用于使用联接的井筒-储层模型的最佳ICD配置的算法发明背景
1.发明领域
本公开总体涉及地下沉积物的回收，并且更具体地说，涉及用于通过使用算法最
佳化沿水平井筒的流入控制设备参数来提高油井的产量的方法和系统。
2.相关技术讨论
与垂直井相反，水平井筒通常受到操作者的喜欢，用于开发狭窄的含油岩层以便
最大化与产油带的接触。然而，如在图1中所描绘的，这些井遭受早期水和气体朝向根部的
锥形，因为流动的摩擦压力沿水平部分下降。此外，渗透性的变化可导致沿水平部分的不平
衡的流入并加速早期见水和见气以及不均衡的井下流入。这些条件可限制扫描效率并降低
从水平井的烃回收，留下旁路油。
为了克服上述问题，流入控制设备(ICD)被用来在不理想的环境中增加水平井的
性能。ICD被设计来通过平衡完井整个长度的流入来改善完井性能和效率。通过使用ICD，可
能创建能够有效延迟见水/见气同时因此提高油回收的均匀生产剖面。
附图简述
本发明的说明性实施方案参考所附的图在下文被详细描述，所述所附的图以参考
的方式被并入本文中并且其中：
图1为示出根据公开实施方案的不使用流入控制设备的水平井的实例的图；
图2为示出根据公开实施方案的使用流入控制设备的水平井的实例的图；
图3为比较根据公开实施方案的使用流入控制设备的水平井以及不使用流入控制
设备的水平井的油产量对含水量的图表；
图4为描绘根据公开实施方案的用于确定沿水平井的流入控制设备参数的当前过
程的流程图；
图5为描绘根据公开实施方案的用于确定沿水平井的流入控制设备参数的算法过
程的流程图；
图6描绘在井筒垂直面中示出根据公开实施方案的井筒和含水层的草图；
图7为描绘根据公开实施方案的流入控制设备最佳化算法的流程图；
图8为示出根据公开实施方案的井筒中的计算过的速度剖面的实例的图表；
图9为示出根据公开实施方案的沿井筒的计算过的ICD分布函数的实例的图表；
图10为示出根据公开实施方案的对应于图9的ICD分布函数的ICD孔直径的变化的
实例的图表；以及
图11为示出用于实现公开实施方案的系统的一个实施方案的框图。
详述
公开实施方案包括一种用于通过最佳化沿水平井筒的流入控制设备参数来提高
油井的产量的系统和方法。公开实施方案及其优势通过参考附图中的图1-11得到更好理
解，相同数字用于各附图中相似及对应部分。基于下面的附图及详述，对于本领域普通技术
人员来说，公开实施方案的其他特征和优点将会更加明显。这意味着所有此类另外特征和
优点被包括在本公开的实施方案的范围内。另外，所示出的附图仅是示例性的，并非旨在断
言或暗示对其中可实现不同实施方案的环境、体系结构、设计或过程的任何限制。
如上所述，流入控制设备的使用能够有效地延迟见水/见气，同时因此提高油回
收。作为实例，图3描绘比较根据公开实施方案的使用流入控制设备的水平井以及不使用流
入控制设备的水平井的油产量对见水的图表。在所描绘的实例中，虚线曲线310和320分别
描绘不使用流入控制设备的水平井的油产量和见水。如从图表可以看出的，虚线曲线320迅
速上升并因此致使油产量(虚线曲线310)快速下降。相反，油产量曲线330和见水曲线340分
别指示使用流入控制设备来创建沿水平部分的平衡流入的水平井的油产量和见水。如图所
示，流入控制设备的使用通过延迟见水导致油产量的增加。尽管图3示出井产量对见水，但
也通过延迟见气来实现类似的结果。
既然已经示出ICD的益处，公开实施方案解决如何最好地放置和/或配置ICD以实
现水平井的最佳产量的问题。首先，图4描绘用于确定沿水平井的流入控制设备参数的当前
过程400。在过程400中，在步骤410，在井筒模拟器中建造井筒的模型。井筒模拟器的一个实
例是购自Landmark绘图公司的NEToolTM模拟软件。在所述步骤期间，某些井和储层参数，诸
如但不限于含水量、渗透性以及外壳模型被配置在井筒模拟器软件中。在步骤420，用户配
置/修改井筒模拟器软件中的ICD参数。例如，在一个实施方案中，用户可手动配置用于井筒
