李軍,黃春輝,胡金海,劉艷玲,卞紅梅,廉建東

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

0 引 言

大慶油田目前處于高含水開發(fā)期,受原油伴生氣以及水驅(qū)、氣驅(qū)等因素的影響,生產(chǎn)井普遍存在產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象,因此,目前油井油/氣/水三相流現(xiàn)象普遍。對(duì)于垂直井筒中油/水兩相來說,已有成熟的產(chǎn)液剖面測(cè)量技術(shù),阻抗式產(chǎn)液剖面測(cè)井儀[1-3]已在大慶、吉林等油田廣泛應(yīng)用,并獲得了良好的效果。該儀器在油/水兩相流水為連續(xù)相時(shí)對(duì)持水率的變化響應(yīng)靈敏,具有很好的重復(fù)性、一致性,能提供可靠的含水率信息,但是對(duì)于油/氣/水三相流,由于氣液之間密度差異大、氣泡的表面張力大,導(dǎo)致氣液混合不均勻,油/氣/水三相流體的流型、流態(tài)復(fù)雜,嚴(yán)重影響了儀器的測(cè)量精度[4-5]。因此,急需開發(fā)一種簡單、有效的三相流條件下提高產(chǎn)液剖面測(cè)井質(zhì)量的新技術(shù)。

大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司早期采用集流式流量計(jì)和放射性密度計(jì)組合來測(cè)量三相流[6-7]。近年來,陸續(xù)研發(fā)了光纖持氣率計(jì)[8]、低產(chǎn)液三相流測(cè)井儀[9]等新儀器。光纖持氣率計(jì)通過測(cè)量三相總流量、持水率和持氣率,結(jié)合溫度、壓力測(cè)量,采用解釋模型獲得油/氣/水的分相流量。低產(chǎn)液三相流測(cè)井儀利用油、氣、水三相密度差異,在重力作用下分層累積,通過測(cè)量油水界面的下移時(shí)間測(cè)量油相流量。由于三相流測(cè)井儀器技術(shù)相對(duì)復(fù)雜、標(biāo)定工作量大、解釋復(fù)雜,推廣應(yīng)用受到一定限制。

為進(jìn)一步提高油/氣/水三相流條件下的產(chǎn)液剖面測(cè)井質(zhì)量,本文在阻抗式含水率計(jì)的基礎(chǔ)之上研制了氣體分流型產(chǎn)液剖面測(cè)井儀,提高了三相流條件下的產(chǎn)液剖面測(cè)井質(zhì)量。

1 氣體分流原理與儀器結(jié)構(gòu)

在井下實(shí)現(xiàn)氣液實(shí)時(shí)分流,使氣體不流經(jīng)測(cè)量通道,不測(cè)量氣體,只測(cè)量液體,達(dá)到三相流條件下保證產(chǎn)液剖面測(cè)井資料質(zhì)量的目的。在阻抗式含水率計(jì)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了用于分流氣體的氣液分流器。氣液分流器安裝在傘式集流器頂端,分流器的入口在集流器頂部,在油/氣/水三相流中,由于氣體的密度小,聚集在集流傘頂部,氣體經(jīng)入口進(jìn)入分流器分流出去而不經(jīng)過測(cè)量通道,液相流體則進(jìn)入到測(cè)量通道內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,從而減小了氣體對(duì)測(cè)量的影響,提高了測(cè)井精度。

儀器結(jié)構(gòu)包括集流傘、氣液分流器、渦輪流量計(jì)、含水率計(jì)及電路短接。氣液分流器安裝在集流傘的上部。氣體分流通道入口在集流傘內(nèi)部的頂端,出口位于集流傘外部。三相流中氣體在集流傘頂端從進(jìn)氣孔進(jìn)入分流通道,從排氣出口直接排出。而液相流體則從進(jìn)液口進(jìn)入到測(cè)量通道內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量,從出液口流出儀器。測(cè)量段內(nèi)由渦輪流量計(jì)和含水率計(jì)組成。

2 實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在大慶油田多相流實(shí)驗(yàn)室的油/氣/水三相流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。有機(jī)玻璃井筒內(nèi)徑為125 mm,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為清水、柴油和空氣。渦輪流量計(jì)及阻抗傳感器內(nèi)徑為19 mm。根據(jù)儀器的工作原理及儀器結(jié)構(gòu)等條件,實(shí)驗(yàn)時(shí)氣體流量分別為3、5 m3/d,油/水液相流量范圍3～60 m3/d,含水率調(diào)節(jié)范圍50%～100%。分別在單相水、油/水兩相、油/氣/水三相條件下進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),與原阻抗式產(chǎn)液剖面儀器進(jìn)行了流量標(biāo)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 單相水及油/水兩相流中的流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

