劉印堂, 程輝建, 徐喜, 宋秋菊, 趙玉國, 侯立明

(中國石油渤海鉆探工程公司測井公司, 天津 大港 300280)

0 引 言

流體密度測井用于確定井筒內(nèi)輕、重相流體的體積含量。常規(guī)放射性流體密度測井以其較高的靈敏度和對氣液兩相準(zhǔn)確判斷在油田產(chǎn)液剖面測量中取得了很好的應(yīng)用效果,但由于其使用放射性源,因安全、環(huán)保等因素,放射性流體密度測井受到越來越多的制約。

壓差式流體密度測井儀在測井過程中不使用放射性源,是一種環(huán)保型測井儀器,可在各種油水井中測量井內(nèi)混合流體的密度,成為目前替代放射性流體密度測井的一種方法。壓差密度測井儀是一種新型儀器,在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了井斜、溫度以及硅油物性等外部環(huán)境因素的影響,制定了相應(yīng)的控制措施,但其現(xiàn)場適用性、與井下流體的響應(yīng)關(guān)系以及人們對測井曲線的認(rèn)知和對現(xiàn)場地質(zhì)問題的解決等方面還是一片空白[1]。本文從簡單的兩相流入手,對上述問題進(jìn)行探討和研究,針對壓差密度測井儀在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的問題提出了相應(yīng)的解決方案和建議,以期能更加客觀、真實(shí)地反映井下流體狀況,為該儀器的現(xiàn)場使用發(fā)揮一定的參考借鑒作用。

1 測井原理及相關(guān)影響因素的消除

壓差式流體密度測井儀是通過測量井筒內(nèi)2 ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m; 1 psi=6 894.76 Pa,下同距離的壓差確定流體的平均密度。該儀器主要由上端的PA低壓口、PB高壓口和壓電陶瓷傳感器組成,PA、PB間距離為2 ft,PA、PB壓力傳導(dǎo)管內(nèi)充滿密度為0.95 g/cm3的硅油,將PA、PB口的壓力差傳遞給壓電陶瓷傳感器[2]。

根據(jù)伯努利方程,PA、PB口的壓差為

Δp=(ρ1-ρ2)×g×h

(1)

式中,Δp為PA、PB口的壓差,psi*;ρ1為硅油密度,0.95 g/cm3;ρ2為井內(nèi)流體密度,g/cm3;g為重力加速度,m/s2;h為PA、PB口的距離,2 ft。

式(1)是理想狀態(tài)下壓差與密度間的關(guān)系式,在實(shí)際測井中還要考慮相關(guān)因素。

1.1 硅油的體積系數(shù)Bso

壓差密度測井儀PA、PB壓力傳導(dǎo)管中充滿密度為0.95 g/cm3的硅油。硅油的物理參數(shù)參與了密度的計(jì)算,必須考慮不同溫度、壓力下硅油的體積系數(shù)[3]。在井下硅油的密度為

(2)

式中,ρ3為儀器在井下時(shí)硅油的密度,g/cm3;Bso為儀器內(nèi)部所注硅油的體積系數(shù)。

1.2 井斜角度的影響

式(1)中的重力加速度g是垂直水平面90 °時(shí)的取值,實(shí)際井中井斜不同其重力加速度也不同,有

(3)

式中,θ為不同井斜條件下的重力加速度;FA為加速度計(jì)輸出的頻率,Hz;SA、OA分別為加速度計(jì)的斜率和截距。

1.3 壓差密度測井儀系統(tǒng)誤差的影響

壓差密度測井儀是通過測量壓差的方式計(jì)算流體的密度,測井儀器的系統(tǒng)誤差會(huì)對計(jì)算結(jié)果帶來影響,因此井內(nèi)流體的密度與視密度的關(guān)系為

(4)

式中,ρ2為井內(nèi)流體密度,g/cm3;ρ4為井內(nèi)流體視密度,g/cm3;Sp、Op為該深度處壓力的斜率和截距。

綜合以上3種因素考慮,式(1)可整理為

(5)

