王延軍,袁旭東,冀龍生,薛輝,李榮強(qiáng),王增林

(1.中國石化勝利油田分公司油藏動態(tài)監(jiān)測中心,山東東營257000;2.青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東青島266525;3.中國石化勝利油田分公司,山東東營257000)

0 引 言

水平井油水兩相流產(chǎn)液剖面測井技術(shù)是水平井高效開發(fā)的重要支撐技術(shù),水平井油水兩相流產(chǎn)液剖面測井資料為水平井優(yōu)化注采方案、堵水、調(diào)剖等增產(chǎn)措施的實(shí)施及效果評價(jià),提供必需的關(guān)鍵參考資料。由于水平井中油水兩相流流型復(fù)雜多變[1-4],水平井中油水兩相流持水率的測量相對于垂直井更加困難。

目前,中國的測井公司自主研制的水平井產(chǎn)液剖面測井系列儀器普遍采用集流式測井方案,采用電容法(通常采用筒狀電容傳感器)和電導(dǎo)法(通常采用環(huán)形電導(dǎo)傳感器)組合進(jìn)行油水兩相流持水率測量[5-10]。但是,工程實(shí)際應(yīng)用中存在問題:電容傳感器容易受到原油沾污的影響,測量精度難以保證;環(huán)形電導(dǎo)傳感器在水平井中由于無法實(shí)時(shí)在線校正溫度和礦化度的影響,導(dǎo)致持水率測量誤差增大。

國外測井公司普遍采用陣列式轉(zhuǎn)子流量傳感器、陣列式電學(xué)/光學(xué)持率傳感器分布在井筒流動界面的不同方位,分別測量油水分相流量和相持率。Baker Atlas公司的陣列電容流量計(jì)和Sondex公司的電容陣列測井儀,都是采用陣列電容傳感器測量持水率[11-12]。Schlumberger公司的流體掃描成像儀,采用5個(gè)轉(zhuǎn)子流量傳感器、6個(gè)電導(dǎo)探針傳感器和6個(gè)光纖探針傳感器,分別測量油氣水分相流量、持水率以及持氣率[13]?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證明,國外測井公司的上述測井儀器,不適用于中國中低產(chǎn)液水平井的產(chǎn)液剖面測井。為解決中國中低產(chǎn)液水平井的產(chǎn)液剖面測井問題,必須根據(jù)中國水平井的開發(fā)特點(diǎn)進(jìn)行自主創(chuàng)新。

該文采用集流式測井方案,設(shè)計(jì)了環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器與周向陣列電導(dǎo)探針傳感器組合結(jié)構(gòu),利用周向陣列電導(dǎo)探針傳感器測量水相電導(dǎo)率的方法,解決了環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器測量持水率時(shí)的溫度和礦化度校正問題,并在此基礎(chǔ)上開展了模擬井實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 水平井油水兩相流電導(dǎo)傳感器持水率測量原理

胡金海等[5]、劉興斌[14]提出了一種用于垂直井中產(chǎn)液剖面油水兩相流持水率測量的四電極環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器,采用這種四電極環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器測量水平井中產(chǎn)液剖面油水兩相流持水率時(shí),由于無法測量到水相電導(dǎo)率,不能校正地層環(huán)境溫度和流體礦化度對持水率測量結(jié)果的影響,導(dǎo)致持水率測量誤差大。該文設(shè)計(jì)了一種環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器與周向陣列電導(dǎo)探針傳感器組合結(jié)構(gòu)的持水率測量傳感器,采用周向陣列電導(dǎo)探針傳感器測量水相電導(dǎo)率,在此基礎(chǔ)上校正地層環(huán)境溫度和流體礦化度對持水率測量結(jié)果的影響,提高持水率測量精度[15]。圖1為水平井油水兩相流持水率測量傳感器示意圖,包括A、B這2類不同結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)傳感器。A類為環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器,由4個(gè)圓環(huán)形電導(dǎo)電極(圖1中1～4所示)按照一定間距排列構(gòu)成;B類為周向陣列電導(dǎo)探針傳感器,由4個(gè)微型電導(dǎo)探針(圖1中5～8所示)按照90°圓心角等間距排列構(gòu)成。圖2為水平井產(chǎn)液剖面持水率測量實(shí)驗(yàn)樣機(jī)安裝在模擬井筒中的示意圖,主要包括集流器、持水率傳感器、扶正器和測量電路。

