王倩

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

大慶油田進(jìn)入開發(fā)后期,伴隨著高含水產(chǎn)生的問題就是流壓降低,許多產(chǎn)出井脫氣嚴(yán)重,井筒中存在油氣水三相流動(dòng)。三相流產(chǎn)出井,使用兩相流儀器及解釋方法獲得的資料進(jìn)行評(píng)價(jià)并不可靠,三相流產(chǎn)出剖面測井在大慶油田仍有適用性[1]。大慶油田從20世紀(jì)70年代開始,利用集流型低能源測量的方法解決三相流的問題,并逐步研制了遙測三相流產(chǎn)出剖面組合測井儀[2],其中,密度及持水率的測量依靠放射性鎘密度計(jì),在油田產(chǎn)液剖面測量中取得較好的效果。因?yàn)榄h(huán)保等問題,放射性流體密度測井越來越受到制約,逐漸被棄用。大慶油田研制成功非放射性環(huán)保型壓差密度計(jì)可以與現(xiàn)有的持水率計(jì)以及渦輪流量計(jì)配接,滿足現(xiàn)階段油、氣、水三相流產(chǎn)出剖面測量的需要。對于井下多相流測井解釋模型的選擇,吳錫令、郭海敏等[3-4]選用物理模型,從多相流動(dòng)機(jī)理出發(fā),建立已知量與待求量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。因?yàn)樵谇蠼膺^程中需要對實(shí)際物理過程進(jìn)行簡化,相關(guān)參數(shù)的選擇也需要先對流型進(jìn)行判斷,模型的可靠程度受到較多因素影響。金寧德等[5-7]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)模型和軟測量模型解決三相流問題,取得不錯(cuò)的預(yù)測效果。統(tǒng)計(jì)模型利用回歸分析處理測量物理量與所求物理量之間的關(guān)系。軟測量方法則不需要考慮物理模型的建立,可以避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算及計(jì)算過程中的誤差傳遞。

本文利用渦輪流量計(jì)、壓差密度計(jì)與電導(dǎo)探針含水率計(jì)的組合儀在三相流模擬井中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),考察已知密度、渦輪轉(zhuǎn)速及持水率的條件下三相流相關(guān)參數(shù)的求取方法,選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測三相流相關(guān)參數(shù),該方法在現(xiàn)有條件下能較好地解決問題。

圖2 儀器瞬時(shí)響應(yīng)值

1 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

模擬實(shí)驗(yàn)在三采實(shí)驗(yàn)室的多相流模擬井中進(jìn)行。模擬井高度為12 m,由2個(gè)管道組成,通過對閥的開關(guān)動(dòng)作可以設(shè)定其中的一個(gè)為進(jìn)液管,另一個(gè)為出液管。實(shí)驗(yàn)裝置其他重要部分還有油水分離、儲(chǔ)存供給裝置和流量控制部分。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用柴油、水和空氣,模擬井油水的最高流量可以配比到600 m3/d,氣的最高流量可以配比到2 500 m3/d,油水的最低流量可以配比到0.2 m3/d,氣的最低流量可以配比到3 m3/d。

實(shí)驗(yàn)所選儀器為傘集流的電導(dǎo)探針含水率計(jì)、壓差密度計(jì)和渦輪式流量計(jì)組成的產(chǎn)出剖面組合儀。儀器測量的參數(shù)包括持水率、混合密度及渦輪轉(zhuǎn)數(shù)。儀器在模擬井中的連接方式從上至下依次為上扶正器、壓差密度計(jì)、電導(dǎo)探針含水率計(jì)、渦輪流量計(jì)。

1.2 模擬實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)條件為常溫、常壓,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為油、氣、水三相?？偭髁孔兓秶?～80 m3/d,流量設(shè)計(jì)點(diǎn)為3、5、10、20、30、40、50、70、80 m3/d;含水率變化范圍為0～100%,以10%為步長變化;密度變化范圍0.2～0.9 g/cm3,以0.1 g/cm3為步長變化。依據(jù)實(shí)際配比狀況共錄取三相流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)248組。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及處理