的ICD的数量、各种ICD沿井筒的放置以及ICD利用的类型。例如，用户可以以配置具有相同
设计的ICD的沿井筒的均匀分布开始。在步骤430，用户基于输入的ICD参数启动模拟。随后，
用户在步骤440分析流入剖面并在步骤450确定结果是否令人满意。如果结果令用户不满
意，那么用户可以通过修改步骤420中的ICD参数中的一个或多个来重复所述过程。如果结
果令人满意，那么在一个实施方案中，可在步骤460A输出结果并且将其用作用于场中最佳
ICD放置的引导。在另一实施方案中，如步骤460B中所示出的，可将所完成的模型输出到储
层模拟器工具中以执行时间相关的模拟，所述储层模拟器工具诸如但不限于，也购自
Landmark绘图公司的![]()
储层模拟软件。
与当前过程400相比较，图5示出描绘根据公开实施方案的用于确定沿水平井的用
于最佳化产量的ICD参数的算法过程500的流程图。过程500以步骤510的在井筒模拟器中建
造井筒模型开始。类似于当前过程，在所述步骤期间，某些井和储层参数，诸如但不限于含
水量、渗透性以及外壳模型被配置在井筒模拟器软件中。然而，代替当前手动试错过程，过
程500在步骤520执行ICD最佳算法以便确定最佳的ICD参数。如上文所描述的，这些ICD参数
可包括，但不限于，用于井筒的ICD的数量、各种ICD的沿井筒的放置以及被利用的ICD的类
型。在一个实施方案中，由于不同的孔密度、孔直径、孔类型、孔距离、孔数量等，ICD类型可
导致不同的压降。一旦最佳的ICD参数被确定，在一个实施方案中，它们可在步骤530A被输
出并直接用于实际的完井设计。可替代地或另外，在一些实施方案中，如在步骤530B所指示
的，可将结果作为完井模型的一部分输出以输入到储层模拟器工具中，以便执行时间相关
的模拟。
为了帮助示出一种开发ICD最佳算法的方法，图6描绘在井筒垂直面中示出井筒和
含水层的草图。在一个实施方案中，使用靠近井筒的含水层水运动的简单模型来实现ICD最
佳算法。井筒的典型水平尺寸(L)为千米的数量级，而井筒与含水层之间的典型距离(Lr)通
常不超过几十米。在这些条件下，在一个实施方案中，可忽略油和水的水平运输并且井筒周
围的压力场是对数的，使得在井筒的垂直面中，如图6中所示，可通过下述方程描述到井筒
的水运输：
![]()
(方程1)
v
y
=
∂
y
∂
t
=
1
γ
u
y
]]>(方程2)
其中
ρo是油的密度，
μw、ρw和kw是水的粘度、密度和岩层渗透性，
yw是水的垂直速度，
y是垂直坐标，
g是重力加速度，
γ是岩层孔隙率，
vy是井筒平面中的上升水锋面的速度，
pB和pe是储层边界以及接近井筒表面的压力值，并且
rB和ro是储层边界以及井筒表面的径向坐标。
方程1中的括号中的最后一项解释由岩层的含油层创建的垂直压力梯度中的水移
动。在一个实施方案中，方程1可被集成来产生水位到达井筒所需要的时间：
t
=
1
A
[
B
ln
(
B
B
-
H
(
z
)
)
-
H
(
z
)
]
]]>(方程3)
其中
B
=
P
B
-
P
e
(
z
)
(
ρ
w
-
ρ
o
)
g
y
ln
(
r
B
r
0
)
]]>(方程4)
A
=
λk
w
(
z
)
(
ρ
w
-
ρ
o
)
g
μ
w
]]>(方程5)
H(z)＝yw(z)-ya(z)(方程6)
其中H是井筒-含水层垂直距离。
通过下述方程来描述井筒中的油的流动：
d
V
d
z
=
j
s
;
j
=
2
πk
o
μ
o
p
B
-
p
e
(
s
)
ln
(
r
B
r
0
)
]]>(方程7)
d
p
d
z
=
-
f
d
2
D
ρ
o
|
V
|
V
-
2
ρ
o
V
j
S
-
ρ
o
gy
′
]]>(方程8)
j
2
=
f
(
z
)
K
[
p
e
(
z
)
-
p
i
(
z
)
]
]]>(方程9)
其中z是水平坐标，
V和p'是平均的流动速度和压力，
