水平井油水兩相流持水率測量方法實驗研究

王延軍,袁旭東,冀龍生,薛輝,李榮強,王增林

(1.中國石化勝利油田分公司油藏動態(tài)監(jiān)測中心,山東東營257000;2.青島理工大學信息與控制工程學院,山東青島266525;3.中國石化勝利油田分公司,山東東營257000)

0 引 言

水平井油水兩相流產(chǎn)液剖面測井技術(shù)是水平井高效開發(fā)的重要支撐技術(shù),水平井油水兩相流產(chǎn)液剖面測井資料為水平井優(yōu)化注采方案、堵水、調(diào)剖等增產(chǎn)措施的實施及效果評價,提供必需的關(guān)鍵參考資料。由于水平井中油水兩相流流型復雜多變[1-4],水平井中油水兩相流持水率的測量相對于垂直井更加困難。

目前,中國的測井公司自主研制的水平井產(chǎn)液剖面測井系列儀器普遍采用集流式測井方案,采用電容法(通常采用筒狀電容傳感器)和電導法(通常采用環(huán)形電導傳感器)組合進行油水兩相流持水率測量[5-10]。但是,工程實際應(yīng)用中存在問題:電容傳感器容易受到原油沾污的影響,測量精度難以保證;環(huán)形電導傳感器在水平井中由于無法實時在線校正溫度和礦化度的影響,導致持水率測量誤差增大。

國外測井公司普遍采用陣列式轉(zhuǎn)子流量傳感器、陣列式電學/光學持率傳感器分布在井筒流動界面的不同方位,分別測量油水分相流量和相持率。Baker Atlas公司的陣列電容流量計和Sondex公司的電容陣列測井儀,都是采用陣列電容傳感器測量持水率[11-12]。Schlumberger公司的流體掃描成像儀,采用5個轉(zhuǎn)子流量傳感器、6個電導探針傳感器和6個光纖探針傳感器,分別測量油氣水分相流量、持水率以及持氣率[13]?，F(xiàn)場實驗證明,國外測井公司的上述測井儀器,不適用于中國中低產(chǎn)液水平井的產(chǎn)液剖面測井。為解決中國中低產(chǎn)液水平井的產(chǎn)液剖面測井問題,必須根據(jù)中國水平井的開發(fā)特點進行自主創(chuàng)新。

該文采用集流式測井方案,設(shè)計了環(huán)形陣列電導傳感器與周向陣列電導探針傳感器組合結(jié)構(gòu),利用周向陣列電導探針傳感器測量水相電導率的方法,解決了環(huán)形陣列電導傳感器測量持水率時的溫度和礦化度校正問題,并在此基礎(chǔ)上開展了模擬井實驗,驗證了該方法的可行性。

1 水平井油水兩相流電導傳感器持水率測量原理

胡金海等[5]、劉興斌[14]提出了一種用于垂直井中產(chǎn)液剖面油水兩相流持水率測量的四電極環(huán)形陣列電導傳感器,采用這種四電極環(huán)形陣列電導傳感器測量水平井中產(chǎn)液剖面油水兩相流持水率時,由于無法測量到水相電導率,不能校正地層環(huán)境溫度和流體礦化度對持水率測量結(jié)果的影響,導致持水率測量誤差大。該文設(shè)計了一種環(huán)形陣列電導傳感器與周向陣列電導探針傳感器組合結(jié)構(gòu)的持水率測量傳感器,采用周向陣列電導探針傳感器測量水相電導率,在此基礎(chǔ)上校正地層環(huán)境溫度和流體礦化度對持水率測量結(jié)果的影響,提高持水率測量精度[15]。圖1為水平井油水兩相流持水率測量傳感器示意圖,包括A、B這2類不同結(jié)構(gòu)的電導傳感器。A類為環(huán)形陣列電導傳感器,由4個圓環(huán)形電導電極(圖1中1～4所示)按照一定間距排列構(gòu)成;B類為周向陣列電導探針傳感器,由4個微型電導探針(圖1中5～8所示)按照90°圓心角等間距排列構(gòu)成。圖2為水平井產(chǎn)液剖面持水率測量實驗樣機安裝在模擬井筒中的示意圖,主要包括集流器、持水率傳感器、扶正器和測量電路。

