超聲波-多普勒三相流測井及其在青海油田的應(yīng)用

張洪, 邱金權(quán), 王青川, 甘常建, 劉彥鑫, 周峰

(青海油田測試公司, 青海 茫崖 816499)

0 引 言

產(chǎn)出剖面測井技術(shù)作為分析油層動用狀況所必須的手段之一,為油田動用狀況監(jiān)測、制定各種措施提供了依據(jù),在油田高效開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。青海油田存在2個方面的油、氣、水三相流,一是開發(fā)新區(qū)為油氣同產(chǎn)油藏;二是老油藏已處于開發(fā)中后期,油井井筒內(nèi)流壓低于飽和壓力,普遍存在著脫氣現(xiàn)象,造成井內(nèi)出現(xiàn)油、氣、水三相流動,使井筒內(nèi)流型復(fù)雜多變,大大增加了其測井和解釋的困難和復(fù)雜程度。

從20世紀70年代開始,大慶油田與吉林大學(xué)最早合作提出了用于自噴井中的集流型放射性低能源測量油、氣、水三相流流量方法[1];隨著大量油井轉(zhuǎn)抽,大慶油田在原來三相流測井技術(shù)基礎(chǔ)上又研制了皮球及傘集流型環(huán)空三相流測井儀[2]。環(huán)空三相流產(chǎn)出剖面測井加入了放射性密度計的遙測三相流產(chǎn)出剖面組合測井儀[3],該儀器用渦輪流量計測量體積流量,用109Cd放射源發(fā)射的88 keV的γ射線和22 keV的X射線測量三相平均密度和持水率;大慶油田研制的分離式低產(chǎn)液三相流測井儀主要是根據(jù)各相的密度不同,對油、氣、水三相進行了分離,首次實現(xiàn)了分相流量測量[4],但缺點是要求氣量相對較小;長江大學(xué)開展了光學(xué)法測量井下多相流中氣相流量的方法研究,采用光學(xué)多普勒-反射波法,利用光學(xué)多普勒效應(yīng)測量流體中氣相的流速,利用反射光波強度測量持氣率[5]。

青海油田針對油田動態(tài)監(jiān)測需求,科學(xué)調(diào)研,加強外部技術(shù)單位合作,現(xiàn)場開展了超聲波-多普勒實驗研究。其原理是利用超聲波多普勒效應(yīng)及油、氣、水聲阻抗的差異,油、氣、水反射的超聲波產(chǎn)生頻移,且正比于相對運動速度,從而求得油、氣、水流速。由于其反射波能量正比于持油率、持氣率和持水率,從而可以直接求得各層油、氣、水量。通過現(xiàn)場16井次的應(yīng)用,基本上解決了青海油田油、氣、水三相流測井難題。

1 測量原理

超聲傳感器的基本原理是利用運動物體(油泡、氣泡)反射和散射超聲波信號的多普勒頻域效應(yīng)監(jiān)測其運動速度(見圖1),通過超聲探頭發(fā)射高頻超聲信號,該信號在油、氣、水三相流中傳播,遇到油泡、氣泡后,會形成多普勒散射,使用傳感器接收多普勒散射信號;對多普勒散射信號作頻域分析,可直接得到油泡、氣泡的運動速度及等效橫截面積以及水的流速,通過運動速度及橫截面積,即可求得各相流量[6]。

圖1 超聲傳感器原理圖

1.1 油泡、氣泡流速的測量

油泡、氣泡流速的測量根據(jù)多普勒效應(yīng)實現(xiàn)。設(shè)v為被測物體(油泡、氣泡)的運動速度,v0為聲波的傳播速度,f為多普勒測速儀所發(fā)射的聲波頻率,在油井內(nèi)發(fā)射超聲波遇到油泡、氣泡時,會在泡的界面產(chǎn)生反射或散射,這個散射波可視為新的波源,在散射產(chǎn)生的短暫時間內(nèi)可視為其與上升的井筒液體一起運動的波源,則散射時產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而發(fā)生頻移的聲波頻率為f″。經(jīng)理論和實踐研究推導(dǎo)[7]

(1)

(2)

1.2 儀器結(jié)構(gòu)及性能指標

1.2.1 儀器結(jié)構(gòu)及性能指標

儀器主要由6部分組成(見圖2):導(dǎo)錐(便于儀器下井)、過濾器、傳感頭(為儀器的核心部位,在多相流測試中能有效排除干擾并保持信號強度)、密封圈、接頭及電路支架。性能指標見表1。