S和D是井筒横截面面积和直径，
j是每单位长度的井筒的油的体积通量,
μo、ρo和ko是油的粘度、密度和岩层渗透率,并且
fd是达西摩擦系数。
方程7是连续方程。方程8是动量平衡方程。方程9描述油的通量对井筒中的流与岩
层之间的压力差的相关性。
在一个实施方案中，可假设函数f(z)等于ICD的一些标准放置的单一性，其以流动
阻力系数K为特征。在最简单的情况下，当ICD包括具有直径Dor、彼此间隔距离Lor定位的孔
时，系数K等于：
K
=
8
p
o
L
o
r
2
(
0
)
π
2
D
o
r
4
(
0
)
]]>(方程10)
以及
f
(
z
)
=
L
o
r
2
(
z
)
L
o
r
2
(
0
)
D
o
r
2
(
0
)
D
o
r
2
(
z
)
]]>(方程11)
在模型中可通过使用在本文中被称为ICD分布函数的非常数函数f(z)来解释孔直
径或孔间距的纵向变化。因此，基于上述方程增加f(z)的值将导致穿过ICD壁的压降以及储
层流体的通量的增加。然而如果储层与井筒之间的压力差保持恒定，那么根据方程3见水时
间(t)将减少。因此，通过改变ICD效率函数f(z)，公开实施方案能够控制见水时间(t)。
因此，公开实施方案的希望是确定ICD效率函数f(z)的最佳值，使得见水时间对于
井筒的所有点都是相同的，如在图2中所示出的，从而降低见水的可能性。f(z)的值指示能
够在井筒内部与储层之间的一定压降下通过沿井筒的某一点(z)处的孔口的油的总量。
图7呈现用于确定ICD效率函数f(z)的最佳值的一个实施方案，其根据公开实施方
案描绘ICD最佳算法700。ICD最佳算法在700步骤710通过假定井筒末端处的压力值(pi)开
始。在步骤720，所述过程假设沿井筒各处的均匀ICD分布(例如，其设置f(z)＝1)。在步骤
730，所述过程随后计算井筒中的速度和压力分布。例如，在一个实施方案中，所述过程计算
井筒内的压力剖面(pI)，储层边界处的压力(pB)，以及速度(例如，穿过壁的流动密度以及穿
过这些ICD的油的流量)。
在步骤740，如上文在方程3中所指示的，所述过程计算沿井筒长度的突破时间的
分布。在步骤750，所述过程确定沿井筒的具有最大的突破时间(tmax)的点(z0)(即t(z0)等于
(tmax))并将那个位置处的ICD分布函数f(z0)设置为1。在以下迭代中，f(z0)的值不会改变，
这暗示这一特定位置处的诸如孔直径和间距的ICD特性是固定的。
在所述过程的第(n+1)次迭代中，在步骤760，通过使用方程3到6，所述过程确定将产生
均匀逼近时间t(z)＝tmax的井筒外的压力分布(pen+1(z))。在步骤770，通过使用在步骤730获取的求
解方程7到9，所述过程在此次迭代确定对应的ICD分布函数值：![]()
在步骤780，所述过程确定流动分布是否足够会聚|fn+1(z)-fn(z)|＜ε。ε是指示算
法良好会聚性的值。例如，在一个实施方案中，基于数值测试，ε＝10-6的值可被用来指示算
法的良好会聚性。如果所述过程在步骤780确定流动分布不足够会聚，那么所述过程通过返
回到步骤730来执行算法的另一次迭代，但是替代如最初在步骤720设置的假设各处平均流
动，随后的迭代利用来自所述算法的先前迭代的最近确定的f(z)流动分布，因此f(z)将不
再为1(即平均分布)因为pe的值(即井筒外的压力)已经改变。在一个实施方案中，在流动分
布在步骤780足够会聚之前，所述过程可重复所述算法的若干次迭代。然而，在某些实施方
案中，所述算法快速会聚(例如，在五次迭代内)。一旦所述过程确定ICD分布函数f(z)足够
会聚，所述过程确定将使用方程11产生所述分布的ICD参数(例如，孔密度/直径，孔类型，孔
数量以及孔间距/距离)。
因此，公开实施方案包括被配置来利用与手动试错过程相反的算法过程来确定最
佳ICD参数的系统和方法。
另外，在一些实施方案中，所公开的ICD最佳算法可被应用到基于上述方程的有限
