壓差密度儀在海上油田應(yīng)用中的適應(yīng)性探討

吳樂軍，馬煥英，趙捷，宋瑞河

唐云飛，謝慶剛，張朝華（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 廊坊 065201）

近年來，出于安全環(huán)保考慮，中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部用壓差密度儀（fluid density differential pressure sensor，簡稱FDD）替代傳統(tǒng)的放射性密度儀，進(jìn)行產(chǎn)出井流體密度的測量。壓差密度儀利用間距為0.6096m的2個壓力探頭測量井筒內(nèi)流體壓力變化，進(jìn)而獲得流體密度。海上油田開發(fā)的特點是產(chǎn)量高、井斜大、普遍采用電泵、井下流體相態(tài)復(fù)雜，致使壓差密度儀的測量值受井斜、摩阻、流通管徑等因素的影響，其測量值偏大，增大了資料解釋的復(fù)雜性和難度，適用性受到很大限制。為此，筆者對壓差密度儀測井原理進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為摩阻是影響海上壓差密度測井測量效果的最主要因素，提出了考慮摩阻影響的壓差密度儀適用性圖版，該圖版對作業(yè)前壓差密度儀的適用性分析有較好的指導(dǎo)意義。

1 壓差密度儀測井原理

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

壓差密度儀由壓力測量、電子線路和加速度測量3部分組成。儀器總長1.3m，外徑40mm，耐溫177℃，耐 壓 103.4MPa，精 度 0.03g／cm3①Sondex.Fluid density differential pressure sensor，2002.。如圖1所示，儀器壓力測量部分上下各有一個壓力傳導(dǎo)口PA，PB，兩者距離0.6096m；儀器內(nèi)部導(dǎo)管充滿硅油，通過測量PA和PB之間的壓力差來測量井筒內(nèi)混合流體密度。加速度部分用來測量井斜，對斜井內(nèi)測量的壓力值進(jìn)行井斜校正。

1.2 儀器測量原理

壓差密度儀利用2個相距0.6096m的壓敏波紋管來測量井筒內(nèi)流體兩點間的壓力梯度的差值②KAPPA Engineering.Emeraude V2.42technical reference 1994－2005，2003.：

圖1 壓差密度儀井下測量示意圖（直井和斜井）

2 測井影響因素分析

在壓差密度儀測井原理基礎(chǔ)上，分析了摩阻、加速度、井斜及硅油對測量值的影響。

2.1 摩阻梯度影響

摩阻梯度由儀器摩阻梯度和管子摩阻梯度兩部分組成，即摩阻梯度引起的壓力變化也由兩部分組成：

式中：fs和fi分別表示管柱和儀器的摩阻因子，跟雷諾數(shù)以及管子粗糙程度有關(guān)；vf為流體視速度；vi和vs分別為儀器表面流體速度和儀器對應(yīng)位置管柱表面流體速度，m／s；vc為電纜速度，m／s；D和d分別為生產(chǎn)管柱內(nèi)徑和儀器外徑，mm。

海上油田，尤其是渤海區(qū)域，通常采用電泵和分采油管生產(chǎn)，油管內(nèi)徑62mm，套管內(nèi)徑124mm，常用測井儀器外徑43mm。相同產(chǎn)量下，油管與套管內(nèi)流體平均速度比為4∶1。當(dāng)摩阻因子和混合密度一致，電纜速度為0時，油管和套管內(nèi)的儀器表面流體速度比值約為7∶1，此時油管與套管的儀器摩阻梯度比值約為330∶1，油管與套管的管柱摩阻梯度比值約為105∶1。

2.2 加速度梯度影響

加速度梯度與井下流體相態(tài)有關(guān)。當(dāng)井下為液相流動時，加速度梯度對總的壓力梯度影響很小，一般可以忽略。井下流體為單相氣，或氣液兩相且為沫狀流、霧狀流時，加速度梯度有很重要的影響。

2.3 井斜影響

從式（2）可以看到，在斜井中（θ不為0°），cosθ不為1。當(dāng)θ測量不準(zhǔn)或誤差較大時，會直接導(dǎo)致測量流體密度值不準(zhǔn)或誤差較大。由斯倫貝謝同種儀器獲得的井斜與密度值關(guān)系圖版①KAPPA Engineering.Production logging analysis foundation 1987－2005，2005.（圖2）所示：在水中測量時，當(dāng)井斜小于70°時，測量密度變化較小，誤差在0.02g／cm3以內(nèi)；而在空氣中測量時，隨著井斜變化，密度變化很大，誤差也很大。

