低產(chǎn)水平井油水兩相流陣列持水率計(jì)實(shí)驗(yàn)研究

秦昊, 戴家才, 秦民君, 裴陽(yáng), 王中濤

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500; 2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心, 陜西 西安 710077)

0 引 言

持水率作為油井產(chǎn)出剖面評(píng)價(jià)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),對(duì)找準(zhǔn)產(chǎn)水層位、采取措施、提高油氣產(chǎn)量至關(guān)重要[1-2]。在水平井中,由于輕質(zhì)相與重質(zhì)相的重力分離,井下流體的流型非常復(fù)雜,與垂直井中的情形相比有較大差異,常規(guī)持水率測(cè)井儀器不適用于水平井。目前水平井中多采用陣列電容持水率計(jì)(CAT)和陣列電阻持水率計(jì)(RAT)獲取井筒各相流體的持水率[3-9]。在低產(chǎn)水平井測(cè)井過(guò)程中,多種陣列持水率儀器一次下井,可以得到豐富的持水率測(cè)量資料。不同持水率測(cè)量?jī)x器的測(cè)量原理和響應(yīng)特征不盡相同,選擇合理的持水率測(cè)井資料及計(jì)算方法對(duì)測(cè)井資料解釋精度的提高至關(guān)重要。為此,本文結(jié)合長(zhǎng)慶油田水平井普遍存在低產(chǎn)量的特點(diǎn),在分析陣列電容持水率計(jì)和陣列電阻持水率計(jì)測(cè)井理論基礎(chǔ)上,利用多相流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展與井下真實(shí)情況相似的水平井油水兩相流模擬實(shí)驗(yàn)研究。

1 陣列持水率計(jì)測(cè)量原理

用于油、氣、水三相流持率監(jiān)測(cè)的陣列電容持水率計(jì)(CAT)由12個(gè)裝有微探針的弓形彈簧片組成,12只探針圓周均布于井筒同一橫截面上,形成一個(gè)監(jiān)測(cè)環(huán)[3-9]。陣列電容持水率計(jì)的每個(gè)探頭頂部具有微型的電容傳感器,12只微型電容傳感器具有相同的測(cè)量原理,利用油、氣與水的相對(duì)介電常數(shù)性質(zhì)差異識(shí)別流體性質(zhì),每只傳感器都與測(cè)量電路連接,輸出與周圍液體介電常數(shù)相關(guān)的頻率信號(hào)。氣體相對(duì)介電常數(shù)等于1,探針在氣體中測(cè)量的電容為低值;水的相對(duì)介電常數(shù)約等于80,探針在水中測(cè)量的電容為高值;油的相對(duì)介電常數(shù)介于氣體與水兩者之間,探針在油中測(cè)量的電容介于兩者之間,相對(duì)而言更偏向于氣體,從而每個(gè)傳感器附近的相態(tài)可以根據(jù)電路的震蕩頻率識(shí)別。

陣列電阻持水率計(jì)(RAT)用于監(jiān)測(cè)油水兩相流中的各相持率,它由12個(gè)裝有微電阻傳感器的弓形彈簧片組成,其測(cè)量原理與CAT略有不同。陣列電阻持水率計(jì)每個(gè)微傳感器以10 000個(gè)樣點(diǎn)每秒的速度測(cè)量探針頂端和電極之間流體的電阻率,12微傳感器圓周均布于井筒同一橫截面上,形成一個(gè)監(jiān)測(cè)環(huán),每個(gè)傳感器能探測(cè)流體信息,然后轉(zhuǎn)化為局部流體持率[4-7]。

2 陣列持水率計(jì)持水率計(jì)算方法

2.1 平均插值法

平均插值法是指將陣列持水率計(jì)12只探測(cè)傳感器的測(cè)量值利用線性插值原理求取每只探測(cè)器附近的持水率之后,然后對(duì)12只探測(cè)器所計(jì)算的持水率值進(jìn)行加權(quán)平均,求出井筒持水率值。

陣列電容(電阻)持水率計(jì)在實(shí)際測(cè)量中,爬行器帶動(dòng)儀器向下爬行時(shí)陣列持水率計(jì)無(wú)響應(yīng),僅向上提時(shí)分別記錄各微型探針的測(cè)量值。假定陣列電容(電阻)持水率計(jì)響應(yīng)值與持水率呈正比例關(guān)系[2],用線性插值的方法求解每個(gè)傳感器附近的持水率Yiw

(1)

(2)

式中,Yw為井筒持水率;Yiw為第i只傳感器的持水率(i=1,2,3,…,12)。

2.2 分層界面法

分層界面法確定相傳感器總橫斷面面積與管子橫斷面面積之比,其理論是各個(gè)傳感器對(duì)總持相率測(cè)量的貢獻(xiàn)隨傳感器相對(duì)井筒頂部的位置而變化。

