張洪, 邱金權(quán), 王青川, 甘常建, 劉彥鑫, 周峰

(青海油田測(cè)試公司, 青海 茫崖 816499)

0 引 言

產(chǎn)出剖面測(cè)井技術(shù)作為分析油層動(dòng)用狀況所必須的手段之一,為油田動(dòng)用狀況監(jiān)測(cè)、制定各種措施提供了依據(jù),在油田高效開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用。青海油田存在2個(gè)方面的油、氣、水三相流,一是開(kāi)發(fā)新區(qū)為油氣同產(chǎn)油藏;二是老油藏已處于開(kāi)發(fā)中后期,油井井筒內(nèi)流壓低于飽和壓力,普遍存在著脫氣現(xiàn)象,造成井內(nèi)出現(xiàn)油、氣、水三相流動(dòng),使井筒內(nèi)流型復(fù)雜多變,大大增加了其測(cè)井和解釋的困難和復(fù)雜程度。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,大慶油田與吉林大學(xué)最早合作提出了用于自噴井中的集流型放射性低能源測(cè)量油、氣、水三相流流量方法[1];隨著大量油井轉(zhuǎn)抽,大慶油田在原來(lái)三相流測(cè)井技術(shù)基礎(chǔ)上又研制了皮球及傘集流型環(huán)空三相流測(cè)井儀[2]。環(huán)空三相流產(chǎn)出剖面測(cè)井加入了放射性密度計(jì)的遙測(cè)三相流產(chǎn)出剖面組合測(cè)井儀[3],該儀器用渦輪流量計(jì)測(cè)量體積流量,用109Cd放射源發(fā)射的88 keV的γ射線和22 keV的X射線測(cè)量三相平均密度和持水率;大慶油田研制的分離式低產(chǎn)液三相流測(cè)井儀主要是根據(jù)各相的密度不同,對(duì)油、氣、水三相進(jìn)行了分離,首次實(shí)現(xiàn)了分相流量測(cè)量[4],但缺點(diǎn)是要求氣量相對(duì)較小;長(zhǎng)江大學(xué)開(kāi)展了光學(xué)法測(cè)量井下多相流中氣相流量的方法研究,采用光學(xué)多普勒-反射波法,利用光學(xué)多普勒效應(yīng)測(cè)量流體中氣相的流速,利用反射光波強(qiáng)度測(cè)量持氣率[5]。

青海油田針對(duì)油田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求,科學(xué)調(diào)研,加強(qiáng)外部技術(shù)單位合作,現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了超聲波-多普勒實(shí)驗(yàn)研究。其原理是利用超聲波多普勒效應(yīng)及油、氣、水聲阻抗的差異,油、氣、水反射的超聲波產(chǎn)生頻移,且正比于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,從而求得油、氣、水流速。由于其反射波能量正比于持油率、持氣率和持水率,從而可以直接求得各層油、氣、水量。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)16井次的應(yīng)用,基本上解決了青海油田油、氣、水三相流測(cè)井難題。

1 測(cè)量原理

超聲傳感器的基本原理是利用運(yùn)動(dòng)物體(油泡、氣泡)反射和散射超聲波信號(hào)的多普勒頻域效應(yīng)監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)速度(見(jiàn)圖1),通過(guò)超聲探頭發(fā)射高頻超聲信號(hào),該信號(hào)在油、氣、水三相流中傳播,遇到油泡、氣泡后,會(huì)形成多普勒散射,使用傳感器接收多普勒散射信號(hào);對(duì)多普勒散射信號(hào)作頻域分析,可直接得到油泡、氣泡的運(yùn)動(dòng)速度及等效橫截面積以及水的流速,通過(guò)運(yùn)動(dòng)速度及橫截面積,即可求得各相流量[6]。

