爬行器MaxTRAC及流體掃描成像測(cè)井儀FSI解決水平井產(chǎn)出剖面測(cè)井問題

曾桃，鄭永建，李躍林 （中海石油 （中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東 湛江524057）

水平井／大斜度井是海上油氣田開發(fā)的主要方式，以南海西部文昌油田為例，水平井占開發(fā)井總數(shù)的一半以上，且大多數(shù)井已進(jìn)入中高含水期，找、控水需求迫切。因此，水平井的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)海上油田的開發(fā)和管理至關(guān)重要。傳統(tǒng)的產(chǎn)出剖面測(cè)井技術(shù)在應(yīng)用于水平井時(shí)面臨較大的困難，主要原因有：①水平多相流流態(tài)的復(fù)雜性。水平井段的流動(dòng)以分層流動(dòng)為主，且油水氣之間存在滑脫，尤其是低流量時(shí)，井斜對(duì)流態(tài)的影響強(qiáng)烈①Rob North．Profiling and qualifying complex multiphase flow．Schlumberger Oilfield Review，2004，Autumn：4～13．。而常規(guī)流量剖面測(cè)井儀器在井筒中居中測(cè)量，無法評(píng)價(jià)復(fù)雜的水平分層流動(dòng)。②水平井井眼軌跡、井身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，常規(guī)的工具組合很難在水平井中實(shí)現(xiàn)工具串的順利起下及保證穩(wěn)定合理的測(cè)速。這也造成大批有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求的水平井無法取得產(chǎn)液剖面資料，極大地限制了油田后期的開發(fā)調(diào)整。針對(duì)以上難題，南海西部文昌油田使用往復(fù)卡緊式井下爬行器MaxTRAC及集成了多個(gè)渦輪和傳感器的流體掃描成像測(cè)井儀FSI進(jìn)行了水平井產(chǎn)出剖面測(cè)井作業(yè)，并根據(jù)測(cè)井結(jié)果實(shí)施了控水措施，取得了較好的效果。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1．1 儀器傳輸方式

MaxTRAC井下牽引系統(tǒng)是一種往復(fù)卡緊式井下爬行器［1］（圖1），適用于井下管柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜的套管或篩管完井水平井，相對(duì)于常規(guī)的爬行器，它可以在水平井中實(shí)現(xiàn)工具串的順利起下及保證穩(wěn)定合理的測(cè)速。其主要特點(diǎn)有：

1）能在內(nèi)徑0．061～0．2445m范圍的任何尺寸井眼內(nèi)工作并提供其全部1000lb（1lb＝4．4482N）的驅(qū)動(dòng)力。

2）兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元交替?zhèn)鲃?dòng)，能提供穩(wěn)定的爬行速度，因此可以在下行過程中實(shí)現(xiàn)邊爬邊測(cè)，測(cè)井儀器迎著液流方向移動(dòng)，儀器本身對(duì)流動(dòng)干擾小，測(cè)量數(shù)據(jù)更精確。

圖1 MaxTRAC爬行器驅(qū)動(dòng)單元

1．2 水平井多相流動(dòng)測(cè)量方案

與直井相比，水平井井下流動(dòng)較為復(fù)雜，多相流并不以混合狀態(tài)存在，而是受井斜和流量等多因素的影響，呈水平層流為主的復(fù)雜流態(tài)，用于直井的在井筒中居中測(cè)量的常規(guī)生產(chǎn)測(cè)井儀器不能滿足其產(chǎn)出剖面測(cè)量的需要。

測(cè)井儀器組合主要包括基本測(cè)量短節(jié) （PBMS）和流體掃描成像測(cè)井儀（FSI），可提供壓力、溫度、自然伽馬、磁性定位以及水平井井下分層流速和分層三相持率等數(shù)據(jù)。

圖2 FSI流體掃描成像儀及工作狀態(tài)示意圖

由于重力作用FSI會(huì)在井筒中保持垂直，在2個(gè)儀器臂及本體上有5個(gè)微轉(zhuǎn)子流量計(jì)、6個(gè)FlowView電阻探針和6個(gè) Ghost 光 學(xué) 探 針［2，3］，分別測(cè)量水平井分層流動(dòng)速度剖面及局部的持水率和持氣率，所有傳感器在相同深度上同時(shí)進(jìn)行測(cè)量（圖2）。

