一種預(yù)測(cè)水平井井筒溫度剖面的新方法.docx

1、復(fù)雜油氣藏笫10卷第3期ComplexHydrocarbonRcsenoirsdoi：10.16181/j.enki.fzyqc,2017.03.008一種預(yù)測(cè)水平井井筒溫度剖面的新方法張銳鐸，段永剛，蔡建君（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院.四川成都610500）摘要：通過解兼分布式光纖溫度傳感囂（DN）實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度和壓力數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)井底流動(dòng)情況的真實(shí)還原，水平井井筒溫度預(yù)測(cè)模型是解釋測(cè)試資料的基獨(dú)。從油藏滲流規(guī)律和井筒流動(dòng)機(jī)理出發(fā)，以流體物質(zhì)平衡方程、動(dòng)量守恒以及能量守恒為去礎(chǔ)，以均質(zhì)油藏中心的一口水平弁為研究對(duì)象.建立福合油藏和井筒模型的水平井熱模型.隨之迭代求解出特定條件下水平井井簡(jiǎn)

2、的溫度和壓力剖而，在模型求解的基礎(chǔ)上分析了產(chǎn)油下水平井井簡(jiǎn)溫度的敏感性因素。研究結(jié)果表明：不同流量、不同滲透率以及不同類型流體對(duì)油藏溫度分布均有明顯影響“對(duì)于產(chǎn)單相油的水平井，井筒流入溫度剖面與流量剖面以及表皮因子相關(guān)，產(chǎn)油量越大或者表皮因子起大,在近井帶會(huì)引起更大的壓力變化.由焦耳湯姆森效應(yīng)作用進(jìn)而使得井筒溫度升高。關(guān)鍵詞：水平井DTS非筒熱模型溫度割面耦合模型中圖分類號(hào):TE331.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAnewapproachforpredictingboreholetemperatureprofileofhorizontalwellsZhangRuiduo,DuanYonggang,CaiJ

3、unjun(PetroleumandNaturalGasEnftineeringInstituteofSouthu.estPetroleumUniivrsity.Chengdu610500.China)Abstract:Distributedtemperaturesensing(DTS)cansupplytherealtime,continuousandaccuratetemperatureandpressuredataforhorizontalwells.SoitispossibleIoactuallyrestoredownholeflowingstatustlinmgliinteqirel

4、ationofthereallimetemperatureandpressuredatameasuredbyDTS.Accordingtoresenoirpercolalionlawandwelllwireflowtneclia-nism,onthebasisofmaterialbalanceequation,monicnhunbalanceequation,andenergybalanceequation,takingahorizontalwellinthecenterofhoinogcneityreservoirastheresearchobject,itwasestablishedath

5、cnnalmodelofhorizontalwellcoupledthemodelofreservoirandwell.Andthenthetemperatureandpressureprofilesofwellboreunderspecificconditionwereresolvedbyiterativecalculation.Onthisbasis,sensitivityfactorsofwelllx)retemporallirewereanalyzedundertheconditionsofoilproduction.Theresultsshowedthatflowrate,penne

6、abilityandtypesoffluidhaveobviouseffectonthetemperaturedistributionofreservoir.Forhorizontalwellunderconditionofpure-oilprcxhiction,theinflowteinfjcratureprofileofwellboreisassociatedwiththeflowprofileandtheskinfactor.Thegreatertheoilproductionortheskinfactoris,thegreaterthepressurechangeinthenearwe

7、lllx)rezoneis.Thusthewelllx)rctemperaturerisingiscausedbytheJoule-Thomsoneffect.Keywords：horizonlalwell；DIS；welltliennalmodel；tempera!ureprofile；couplingmodel在過去的兒十年里，水平井技術(shù)廣泛應(yīng)用于油氣田開發(fā)中。在水平井開采過程中，部分水平井含水上升快，產(chǎn)量下降快.高含水間題凸現(xiàn)嚴(yán)重，諸多水平：井問題的治理亟待解決，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)作為解決水平井問題的一項(xiàng)重要技術(shù)手段而備受關(guān)注。由于井底流動(dòng)的復(fù)雜性，使用傳統(tǒng)工具對(duì)水平井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控非常困難。