圖1 水平井油水兩相流持水率測量傳感器示意圖

圖2 水平井產(chǎn)液剖面持水率測量實(shí)驗(yàn)樣機(jī)示意圖

水平井中持水率測量原理簡述[5,14]:當(dāng)油水兩相流在模擬井筒中流動時(shí),首先由測量電路控制集流器打開,封閉樣機(jī)和模擬井筒之間的環(huán)形空間,油水兩相流體由集流器的進(jìn)液口進(jìn)入持水率傳感器的測量通道,由環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器測量油水兩相流的混相電導(dǎo)率σm,與其對應(yīng)的輸出混相電壓為Vm;然后由測量電路控制集流器關(guān)閉,油水兩相流體由于重力作用在持水率傳感器的測量通道內(nèi)分層,此時(shí)由周向陣列電導(dǎo)探針傳感器測量水相電導(dǎo)率σw,與其對應(yīng)的輸出水相電壓為Vw;油水兩相流的持水率Y(也稱為儀器響應(yīng))為

(1)

式中,Vw為水相電壓,V;Vm為混相電壓,V。

若想獲得油水兩相流的含水率,需要對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在水平井多相流模擬實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行油水兩相流條件下的標(biāo)定,獲得含水率—持水率標(biāo)定圖版,進(jìn)行滑脫校正,可以將持水率換算成含水率。

2 實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方案

將研制的水平井產(chǎn)液剖面持水率測量實(shí)驗(yàn)樣機(jī),在大慶油田多相流實(shí)驗(yàn)室水平井模擬實(shí)驗(yàn)裝置上開展油水兩相流持水率測量動態(tài)實(shí)驗(yàn)。

采用內(nèi)徑為125 mm的透明有機(jī)玻璃圓管模擬油層套管,溫度和壓力的實(shí)驗(yàn)條件為常溫、常壓。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為自來水和柴油,總流量點(diǎn)分別設(shè)定為3、5、10、30、40、60、100、120、150、200 m3/d,以上每個(gè)流量點(diǎn)含水率的調(diào)配范圍從高到低為100%～30%,含水率調(diào)配步長為10%。

以垂直方向0°、水平方向90°作為參考,模擬的井筒傾斜角分別設(shè)置為85°、88°(85°和88°時(shí)流體向上流動)、90°(流體水平流動)、92°、95°(92°和95°時(shí),流體向下流動)。

①當(dāng)流量大于30 m3/d時(shí),每個(gè)含水率調(diào)配完成后,每個(gè)設(shè)定的流量點(diǎn)穩(wěn)流10 min后再打開集流器;②當(dāng)流量小于30 m3/d時(shí),每個(gè)含水率調(diào)配完成后,每個(gè)設(shè)定的流量點(diǎn)穩(wěn)流30 min后再打開集流器;③集流器完全打開后再等待3 min,開始進(jìn)行油水兩相流混相電導(dǎo)率的測量,傳感器測量的時(shí)間設(shè)定為3 min,每1 s采集2個(gè)數(shù)據(jù),共采集360個(gè)混相電導(dǎo)率的測量數(shù)據(jù);④關(guān)閉集流器進(jìn)行水相電導(dǎo)率的測量,傳感器測量時(shí)間也設(shè)定為3 min,每1 s采集2個(gè)數(shù)據(jù),共采集360個(gè)水相電導(dǎo)率的測量數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3～圖7分別為模擬井筒傾斜85°、88°、90°、92°、95°時(shí),繪制的不同流量和含水率條件下的持水率測量圖版,圖版中不同顏色的曲線代表不同含水率時(shí)的持水率測量曲線。可以看出持水率測量結(jié)果不但取決于含水率,也與流量有關(guān);5個(gè)傾斜角下持水率測量曲線形態(tài)具有良好的一致性。進(jìn)一步分析不同傾斜角下的持水率測量圖版可知,測量持水率與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)含水率的關(guān)系具有明顯規(guī)律性。在低流量段,即當(dāng)油水兩相流總流量小于30 m3/d時(shí),測量持水率不僅取決于含水率,還與流量相關(guān)。在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)含水率保持不變時(shí),測量持水率隨流量的降低而向高含水率方向移動,造成這一現(xiàn)象的原因是油水之間存在密度差,油相以高于水相的速度流動。因此,在某個(gè)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)含水率條件下,低流量時(shí)的測量持水率要高于高流量時(shí)的測量持水率。隨著平均流速的降低,油水滑脫速度差相對于平均流速增大,尤其在總流量小于10 m3/d時(shí),滑脫現(xiàn)象更為顯著,導(dǎo)致持水率與含水率之差變大。目前,在用的其他類型的水平井持水率測量儀器難以較好地反映低流速時(shí)的油水滑脫現(xiàn)象。例如電容類持水率儀器,由于電容電極容易受到油相沾污的影響,很難獲得精準(zhǔn)的持水率—含水率測量曲線。但是,本文中提出的環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器—周向陣列電導(dǎo)探針傳感器組合的持水率測量方法能夠很好地反映低流速時(shí)的油水滑脫現(xiàn)象,表明持水率測量方法在油水兩相流低流量時(shí)具有明顯的優(yōu)勢。