1）持水率測(cè)量 持水率通過電阻探針進(jìn)行測(cè)量 （圖3）。探針測(cè)量流體的導(dǎo)電率，利用二進(jìn)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果探針接觸的是水 （導(dǎo)電介質(zhì)），則電路短路；如果探針接觸的是油或氣，則電路斷路。根據(jù)電路單位時(shí)間內(nèi)接通的時(shí)間可計(jì)算出持水率 （Yw）＝短路時(shí)間／總時(shí)間。

2）持氣率測(cè)量 持氣率通過光學(xué)探針進(jìn)行測(cè)量 （圖4），利用光學(xué)原理測(cè)量從探針尖端反射回來的光線強(qiáng)度并利用二進(jìn)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)探針接觸氣體時(shí)，光線幾乎100%反射；當(dāng)探針接觸油或水時(shí)，反射回來的光線很弱。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)光線強(qiáng)弱反射的時(shí)間比即可計(jì)算出持氣率 （Yg）＝強(qiáng)反射時(shí)間／總時(shí)間。

3）流速測(cè)量 FSI的流量計(jì)在流動(dòng)截面上有5個(gè)微轉(zhuǎn)子流量計(jì)，利用懸置于流體中的轉(zhuǎn)子在流體的推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，可反映被測(cè)流體的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，從而計(jì)算出流速。每個(gè)渦輪所測(cè)的流速即視為該區(qū)域的平均流速。

圖3 持水率測(cè)量原理示意圖

圖4 持氣率測(cè)量原理示意圖

1．3 水平井多相流動(dòng)解釋理論

常規(guī)居中測(cè)量的渦輪流量計(jì)測(cè)量的僅是管壁中央的流體表觀速度vt（圖5），但在參與最終的流量計(jì)算前，還需通過流速校正因子fv轉(zhuǎn)換為流體平均速度vm，同時(shí)需考慮各相間的滑脫速度。由于水平井段多為復(fù)雜的分層流動(dòng)，需要通過復(fù)雜的滑脫速度模型和實(shí)驗(yàn)解釋模板進(jìn)行間接求解［4］。而FSI集成了多個(gè)傳感器，直接測(cè)量流動(dòng)截面的多個(gè)參數(shù)，極大地簡(jiǎn)化了后期解釋的算法和難度，同時(shí)提高了解釋精度。

圖5 常規(guī)渦輪流量計(jì)測(cè)量示意圖

圖6 多渦輪流量計(jì)流速計(jì)算示意圖

1）流速計(jì)算 如圖6所示，按渦輪的數(shù)量和分布方式將水平流動(dòng)截面在垂向上分為i個(gè)區(qū)域，每個(gè)測(cè)井速度下區(qū)域i的流速vi為：

式中：vi為區(qū)域i范圍內(nèi)的平均流速，m／min；Rrps，i為每個(gè)測(cè)井速度下第i個(gè)轉(zhuǎn)子的響應(yīng)，r／s；vx為轉(zhuǎn)子速度的門限值，m／min；vl為測(cè)井速度，m／min；Si為通過轉(zhuǎn)子校正后獲得第i個(gè)轉(zhuǎn)子的斜率，（r／s）／ （m／min）。則整個(gè)水平流動(dòng)截面的平均流速為：

式中：vm為整個(gè)截面的平均流速，m／min；Ai為區(qū)域i的面積，m2。Ai可由管柱內(nèi)徑及渦輪的數(shù)量和分布方式得出。

2）持率計(jì)算 假定各相流體的持率在區(qū)域i中各自處處相等，則：

式中：Yp為油相、水相或氣相的持率，1；Yp（i）為區(qū)域i內(nèi)的各相持率，1。區(qū)域i內(nèi)的持水率Yw（i）和持氣率Yg（i）由區(qū)域i內(nèi)的電阻探針和光學(xué)探針直接測(cè)量，持油率Yo（i）＝1－Yw（i）－Yg（i）。

