國內(nèi)產(chǎn)液剖面測井技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與取得的新進(jìn)展

胡金海 黃春輝 劉興斌 張玉輝 王延軍

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

產(chǎn)液剖面測井動(dòng)態(tài)監(jiān)測貫穿于油田開發(fā)的全過程，提供重要的儲(chǔ)層動(dòng)用信息，識(shí)別高含水層，了解油井的生產(chǎn)狀態(tài)，為開發(fā)方案編制和調(diào)整，以及堵水、壓裂、補(bǔ)孔等油層改造和增產(chǎn)措施提供重要依據(jù)，是精細(xì)油藏描述、確定剩余油動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)資料。國內(nèi)已形成了多項(xiàng)產(chǎn)液剖面測井技術(shù)，其中放射性密度法、電導(dǎo)法、電容法等測量技術(shù)較為廣泛應(yīng)用。油田開發(fā)初期，采用電容式傳感器測量持水率的方法［1］取得了一定的效果。但是隨著油田的持續(xù)開發(fā)，逐漸進(jìn)入高含水開發(fā)階段，油井綜合含水不斷升高，電容法已不能滿足高含水的測井需求。阻抗式含水率計(jì)是大慶油田專門針對(duì)高含水井含水率測量而設(shè)計(jì)的，采用電導(dǎo)傳感器通過測量傳感器內(nèi)油水混相介質(zhì)的阻抗隨含水率的變化來確定含水率。該儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、無可動(dòng)部件和阻流元件，儀器穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著油田進(jìn)入高含水開發(fā)后期以及儀器的廣泛應(yīng)用，尤其是在特高含水的情況下對(duì)儀器的測量精度提出了更高的要求。渦輪流量計(jì)已廣泛應(yīng)用于井下油/水兩相流流量測量［2、3］。渦輪流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、儀表常數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果。但是由于存在可動(dòng)部件，容易砂卡和磨損，測井成功率低。特別是在三元復(fù)合驅(qū)采油之后，產(chǎn)出液粘度增大，導(dǎo)致渦輪流量計(jì)出現(xiàn)不適應(yīng)的情況。渦輪流量測量方法已不能滿足復(fù)雜情況下的測井要求。近年來，斯倫貝謝等西方公司雖然發(fā)展了生產(chǎn)測井儀器系列，研制了基于陣列探針的水平井成像測井儀器，但這些技術(shù)主要適用于高產(chǎn)液井，難以適用于國內(nèi)的低產(chǎn)井。因此，急需發(fā)展與國內(nèi)地質(zhì)條件和開發(fā)方式相適應(yīng)的產(chǎn)液剖面測井技術(shù)，滿足油田開發(fā)對(duì)監(jiān)測技術(shù)的迫切需求。

1 國內(nèi)陸上油田產(chǎn)液剖面測井技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

隨著油田的持續(xù)開發(fā)，對(duì)產(chǎn)液剖面測井儀器的含水率測量分辨率、流量的測量下限、三相流的測量提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)儀器對(duì)水平井、大斜度井、特殊管柱及注入介質(zhì)的改變的適應(yīng)性也提出了挑戰(zhàn)。

1.1 高含水條件下儀器的分辨率提出挑戰(zhàn)

國內(nèi)主要陸上油田進(jìn)入高含水開發(fā)期，以大慶油田為例，已進(jìn)入高含水后期開采階段，其中喇薩杏油田已進(jìn)入特高含水期開發(fā)，部分區(qū)塊和層系進(jìn)入油田開發(fā)后期。對(duì)喇嘛甸油田的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，自2004 年起綜合含水已達(dá)到92%以上，目前含水率超過95%的油井?dāng)?shù)已占30%多，在90%到95%之間的占40%多。在高含水油井中檢測出無開采價(jià)值的特高產(chǎn)水層，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施已成為油田開發(fā)的重要問題?，F(xiàn)有的產(chǎn)液剖面測井技術(shù)在測量分辨率和測量精度上都難以從多層系開發(fā)的油井中確定出特高產(chǎn)水層，無法更好地滿足油田生產(chǎn)的實(shí)際需要，研制高分辨率的含水率計(jì)成為亟待解決的問題。

