王春圣，姜文芝，謝景平（中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司，山東 東營(yíng) 257200）

產(chǎn)出剖面測(cè)井是生產(chǎn)測(cè)井中最直接反映油井生產(chǎn)情況的測(cè)井方法。持水率和流量的測(cè)量是產(chǎn)出剖面測(cè)井中關(guān)鍵的2個(gè)測(cè)量參數(shù)。其中，流量可以直接反映油井產(chǎn)液量大小。試驗(yàn)和生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，通常難以通過(guò)持水率得到較為準(zhǔn)確的含水率［1］。因?yàn)槌炙什粌H與含水率有關(guān)，還受流速、油氣分布狀態(tài)、測(cè)量?jī)x器類型、井斜、計(jì)算方法和管徑大小等因素的影響。其中管徑大小影響著流體的流速、流型、油水的分布狀態(tài)，與持水率大小密切相關(guān)。同一影響因素對(duì)直井和水平井影響程度也不一樣［2］。因此，要通過(guò)持水率得到可靠的含水率參數(shù)，必須考慮上述影響因素，且只有通過(guò)試驗(yàn)觀察、分析及剖析儀器測(cè)量原理才能得到很好的解釋。

1 直井中持水率影響因素試驗(yàn)與分析

1.1 流量

在垂直井中，由于油的流速永遠(yuǎn)大于水的流速，持水率總是大于含水率。流量越小，油水間滑脫速度差別越大時(shí)，持水率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含水率；流量越大，油水間滑脫速度差別越小時(shí)，持水率越接近含水率。圖1是在直徑120mm管中通過(guò)試驗(yàn)得到的持水率、含水率及流量間的關(guān)系，可見(jiàn)，在流量為1m3／d的極小流量條件下，含水率在0%～100%間改變時(shí)，井內(nèi)持水率幾乎穩(wěn)定在0.99～1；在流量為10m3／d條件下，含水率在0%～100%間改變時(shí)，井內(nèi)持水率變化為0.92～1；隨著流量增加，不同含水率時(shí)的持水率曲線逐漸分開(kāi)。因此，流量越低，持水率與含水率之間的相關(guān)性越差，測(cè)量的持水率越不能反映含水率；隨著流量增大，持水率與含水率逐漸呈比例關(guān)系，流量越大，相關(guān)性越好。

圖1 持水率－流量－含水率關(guān)系（?5.5in套管）

1.2 管徑大小

在流量和含水率不變的條件下，只改變管徑大小即改變流速大小，持水率隨之會(huì)發(fā)生變化。因?yàn)楫?dāng)管徑大小改變時(shí)，對(duì)應(yīng)流體的流動(dòng)速度隨之改變。相同流量條件下，管徑大時(shí)流體在其中的流速小，管徑小時(shí)流體在其中的流速增大。當(dāng)油流速太小，不能攜帶管內(nèi)原有的水時(shí)（底水永遠(yuǎn)存在），會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的持水率顯示為高含水（圖2）。隨著管徑變小或油的流速增大，水被流動(dòng)油帶走，此時(shí)管內(nèi)持水率減小。因此，在小流量條件下，采用集流的測(cè)井方法能提高持水率的測(cè)量精度。

圖2 持水率與管徑大小的關(guān)系

2 水平井中持水率影響因素試驗(yàn)與分析

通常水平井的井斜角不可能正好為90°，為了便于敘述油水在水平井中的流動(dòng)狀態(tài)，定義水平流（井斜角為90°）、上坡流（井斜角小于90°）、下坡流（井斜角大于90°）。通過(guò)在直徑120mm管中試驗(yàn)總結(jié)得到水平井中油水流動(dòng)規(guī)律。在水平流中，油水流動(dòng)主要是以分層流動(dòng)為主，隨著流量增加，油與水界面由清晰穩(wěn)定到逐漸產(chǎn)生波動(dòng)。當(dāng)流量小于200m3／d時(shí)，水平流、上坡流的油水界面清晰、平穩(wěn)；當(dāng)流量大于200m3／d時(shí)，界面波動(dòng)逐漸模糊，上油下水，中間有“油包水”或“水包油”過(guò)渡區(qū)域；下坡流的油水界面在小流量下就產(chǎn)生波動(dòng)，隨著流量增加，波動(dòng)加劇，上油下水，中間區(qū)域是“紊流”。

2.1 流量

在水平井中持水率與含水率接近（油水速度差別不大）。低流量下持水率向0.5趨進(jìn)，隨著流量增加，持水率與含水率逐漸接近（圖3）。

2.2 井斜角

當(dāng)水平井井斜角非90°時(shí)，中低流量條件下，持水率主要受井斜影響。上坡流情況下，油的流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的流動(dòng)速度，持水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于含水率；下坡流情況相反，油的流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的流動(dòng)速度，持水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含水率，此時(shí)含水率與持水率基本沒(méi)有相關(guān)性。持水率在井斜角90°附近發(fā)生突變（圖4）。隨著流量增大，油水間的滑脫速度減小，此時(shí)持水率能較好反映含水率（圖5）。

圖3 水平井持水率－流量－含水率關(guān)系

3 油水分布狀態(tài)對(duì)持水率測(cè)量影響的試驗(yàn)與分析

目前，現(xiàn)場(chǎng)持水率測(cè)量?jī)x器中使用最廣泛的是電容持水率傳感器［3］（探頭），以此為例進(jìn)行分析。

3.1 油水分離狀態(tài)

電容探頭取樣室內(nèi)油水呈分離狀態(tài)或油氣水單相流體，電容量與油水體積之間有確定的線性函數(shù)關(guān)系，且持水率不受水礦化度的影響，見(jiàn)表1。

