水平井氣水兩相流型的測井識別實驗研究

路 菁,吳錫令,黃志潔,王界益,彭原平,何峰江

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;2.中海油田服務股份有限公司油田技術事業部,河北燕郊065201;3.新疆石油管理局測井公司,新疆克拉瑪依834000)

0 引 言

氣水兩相流型識別是生產測井研究的重要內容[1]。隨著開發的深入,水平井常出現水淹嚴重、產量下降等問題。然而,沿儲層水平展布的井眼為生產測井儀器測量帶來諸多困難。井下混合流體會因密度差異產生重力分異,介質及速度分布剖面失去垂直井中的對稱性,對于密度差異極大的氣水兩相混合流動來說,起伏的井眼更使井下流型復雜多變,難于監測識別。以往垂直井內采用居中取樣、線性測量方式的儀器已不能全面反映井下真實狀況[2]。為此,Schlumberger及 Sondex公司分別推出了Flagship[3-5]和陣列成像測井儀系列(CAT[6]、RAT、SAT)等采用非線性測量方式的新型測井儀器。

為探索開發中后期水平井內氣水兩相流型的測井識別方法,在多相流動模擬實驗環路上,以空氣和自來水為實驗介質模擬這一階段水平氣井內兩相流動情況,使用PL T生產測井系列與CAT組成的儀器串進行測量,結合透明井筒內的流型觀察,研究利用測井響應準確識別水平井氣水兩相流型的方法。

1 水平井氣水兩相流動實驗

1.1 實驗裝置及介質

實驗裝置(見圖1)上的I號及II號實驗井筒依據油氣井開發常用的7 in(非法定計量單位,1 ft= 12 in=0.304 8 m,下同)與5.5 in套管的尺寸設計,內徑分別為15.9 cm及12.4 cm,全長均為16 m,兩端分別為長1 m的鋼管,中間以便于流型觀察的透明有機玻璃制成,雙側實驗井筒可同時調整到任意傾斜角度。井筒內各相流體的流量由供給系統控制,在線儀表對實際流量、流動壓力和溫度進行計量,并存儲于數據采集系統的數據庫內。2個井筒間及井筒與流體供給系統間另設多組快關閥,可以瞬間切斷任意井筒與外界流體的連通,實現關井模擬及關井持水率測量。

圖1 多相流動模擬實驗裝置簡圖

實驗使用的測井儀器串見圖1。探頭陣列的設計可使儀器同時對某一流動截面上12處流體進行測量,測量結果綜合反映了流動截面上介質分布的非對稱性特征,成像軟件CA TView利用各探頭響應對整個流動截面上的流動形態插值成像,結果可用于井下流型識別。

實驗采用空氣及自來水作為流動介質,實驗條件(16℃、1 atm)(非法定計量單位,1 atm= 101 325 Pa)下均為牛頓流體,密度分別是0.001 2 g/cm3和0.999 2 g/cm3。

1.2 實驗測量及結果

為模擬水平井井眼起伏,實驗選擇井斜角度θ分別為90°、85°、75°,并選擇井斜45°作為對比。井斜角θ使用水平井鉆井及開發慣用的規定方法,即將垂直向下方向到井延伸方向的夾角計為井斜角。另外,氣井進入開發中后期井口產氣量一般在幾千到幾十萬m3/d不等,考慮天然氣產出的過程中,由于溫度及壓力降低、溶解氣逸出等原因,可使到達井口的體積流量增大幾百倍,因此與上述氣井井口產量相當的井下流量約為幾十到幾百m3/d。模擬這一階段的水平氣井井下氣水兩相混合流動時,將實驗總流量QT選擇性地覆蓋從低到高的5個流量,分別為50、100、200、400、800 m3/d,并設計各總流量下的含水率 Cw分別為0%、10%、30%、50%、70%、90%(不含θT=800 m3/d)。

依據上述實驗方案,逐一調整井筒傾斜角度、氣水總流量及含水率,待雙側透明井筒內兩相流動發展穩定后,用測井儀器串對Ⅱ號井筒內的氣水混合流動進行移動測量,同時用攝像及攝影設備對井筒內已達到穩定的氣水兩相流動流型進行觀察記錄。儀器測量結束后,對II號井筒進行關井模擬,將井筒豎直立起測量氣水界面在井筒內的高度 H,用這一高度與井筒長度L的比 H/L計算關井瞬時的關井持水率值。

實驗最終得到116組流動測量的實驗數據共計464項,其中每個實驗點上均包括4類數據,分別為氣水實際流量、流壓及溫度等在線計量數據、流型影像資料、測井儀器響應及關井持水率值。

2 水平井氣水兩相流動流型

2.1 氣水兩相流型劃分

按介質分布形態不同,Barnea[8]將氣水兩相流型劃分為如圖2所示7種類流型,分別為分層流(SS)、波狀分層流(SW)、環狀流(A)、變形泡狀流(EB)、段塞流(SL)、沫狀流(CH)及分散泡狀流(DB)。水平(θ=90°)氣水兩相流動中上述7種流型均可能出現;傾斜上坡(0°<θ<90°)氣水兩相流動中,只有在傾斜角度極其接近水平(70°<θ<90°)的情況下,才會出現SS或SW流型。