差分解发展的数值模型。所述模型解释可变的井筒-含水层距离，以及水、油和岩层特性。可
通过使用有效渗透性来解释渗透性的垂直-水平各向异性。例如，为了示出所建议的算法和
数值模型，在一个实施方案中，考虑具有0.15m的直径、2500m的长度并在平的含水层上方3m
处定位的水平井的实例。油和水的粘度分别被设置为10-2Pas和10-3Pas，而两种液体的渗透
率被设置为0.5达西。基于上述条件，使用所描述的数值模型和所公开的ICD最佳算法的数
值试验证明优良的会聚性并且仅需要数次运行以实现结果的所希望的准确度。例如，图8示
出井筒内的速度剖面，其中z坐标开始于井筒的趾端。
图9示出应用所公开的ICD最佳算法产生的计算过的ICD分布函数f(z)。根据方程7
到11，例如，可以通过改变孔到孔的距离Lor或者通过在距离Lor是固定的时侯改变孔的直径
Dor来实现图9中示出的结果。例如，如果距离Lor被固定为12m，那么可通过改变如图10中示
出的孔直径来实现图9中示出的ICD分布函数的变化。在其他实施方案中，可通过改变孔直
径、ICD距离Lor两者以及通过将具有各种设计的ICD放置在井的不同部分中来实现ICD分布
函数的改变。
现在参考图11,其呈现示出用于实现公开实施方案的特征和功能的系统1100的一
个实施方案的框图。系统1100可以是任何类型的计算设备，包括但不限于，台式计算机、膝
上型计算机、服务器、平板电脑以及移动设备。系统1100包括，除了其他部件之外，处理器
1100、主存储器1102、辅助存储单元1104、输入/输出接口模块1106以及通信接口模块1108。
处理器1100可以是能够执行用于执行公开实施方案的特征和功能的指令的任何
类型或任何数量的单核或多核处理器。输入/输出接口模块1106使系统1100能够接收用户
输入(例如，从键盘和鼠标)并向诸如但不限于打印机、外部数据存储设备和音频扬声器的
一个或多个设备输出信息。系统1100可任选地包括能够在集成或外部显示设备上显示信息
的单独显示模块1110。例如，显示模块1110可包括用于提供与一个或多个显示设备相关联
的增强型图形、触摸屏和/或多触摸功能的指令或硬件(例如，图形卡或者片)。
主存储器1102是存储当前执行的指令/数据或被预取用于执行的指令/数据的易
失性存储器。辅助存储单元1104是用于存储持久数据的非易失性存储器。辅助存储单元
1104可以是或包括诸如硬盘驱动器、闪存驱动器或存储卡的任何类型的数据存储部件。在
一个实施方案中，辅助存储单元1104存储计算机可执行代码/指令以及用于使用户能够执
行公开实施方案的特征和功能的其他相关数据。
例如，根据公开实施方案，辅助存储单元1104可永久存储上文所描述的ICD最佳算
法1120的可执行代码/指令。随后，与ICD最佳算法1120相关联的指令在由处理器1100执行
期间从辅助存储单元1104加载到主存储器1102以用于执行公开实施方案。另外，辅助存储
单元1104可存储其他可执行代码/指令和数据1122，诸如但不限于，用于公开实施方案的井
筒模拟器应用程序和/或储层模拟应用程序。
通信接口模块1108使系统1100能够与通信网络1130通信。例如，通信接口模块
1108可包括用于使系统1100能够通过通信网络1130和/或直接利用其他设备发送并接收数
据的网络接口卡和/或无线收发器。
通信网络1130可以是包括下述网络中的一个或多个的组合的任何类型的网络：广
域网，局域网，一个或多个专用网络，因特网，诸如公共交换电话网(PSTN)的电话网络、一个
或多个蜂窝网络以及无线数据网络。通信网络1130可包括多个网络节点(未描绘出)，诸如
路由器、网络访问点/网关、开关、DNS服务器、代理服务器以及用于协助设备之间的数据/通
信的路由的其他网络节点。
例如，在一个实施方案中，系统1100可与一个或多个服务器1134或数据库1132交
互以用于执行公开实施方案的特征。例如，根据公开实施方案，系统1100可从数据库1132查
