胡金海,黃春輝,劉曉磊,杜佳楠,宋純高,李屹威

(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

高含水開發(fā)后期,油井內(nèi)流壓降低,井下普遍存在產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象,因此,油井井下油氣水三相流現(xiàn)象普遍存在。對于垂直井油水兩相流,已有成熟的產(chǎn)液剖面測量技術(shù)及解釋方法。阻抗式產(chǎn)液剖面測井儀[1-3]采用阻抗傳感器測量含水率,在水為連續(xù)相時對含水率的變化響應(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。渦輪流量計具有精度高、量程寬、重復(fù)性能好等優(yōu)點[4],已廣泛應(yīng)用于井下油水兩相流流量測量,并取得了良好的應(yīng)用效果[5-7]。但在油氣水三相流中,由于氣液之間密度差異大,受氣體滑脫等因素的影響,已不能進行含水率和流量的準確測量,需要引入氣相流量參數(shù),對流量和含水率進行校正。

圖1 光纖探針-阻抗傳感器-渦輪流量計組合測井儀結(jié)構(gòu)示意圖

早期采用集流式流量計和放射性密度計組合測量三相流。金寧德等[8-9]基于集流型渦輪流量計、放射性密度計、持水率計組合儀在油氣水三相流流動裝置中的動態(tài)試驗結(jié)果,建立了三相流渦輪流量計統(tǒng)計測量模型。由于放射性密度計早已停用,大慶油田測試分公司陸續(xù)研發(fā)了低產(chǎn)液三相流測井儀[10]、光纖持氣率計[11]等儀器。低產(chǎn)液三相流測井儀流量低于20 m3/d,應(yīng)用范圍受限;光纖持氣率計局限于對氣相響應(yīng)規(guī)律的研究,沒有和流量、含水率參數(shù)有機結(jié)合。

大慶油田測試分公司通過近幾年的理論和實驗研究,將光纖探針、阻抗傳感器和渦輪流量計有機組合,形成組合測井儀。通過在多相流模擬實驗裝置上油氣水三相流中的實驗,獲得了光纖探針、渦輪流量計以及阻抗傳感器在油氣水三相流下的響應(yīng)圖版,通過圖版插值法建立油氣水三相流解釋方法。

1 儀器結(jié)構(gòu)及實驗方案

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

圖1為光纖探針-阻抗傳感器-渦輪流量計組合測井儀結(jié)構(gòu)示意圖。傘式集流器有16根金屬傘筋,傘布采用高強度薄織料,集流器撐開后能夠?qū)?nèi)徑為125 mm的井筒密封,使待測的油氣水三相流被集流器集流后從其下方的進液口流入測量通道。光纖探針、阻抗傳感器和渦輪流量計依次安裝在集流器上部,油氣水三相流依次流經(jīng)光纖探針、渦輪流量計及阻抗傳感器,然后由出液口流回井筒。光纖探針位于流道截面中心,采用單探針結(jié)構(gòu),渦輪流量計及阻抗傳感器內(nèi)徑為19 mm、外徑為28 mm。

1.2 實驗方案

實驗?zāi)康氖峭ㄟ^在多相流模擬實驗裝置上進行油氣水三相流實驗,獲得光纖探針、渦輪流量計及阻抗傳感器在三相流下的響應(yīng)圖版,通過圖版插值法建立油氣水三相流解釋方法。

實驗在大慶油田測試分公司檢測實驗中心多相流實驗室油氣水三相流模擬井中進行。透明的有機玻璃井筒內(nèi)徑為125 mm,實驗介質(zhì)為自來水、柴油和壓縮空氣,實驗中油、氣、水的流量可以由儀表精確控制和計量。實驗設(shè)計時分別固定氣相流量、油水兩相流量和油水兩相含水率,氣體流量分別為0、3、6、10 m3/d;油水兩相流量分別設(shè)置為2、5、10、20、30、50 m3/d;油水兩相含水率分別設(shè)置為100%、90%、70%、50%。實驗中,先固定某一氣相流量,待氣相流量穩(wěn)定后調(diào)節(jié)某一設(shè)定流量下的油水兩相含水率,流動穩(wěn)定后進行測量。

2 在油氣水三相流中的響應(yīng)規(guī)律

2.1 光纖探針在油氣水三相流下的響應(yīng)規(guī)律

利用多相流模擬實驗裝置地面采集系統(tǒng)記錄不同氣相流量、不同油水兩相流量和含水率時的光纖探針響應(yīng),得到不同氣量下光纖探針響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版,圖2為氣相流量為3 m3/d時的響應(yīng)圖版。實驗數(shù)據(jù)表明:當(dāng)氣量相同時,光纖探針在油水兩相含水率50%～100%之間變化時輸出響應(yīng)較集中,受油水兩相含水率影響較小。

