: Phân tích tác động của đường kính sàng lọc giếng đến năng suất giếng khí ngang

Hệ thống màn hình lọc Vee-Wire – Thiết kế màn chắn giếng chống tắc

Tháng mười một 22, 2025

Mối quan hệ thủy động lực và kinh tế: Phân tích tác động của đường kính sàng lọc giếng đến năng suất giếng khí ngang

Việc khai thác khí tự nhiên từ các hồ chứa yêu cầu kiểm soát cát - thường là các thành tạo không được cố kết hoặc xi măng yếu - đòi hỏi phải triển khai các thiết bị lọc chuyên dụng., phổ biến nhất là hiệu suất cao dây nêm (Dây Vee) màn. Trong khi màn hình giảm thiểu thành công nguy cơ thảm khốc về sự sụp đổ đội hình và hư hỏng thiết bị, kích thước vật lý của nó, cụ thể là nó đường kính trong ( $D_i$ ), đưa ra một hạn chế đa vật lý phức tạp đối với năng suất cuối cùng của giếng. Xác định đường kính sàng lọc tối ưu trong giếng khí dài nằm ngang không chỉ đơn thuần là một bài tập hình học; Đây là một bài toán tối ưu hóa kinh tế và thủy động lực phức tạp đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa dòng chảy vào bể chứa ba chiều với dòng chảy ra hai pha có ma sát cao trong giếng khoan.. Các mô hình đơn giản thông thường, giả sử áp suất đồng đều dọc theo sức cản dòng chảy bên hoặc không đáng kể, thất bại thảm hại trong môi trường khí tốc độ cao, nơi khả năng nén và vận tốc vốn có của chất lỏng làm trầm trọng thêm sự tiêu tán năng lượng ma sát.

Con đường phân tích để giải quyết thách thức này nằm ở việc triển khai Phân tích nút (CÁI ĐÓ), một phương pháp kỹ thuật hệ thống mạnh mẽ cho phép mô hình hóa đồng thời khả năng cung cấp hồ chứa (Mối quan hệ hiệu suất dòng vào, quyền sở hữu trí tuệ) và hiệu quả vận chuyển giếng khoan (Mối quan hệ hiệu suất dòng tiền ra, OPR). Bằng cách điều chỉnh khung NA để tính đến đặc tính biên dạng gradient áp suất duy nhất của giếng khí dài nằm ngang được hoàn thiện bằng lớp lót có rãnh hoặc được sàng lọc, các kỹ sư có thể tính toán chính xác năng suất dự kiến của giếng đối với các đường kính ống sàng khác nhau. Cuối cùng, tính toán thủy lực chi tiết này được tổng hợp với chi phí vốn (VỐN) dữ liệu—cụ thể là chi phí của màn hình—và doanh thu gas dự kiến để xác định chính xác lợi nhuận tài chính đường kính màn hình tối ưu tối đa hóa giá trị hiện tại ròng trong suốt cuộc đời (NPV) của tài sản. Toàn bộ phương pháp tích hợp này cung cấp một phương pháp mạnh mẽ, phương pháp tiếp cận đã được xác thực tại hiện trường để giảm thiểu sự không chắc chắn vốn có của việc hoàn thiện giếng ngang phức tạp.

1. Câu hỏi hóc búa về giếng khí nằm ngang: Giới hạn vận tốc và âm lượng

Giếng ngang là trụ cột của sản xuất khí hiện đại, để lộ khoảng thời gian dài của bể chứa tới giếng và do đó tối đa hóa lưu lượng khí. Tuy nhiên, yêu cầu kiểm soát cát trong các thành tạo khí cố kết yếu buộc phải lắp đặt màn chắn, thường được bao bọc bởi một gói sỏi hình khuyên. Màn hình, trong khi cần thiết, giảm đường kính của ống dẫn dòng chính một cách hiệu quả so với việc hoàn thiện lỗ hở, buộc khí có tốc độ cao di chuyển qua một hình khuyên nhỏ hơn. Trong sản xuất khí, việc giảm kích thước này trực tiếp dẫn đến thách thức phân tích cốt lõi: mối quan hệ giữa vận tốc chất lỏng cao và giảm áp suất ma sát.

