下 系统测试的常产量压降数据和常产量压力恢复数据，利用所建立的变流量数 学模型来分析系统所测试的变流量和压力数据，研究了流体流动过程中地层 的温度分布和关井之后的井筒温度分布。 第二章智能完井的数学模型 第二章智能完井的数学模型 智能完井数学模型的目的就是利用所建立的数学方程将智能完井井下 系统传输上来的压力、温度、流量等数据进行处理，以确定地层压力分布和 井筒温度分布以及计算井眼附近地层的渗透率和表皮系数。 智能完井井下系统的测试器是由一个探测器、两个预测试室( 每个预测 试室都有一个体积为l o c m 3 的取样筒) 和一个压力表组成。将探测器放在井 壁之后，第一个预测试室里的活塞开始移动使流体在特定的时间t 。内以特 定的体积流量q 。从地层中采出。在第一个预测试室被充满后，第二个预测 试室里的活塞便立即开始移动，流体在不同的时间t ：内以不同的体积流量 q 从地层采出。预测试室的基本作用是从探测器中移走泥浆和岩屑并在地层 和探测器之间形成密封，以使测得的是地层压力而不是泥浆柱压力。此外， 如果测量压力是从探测器放在井壁之后直到第二个预测试室充满时( 也就是 说，直到探测器内压力恢复到原始地层压力时) 开始进行的，那么就可以计 算探测器附近地层的渗透率。本章采用常产量、变产量等方法来分析测试的 压降和压力恢复数据，并进行了井筒温度分布分析，建立相关的数学模型。 2 1 常产量分析方法 2 1 1 常规方法 a 拟稳态压降方法：压降试井是指控制油井产量恒定，连续记录井底压 力随时间变化的历史，对这一压力历史进行分析，求取地层参数的方法。压 降试井大多在以f 两种情况f 进行：( 3 ) 新井一开始投产，在一定时间内产 量保持恒定；( b ) 油井关井已有相当长的时间，地层和井筒内压力趋于稳定 后，油井再次生产，并保持恒定产量比“。 恒定产量卜的井底压力通常可以分为四个阶段：( a ) 初期阶段；( b ) 不稳 定流动阶段；( c ) 过渡阶段；( d ) 拟稳态流动阶段。早期阶段是指油井一开始 生产( 试井) 时，井筒储存效应影响井底压力变化的时期而后进入不稳定阶 段，地层流体渗流为平面径向流。若地层有界，当油井生 - n 。4 定的时间后， 压力扩散到油藏边界，井底压力变化就进入后两个阶段。在拟稳态渗流阶段， 1 ， 西安石油大学硕士学位论文 地层各点压力下降速度相等。 ( a ) 假设条件 地层是均质、各向同性的； 地层中的流体是不可压缩的； 地层中的流体满足单相流达西方程。 ( b ) 建立数学模型 通常是在探测器内压力值为p 。、p ：和从当地层恢复到原始状态时在所测 得的压力渐近特性的基础上来计算渗透率值。其中p 。、p 。是在每次压降结束 时测得的，也就是说，是在每个预测试室被完全充满时测得的。当进行压降 数据分析时，通常假设在压降晚期，压差稳定，系统达到拟稳定，把测得的 稳定的压降和从活塞摄取的流量代入达西方程得： k 。：旦( 2 1 ) j 2 瓣o e 卸 式中：k 。厂压降渗透率，m 2 ；q 一流量，m 3 s ；u 一粘度，p a s ；ap 稳定 压差，p a ；r ，一有效探针半径，m ，且k = 2 0 肛哺2 “，h 为探针半径：c 一 流动形状系数，无量纲，在均质地层中对于0 2 0 3 2 m 井眼，当有效探针半径 r 。为探针孔隙半径的一半时，用数值模拟法求得流动形状系数c = 0 6 4 5 。 对于半球形流动，取c = 1 0 ；对于球形流动，取c = o 5 乜。 ( c ) 求表皮效应s 方程( 2 1 ) 引入无量纲压力哳3 屹：塑坐，无量纲径向距离汹1r o ：兰， q r w 无因次储层厚度n h ，：兰，则可将( 2 一1 ) 式无量纲化： k p n ：堕( 2 2 ) “ 式中：h 一地层厚度，m ；o 井底半径，m 。 若考虑表皮效应s ，则( 2 2 ) 式应为： 西安石油大学硕士学位论文 屹：堕+ s( 2 3 ) fd 由( 2 3 ) 式即可求得表皮效应： s ：屹一堕一2 n k a h a p c h ( 2 4 ) q , ur e b 球形流方法：对于比较厚的无限大地层，可使用球形流分析方法来分 析测试数据。