8、近些年，以分布式光纖溫度傳感器（DTS）為代表的井底永久傳感器技術(shù)得到K足發(fā)展。通過分布式光纖傳感技術(shù)可以獲得連收稿日期：2017-02-28；改回日期：2017-05-04o作者簡(jiǎn)介:張銳鐸（1991一），碩士研究生.主要從事油氣滲流理論及油氣藏工程研究。E-mail:zhangruiduoe*pu。科研項(xiàng)目:國(guó)家重大科技專項(xiàng)（201lz司5026-001-07）。續(xù)、準(zhǔn)確的溫度壓力數(shù)據(jù)，解樣DTS實(shí)時(shí)測(cè)雖的數(shù)據(jù)有助于還原流體在水平井井底流動(dòng)的立實(shí)狀態(tài)。研究水平井井筒溫度模型是正確解釋水平井溫度與壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。水平井井筒溫度模型與直井（斜井）溫度模型的主要差別在于，在地溫梯度的作用下,

9、沿直井（斜井）井筒的溫度變化主要受井筒內(nèi)流體與地層之間能鼠交換的影響“因此，以流體熱膨脹效應(yīng)及熱粘滯擴(kuò)散為代表的微最熱效應(yīng)可以忽略不汁。但是，地層溫度變化對(duì)水K井影響較小，微量熱效應(yīng)不能忽略。1962年，Ramey、提出了預(yù)測(cè)油井井筒溫度分布的經(jīng)典方法，并首次提出了綜合傳熱系數(shù)的概念，國(guó)外學(xué)者以該方法為基礎(chǔ)建立r不同的計(jì)算模型。國(guó)內(nèi)通過井筒傳熱求取井筒流體溫度剖面的研究起步較晚，多是在國(guó)外學(xué)者的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。綜上所述，隨著光纖溫度傳感器在石油行業(yè)的廣泛應(yīng)用，目前成熟的研究成果和商業(yè)軟件無法對(duì)水平井井筒的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行正確解釋,因此亟需建立新的井筒溫度解釋模型對(duì)所測(cè)的井筒數(shù)據(jù)進(jìn)行正確解釋以獲取相

10、應(yīng)的井下信息。本文結(jié)合油藏滲流理論及井筒流動(dòng)機(jī)理，設(shè)定均質(zhì)油藏中心的一口水平井為研究對(duì)象，以物質(zhì)平衡方程、動(dòng)最守恒以及能跟守恒為基礎(chǔ)，建立了耦合油藏和井筒模型的水平井熱模型。通過求解數(shù)學(xué)模型，獲得了水平井井筒的溫度，并分析了產(chǎn)油量、表皮因子等因素對(duì)井筒溫度剖面的影響。I數(shù)學(xué)模型在水平井生產(chǎn)過程中，流體首先從油藏流動(dòng)到井筒，這一流動(dòng)過程為多孔介質(zhì)滲流;之后再由井筒流入到井底，這一流動(dòng)過程為管流.這兩種流動(dòng)都遵循質(zhì)最守恒方程、動(dòng)最守恒方程以及能易守恒方程。由于上述方程的約束，在油藏流動(dòng)和水平井井筒流動(dòng)過程中，油藏壓力和井筒壓力會(huì)發(fā)生一系列變化。此外，控制流體溫度的各種機(jī)理，例如：焦耳湯姆森效應(yīng)、絕

11、熱膨脹、粘滯擴(kuò)散都將會(huì)引起溫度場(chǎng)的變化。由于水平井溫度預(yù)測(cè)問題本身的復(fù)雜性,本節(jié)在考慮以上所描述的各種機(jī)理的情況下建立了油藏流動(dòng)模型和水平井井筒模型。1.1油藏模型建立在正常的生產(chǎn)條件R流體在多孔介質(zhì)中的滲流引起的地?zé)釋⒋蚱圃加筒販囟确植?，?dǎo)致溫度差異。這些溫度變化往往在垂直井建模中被忽視了，但這一因索在水平井溫度建模中卻不可忽視，因?yàn)樵谘氐貙铀椒较虻牡責(zé)嵩紲囟葞缀鯖]有變化。因此，為r建立水平井預(yù)測(cè)模型（正演模型），需要建立基于油藏流動(dòng)的油藏溫度模型，進(jìn)而求解油藏的溫度分布。1.1.1油藏流動(dòng)模型在油藏滲流場(chǎng)中取一微小六面體單元，單元體的長(zhǎng)度為白尤,寬度為Ay,高為流體在丸、y、z三個(gè)方

