音叉密度計(jì)在塔里木高壓氣田的應(yīng)用

肖承文, 柳先遠(yuǎn), 張璋, 田隆梅, 李新城, 王華偉

(1.中國(guó)石油塔里木油田分公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000;2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部, 河北 燕郊 065201)

0 引 言

X氣田構(gòu)造為東西向展布南北基本對(duì)稱長(zhǎng)軸背斜,整體呈向南凸出的弧形構(gòu)造。X氣田主要含氣地層為古近系白云巖、砂礫巖、白堊系大套砂巖,氣柱高度達(dá)468 m,總體上屬于中孔隙度中滲透率和低孔隙度中低滲透率儲(chǔ)層,儲(chǔ)層中部溫度100 ℃,甲烷含量高達(dá)95.198%～99.687%,非烴氣體含量低,相對(duì)密度0.557～0.582,原始地層壓力74.35 MPa,屬于正常的塊狀底水異常高壓干氣氣藏。生產(chǎn)氣井基本具有溫度高、壓力高、產(chǎn)量高的特點(diǎn);產(chǎn)氣剖面監(jiān)測(cè)主要采用Sondex八參數(shù)測(cè)井。出于安全環(huán)保的考慮,測(cè)井不允許采用放射性密度計(jì)[1]。應(yīng)用實(shí)踐中壓差密度計(jì)受流體密度低,縱向分辨率低等因素影響,應(yīng)用效果不佳[2]。這些因素直接導(dǎo)致了X氣田產(chǎn)氣剖面測(cè)井缺少密度資料。在純氣井中不影響利用產(chǎn)氣剖面測(cè)井資料判斷主次產(chǎn)層,但是在見水氣井(懷疑見水氣井)中嚴(yán)重制約了利用產(chǎn)氣剖面測(cè)井資料識(shí)別流體性質(zhì)和判斷產(chǎn)水層位的能力。為此,塔里木油田針對(duì)井筒內(nèi)流體識(shí)別技術(shù)進(jìn)行調(diào)研,了解到Sondex等測(cè)井公司發(fā)明的不具放射性的音叉密度計(jì)可以識(shí)別井筒內(nèi)的流體性質(zhì),并在海上油氣田進(jìn)行了初步的應(yīng)用。塔里木油田引進(jìn)了Sondex公司生產(chǎn)的FDI音叉密度計(jì),進(jìn)行了規(guī)?；耐茝V應(yīng)用,累計(jì)應(yīng)用30余井次,在6口純氣井中應(yīng)用了7井次,在4口見水氣井(懷疑見水氣井)中應(yīng)用了27井次。本文主要是在30余井次實(shí)測(cè)資料分析對(duì)比的基礎(chǔ)之上對(duì)音叉密度儀的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

1 FDI音叉密度計(jì)的原理

音叉密度計(jì)由音叉體、固支體、壓電晶體管和溫度傳感器等部分組成。音叉是“Y”型的不銹鋼發(fā)生器,如圖1所示,其兩臂對(duì)稱,振動(dòng)相反,中心桿處于振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置,靜受力為0,不振動(dòng),因此在固支體上貼裝溫度傳感器,實(shí)時(shí)檢測(cè)被測(cè)液體溫度,用于補(bǔ)償調(diào)諧叉體的彈性模量變化。壓電晶體管包括壓電激勵(lì)器和壓電拾振器,均貼裝在固支體上,壓電激勵(lì)器將產(chǎn)生的交變力通過(guò)固體支體傳導(dǎo)到調(diào)諧叉體,使調(diào)諧叉體按照自身固有的頻率產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng),當(dāng)調(diào)諧叉體侵入到被測(cè)液體中,調(diào)諧叉體的附加質(zhì)量發(fā)生了變化,導(dǎo)致調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率發(fā)生變化,通過(guò)壓電拾振器拾取該振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率的檢測(cè)[3-4]。根據(jù)振動(dòng)原理[5],音叉振動(dòng)頻率f與其質(zhì)量mg和被測(cè)介質(zhì)質(zhì)量mc成關(guān)系式

(1)

式中,k為比例因子。當(dāng)音叉在真空中,mc=0,mg為音叉的質(zhì)量,固有頻率的諧振頻率相等,可以得到比例因子k;當(dāng)被測(cè)對(duì)象質(zhì)量mc≠0時(shí),得到諧振頻率f,音叉的體積為V,通過(guò)公式變化,則有

(2)

式中,ρ為介質(zhì)流體密度。

外界溫度和壓力都會(huì)輕微影響音叉探頭的振動(dòng)頻率響應(yīng)。儀器本身自帶溫度探頭,利用實(shí)驗(yàn)的刻度模板進(jìn)行溫度校正;在測(cè)井操作系統(tǒng)Warrior中一般采用石英壓力計(jì)測(cè)量值進(jìn)行壓力校正[6]。

