水平井油水兩相管流流量和含水率測量方法實驗研究

鄭?？?劉興斌,樸玉琴,李 軍,李洪彬,王淑萍

(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)

水平井油水兩相管流流量和含水率測量方法實驗研究

鄭希科,劉興斌,樸玉琴,李 軍,李洪彬,王淑萍

(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)

根據(jù)水平井測井儀器研制的總體技術方案,研制了流量與含水率測量樣機,對樣機在室內(nèi)進行了實驗。通過實驗結果分析認為,低流量油井的水平井產(chǎn)出剖面測量需要采用集流方式測量,流量響應在各個傾斜角度下具有相同的響應規(guī)律,渦輪響應基本不受角度的影響;含水率測量必須采用適應低含水和高含水傳感器組合測量,采用電容法和阻抗法是可行的,但流動管道角度的變化對含水率的響應有著一定的影響,含水率的解釋需要考慮管道傾斜角度的變化。

水平井;流動模擬實驗;含水率;流量;流型;電容;阻抗

0 引 言

水平井在開發(fā)過程中一旦發(fā)生局部水淹[1]將嚴重影響開發(fā)效果,甚至導致油井廢棄。產(chǎn)液剖面測試技術是水平井開發(fā)的重要配套技術,它可以提供水平井是否有水突進和水的突進位置等信息,為優(yōu)化注采方案和精細油藏描述提供基礎數(shù)據(jù),是指導壓裂、堵水等作業(yè)并評價其效果不可缺少的依據(jù)。

由于水平井井身結構和井筒流動狀態(tài)的復雜性,給水平井測井方法和解釋帶來了困難,其主要表現(xiàn)是測井響應和工藝比直井復雜。在多相流動的水平井中,不僅不同井段的流型不同,在同一井段也可能同時存在幾種流動狀態(tài)[2]。整體來看,造成水平井測井響應復雜及解釋困難的原因是由于受水平井井身結構的特殊性的影響以及流體分異的變化導致了井筒流動狀態(tài)與垂直井差異較大,管道內(nèi)流型、流速剖面和油水的分布狀態(tài)發(fā)生了根本性的變化。為此,開展了水平井測井方法的室內(nèi)實驗研究。

1 室內(nèi)模擬實驗

1.1 實驗裝置及儀器

模擬實驗流動裝置為大慶測試技術服務分公司三采實驗室的水平井動態(tài)模擬設備。模擬流動管道由2排內(nèi)徑為124 mm透明井筒組成的“U”管道,油水兩相的混合流體經(jīng)過裝有檢測儀器的“U”管道排放到油水分離罐。“U”管道可由液壓舉升裝置改變傾斜的角度(0°～90°),當井架水平時模擬90°的流動情況,當“U”管道抬起具有一定角度時,“U”管道的2排內(nèi)徑為124 mm透明井筒可分別模擬水平井井眼軌跡大于90°和小于90°的流動情況。

檢測設備包括在流動井筒內(nèi)的測井儀器,測井儀器為大慶測試技術服務分公司研制水平井產(chǎn)出剖面組合測井儀樣機。儀器的測量參數(shù)包括自然伽馬、磁性定位、流量、含水率、溫度和壓力。在實驗中實際測量參數(shù)為流量、含水率,流量采用渦輪流量計,含水率測量采用過流式電容法和阻抗法。電容法和阻抗法測量短節(jié)安裝儀器的流通通道內(nèi),實現(xiàn)同時測量。

1.2 模擬實驗方案

實驗條件為常溫、常壓,井筒角度變化(垂直方向為0°)87°、89°、90°、91°、93°。實驗介質(zhì)為油、水兩相,流量范圍3～240 m3/d,流量設計點為3、5、10、20、30、40、50、70、100、150、200、240 m3/d;含水率變化范圍為0～100%,以10%為步長變化。共12個流量、11個含水點。

按照實驗設計共完成了角度為(以垂直方向為0°)87°、89°、90°(水平狀態(tài))、91°、93°,流量范圍為3～240 m3/d,含水率0～100%的動態(tài)模擬實驗,共完成960個流量點的實驗,獲得2 000余組的含水率和流量的響應曲線,其中880個流量點是阻抗、電容含水率響應數(shù)據(jù),其余的80個流量點研究流量與渦輪轉(zhuǎn)數(shù)的關系。