询用于创建井筒模型的测井信息。此外，在某些实施方案中，系统1100可用作用于一个或多
个客户端设备的服务器系统，或者用于对等通信或与一个或多个设备/计算系统(例如，集
群、栅格)并行处理的对等系统。
因此，公开实施方案提供一种用于利用有效的算法过程来确定给定井筒的最佳
ICD参数的方法。例如，在某些实施方案中，确定最佳ICD参数可包括确定ICD沿井筒的放置、
ICD的直径和/或ICD的类型。公开实施方案可被应用至各种复杂水平的联接的井筒-储层模
拟。
此外，在某些实施方案中，实现所公开的算法的实施方案的简单数值模型可被用
于计算用于最佳化ICD参数的更高水平联接的井筒-储层模型的开始条件。所建议的数值模
型可以为涉及详细3D模型的CPU-昂贵的模拟提供非常好的初始猜想。另一方面，足够详细
地解释许多物理现象，以及沿井筒变化的储层条件。通过引入有效渗透率可以容易地扩展
为包括热效应或岩层垂直水平各向异性。
另外，所公开的ICD最佳算法可不仅用于最佳化ICD参数以防止井筒靠近含水层的
液泛，并且还可用于关于来自井筒上方的层的气驱最佳化ICD。例如，在一个实施方案中，通
过用气体的物理参数替代水的物理参数来执行算法中从含水层到气体模式的转换，除了水
密度，所述水密度由密度差来替代：ρw-ρo-＞ρo-ρ气体。所述算法的所有其他元素将保持相同。
尽管关于上述实施方案的具体细节已经被描述，但上述硬件和软件描述仅意图为
示例性实施方案并且不意图限制公开实施方案的结构或实现。例如，尽管系统1100的许多
其他内部部件未被示出，但本领域技术人员将理解此类部件及其互连是众所周知的。
此外，公开实施方案的某些方面，如上所述，可以实施在使用一个或多个处理单
元/部件执行的软件中。所述技术的程序方面可被认为是通常以在某一类型的机器可读介
质中进行或实施的可执行代码和/或相关联的数据的形式的“产品”或“制品”。有形的非暂
态“存储”类型介质包括用于计算机、处理器等的存储器或其他存储装置中的任一或所有，
或者其相关联的模块，诸如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器、光盘或磁盘等，其
可在任何时候提供对于软件编程的存储。
此外，附图中的流程图和方框图示出根据本发明的各种实施方案的系统、方法和
计算机程序产品的可能实行方案的体系结构、功能性和操作。也应注意到，在一些替代实行
方案中，方框中提到的功能可以不按附图中提到的顺序出现。例如，连续展示的两个方框实
际上可以大致上同时执行，或者这些方框有时可以按相反的顺序执行，这取决于所涉及的
功能性。也应指出的是，方框图和/或流程图图解的每个方框以及方框图和/或流程图图解
中的方框的组合可以由执行指定功能或动作的、基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算
机指令的组合来实施。
总的来说，公开实施方案包括用于通过最佳化沿水平井筒的流入控制设备参数来
提高油井产量的方法、装置以及计算机程序产品。除了上文所描述的实施方案之外，特定组
合的许多实例处在本公开的范围内，所述实例中的一些在下文详细描述。
实施例1.一种用于提高油井的产量的计算机实现的方法，所述方法包括：在井筒
模拟器中生成井筒的模型；以及执行确定沿井筒的水平部分的流入控制设备(ICD)的最佳
参数的算法，其中所述流入控制设备的确定的最佳参数产生沿所述井筒的水平部分的水和
气体中的至少一者的基本上均匀的逼近。
在某些实施方案中，实施例1的实施方案可被修改为包括将所述模型输出到储层
模拟器中以用于时间相关的模拟。在实施例1的另一实施方案中，所述方法包括初始化井筒
的趾端处的固定压力值以及执行指令的循环一直到流动分布足够会聚为止。在一些实施方
案中，所述循环最初以沿井筒的水平部分的均等分布开始并且将来自先前循环的流动分布