圖1 FDI儀器探頭部分結(jié)構(gòu)示意圖

FDI儀器主要參數(shù)見表1。其溫度、壓力、測(cè)量范圍等都基本滿足X氣田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求,測(cè)量精度不高,可能會(huì)影響見水氣井出水量的判斷和準(zhǔn)確計(jì)算。

表1 音叉密度計(jì)與放射性密度計(jì)參數(shù)對(duì)比表

2 FDI音叉密度計(jì)的應(yīng)用

推廣應(yīng)用音叉密度計(jì)的過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注3個(gè)問(wèn)題:①音叉密度儀工作需要穩(wěn)定,否則測(cè)量密度曲線沒(méi)有任何應(yīng)用價(jià)值;②音叉密度計(jì)實(shí)際精度如何,測(cè)量值能否用于出水量的定量計(jì)算;③音叉密度計(jì)的實(shí)際分辨率如何,能否用于判斷見水氣井的出水點(diǎn)。

2.1 FDI音叉密度計(jì)在純氣井中的應(yīng)用

音叉密度計(jì)在6口純氣井應(yīng)用了7井次,應(yīng)用效果表明,在純氣井中,FDI音叉密度計(jì)儀器工作穩(wěn)定,重復(fù)性好,重復(fù)測(cè)量誤差能控制在0.005 g/cm3以內(nèi)。X1井產(chǎn)氣剖面測(cè)井8種不同測(cè)速條件下音叉密度曲線平均誤差小于0.003 g/cm3。

由于無(wú)法獲得井底天然氣的真實(shí)密度,因此無(wú)法對(duì)音叉密度的精度做出可靠的評(píng)價(jià)。音叉密度計(jì)的精度誤差為±0.03 g/cm3,在X氣田目前的儲(chǔ)層條件下,根據(jù)產(chǎn)出剖面測(cè)井定量解釋原理[7]會(huì)造成3.3%持水率誤差。例如,一口日產(chǎn)氣25×104m3的純氣井,音叉密度誤差為+0.03 g/cm3,采用滑脫模型定量計(jì)算,日產(chǎn)水15 m3左右,由此可見,對(duì)于持水率為4%以內(nèi)的氣井,音叉密度計(jì)對(duì)見水量的計(jì)算不可靠。

根據(jù)理論計(jì)算不同壓力條件下井底天然氣的密度[7],并與音叉密度測(cè)量值對(duì)比,間接評(píng)價(jià)音叉密度的分辨率。

(3)

式中,ρg為氣體密度,g/cm3;γg為天然氣相對(duì)密度,無(wú)量綱;Bg為天然氣體積系數(shù),無(wú)量綱。X氣田干氣PVT實(shí)驗(yàn)中,式(3)中天然氣相對(duì)密度γg基本為一常數(shù),天然氣體積系數(shù)Bg與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系

Bg=0.07174p(-0.807)R2=0.982

(4)

式中,Bg為天然氣氣體體積系數(shù),無(wú)量綱;p為壓力,MPa。

由式(3)、式(4)可知,隨著壓力的降低,天然氣體積系數(shù)逐漸升高,天然氣密度逐漸降低。對(duì)比分析X氣田純氣井音叉密度和理論計(jì)算密度統(tǒng)計(jì)(見表2),理論密度下降超過(guò)0.01 g/cm3,音叉密度計(jì)均能正確反映,說(shuō)明音叉密度計(jì)具有較高的分辨率。此外,隨著深度的減小,井底流壓的降低,音叉密度值反映出了密度隨壓力變小而變小的趨勢(shì),也說(shuō)明了音叉密度計(jì)具有較高的分辨率。

表2 不同壓力條件下井底音叉密度和理論計(jì)算密度對(duì)比表

注:根據(jù)PVT實(shí)驗(yàn)結(jié)果,γg=0.566。

2.2 FDI音叉密度計(jì)在見水井中的應(yīng)用

2.2.1 FDI音叉密度計(jì)在見水井中的測(cè)井響應(yīng)特征

音叉密度計(jì)在4口見水氣井應(yīng)用了27次,在井底氣水兩相流動(dòng)的情況下,音叉密度計(jì)整體變化趨勢(shì)一致,但是重復(fù)性變差,重復(fù)測(cè)量誤差整體分布在0.1～0.2 g/cm3之間,說(shuō)明音叉密度計(jì)的分辨率受到了一定的影響,但是根據(jù)實(shí)測(cè)曲線的趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)和分析,超過(guò)0.03 g/cm3的密度變化在不同測(cè)速下的音叉密度計(jì)均能準(zhǔn)確反映出來(lái)(見圖2)。圖2中的速度曲線是指儀器與井筒流體兩者之間的相對(duì)速度,雖然不同速度下的密度曲線重復(fù)誤差較大,但是密度曲線的變化趨勢(shì)是一致的。