圖2 水平及傾斜氣水兩相流流型分類

2.2 實驗觀察到的流型

圖3是利用實驗數據繪制的流型圖,各井斜角度下的實驗流型圖均采用氣、水表觀速度作為橫、縱坐標,這里氣、水表觀速度分別由實驗計量的氣、水實際流量Qg、Qw按照定義式vsg=Qg/A,vsw=Qw/A (A為流道橫截面積)計算得到。

從圖3中可見,為模擬開發中后期水平氣井內兩相混合流動設計井斜、總流量及含水率進行的測井實驗中,II號透明井筒內出現了4種流型,它們分別是SS、SW、EB及SL。從不同井斜角度下各流型出現的流量及含水率范圍看,水平井眼的傾斜使SS、SW流型逐漸消失,而傾斜程度的增加將進一步引起EB向SL流型的轉換,對比井斜45°的實驗流型圖,可發現更大范圍的SL流型。由于水平井完全水平的井段十分有限,因此根據實驗結果及上述分析可知,開發中后期水平氣井內最為常見EB及SL流型,其次是SS與SW流型。

3 水平井氣水流型識別方法

3.1 流動參數識別法

假設測井過程中,井筒內流體在短時間內不會因溫度及壓力變化引起流動狀態改變。分析生產測井可測3個流動參數,總流量、持水率及井筒傾斜角度與井下流型的關系,繪制了如圖4所示的截面持水率和入口含水率關系圖版(其中入口含水率為水相流量Qw與氣水總流量QT=Qw+Qg之比)。

實驗圖版中顯示,水平及近水平氣水兩相流動中,截面持水率值均大于相應的入口含水率值(所有數據點都高出橄欖色 Cw=Yw直線)。由于流速較低的相在井筒內截面內所占的面積較大,即具有較大的持率,故這一差異反映了氣水兩相速度差。差異大小隨總流量的增大而減小,卻隨井眼偏離水平方向程度的增大而增大,對比井斜45°數據點這一規律更為明顯。實驗圖版說明,隨著總流量的增高,氣水兩相速度剖面趨于均勻平緩、兩相速度差減小;但井眼偏離水平方向程度的增大卻加劇兩相速度的差異。

另外,以不同線形對不同流型的數據點進行分別回歸。從回歸的結果看,出現在同一井斜及總流量條件下的2種流型,回歸線間會存在著明顯的斜率差,這與不同流型下氣水兩相速度間存在差異有關,回歸線間的交點即可用于指示井下流型的轉換。因此,可利用實驗圖版中反映的開發中后期水平氣井內流型與總流量、持水率及井斜角之間關系輔助識別井下流型。

3.2 流型成像識別法

用CA TView軟件回放實驗測得的CAT測井數據,得到流型成像共116組。圖5為各井斜下典型實驗流型與CAT流型成像對比,圖像對比下方文字標示流動條件及對應流型分類。流型成像中黃、紅、藍色分別代表氣、氣水混合物及水,流體流向及儀器串運動方向由左至右。

通過大量對比水平及近水平(井斜90°、85°、75°)測井實驗流型與CAT流型成像,發現CA T流型成像可以反映SS或SW流型氣、氣水界面及水在管道中成層分布的空間位置關系,可直觀地識別出這2種流型。EB流型的變形氣泡在CAT流型成像上顯示為間斷的紅斑,斑的大小與變形氣泡的體積成正比,而SL流型的氣段在CA T流型成像上顯示為較大面積的紅色間斷條帶,據此可從上述流型成像特征區別EB、SL的2種流型。

但井斜45°測井實驗的CAT流型成像質量則遠不及水平與近水平測井實驗的結果,足以區分EB和SL流型的成像特征不并明顯,用此時的CA T流型成像結果很難準確識別流型。

圖3 水平及傾斜氣水兩相流實驗流型圖

圖4 水平及傾斜氣水兩相流截面持水率與入口含水率實驗關系

因此在實驗反映的開發中后期水平氣井的水平段內,CAT儀器的成像結果可以直觀地區分井下SS/SW、EB和SL流型,達到生產測井解釋所要求的流型識別目的。但在非水平井段內應用CAT儀器測井結果識別流型時,還應參照其他生產測井可測量得到的流動參數,如總流量、井斜角及持水率值等,以得出更加可靠的判斷。

4 結 論

(1)模擬開發中后期水平井氣水兩相流動進行的測井實驗中,觀察到這一階段井下常見的4種流型分別為分層流、波狀流、變形泡狀流及段塞流,其中變形泡狀流和段塞流為最主要的2種流型。

圖5 水平井氣水兩相流動實驗流型及CAT成像效果對比

(2)利用實驗數據繪制的圖版反映了水平氣井內總流量、持水率、井斜角與井下流型的關系,可指導井下流型識別。

(3)CA T儀器的流型成像可直觀地識別開發中后期水平井水平段內氣水兩相流型,但在非水平段內還應結合總流量、持水率及井斜角等流動參數對流型進行綜合判別。

[1] 吳錫令.石油開發測井原理 [M].北京:高等教育出版社,2004:66-126.

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