陣列持水率計(jì)在測(cè)量時(shí)可提供方位數(shù)據(jù),確定每個(gè)微傳感器的具體方位,因此根據(jù)每只傳感器的測(cè)量值判斷傳感器所在區(qū)域的流體性質(zhì)。傳感器全部在水中,則該傳感器理論響應(yīng)歸一化值應(yīng)為1;傳感器全部在油中,其響應(yīng)值應(yīng)該為0。實(shí)際生產(chǎn)中,進(jìn)行油水兩相水平井生產(chǎn)測(cè)井的測(cè)量時(shí),設(shè)置傳感器響應(yīng)值可能大于等于1,則傳感器所在區(qū)域?yàn)槿畬?傳感器響應(yīng)值小于等于0為全油層。

在低產(chǎn)水平井中,井內(nèi)流體流型多為層流,層狀流包括光滑層流、波狀層流和滾波層狀流3種[11-16]。當(dāng)水平井段流型為光滑層流,若陣列傳感器位置不處于油水層界面處,則陣列傳感器測(cè)量值不會(huì)出現(xiàn)0～1的情況,只要統(tǒng)計(jì)傳感器的測(cè)量值和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù),即可知道處于油中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和處于水中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),持水率值為水相節(jié)點(diǎn)所占有的面積數(shù)除以井筒橫截面積。當(dāng)測(cè)量傳感器位置處于油水層界面處時(shí),井筒持水率計(jì)算方法與流型為波狀層流和波狀流時(shí)持水率計(jì)算方法相同。在油水流型為波狀層流,油相和水相之間光滑的相界面出現(xiàn)波動(dòng),波動(dòng)幅度與流量和持率相關(guān)。在波狀流中,平穩(wěn)流動(dòng)處陣列傳感器測(cè)量值為全水或者全油值,統(tǒng)計(jì)傳感器的測(cè)量值和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù),即可知處于油中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和處于水中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。在波狀起伏處,陣列傳感器測(cè)量值位于0～1之間,統(tǒng)計(jì)位于波動(dòng)處傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),即可知位于油水波動(dòng)界面處的傳感器個(gè)數(shù),利用線性插值的方法求解每個(gè)位于油水波動(dòng)界面處傳感器的持水率Yiw,再乘以權(quán)重系數(shù),最后加上全水傳感器個(gè)數(shù)除以全油傳感器個(gè)數(shù)再乘上權(quán)重系數(shù),就是井筒持水率。

井筒持水率Yw為

(3)

式中,Yw為持水率;So為油相占井筒的截面積,m2;S為井筒截面積,m2;n為位于全油中傳感器個(gè)數(shù)。

當(dāng)陣列傳感器在油相中的個(gè)數(shù)n大于7時(shí),持水率Yw為

(4)

式中,Yw為持水率;Sw為水相占井筒的截面積,m2;S為井筒截面積,m2;n為位于全油中傳感器個(gè)數(shù)。

3 持水率計(jì)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 持水率計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

在多相流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究,井筒由透明有機(jī)玻璃制成,模擬井內(nèi)徑為5.5 in*非法定計(jì)量單位,1 in=25.4 mm,下同。實(shí)驗(yàn)采用柴油和自來(lái)水模擬原油和地層水,實(shí)驗(yàn)儀器組合為扶正器+陣列電容式持水率計(jì)(CAT)+中心電容式持水率計(jì)+陣列電阻式持水率計(jì)(RAT)+扶正器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)儀器串居中測(cè)量,陣列電容持水率計(jì)和陣列電阻持水率計(jì)各自12個(gè)微傳感器組成的監(jiān)測(cè)環(huán)覆蓋井筒橫截面上所有流體,測(cè)量輸出信號(hào)為3種持水率計(jì)的響應(yīng)值。

進(jìn)行油水兩相實(shí)驗(yàn)時(shí),將模擬井筒設(shè)定為0°井斜角,流量分別設(shè)置為3、10 m3/d和20 m3/d,含水分別設(shè)置為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。實(shí)驗(yàn)中持率計(jì)定點(diǎn)測(cè)量,記錄中心持水率計(jì)、陣列電容持水率計(jì)和陣列電阻持水率計(jì)12只探測(cè)傳感器的響應(yīng)值。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)完成后,然后瞬間關(guān)閉流管進(jìn)出口,將井筒垂直,測(cè)量井筒中水柱油柱高度。