圖1 水平井油水兩相流持水率測量傳感器示意圖

圖2 水平井產(chǎn)液剖面持水率測量實驗樣機示意圖

水平井中持水率測量原理簡述[5,14]:當油水兩相流在模擬井筒中流動時,首先由測量電路控制集流器打開,封閉樣機和模擬井筒之間的環(huán)形空間,油水兩相流體由集流器的進液口進入持水率傳感器的測量通道,由環(huán)形陣列電導傳感器測量油水兩相流的混相電導率σm,與其對應(yīng)的輸出混相電壓為Vm;然后由測量電路控制集流器關(guān)閉,油水兩相流體由于重力作用在持水率傳感器的測量通道內(nèi)分層,此時由周向陣列電導探針傳感器測量水相電導率σw,與其對應(yīng)的輸出水相電壓為Vw;油水兩相流的持水率Y(也稱為儀器響應(yīng))為

(1)

式中,Vw為水相電壓,V;Vm為混相電壓,V。

若想獲得油水兩相流的含水率,需要對實驗樣機在水平井多相流模擬實驗裝置上進行油水兩相流條件下的標定,獲得含水率—持水率標定圖版,進行滑脫校正,可以將持水率換算成含水率。

2 實驗條件及實驗方案

將研制的水平井產(chǎn)液剖面持水率測量實驗樣機,在大慶油田多相流實驗室水平井模擬實驗裝置上開展油水兩相流持水率測量動態(tài)實驗。

采用內(nèi)徑為125 mm的透明有機玻璃圓管模擬油層套管,溫度和壓力的實驗條件為常溫、常壓。實驗介質(zhì)為自來水和柴油,總流量點分別設(shè)定為3、5、10、30、40、60、100、120、150、200 m3/d,以上每個流量點含水率的調(diào)配范圍從高到低為100%～30%,含水率調(diào)配步長為10%。

以垂直方向0°、水平方向90°作為參考,模擬的井筒傾斜角分別設(shè)置為85°、88°(85°和88°時流體向上流動)、90°(流體水平流動)、92°、95°(92°和95°時,流體向下流動)。

①當流量大于30 m3/d時,每個含水率調(diào)配完成后,每個設(shè)定的流量點穩(wěn)流10 min后再打開集流器;②當流量小于30 m3/d時,每個含水率調(diào)配完成后,每個設(shè)定的流量點穩(wěn)流30 min后再打開集流器;③集流器完全打開后再等待3 min,開始進行油水兩相流混相電導率的測量,傳感器測量的時間設(shè)定為3 min,每1 s采集2個數(shù)據(jù),共采集360個混相電導率的測量數(shù)據(jù);④關(guān)閉集流器進行水相電導率的測量,傳感器測量時間也設(shè)定為3 min,每1 s采集2個數(shù)據(jù),共采集360個水相電導率的測量數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果分析

圖3～圖7分別為模擬井筒傾斜85°、88°、90°、92°、95°時,繪制的不同流量和含水率條件下的持水率測量圖版,圖版中不同顏色的曲線代表不同含水率時的持水率測量曲線?？梢钥闯龀炙蕼y量結(jié)果不但取決于含水率,也與流量有關(guān);5個傾斜角下持水率測量曲線形態(tài)具有良好的一致性。進一步分析不同傾斜角下的持水率測量圖版可知,測量持水率與設(shè)定的標準含水率的關(guān)系具有明顯規(guī)律性。在低流量段,即當油水兩相流總流量小于30 m3/d時,測量持水率不僅取決于含水率,還與流量相關(guān)。在設(shè)定的標準含水率保持不變時,測量持水率隨流量的降低而向高含水率方向移動,造成這一現(xiàn)象的原因是油水之間存在密度差,油相以高于水相的速度流動。因此,在某個設(shè)定的標準含水率條件下,低流量時的測量持水率要高于高流量時的測量持水率。隨著平均流速的降低,油水滑脫速度差相對于平均流速增大,尤其在總流量小于10 m3/d時,滑脫現(xiàn)象更為顯著,導致持水率與含水率之差變大。目前,在用的其他類型的水平井持水率測量儀器難以較好地反映低流速時的油水滑脫現(xiàn)象。例如電容類持水率儀器,由于電容電極容易受到油相沾污的影響,很難獲得精準的持水率—含水率測量曲線。但是,本文中提出的環(huán)形陣列電導傳感器—周向陣列電導探針傳感器組合的持水率測量方法能夠很好地反映低流速時的油水滑脫現(xiàn)象,表明持水率測量方法在油水兩相流低流量時具有明顯的優(yōu)勢。

