趙鐵柱

(大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司,黑龍江大慶)

近水平小管徑油水兩相流量和含水率測(cè)量響應(yīng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

趙鐵柱

(大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司,黑龍江大慶)

在產(chǎn)出剖面測(cè)井中,井下油水兩相流的流量和含水率是兩個(gè)重要的測(cè)量參數(shù)。實(shí)驗(yàn)針對(duì)±5°內(nèi)多個(gè)傾斜角度條件下,近水平Φ20 mm小管柱內(nèi)油水兩相流動(dòng)及其對(duì)測(cè)量?jī)x器的影響進(jìn)行了研究,總結(jié)了渦輪傳感器測(cè)量流量及阻抗傳感器測(cè)量含水率的響應(yīng)變化規(guī)律,并從流動(dòng)機(jī)理及測(cè)量條件出發(fā)分析測(cè)量影響因素,對(duì)水平井測(cè)量和解釋具有很好的參考和指導(dǎo)意義。

近水平;流量;含水率;流態(tài);滑脫速度

0 引 言

油水兩相流動(dòng)特征一直是影響采油及生產(chǎn)測(cè)井的重要因素,油水兩相流動(dòng)規(guī)律的研究不僅是研究油氣水三相流動(dòng)的基礎(chǔ),而且是提高多相計(jì)量技術(shù)的關(guān)鍵。目前油水兩相流的研究進(jìn)展相對(duì)滯后,尤其缺乏水平及傾斜狀態(tài)下,對(duì)流體流動(dòng)規(guī)律以及測(cè)量傳感器響應(yīng)規(guī)律的系統(tǒng)和深入的認(rèn)識(shí)。渦輪流量計(jì)及阻抗式含水率計(jì)在垂直井中測(cè)量產(chǎn)出剖面已經(jīng)應(yīng)用多年,具有良好的重復(fù)性、一致性和較高的精度。然而水平井井身結(jié)構(gòu)的特殊性和井筒流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性導(dǎo)致了管道內(nèi)流體的流型、流速剖面和油水的分布狀態(tài)與垂直井相比發(fā)生了顯著的變化,而且傾斜角度的不同也對(duì)流型產(chǎn)生較大的影響,導(dǎo)致水平井的測(cè)井響應(yīng)與垂直井相比產(chǎn)生了改變,生產(chǎn)測(cè)井儀常常出現(xiàn)性能指標(biāo)下降或變化,這些都增加了水平井測(cè)量和解釋的難度。可見(jiàn),開(kāi)展水平井井下流動(dòng)機(jī)理的模擬實(shí)驗(yàn),研究水平及近水平條件下油水流動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳感器響應(yīng)的影響,對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有生產(chǎn)測(cè)井儀器和解釋方法有著非常重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)在大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司三采實(shí)驗(yàn)室的流量模擬實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。自行設(shè)計(jì)加工了油水兩相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái),傾斜角度可以在±10°之間調(diào)解。材質(zhì)選用不銹鋼,管道內(nèi)徑為Φ20 mm,進(jìn)液口、出液口通過(guò)金屬軟管與模擬裝置連接,測(cè)量段及拍攝段兩端分別連接長(zhǎng)度都是2 m的穩(wěn)流段,目的是使流動(dòng)充分發(fā)展,流型穩(wěn)定。拍攝段為長(zhǎng)度200 mm的透明有機(jī)玻璃管,配備強(qiáng)度足夠、穩(wěn)定、均一的面光源,高速攝像儀在光源的另一側(cè)拍攝,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的編輯和處理獲得流體流動(dòng)的圖片及影像。測(cè)量段安裝渦輪及阻抗傳感器,通過(guò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流量及持水率的測(cè)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程示意圖