在这里地层不再是各向同性的，而球形有效渗透率k 。包含着 垂直方向的渗透率k 。和水平方向的渗透率k h ，它们之间的大小是有区别的， 这是考虑更符合较厚油层的各向异性的实际情况。但在硬岩地层中这种渗透 率非均质性对产量并没有很大的影响，这是因为只有在流动方向与地层面基 本平行时，此方向上的渗透率才会考虑对产量产生影响。 ( a ) 假设条件 地层是均质的且在径向和垂向上地层是同性的； 地层中的流体是不可压缩的； 地层中的流体满足单相流达西方程； 被探测的地层足够厚； 压力波动是以球形方式传播的。 ( b ) 建立数学模型 在均质地层中压力的微分方程式。7 1 为： 7 2 p ：口一8 p ( 2 5 ) 研 其中：口= 譬, 7 2 为拉普拉斯算子。 如果压力p 是球面对称，则压力取决于探测半径r 和时间t ，所以( 2 - 5 ) 式瞳引可写为： 1 8 ( r ：一8 p ) ：口挲 ( 2 6 ) r 2 o r ( 7 一o r ) 2 口百 0 2 一bj 将( 2 - 6 ) 式进行变形改写为 8 2 ( r p ) ：a o ( r p ) 加2a ( 2 7 ) 西安石油大学硕十学位论文 对( 2 7 ) 式进行拉普拉斯变换，并假设在t = 0 时的原始地层压力为p ，则： 可82(rp)：甜(痧一鼻)8r ： 、 27 其中：砘s ) = p ( 州) = f e “j p ( r , t ) d t 心叼 用v 代替( 序一堡) 则： 岩= 矿 对二阶常系数齐次线性微分方程罂：矿求解： d r 。 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 令 7 = e m 贝u ：z 2 p 一= c t s e “，即五= c 豁 由于压力p 随t 增大而减少，所以取旯：一忑。即可求得满足边界条件 为无限远处的通解为： 融。) ：兰一4 竺( 2 1 0 ) 式中：a 为常量，可以通过特定的边界条件求得。 由达西定律可知：通过单位横截面积的流量为： 一q ( r ，f ) ：k _ o p( 2 一l1 ) 则通过半径为r 的球面的整个输入流量为： q ( r ，f ) ：一4 胛z q ( ，f ) ：4 m 2 k _ o p( 2 1 2 ) 对( 2 1 2 ) 式进行拉氏变换并将( 2 1 0 ) 式代入其中整理得： 百( ) ：4 7 r r 2 ko f f ( 郴) 】- 4 r a k ( 1 + _ ，) p 一届( 2 1 3 ) “ o r 。 “ 把总流量q ( t ) = q ( a ，t ) ( 其中a 为理想化的球形孔眼半径) 转换成拉氏空 问直( s ) 则呵以得到： 一：善辇 ( 2 州) 4 破n + 4 a s a ) 西安石油大学硕士学位论文 冈此，( 21 0 ) 式又可表示为： 玑，= 等一志篇蒜e 1 面一( 2 - 1 5 ) 令r = a 则： k 脚忆沪导一去羔蒜( 2 - 1 6 ) 压降分析： i 如果在压降期间，在半径r = a 的球形孔眼处的压力p = p 。为常量，则 ( a ，s ) = 只s ，( 2 - 1 0 ) 式可写成： 曼：墨一爿三二( 2 1 7 ) 由( 2 一1 7 ) 式可得： 一：( p 一只) 。