Vật lý của tổn thất ma sát trong dòng khí

Khác với dòng chất lỏng, nơi mật độ chất lỏng và độ nhớt vẫn tương đối ổn định, dòng khí rất nhạy cảm với sự thay đổi áp suất và vận tốc. Tốc độ dòng chảy thể tích ( $q_v$ ) khí tăng lên đáng kể khi áp suất giảm. Do dòng chảy chủ yếu là một chiều dọc theo mặt cắt ngang dài, tổng tốc độ dòng chảy tích lũy dần dần về phía gót chân (phần cuối gần với phần dọc nhất). Do đó, vận tốc chất lỏng ( $v$ ) cao nhất ở gót chân, nơi có áp suất thấp nhất, tạo ra một sức ảnh hưởng đáng kể và thường chiếm ưu thế gradient áp suất ma sát ( $\Delta P_f / \Delta L$ ).

Sự mất mát ma sát này có nghĩa là áp suất bên trong màn hình giảm đáng kể từ chân (phía xa) đến gót chân. Sự chênh lệch áp suất này là cơ chế cơ bản quyết định sự đóng góp của dòng chảy không đồng đều dọc theo mặt bên.: gót chân chịu sự sụt giảm áp suất trong giếng cao nhất và do đó mức giảm áp suất tại bể chứa thấp nhất, đóng góp ít dòng chảy hơn ngón chân. Hiện tượng này, được gọi là “hiệu ứng từ gót chân đến ngón chân,” là nguyên nhân chính dẫn đến hiệu suất dưới mức tối ưu của các giếng khí dài nằm ngang.

Đường kính trong của màn hình ( $D_i$ ) là biến chính kiểm soát hiệu ứng này: nhỏ hơn $D_i$ dẫn đến tốc độ khí cao hơn ( $v \propto 1/D_i^2$ ) và, Điều quan trọng, tổn thất áp suất ma sát ( $\Delta P_f \propto v^2$ ), tạo ra độ dốc giảm áp suất dốc hơn và do đó hiệu ứng từ gót chân đến ngón chân nghiêm trọng hơn, hạn chế đáng kể tổng năng suất giếng. Thách thức kỹ thuật là, vì thế, để mô hình hóa việc ghép dòng phức tạp này một cách chính xác.

2. Lập mô hình mối quan hệ hiệu suất dòng tiền vào (quyền sở hữu trí tuệ) ở dạng 3D

Giai đoạn đầu tiên của Phân tích nút là thể hiện chính xác khả năng cung cấp khí vào giếng của hồ chứa—IPR. Đối với giếng ngang dài, điều này phức tạp hơn đáng kể so với mô hình dòng hướng tâm đơn giản được sử dụng cho các giếng thẳng đứng. Hình dạng dòng chảy liên quan đến sự chồng chất ba chiều của các chế độ dòng chảy.

3Hình học dòng chảy D và hiệu ứng phi Darcy

Gần giếng ngang, dòng chảy chủ yếu là xuyên tâm, hội tụ về phía màn hình. Ở khoảng cách xa hơn từ giếng, dòng chảy ngày càng tăng tuyến tính hay hình elip, hội tụ về phía mặt phẳng ngang. Mô hình phân tích, chẳng hạn như những phương pháp bắt nguồn từ Joshi hoặc các phương pháp phần tử biên chuyên dụng, phải tích hợp các thành phần này để xác định áp suất I cần thiết để cung cấp một lưu lượng nhất định từ bể chứa vào mặt cắt ngang. Giả định tiêu chuẩn về áp suất đồng đều dọc theo mặt bên vốn đã sai vì nó không tính đến tổn thất ma sát được mô tả ở trên.. Thay vì, quyền sở hữu trí tuệ phải được tính theo từng đoạn dọc theo chiều dài ( $L$ ) của giếng.