结果用于随后的循环。实施例1还可包括用于确定沿井筒的水平部分的具有最大逼近时间
的点的指令。此外，在实施例1的一些实施方案中，所述计算机实现的方法包括用于确定沿
井筒的水平部分的产生均匀突破时间的压力分布的指令。
实施例1中的流入控制设备的确定的最佳参数可改变沿井筒的水平部分的流入控
制设备的孔的直径和/或沿井筒的水平部分的流入控制设备之间的距离。另外，如上文所描
述的实施例1的计算机实现的方法的实施方案可被应用于数值模型。
实施例2.一种系统，其包括：至少一个处理器；以及至少一个存储器，所述至少一
个存储器联接到所述至少一个处理器并存储用于提高油井产量的计算机可执行指令，所述
计算机可执行指令包括用于以下各项的指令：在井筒模拟器中生成井筒的模型；以及执行
确定沿井筒的水平部分的流入控制设备(ICD)的最佳参数的算法，其中所述流入控制设备
的确定的最佳参数产生沿所述井筒的水平部分的水和气体中的至少一者的基本上均匀的
逼近。
实施例2.1.根据实施例2所述的系统，其中所述算法包括下述指令中的一种或多
种：1)用于初始化所述井筒的趾端处的固定压力值的指令；2)用于执行指令的循环一直到
流动分布足够会聚为止的指令，其中所述循环最初以沿井筒的水平部分的均等分布开始并
且将来自先前循环的流动分布结果用于随后的循环；3)用于确定沿井筒的水平部分的具有
最大逼近时间的点的指令；以及4)用于确定沿井筒的水平部分的产生均匀逼近时间的压力
分布的指令。
实施例3.一种非暂态计算机可读介质，其包括用于提高井产量的计算机可执行指
令，所述计算机可执行指令在被执行时致使一个或多个机器执行包括以下各项的操作：在
井筒模拟器中生成井筒的模型；以及执行确定沿井筒的水平部分的流入控制设备(ICD)的
最佳参数的算法，其中所述流入控制设备的确定的最佳参数产生沿所述井筒的水平部分的
水和气体中的至少一者的基本上均匀的逼近。
实施例3.1.根据实施例3所述的非暂态计算机可读介质，其中所述算法包括用于
执行指令的循环一直到流动分布足够会聚为止的指令，其中所述循环最初以沿井筒的水平
部分的均等分布开始并且将来自先前循环的流动分布结果用于随后的循环，并且其中所述
循环包括用于以下各项的指令：确定沿井筒的水平部分的具有最大逼近时间的点；确定沿
井筒的水平部分的产生均匀逼近时间的压力分布；确定对应于所述确定的压力分布的流动
分布；以及确定所述流动分布是否足够会聚。
上述特定示例性实施方案不旨在限制权利要求的范围。示例性实施方案可通过包
括、执行、或组合本公开中所描述的一个或多个特征或功能来修改。
另外，除非上下文明确地指出，否则本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”
意欲同样包括复数形式。将进一步理解，术语“包括(comprise)”和/或“包括(comprising)”
在用于本说明书和/或权利要求书中时，规定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/
或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其
群组。以上权利要求书中的所有装置或步骤的相应结构、材料、操作以及同等物加上功能要
素意图包括用于执行所述功能的任何结构、材料或操作以及具体要求保护的其他要求保护
的要素。出于说明和描述的目的已经呈现了对本发明的描述，但并不意图为详尽的或将本
发明限制于所公开的形式。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于
本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择并且描述实施方案来解释本发明原理和实
际应用，并且使得其他本领域普通技术人员了解本发明的各种实施方案以及各种修改方案
适合于所涵盖的具体用途。所述权利要求书的范围意图广泛地包括公开实施方案以及任何
此类修改。