光纖探針阻抗傳感器渦輪組合測井儀三相流解釋方法

胡金海,黃春輝,劉曉磊,杜佳楠,宋純高,李屹威

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司,黑龍江大慶163453)

0 引 言

高含水開發后期,油井內流壓降低,井下普遍存在產氣、脫氣現象,因此,油井井下油氣水三相流現象普遍存在。對于垂直井油水兩相流,已有成熟的產液剖面測量技術及解釋方法。阻抗式產液剖面測井儀[1-3]采用阻抗傳感器測量含水率,在水為連續相時對含水率的變化響應靈敏,具有很好的重復性、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、重復性能好等優點[4],已廣泛應用于井下油水兩相流流量測量,并取得了良好的應用效果[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,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構示意圖

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試驗結果,建立了三相流渦輪流量計統計測量模型。由于放射性密度計早已停用,大慶油田測試分公司陸續研發了低產液三相流測井儀[10]、光纖持氣率計[11]等儀器。低產液三相流測井儀流量低于20 m3/d,應用范圍受限;光纖持氣率計局限于對氣相響應規律的研究,沒有和流量、含水率參數有機結合。

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 儀器結構及實驗方案

1.1 儀器結構

圖1為光纖探針-阻抗傳感器-渦輪流量計組合測井儀結構示意圖。傘式集流器有16根金屬傘筋,傘布采用高強度薄織料,集流器撐開后能夠將內徑為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,采用單探針結構,渦輪流量計及阻抗傳感器內徑為19 mm、外徑為28 mm。

1.2 實驗方案

實驗目的是通過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徑為125 mm,實驗介質為自來水、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置為2、5、10、20、30、50 m3/d;油水兩相含水率分別設置為100%、90%、70%、50%。實驗中,先固定某一氣相流量,待氣相流量穩定后調節某一設定流量下的油水兩相含水率,流動穩定后進行測量。

2 在油氣水三相流中的響應規律

2.1 光纖探針在油氣水三相流下的響應規律

利用多相流模擬實驗裝置地面采集系統記錄不同氣相流量、不同油水兩相流量和含水率時的光纖探針響應,得到不同氣量下光纖探針響應與油水兩相流量關系圖版,圖2為氣相流量為3 m3/d時的響應圖版。實驗數據表明:當氣量相同時,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的平均值,得到不同氣量下光纖探針響應與油水兩相流量關系圖版(見圖3)。當油水兩相流量相同時,氣量越高,光纖探針響應越大,不同氣量曲線有較好的分辨率。誤差計算結果見表1,最大引用誤差為12.9%。

圖2 氣相流量為3 m3/d時的光纖探針響應圖版

圖3 不同氣量下光纖探針響應與油水兩相流量關系圖版

表1 不同氣量下光纖探針響應的引用誤差

圖4 氣相流量為3 m3/d時渦輪響應與油水兩相流量關系圖版

2.2 渦輪流量計在油氣水三相流下的響應規律

氣相流量為3 m3/d時,渦輪響應與油水兩相流量關系圖版如圖4所示,實驗數據表明:當氣相流量為3 m3/d時,不同含水率下的渦輪響應曲線近于重合,這說明渦輪響應與油水兩相流量的響應關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平均值,得到渦輪響應與油水兩相流量關系圖版(見圖5)。在不同的氣相流量下,渦輪響應與油水兩相流量呈較好的線性關系;當油水兩相流量增加時,渦輪響應線性增加;當氣相流量增加時,渦輪響應增加。誤差計算結果表明最大引用誤差為3%。

圖5 不同氣相流量下渦輪響應與油水兩相流量關系圖版

2.3 阻抗傳感器在油氣水三相流下的響應規律

氣相流量分別為0、3、6、10 m3/d時含水率響應圖版如圖6所示。當加入不同流量的氣體后,含水率響應明顯降低,含水率響應有明顯的分辨率。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測量誤差,計算結果如表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與油水兩相流量關系圖版

表2 不同氣相流量下含水率響應引用誤差

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、渦輪響應和含水率響應這3個參數,繪制3個參數之間的響應關系圖版,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與油水兩相流量關系圖版與圖5中渦輪響應與油水兩相流量響應關系圖版相結合,建立不同氣相流量下光纖探針響應與渦輪響應關系圖版(見圖8)。對于某一測點已知可以測量的參數為:渦輪響應、光纖探針響應和含水率響應,用已測得的渦輪響應和光纖探針響應,通過圖版插值法用渦輪響應確定某一光纖探針響應時的氣相流量。

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與渦輪響應關系圖版

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

(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,根據含水率響應,在圖6中不同氣量下的含水率響應與油水兩相流量關系圖版中插值,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,渦輪響應與光纖探針響應的關系不發生變化,通過解釋方法就能獲得對應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、油氣水三相總流量及光纖探針響應之間的關系不發生變化,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響應值沒在特定的實驗圖版上,可通過線性插值法獲得相應的圖版。

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、渦輪響應、含水率響應后,使用圖版法進行油氣水三相流的解釋。通過渦輪響應與光纖探針響應關系圖版(見圖8)確定氣相流量,如某一測點測量的渦輪響應為40 Hz、光纖探針響應為2 500 Hz,含水率響應為0.7,通過查圖版法確定氣相流量。渦輪響應為40 Hz與光纖探針響應為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與油水兩相流量響應關系圖版(見圖5)中,通過查圖版法確定油水兩相流量。對應渦輪響應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為0.7、油水兩相流量為27.99 m3/d時對應的含水率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為0.7、油水兩相流量為27.99 m3/d時對應的含水率Y2=93.02%;③通過插值法確定氣相流量4.18 m3/d對應的油水兩相含水率Y=86.30%。

4 現場測井實例

在喇10-xx井中使用組合測井儀進行產液剖面測井,該井井口計量日產液量51.21 m3/d,化驗含水率為96.6%。現場測井所得的渦輪響應、含水率響應及光纖探針響應值見表3。根據所測得的各參數響應值,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,驗證了解釋結果的可靠性。由表3可見該井中測點深度1 010.0 m對應的層位SI(1)～SI4+5(2)為主產液層,同時也是主產水層和主產油層,測點深度1 070.0 m對應的層位SII10+11～SII12-14為主產氣層。

表3 喇10-xx井測井數據

表4 喇10-xx井測井解釋成果表

5 結 論

(1)依據光纖探針-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氣量、產液量、含水率。

(2)在特定壓力情況下,渦輪響應、油氣水三相總流量及光纖探針響應之間的關系不發生變化,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,使儀器更易推廣應用。