Điều quan trọng, dòng khí trong các hồ chứa tốc độ cao phải chịu Hiệu ứng dòng chảy không phải của Darcy- một thành phần tổn thất áp suất do nhiễu loạn và lực quán tính cao gần giếng khoan. Mô hình Darcy truyền thống (mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ và giảm áp suất) không đủ. Sự giảm áp suất thực tế được mô tả bởi Phương trình Forchheimer, trong đó bao gồm một số hạng bình phương vận tốc:

\Delta P = a Q + b Q^2

Ở đâu $a$ đại diện cho độ nhớt (Darcy) thời hạn và $b Q^2$ đại diện cho quán tính (Không phải Darcy) thuật ngữ, Ở đâu $b$ là hệ số phi Darcy ( $\beta$ ). Trong giếng khí, hiệu ứng Non-Darcy này thường được phóng đại bởi chính phần cứng hoàn thiện. Dòng khí từ sự hình thành, thông qua các khe hở rất hạn chế của gói sỏi và các khe màn hình dây nêm, tạo ra nhiễu loạn cục bộ dữ dội và mất động lượng, tăng đáng kể độ giảm áp suất ở mặt cát ( $\Delta P_{skin}$ ). Đây là sự sụt giảm áp suất ở cường độ lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán IPR và phải được tích hợp vào yếu tố bề mặt tổng thể.

Tổng khả năng cung cấp hồ chứa ( $Q_{reservoir}$ ) là tổng tốc độ dòng chảy từ tất cả các đoạn rời rạc dọc theo chiều dài ngang, với sự đóng góp của mỗi phân khúc phụ thuộc vào mức rút vốn cục bộ của nó, được xác định bởi áp suất bên trong màn hình tại vị trí phân đoạn cụ thể đó.

3. Phân tích hiệu suất dòng tiền ra (OPR) và tổn thất ma sát

Mối quan hệ hiệu suất dòng tiền ra (OPR) mô hình áp suất cần thiết để vận chuyển lượng khí tích lũy từ ngón chân đến gót chân và lên ống lên bề mặt. Với mục đích tối ưu hóa đường kính màn hình, Thành phần quan trọng nhất của OPR là Độ dốc áp suất bên trong màn hình ngang ( $P_{screen}$ ). Sự thay đổi áp suất ( $\Delta P$ ) dọc theo bất kỳ đoạn nào của màn hình ngang có chiều dài $\Delta L$ là tổng của ba phân biệt, thành phần phi tuyến tính:

\Delta P_{total} = \Delta P_{friction} + \Delta P_{acceleration} + \Delta P_{coupling}

Thuật ngữ chiếm ưu thế: Mất áp suất ma sát ( $\Delta P_{friction}$ )

Sự giảm áp suất ma sát ( $\Delta P_{friction}$ ) là số hạng lớn nhất, tỉ lệ thuận với độ dài đoạn, bình phương vận tốc khối lượng, và Hệ số ma sát quạt ( $f_f$ ):

\Delta P_{friction} \propto f_f \frac{\rho v^2}{D_i}

Ở đây có liên kết vật lý trực tiếp đến đường kính màn hình ( $D_i$ ). Vì vận tốc ( $v$ ) tỉ lệ nghịch với bình phương đường kính trong ( $D_i^2$ ), sự giảm khiêm tốn trong $D_i$ có thể dẫn đến một sự quyết liệt, sự gia tăng phi tuyến tính trong tổn thất áp suất ma sát.

Hơn nữa, hệ số ma sát ( $f_f$ ) bản thân nó không phải là hằng số. Nó chịu ảnh hưởng của độ nhám bên trong ( $\epsilon$ ) của đường dẫn dòng chảy. Bề mặt bên trong của ống thép carbon tiêu chuẩn tương đối mịn. Tuy nhiên, màn hình Wedge-Wire vốn đã cứng hơn do có các thanh đỡ bên trong, các cạnh của bọc Vee-Wire, và những khoảng trống nhỏ giữa dây và ống đế. Do đó, hệ số ma sát phải được điều chỉnh—sử dụng các mối tương quan tổng quát lấy từ biểu đồ Moody cho các ống dẫn gồ ghề—để thể hiện chính xác ứng suất cắt thành tăng cường bên trong phần được sàng lọc. Việc điều chỉnh này đảm bảo rằng độ giảm áp suất được mô hình hóa phản ánh các ràng buộc vật lý thực tế của phần cứng kiểm soát cát..