12、向上的速度分別為虬、,、虬，流體密度為p,那么在A/時(shí)間內(nèi)，隊(duì)y、z三個(gè)方向上微小六面體單.元流入和流出的質(zhì)量可以確定。其流動(dòng)方程為：1.1.2油藏溫度模型油藏中除r井筒的任意體積單元速率,能鼠產(chǎn)生速率均為0。油藏能量守恒方程為：-*【巾時(shí)（N+g。）+（1-叫s=（凡+g。）-（/）（2）I式中，下標(biāo)i表示流體相，s表示巖石，為內(nèi)能，。為深度,5為飽和度,為憐,孔為總熱量傳導(dǎo)率,4為任意體積單元表面積。根據(jù)修和內(nèi)能的定義，對(duì)式（2）進(jìn)行整理，可得油藏的溫度方程：vrd（kSlPlT）3T1-巾況Jiri+?（械出7譬）=21（&/）+gLiVpi-g&r（扁Vpi）+初布V（gD）（3）式（

13、3）共包含7項(xiàng)，其物理意義為:左邊第1項(xiàng)是能量堆積項(xiàng)，第2項(xiàng)是由于壓力隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)。右邊第1項(xiàng)是熱對(duì)流項(xiàng)，第2項(xiàng)是熱傳導(dǎo)項(xiàng)，第3項(xiàng)是熱粘滯擴(kuò)散，第4項(xiàng)是壓力變化引起的熱膨脹，最后I項(xiàng)是表示勢(shì)能變化量。匕為總熱傳導(dǎo)率，在求解過程中，可以當(dāng)作常數(shù)。1.2井筒穩(wěn)態(tài)模型1.2.1井筒流動(dòng)模型在穩(wěn)態(tài)條件下，密度與時(shí)間的變化無關(guān),因此穩(wěn)態(tài)條件下水平井井筒的質(zhì)鼠守恒方程為：崢）_垃（4）dx-RP曲y表示井筒打開程度,y井筒打開面積異筒總表面積根據(jù)動(dòng)鼠守恒方程，穩(wěn)態(tài)條件下的時(shí)間項(xiàng)導(dǎo)數(shù)為0,并忽略速度的二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，可得井筒壓力方程：dpPfu：d（p,）耕-dx一-陌曲）（5）對(duì)于水平井，Ou

14、yang等建立了摩阻系數(shù)模型,模型指出摩擦系數(shù)與流體在井筒中的流態(tài)有關(guān)。1.2.2 井筒溫度模型基于能量守恒公式，忽略井筒中流體之間的熱傳導(dǎo)。假設(shè)井筒中的流體是一維穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài),由單相井筒能量守恒方程擴(kuò)展至多相井筒能量守恒方程，并忽略動(dòng)能和粘性剪切項(xiàng).井筒中溫度的最終表達(dá)式為：_（pMU）Tdp2S.i（t_td*（pi；Cp）TdxR（pzCp）T（伊Cp）T召/XX可5下標(biāo)T表示總的流體相,0T表示總傳熱系數(shù)。1.3油藏井筒耦合模型建立1.3.1油藏及井筒流動(dòng)假設(shè)條件假設(shè)一口水平井完全穿透一個(gè)矩形形狀的均質(zhì)油藏，該油藏被劃分為若干段。耦合的油藏和井筒模型將做以下假設(shè):油藏側(cè)外邊界為封閉邊界

15、，油藏流體只在Y和Z方向流動(dòng)，水平井井筒內(nèi)的流動(dòng)僅在X方向；劃分的每個(gè)油藏段之間相互獨(dú)立,旦在X方向沒有流體流動(dòng);每個(gè)油藏段僅生產(chǎn)單相流休，井筒的多相流動(dòng)是各種油藏段生產(chǎn)不同單相流體組合的結(jié)果。1.3.2 耦合過程假設(shè)條件為了將油藏溫度模型和井筒溫度模型耦合在同一網(wǎng)格中.做出以下假設(shè):網(wǎng)格內(nèi)油藏的溫度和壓力作用于有效半徑處。采用Peaceman模型求取有效半徑，其表達(dá)式如下：n笊，嚴(yán)（明）2+（匕/化之（明）2*.（&/）25+（,）25（7）假設(shè)條件:流入井筒中的流體是徑向流;在油藏與井筒耦合網(wǎng)格中，滲透率是各向同性和同質(zhì)的;在同一時(shí)步內(nèi)，溫度和壓力都是穩(wěn)態(tài)的；在同一網(wǎng)格中，流體性質(zhì)不變;毛

