超聲波流量計(jì)在注水剖面中的應(yīng)用

孫勞武 夏竹君 潘克靜 孟 軍 李宏亮

(中原石油勘探局地球物理測(cè)井公司 河南濮陽(yáng))

超聲波流量計(jì)在注水剖面中的應(yīng)用

孫勞武 夏竹君 潘克靜 孟 軍 李宏亮

(中原石油勘探局地球物理測(cè)井公司 河南濮陽(yáng))

文章介紹了超聲波流量計(jì)的測(cè)井原理、儀器特點(diǎn)、施工工藝及解釋方法,分析了該技術(shù)在識(shí)別大孔道地層、檢查井下管柱情況、判斷套管漏失、提高注水剖面解釋精度等方面的應(yīng)用情況,大量的實(shí)際測(cè)井資料表明,超聲波流量計(jì)解決了注水剖面測(cè)井的許多疑難問(wèn)題。

注水剖面;流量計(jì);超聲波;生產(chǎn)測(cè)井;測(cè)井技術(shù)

0 引 言

通過(guò)分析近幾年國(guó)內(nèi)注水開(kāi)發(fā)油田的三參數(shù)注水剖面測(cè)井資料,表現(xiàn)出來(lái)的主要問(wèn)題是:伽馬本底高、沾污嚴(yán)重、測(cè)試遇阻情況多、地層大孔道、井筒及管柱漏失等等,另外,由于注水管柱復(fù)雜,井下水流方面認(rèn)識(shí)不清,無(wú)法分析配水器、封隔器等工具的工作狀況,影響了資料的應(yīng)用情況[1、2]。針對(duì)復(fù)雜的注水井,必須開(kāi)展多參數(shù)、多樣化的吸水部面測(cè)井技術(shù),滿足油田的開(kāi)發(fā)需要。

1 超聲波流量計(jì)測(cè)井技術(shù)

1.1 測(cè)量原理

采用超聲波相位差原理,設(shè)計(jì)了A、B兩個(gè)特征相似的超聲波傳感器,距離為L(zhǎng),如圖1所示,設(shè)超聲波頻率為f,波長(zhǎng)為λ,則聲速V=f×λ,波數(shù)N=L/λ=L×f/V,由于L、f為常量,則N與V成反比。

圖1 流量傳感器的測(cè)量模型示意圖

當(dāng)流體沿A→B方向以速度U流動(dòng)時(shí),順流聲速Va=V+U,逆流聲速Vb=V-U,則順流時(shí)波數(shù)Na=V×n/(V+U),逆流時(shí)波數(shù)Nb=V×n/(V-U),則順、逆流發(fā)射超聲波時(shí),L距離內(nèi)正逆流波數(shù)差為:Δn=Nb-Na=n×2U×V/(V2-U2),其中n=L×f/V,則Δn=2L×f×U/(V2-U2)。

相位差Δb=Δn×360°=720°L×f×U/(V2-U2),因?yàn)閂?U,則Δb≈720°L×f×U/V2,由于L、f、V為常量,則相位差Δb和流體流速U之間為近似線性關(guān)系。

因此測(cè)出超聲波相位差Δb,即可計(jì)算出流體流速U,進(jìn)而可以計(jì)算出已知管子內(nèi)徑的流量。

1.2 儀器特點(diǎn)

測(cè)井項(xiàng)目:磁定位、伽馬、井溫、壓力和超聲波流量計(jì)五參數(shù)組合測(cè)井。

儀器指標(biāo):外徑38 mm,總長(zhǎng)度4.5 m,耐溫150℃,耐壓70 MPa,在2.5 in(1 in=25.4 mm)的油管內(nèi)測(cè)量范圍0～370 m3/d左右,在5.5 in的套管內(nèi)測(cè)量范圍0～1 800 m3/d左右。

適用范圍:適用管柱內(nèi)徑大于40 mm的分層注水井、空井筒及喇叭口在射孔層段上部的籠統(tǒng)注水井。

1.3 施工方法

將超聲波流量計(jì)與磁定位、伽馬、井溫、壓力組合后下入井內(nèi),關(guān)井2 h～4 h左右,測(cè)量注水井相對(duì)靜止時(shí)的井溫、伽馬、磁定位、壓力,然后恢復(fù)正常注水,穩(wěn)定后在射孔層上部200 m左右釋放同位素,待同位素分配好后,測(cè)量至少兩條重復(fù)性較好的同位素、井溫、壓力、磁定位以及超聲波連續(xù)曲線;再根據(jù)測(cè)量的超聲波連續(xù)曲線以及注水管柱,分別在距離井口200 m左右、在各配水器的上、下10 m左右、超聲波連續(xù)曲線有異常的井段上、下10 m左右、射孔層段上、下2 m左右、遇阻點(diǎn)上5 m左右等測(cè)量超聲波定點(diǎn)流量,定點(diǎn)測(cè)量時(shí)間不少于120s。如果超聲波定點(diǎn)流量曲線有明顯波動(dòng),或者根據(jù)超聲波定點(diǎn)流量值查圖版計(jì)算的水流量出現(xiàn)異常情況,要重復(fù)定點(diǎn)驗(yàn)證。