3.2 陣列持水率計(jì)響應(yīng)特征

在極低流量下,陣列電容持水率計(jì)的測(cè)井響應(yīng)值隨含水率增加而線性減小。隨流量的增加,流體流型從光滑界面層流向界面紊亂波狀層流轉(zhuǎn)變,其測(cè)井響應(yīng)受油水流型變化影響嚴(yán)重,在低流量時(shí),其當(dāng)含水率大于40%時(shí),電容陣列持水率計(jì)對(duì)油水的分辨能力顯著降低。陣列電阻持水率計(jì)的測(cè)井響應(yīng)值也隨著含水率增加線性減小,但陣列電阻持水率計(jì)不受流體流量和流型的影響,并且隨流量的增大,響應(yīng)值一致性加強(qiáng)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析

在0°井斜的情況下,設(shè)定極低流量3 m3/d、中低流量10 m3/d和低流量20 m3/d這3種液流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄3種持水率計(jì)的響應(yīng)。根據(jù)3種持水率計(jì)(CAT、RAT和中心持水率計(jì))響應(yīng)值、實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的液流量、含水值作出0°井斜下,關(guān)井持率、含水率和3種持水率儀器所測(cè)定的持水率響應(yīng)關(guān)系圖。

圖1 0°井斜角,流量3 m3/d,持水率計(jì)響應(yīng)計(jì)算值與含水率值關(guān)系圖

圖2 0°井斜角,流量10 m3/d,持水率計(jì)響應(yīng)計(jì)算值與含水率值關(guān)系圖

圖3 0°井斜角,流量20 m3/d,持水率計(jì)響應(yīng)計(jì)算值與含水率值關(guān)系圖

圖1、圖2和圖3分別是流量為3、10 m3/d和20 m3/d時(shí),持水率計(jì)響應(yīng)計(jì)算值與含水率值關(guān)系圖。其中,RAT平均代表陣列電阻持水率計(jì)測(cè)井資料利用平均插值法計(jì)算的持水率;CAT平均代表陣列電容持水率計(jì)測(cè)井資料用平均插值法計(jì)算的持水率;中心電容代表中心電容持水率計(jì)測(cè)井資料計(jì)算的持水率;RAT分層代表陣列電阻持水率計(jì)根據(jù)分層界面法計(jì)算的持水率;CAT分層代表陣列電容持水率計(jì)根據(jù)分層界面法計(jì)算的持水率;關(guān)井持率代表模擬井筒瞬時(shí)關(guān)閉的持水率值。

圖4 極低流量界面光滑層流中CAT和RAT每只傳感器測(cè)量計(jì)算值與含水率的關(guān)系圖及實(shí)驗(yàn)流型圖

圖1表明,極低流量時(shí),與中心電容持水率計(jì)相比,2種陣列持水率計(jì)測(cè)井資料計(jì)算的持率更接近關(guān)井持率值。因?yàn)樵跇O低流量水平管油水兩相流中普遍存層流,有較為清晰的油水界面。隨著含水率的變化,常規(guī)居中測(cè)量的儀器將只浸沒(méi)于油相或水相中,中心電容計(jì)測(cè)量計(jì)算的持率值出現(xiàn)片面性,導(dǎo)致不能真實(shí)反映井中流體的分布情況;與RAT測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的持水率值相比,CAT測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的持率值更接近關(guān)井持率,并且分層界面法計(jì)算的持水率結(jié)果更加優(yōu)于平均計(jì)算方法;對(duì)比陣列儀器測(cè)量數(shù)據(jù)所采用的2種持水率計(jì)算方法計(jì)算的持水率值,分層界面法所計(jì)算的持水率結(jié)果更加接近實(shí)際的關(guān)井持率。

從圖2和圖3可以看出,陣列電容持水率計(jì)受流量和含水率影響較大。隨流量和含水率的增加,采用陣列電阻持水率計(jì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的持率結(jié)果更接近關(guān)井持率值。因?yàn)殡S流量的增加,井筒內(nèi)流體流型從平穩(wěn)的層狀流逐漸轉(zhuǎn)化為波狀層流,并隨含水率的改變,波狀起伏的幅度也在改變。當(dāng)井筒流量較低時(shí),井筒內(nèi)各相流體相對(duì)較為穩(wěn)定,層界面穩(wěn)定,此時(shí),CAT能夠較好地反映各相持率;當(dāng)井筒流量較高時(shí),井筒內(nèi)流體流動(dòng)較為復(fù)雜,可能出現(xiàn)油包水、水包油等現(xiàn)象,此時(shí)CAT測(cè)量資料失真,持水率計(jì)算結(jié)果與關(guān)井持率有較大偏差,并且流量越高,偏差越大。

