动态井筒-储层耦合模型分析水平油井三相分异主导的压恢数据

《Petroleum Research》：A dynamic coupled wellbore-reservoir model to analyze pressure buildup data dominated by three-phase segregation in a horizontal oil well

　　

摘要专业翻译 井筒内多相流的相分异（phase segregation）使压力恢复试井（pressure buildup test）的分析复杂化，并可能导致大量产水。本研究针对伊朗南部Burgan组一个薄油藏展开调查，该油藏以砂岩储层和复合边底水水体（composite edge-bottom-water aquifer）为特征。在油井的压力恢复测试过程中，井筒内油、气、水三相分异影响了压力恢复趋势，从而使诊断图（diagnostic plots）上的恢复试井解释复杂化。研究人员采用动态耦合井筒/储层模型（OLGA-ROCX）模拟相分异、井筒内滑脱速度（slip velocity）以及井筒与储层之间的流体交换。研究结果表明，井筒内的三相分异以及积聚在井筒底部的液柱动态回流至储层，显著影响了恢复测试期间的实测压力。模拟结果显示，分异的持续时间及井筒内相态位置可通过井口压力计（wellhead pressure gauge）处压力-时间图上斜率的变化加以识别。在识别出井筒储集效应（wellbore-storage effect）结束后，通过将解析解应用于压力和压力导数诊断图，可准确确定渗透率。在模拟恢复测试中，研究人员考察了储层渗透率、井身剖面长度与井斜角、裸眼几何形态、完井方式以及井筒内压力计位置对井筒储集效应持续时间的影响。此外，将模拟结果与油井现场恢复测试进行对比，二者吻合良好。本研究表明，在井下恢复测试期间对井口压力计数据进行实时记录与分析，可显著有助于识别相态位置以及井筒储集效应结束的时间。

论文解读文章

一、研究背景与问题

瞬态压力测试是评价储层和井筒特性的广泛采用的技术手段。该技术通过人为改变油井流量并记录随时间变化的压力响应来实现评价目的。准确解释实测数据需要将真实储层响应与井筒内部效应区分开来，其中井筒储集效应是最常见的干扰因素，而当井筒内存在多相流动时，可能出现更为复杂的行为。

早在1958年，Stegemeier等人通过现场观测发现，在具有显著表皮系数和中等渗透率的油井中，气液相再分布可导致压力恢复响应出现异常“驼峰”现象。Fair于1981年首次对恢复分析中的相再分布效应进行了数学处理，但该模型未能解释表观储集系数的减小。Hegeman等人于1993年对Fair模型进行了修正，证明相再分布可增强或减弱井筒储集效应，但其中潜在的物理机制仍未得到充分阐明。此后的研究虽然增进了对分异和非理想储集行为的理解，但主要集中于单一机制，未能全面解决三相再分布如何在动态耦合水平井系统中影响压力恢复解释的问题。

近年来，动态耦合井筒-储层建模在多相系统中的重要性日益凸显。多项研究证实，复杂井的压力瞬态行为若未明确考虑储层与井筒之间的动态相互作用，则无法得到准确解释。然而，这些研究主要论证了耦合本身的必要性，并未专门解决关井期间三相分异如何改变水平油井压力恢复特征的问题。

水平井中该问题的复杂性进一步放大：瞬态响应不仅受井筒储集和分异影响，还可能受到多相流动、井间干扰和结构复杂性的共同作用。此外，压力计安装深度是恢复解释中的另一个关键因素。现场数据表明，压力计位置显著影响记录的压力响应，特别是在发生相分异时。更值得关注的是，产水量增加的油井中水、油、气在井筒内共存，并在关井后与储层动态相互作用，这要求准确理解油水之间的滑脱行为。然而，现有的大多数非理想井筒储集模型局限于两相系统、气井、凝析气藏或裂缝主导的应用场景，无法为水平油井中水、油、气同时分异的压力恢复响应提供全面的解释框架。

本研究正是针对这一关键空白，通过开发动态耦合井筒-储层模型，系统研究三相分异主导下的压力恢复数据分析问题。

二、研究内容与意义

本研究针对伊朗南部海上油田Burgan组薄油藏，该油藏以砂岩储层为主，具有明显的渗透率各向异性，平均孔隙度约18%，渗透率变化范围为5至4000 mD，各向异性系数约0.2，束缚水饱和度约15%。油层厚度约30 m，多数水平井采用筛管完井的裸眼方式，裸眼段长约600 m。随着开发进行，许多油井逐渐出现产水问题，部分油井含水率接近60%，给生产管理带来严重挑战。

研究采用动态井筒模拟器OLGA和近井储层模拟器Rocx进行隐式耦合，构建了完整的井筒-储层动态模型。该模型能够模拟三相气-油-水在井筒内的瞬态流动、相分异、滑脱速度以及井筒与储层之间的流体交换，包括关井期间井筒底部积聚水柱回流进入储层的现象。通过模拟压力恢复测试，研究人员系统考察了储层渗透率、井身剖面长度与井斜角、裸眼几何形态、完井方式以及压力计安装深度对井筒储集效应持续时间的影响，并通过现场三口油井的实测数据对模型进行了验证。