圖2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

耐壓/MPa耐溫/℃?zhèn)鬏敺绞絻x器尺寸/mm電纜接口供電儀器串長度/m0～600～150曼碼傳輸直徑26或38;長度800單芯或多芯電纜DC+30V(帶高壓關(guān)斷功能)4.6(不含加重桿)

1.2.2 儀器特點

采集速度快,每個測試點在3 min左右完成;非集流方式,不影響井下流壓,不受地層水礦化度和流體性質(zhì)的影響,測試結(jié)果更真實;直接測量分相流量,不用渦輪測總流量,科學(xué)、高效,有利于提高測試成功率;配套提供遙測、磁定位、溫度、壓力、伽馬以及電動扶正器等;既能測油水、氣水兩相流,也能測油、氣、水三相流。

2 模擬試驗及數(shù)據(jù)分析修正

以空氣、柴油和水作為實驗介質(zhì),在三相流模擬裝置中進行試驗,獲取了理想的超聲波多普勒頻譜,并首次見到了油和氣的2個峰,為實現(xiàn)油、氣、水定量解釋提供了有效支撐。

2.1 室內(nèi)試驗

2.1.1 固定水量變油量或氣量的頻譜圖

在實驗室,固定水量作了典型的油水兩相流、氣水兩相流、油氣水三相流的測試曲線。通過對超聲波信號進行處理后得到3幅功率譜曲線圖(見圖3至圖5)。

功率譜曲線的幅度反映超聲反射信號的強弱,其反映套管橫截面上油泡或氣泡多少。中心頻率反映了油泡或氣泡運動速度,運動速度越高,中心頻率越高,曲線越靠右。由于氣的滑脫速度大于油的滑脫速度,所以氣水兩相流的中心頻率比油水兩相流的中心頻率要高。功率譜的曲線頻率是區(qū)分油氣信號的依據(jù),氣的頻率高,油的頻率低。功率譜的曲線幅度是計算油量、氣量的依據(jù),幅度高,油量或氣量大,幅度低,油量或氣量小。

圖3為油水兩相流的功率譜曲線,固定水(12 m3/d)的情況下,曲線的幅度隨著油量(1.02～8.35 m3/d)的增加而增加;在水量不變的情況下,油量越大,反射信號越強。圖4為氣水兩相流的功率譜曲線,在固定水(12 m3/d)的情況下,曲線的幅度隨著氣量(2.6～13 m3/d)的增加而增加;在水量不變的情況下,氣量越大,反射信號越強。圖5為油氣水三相流的功率譜曲線。在固定氣(5.4 m3/d)、水(12 m3/d),改變油量(1.02～8.35 m3/d)的情況下,可以看出三相流的曲線是油水、氣水兩相流曲線的疊加。在三相流流動情況下,流動情況變得更為復(fù)雜,顯示為氣區(qū)中心頻率不穩(wěn)。

圖3 油水兩相流的功率譜曲線

圖4 氣水兩相流的功率譜曲線

圖5 油氣水三相流的功率譜曲線

2.1.2 固定油量或氣量變水量的頻譜圖

在實驗室,固定油量或氣量作了油水兩相流、氣水兩相流的測試曲線。通過對超聲波信號進行處理后得到2幅功率譜曲線圖。

圖6為固定油量變水量的功率譜曲線圖。每1條曲線的油量固定,均為4.64 m3/d(常溫常壓),水量從上到下依次為4.8、12.0、26.4、36.0 m3/d,即紅線表示日產(chǎn)油4.64 m3、日產(chǎn)水4.8 m3時的功率譜曲線,綠藍黑曲線以此類推。由圖6可見,從紅到黑(從上到下),水量逐漸增大時,頻率曲線的幅度逐漸減小、中心頻率(幅度最大值對應(yīng)的頻率)逐漸增大。

圖7為固定氣量變水量的功率譜曲線圖,每1條曲線的氣量固定,均為2.16 m3/d(常溫常壓),水量從上到下依次為4.8、16.8、26.4、36.0 m3/d,即紅線表示日產(chǎn)氣2.16 m3、日產(chǎn)水4.8 m3時的功率譜曲線,綠藍黑曲線以此類推。由圖7可見,從紅到黑(從上到下),水量逐漸增大時,頻率曲線的幅度逐漸減小、中心頻率(幅度最大值對應(yīng)的頻率)逐漸增大。