由此可得持水率與電容間的線性函數(shù)關(guān)系為：

式中：C為電容，pF；Yw為持水率，1。

圖4 30m3／d流量下持水率－含水率－井斜角關(guān)系

圖5 300m3／d流量下持水率－含水率－井斜角關(guān)系

3.2 油水混合流動(dòng)

1）高持水率（大于0.5，水是連通相）。油水混合流動(dòng)狀態(tài)下，高持水率表現(xiàn)為水包油。在水是連通的高持水率下，油滴被水包圍，隨著乳化程度不同，油滴平均直徑為5～0.01mm范圍。這些油滴接觸到探針表面（粘附－電路隔離），在電路上相當(dāng)于探針的結(jié)緣膜局部增厚，會(huì)引起探頭電容的變化。沒(méi)有粘附到探針表面的其他自由流動(dòng)的油滴，對(duì)電容沒(méi)有影響，即電容僅僅探測(cè)與它接觸的油滴。此時(shí)，探頭電容測(cè)量值主要與油滴大小相關(guān)，油滴大油水分辨高，油滴小油水分辨低，測(cè)量電容值與持水率沒(méi)有確定的函數(shù)關(guān)系，見(jiàn)表2。

2）低持水率（小于0.35，油是連通相）。油水混合流動(dòng)狀態(tài)下，低持水率表現(xiàn)為油包水的流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)電容測(cè)量符合下列公式［4，5］：

式中：H為電容器高度，m；ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)／m；εmem為絕緣膜的相對(duì)介電常數(shù)，1；εmed為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，1；Rmem為絕緣膜的半徑，mm；r為中心電極半徑，mm；Rs為電容器外電極（殼）半徑，mm。

3）過(guò)渡區(qū)域（持水率0.35～0.50）。時(shí)間上和空間上都有油水互為連通相的局部區(qū)域，電容變化幅度大，持水率也會(huì)隨油水間存在狀態(tài)的變化而變化。

4 持水率計(jì)算方法影響與分析

水平井通常采用多個(gè)探頭測(cè)量持水率，如Sondex的陣列電容持水率計(jì)是通過(guò)沿井周排列的12個(gè)探頭測(cè)量井筒內(nèi)對(duì)應(yīng)的12個(gè)持水率數(shù)值。常規(guī)情況下，在水平井中油水可以認(rèn)為是分層流動(dòng)的，有較為清晰的油水界面，測(cè)量探頭不是在油中，就是在水中，或者在油水界面上，每個(gè)探頭測(cè)量的持水率與所探測(cè)的油水具有線性函數(shù)關(guān)系。要計(jì)算井內(nèi)某個(gè)截面上的總持水率，要根據(jù)12個(gè)探頭對(duì)應(yīng)的測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算得到。目前，國(guó)內(nèi)已有的算法有平均值法，即直接把12個(gè)探頭測(cè)量結(jié)果相加后除以12，得到平均值，即是井筒的持水率解釋結(jié)果；探頭權(quán)值法（測(cè)井技術(shù)），解釋持水率（持油率）時(shí)，根據(jù)每個(gè)探頭對(duì)總持水率的貢獻(xiàn)大小賦予一定權(quán)值，計(jì)算井筒持水率，該方法計(jì)算的持水率的精度比平均值法有所提高但誤差還是很大。中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司通過(guò)陣列探頭測(cè)量持水率的原理，提出了界面追蹤法和高斯插值法。上述2個(gè)計(jì)算持水率新方法的計(jì)算依據(jù)是水平井內(nèi)分層流動(dòng)的油水分界面高度可以準(zhǔn)確反映持水率的真實(shí)信息，通過(guò)計(jì)算油水界面高度就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出井內(nèi)持水率。當(dāng)油水界面處在任何一個(gè)探頭的6mm測(cè)量范圍內(nèi)時(shí)，都可以計(jì)算得到這個(gè)油水界面高度，反之則采用高斯插值法得到油水界面高度。

表1 探頭測(cè)量的電容量與實(shí)際持水率關(guān)系

表2 油滴大小與持水率關(guān)系測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論與建議

筆者通過(guò)大量試驗(yàn)分析，研究了直井、水平井和油水分布狀態(tài)對(duì)持水率測(cè)量的影響因素，總結(jié)了持水率測(cè)量的變化規(guī)律，并對(duì)不同計(jì)算方法的精度進(jìn)行了分析。

1）隨著含水率的增大，持水率增大，但往往不呈線性關(guān)系；而油水分離相的電容與持水率呈線性關(guān)系，電容與水的性質(zhì)無(wú)關(guān)，油品介電常數(shù)、黏度對(duì)電容影響較大。

2）持水率與流量關(guān)系密切，即與流速關(guān)系密切，低流量情況下，持水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于含水率，此時(shí)建議采用集流方法測(cè)量，人為增大流速。

3）水平井持水率與井斜角關(guān)系最為密切，尤其在井斜角90°附近時(shí)變化劇烈，計(jì)算持水率要與井眼軌跡相對(duì)應(yīng)。

4）油水分布狀態(tài)影響持水率測(cè)量結(jié)果，尤其是高含水情況下影響大。

［1］孫妍，張琳.原油含水率測(cè)量方法的研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013，41（7）：1207～1209.

［2］回雪峰，吳錫令.油田開(kāi)發(fā)中后期持水率測(cè)井技術(shù)研究與展望［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2004，19（1）：61～65.

［3］陳永昌.高靈敏度持水率儀研制與應(yīng)用［J］.測(cè)井技術(shù)，1993，14（2）：141～147.

［4］吳錫令.開(kāi)發(fā)測(cè)井原理［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］郭海敏.生產(chǎn)測(cè)井導(dǎo)論［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.