氣體分流型產(chǎn)液剖面測(cè)井儀在單相水及油/水兩相流中進(jìn)行了渦輪流量計(jì)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn),標(biāo)定圖版見圖1。油/水兩相流中流量范圍5～60 m3/d,含水率50%～100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,①渦輪流量計(jì)工作穩(wěn)定,在單相水中渦輪響應(yīng)與水流量有較好的線性關(guān)系。②在油/水兩相流中渦輪響應(yīng)與流量具有較好的線性關(guān)系,并且油/水兩相含水率變化時(shí)渦輪響應(yīng)不變,渦輪響應(yīng)不受油/水比例變化的影響。

圖1 在油/水兩相流中的流量標(biāo)定圖版

2.2 油/氣/水三相流中的流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

在不同氣體流量條件下標(biāo)定了氣體分流型產(chǎn)液剖面測(cè)井儀在油/氣/水三相流中的渦輪流量計(jì)響應(yīng)曲線。圖2為氣體流量分別為3 m3/d和5 m3/d時(shí)變化液相流量及液相含水率測(cè)量的渦輪流量計(jì)流量標(biāo)定圖版,液相流量從60 m3/d逐漸遞減5 m3/d,含水率從100%逐漸遞減到50%。測(cè)量數(shù)據(jù)表明,①在同一氣體流量下保持液相流量不變、液相含水率從100%變化到50%時(shí),渦輪響應(yīng)數(shù)值基本不變,即渦輪響應(yīng)受油/水比例變化影響很小。②加入氣體流量5 m3/d和3 m3/d時(shí)標(biāo)定的渦輪響應(yīng)規(guī)律一致,沒有隨氣相流量的增加而增加。③由于氣液分流器的作用,氣體主要在集流傘頂端從分流通道直接排出,測(cè)量通道內(nèi)以液相流體為主。但在氣量較大時(shí)會(huì)有少量氣體隨機(jī)進(jìn)入測(cè)量通道,對(duì)流量仍有一定影響,在低流量時(shí)渦輪流量計(jì)響應(yīng)靈敏度相對(duì)偏低。

圖2 在油/氣/水三相流中的流量標(biāo)定圖版

2.3 氣/水兩相流中的流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析

為了解氣體分流型產(chǎn)液剖面測(cè)井儀在油/氣/水三相流下流量測(cè)量效果,分別在分流氣體和未分流氣體2種情況下進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中用氣/水兩相流模擬油/氣/水三相流。水流量范圍1～60 m3/d,氣體流量分別為1、3 m3/d和5 m3/d。

圖3為未使用氣液分流器時(shí)在氣/水兩相流條件下的渦輪響應(yīng)圖版。渦輪在低液量和高流量時(shí)有不同的規(guī)律,在水流量高于10 m3/d時(shí),保持氣量不變,渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系。而在低液量下,即在水流量低于10 m3/d時(shí),渦輪響應(yīng)與水相流量呈非線性關(guān)系,而且隨著氣量的增加,氣相對(duì)渦輪起主導(dǎo)作用,使渦輪響應(yīng)明顯偏高,此時(shí)渦輪對(duì)液相流量失去了分辨能力。因此,渦輪流量計(jì)在氣/水兩相流中測(cè)量低液相流量會(huì)有較大誤差,誤差計(jì)算結(jié)果表明多數(shù)測(cè)點(diǎn)的引用誤差大于5%,最大測(cè)量誤差達(dá)到21%。