16、管力以及直力的影響忽略不計(jì)。1.4油藏井筒耦合模型求解1.4,1油藏與井筒連接由于在油藏與井筒相互連通的井段存在流體流動(dòng)，因此需要考慮連通處流體與油藏之間的熱鼠交換。從有效半徑至井筒的壓力分布方程為：(8)gSCpi”,)d/rdr將油藏溫度模型（3）簡(jiǎn)化為徑向穩(wěn)態(tài)方程：斧呻標(biāo)）*+神）半丁=膈,r=rctt(9)(10)If-兒），r=rw（11）dTrdr+*ar人島將方程（9）和（11）代入方程（8）,整理得到一個(gè)二階常微分溫度方程：斗l）-KTiMi/rMi孚)=0(12):式（13）為該方程的通解，在溫度解中當(dāng)r=rw時(shí)可以得到油藏與井筒連通處的油藏的流入溫度。T=crnl+2+b（

17、13）油藏與井筒未聯(lián)通在油藏與井筒未連通的地方，油藏與井筒之間流體的流速為0,耦合網(wǎng)格的溫度二階常微分溫度分布方程變?yōu)椋恨郏ㄊ刹贰?14)在溫度解中將取成，即可得到油藏與井筒未連通處的油藏流入溫度。1.5求解步驟在建立好油藏和井筒的耦合模型后，便W以求解油藏和井筒的溫度剖面。具體的求解步驟為：1）根據(jù)油藏流動(dòng)模型，求解油藏的壓力分布;2）在油藏溫度模型的求解過程中引入油藏壓力分布，求解油藏溫度分布;3）將井筒進(jìn)行離散化處理，利用水平井井筒壓力模型求解井筒壓力分布;4）耦合求解油藏溫度和井筒壓力模型計(jì)算油藏流入溫度初值,迭代更新井筒溫度分布與油藏流入溫度分布，直至達(dá)到收斂條件。2水平井井筒溫度影

18、響因素分析在水平井井筒產(chǎn)出流體為油的溫度剖面影響因素分析中，考慮水平井為裸眼井。為研究井筒產(chǎn)油時(shí)的溫度剖面影響因素，建立了一個(gè)水平井井筒機(jī)理模型。通過設(shè)定一系列的生產(chǎn)指標(biāo)變質(zhì)，求得不同生產(chǎn)指標(biāo)變鼠下對(duì)應(yīng)的一系列井筒溫度剖面，最后比對(duì)井筒溫度剖面,進(jìn)而分析溫度剖面影響因素，圖1溫度壓力變化量與產(chǎn)量關(guān)系-*-Q=205/dQ=22m/d0=24nf/dT*-0=26mVd-Q=287dQ=30m7d圖2井簡(jiǎn)溫度分布與產(chǎn)量關(guān)系找出影響水K井井簡(jiǎn)溫度剖面的主要原因.藏條件下的原油比熱容為2194.0J/(kg.r)o模2.1機(jī)理模型參數(shù)型中設(shè)定水平井生產(chǎn)制度為定產(chǎn)后生產(chǎn):產(chǎn)鼠為24建立的機(jī)理模型所需的

19、基礎(chǔ)參數(shù)見表機(jī)理m3/do所有參數(shù)準(zhǔn)備好后.，可以通過1.5的流程迭模型的流體為單相黑油。原油密度為850kg/m油代計(jì)算求得油藏和井筒溫度分布。表1機(jī)理模型基本參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值油藏埋深/m2000總熱傳導(dǎo)系數(shù)/(W(mT)r)3.46初始油藏溫度/無82油藏大d/Cinxinxin)600x890x10初始油藏壓力/MPa28.5網(wǎng)格數(shù)房60x89x10滲透率/103itm220水平井長(zhǎng)度/m600油藏厚度/m10井徑/m0.1原油密度/(kg-mJ)850井壁相對(duì)粗槌度0.01原油比熱容/(J(收*)*)2194外徑/m0.08892.2井筒溫度分析2.2.1產(chǎn)油量通過設(shè)定-組產(chǎn)油噠變