1.2 特低產(chǎn)液下流量的測量下限提出挑戰(zhàn)

國內(nèi)的低滲透油田普遍產(chǎn)液量低，這部分油田單井產(chǎn)液介于1 m3/d ～10 m3/d，含水50%左右或更低，部分井的產(chǎn)液量甚至低于3 m3/d。例如大慶采油八廠一些油井總產(chǎn)液量在2 m3/d 左右，甚至低于1.5 m3/d，還要射開4 各層以上，所以平均單層產(chǎn)量不足0.5 m3/d。而目前使用的產(chǎn)液剖面測井儀器的流量測量下限偏高，造成測量結(jié)果偏差較大，影響測井資料的準(zhǔn)確性。因此，急需研制一種適用于大慶外圍以及其它低滲透油田的低產(chǎn)液條件下的產(chǎn)液剖面測井技術(shù)，滿足低滲透油田低產(chǎn)井開發(fā)的需要。

1.3 水平井、大斜度井、特殊管柱及注入介質(zhì)的改變對(duì)儀器的適應(yīng)性提出挑戰(zhàn)

水平井、大斜度井的開發(fā)給產(chǎn)液剖面測量提出了新的挑戰(zhàn)，存在著不同于垂直井中的技術(shù)難題;注入井中注入介質(zhì)的變化影響著產(chǎn)液剖面測量效果，在聚合物驅(qū)采出的油井中產(chǎn)出聚合物溶液嚴(yán)重影響渦輪流量計(jì)的測量效果，甚至導(dǎo)致不能工作，三元復(fù)合驅(qū)面臨的情況比聚合物驅(qū)更加復(fù)雜;采用特殊管柱工藝的產(chǎn)出油井，需要特殊結(jié)構(gòu)、特定要求的產(chǎn)液剖面測井儀。

1.4 開發(fā)可靠的三相流測井技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急

大慶、吉林等國內(nèi)老油區(qū)和低滲透油田，多數(shù)油井為油氣水三相并存，原有的油水兩相流測井儀器已無法滿足要求，解決三相流油井的測量問題已經(jīng)無法回避，開展油氣水三相流的基礎(chǔ)研究、認(rèn)識(shí)其流動(dòng)規(guī)律并探索安全、環(huán)保、可靠的三相流測井方法是當(dāng)務(wù)之急。

2 產(chǎn)液剖面測井技術(shù)取得的新成果

針對(duì)所遇到的挑戰(zhàn)及技術(shù)瓶頸，需要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行完善和工藝上的改進(jìn)、開發(fā)新型的傳感器。開發(fā)出了應(yīng)用于高含水油井的高分辨率含水率計(jì)、油水兩相電磁流量計(jì);開發(fā)出應(yīng)用于低產(chǎn)低滲油田的分離式產(chǎn)液剖面測井儀;開發(fā)了用于三相流油井的光纖持氣率計(jì);開發(fā)了針對(duì)水平井的水平井測井新技術(shù);開發(fā)了針對(duì)特殊管柱工藝的同層注采儲(chǔ)存式含水率計(jì)等。

2.1 用于高含水油井的分流式高分辨率含水率計(jì)及油水兩相流電磁流量計(jì)