圖3 85°傾斜角不同流量和含水率時(shí)持水率測量圖版

圖4 88°傾斜角不同流量和含水率時(shí)持水率測量圖版

圖5 90°傾斜角不同流量和含水率時(shí)持水率測量圖版

圖6 92°傾斜角不同流量和含水率時(shí)持水率測量圖版

圖7 95°傾斜角不同流量和含水率時(shí)持水率測量圖版

為了進(jìn)一步考察傾斜角對油水兩相流中高流量時(shí)持水率測量的影響,把5個(gè)傾斜角、含水率為30%～90%、流量為30～200 m3/d的持水率測量數(shù)據(jù)繪制在一個(gè)圖版中(見圖8)?？梢钥闯?當(dāng)油水兩相流總流量大于60 m3/d且設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)含水率大于60%時(shí)、當(dāng)油水兩相流總流量大于100 m3/d且設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)含水率大于30%時(shí),測量的持水率與標(biāo)準(zhǔn)含水率近似為一平坦曲線;由于油水的滑脫速度與總平均流速相比很小,因而流量變化對持水率測量的影響也很小,此時(shí)在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的流動通道內(nèi)持水率與含水率很接近;實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的持水率測量數(shù)據(jù)受傾斜角影響較小,可忽略。當(dāng)油水兩相流總流量小于60 m3/d時(shí),實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的持水率測量數(shù)據(jù)受傾斜角影響較大,不可忽略。因此,在研制水平井產(chǎn)液剖面測井組合儀器時(shí)要包括井筒傾斜角測量模塊,同時(shí)必須建立針對不同傾斜角條件下的測井解釋模型。

圖8 5個(gè)傾斜角不同流量和含水率時(shí)持水率測量圖版

4 持水率測量誤差評價(jià)

由于隨機(jī)誤差的存在,等精度測量列中各個(gè)測得值一般不相同,它們圍繞該測量列的算術(shù)平均值有一定分散,分散程度說明了單次測得值的不可靠性,用標(biāo)準(zhǔn)差作為評價(jià)不可靠性的評定標(biāo)準(zhǔn)[16]。對持水率測量誤差的評價(jià)可分3步進(jìn)行。

(1)對于設(shè)定的某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流量點(diǎn),分別計(jì)算設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)含水率為30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%時(shí)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測量的混相電導(dǎo)率和水相電導(dǎo)率的平均值。

(2)

(3)

(2)計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測量的持水率,計(jì)算模型見式(4)。然后分別計(jì)算混相電導(dǎo)率和水相電導(dǎo)率測量的標(biāo)準(zhǔn)差,計(jì)算模型見式(5)和式(6)。

(4)

(5)

(6)

式中,Em為混相電導(dǎo)率測量的標(biāo)準(zhǔn)差,V;Ew為水相電導(dǎo)率測量的標(biāo)準(zhǔn)差,V;n為測量數(shù)據(jù)總數(shù)。

(3)計(jì)算測量的持水率絕對誤差,計(jì)算模型為

(7)

式中,RY為持水率測量的絕對誤差,%。

計(jì)算結(jié)果表明:對于5種傾斜角條件下,當(dāng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)流量為10～200 m3/d、設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)含水率為30%～100%時(shí),測量的持水率最大絕對誤差RY小于5%;當(dāng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)流量為3～10 m3/d、設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)含水率為30%～100%時(shí),測量的持水率最大絕對誤差RY大于5%,但是小于12%。

5 結(jié) 論

(1)提出了一種用于水平井產(chǎn)液剖面油水兩相流的持水率測量方法,設(shè)計(jì)了新型持水率測量傳感器結(jié)構(gòu),解決了單獨(dú)采用環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器測量油水兩相流持水率時(shí),由于環(huán)形陣列電導(dǎo)傳感器無法測量到全水相電導(dǎo)率、持水率測量結(jié)果受到井下環(huán)境溫度和流體礦化度影響導(dǎo)致測量誤差大的問題。實(shí)驗(yàn)表明在流量范圍為3～200 m3/d時(shí),持水率測量范圍為30%～100%;當(dāng)油水兩相流總流量小于60 m3/d時(shí),持水率的測量結(jié)果要進(jìn)行井筒傾斜角的校正;當(dāng)油水兩相流總流量大于60 m3/d時(shí),持水率的測量結(jié)果受井筒傾斜角的影響可忽略。

(2)對該文提出的持水率測量方法進(jìn)行工程化應(yīng)用時(shí),在研制水平井產(chǎn)液剖面測井組合儀器時(shí)要包括井筒傾斜角測量模塊,同時(shí)必須建立針對不同井筒傾斜角條件下的測井解釋模型,以提高持水率測量解釋精度。