研究结果表明，三相分异显著延长了表观井筒储集期并扭曲了早期诊断流态。对于薄油藏和长裸眼水平井，前两个流态受分异效应影响而无法可靠解释，而第三个流态即水平径向流提供了最可靠的压力瞬态解释和储层表征区间。井口压力数据斜率的变化可作为识别主要分异期和井筒储集主导行为结束的实际判据。该研究为三相分异条件下水平油井压力恢复数据的解释提供了更符合物理实际的框架，对现场试井设计和解释具有重要指导意义。

三、主要关键技术方法

研究人员采用的关键技术方法包括：其一，动态井筒模型OLGA，该模型为三流体模型，通过求解五个质量守恒方程、三个动量守恒方程和一个能量平衡方程，模拟井筒内瞬态三相气-油-水流动，涵盖分层流、环状流、分散泡状流和段塞流等流态；其二，近井储层模型Rocx，模拟多孔介质中的三相达西流动，采用全隐式牛顿-拉夫森迭代法求解三维流动方程；其三，井筒与储层的隐式耦合技术，储层模型计算产量对井筒压力的敏感性系数并传递给井筒模型，实现动态交互；其四，解析解方法，包括垂直径向流、水平线性流和水平径向流三种流态的解析公式，用于验证模拟结果并确定渗透率；其五，误差评价指标（MAE、RMSE、NRMSE）用于量化模拟与实测数据的一致性。样本数据来源于伊朗南部海上油田的39口井完井数据，选取三口代表性油井NR-24、NR-17和NR-29进行现场验证。

四、研究结果

4.1 模拟验证

研究人员首先对不含水的油井进行了模拟压力恢复测试，结果表明从模拟试井压力图推导的渗透率与储层模型中使用的渗透率完全一致，验证了计算设置和网格划分的合理性。误差分析显示，模拟压力恢复响应与解析解之间具有良好的一致性。

4.2 三相分异对压力恢复的影响

在含水率较高的油井中，关井后井筒内发生显著的三相分异过程。模拟结果表明，关井后第一小时内气油相完全分异；1至7小时之间发生油水分异，伴随井筒水回流至储层；7至50小时水回流持续进行；50至70小时裸眼段底部残余水返回储层；70小时后压力恢复恢复正常。在对数-对数压力和压力导数图中，受相分异和水回流影响的时段无法解释，仅从第70小时起水平径向流阶段有效，可用于估算K_xy。

4.3 压力计位置敏感性

在水平井中，井身剖面偏差和操作限制阻碍了压力计在井底的精确放置。敏感性分析表明，压力计越接近井底，相分异噪声和水回流对压力上升图的影响越小。井口压力-时间图能有效指示井筒内水、油、气相态的位置和时序。

4.4 储层渗透率的影响

对渗透率分别为20、30、50、100和2000 mD的情况进行模拟，结果表明低渗透率对应更长的非理想井筒储集效应持续时间。渗透率为20 mD时非理想井筒储集效应约70小时结束，100 mD时约15小时结束。

4.5 井身剖面长度与井斜角的影响

在渗透率均为200 mD的条件下，剖面长度3090 m、井斜角0度的油井井筒储集效应约13小时结束，而剖面长度3750 m、井斜角45度的油井约57小时结束。井身剖面长度和井斜角的增加延长了相分异和水回流的时间。

4.6 裸眼几何形态的影响

模拟对比了线性裸眼剖面和波浪形裸眼剖面的水平井。结果表明线性裸眼剖面中井筒储集效应持续时间较短。波浪形裸眼段内微小的标高变化导致三相局部积聚，形成不对称的流体分布，显著延长了井筒储集效应。

4.7 现场验证

选取三口代表性油井进行验证：NR-24井（零含水率，剖面长度3136 m，井斜角43°）实测渗透率为20 mD，模拟与实测压力恢复响应高度吻合；NR-17井（剖面长度3080 m，零度井斜角，日产油830桶、日产水360桶）井口压力-时间图显示井筒储集效应持续约35小时，对应渗透率30 mD，模拟结果与实测数据吻合良好；NR-29井（剖面长度3750 m，井斜角45°，油水日产量各1250桶）井筒储集效应约8天结束，模拟渗透率35 mD，与实测分析结果一致。

五、结论

本研究开发了集成动态井筒-储层模型，用于分析经历气、油、水三相分异的水平油井压力恢复行为。模拟结果表明，气油分异主导关井后的初始阶段，随后过渡到油水分异和井筒水逐渐回流至储层的过程。三相分异显著延长了表观井筒储集期并扭曲了早期诊断流态。对于薄油藏和长裸眼水平井，前两个流态受分异效应影响无法可靠解释，而水平径向流提供了最可靠的解释区间。从操作角度看，在经历三相分异的水平油井恢复测试中，同时使用井下和井口压力计可增强对井筒储集结束的识别，并提高对压力记录中可解释区段选择的信心。模拟井口压力与存储式压力计观测之间的强相关性进一步支持了该模型在实际应用中的可靠性。当前模型假设裸眼段渗透率均匀，未明确考虑压裂水平井或显著储层非均质性，未来工作应纳入裂缝效应和空间分布压力测量或生产测井数据。