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水和柴油兩相,常溫、常壓條件下進(jìn)行,對(duì)室溫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和記錄。傾斜角度選取0°(水平)、±2°、±5°共5個(gè)。流量調(diào)節(jié)3 m3/d為一個(gè)流量狀態(tài)點(diǎn);5 m3/d～25 m3/d,每隔5 m3/d為一個(gè)流量狀態(tài)點(diǎn);30 m3/d～60 m3/d,每隔10 m3/d為一個(gè)流量狀態(tài)點(diǎn),共10個(gè)流量狀態(tài)點(diǎn)。含水率變化范圍為0～100%,以10%為步長(zhǎng)變化,共11個(gè)含水率狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 渦輪傳感器測(cè)量響應(yīng)

圖2所示為實(shí)驗(yàn)獲得5個(gè)不同傾斜角度下含水率分別為100%(全水)、0%(全油)時(shí)渦輪響應(yīng)隨流量變化圖版。可以看出,渦輪傳感器的響應(yīng)除了與流量呈近線形關(guān)系之外,還與含水率有關(guān),全油流動(dòng)條件下的渦輪響應(yīng)明顯高于全水的情況。相對(duì)而言,在流量及含水率相同的條件下,±5°內(nèi)傾斜角度的變化對(duì)渦輪響應(yīng)的影響較小。由此可見(jiàn),對(duì)基于渦輪流量計(jì)的近水平管流流量測(cè)量來(lái)說(shuō),不同含水率所引起測(cè)量響應(yīng)的變化是值得重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

圖2 不同角度下隨流量變化全水、全油響應(yīng)

以-2°為例,重點(diǎn)考察固定傾斜角度下,渦輪傳感器的響應(yīng)特性與含水率的關(guān)系。圖3-a為各個(gè)含水率下渦輪響應(yīng)隨流量變化圖版,圖3-b為各個(gè)流量下渦輪響應(yīng)隨含水率變化圖版,圖3-c為各個(gè)流量下渦輪響應(yīng)與全水響應(yīng)的比值隨含水率變化圖版。從圖中可以看到,流量低時(shí)渦輪響應(yīng)變化不大,受含水率的影響很小。流量高時(shí)渦輪響應(yīng)明顯受含水率的影響,總體趨勢(shì)體現(xiàn)為流量相同的條件下含水率越高渦輪響應(yīng)越小。從圖3-b、圖3-c還可以看到,在高流量段渦輪響應(yīng)基本介于全油與全水響應(yīng)之間,響應(yīng)隨含水率升高而減小的趨勢(shì)在較高流量(30 m3/d～60 m3/d附近)比較低流量(15 m3/d～25 m3/d附近)更明顯,而響應(yīng)曲線則更加平穩(wěn)。

上述結(jié)果表明,為了精確測(cè)量近水平管中油水兩相流的流量,有必要認(rèn)識(shí)和把握含水率對(duì)渦輪響應(yīng)產(chǎn)生影響的規(guī)律和機(jī)理。對(duì)渦輪流量計(jì)來(lái)說(shuō),標(biāo)稱的響應(yīng)與流量之間關(guān)系的儀表系數(shù)K是表征渦輪傳感器流量特性的主要參數(shù),它由流量測(cè)量校驗(yàn)裝置標(biāo)定而得到,在某一流量范圍和一定粘度范圍內(nèi),K僅與傳感器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)并為一常數(shù),這時(shí)是所謂的渦輪傳感器的流量測(cè)量范圍[1]。然而在實(shí)際測(cè)量中,渦輪傳感器往往并不是完全在其流量測(cè)量范圍之內(nèi)使用。一般來(lái)說(shuō)流體物性如密度、粘度及傳感器口徑、安裝方向都對(duì)流量特性有較大影響,而密度、粘度與溫度、壓力關(guān)系密切。傳感器口徑越小受物性影響越嚴(yán)重,一定口徑情況下粘度對(duì)小流量段影響最顯著。另外,流動(dòng)狀態(tài)對(duì)渦輪響應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生重要影響,從圖3-b、圖3 -c中還可以看出,中低流量(15 m3/d～25 m3/d附近)時(shí),響應(yīng)曲線波動(dòng)較為明顯,而高速攝像的流動(dòng)顯示結(jié)果表明,對(duì)應(yīng)的這些狀態(tài)條件下流型的變化也恰好比較顯著。