計算不同氣相流量下光纖探針響應(yīng)的平均值,得到不同氣量下光纖探針響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版(見圖3)。當(dāng)油水兩相流量相同時,氣量越高,光纖探針響應(yīng)越大,不同氣量曲線有較好的分辨率。誤差計算結(jié)果見表1,最大引用誤差為12.9%。

圖2 氣相流量為3 m3/d時的光纖探針響應(yīng)圖版

圖3 不同氣量下光纖探針響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版

表1 不同氣量下光纖探針響應(yīng)的引用誤差

圖4 氣相流量為3 m3/d時渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版

2.2 渦輪流量計在油氣水三相流下的響應(yīng)規(guī)律

氣相流量為3 m3/d時,渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版如圖4所示,實驗數(shù)據(jù)表明:當(dāng)氣相流量為3 m3/d時,不同含水率下的渦輪響應(yīng)曲線近于重合,這說明渦輪響應(yīng)與油水兩相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響很小。計算不同氣相流量時渦輪響應(yīng)平均值,得到渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版(見圖5)。在不同的氣相流量下,渦輪響應(yīng)與油水兩相流量呈較好的線性關(guān)系;當(dāng)油水兩相流量增加時,渦輪響應(yīng)線性增加;當(dāng)氣相流量增加時,渦輪響應(yīng)增加。誤差計算結(jié)果表明最大引用誤差為3%。

圖5 不同氣相流量下渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版

2.3 阻抗傳感器在油氣水三相流下的響應(yīng)規(guī)律

氣相流量分別為0、3、6、10 m3/d時含水率響應(yīng)圖版如圖6所示。當(dāng)加入不同流量的氣體后,含水率響應(yīng)明顯降低,含水率響應(yīng)有明顯的分辨率。計算油水兩相流量為40 m3/d、不同氣相流量下測得的含水率響應(yīng)測量誤差,計算結(jié)果如表2所示,最大測量誤差為7.1%。

圖6 不同氣相流量下含水率響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版

表2 不同氣相流量下含水率響應(yīng)引用誤差

3 三相流解釋方法的建立和使用

3.1 解釋方法的建立

通過圖版插值法建立油氣水三相流解釋方法(見圖7)。該方法只需要三相流條件下組合測井儀輸出的光纖探針響應(yīng)、渦輪響應(yīng)和含水率響應(yīng)這3個參數(shù),繪制3個參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系圖版,用圖版插值法確定氣相流量、油水兩相流量和油水兩相含水率,進一步完成油氣水三相流分相流量的解釋。具體分為3個步驟。

(1)氣相流量的確定。將圖3中不同氣相流量下光纖探針響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版與圖5中渦輪響應(yīng)與油水兩相流量響應(yīng)關(guān)系圖版相結(jié)合,建立不同氣相流量下光纖探針響應(yīng)與渦輪響應(yīng)關(guān)系圖版(見圖8)。對于某一測點已知可以測量的參數(shù)為:渦輪響應(yīng)、光纖探針響應(yīng)和含水率響應(yīng),用已測得的渦輪響應(yīng)和光纖探針響應(yīng),通過圖版插值法用渦輪響應(yīng)確定某一光纖探針響應(yīng)時的氣相流量。

圖7 油氣水三相流解釋方法框圖

圖8 不同氣相流量下光纖探針響應(yīng)與渦輪響應(yīng)關(guān)系圖版

(2)油水兩相流量的確定。在圖5不同氣量下渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版中,根據(jù)確定的氣相流量和渦輪響應(yīng)確定油水兩相流量。

(3)油水兩相含水率的確定。在確定氣相流量和油水兩相流量后,根據(jù)含水率響應(yīng),在圖6中不同氣量下的含水率響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版中插值,進一步確定油水兩相含水率。

基于圖版插值的三相流解釋方法,如果不需要折算出標準大氣壓下的氣量大小,就不需要溫度壓力校正。在不同壓力下,渦輪響應(yīng)與光纖探針響應(yīng)的關(guān)系不發(fā)生變化,通過解釋方法就能獲得對應(yīng)壓力條件下的氣相流量值。例如,在某一深度點測得氣量為5 m3/d,查氣量為5 m3/d時的流量圖版和含水率圖版,得到氣量為5 m3/d時的油水兩相流量和油水兩相含水率。在特定壓力情況下,渦輪響應(yīng)、油氣水三相總流量及光纖探針響應(yīng)之間的關(guān)系不發(fā)生變化,所以不進行溫度壓力校正,并不影響準確獲得油水兩相流量及油水兩相含水率,此時氣量起到的是催化劑作用。如果測量得到的各參數(shù)響應(yīng)值沒在特定的實驗圖版上,可通過線性插值法獲得相應(yīng)的圖版。