3.4 陣列傳感器測(cè)量值與流型

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),可根據(jù)陣列儀器每個(gè)微傳感器測(cè)量值定性判斷井筒流體流型。根據(jù)流體流動(dòng)及儀器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),在同一含水率條件下測(cè)量,當(dāng)井筒流體流型是界面光滑的層狀流時(shí),陣列持水率計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)未處于油水分界面,則每只傳感器將完全處于單相油或者單相水中,陣列持水率計(jì)測(cè)量值等于在油或水的刻度值;若陣列持水率計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)處于油水分界面處時(shí),最多將有2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)位于油水分界面處,此時(shí)將有10～11只傳感器將完全處于單相油或者單相水中,因此,陣列儀器12只微探頭的測(cè)量值中最多有2只傳感器的測(cè)量值位于油水刻度值之間(見(jiàn)圖4)。

當(dāng)井筒內(nèi)流體總流量逐漸增大,油水界面間將產(chǎn)生波動(dòng),形成界面混雜波狀分層流,此時(shí)位于全水相和全油相中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目減少,測(cè)量值處于油、水刻度值之間的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增多。因?yàn)楫?dāng)流量增大時(shí),隨著油流量逐漸增加,含水率逐漸降低時(shí),因水量少,水沒(méi)有形成單獨(dú)一層,頂部為單相油,底部為水包油,形成上層油下層水包油;油流量進(jìn)一步增加時(shí),油變?yōu)檫B續(xù)相,水分散在油中,形成油包水;類似,當(dāng)水流量逐漸增加,含水率逐漸增加時(shí),將依次形成上層水包油下層水、水包油。因此,流量越大,波狀起伏幅度越大,處于油、水刻度值之間的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多[見(jiàn)圖5(a)和5(b)]。圖5(a)是中低流量下,波狀層流中CAT和RAT每只傳感器測(cè)量計(jì)算值與含水率的關(guān)系圖;圖5(b)是低流量下,界面紊亂層流中CAT和RAT每只傳感器測(cè)量計(jì)算值與含水率的關(guān)系圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨流量的增加,圖5(b)中處于油、水刻度值之間的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多于圖5(a)中處于油、水刻度值之間的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),同時(shí)明顯可觀察到,圖5(b)中流體分層界面比圖5(a)更加紊亂,流體流型更加復(fù)雜。

圖5 波層狀流中CAT和RAT每只傳感器測(cè)量計(jì)算值與含水率的關(guān)系圖及實(shí)驗(yàn)流型圖

4 結(jié) 論

(1) 低產(chǎn)水平井中采用陣列持水率計(jì)測(cè)井資料計(jì)算的持率結(jié)果準(zhǔn)確性高,并且隨液流量和含水率的增加,與陣列電容持水率計(jì)相比,陣列電阻持水率計(jì)測(cè)量資料計(jì)算的持水率值可信度更高。

(2) 低產(chǎn)水平井中,不同的液流量下的測(cè)井資料計(jì)算持率的方法不盡相同。極低流量下,利用分層界面法計(jì)算的持率準(zhǔn)確度高;低流量下,應(yīng)采用平均插值法計(jì)算持率。

(3) 低產(chǎn)水平井中,根據(jù)陣列持水率計(jì)12只探測(cè)傳感器的測(cè)量值與其在油水中的刻度值之間的關(guān)系可定性判斷井筒流型。根據(jù)判定結(jié)果,可為低產(chǎn)水平井產(chǎn)出剖面測(cè)井資料處理及解釋方法的選擇提供參考。

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宮腔粘連的預(yù)后與粘連嚴(yán)重程度有著密切的關(guān)系，輕度宮腔粘連如能及早治療，絕大多數(shù)患者宮腔形態(tài)及內(nèi)膜功能可以恢復(fù)，預(yù)后好，反之，隨著組織纖維化發(fā)展，疾病進(jìn)展為中重度宮腔粘連，導(dǎo)致預(yù)后差[7]。由此可見(jiàn)，及早診斷、合理分級(jí)、及時(shí)治療宮腔粘連對(duì)于患者的預(yù)后具有重要的臨床意義。宮腔鏡下粘連分解術(shù)是目前公認(rèn)的宮腔粘連的主要治療手段，對(duì)于輕度宮腔粘連疏松的膜狀粘連，宮腔鏡外鞘可以完全分離粘連；對(duì)于中重度宮腔粘連的致密粘連，手術(shù)難度較大，子宮穿孔及出血等風(fēng)險(xiǎn)增加，手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)，手術(shù)成功率低[8]。因此在臨床上，如何及早診斷宮腔粘連并進(jìn)行分度對(duì)疾病的治療具有積極的臨床意義。

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