2 解釋方法

2.1 解釋圖版

在儀器出廠投入使用前,在規(guī)范的油管和套管中進(jìn)行流量刻度和標(biāo)定,根據(jù)標(biāo)定值制作解釋圖版,并用最小二乘法回歸流量與相位差之間的計(jì)算公式,如圖2所示。如果儀器使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng),出現(xiàn)零漂和誤差較大時(shí),要重新進(jìn)行刻度和標(biāo)定。

圖2 超聲波流量計(jì)在2.5 in油管內(nèi)標(biāo)定圖版

2.2 計(jì)算評(píng)價(jià)井段內(nèi)的流量

根據(jù)測(cè)量超聲波定點(diǎn)流量相或連續(xù)流量的相位差值,代入如圖2中的回歸公式均可計(jì)算該處流量,根據(jù)定點(diǎn)相位差計(jì)算的流量不含測(cè)井速度的影響,計(jì)算出來(lái)的流量直接反應(yīng)定點(diǎn)深度處管子內(nèi)流體的實(shí)際流量;而根據(jù)連續(xù)相位差計(jì)算的流量包含測(cè)井速度的影響,需要減去測(cè)速相同時(shí)在死水區(qū)連續(xù)相位差計(jì)算的流量,才能反應(yīng)該深度處管子內(nèi)流體的實(shí)際流量。

2.3 計(jì)算分層吸水量[3]

首先選出射孔層上下、配水器上下等評(píng)價(jià)井段,再根據(jù)超聲波定點(diǎn)或連續(xù)相位差,按3.2的方法計(jì)算各評(píng)價(jià)井段管子內(nèi)的流量,其上下評(píng)價(jià)井段內(nèi)流量的差值就是射孔層的吸水量或配水器的進(jìn)水量。

對(duì)于分層注水井,若封隔器密封完好,按配注井段將各射孔層分為若干個(gè)解釋單元,先根據(jù)超聲波流量曲線計(jì)算各配水器實(shí)際注水量的大小,然后將其按同位素吸水面積的大小,精確評(píng)價(jià)各小層的吸水量。其特點(diǎn):可以檢查并精確計(jì)算各配水器的實(shí)際配注情況;結(jié)合多參數(shù)分析,可以準(zhǔn)確判斷封隔器的密封情況。

對(duì)于籠統(tǒng)注水井,若射孔層之間的間隔較大(一般大于2 m),超聲波流量曲線在層間有明顯的變化,可直接根據(jù)流量計(jì)曲線進(jìn)行定量解釋。若射孔層之間的間隔較小,流量計(jì)曲線在層間變化不明顯,則可將這些射孔層劃分為一個(gè)解釋單元,根據(jù)流量曲線計(jì)算該單元的總吸水量,然后將其按同位素吸水面積的大小,精確評(píng)價(jià)各小層的吸水量。對(duì)于有竄槽現(xiàn)象的,將竄槽井段內(nèi)各層劃分為一個(gè)解釋單元,用流量曲線計(jì)算該單元總的吸水量,再將其按同位素吸水面積的大小,精確評(píng)價(jià)各小層的竄吸量。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

1)識(shí)別大孔道地層

當(dāng)?shù)貙哟嬖诖罂椎罆r(shí),常規(guī)的同位素載體粒徑比孔道直徑小,會(huì)隨注入水進(jìn)入地層深部,導(dǎo)致測(cè)量同位素曲線與伽馬本底對(duì)比時(shí)差異較小甚至沒(méi)有差異,僅依據(jù)同位素曲線解釋小層吸水量,會(huì)得出與實(shí)際情況相差較大的結(jié)論。如果結(jié)合超聲波流量計(jì),則能很好地反映地層的真實(shí)吸水情況。如GX110-7井2009年10月21日測(cè)的吸水剖面如圖3所示,該井的注水層段為13號(hào)層,射孔井段1 886.0 m～1 902.0 m,厚度16.0 m,注水管柱下至1 859.4 m,注水油壓9.0 MPa,注水量約100 m3/d,所用同位素載體粒徑300μm～600μm,粒密度1.02 g/cm3。從圖中可以看出,同位素示蹤曲線在13號(hào)層頂部(1 885.3 m～1 887.3 m)有較弱吸水顯示,解釋的吸水量占23.52%,但是超聲波流量曲線在此處有大幅度異常,解釋的吸水量占68.98%,說(shuō)明此處存在大孔道,大部分同位素沿大孔道進(jìn)行地層深部。