3.2 解釋方法的使用

(1)氣相流量的確定。通過儀器測量獲得光纖探針響應(yīng)、渦輪響應(yīng)、含水率響應(yīng)后,使用圖版法進行油氣水三相流的解釋。通過渦輪響應(yīng)與光纖探針響應(yīng)關(guān)系圖版(見圖8)確定氣相流量,如某一測點測量的渦輪響應(yīng)為40 Hz、光纖探針響應(yīng)為2 500 Hz,含水率響應(yīng)為0.7,通過查圖版法確定氣相流量。渦輪響應(yīng)為40 Hz與光纖探針響應(yīng)為2 500 Hz的交點位于氣量為3 m3/d和氣量為6 m3/d的2條曲線之間,通過線性插值的方法可得氣相流量為4.18 m3/d。

(2)油水兩相流量的確定。利用得到的氣相流量在渦輪響應(yīng)與油水兩相流量響應(yīng)關(guān)系圖版(見圖5)中,通過查圖版法確定油水兩相流量。對應(yīng)渦輪響應(yīng)40 Hz沿X軸方向畫一直線,與氣量為3 m3/d和6 m3/d的2條曲線分別有一個交點,再通過線性插值獲得當(dāng)氣相流量為4.18 m3/d時的油水兩相流量為27.99 m3/d。

(3)油水兩相含水率的確定。利用得到的油水兩相流量和測得的含水率響應(yīng)確定油水兩相含水率:①在氣相流量3 m3/d時含水率圖版中(見圖6),通過插值法確定含水率響應(yīng)為0.7、油水兩相流量為27.99 m3/d時對應(yīng)的含水率Y1=81.94%;②在氣相流量6 m3/d時含水率圖版中(見圖6),通過插值法確定含水率響應(yīng)為0.7、油水兩相流量為27.99 m3/d時對應(yīng)的含水率Y2=93.02%;③通過插值法確定氣相流量4.18 m3/d對應(yīng)的油水兩相含水率Y=86.30%。

4 現(xiàn)場測井實例

在喇10-xx井中使用組合測井儀進行產(chǎn)液剖面測井,該井井口計量日產(chǎn)液量51.21 m3/d,化驗含水率為96.6%。現(xiàn)場測井所得的渦輪響應(yīng)、含水率響應(yīng)及光纖探針響應(yīng)值見表3。根據(jù)所測得的各參數(shù)響應(yīng)值,利用圖版插值法,確定了氣相流量、油水兩相流量和油水兩相含水率,完成油氣水三相流分相流量的解釋,解釋成果表見表4。測量全井合層產(chǎn)液量47.1 m3/d、全井合層含水率為96.3%,測量的流量與測量的含水率都與井口計量值非常接近,驗證了解釋結(jié)果的可靠性。由表3可見該井中測點深度1 010.0 m對應(yīng)的層位SI(1)～SI4+5(2)為主產(chǎn)液層,同時也是主產(chǎn)水層和主產(chǎn)油層,測點深度1 070.0 m對應(yīng)的層位SII10+11～SII12-14為主產(chǎn)氣層。

表3 喇10-xx井測井?dāng)?shù)據(jù)

表4 喇10-xx井測井解釋成果表

5 結(jié) 論

(1)依據(jù)光纖探針-阻抗傳感器-渦輪流量計組合測井儀在多相流模擬井油氣水三相流中的標定實驗,形成了光纖探針、渦輪流量計以及阻抗傳感器在三相流下的響應(yīng)圖版,建立了油氣水三相流的解釋方法,用圖版插值法確定氣相流量、油水兩相流量和油水兩相含水率,進一步完成油氣水三相流分相流量的解釋,通過該方法解釋出產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量、含水率。

(2)在特定壓力情況下,渦輪響應(yīng)、油氣水三相總流量及光纖探針響應(yīng)之間的關(guān)系不發(fā)生變化,所以不進行溫度壓力校正,并不影響準確獲得液相流量及液相含水率,解釋方法簡單易于計算,簡化圖版標定的工作量,使儀器更易推廣應(yīng)用。