圖4為氣體分流型產(chǎn)液剖面測(cè)井儀在氣/水兩相流條件下的流量標(biāo)定圖版。標(biāo)定結(jié)果表明:加入不同氣體流量時(shí),渦輪響應(yīng)與水流量呈線性關(guān)系,渦輪響應(yīng)頻率與清水中的渦輪頻率基本相同。在較低液相流量時(shí),渦輪響應(yīng)頻率沒有明顯向上偏高,而是呈較好的線性關(guān)系,說明氣體分流器的設(shè)計(jì)起到了分流氣體的效果。將加入不同氣體流量時(shí)標(biāo)定的渦輪響應(yīng)頻率取平均值得到氣/水兩相流條件下的流量標(biāo)定曲線,用平均值曲線作為標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行流量誤差計(jì)算。表1是在不同氣相流量條件下,液相流量分別為1、3、5、10、20、40、60 m3/d時(shí)渦輪流量計(jì)在氣水兩相流條件下標(biāo)定的引用誤差,分別用δq1、δq3、δq5、δq10、δq20、δq40、δq60表示,計(jì)算結(jié)果表明:在加入氣體流量為5 m3/d以下時(shí)引用誤差不大于5%,加氣時(shí)的流量測(cè)量誤差明顯減小,尤其是低流量時(shí)測(cè)量精度明顯提高,氣體分流器能夠提高低氣量條件下的液相流量測(cè)量效果。

圖4 分流氣體時(shí)渦輪流量計(jì)氣/水兩相流標(biāo)定圖版

表1 氣/水兩相流流量測(cè)量誤差

2.4 油/氣/水三相流中含水率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

圖5為未安裝氣體分流器的阻抗含水率計(jì)在加入氣體流量3 m3/d時(shí)標(biāo)定的油/氣/水三相流含水率響應(yīng)圖版。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:加入氣體后相對(duì)應(yīng)的含水率響應(yīng)明顯降低,測(cè)量的含水率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)含水率;尤其是在低流量、高含水時(shí),氣體對(duì)含水率測(cè)量影響尤為嚴(yán)重。誤差計(jì)算結(jié)果表明,液相流量越低含水率測(cè)量誤差越大,最大測(cè)量誤差達(dá)到30%。

圖5 未分流氣體時(shí)氣流量3 m3/d時(shí)油/氣/水三相中的含水率標(biāo)定圖版

圖6為氣體分流型產(chǎn)出剖面測(cè)井儀在加入氣體流量3 m3/d和5 m3/d時(shí)標(biāo)定的油/氣/水三相流含水率響應(yīng)圖版。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于氣體經(jīng)氣體分流器排出,沒有流入測(cè)量通道,加入氣體后相對(duì)應(yīng)的含水率響應(yīng)與未加入氣體的含水率響應(yīng)曲線基本一致,測(cè)量的含水率與標(biāo)準(zhǔn)含水率基本一致。在低流量、高含水時(shí),含水率儀器響應(yīng)有明顯改善。將加入不同氣體流量時(shí)的含水率響應(yīng)值取平均值,利用這些平均值制作的圖版作為油/氣/水三相流條件下的含水率標(biāo)定圖版,以該圖版為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行誤差計(jì)算。表2是不同液相流條件下誤差計(jì)算結(jié)果,其中δk90、δk70、δk50表示氣相流量為5 m3/d且含水率分別為90%、70%和50%的含水率測(cè)量誤差。結(jié)果表明,加入不同流量氣體后含水率測(cè)量誤差不大于6%。在氣量較大時(shí)會(huì)有少量氣體隨機(jī)進(jìn)入測(cè)量通道,對(duì)含水率測(cè)量有一定影響,含水率越高含油量越少,液相含水率增大時(shí)含水率測(cè)量受氣相分流效果影響越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氣體分流器顯著提高了含水率測(cè)量精度,測(cè)量精度提高20%以上。

圖6 氣體分流型產(chǎn)出剖面測(cè)井儀油/氣/水三相中的含水率標(biāo)定圖版

表2 氣相流量5 m3/d條件下含水率分別為90%、70%和50%的含水率測(cè)量誤差

3 結(jié) 論

(1)油/氣/水三相流中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加入氣體流量在5 m3/d以下時(shí)流量測(cè)量誤差不大于5%,含水率測(cè)量誤差不大于6%。

(2)在低產(chǎn)氣條件下,氣體分流型產(chǎn)液剖面測(cè)井儀能夠有效提高流量及含水率的測(cè)井效果。

(3)氣液分流型產(chǎn)液剖面測(cè)井儀結(jié)構(gòu)簡單,與三相流測(cè)井儀相比,標(biāo)定工作量小、資料解釋簡單、易于規(guī)模應(yīng)用。

(4)要進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)評(píng)價(jià)及對(duì)比分析,優(yōu)化儀器結(jié)構(gòu),投入現(xiàn)場應(yīng)用。