圖1 超聲傳感器原理圖

1.1 油泡、氣泡流速的測(cè)量

油泡、氣泡流速的測(cè)量根據(jù)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。設(shè)v為被測(cè)物體(油泡、氣泡)的運(yùn)動(dòng)速度,v0為聲波的傳播速度,f為多普勒測(cè)速儀所發(fā)射的聲波頻率,在油井內(nèi)發(fā)射超聲波遇到油泡、氣泡時(shí),會(huì)在泡的界面產(chǎn)生反射或散射,這個(gè)散射波可視為新的波源,在散射產(chǎn)生的短暫時(shí)間內(nèi)可視為其與上升的井筒液體一起運(yùn)動(dòng)的波源,則散射時(shí)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而發(fā)生頻移的聲波頻率為f″。經(jīng)理論和實(shí)踐研究推導(dǎo)[7]

(1)

(2)

1.2 儀器結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

1.2.1 儀器結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

儀器主要由6部分組成(見(jiàn)圖2):導(dǎo)錐(便于儀器下井)、過(guò)濾器、傳感頭(為儀器的核心部位,在多相流測(cè)試中能有效排除干擾并保持信號(hào)強(qiáng)度)、密封圈、接頭及電路支架。性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

耐壓/MPa耐溫/℃?zhèn)鬏敺绞絻x器尺寸/mm電纜接口供電儀器串長(zhǎng)度/m0～600～150曼碼傳輸直徑26或38;長(zhǎng)度800單芯或多芯電纜DC+30V(帶高壓關(guān)斷功能)4.6(不含加重桿)

1.2.2 儀器特點(diǎn)

采集速度快,每個(gè)測(cè)試點(diǎn)在3 min左右完成;非集流方式,不影響井下流壓,不受地層水礦化度和流體性質(zhì)的影響,測(cè)試結(jié)果更真實(shí);直接測(cè)量分相流量,不用渦輪測(cè)總流量,科學(xué)、高效,有利于提高測(cè)試成功率;配套提供遙測(cè)、磁定位、溫度、壓力、伽馬以及電動(dòng)扶正器等;既能測(cè)油水、氣水兩相流,也能測(cè)油、氣、水三相流。

2 模擬試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析修正

以空氣、柴油和水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),在三相流模擬裝置中進(jìn)行試驗(yàn),獲取了理想的超聲波多普勒頻譜,并首次見(jiàn)到了油和氣的2個(gè)峰,為實(shí)現(xiàn)油、氣、水定量解釋提供了有效支撐。

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1.1 固定水量變油量或氣量的頻譜圖

在實(shí)驗(yàn)室,固定水量作了典型的油水兩相流、氣水兩相流、油氣水三相流的測(cè)試曲線。通過(guò)對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理后得到3幅功率譜曲線圖(見(jiàn)圖3至圖5)。

功率譜曲線的幅度反映超聲反射信號(hào)的強(qiáng)弱,其反映套管橫截面上油泡或氣泡多少。中心頻率反映了油泡或氣泡運(yùn)動(dòng)速度,運(yùn)動(dòng)速度越高,中心頻率越高,曲線越靠右。由于氣的滑脫速度大于油的滑脫速度,所以氣水兩相流的中心頻率比油水兩相流的中心頻率要高。功率譜的曲線頻率是區(qū)分油氣信號(hào)的依據(jù),氣的頻率高,油的頻率低。功率譜的曲線幅度是計(jì)算油量、氣量的依據(jù),幅度高,油量或氣量大,幅度低,油量或氣量小。

圖3為油水兩相流的功率譜曲線,固定水(12 m3/d)的情況下,曲線的幅度隨著油量(1.02～8.35 m3/d)的增加而增加;在水量不變的情況下,油量越大,反射信號(hào)越強(qiáng)。圖4為氣水兩相流的功率譜曲線,在固定水(12 m3/d)的情況下,曲線的幅度隨著氣量(2.6～13 m3/d)的增加而增加;在水量不變的情況下,氣量越大,反射信號(hào)越強(qiáng)。圖5為油氣水三相流的功率譜曲線。在固定氣(5.4 m3/d)、水(12 m3/d),改變油量(1.02～8.35 m3/d)的情況下,可以看出三相流的曲線是油水、氣水兩相流曲線的疊加。在三相流流動(dòng)情況下,流動(dòng)情況變得更為復(fù)雜,顯示為氣區(qū)中心頻率不穩(wěn)。