圖3 GX110-7井超聲波流量計(jì)注水剖面成果圖

2)檢查封隔器的封隔效果

在分層配注井中,測(cè)量超聲波流量計(jì)曲線,可以準(zhǔn)確判斷封隔器的封隔效果。如L15-＊＊井是一口注水井,注水層位Es33,注水井段3 079.6 m～3 082.3 m,40.0 m/8層。該井為一級(jí)兩段分注,上段投80 m3/d的定量水嘴,下段未投水嘴。2010年4月9日進(jìn)行超聲波流量計(jì)注水剖面測(cè)井,如圖4所示,從同位素曲線分析,封隔器上下兩段均有吸水顯示,與設(shè)計(jì)的配注情況基本吻合。但超聲波流量曲線顯示,注入水全部從上段水嘴進(jìn)入,一部分水進(jìn)入封隔器上部的射孔層,另一部分水通過(guò)封隔器進(jìn)入下部射孔層,下段水嘴未進(jìn)水,充分驗(yàn)證了封隔器失效。

圖4 L15-＊＊井超聲波流量計(jì)注水剖面成果圖

3)提高遇阻井注水剖面解釋精度

在長(zhǎng)期的注水剖面測(cè)井施工中,常常會(huì)遇到套管變形、油管未下到位、井下工具堵塞、井底有落物或沉砂等現(xiàn)象,同位素注水剖面測(cè)井解釋時(shí),有些井不能定性分析遇阻層是否吸水,更無(wú)法定量解釋遇阻層的吸水量,常規(guī)處理方法是:定量解釋時(shí)不考慮遇阻層的吸水量,從而影響本井吸水層的定量解釋精度。如果進(jìn)行超聲波流量計(jì)測(cè)井,不僅能準(zhǔn)確分析遇阻層的吸水情況,而且能提高該井的定量解釋精度。

L90-＊＊井是一口注水井,注水層位Es32+3,注水井段2 629.0 m～2 666.8 m,13.2 m/4層。該井為籠統(tǒng)注水,全井日配注量100 m3/d。2010年4月11日對(duì)該井進(jìn)行了同位素注水剖面測(cè)井,施工過(guò)程中測(cè)井儀器在2 662.0 m遇阻,最后一個(gè)層未測(cè)出,從監(jiān)測(cè)曲線分析遇阻層吸水。于是,現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)與地質(zhì)人員聯(lián)系,改用超聲波流量計(jì)測(cè)井,如圖5,根據(jù)超聲波流量曲線計(jì)算的遇阻層吸水量占全井注水量的95.49%,充分發(fā)揮了超聲波流量計(jì)的優(yōu)勢(shì),為采油廠提供了可靠的測(cè)井資料。

圖5 L90-＊＊井超聲波流量計(jì)注水剖面成果圖

4)檢查配水器的實(shí)際配注情況

在分層配注井中,對(duì)不同的層系設(shè)計(jì)了不同大小的配水器水嘴希望按計(jì)劃注水,如果想檢查各配水器的實(shí)際注水情況,可進(jìn)行超聲波流量計(jì)測(cè)井。L1-＊井是一口注水井,注水層位Es32+3,注水井段2 516.0 m～2 646.8 m,目前注水方式為兩級(jí)三段分注,有三個(gè)配水器和兩個(gè)封隔器,井口注水量為106 m3/d左右,設(shè)計(jì)配水器1為死嘴,配水器2未投水嘴,配水器3投60 m3/d的水嘴。2010年4月11日進(jìn)行超聲波流量計(jì)測(cè)井,配水器1不吸水,配水器2進(jìn)水量為58.27 m3/d,配水器3進(jìn)水量為48.00 m3/d,測(cè)試結(jié)果與實(shí)際配注情況基本吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

超聲波流量計(jì)在注水剖面測(cè)井中,能識(shí)別大孔道及微裂縫地層、揭示層間矛盾、檢查井下注水管柱工作情況、判斷淺部套管漏失、提高自然伽馬本底高的井測(cè)井成功率及遇阻井注水剖面解釋精度等,解決了普通的同位素注水剖面測(cè)井技術(shù)存在的諸多難題。

[1] 李俊舫,夏竹君.復(fù)雜注水井吸水剖面流量計(jì)測(cè)井技術(shù)[J].石油儀器,2005,19(6)

[2] 王 祥,夏竹君.利用注水剖面測(cè)井資料識(shí)別大孔道的方法研究[J].測(cè)井技術(shù),2002,26(2)

[3] 夏竹君.利用脈沖中子氧活化測(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)管外竄槽[J].天然氣技術(shù),2008,23(2)

P631.8+3

B

1004-9134(2011)01-0080-03

孫勞武,男,1972年生,工程師,1993年畢業(yè)于重慶石油學(xué)校鉆井工程專業(yè),現(xiàn)在中原油田測(cè)井公司從事測(cè)井技術(shù)工作。郵編:457001

2010-06-30編輯:高紅霞)