2.1.1 分流式高分辨率含水率計(jì)［4］

分流式含水率計(jì)在原有阻抗含水率計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，在阻抗傳感器內(nèi)置一分流管，并通過合理設(shè)置上下進(jìn)液口，可以使流過阻抗傳感器流體中的水相部分得到分流，降低了流過阻抗傳感器流體的含水率，從而提高了阻抗傳感器在高含水條件下含水率測量分辨率，如圖1所示給出了儀器示意圖。相比于原阻抗含水率計(jì)3%的分辨率，在含水率60% ～100%范圍內(nèi)分辨率可達(dá)2%，動(dòng)態(tài)加密標(biāo)定圖版如圖2 所示。該項(xiàng)技術(shù)具有很好的重復(fù)性和較高的分辨率，能夠識(shí)別出特高含水層，能夠?yàn)楦吆吞馗吆a(chǎn)液剖面測井提供技術(shù)手段，目前正在現(xiàn)場試驗(yàn)階段。

2.1.2 油水兩相流電磁流量計(jì)［5］

圖1 分流法高分辨率含水率計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 儀器含水率響應(yīng)圖版

電磁流量計(jì)由于無可動(dòng)部件及阻流元件，被廣泛應(yīng)用于地面單相的、導(dǎo)電(如水)流體的流量測量，也廣泛應(yīng)用于油田注水井、注聚井的注入剖面測井中。所研制的應(yīng)用于高含水油井電磁流量計(jì)用于測量油/水兩相流的流量目前已經(jīng)開展了實(shí)驗(yàn)及研究，并見到了很好的效果。該方法的研究成功，率先將電磁法用于井下油/水兩相流產(chǎn)液剖面測井中，拓寬了電磁法進(jìn)行流量測量的使用范圍，作為渦輪流量計(jì)的補(bǔ)充使用，可提高測井成功率。在高含水情況下，同一流量時(shí)不同含水率下儀器響應(yīng)頻率值接近，顯示出電磁流量計(jì)在油/水兩相情況下標(biāo)定結(jié)果與含水率無關(guān)，并與清水中標(biāo)定結(jié)果基本一致。如圖3 所示為油水兩相電磁流量儀器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4 所示為油水兩相下的儀器測量響應(yīng)圖版，從圖上可知儀器的流量上限可達(dá)120 m3/d，當(dāng)含水率高于80%，流量高于20 m3/d 時(shí)，測量誤差在±5%以內(nèi)。

2.2 用于低產(chǎn)液油井的分離低產(chǎn)液找油儀［6］

圖3 油水兩相電磁流量儀器結(jié)構(gòu)圖

圖4 兩相流下的儀器測量響應(yīng)圖版

基于分離法的低產(chǎn)液測量儀進(jìn)液孔位于傳感器的下方，集流器的下沿，當(dāng)集流器工作時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下，集流器被撐起，套管內(nèi)的截面空間被封閉，向上流動(dòng)的油/氣/水三相在集流器下方匯聚，由于密度差異和重力分離作用，氣相析出處于撐開的集流傘最上方的氣相分離腔內(nèi)，由上而下依次為油相分離段和水相分離段，油相分離段和水相分離段之間存在油/水界面。位于集流傘中心管上的四個(gè)油/水界面測量電極處于水相分離段時(shí)，其與儀器外殼之間構(gòu)成的回路導(dǎo)通，測量信號(hào)輸出高電平;隨著流體不斷累積，油/水界面不斷下移，4 個(gè)油/水界面測量電極依次處于油相分離段，其與儀器外殼之間構(gòu)成的回路截止，測量信號(hào)輸出低電平。由油/水界面測量電極輸出信號(hào)的高低電平的時(shí)間差，即可求出油相流量。如圖5 所示為分離低產(chǎn)液找油儀原理示意圖，如圖6 所示油流量測量的響應(yīng)曲線。