圖3 油水兩相流的功率譜曲線

圖4 氣水兩相流的功率譜曲線

圖5 油氣水三相流的功率譜曲線

2.1.2 固定油量或氣量變水量的頻譜圖

在實(shí)驗(yàn)室,固定油量或氣量作了油水兩相流、氣水兩相流的測(cè)試曲線。通過(guò)對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理后得到2幅功率譜曲線圖。

圖6為固定油量變水量的功率譜曲線圖。每1條曲線的油量固定,均為4.64 m3/d(常溫常壓),水量從上到下依次為4.8、12.0、26.4、36.0 m3/d,即紅線表示日產(chǎn)油4.64 m3、日產(chǎn)水4.8 m3時(shí)的功率譜曲線,綠藍(lán)黑曲線以此類(lèi)推。由圖6可見(jiàn),從紅到黑(從上到下),水量逐漸增大時(shí),頻率曲線的幅度逐漸減小、中心頻率(幅度最大值對(duì)應(yīng)的頻率)逐漸增大。

圖7為固定氣量變水量的功率譜曲線圖,每1條曲線的氣量固定,均為2.16 m3/d(常溫常壓),水量從上到下依次為4.8、16.8、26.4、36.0 m3/d,即紅線表示日產(chǎn)氣2.16 m3、日產(chǎn)水4.8 m3時(shí)的功率譜曲線,綠藍(lán)黑曲線以此類(lèi)推。由圖7可見(jiàn),從紅到黑(從上到下),水量逐漸增大時(shí),頻率曲線的幅度逐漸減小、中心頻率(幅度最大值對(duì)應(yīng)的頻率)逐漸增大。

圖6 固定油量(4.64 m3/d)變水量的頻譜曲線

圖7 固定氣量(2.16 m3/d)變水量的頻譜曲線

水相流量測(cè)量通過(guò)對(duì)多普勒散射信號(hào)頻域分析得到水的流速計(jì)算得到,隨著水量增加,流動(dòng)速度將變大,頻譜曲線的中心頻率增加,幅度下降,頻譜曲線積分面積減小,存在函數(shù)關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)分析處理

研究了油、氣、水與頻譜圖的關(guān)系,運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理,處理結(jié)果見(jiàn)圖8至圖10。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型樣本。油水兩相:油量范圍為1～14 m3/d,水量范圍為2.5～36 m3/d。氣水兩相:氣量范圍為1～24 m3/d,水量范圍為2.4～36 m3/d。油氣水三相:油量范圍為1～14 m3/d,水量范圍為3～32 m3/d,氣量范圍為1.44～9.6 m3/d。

輸入特征量:功率譜曲線(功率譜曲線的幅度反映超聲反射信號(hào)的強(qiáng)弱,其反映套管橫截面上油泡或氣泡多少;中心頻率反映了油泡或氣泡運(yùn)動(dòng)速度,運(yùn)動(dòng)速度越高,中心頻率越高,曲線越靠右。)

模型預(yù)測(cè)輸出量:油量、氣量和水量。

訓(xùn)練集:多組不同油量、水量或氣量下的功率譜曲線和對(duì)應(yīng)的油量、水量或氣量數(shù)據(jù)。

預(yù)測(cè)集:需預(yù)測(cè)油氣水量的功率譜曲線。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法:廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Matlab工具中的newgrnn函數(shù))。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):輸入層、隱藏層、輸出層。

利用多組不同油量、水量或氣量的功率譜曲線和它們對(duì)應(yīng)的油量、水量或氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,訓(xùn)練好網(wǎng)絡(luò)后,再輸入需要預(yù)測(cè)的功率譜曲線,計(jì)算其油量、水量或氣量。

圖8 油水兩相流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理曲線圖(油量1～14 m3/d;水量2.5～36 m3/d)

圖9 氣水兩相流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理曲線圖(氣量1～24 m3/d;水量2.4～36 m3/d)

圖10 油氣水三相流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理曲線圖(油量1～14 m3/d;氣量1.44～9.6 m3/d;水量3～32 m3/d)