Điều khoản đóng góp khác: Tổn hao gia tốc và ghép nối

Giảm áp suất tăng tốc ( $\Delta P_{acceleration}$ ): Trong dòng khí, khi áp suất giảm dọc theo chiều dài, mật độ khí ( $\rho$ ) cũng giảm. Để liên tục khối lượng, vận tốc phải tăng (gia tốc). Sự tăng tốc này đòi hỏi năng lượng và dẫn đến giảm áp suất, góp phần tổn thất thứ cấp, điều này đặc biệt quan trọng ở phần gót chân nơi xảy ra sự giảm áp suất lớn nhất.
Mất áp suất khớp nối dòng chảy ( $\Delta P_{coupling}$ ): Khi chất lỏng đi vào màn hình từ bể chứa, nó chuyển từ dòng hướng tâm sang hướng trục, dẫn đến sự thay đổi đột ngột về động lượng và hướng. Sự nhiễu loạn khi đi vào này gây ra tổn thất áp suất xung lượng liên quan ( $\Delta P_{a}$ ), thường được mô hình hóa bằng hệ số thực nghiệm tính đến hình dạng và diện tích mở của các khe màn hình. Trong khi bản địa hóa, sự mất mát này là rất quan trọng vì nó quyết định hiệu quả dòng chảy vào tại bề mặt tiếp giáp của hồ chứa..

Khung Phân tích Nút phải được thiết kế để tính toán lặp lại ba thuật ngữ này cho từng phân đoạn nhỏ ( $\Delta L$ ) dọc theo chiều dài ngang, bắt đầu từ áp suất đã biết ở mũi chân và tích lũy tổn thất áp suất lên đến gót chân, từ đó tạo ra sự thật, phi tuyến tính Hồ sơ áp lực giếng khoan.

4. Phân tích nút tích hợp và tối ưu hóa kinh tế

Sức mạnh của Phân tích nút là khả năng tìm ra điểm vận hành duy nhất thỏa mãn cả công suất của hồ chứa. (quyền sở hữu trí tuệ) và khả năng của giếng (OPR) đồng thời. Đối với giếng khí ngang, sự tổng hợp này đạt được theo từng đoạn.

Khớp nối phân đoạn lặp đi lặp lại

Mô hình ghép đôi giải quyết tốc độ dòng chảy cân bằng ở mỗi đoạn ( $\Delta L$ ) bằng cách lặp lại cho đến khi lưu lượng tính toán vào đoạn sàng lọc từ bể chứa bằng với lưu lượng dọc trục được mang đi bởi giếng khoan.

Bắt đầu từ ngón chân: Giả sử một áp lực ( $P_{toe}$ ) ở phía xa của màn hình.
Tính IPR cho phân khúc 1: Xác định tốc độ dòng chảy ( $Q_1$ ) do hồ chứa đóng góp thành phân đoạn 1, dựa trên giả định $P_{toe}$ và áp suất hồ chứa.
Tính toán $\Delta P$ cho phân đoạn 1: Sử dụng $Q_1$ để tính tổng tổn thất áp suất ( $\Delta P_{total}$ ) trên chiều dài màn hình $\Delta L$ do ma sát, gia tốc, và khớp nối.
Xác định áp lực cho phân khúc 2: $P_{segment\_2} = P_{toe} + \Delta P_{total}$ .
Lặp lại: Lặp lại quá trình, sử dụng áp suất mới được tính toán làm điểm bắt đầu cho đoạn tiếp theo, tích lũy dòng chảy và tổn thất áp suất cho đến khi chạm tới gót chân.

Quá trình lặp đi lặp lại này mang lại kết quả Tổng tỷ lệ sản xuất thực ( $Q_{total}$ ) và Áp lực gót chân thực tế ( $P_{heel}$ ) cho một đường kính màn hình nhất định ( $D_s$ ). Đầu ra cuối cùng là một đường cong sản xuất có độ chính xác cao phản ánh trực tiếp các giới hạn thủy lực do lựa chọn đã chọn. $D_s$ .

Tổng hợp kinh tế: Tối đa hóa giá trị hiện tại ròng (NPV)

Khi mô hình thủy lực dự đoán một cách đáng tin cậy tốc độ sản xuất tích lũy ( $Q_{total}$ ) cho một loạt các đường kính màn hình khả thi (VÍ DỤ., $4.5 \text{ inch}$ để $6.5 \text{ inch}$ ), quá trình phân tích chuyển sang lĩnh vực thương mại—mục tiêu cuối cùng là chọn đường kính tối đa hóa lợi nhuận.