2.3 用于三相流油井的光纖探針持氣率計(jì)［7、8］

氣體的光學(xué)指數(shù)接近1，水是1.35，原油是標(biāo)準(zhǔn)的1.5，利用光學(xué)探頭對(duì)流體光學(xué)指數(shù)(折射率)的靈敏性進(jìn)行氣體探測。光線由紅外發(fā)光二極管發(fā)射到光纖中，傳到探頭的尖端。然后，根據(jù)流體的光學(xué)指數(shù)，一些光被反射回光電二極管。氣體和液體之間的信號(hào)幅度差別很大，該系統(tǒng)略有二元性。為了從液體中識(shí)別氣體，設(shè)定了一個(gè)閾值，大于閾值的信號(hào)即認(rèn)為是氣體。如圖7所示給出了光纖持氣率計(jì)工作原理示意圖。如圖8 所示為光纖探針在三相下的響應(yīng)，圖上以標(biāo)準(zhǔn)含氣率為橫坐標(biāo)，以光纖探針儀器響應(yīng)的平均值為縱坐標(biāo)，繪制氣/水兩相流持氣率響應(yīng)圖版，可以看出，各個(gè)流量點(diǎn)下探針響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)含氣率呈正比例關(guān)系;20 m3/d 以下隨著流量的升高，儀器響應(yīng)逐漸增加，曲線斜率逐漸增大;當(dāng)流量到達(dá)30 m3/d 以上時(shí)，在含氣率一定時(shí)，各流量點(diǎn)的響應(yīng)值隨流量的增加不再變化，各條曲線基本重合，儀器響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)含氣率呈近似正比例關(guān)系。

圖5 分離低產(chǎn)液找油儀原理示意圖

圖6 分離低產(chǎn)液找油儀油流量響應(yīng)

圖7 光纖持氣率計(jì)原理示意圖

2.4 用于水平井測量的新技術(shù)

2.4.1 復(fù)合式電容傳感器［9］

復(fù)合式電容傳感器由同軸電容傳感器和筒狀電容傳感器組合而成。同軸電容傳感器由內(nèi)插電極棒和其外部包裹的絕緣層構(gòu)成，筒狀電容傳感器由圓筒狀金屬層電極和其內(nèi)、外兩側(cè)包裹的絕緣層組成，將兩個(gè)電極都做密封處理與外殼絕緣并引出導(dǎo)線接同一個(gè)激勵(lì)，在電路上是并聯(lián)方式，外殼接地。如圖9 所示為復(fù)合式電容傳感器剖面圖，如圖10 所示為水平條件下油水兩相流響應(yīng)圖版。

圖8 光纖持氣率計(jì)的響應(yīng)

圖9 復(fù)合式電容傳感器剖面圖

圖10 復(fù)合式電容傳感器水平條件下響應(yīng)圖版

2.4.2 熱式相關(guān)流量計(jì)［10、11］

如圖11 所示為測量原理示意圖，當(dāng)流體流過圓形測量管段中的熱源發(fā)生器時(shí)，利用脈沖方式控制電容對(duì)熱源發(fā)生器放電，在極短的時(shí)間內(nèi)電容能夠?yàn)闊嵩窗l(fā)生器提供一個(gè)較大的功率，使熱源發(fā)生器快速發(fā)熱，根據(jù)熱傳導(dǎo)原理進(jìn)而加熱熱源發(fā)生器周圍的運(yùn)動(dòng)流體，使流體溫度迅速升高，產(chǎn)生熱脈沖流體。當(dāng)熱脈沖流體流經(jīng)熱源發(fā)生器下游的溫度傳感器時(shí)，由于流體溫差原因，將引起溫度檢測傳感器的測量信號(hào)突變，形成標(biāo)記脈沖。根據(jù)時(shí)域互相關(guān)算法原理，對(duì)兩個(gè)溫度傳感器檢測的信號(hào)波形進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，可以求出熱脈沖流體流經(jīng)兩個(gè)溫度傳感器的時(shí)間，稱為渡越時(shí)間。設(shè)定圓形測量管段的直徑為D、兩個(gè)溫度傳感器的間距為L、渡越時(shí)間為τ、流體的測量流速為V、流體的測量流量為Q，則有以下關(guān)系式成立:

由式(1)和式(2)就可計(jì)算油/水兩相流體的總流量。

圖11 測量原理示意圖

如圖12 所示為全水、全油及不同含水率5 種情況下的實(shí)驗(yàn)圖版，對(duì)5 種情況同一流量下的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均計(jì)算，根據(jù)平均結(jié)果進(jìn)行線性擬合得出相應(yīng)的流速—流量模型，擬合曲線的線性較好;然后計(jì)算5 種情況下流速測量值與平均值的偏差，流速測量值與平均值的最大偏差均在5%以內(nèi);通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，儀器響應(yīng)規(guī)律與含水率之間無明顯規(guī)律，即受含水率影響較小。理論分析和在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)說明:熱示蹤相關(guān)流量計(jì)可以用于水平井油/水兩相流流量的測量。流量測量范圍及精度為1 m3/d ～30 m3/d，8%FS;含水率適用范圍為0 ～100%。

圖12 流量流速關(guān)系圖

2.5 用于特殊管柱的同層注采存儲(chǔ)式產(chǎn)出剖面測井儀

用于油田同層注采井中監(jiān)測經(jīng)管柱油水分離裝置分離后回注到地層的水中含油情況和注入量情況，從而監(jiān)測分離效果，是一種在新型注采管柱中采用特殊結(jié)構(gòu)的含水率計(jì)測量含水率的技術(shù)。井下存儲(chǔ)式含水監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)示意如圖13 所示，儀器自下而上由下水的礦化度測量傳感器(下傳感器)、油水混合電導(dǎo)率測量傳感器(上傳感器)［12］及電路筒組成，油水混合電導(dǎo)率測量傳感器上、下分別有進(jìn)液口和出液口，所測得的油水混合電導(dǎo)率通過對(duì)水的礦化度校正可得流體的含水率。

圖13 井下存儲(chǔ)式含水率監(jiān)測儀機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

如圖14 所示給出的是含水率監(jiān)測儀連續(xù)工作170 d的測量結(jié)果，從圖14 可以看出1 月10 日～1 月14 日只有一次測試含水率96%，其余100%(儀器如果處于全水狀態(tài)時(shí)儀器中的兩個(gè)傳感器測量值一致，并且測量值穩(wěn)定沒有波動(dòng))。根據(jù)儀器的工作原理，儀器上全水值測量傳感器利用油水重力分離原理，在含水率5O%以上時(shí)，傳感器處于水中，測量值為全水值，流體流過的傳感器為混相值測量傳感器，當(dāng)流體全是水時(shí)，兩個(gè)傳感器值一樣，所以判斷含水100%時(shí)不存在誤差。1 月14 日有油泡流過，經(jīng)了解當(dāng)天泵停抽，應(yīng)該是停抽后漂過的油泡，此后井內(nèi)為全水狀態(tài)。

圖14 含水率監(jiān)測儀連續(xù)工作170 d 的測量結(jié)果

3 未來產(chǎn)液剖面測井技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 油氣水三相流的發(fā)展趨勢

針對(duì)油氣水三相流的問題，如圖15 所示給出技術(shù)路線，可以總結(jié)出兩個(gè)技術(shù)路線。一方面研究其在井筒和儀器測量通道內(nèi)的各相分布和流速分布，研究流型、流態(tài)，以及流型演變規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，研究基于光纖探針陣列的在線測量方法和傳感技術(shù);另一方面研究氣相分流的工藝，將三相流問題簡化為兩相流問題，采用兩相流的技術(shù)解決問題。

3.2 水平井產(chǎn)液剖面測井技術(shù)的發(fā)展趨勢

對(duì)于水平井的產(chǎn)液剖面測量，國內(nèi)還主要采用集流的測量方式，集流的測量方式可以使產(chǎn)出流體得到混合，可克服流型流態(tài)的影響，并且可以提高流體流速，提高流量測量效果，但集流的測量方式會(huì)改變流體在井筒中的正常流動(dòng)狀態(tài)，影響儀器的測量效果，采用全井眼陣列傳感器，減少對(duì)流體的干擾，為此開發(fā)基于陣列電導(dǎo)探針傳感器［13］或陣列電容傳感器與陣列渦輪傳感器或陣列熱式流量計(jì)相組合，可直觀給出流體的正常流動(dòng)狀態(tài)。