當(dāng)然,本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中流體經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)的直管穩(wěn)流段,因此在傳感器測(cè)量段流型及流速分布比較穩(wěn)定,這與實(shí)際測(cè)井條件存在差別。測(cè)井儀器實(shí)際測(cè)量時(shí),流體經(jīng)過(guò)阻流件(如彎頭、三通、變徑等),流速分布會(huì)發(fā)生畸變以及產(chǎn)生旋渦因而影響傳感器的測(cè)量,這種情況對(duì)應(yīng)的是非充分發(fā)展管流[2],在流動(dòng)過(guò)程中,參數(shù)分布會(huì)呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化。因此,采用集流方式測(cè)量的渦輪流量計(jì)與本實(shí)驗(yàn)條件下的渦輪在測(cè)量流量時(shí)結(jié)果會(huì)存在一定差異。

2.2 阻抗傳感器測(cè)量響應(yīng)

圖4-a、4-c、4-e對(duì)應(yīng)傾斜角度分別為-5°、0°、5°,不同含水率下阻抗傳感器的相對(duì)響應(yīng)隨流量變化圖版,相對(duì)響應(yīng)為全水時(shí)的輸出頻率(即全水值)和混相時(shí)的輸出頻率(即混相值)的比值。圖4-b、4-d、4 -f對(duì)應(yīng)傾斜角度分別為-5°、0°、5°,不同流量下阻抗傳感器的相對(duì)響應(yīng)隨含水率變化圖版。從這些圖中可以看出,在各個(gè)角度下,阻抗傳感器在含水率30%～100%的寬廣范圍內(nèi)都具有可接受的相對(duì)響應(yīng)和較好的分辨率,尤其是高流量條件下,響應(yīng)曲線呈現(xiàn)更加穩(wěn) 定和可靠的特征。

為了考察流量大小對(duì)響應(yīng)特性的影響,圖5-a給出了配比含水率為70%時(shí)5個(gè)不同傾斜角度下含水率與阻抗傳感器相對(duì)響應(yīng)的比值隨流量變化圖版,圖5-b給出了流量為3 m3/d時(shí)5個(gè)不同傾斜角度下阻抗傳感器的相對(duì)響應(yīng)隨含水率變化圖版?？梢悦黠@看出,在高流量時(shí),傾斜角度變化對(duì)響應(yīng)的影響很小,相

對(duì)響應(yīng)只與含水率有關(guān),說(shuō)明滑脫速度影響甚微;而在低流量時(shí)(圖5-b),阻抗傳感器的相對(duì)響應(yīng)隨傾斜角度的不同而明顯呈現(xiàn)出差異,向負(fù)角度變化時(shí)相對(duì)響應(yīng)變小、向正角度變化時(shí)相對(duì)響應(yīng)變大,其變化幅度隨傾角的增加而加劇,這也同時(shí)說(shuō)明滑脫速度的影響隨之加大。此外,從圖4的結(jié)果還可以看出,低流量條件下響應(yīng)曲線的波動(dòng)也很明顯,結(jié)合高速攝像的流場(chǎng)顯示結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),此時(shí)的流型變化及其對(duì)響應(yīng)結(jié)果的影響都很顯著。

總之,阻抗傳感器在近水平管條件下的測(cè)量響應(yīng)與豎直管有所不同。首先表現(xiàn)出對(duì)含水率更寬的可測(cè)量范圍。究其原因,由于阻抗傳感器適用于水為連續(xù)相的多相流測(cè)量,當(dāng)水為非連續(xù)相時(shí)阻抗傳感器不能正常工作[3]。本實(shí)驗(yàn)條件下的近水平小管柱內(nèi),雖然流型變化復(fù)雜,但是以水為連續(xù)相的情況為主,因此傳感器的測(cè)量范圍寬。油水兩相流可分為分層流和分散流兩大類,在高流量時(shí)流體以分散流為主,沒(méi)有滑脫的影響或很小。在低流量時(shí)流體以分層流為主,浮力影響矛盾突出,存在滑脫速度。負(fù)角度時(shí)水的速度高于油的速度而使持水率降低,正角度時(shí)油的速度高于水的速度而使持水率升高。