用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)計(jì)算室內(nèi)儀器標(biāo)定精度。油水兩相流標(biāo)定平均誤差:油<10%、水<15%。氣水兩相流標(biāo)定平均誤差:氣<10%、水<15%。三相流標(biāo)定平均誤差:油<10%、氣<10%、水<15%(見(jiàn)表2)。

2.3 數(shù)據(jù)修正

測(cè)井儀器實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定條件與井下測(cè)井的工況條件不同,加之油水物理性質(zhì)不同,需要把井下測(cè)試的總流量功率譜曲線幅度和中心頻率修正到同流量的標(biāo)定條件進(jìn)行解釋。其修正系數(shù)為

幅度修正系數(shù)KA=A實(shí)測(cè)/A標(biāo)定

(2)

中心頻率修正系數(shù)Kf=f實(shí)測(cè)/f標(biāo)定

(3)

所有測(cè)點(diǎn)的功率譜曲線幅度和中心頻率乘以修正系數(shù),通過(guò)解釋模型可以得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的油、氣、水流量。圖11為不同油量下幅度和中心頻率隨水量的變化模擬圖。由11圖可見(jiàn),單看1條曲線,油量一定時(shí),幅度隨水量增大逐漸減小、中心頻率隨水量增大逐漸增大;同時(shí)看所有曲線且從小往上看,水量一定時(shí),幅度隨油量增大逐漸增大、中心頻率隨油量增大逐漸減小。

表2 儀器主要技術(shù)指標(biāo)表

圖11 不同油量下功率譜曲線幅度及中心頻率變化圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 油、氣、水同產(chǎn)井應(yīng)用(產(chǎn)氣量較高)

英東油田縱向油、氣、水層間互存在,產(chǎn)出均為油、氣、水三相同出?！辆疄?口抽油機(jī)井,2015年6月17日進(jìn)行超聲波三相流產(chǎn)出剖面測(cè)井,測(cè)前日產(chǎn)液13.63 m3,含水1.0%,產(chǎn)氣3 000 m3。從功率譜曲線圖及測(cè)井解釋成果圖上可以看出(見(jiàn)圖12至圖13),該井在高頻段均有幅度,說(shuō)明該井有油氣產(chǎn)出,第1、2、3、4、5測(cè)點(diǎn)的幅度值在高低頻率段都依次減小,說(shuō)明其測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層位均有油氣產(chǎn)出;從曲線的積分面積上看,其第2、5測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層位為油氣主要產(chǎn)層;從曲線的中心頻率上看,第1、2、3、4、5測(cè)點(diǎn)曲線的中心頻率無(wú)明顯變化,說(shuō)明其對(duì)應(yīng)層位無(wú)水產(chǎn)出;第6測(cè)點(diǎn)在全部產(chǎn)層以下,曲線歸零。

該井2014年5月7日采用集流傘六參數(shù)測(cè)井,解釋結(jié)果與超聲波三相流結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表3),集流傘測(cè)井方法存在一定缺陷,①不能定量解釋各小層的產(chǎn)氣狀況。超聲波三相流測(cè)井解釋Ⅻ-4+5、Ⅻ-4+5、Ⅻ-6+7、Ⅻ-8、Ⅻ-9小層均產(chǎn)氣。②由于產(chǎn)層段存在積液,受其影響,采用集流傘電容式持水率解釋含水偏高,其中Ⅻ-9小層含水率為82.51%,與實(shí)際不符。超聲波三相流測(cè)井解釋Ⅻ-9小層產(chǎn)水,且含水率為3.9%,與實(shí)際情況相符。

圖12 ×井點(diǎn)測(cè)頻率曲線圖橫坐標(biāo)f=300;縱坐標(biāo)A=10;1,2,3,4,5,6代表6個(gè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)深度,下同