2 模擬實驗結果

(1)低流量油井的水平井產(chǎn)出剖面測量需要采用集流方式測量。在室內(nèi)模擬實驗觀察中發(fā)現(xiàn),在實驗設計的大部分流量范圍內(nèi),尤其是低流量情況下,124 mm套管中的油水兩相呈分層流動。對于低流量,在角度小于90°的情況下,油相在套管的頂部占有很小一部分的套管體積(見圖1、圖2),含水率越高油相占有的體積份數(shù)變化較小。即在相同角度、流量的情況下,當含水率發(fā)生變化時,油水界面的變化并不明顯。如果采用非集流的測量方式,而且含水率測量方法是對油、水體積份數(shù)(持率)的響應,盡管含水率發(fā)生了變化,但由于油水界面的變化量不明顯或不大,儀器的響應不會具有預期理想的分辨率;并且在相同的傾斜角度、流量、含水率情況下,油水界面沿管道流動方向也發(fā)生變化,即沿管道流動方向的不同位置處的油、水流動與滯留份數(shù)不同,而目前的儀器組合無法區(qū)分流動和滯留量,含水率響應受到測量位置的影響。流動特征表明了在低流速下,流量計和含水率計的響應不僅相關于被測流量和含水率,而且強烈地依賴于油、水在井筒內(nèi)的分布,即敏感于井身傾角、位置。

目前大慶油田的水平井產(chǎn)液量在10 m3/d左右的油井占有50%以上。中、低產(chǎn)量油井內(nèi)流體的平均流速很低,當總流量低于50 m3/d時,若采用非集流的測量方式,渦輪流量計很難啟動,油水分層流動導致含水率響應具有多解性及分辨率低的特點。因此,低流量的水平井產(chǎn)出剖面測量采用集流方式是必要的。

圖1 89°流量20 m3含水80%時油水分布

圖2 87°流量20 m3含水30%時油水分布

(2)水平井的含水率測量必須采用適應低含水和高含水傳感器組合測量。電導含水率計通過測量井內(nèi)流體電導率來確定含水率。理論和大量實驗證明[3],當水為連續(xù)相時,油/水兩相流的相對電導率(混合相電導率與水相電導率之比)與含水率相關,適合于高含水油井的測量;電容傳感器是低含水油井有效的含水率測量方法。

實驗結果表明,含水率低于50%情況下,電容法具有較大的分辨率;含水率高于50%情況下,阻抗法具有較大的分辨率,2種方法結合可以解決0～100%含水率的測量問題。圖3為流動管道傾斜角度為90°、流量150 m3/d、含水率從0變化到100%時,阻抗和電容響應頻率的變化曲線。測量數(shù)據(jù)的變化顯示阻抗、電容分別在高、低含水率區(qū)間具有較高的分辨率。

圖3 電容和阻抗含水率計隨不同含水率變化曲線

水平井內(nèi)油水的分布不僅與流量和含水率有關,還明顯受到井眼軌跡(傾角、位置)的影響。水平井與垂直井油水分布狀態(tài)都受到重力和密度因素的影響之外,水平井內(nèi)的油水分布狀態(tài)還受到井眼軌跡的影響。在井眼軌跡的高點油的滯留量相對較多,在井眼軌跡的低點水的滯留量相對較多。因此,即使油井實際含水率很高,電容含水率響應在井眼軌跡的高點可為低含水的響應,高含水響應的傳感器在此處可能失去分辨率。這也是水平井與垂直井相比解釋難點之一。室內(nèi)實驗表明,水平井的含水率測量宜采用適應低含水和高含水傳感器組合測量。

(3)近水平流量測量不受角度變化的影響。在流動管道的角度分別為87°、89°、90°、91°、93°及流量3～240 m3/d的條件下,對渦輪進行刻度。實驗結果表明(見圖4),在水平和近水平狀態(tài)下,流量響應不受流動管道傾斜角度的影響,儀器標定只需在水平條件下刻度即可。

(4)在集流測量方式下,流動管道角度的變化對含水率的響應有一定的影響。電容含水率傳感器和阻抗含水率傳感器的響應既有相同點,也有不同點。相同點是在低流量的情況下都受到角度變化的影響,不同點是阻抗含水率傳感器的響應在流量大于70 m3/d時受到角度的影響可以忽略不計(見圖5,圖5中模數(shù)第1個數(shù)據(jù)為角度,第2個數(shù)據(jù)為含水率)。

圖4 流量響應與流動管道傾斜關系圖

實驗結果表明,電容傳感器隨偏離水平程度的增加,同一流量、含水率實驗點的含水率響應呈現(xiàn)增大的趨勢(見圖6,圖6中模數(shù)第1個數(shù)據(jù)為角度,第2個數(shù)據(jù)為含水率);但在流量為70 m3/d左右,電容傳感器響應出現(xiàn)相反的趨勢;低于50 m3/d以后,電容傳感器響應隨偏離水平程度的增加恢復增大的趨勢。這種變化特點可能與流道內(nèi)的流型變化復雜及電極的結構有關。觀察圖5可以看出阻抗含水率傳感器在70 m3/d流量范圍左右各個角度下的響應基本一致,從這點上來看相同測量條件下響應特點不同的最大可能性是與測量電極的結構有關,原因分析如下。