2 壓差密度與放射性流體密度測井對比

2.1 高含水井壓差密度與放射性流體密度對比

港深×-×井產(chǎn)出剖面于2007年5月10日測井,測試產(chǎn)液9.3 m3/d,其中產(chǎn)油0.3 m3/d,含水96.88%。放射性流體密度數(shù)值基本保持在0.93 g/cm3左右;壓差密度共重復(fù)測量9次,測井值均在0.91 g/cm3左右,放射性流體密度與壓差流體密度基本重合(見圖1)。

圖1 港深×-×井壓差密度與放射性流體密度對比圖

2.2 產(chǎn)氣井壓差密度與放射性流體密度對比

板×××-×井于2007年5月22日測井,井口產(chǎn)氣26 600 m3/d,產(chǎn)水58.74 m3/d,產(chǎn)油2.26 m3/d,含水96.3%。該井共重復(fù)測量8次。放射性密度顯示44號(hào)層為產(chǎn)氣層,放射性流體密度數(shù)值在該層有明顯變化,由0.94 g/cm3降為0.48 g/cm3;壓差密度測井值與放射性流體密度值吻合很好,壓差密度數(shù)值也在44號(hào)層變化,由0.94 g/cm3降為0.47 g/cm3。測井資料見圖2。

通過以上測井資料對比可以看出,在高含水和產(chǎn)氣井中,壓差密度測井?dāng)?shù)值在相應(yīng)層位反映明顯,與持水、 持氣、井溫和壓力曲線相關(guān)性好,同放射性密度測井曲線契合度高。因此,在產(chǎn)出剖面測井施工中,可以用環(huán)保型壓差密度測井儀替代傳統(tǒng)的放射性密度測井儀。

3 壓差式流體密度測井儀的地質(zhì)應(yīng)用

3.1 壓差密度測井儀在滑套產(chǎn)出剖面測井中的應(yīng)用

QK××-×-P20井是1口電泵生產(chǎn)井,測井目的是了解井下各滑套的產(chǎn)液狀態(tài)和產(chǎn)液性質(zhì)。為了保證施工安全,在堵塞器之上的總產(chǎn)段采用了壓差密度與放射性密度對比的測井方式,以驗(yàn)證壓差密度與放射性密度的一致性,在堵塞器之下的產(chǎn)出井段采用壓差密度測井。

該井產(chǎn)氣2 400 m3/d,產(chǎn)液127.0 m3/d,其中產(chǎn)水104.14 m3/d,產(chǎn)油22.86 m3/d,含水82.0%。在500～560 m處進(jìn)行總流量標(biāo)定時(shí)采用壓差密度和放射性密度對比測量,測井曲線對比見圖3。放射性密度數(shù)值在0.98 g/cm3,壓差密度數(shù)值基本在0.99 g/cm3左右, 二者對比曲線形態(tài)一致,數(shù)值基本相同。

圖3 QK××-×井壓差密度與放射性密度的對比

在堵塞器以下的產(chǎn)出井段(1 700～2 040 m)進(jìn)行了壓差密度的測量,共重復(fù)測量10次,壓差密度曲線變化一致,壓差密度響應(yīng)與持水率響應(yīng)一致。其中,2 018.81 m滑套上下密度數(shù)值由全水的1.008 g/cm3左右降低至0.888 g/cm3左右,持水率計(jì)數(shù)率值由全水的47 626.8 cps左右升高至49 174.9 cps左右,說明該滑套有輕質(zhì)相流體產(chǎn)出;1 856.67 m滑套上下密度數(shù)值由0.888 g/cm3左右上升至0.963 g/cm3左右,持水率計(jì)數(shù)率值由49 774.9 cps左右降低至49 505.9 cps左右,說明該滑套有重質(zhì)相流體產(chǎn)出;1 770.46 m滑套上下密度數(shù)值由0.963 g/cm3左右上升至0.995 g/cm3左右,持水率計(jì)數(shù)率值由49 505.9 cps左右降低至48 538.6 cps左右,說明該滑套有重質(zhì)相流體產(chǎn)出;1 697.81 m帶孔管上下密度數(shù)值由0.995 g/cm3左右降至0.062 g/cm3左右,進(jìn)入空氣,持水率計(jì)數(shù)率值由48 538.6 cps左右升高至61 998.8 cps左右。測井曲線見圖4。