圖15 三相流技術(shù)路線圖

4 結(jié) 論

針對(duì)高含水井、低產(chǎn)液井、水平井及油氣水三相流等測試需求，開發(fā)了系列方法，研制了相應(yīng)的測井儀器，為形成工程化技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，這些技術(shù)的研究成功將重點(diǎn)解決高含水、低產(chǎn)液油井、水平井多相流產(chǎn)出剖面測井等監(jiān)測難題，在國內(nèi)主要老油田推廣應(yīng)用，為油田增儲(chǔ)上產(chǎn)、提高采收率提供技術(shù)支撐。并結(jié)合目前現(xiàn)有生產(chǎn)需求提出了未來技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1)對(duì)于三相流的測量，一方面采用傳統(tǒng)直接測量手段，一方研究一方面研究氣相分流的工藝，將三相流問題簡化為兩相流問題。

2)對(duì)于水平井，開發(fā)基于陣列電導(dǎo)探針傳感器或陣列電容傳感器與陣列渦輪傳感器或陣列熱式流量計(jì)，相組合技術(shù)。

［1］劉興斌，強(qiáng)錫富. A theoretical model for a capacitance tool and its application to production logging［J］. Flow Measurement and Instrumentation，1998，(9):249 -257.

［2］金寧德，周勇桂，王微微，等. 傘集流油氣水三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)模型研究［J］. 測井技術(shù)，2007，31(1):4 -9.

［3］鐘興福，吳應(yīng)湘，田樹祥，等. 用渦輪流量計(jì)測量多相流流量［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23(3):858 -859.

［4］劉興斌，許建暉，黃春輝，等. 分流式電導(dǎo)含水率計(jì)兩相流流場數(shù)值模擬［J］. 油氣田地面工程，2011，30(11):17 -18.

［5］張玉輝，劉興斌，單福軍，等. 電磁法測量高含水油水兩相流流量實(shí)驗(yàn)研究［J］. 測井技術(shù)，2011，35(3):206-209.

［6］李 銳，王金鐘，張志文，等. 分離式低產(chǎn)液產(chǎn)出剖面測井技術(shù)及應(yīng)用［J］. 測井技術(shù)，1999，23(增刊).511 -515.

［7］李 莉，劉興斌，房 乾，等. 光纖探針持氣率計(jì)模擬井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析［J］. 石油儀器，2012，26(2):22 -27.

［8］牟海維，劉文嘉，孔令富，等. 光纖持氣率計(jì)在氣/水兩相流中響應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 光學(xué)儀器，2012，34(5):66 -69.

［9］胡金海，劉興斌，李 雷，等. 復(fù)合式電容傳感器水平條件下的響應(yīng)特性研究［J］. 石油儀器，2011，25(1):77-79.

［10］謝榮華，趙 娜，馬水龍，等. 熱示蹤流量計(jì)電學(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真［J］. 油氣田地面工程，2011，30(12):6 -8.

［11］趙 娜，王延軍，劉興斌，等. 水平井熱示蹤相關(guān)流量測量方法研究［J］. 石油儀器，2011，25(2):57 -592.

［12］胡金海，劉興斌，張玉輝，等. 阻抗式產(chǎn)液剖面測井儀［J］. 石油科技論壇，2011，(1):62 -63.

［13］豆岳龍，劉興斌，胡金海，等. 基于FPGA 的雙層陣列電導(dǎo)探針持水率計(jì)電路設(shè)計(jì)［J］. 石油儀器，2011，25(5):74 -75.