圖6 固定油量(4.64 m3/d)變水量的頻譜曲線

圖7 固定氣量(2.16 m3/d)變水量的頻譜曲線

水相流量測量通過對多普勒散射信號頻域分析得到水的流速計算得到,隨著水量增加,流動速度將變大,頻譜曲線的中心頻率增加,幅度下降,頻譜曲線積分面積減小,存在函數(shù)關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)分析處理

研究了油、氣、水與頻譜圖的關(guān)系,運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對測試結(jié)果進行處理,處理結(jié)果見圖8至圖10。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型樣本。油水兩相:油量范圍為1～14 m3/d,水量范圍為2.5～36 m3/d。氣水兩相:氣量范圍為1～24 m3/d,水量范圍為2.4～36 m3/d。油氣水三相:油量范圍為1～14 m3/d,水量范圍為3～32 m3/d,氣量范圍為1.44～9.6 m3/d。

輸入特征量:功率譜曲線(功率譜曲線的幅度反映超聲反射信號的強弱,其反映套管橫截面上油泡或氣泡多少;中心頻率反映了油泡或氣泡運動速度,運動速度越高,中心頻率越高,曲線越靠右。)

模型預(yù)測輸出量:油量、氣量和水量。

訓(xùn)練集:多組不同油量、水量或氣量下的功率譜曲線和對應(yīng)的油量、水量或氣量數(shù)據(jù)。

預(yù)測集:需預(yù)測油氣水量的功率譜曲線。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法:廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Matlab工具中的newgrnn函數(shù))。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):輸入層、隱藏層、輸出層。

利用多組不同油量、水量或氣量的功率譜曲線和它們對應(yīng)的油量、水量或氣量數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,訓(xùn)練好網(wǎng)絡(luò)后,再輸入需要預(yù)測的功率譜曲線,計算其油量、水量或氣量。

圖8 油水兩相流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理曲線圖(油量1～14 m3/d;水量2.5～36 m3/d)

圖9 氣水兩相流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理曲線圖(氣量1～24 m3/d;水量2.4～36 m3/d)

圖10 油氣水三相流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理曲線圖(油量1～14 m3/d;氣量1.44～9.6 m3/d;水量3～32 m3/d)

用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理結(jié)果統(tǒng)計計算室內(nèi)儀器標定精度。油水兩相流標定平均誤差:油<10%、水<15%。氣水兩相流標定平均誤差:氣<10%、水<15%。三相流標定平均誤差:油<10%、氣<10%、水<15%(見表2)。

2.3 數(shù)據(jù)修正

測井儀器實驗室標定條件與井下測井的工況條件不同,加之油水物理性質(zhì)不同,需要把井下測試的總流量功率譜曲線幅度和中心頻率修正到同流量的標定條件進行解釋。其修正系數(shù)為

幅度修正系數(shù)KA=A實測/A標定

(2)

中心頻率修正系數(shù)Kf=f實測/f標定

(3)

所有測點的功率譜曲線幅度和中心頻率乘以修正系數(shù),通過解釋模型可以得到每個測點的油、氣、水流量。圖11為不同油量下幅度和中心頻率隨水量的變化模擬圖。由11圖可見,單看1條曲線,油量一定時,幅度隨水量增大逐漸減小、中心頻率隨水量增大逐漸增大;同時看所有曲線且從小往上看,水量一定時,幅度隨油量增大逐漸增大、中心頻率隨油量增大逐漸減小。

表2 儀器主要技術(shù)指標表

圖11 不同油量下功率譜曲線幅度及中心頻率變化圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 油、氣、水同產(chǎn)井應(yīng)用(產(chǎn)氣量較高)

英東油田縱向油、氣、水層間互存在,產(chǎn)出均為油、氣、水三相同出?！辆疄?口抽油機井,2015年6月17日進行超聲波三相流產(chǎn)出剖面測井,測前日產(chǎn)液13.63 m3,含水1.0%,產(chǎn)氣3 000 m3。從功率譜曲線圖及測井解釋成果圖上可以看出(見圖12至圖13),該井在高頻段均有幅度,說明該井有油氣產(chǎn)出,第1、2、3、4、5測點的幅度值在高低頻率段都依次減小,說明其測點對應(yīng)的層位均有油氣產(chǎn)出;從曲線的積分面積上看,其第2、5測點對應(yīng)的層位為油氣主要產(chǎn)層;從曲線的中心頻率上看,第1、2、3、4、5測點曲線的中心頻率無明顯變化,說明其對應(yīng)層位無水產(chǎn)出;第6測點在全部產(chǎn)層以下,曲線歸零。