Các biến số chính trong phân tích kinh tế là:

Dòng doanh thu (Lợi ích): Sản lượng khí tích lũy suốt đời liên quan đến mỗi $D_s$ (bắt nguồn từ $Q_{total}$ ) nhân với giá khí dự kiến, giảm giá trở lại ngày nay (Giá trị hiện tại của doanh thu). Một cái lớn hơn $D_s$ thường mang lại kết quả cao hơn $Q_{total}$ và do đó PV có doanh thu cao hơn.
Chi tiêu vốn (Chi phí): Chi phí của vật liệu màn hình, chi phí của vật liệu gói sỏi (thay đổi theo kích thước hình khuyên), và chi phí lắp đặt. Một cái lớn hơn $D_s$ đòi hỏi vật liệu đắt tiền hơn trên mỗi đơn vị chiều dài, tăng CAPEX.

Đường kính màn hình tối ưu ( $D_{opt}$ ) là thứ giúp tối đa hóa Giá trị hiện tại ròng (NPV):

\text{NPV}(D_s) = \text{PV of Revenue}(D_s) - \text{CAPEX}(D_s)

Phân tích nhấn mạnh sự đánh đổi kinh tế-kỹ thuật cốt lõi: chi tiêu nhiều hơn cho màn hình lớn hơn ( $D_s$ ) tăng chi phí trả trước nhưng tăng doanh thu sản xuất dài hạn bằng cách giảm thiểu tổn thất ma sát. Giải pháp tối ưu là điểm cân bằng chính xác trong đó chi phí biên của việc tăng kích thước màn hình được bù đắp chính xác bằng mức tăng biên của dòng doanh thu chiết khấu.

5. Xác nhận và lựa chọn chiến lược để hoàn thành theo chiều ngang

Phương pháp phân tích nút dẫn xuất, kết hợp dòng chảy vỉa chứa 3D với lực cản dòng chảy giếng phi tuyến tính, cung cấp một khuôn khổ mạnh mẽ để đưa ra các quyết định hoàn thành quan trọng. Việc xác thực mô hình phức tạp này đạt được bằng cách so sánh IPR dự đoán cho cấu hình hiện trường nhất định với các thử nghiệm dòng chảy đo được từ các giếng đã hoàn thành với đường kính sàng lọc đã biết. Quan sát cho thấy các dự đoán của mô hình phù hợp chặt chẽ với kết quả ứng dụng thực tế mang lại sự tin cậy cần thiết khi sử dụng nó làm công cụ thiết kế chính.

Vai trò chiến lược của màn hình dây nêm

Quá trình lựa chọn không chỉ là về đường kính bên trong; đó là về tính khả thi của phần cứng cuối cùng. Việc sử dụng các Màn hình Wedge-Wire có tầm quan trọng chiến lược vì độ chắc chắn về cấu trúc của nó cho phép cần có thành mỏng hơn để tối đa hóa đường kính dòng chảy bên trong ( $D_i$ ) trong một kích thước vỏ nhất định. Hơn nữa, diện tích mở cao của nó giảm thiểu tổn thất ma sát khớp nối ( $\Delta P_{a}$ ), tối đa hóa khả năng chảy vào giếng của hồ chứa. Thông số kỹ thuật vật liệu (VÍ DỤ., Ống API 5CT và dây hợp kim cường độ cao) phải đảm bảo rằng các tính chất cơ học của vật liệu đã chọn $D_s$ đủ để chịu được áp lực sập trong quá trình đóng gói sỏi và tải trọng kéo trong quá trình lắp đặt.

Việc xác định cuối cùng về đường kính màn hình tối ưu ( $D_{opt}$ ) do đó là đỉnh cao của một sự nghiêm ngặt, phân tích tổng hợp liên kết tính chất vật lý chi tiết của dòng khí hỗn loạn với kinh tế vĩ mô của việc phát triển tài sản hydrocarbon, đảm bảo rằng thiết kế hoàn thiện đạt được năng suất tối đa mà không ảnh hưởng đến yêu cầu thiết yếu về tính toàn vẹn kiểm soát cát lâu dài. Kích thước màn hình thu được là giải pháp được thiết kế mang lại lợi nhuận cao nhất trong suốt vòng đời của giếng khí ngang.