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制不同密度、不同總流量下的渦輪響應(yīng)(見圖1)。從圖1中可以看出密度為0.7～0.9 g/cm3,隨著總流量變化,渦輪響應(yīng)基本上保持直線;當(dāng)密度為0.2～0.6 g/cm3,總流量小于30 m3/d時(shí)曲線出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。即隨著含氣量的升高儀器響應(yīng)不再是線性,建立數(shù)學(xué)模型有一定的難度。

圖1 不同密度下渦輪響應(yīng)曲線

以40 m3/d流量為例,觀察壓差密度計(jì)與探針持水率計(jì)的瞬時(shí)響應(yīng)值(見圖2)。相同密度、不同含水率條件下,壓差密度計(jì)瞬時(shí)響應(yīng)值不同,幅度也有變化。在相同含水率不同密度條件下,電導(dǎo)探針持水率計(jì)響應(yīng)值也有不同,幅度變化差異較大,即三相條件下,對于流型的復(fù)雜變化,儀器的瞬時(shí)響應(yīng)有一定反映。因此可以通過提取每個(gè)瞬時(shí)值的特征參數(shù)作為輸入預(yù)測三相流相關(guān)參數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測三相流各項(xiàng)參數(shù),可以避免解釋過程中復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。依據(jù)該算法建立三相流參數(shù)預(yù)測結(jié)構(gòu)圖(見圖3)。

圖3 三相流參數(shù)預(yù)測結(jié)構(gòu)圖

圖4 總流量、液相流量及含水率預(yù)測結(jié)果

利用壓差密度計(jì)每個(gè)流量點(diǎn)瞬時(shí)響應(yīng)值在時(shí)域中用時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)分析方法提取6個(gè)特征量分別為

最大值xmax=max(x1,x2,…,xn)

(1)

最小值xmin=min(x1,x2,…,xn)

(2)

(3)

(4)

(5)

變異系數(shù)cv=sd/mean

(6)

式中,xmax、xmin反映不同含氣量條件下壓差密度計(jì)響應(yīng)的波動(dòng)范圍;標(biāo)準(zhǔn)偏差sd反映測量數(shù)據(jù)的離散度;非對稱系數(shù)cs反映樣本繞均值的非對稱程度;峭度系數(shù)ck用于表示樣本分布與正態(tài)分布的偏離程度;變異系數(shù)cv是離散程度的一個(gè)歸一化量度。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)共錄取三相流數(shù)據(jù)248組,剔除壞點(diǎn),共有可用數(shù)據(jù)238組,隨機(jī)選取其中70%作為訓(xùn)練樣本,30%作為測試樣本,訓(xùn)練樣本167組,測試樣本71組。考慮到3層BP網(wǎng)絡(luò)能逼近任意函數(shù),選用的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)為3層。輸入層有9個(gè)變量(r,ρm,Yw,xmax,xmin,sd,cs,ck,cv),隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)選擇為19,訓(xùn)練步數(shù)為1 500,輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)輸出,分別為總流量Qt、液相流量Ql、含水率Kw。激活函數(shù)選用雙曲正切函數(shù)tanh (x),選用Levenbery-Marquardt(非線性阻尼最小二乘法)優(yōu)化算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)。71組測試樣本的預(yù)測結(jié)果及誤差情況見圖4。圖4中,大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)總流量與液相流量預(yù)測結(jié)果較好,但是含水率預(yù)測誤差較大,分析原因是由于電導(dǎo)探針持水率計(jì)含水率有效測量范圍為50%～100%,而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的含水率配比范圍則是從10%～100%,超出儀器測量范圍部分的測量值已經(jīng)失真,影響預(yù)測結(jié)果。將訓(xùn)練樣本和測試樣本中的10%～40%含水的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)刪除,剩余50%～100%含水的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)77組,選取其中57組作為訓(xùn)練樣本,其余20組作為測試樣本。