20、化值.本模型設(shè)置水平井產(chǎn)油量范圍為20-30m7d,町以求解到一組對(duì)應(yīng)不同產(chǎn)油量的水平井井筒最大溫度變化值和最大壓力變化值(如圖Do由圖1可以直觀地看出,在只有產(chǎn)油危變化的情況下，水平井的井簡(jiǎn)溫度變化幅度明顯大于井筒壓力的變化幅度.說明相對(duì)于井筒壓力.井筒溫度對(duì)產(chǎn)量的變化更為敏感。其原因是井筒中的焦耳湯姆森效應(yīng)以及油藏與井筒的熱對(duì)流作用放大r溫度變化的效果。不同產(chǎn)油量卜,的水平井井筒溫度剖而見圖2。由圖2可以看出，較高的產(chǎn)油量對(duì)應(yīng)著較高的水平井井筒溫度分布，說明水平井產(chǎn)油雖越大,從地層中帶到井簡(jiǎn)的熱值就越高。2.2.2 滲透率模型中設(shè)定水平井產(chǎn)油量為24n/d.地層滲透率變化范圍為(10-25

21、)x10。nA其對(duì)應(yīng)的井筒的溫度分布剖面見圖3。由于焦耳湯姆森效應(yīng)的作用.高地層滲透率會(huì)引起較低的井筒流入溫度.進(jìn)而井筒溫度也會(huì)隨之較低。由圖3町以直觀看出.高地層滲透率對(duì)應(yīng)的整個(gè)水平井井筒溫度都比低地層滲透率對(duì)應(yīng)的井筒溫度低。地層滲透率越高.整個(gè)井簡(jiǎn)溫度降低幅度減弱.在圖上表現(xiàn)為卜部曲線間隔較小.其原因是邊界溫度的控制作用。圖3井筒溫度分布與地質(zhì)滲透率關(guān)系2.2.3表皮因子除了水平井產(chǎn)量、地層滲透率等因素之外.水平井井筒溫度分布與表皮因子也有關(guān)系。表皮因子對(duì)壓力分布的影響主要集中在近井筒區(qū)域，而焦耳湯姆森效應(yīng)引起的溫度變化正比于壓力降因此.表皮0.0350.035S=0S=3.1S=12.4

22、2*S=27.950.0300.0250.0200.0150.0100.005與水平井中心/圖4不同表皮因子下的溫度增量-ka/k=0.03-kil/k=0.05-kt/k=Q.3050100150200250300350400450500550600與水平井根部的距離/圖5井筒溫度分布與污染區(qū)滲透率關(guān)系因子對(duì)溫度的影響也主要集中在近井筒區(qū)域”由圖4叩以看出，對(duì)于油藏而言，在相同的外邊界溫度下，近井筒區(qū)域表皮因子越大溫度升高更加明顯,由此產(chǎn)生的溫度增加會(huì)影響到流入溫度。因此，表皮因*越大，流入溫度越高。表皮因*有兩個(gè)表征量,一個(gè)是地層污染半徑婦，另一個(gè)是污染區(qū)滲透率如。這兩個(gè)物理量對(duì)水平井井筒

23、溫度均有較大的影響。研究表明:相同的污染區(qū)滲透率比，污染半徑越大,井筒中部溫度越高；相同污染半徑.污染區(qū)滲透率比越大，那么井筒中部溫度越低。由不同污染區(qū)滲透率比卜的井筒溫度分布圖(圖5)可以看出，在污染區(qū)半徑一定的條件R污染區(qū)滲透率比越小，整個(gè)井筒溫度越高。其原因是:污染區(qū)滲透率比越小,那么表皮因子將增加,從而增加了井筒附近的壓力降,最終引起井筒溫度的增加。3結(jié)論(1) 在油氣藏滲流機(jī)理及井筒流動(dòng)、傳熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了預(yù)測(cè)水平井井筒溫度的油藏與并筒的耦合模型，耦合模型考慮r油藏與井筒連通和未連通的情況。在油藏與井筒連通的情況下，考慮r表皮因子和非達(dá)西流動(dòng)對(duì)井簡(jiǎn)溫度的影響。(2) 通過分析產(chǎn)油水平井溫度剖面影響因素可知:產(chǎn)油所越大或者表皮因*越大，近井帶產(chǎn)生的壓力變化更大，由焦耳湯姆森效應(yīng)作用使得井筒溫度升高，通過溫度和壓力數(shù)據(jù)對(duì)比，溫度對(duì)于產(chǎn)屆和表皮因子的敏感性強(qiáng)于壓力。參考文獻(xiàn)：tn陳志海.底水油藏的水平井開發(fā)J.石油與天然氣地質(zhì),2000.21(3):214-219.2曾誠(chéng).壓裂水平井溫度剖面琪測(cè)模型研究I).西南石油大學(xué).2014.3RameyJrIIJ.Wrliborrhealtransmission|J.JournalofPdrolc*umTechnology,1962