水平井氣水兩相流型的測井識(shí)別實(shí)驗(yàn)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(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)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(shí)別是生產(chǎn)測井研究的重要內(nèi)容[1]。隨著開發(fā)的深入,水平井常出現(xiàn)水淹嚴(yán)重、產(chǎn)量下降等問題。然而,沿儲(chǔ)層水平展布的井眼為生產(chǎn)測井儀器測量帶來諸多困難。井下混合流體會(huì)因密度差異產(chǎn)生重力分異,介質(zhì)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(dòng)來說,起伏的井眼更使井下流型復(fù)雜多變,難于監(jiān)測識(shí)別。以往垂直井內(nèi)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(shí)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(fā)中后期水平井內(nèi)氣水兩相流型的測井識(shí)別方法,在多相流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)路上,以空氣和自來水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)模擬這一階段水平氣井內(nèi)兩相流動(dòng)情況,使用PL T生產(chǎn)測井系列與CAT組成的儀器串進(jìn)行測量,結(jié)合透明井筒內(nèi)的流型觀察,研究利用測井響應(yīng)準(zhǔn)確識(shí)別水平井氣水兩相流型的方法。

1 水平井氣水兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1)上的I號(hào)及II號(hào)實(shí)驗(yàn)井筒依據(jù)油氣井開發(fā)常用的7 in(非法定計(jì)量單位,1 ft= 12 in=0.304 8 m,下同)與5.5 in套管的尺寸設(shè)計(jì),內(nèi)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(jī)玻璃制成,雙側(cè)實(shí)驗(yàn)井筒可同時(shí)調(diào)整到任意傾斜角度。井筒內(nèi)各相流體的流量由供給系統(tǒng)控制,在線儀表對實(shí)際流量、流動(dòng)壓力和溫度進(jìn)行計(jì)量,并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。2個(gè)井筒間及井筒與流體供給系統(tǒng)間另設(shè)多組快關(guān)閥,可以瞬間切斷任意井筒與外界流體的連通,實(shí)現(xiàn)關(guān)井模擬及關(guān)井持水率測量。

圖1 多相流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

實(shí)驗(yàn)使用的測井儀器串見圖1。探頭陣列的設(shè)計(jì)可使儀器同時(shí)對某一流動(dòng)截面上12處流體進(jìn)行測量,測量結(jié)果綜合反映了流動(dòng)截面上介質(zhì)分布的非對稱性特征,成像軟件CA TView利用各探頭響應(yīng)對整個(gè)流動(dòng)截面上的流動(dòng)形態(tài)插值成像,結(jié)果可用于井下流型識(shí)別。

實(shí)驗(yàn)采用空氣及自來水作為流動(dòng)介質(zhì),實(shí)驗(yàn)條件(16℃、1 atm)(非法定計(jì)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(shí)驗(yàn)測量及結(jié)果

為模擬水平井井眼起伏,實(shí)驗(yàn)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(fā)慣用的規(guī)定方法,即將垂直向下方向到井延伸方向的夾角計(jì)為井斜角。另外,氣井進(jìn)入開發(fā)中后期井口產(chǎn)氣量一般在幾千到幾十萬m3/d不等,考慮天然氣產(chǎn)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(dá)井口的體積流量增大幾百倍,因此與上述氣井井口產(chǎn)量相當(dāng)?shù)木铝髁考s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(dòng)時(shí),將實(shí)驗(yàn)總流量QT選擇性地覆蓋從低到高的5個(gè)流量,分別為50、100、200、400、800 m3/d,并設(shè)計(jì)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(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案,逐一調(diào)整井筒傾斜角度、氣水總流量及含水率,待雙側(cè)透明井筒內(nèi)兩相流動(dòng)發(fā)展穩(wěn)定后,用測井儀器串對Ⅱ號(hào)井筒內(nèi)的氣水混合流動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)測量,同時(shí)用攝像及攝影設(shè)備對井筒內(nèi)已達(dá)到穩(wěn)定的氣水兩相流動(dòng)流型進(jìn)行觀察記錄。儀器測量結(jié)束后,對II號(hào)井筒進(jìn)行關(guān)井模擬,將井筒豎直立起測量氣水界面在井筒內(nèi)的高度 H,用這一高度與井筒長度L的比 H/L計(jì)算關(guān)井瞬時(shí)的關(guān)井持水率值。

實(shí)驗(yàn)最終得到116組流動(dòng)測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共計(jì)464項(xiàng),其中每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)上均包括4類數(shù)據(jù),分別為氣水實(shí)際流量、流壓及溫度等在線計(jì)量數(shù)據(jù)、流型影像資料、測井儀器響應(yīng)及關(guān)井持水率值。