圖13 ×井測(cè)井解釋成果圖

集流式測(cè)井(2014-05-07)超聲波三相流測(cè)井(2015-06-17)序號(hào)解釋層位產(chǎn)油量/(m3·d-1)產(chǎn)水量/(m3·d-1)總產(chǎn)液量/(m3·d-1)含水率/%備注產(chǎn)油量/(m3·d-1)產(chǎn)水量/(m3·d-1)總產(chǎn)液量/(m3·d-1)含水率/%脫氣量/%備注1Ⅻ-4+56.300.006.300.000.900.000.900.006.54次產(chǎn)2Ⅻ-4+510.40.0010.400.006.410.006.410.0037.59主產(chǎn)3Ⅻ-6+72.200.002.200.00產(chǎn)氣1.540.001.540.008.65次產(chǎn)4Ⅻ-84.900.305.205.77實(shí)際計(jì)算1.160.001.160.006.29次產(chǎn)5Ⅻ-90.532.503.0382.51實(shí)際計(jì)算3.480.143.623.9040.93主產(chǎn)合計(jì)24.330.3024.631.22地面計(jì)量13.490.1413.631.00100.0

3.2 井筒脫氣井應(yīng)用

南翼山油田為低孔隙度低滲透率油藏,目前處于開(kāi)發(fā)中后期,大部分油井的流壓低于飽和壓力,普遍存在著脫氣現(xiàn)象,造成了井內(nèi)出現(xiàn)油、氣、水三相流動(dòng)?！痢辆疄?口抽油機(jī)井,2015年6月19日進(jìn)行超聲波三相流產(chǎn)出剖面測(cè)井,測(cè)前日產(chǎn)液4.2 m3,含水55.0%,井口氣量較大。從功率譜曲線上可以看出(見(jiàn)圖14),第1、2、3層位對(duì)應(yīng)的曲線幅度和中心頻率依次降低,說(shuō)明其對(duì)應(yīng)的層位均有油氣產(chǎn)出;第4層位上下測(cè)點(diǎn)曲線基本重合,說(shuō)明無(wú)油氣產(chǎn)出;從曲線的積分面積上看,第5產(chǎn)層為主要產(chǎn)層。

該井2014年11月9日采用集流傘六參數(shù)測(cè)井,從對(duì)比解釋結(jié)果(見(jiàn)表4)看,超聲波三相流測(cè)井解釋Ⅲ-58、Ⅳ-4、Ⅳ-5、Ⅳ-14+15小層均脫氣;Ⅳ-4小層集流測(cè)井解釋為純油,超聲波三相流測(cè)井有脫氣顯示,含水率為32.6%,解釋結(jié)果更接近生產(chǎn)實(shí)際。

表4 ××井解釋結(jié)論對(duì)比表

圖14 ××井點(diǎn)測(cè)頻率曲線圖

3.3 地層出砂井應(yīng)用

躍進(jìn)二號(hào)油田油藏埋藏淺,壓實(shí)程度淺,膠結(jié)物含量高,黏土礦物多,地層疏松,巖石膠結(jié)強(qiáng)度低,出砂現(xiàn)象嚴(yán)重。采用集流式產(chǎn)出剖面測(cè)井,往往出現(xiàn)渦輪砂卡,成功率較低?！痢痢辆疄?口抽油機(jī)井,2012年10月4日進(jìn)行集流式產(chǎn)出剖面測(cè)井,因?yàn)榫壮錾皣?yán)重,點(diǎn)測(cè)時(shí)渦輪砂卡,測(cè)井未成功。2012年10月16日采用超聲波三相流測(cè)井儀測(cè)井成功,取得了合格資料。

4 結(jié) 論

(1) 超聲波-多普勒三相流測(cè)井通過(guò)發(fā)射高頻超聲信號(hào),對(duì)多普勒散射信號(hào)作頻域分析,可以獲得多相流體流動(dòng)截面的相態(tài)分布和速度分布,從而求準(zhǔn)各相流量。

(2) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究,證明了該方法在油、氣、水識(shí)別的可行性和可靠性。

(3) 完成現(xiàn)場(chǎng)5個(gè)油藏16井次測(cè)井實(shí)驗(yàn),克服了常規(guī)集流測(cè)井在三相流測(cè)井存在的油、氣、水識(shí)別的難題,為油、氣、水三相流測(cè)井提供了一種新的手段,同時(shí)該技術(shù)在出砂井也有較好應(yīng)用,具有良好的應(yīng)用前景。

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