坚 s 则( 2 1 0 ) 式又可写为： 融。) ：旦一( p 一只) 兰垡竺 srs ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 对( 2 1 2 ) 式进行拉氏变换并将( 2 一1 9 ) 式代入整理得： 西( r , s ) 一4 ：r k a ( p 一只) ( 三些里) p 一岳 r - 们 ( 2 2 0 ) “j 则在r = a 处进入球形孔眼流量的拉氏变换为： 百o ) ：酉 ，。) ：兰型里( 只一只) ( 三巫) “s 对( 2 - 1 9 ) 式、( 2 - 2 0 ) 式分别进行拉氏逆变换，则分别可得： ，= 等c 眦，t 咖浮+ 辱唧卜华， p c r ，r ，：只一c p 只，等c e 咖至互；莩， ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 西安石油大学硕十学位论文 若t ) ) e t ( r 一“) 2 ，则( 2 - 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 式可简化为： q ( ，f ) 一4 n k a ( r 一只) 弛f ) ：p 一盟 ， ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) i i 如果在压降期间，在半径f = a 的球形孔眼处的流量q ( n ，f ) = q 为常量， 则百( 。) ：里，根据方程( 2 1 5 ) 有： 配。) ：墨一丝= 兰 ( 2 2 6 ) 一j s4 册k s ( 1 + j 。c s 乱 对( 2 2 6 ) 式进行拉氏逆变换可得： 附，垆只一黑坳j 孕p c j 孕剧t 吲罕+ 压， t a t ，则( 2 - 6 2 ) 式可近似表示为： p ( 归只一篇t n 去2 只也，n 去 而关井时间又较短，即 ( 2 6 7 ) 若考虑油井是不完善井，且由( 2 6 5 ) 式可知：对于压力恢复试井，在关 西安石油大学硕十学位论文 井的瞬问即a t = 0 时，其井底压力为： ，斗器( i n 2 2 4 5 + i n t + i n 觚k c k ：埘) 2 只一m 。( 。8 。8 7 + l n r + l n i k ：享；了+ 2 s ) 将平面径向流压力恢复曲线直线段延伸町以读出a t = l s 值p 。c 。并代入( 2 - 6 7 ) 式，即： 只( ，：= 只一m 。i n t 将( 2 - 6 8 ) 式、( 2 - 6 9 ) 式联立可求得井筒表皮系数s ： ( 2 6 8 ) 时的井底压力 ( 2 6 9 ) d 2 鳖m 等地善c u c , r 。一s ， ，。， i ， ，2 l 2 1 2 修正的半球形流动方法 修正的半球形流动方法是一种压力不稳定数据解释的方法，该理论基 于几何因子的概念，等效于压降、稳定流量和压力恢复数据。它跟其它方 法相比降低了数据的敏感性，对于低渗油藏测试不再需要长时间的压力恢 复数据，在压力与流量图分析的基础上，易得出近井地带渗透率和原始地 层压力。 半球形流动的几何形状的使用条件是与探测器末端接触的地层中必须 有半球形空隙，探针的半径等于封隔器的内半径，并且需要有一个垂直于 探针轴线的无流动边界的无限大( 除了探针和半球形空隙) 平面。为了避免 这些流动几何形状的差异，引入了几何因子g 。，是通过修正的半球形流动 几何形状计算而来的。”。这样既不需要地层中有空隙，也不需要把探针布 满整个无限平面。这个流动模型成功地用于整块岩心、岩心切片和露头岩 层的渗透率的测定。当流体等温稳定流动，且忽略惯性内部流动阻力时， 将这个修正的半球形流动几何形状代入达西方程得： 西安石油大学硕士学位论文 一k g 。l ( 只一# ) gr 2 2 2 1 o “ ( 2 - 7 1 ) 式中：q ，一从地层流入探测器的体积流量，m 3 s ；探头封隔器口半径，i n ； g t ，一无因次量，代表因子2 丌，它适用实际的半无限大、半球形流流动模型。 对于微可压缩流体，压力瞬变理论町以用等温压缩系数的定义。”j 来表 达，即： c ，：士婺 ( 2 吼) 1 。犯 、。 式中：l 。是包括探测器、流动管线和压降室在内的测量系统的体积。导数 篇 是测量系统中充满流体时，随着压力恢复过程中压力的增加或者瞬时 流体占据体积的增大而引起的液体体积的减少量。蚓。充满测量系统( 由探测 器、流动管线和压降室组成) 的液体体积的增加量或减少量应等于通过探针 而流进该系统的体积。考虑变量