圖3 85°傾斜角不同流量和含水率時持水率測量圖版

圖4 88°傾斜角不同流量和含水率時持水率測量圖版

圖5 90°傾斜角不同流量和含水率時持水率測量圖版

圖6 92°傾斜角不同流量和含水率時持水率測量圖版

圖7 95°傾斜角不同流量和含水率時持水率測量圖版

為了進一步考察傾斜角對油水兩相流中高流量時持水率測量的影響,把5個傾斜角、含水率為30%～90%、流量為30～200 m3/d的持水率測量數(shù)據(jù)繪制在一個圖版中(見圖8)。可以看出:當油水兩相流總流量大于60 m3/d且設(shè)定的標準含水率大于60%時、當油水兩相流總流量大于100 m3/d且設(shè)定的標準含水率大于30%時,測量的持水率與標準含水率近似為一平坦曲線;由于油水的滑脫速度與總平均流速相比很小,因而流量變化對持水率測量的影響也很小,此時在實驗樣機的流動通道內(nèi)持水率與含水率很接近;實驗樣機的持水率測量數(shù)據(jù)受傾斜角影響較小,可忽略。當油水兩相流總流量小于60 m3/d時,實驗樣機的持水率測量數(shù)據(jù)受傾斜角影響較大,不可忽略。因此,在研制水平井產(chǎn)液剖面測井組合儀器時要包括井筒傾斜角測量模塊,同時必須建立針對不同傾斜角條件下的測井解釋模型。

圖8 5個傾斜角不同流量和含水率時持水率測量圖版

4 持水率測量誤差評價

由于隨機誤差的存在,等精度測量列中各個測得值一般不相同,它們圍繞該測量列的算術(shù)平均值有一定分散,分散程度說明了單次測得值的不可靠性,用標準差作為評價不可靠性的評定標準[16]。對持水率測量誤差的評價可分3步進行。

(1)對于設(shè)定的某個標準流量點,分別計算設(shè)定的標準含水率為30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%時實驗樣機測量的混相電導率和水相電導率的平均值。

(2)

(3)

(2)計算實驗樣機測量的持水率,計算模型見式(4)。然后分別計算混相電導率和水相電導率測量的標準差,計算模型見式(5)和式(6)。

(4)

(5)

(6)

式中,Em為混相電導率測量的標準差,V;Ew為水相電導率測量的標準差,V;n為測量數(shù)據(jù)總數(shù)。

(3)計算測量的持水率絕對誤差,計算模型為

(7)

式中,RY為持水率測量的絕對誤差,%。

計算結(jié)果表明:對于5種傾斜角條件下,當設(shè)定的標準流量為10～200 m3/d、設(shè)定的標準含水率為30%～100%時,測量的持水率最大絕對誤差RY小于5%;當設(shè)定的標準流量為3～10 m3/d、設(shè)定的標準含水率為30%～100%時,測量的持水率最大絕對誤差RY大于5%,但是小于12%。

5 結(jié) 論

(1)提出了一種用于水平井產(chǎn)液剖面油水兩相流的持水率測量方法,設(shè)計了新型持水率測量傳感器結(jié)構(gòu),解決了單獨采用環(huán)形陣列電導傳感器測量油水兩相流持水率時,由于環(huán)形陣列電導傳感器無法測量到全水相電導率、持水率測量結(jié)果受到井下環(huán)境溫度和流體礦化度影響導致測量誤差大的問題。實驗表明在流量范圍為3～200 m3/d時,持水率測量范圍為30%～100%;當油水兩相流總流量小于60 m3/d時,持水率的測量結(jié)果要進行井筒傾斜角的校正;當油水兩相流總流量大于60 m3/d時,持水率的測量結(jié)果受井筒傾斜角的影響可忽略。

(2)對該文提出的持水率測量方法進行工程化應(yīng)用時,在研制水平井產(chǎn)液剖面測井組合儀器時要包括井筒傾斜角測量模塊,同時必須建立針對不同井筒傾斜角條件下的測井解釋模型,以提高持水率測量解釋精度。