圖4 QK××-×井壓差密度與持水率測井響應(yīng)曲線

3.2 壓差密度儀在高產(chǎn)氣井中的應(yīng)用

QK××-×-P4井是1口電泵生產(chǎn)井,該井產(chǎn)氣12×104m3/d、產(chǎn)水285 m3/d、不產(chǎn)油。流體密度測量采用壓差密度測井儀,測量井段2 500～2 910 m。從壓差密度測井曲線得出,2 899.5 m滑套為產(chǎn)氣滑套,密度數(shù)值在該滑套有明顯變化,由0.967 g/cm3降為0.247 g/cm3;2 825.0 m滑套為產(chǎn)水滑套,壓差密度數(shù)值在該滑套也有明顯變化,數(shù)值由原來的0.247 g/cm3急劇上升;但在2 825.0 m滑套以上壓差密度測井曲線不穩(wěn)定,數(shù)值在0.866～1.45 g/cm3之間變化,其中,在4個(gè)滑套產(chǎn)出點(diǎn)的數(shù)值更是達(dá)到2 g/cm3以上。經(jīng)分析,這是因?yàn)闅鈳M(jìn)入滑套,由于空間有限,致使流體流速加快,造成流體與測井儀器間的摩阻系數(shù)增大,從而導(dǎo)致壓差密度測井曲線數(shù)值異常(見圖5)。

圖5 QK××-×-P4井壓差密度測井曲線圖

3.3 壓差密度在高產(chǎn)液、高含水井中的應(yīng)用

HZ××-×-3是1口“Y”管柱電泵生產(chǎn)井,生產(chǎn)層位是L30、L60、M10油組,射開厚度21.8 m。測井時(shí)日產(chǎn)液約為1 800 m3,含水為97.2%。流體密度測井采用壓差密度測井儀,測量井段2 420～2 600 m。從壓差密度測井曲線可以看出,由于該井含水高達(dá)97.2%,致使流體密度數(shù)值在總液量處較高,為0.989 g/cm3左右;流體密度曲線數(shù)值在L30層以上有明顯降低,說明L30層處有輕質(zhì)相產(chǎn)出,在L30層以下流體密度數(shù)值在1.00 g/cm3左右,說明L30層以下產(chǎn)層產(chǎn)出全為水。持水率曲線在L30層數(shù)值增大,表明有輕質(zhì)相產(chǎn)出,密度曲線與其吻合很好(見圖6)。

圖6 HZ×-×-3壓差密度測井曲線圖

通過對儀器在以上3種地質(zhì)狀態(tài)下應(yīng)用的詳細(xì)分析,壓差密度測井儀的實(shí)用性得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證,但也暴露出該儀器在使用中的局限性。對于高產(chǎn)氣井,在產(chǎn)出井段,管柱結(jié)構(gòu)和尺寸將會(huì)決定產(chǎn)出流體的流速和流型,導(dǎo)致流體與儀器之間摩阻系數(shù)的急劇變化,對密度值產(chǎn)生很大影響,造成測井曲線異常。為了最大限度地消除這種異常,錄取到更加全面的現(xiàn)場測井資料,進(jìn)而從中確定井下流體性質(zhì),進(jìn)行了相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)。

4 壓差密度的模擬試驗(yàn)