3）流量計(jì)算 假定在區(qū)域i內(nèi)的各相流體間不存在滑脫效應(yīng)，即同一區(qū)域內(nèi)各相速度處處相等，則：

式中：qp為油相、水相或氣相在工況下的流量，m3／d。通過PVT（壓力、體積、溫度）轉(zhuǎn)換即可求得對(duì)應(yīng)地面條件下的產(chǎn)量。

由于FSI有5個(gè)在垂向上均勻分布的渦輪，因此i＝1，2，3，4，5；相應(yīng)的Ai可由管柱內(nèi)徑和儀器幾何尺寸求得。

2 應(yīng)用實(shí)例

A井為珠江口盆地文昌油田新近系珠江組的一口開發(fā)水平井，造斜點(diǎn)460m，完鉆斜深2676m，水平段長(zhǎng)721m，采用5in（1in＝0．0254m）優(yōu)質(zhì)篩管完井，泵抽生產(chǎn)，生產(chǎn)測(cè)井前產(chǎn)液250m3／d，含水率68%。

2．1 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

完成前期準(zhǔn)備工作后，該井進(jìn)行了產(chǎn)出剖面測(cè)井作業(yè)，MaxTRAC在進(jìn)入防砂管柱前通電工作，順利跨越防砂封隔器臺(tái)階并牽引測(cè)試工具串，完成了整個(gè)水平井段的測(cè)量，獲得了一下一上兩趟測(cè)量數(shù)據(jù)及12個(gè)點(diǎn)測(cè)數(shù)據(jù)，質(zhì)量良好。測(cè)試過程中地面設(shè)備可實(shí)時(shí)回放地下流動(dòng)狀況（圖7）。

2．2 資料解釋

圖7 A井水平井段分層流動(dòng)狀態(tài)示意圖

使用生產(chǎn)測(cè)井解釋軟件Emeraude進(jìn)行了定量解釋。A井在井下不脫氣，為油水兩相流動(dòng)，從井斜－持率剖面上可看出水平井井下流動(dòng)狀態(tài)受井斜的影響很大。根據(jù)FSI測(cè)量結(jié)果并結(jié)合裸眼井解釋結(jié)果劃分了4個(gè)產(chǎn)液層段：水平井趾端的3、4號(hào)產(chǎn)層為主要的產(chǎn)出段，產(chǎn)液量占全井段的85．9%，產(chǎn)水量占全井段的95．5%；1、2號(hào)產(chǎn)層由于物性相對(duì)較差，在生產(chǎn)壓差不足0．1MPa的情況下，產(chǎn)液比例僅占全井段的14．1%（表1）。

表1 A井水平井段分段產(chǎn)出比例（地面產(chǎn)量）

2．3 措施驗(yàn)證

通過生產(chǎn)測(cè)井了解產(chǎn)液剖面后，A井進(jìn)行了控水作業(yè)。通過下入分采管柱并封堵3、4號(hào)產(chǎn)層段后，該井含水率持續(xù)降至3．6%并保持了30余天，初期日增油約80m3／d（圖8）。控水后的生產(chǎn)情況與生產(chǎn)測(cè)井解釋結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了產(chǎn)出剖面測(cè)井的準(zhǔn)確性。

圖8 A井控水作業(yè)后生產(chǎn)曲線圖

3 結(jié)論

1）往復(fù)卡緊式井下爬行器MaxTRAC作業(yè)效率高、適應(yīng)能力強(qiáng)，可應(yīng)用于井下管柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水平井生產(chǎn)測(cè)井作業(yè)。

2）流體掃描成像測(cè)井儀FSI通過集成的多個(gè)渦輪和傳感器同時(shí)測(cè)量水平井流動(dòng)截面上不同深度的流速及各相持率，解決了居中測(cè)量的常規(guī)測(cè)井儀器在水平井或斜井中出現(xiàn)性能指標(biāo)下降及響應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生縱向片面性等問題。同時(shí)，不同傳感器測(cè)量得出的同一水平井流動(dòng)截面的不同目標(biāo)參數(shù)，極大地簡(jiǎn)化了水平井產(chǎn)出剖面測(cè)井解釋的算法和難度，同時(shí)提高了解釋精度。

［1］郭宏志，李冬梅 ．Flagship在中高含水期水平井中的應(yīng)用研究［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，（2）：107～110．

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