3 結(jié) 論

通過(guò)渦輪及阻抗傳感器在近水平Φ20 mm管中的油水兩相流實(shí)驗(yàn),得到如下結(jié)論:

1)在流量及含水率相同時(shí),近水平條件下傾斜角度的變化對(duì)渦輪傳感器響應(yīng)的影響較小。不同含水率對(duì)渦輪響應(yīng)的影響是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。主要體現(xiàn)在,在低流量時(shí)渦輪響應(yīng)可基本不用考慮含水率變化的影響,而在高流量時(shí)響應(yīng)受含水率變化的影響則不容忽略,總體趨勢(shì)表現(xiàn)為流量相同的條件下,含水率越高渦輪響應(yīng)越低,其影響程度隨著流量的升高而加大。

2)測(cè)量方式也是影響渦輪響應(yīng)的重要因素。當(dāng)渦輪采用集流方式測(cè)量時(shí),由于流體流態(tài)及速度分布的改變,其測(cè)量結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)條件下渦輪的流量測(cè)量結(jié)果會(huì)存在差異。

3)在近水平油水兩相流中,阻抗傳感器具有良好的分辨能力。在高流量(10 m3/d以上)時(shí),相對(duì)響應(yīng)受角度變化的影響很小,基本只與含水率有關(guān)。不過(guò)在低流量(10 m3/d以下)時(shí)則表現(xiàn)出滑脫速度的影響,響應(yīng)明顯受到傾斜角度變化的影響,向負(fù)角度變化時(shí)相對(duì)響應(yīng)變小、向正角度變化時(shí)相對(duì)響應(yīng)變大,這一影響隨流量的減小、傾角的增大而趨明顯。因此水平井測(cè)量尤其是低產(chǎn)液時(shí),為了準(zhǔn)確測(cè)量并解釋含水率,需要有井斜方面的信息。

油水兩相流在水平及近水平條件下,受傾斜角度及管徑尺寸等因素影響因而流型流態(tài)非常復(fù)雜。有必要對(duì)其流動(dòng)機(jī)理、傳感器測(cè)量響應(yīng)規(guī)律作更深入的研究,以適應(yīng)水平井技術(shù)快速發(fā)展的需要。

[1] 史登躍.渦輪流量計(jì)的原理及應(yīng)用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測(cè),2004,20(2)

[2] 梁國(guó)偉.流量測(cè)量技術(shù)及儀表[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002

[3] 胡金海,劉興斌.阻抗式含水率計(jì)及其應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù),1999,23(增刊)

Zhao Tiezhu.Experimental study on the flowrate measure and water cut measure response disciplinarian in oilwater two-phase flow of near horizontal small diameter pipe.PI,2010,24(3):35～37,40

The flow rate and the water cut of down hole oil-water two-phase flow are very important parameters in production profile logging.Experiments were carried out to study the oil-water two-phase flow regulation in near horizontal small diameter pipe with 20mm diameter under conditions of within±5°multi-inclinations,and its influences on logging instruments were studied.The response disciplinarians of turbine flowrate sensor and the impedance water-cut sensor were summarized.The influences on the well logging were analyzed on the base of flow mechanism and logging condition.The experiment and analyses results play a good role in the guide of measurement and interpretation of horizontal wells.

near horizontal;flow rate;water cut;flow regime;slippage velocity

P631.8+1

B

1004-9134(2010)03-0035-03

趙鐵柱,男,1973年生,工程師,合肥工業(yè)大學(xué)檢測(cè)技術(shù)及儀器專業(yè)畢業(yè),目前在大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司從事多相流檢測(cè)、研究工作。郵編:163153

2009-09-07 編輯:姜 婷)

·方法研究·