分別對總流量Qt、液相流量Ql及含水率Kw進(jìn)行預(yù)測。57組訓(xùn)練樣本BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果Qt、Ql、Kw的真值與預(yù)測值匹配圖見圖5。圖5中,訓(xùn)練樣本中的預(yù)測值與配比值誤差很小,幾乎都在45°線上。用訓(xùn)練樣本得到的BP網(wǎng)絡(luò)對20組測試樣本進(jìn)行仿真,預(yù)測結(jié)果見表1。測試樣本預(yù)測結(jié)果與配比值符合圖見圖6。

圖5 訓(xùn)練樣本Qt、Ql和Kw配比值與預(yù)測值

配比Qt 預(yù)測Qt 相對誤差/% 配比Ql預(yù)測Ql相對誤差/% 配比Kw 預(yù)測Kw 相對誤差/% 80.00 80.00 0.00 72.5071.251.73 0.90 0.99 10.45 70.00 70.00 0.00 63.5066.274.36 0.90 0.82 9.37 50.00 47.49 5.02 45.5043.913.49 0.90 0.99 10.45 40.00 40.00 0.00 36.5033.677.74 0.90 0.82 9.20 80.00 80.00 0.00 64.5067.063.97 0.80 0.80 0.32 70.00 70.00 0.00 56.5060.026.22 0.80 0.79 0.71 60.00 60.00 0.00 48.5049.471.99 0.80 0.77 3.16 50.00 50.00 0.00 40.5041.542.56 0.80 0.75 6.05 40.00 40.00 0.00 32.5032.570.22 0.80 0.73 8.60 30.00 30.00 0.00 24.5027.7513.28 0.80 0.66 17.95 80.00 80.00 0.00 56.5061.879.51 0.70 0.64 8.11 70.00 70.00 0.00 49.5053.508.09 0.70 0.67 4.25 60.00 60.00 0.00 42.5044.173.94 0.70 0.57 18.94 50.00 50.00 0.00 35.5037.244.91 0.70 0.63 10.18 30.00 30.00 0.00 21.5026.6924.16 0.70 0.72 3.20 70.00 64.53 7.81 42.5051.4321.00 0.60 0.66 10.80 60.00 59.84 0.27 36.5036.570.19 0.60 0.55 8.80 20.00 20.00 0.00 12.5012.933.42 0.50 0.61 21.76 50.00 40.00 20.00 25.5024.264.86 0.50 0.51 2.69 40.00 39.56 1.10 20.5021.545.09 0.50 0.55 9.31

圖6 測試樣本Qt、Ql和Kw配比值與預(yù)測值

3 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

用本文提出的方法解釋脫氣井8口,效果良好。表2為北4-100-丙250井,使用儀器為電導(dǎo)探針加密度測井,該井井口計(jì)量產(chǎn)量為32 m3/d,含水92.19%。解釋結(jié)果井口產(chǎn)量為30.869 m3/d,含水93.75%,與井口計(jì)量相吻合。利用該軟件解釋的液相流量及含水率與靜態(tài)資料相比符合較好。

表2 北4-100-丙250井低含氣三相流測井解釋成果表

4 結(jié) 論

(1) 脫氣井井筒內(nèi)為油氣水三相流動(dòng),紊流程度高,流型復(fù)雜多變,渦輪流量計(jì)的響應(yīng)是非線性的,含水率計(jì)與壓差密度計(jì)的響應(yīng)也受到流型的影響,對儀器的測量精度和解釋方法都有更高要求。

(2) 通過對壓差密度計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征向量的提取,在儀器的測量范圍之內(nèi),運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對特征量及測得的物理量進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測相關(guān)參數(shù),可較好地實(shí)現(xiàn)總流量、液相流量及含水率的預(yù)測。

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