圖2 密度與井斜關(guān)系圖版

2.4 硅油影響

常溫常壓下，標(biāo)準(zhǔn)硅油的密度是0.97g／cm3。壓差密度儀測井過程中，需保證儀器內(nèi)部的硅油密度不發(fā)生變化。測井過程中，壓差密度儀的地面刻度和校驗、井下操作不當(dāng)時，都會使儀器內(nèi)部的硅油被其他流體替換，使ρso發(fā)生異常改變，從而影響流體密度測量的準(zhǔn)確度。

3 考慮摩阻影響的適用性分析

3.1 不同管徑內(nèi)測量效果

圖3 X1井壓差密度測量與校正后值對比

如圖3所示，X1井為一口Y型產(chǎn)出井，油管內(nèi)徑62mm，井斜42°，生產(chǎn)滑套位于1765m，測井當(dāng)日產(chǎn)液量160m3，測量段為油水兩相，分別下入壓差密度儀和放射性密度儀測量流體密度。不同的測速下，各趟壓差密度值差異很大，滑套以上壓差密度測量值0.94～1.23g／cm3，而放射性密度測量值為0.84g／cm3。壓差密度儀器上提和下放測量差異明顯，經(jīng)過摩阻和加速度等校正后，大多數(shù)壓差密度校正值與放射性密度測量值仍有較大差異，由摩阻引起的密度校正值為0.1～0.2g／cm3。

如圖4所示，X2井為一口Y型合采直井，內(nèi)徑為124mm的篩管生產(chǎn)，引鞋位于988m。測井當(dāng)日產(chǎn)液量160m3，測量段為油氣水三相。同時下入壓差密度儀和放射性密度儀測量流體密度。篩管段，不同的測速下壓差密度重復(fù)性良好，與放射性密度的趨勢和值的大小基本一致，且與電容持水率對應(yīng)性良好，由摩阻引起的密度校正值小于0.001g／cm3。

圖4 X2井壓差密度與放射性密度測量對比

對比X1井和X2井，以放射性密度值作為參考，壓差密度在小管徑內(nèi)受摩阻影響很大，而在大管徑內(nèi)受摩阻的影響小，測量值更準(zhǔn)確。

3.2 適用性分析

基于以上理論分析及實際測試情況，分析認(rèn)為摩阻是影響壓差密度測量效果的最大因素，控制摩阻在誤差范圍內(nèi)成為壓差密度儀成功應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，該次研究只考慮滿足摩阻要求，對壓差密度儀的適用性進(jìn)行了分析。

通過分析式（1）～（6），限定由摩阻引起的密度上限為0.03g／cm3，在單相（油（0.68g／cm3、0.374mPa·s）、氣、水（1.03g／cm3））狀態(tài)下，儀器處于靜止?fàn)顟B(tài)，在海上油田常用管柱內(nèi)得到了壓差密度儀測量的對應(yīng)的最大流速及流量，如圖5及表1所示。表1直觀反映了海上常用管柱直徑下對應(yīng)的壓差密度儀適用的最大流速（流量）。這為作業(yè)前進(jìn)行壓差密度儀的適用性分析提供了有效指導(dǎo)和參考。

圖5 壓差密度儀測量的最大流體速度與管柱內(nèi)徑關(guān)系圖版（管柱摩阻＋儀器摩阻＜0.03g／cm3）

表1 海上常用管柱直徑下對應(yīng)的壓差密度儀測量的最大流速

4 應(yīng)用實例

X3井是一口高產(chǎn)氣井，168mm的篩管生產(chǎn)，井斜47°，產(chǎn)油量285m3／d，不產(chǎn)水，生產(chǎn)氣油比1624m3／m3。X3井裸眼井測井顯示沒有明顯氣層，為找出高產(chǎn)氣層，對X3井進(jìn)行了產(chǎn)出剖面測井，用壓差密度和流體電容持水率相結(jié)合進(jìn)行流體識別。

如圖6所示，不同測速下，壓差密度與流體電容持水率的對應(yīng)性較好。壓差密度顯示1677m以下密度為0.93g／cm3，1640m處密度0.73g／cm3，而1620m 處密度0.242g／cm3，溫度、壓力及渦輪轉(zhuǎn)速曲線等均在對應(yīng)位置有明顯響應(yīng)，反映1620～1640m為該井的主要產(chǎn)氣層位。

圖6 X3井產(chǎn)出剖面測井成果圖

5 結(jié)論

1）摩阻是影響壓差密度測量值的最主要因素，油管內(nèi)摩阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于套管內(nèi)摩阻。

2）海上油田壓差密度儀在應(yīng)用前需考慮其適用范圍。大管徑或小管徑低流體速度下，壓差密度儀具有較好的適用性。