該井2014年5月7日采用集流傘六參數(shù)測井,解釋結(jié)果與超聲波三相流結(jié)果進行對比(見表3),集流傘測井方法存在一定缺陷,①不能定量解釋各小層的產(chǎn)氣狀況。超聲波三相流測井解釋Ⅻ-4+5、Ⅻ-4+5、Ⅻ-6+7、Ⅻ-8、Ⅻ-9小層均產(chǎn)氣。②由于產(chǎn)層段存在積液,受其影響,采用集流傘電容式持水率解釋含水偏高,其中Ⅻ-9小層含水率為82.51%,與實際不符。超聲波三相流測井解釋Ⅻ-9小層產(chǎn)水,且含水率為3.9%,與實際情況相符。

圖12 ×井點測頻率曲線圖橫坐標f=300;縱坐標A=10;1,2,3,4,5,6代表6個點測點深度,下同

圖13 ×井測井解釋成果圖

集流式測井(2014-05-07)超聲波三相流測井(2015-06-17)序號解釋層位產(chǎn)油量/(m3·d-1)產(chǎn)水量/(m3·d-1)總產(chǎn)液量/(m3·d-1)含水率/%備注產(chǎn)油量/(m3·d-1)產(chǎn)水量/(m3·d-1)總產(chǎn)液量/(m3·d-1)含水率/%脫氣量/%備注1Ⅻ-4+56.300.006.300.000.900.000.900.006.54次產(chǎn)2Ⅻ-4+510.40.0010.400.006.410.006.410.0037.59主產(chǎn)3Ⅻ-6+72.200.002.200.00產(chǎn)氣1.540.001.540.008.65次產(chǎn)4Ⅻ-84.900.305.205.77實際計算1.160.001.160.006.29次產(chǎn)5Ⅻ-90.532.503.0382.51實際計算3.480.143.623.9040.93主產(chǎn)合計24.330.3024.631.22地面計量13.490.1413.631.00100.0

3.2 井筒脫氣井應(yīng)用

南翼山油田為低孔隙度低滲透率油藏,目前處于開發(fā)中后期,大部分油井的流壓低于飽和壓力,普遍存在著脫氣現(xiàn)象,造成了井內(nèi)出現(xiàn)油、氣、水三相流動?！痢辆疄?口抽油機井,2015年6月19日進行超聲波三相流產(chǎn)出剖面測井,測前日產(chǎn)液4.2 m3,含水55.0%,井口氣量較大。從功率譜曲線上可以看出(見圖14),第1、2、3層位對應(yīng)的曲線幅度和中心頻率依次降低,說明其對應(yīng)的層位均有油氣產(chǎn)出;第4層位上下測點曲線基本重合,說明無油氣產(chǎn)出;從曲線的積分面積上看,第5產(chǎn)層為主要產(chǎn)層。

該井2014年11月9日采用集流傘六參數(shù)測井,從對比解釋結(jié)果(見表4)看,超聲波三相流測井解釋Ⅲ-58、Ⅳ-4、Ⅳ-5、Ⅳ-14+15小層均脫氣;Ⅳ-4小層集流測井解釋為純油,超聲波三相流測井有脫氣顯示,含水率為32.6%,解釋結(jié)果更接近生產(chǎn)實際。

表4 ××井解釋結(jié)論對比表

圖14 ××井點測頻率曲線圖

3.3 地層出砂井應(yīng)用

躍進二號油田油藏埋藏淺,壓實程度淺,膠結(jié)物含量高,黏土礦物多,地層疏松,巖石膠結(jié)強度低,出砂現(xiàn)象嚴重。采用集流式產(chǎn)出剖面測井,往往出現(xiàn)渦輪砂卡,成功率較低。×××井為1口抽油機井,2012年10月4日進行集流式產(chǎn)出剖面測井,因為井底出砂嚴重,點測時渦輪砂卡,測井未成功。2012年10月16日采用超聲波三相流測井儀測井成功,取得了合格資料。

4 結(jié) 論

(1) 超聲波-多普勒三相流測井通過發(fā)射高頻超聲信號,對多普勒散射信號作頻域分析,可以獲得多相流體流動截面的相態(tài)分布和速度分布,從而求準各相流量。

(2) 通過室內(nèi)試驗研究,證明了該方法在油、氣、水識別的可行性和可靠性。

(3) 完成現(xiàn)場5個油藏16井次測井實驗,克服了常規(guī)集流測井在三相流測井存在的油、氣、水識別的難題,為油、氣、水三相流測井提供了一種新的手段,同時該技術(shù)在出砂井也有較好應(yīng)用,具有良好的應(yīng)用前景。

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