針對壓差密度在應(yīng)用過程中的異?，F(xiàn)象,使用放射性流體密度與壓差密度進(jìn)行對比試驗(yàn)。由于無法模擬高產(chǎn)氣的生產(chǎn)狀況,采用測井儀器進(jìn)液面和出液面的模擬試驗(yàn);試驗(yàn)井為電纜記號(hào)井;井內(nèi)為靜水液面,位置距井口43 m。

4.1 進(jìn)液面試驗(yàn)

進(jìn)液面時(shí)放射性流體密度曲線數(shù)值由0.05 g/cm3突變?yōu)?.01 g/cm3,液面顯示明顯,數(shù)值正常。壓差式密度測井儀下測進(jìn)液面,壓差密度曲線顯示進(jìn)液面后密度升至1.589 g/cm3,逐漸下測至170 m降為1.03 g/cm3,密度響應(yīng)滯后約130 m(見圖7)。

圖7 實(shí)驗(yàn)井壓差密度和放射性密度測井曲線圖(下測進(jìn)液面)

4.2 出液面試驗(yàn)、定點(diǎn)測量試驗(yàn)

上提測井儀器距井口75 m處,壓差密度值由1.040 g/cm3逐漸降低,出液面時(shí)形成反沖成為負(fù)值,至40 m處恢復(fù)到正常數(shù)值0.093 g/cm3左右(見圖8)。

圖8 實(shí)驗(yàn)井壓差密度和放射性密度測井曲線圖(上測出液面)

在氣液界面上下進(jìn)行了定點(diǎn)測量,空氣值為0.03 g/cm3,水值為1.035 g/cm3,與正常值相符。

4.3 密度數(shù)值異常分析

通過模擬試驗(yàn)得到了壓差密度測井儀在進(jìn)、出液面時(shí)的響應(yīng)曲線。定點(diǎn)測量時(shí)壓差密度與實(shí)際密度值相符,對壓差密度數(shù)值異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析,認(rèn)為在低溫、低壓段密度數(shù)值異?，F(xiàn)象是由于測井儀器內(nèi)部硅油的溫度難以在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)井內(nèi)環(huán)境溫度,造成密度值增大后緩慢接近于正常值的現(xiàn)象。

試驗(yàn)中,在液面上、下采用定點(diǎn)測量的方式所測密度值正常。雖然進(jìn)、出液面的模擬試驗(yàn)還不能說明大產(chǎn)氣量、大流量井中壓差密度數(shù)值異常的原因,但定點(diǎn)測量穩(wěn)定性高于連續(xù)測量,對于在大產(chǎn)氣量、大流量井中采用定點(diǎn)測量消除壓差密度數(shù)值異常的方法還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 結(jié)論及建議

(1) 經(jīng)過驗(yàn)證,壓差密度測井確實(shí)可以成為目前替代放射性流體密度測井的一種有效手段,但在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。在高產(chǎn)氣井中,壓差密度測井儀易受井下流體的流量、管柱尺寸和流型等因素的影響,導(dǎo)致密度數(shù)值出現(xiàn)異?，F(xiàn)象;在低溫、低壓條件下測量氣液界面時(shí),密度數(shù)值也會(huì)產(chǎn)生異常。實(shí)驗(yàn)表明,可以在密度數(shù)值異常井段進(jìn)行定點(diǎn)測量,以確保壓差密度測井資料質(zhì)量。

(2) 現(xiàn)場應(yīng)用中,壓差密度測井儀采用了精密壓電陶瓷作為壓力傳感器,但壓差超過100 psi會(huì)造成傳感器的永久損壞,建議考慮用雙石英壓力傳感器取代壓電陶瓷傳感器。

(3) 復(fù)雜的儀器結(jié)構(gòu)及繁瑣的保養(yǎng)也給儀器的現(xiàn)場使用帶來極大的不便,從壓差密度測井原理分析可知,壓差密度計(jì)是測量2 ft距離間的壓差計(jì)算流體的密度,應(yīng)開展采用連續(xù)測量的石英壓力測井曲線在不同深度上的取值計(jì)算流體密度,進(jìn)而得到流體密度曲線的方法研究。

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