2 水平井氣水兩相流動(dòng)流型

2.1 氣水兩相流型劃分

按介質(zhì)分布形態(tài)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(huán)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(dòng)中上述7種流型均可能出現(xiàn);傾斜上坡(0°<θ<90°)氣水兩相流動(dòng)中,只有在傾斜角度極其接近水平(70°<θ<90°)的情況下,才會(huì)出現(xiàn)SS或SW流型。

圖2 水平及傾斜氣水兩相流流型分類

2.2 實(shí)驗(yàn)觀察到的流型

圖3是利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的流型圖,各井斜角度下的實(shí)驗(yàn)流型圖均采用氣、水表觀速度作為橫、縱坐標(biāo),這里氣、水表觀速度分別由實(shí)驗(yàn)計(jì)量的氣、水實(shí)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(jì)算得到。

從圖3中可見,為模擬開發(fā)中后期水平氣井內(nèi)兩相混合流動(dòng)設(shè)計(jì)井斜、總流量及含水率進(jìn)行的測井實(shí)驗(yàn)中,II號(hào)透明井筒內(nèi)出現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)一步引起EB向SL流型的轉(zhuǎn)換,對比井斜45°的實(shí)驗(yàn)流型圖,可發(fā)現(xiàn)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(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及上述分析可知,開發(fā)中后期水平氣井內(nèi)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(shí)別方法

3.1 流動(dòng)參數(shù)識(shí)別法

假設(shè)測井過程中,井筒內(nèi)流體在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)因溫度及壓力變化引起流動(dòng)狀態(tài)改變。分析生產(chǎn)測井可測3個(gè)流動(dòng)參數(shù),總流量、持水率及井筒傾斜角度與井下流型的關(guān)系,繪制了如圖4所示的截面持水率和入口含水率關(guān)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(shí)驗(yàn)圖版中顯示,水平及近水平氣水兩相流動(dòng)中,截面持水率值均大于相應(yīng)的入口含水率值(所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都高出橄欖色 Cw=Yw直線)。由于流速較低的相在井筒內(nèi)截面內(nèi)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(shù)據(jù)點(diǎn)這一規(guī)律更為明顯。實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分別回歸。從回歸的結(jié)果看,出現(xiàn)在同一井斜及總流量條件下的2種流型,回歸線間會(huì)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(guān),回歸線間的交點(diǎn)即可用于指示井下流型的轉(zhuǎn)換。因此,可利用實(shí)驗(yàn)圖版中反映的開發(fā)中后期水平氣井內(nèi)流型與總流量、持水率及井斜角之間關(guān)系輔助識(shí)別井下流型。

3.2 流型成像識(shí)別法

用CA TView軟件回放實(shí)驗(yàn)測得的CAT測井?dāng)?shù)據(jù),得到流型成像共116組。圖5為各井斜下典型實(shí)驗(yàn)流型與CAT流型成像對比,圖像對比下方文字標(biāo)示流動(dòng)條件及對應(yīng)流型分類。流型成像中黃、紅、藍(lán)色分別代表氣、氣水混合物及水,流體流向及儀器串運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)流型與CAT流型成像,發(fā)現(xiàn)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(guān)系,可直觀地識(shí)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(jù)此可從上述流型成像特征區(qū)別EB、SL的2種流型。

但井斜45°測井實(shí)驗(yàn)的CAT流型成像質(zhì)量則遠(yuǎn)不及水平與近水平測井實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,足以區(qū)分EB和SL流型的成像特征不并明顯,用此時(shí)的CA T流型成像結(jié)果很難準(zhǔn)確識(shí)別流型。

圖3 水平及傾斜氣水兩相流實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)關(guān)系

因此在實(shí)驗(yàn)反映的開發(fā)中后期水平氣井的水平段內(nèi),CAT儀器的成像結(jié)果可以直觀地區(qū)分井下SS/SW、EB和SL流型,達(dá)到生產(chǎn)測井解釋所要求的流型識(shí)別目的。但在非水平井段內(nèi)應(yīng)用CAT儀器測井結(jié)果識(shí)別流型時(shí),還應(yīng)參照其他生產(chǎn)測井可測量得到的流動(dòng)參數(shù),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(jié) 論

(1)模擬開發(fā)中后期水平井氣水兩相流動(dòng)進(jìn)行的測井實(shí)驗(yàn)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(dòng)實(shí)驗(yàn)流型及CAT成像效果對比

(2)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的圖版反映了水平氣井內(nèi)總流量、持水率、井斜角與井下流型的關(guān)系,可指導(dǎo)井下流型識(shí)別。

(3)CA T儀器的流型成像可直觀地識(shí)別開發(fā)中后期水平井水平段內(nèi)氣水兩相流型,但在非水平段內(nèi)還應(yīng)結(jié)合總流量、持水率及井斜角等流動(dòng)參數(shù)對流型進(jìn)行綜合判別。

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