圖5 阻抗傳感器在不同角度下的響應曲線

電導傳感器[3-4]由安裝在絕緣管壁的4個環(huán)形金屬電極構成,外面1對為激勵電極,中間1對為測量電極,傳感器的測量環(huán)境在測量通道內(nèi)形成一個相對的封閉環(huán)境,儀器響應與流經(jīng)傳感器流體的電導率成比例。因此,從阻抗傳感器的結構來看測量響應值只與測量通道內(nèi)的流體相持率有關系。電容法含水率測量傳感器采用的是直井產(chǎn)出剖面的測量結構,由儀器流動通道內(nèi)的中心電極及儀器外壁(外電極)共同組合成1個含水率測量的傳感器。理論上,對電容傳感器外電極的要求是安放在儀器測量通道內(nèi)、長度與中心電極對等且與儀器外壁絕緣,這樣才能形成一個相對封閉的測量環(huán)境,傳感器的響應只與流體流動通道內(nèi)的相持率有關。實際上,以儀器外壁為外電極的柱狀電容傳感器結構導致了測量空間擴展到了套管內(nèi),測量響應不僅與流體流動通道內(nèi)的相持率有關,而且也與儀器所在位置處套管內(nèi)的油水分布(套管內(nèi)相持率)有關。水平狀態(tài)低流量層流占相當比例,傳感器的結構導致了柱狀同軸電容傳感器的靈敏度強烈地敏感于油水界面位置,表現(xiàn)出阻抗、電容含水率傳感器的響應在相同的測量環(huán)境下具有不同的響應規(guī)律,即高流量時,電容響應受到角度的影響較大。

圖6 電容傳感器在不同角度下的響應曲線

此外,同直井的含水率響應對比,實驗結果表明在近水平狀態(tài)下,電容和阻抗響應具有特殊規(guī)律。在低流量含水率為100%,響應值偏離全水值(偏油響應),并且隨著角度的增加,這種響應特點更加明顯(見圖7,圖7中模數(shù)I表示阻抗、C表示電容);這種現(xiàn)象可能說明在儀器通道內(nèi)也存在油水界面,并且油相為滯留相。這些特殊的響應特點有待進一步的驗證和研究。

圖7 含水率100%時阻抗與電容在各種角度下隨流量變化的響應曲線

3 結 論

通過室內(nèi)動態(tài)水平流動模擬實驗,明確了國內(nèi)水平井產(chǎn)出剖面測量需要采用集流方式、含水率測量必須采用適應低含水和高含水傳感器組合測量。實驗中采用電容法和阻抗法作為水平井產(chǎn)出剖面含水率的測量方法是可行的,但流動管道角度的變化對含水率的響應有著一定的影響,這種影響可以通過解釋校正。在集流測量方式下,流量響應在各個傾斜角度下具有相同的響應規(guī)律。模擬實驗也發(fā)現(xiàn)流量小于50 m3/d以下時,渦輪啟動困難、含水率傳感器響應受到滯留油的影響而出現(xiàn)異常響應,需要進一步研發(fā)新的流量與含水率的測井方法。

[1] 王家宏.中國水平井應用實例分析[M].北京:石油工業(yè)出版社,2003.

[2] Oddie G,Shi H,Durlofsky L J,etc.Experimental Study of Two and Three Phase Flows in Large Diameter Inclined Pipes[J].Int J Multiphase Flow,2003, 29:527-558.

[3] 王延軍,劉興斌,胡金海,李 雷,李英偉.阻抗傳感器電場分布的仿真及實驗研究[J].石油儀器,2007,21 (1):16-18.

[4] 張玉輝,胡金海,劉興斌.阻抗式含水率傳感器優(yōu)化設計實驗研究[J].石油儀器,2002,16(4):5-11.

Experimental Study on Measurements of Flow-rate and Water-cut in Horizontal Pipes

ZHENG Xike,LIU Xingbin,PIAO Yuqin,LI Jun,LI Hongbin,WANG Shuping
(Logging and Testing Services Company,Daqing Oilfield CO.L TD.,Daqing,Heilongjiang 163453,China)

According to the overall technical solution on the horizontal well logging tools,the measurement prototype of flow rate and water-cut is produced.And an interior experiment of the prototype was made.Experiment results analysis proved that the production profile measurements of low-flow wells need flow-concentrating measurements.Under the concentrating flow measurement mode,the flow response to tilt at various angles has the same response rules,e.g., turbine response is not influenced by tilt angle of the pipe;combination sensors adapt able to low water-cut and high water-cut must be used in order to measuring water-cut.Using capacitive and impedance method is feasible,but the angle changes in pipeline flow have a certain impact on the water-cut response,the change of the pipeline tilt angle needs to be considered in the interpretation of water-cut.

horizontal well,flow simulation test,water-cut,flow-rate,flow type,capacitance, impedance

TE151

A

2010-05-26 本文編輯 余 迎)

1004-1338(2010)04-0323-04

項目來源:國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃),水平井產(chǎn)液剖面測試技術,編號2007AA06Z231

鄭?？?男,1963年生,高級工程師,博士,從事生產(chǎn)測井科研與管理工作。