圖2 X14井產(chǎn)氣剖面測(cè)井曲線回放圖

見水氣井中重復(fù)測(cè)量密度曲線具有一個(gè)顯著的特征:下測(cè)與上測(cè)密度值明顯不同,在井筒積液面以下尤為明顯,一般下測(cè)密度都大于上測(cè)密度(見圖2);而在井底靜液柱,音叉密度與測(cè)速具有很好的相關(guān)性,測(cè)速越大,密度越大(見圖3)。

圖3 X12井靜液柱音叉密度曲線回放圖

2.2.2 FDI音叉密度計(jì)在見水井中速度校正

通過(guò)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,深度、溫度、壓力等測(cè)量環(huán)境基本不變的情況下井下,流體和儀器的相對(duì)速度越大,音叉密度測(cè)量值越大,音叉密度測(cè)量值與測(cè)速呈線性關(guān)系(見圖4);擬合曲線與縱坐標(biāo)的截距即速度為0時(shí)的音叉密度值,校正了速度對(duì)音叉密度值的影響,相對(duì)真實(shí)地反映了流體密度,與氣藏地層水密度1.03～1.07 g/cm3的規(guī)律基本一致,其中速度為流體和儀器之間的相對(duì)速度的絕對(duì)值。根據(jù)上述關(guān)系,采用最小二乘法[8-10]對(duì)音叉密度曲線進(jìn)行逐點(diǎn)校正計(jì)算(見圖2、圖3),校正密度與測(cè)量相對(duì)速度最小的音叉密度值接近。

要準(zhǔn)確校正音叉密度,還需要模擬地層條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用不同的測(cè)速針對(duì)不同的流體性質(zhì)(氣、水)進(jìn)行音叉密度測(cè)量,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律,研究音叉密度校正方法,或者指出音叉密度計(jì)的適用范圍。

圖4 X12井靜液柱音叉密度與測(cè)速回歸關(guān)系圖

2.2.3 FDI音叉密度計(jì)在見水井中的應(yīng)用

X14井2014年生產(chǎn)穩(wěn)定,井口計(jì)量日產(chǎn)氣量12.89萬(wàn)m3,無(wú)水,油壓15.5 MPa。2014年3月30日進(jìn)行產(chǎn)氣剖面測(cè)井,與2013年產(chǎn)氣剖面測(cè)井響應(yīng)一致的是渦輪曲線交疊嚴(yán)重,電容持水率幾乎為1條直線,為全水顯示,資料不可信,井底流壓為28 MPa。與2013年產(chǎn)氣剖面測(cè)井響應(yīng)不一致的有3處:①井筒積液面由×747.0 m上升至×724.0 m;②井底流溫有3處高溫異常,對(duì)應(yīng)的密度都有明顯增加的趨勢(shì),為明顯的出水顯示;③井筒油管內(nèi)流體密度重復(fù)性變差,在流壓基本沒(méi)有發(fā)生變化的情況下油管內(nèi)密度由0.184 g/cm3增加至0.296 g/cm3左右(校正后密度),流體密度明顯增加。根據(jù)音叉密度在純氣井和見水氣井中的不同的測(cè)井響應(yīng),綜合判斷井口產(chǎn)水,據(jù)此產(chǎn)出剖面測(cè)井解釋×815 m、×785.0 m、×755.0 m為該井出水點(diǎn),估算日產(chǎn)水量40 m3左右(音叉密度校正前計(jì)算日產(chǎn)水60 m3左右),日產(chǎn)氣15×104m3左右。2014年4月10日,X14井上地面計(jì)量,7 mm油嘴生產(chǎn), 日產(chǎn)水24 m3,

日產(chǎn)氣

7.89×104m3,證實(shí)了音叉密度計(jì)對(duì)本井出水的判斷是正確的。

3 結(jié) 論

(1) 在純氣井中,音叉密度計(jì)具有測(cè)量穩(wěn)定、重復(fù)測(cè)量誤差小、測(cè)井分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。

(2) 在見水氣井中,音叉密度的測(cè)量重復(fù)性變差,精度降低,上測(cè)下測(cè)曲線值明顯不同,井筒積液面以下尤為明顯。分析認(rèn)為音叉密度計(jì)可能受儀器與流體之間的相對(duì)速度影響,建議模擬地層條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用不同測(cè)速針對(duì)不同流體性質(zhì)(氣、水)進(jìn)行音叉密度測(cè)量,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)規(guī)律,校正音叉密度。

(3) 在見水氣井中,雖然音叉密度計(jì)精度差,但是重復(fù)曲線變化趨勢(shì)一致,分辨率高,在高壓氣田已經(jīng)是產(chǎn)氣剖面測(cè)井識(shí)別出水點(diǎn)不可或缺的重要資料。

(4) 出于安全和環(huán)保的考慮,放射性密度計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越受到限制,由于穩(wěn)定性好,分辨率高的優(yōu)點(diǎn),音叉密度測(cè)井一定會(huì)成為油氣藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)出剖面測(cè)井的一項(xiàng)重要補(bǔ)充技術(shù)。

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