光纖探針-阻抗三相流測井儀在三相流中的試驗及分析*

徐 林，胡金海，楊長河，劉曉磊，黃春輝，宋純高，常 暉

(大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務分公司 黑龍江 大慶 163114)

0 引 言

高含水開發(fā)后期，油井內(nèi)流壓降低，產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象明顯，井下油氣水三相流普遍存在。對于油水兩相流，阻抗式產(chǎn)液剖面測井儀較為成熟，在水為連續(xù)相時對含水率的變化響應靈敏，能提供可靠的含水率信息[1-3]。渦輪流量計儀表常數(shù)穩(wěn)定,在油水兩相流條件下可以準確測量流量。但在油氣水三相流中，由于氣液密度差異大、氣體滑脫等因素的影響，無法準確測量流量和含水率，需要引入氣相流量參數(shù)，對流量和含水率進行校正。

早期采用集流式流量計和放射性密度計組合，以及采用壓差密度計對兩相流儀器進行校正等方式進行三相流測量。金寧德等[4-5]基于傘集流渦輪流量計與放射性密度-持水率計組合儀在油氣水三相流裝置中的動態(tài)試驗結(jié)果,建立了三相流渦輪流量計統(tǒng)計測量模型，但由于環(huán)保的要求放射性密度計早已停用；壓差密度計在流量100 m3/d以下的套管內(nèi)，測得密度的分辨率極低無法應用。近年來，大慶油田測試技術(shù)服務分公司陸續(xù)研發(fā)了低產(chǎn)液三相流測井儀[6]、超聲多普勒測井儀等儀器。低產(chǎn)液三相流測井儀流量上限低于20 m3/d，應用范圍受限；超聲多普勒測井儀總流量上限為15 m3/d、氣量上限為5 m3/d，含水率測量適用于低含水條件，同樣使用條件和范圍受限。

應油田對總流量測量范圍寬、氣量測量范圍寬、高含水下測量精度高的三相流測井儀的需求，大慶油田測試技術(shù)服務分公司開發(fā)了光纖持氣率計[7]。但由于光纖持氣率計局限于對氣相響應規(guī)律的研究，沒有和流量、含水率參數(shù)有機結(jié)合，還不能給出三相流的測量結(jié)果。為此本研究將光纖探針、阻抗含水率計、渦輪流量計有機結(jié)合，研制了光纖探針-阻抗三相流測井儀，對該儀器在多相流模擬實驗裝置上進行了油氣水三相流中的標定試驗，建立了三維插值的油氣水三相流解釋方法，并進行了現(xiàn)場試驗驗證。

1 儀器結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

組合儀器利用渦輪流量計測量產(chǎn)液量，利用阻抗含水率計測量含水率，利用光纖探針測量產(chǎn)氣量[8-10]。結(jié)構(gòu)如圖1所示，從下向上依次為傘式集流器、光纖探針傳感器[11-12]、阻抗傳感器[1]、渦輪流量計及信號處理電路短節(jié)。光纖探針位于流道截面中心，采用單探針結(jié)構(gòu)。儀器可以與磁定位、井溫、壓力等參數(shù)進行組合測井。

1-傘式集流器;2-光纖探針傳感器;3-阻抗傳感器;4-渦輪流量計;5-電路短節(jié)圖1 光纖探針-阻抗含水率測井儀結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)指標

組合測井儀外徑：Φ28 mm；耐溫：125 ℃；耐壓：30 MPa；液相流量測量范圍及精度：2～60 m3/d，±5%；液相含水率測量范圍及精度：50%～100%，±8%；氣相測量范圍及精度：2～10 m3/d，±10%。

2 儀器標定及解釋模型

2.1 儀器標定

利用多相流模擬實驗裝置地面采集系統(tǒng)記錄不同氣相流量、不同油水兩相流量和含水率時的光纖探針響應頻率，得到不同氣量下光纖探針響應關(guān)系圖版，圖2為氣相流量3 m3/d時的響應圖版。計算液相流量為0～50 m3/d時的光纖探針響應的平均值，得到不同氣量下光纖探針響應與液相流量關(guān)系圖版，如圖3所示。利用同樣方法計算不同氣相流量時油氣水三相渦輪響應平均值，得到不同氣量下油氣水三相渦輪響應與油水兩相流量響應關(guān)系圖版，如圖4所示。固定氣相流量為3 m3/d時，標定的油水兩相流量與含水率關(guān)系圖版如圖5所示，同時標定了0、6、10 m3/d等多種氣相流量下的含水率圖版，獲得阻抗傳感器在油氣水三相流下的響應規(guī)律圖版。

圖2 氣相流量3 m3/d時的光纖探針響應圖版

圖3 不同氣量下光纖探針響應與液相流量關(guān)系圖版

圖4 油氣水三相流渦輪響應與油水兩相流量關(guān)系圖版

圖5 氣相流量為3 m3/d 時含水率響應圖版

2.2 解釋模型

油氣水三相流解釋模型框圖如圖6所示。首先通過不同氣量下光纖探針響應與液量關(guān)系圖(圖3)與不同氣量下渦輪輸出響應與液量的關(guān)系圖(圖4)之間的對應關(guān)系，推出不同氣量下渦輪響應與光纖探針響應關(guān)系圖，如圖7所示。對于某一測點已知可以測量的參數(shù)為：渦輪響應頻率、光纖探針響應頻率和阻抗傳感器響應。首先在圖7中，用已測得的渦輪響應頻率和光纖探針響應頻率，通過圖版插值法確定某一光纖探針響應時的氣相流量。再用計算的氣量流量在圖4油氣水三相流渦輪響應與油水兩相流量關(guān)系圖版中，根據(jù)確定的氣相流量和渦輪響應頻率確定油水兩相(液相)流量。最后利用阻抗傳感器輸出的含水率響應，在圖5不同氣量下的含水率響應圖版中插值進一步確定油水兩相(液相)含水率。

圖6 油氣水三相流解釋模型框圖

圖7 不同氣量下渦輪響應與光纖探針響應關(guān)系圖版

3 現(xiàn)場試驗情況

光纖探針-阻抗三相流測井儀自2019年10月開始投入現(xiàn)場試驗，截止到2020年11月在25口井中實施了30井次的現(xiàn)場試驗。試驗井中產(chǎn)氣井占總井數(shù)的48%，對于產(chǎn)氣井來講，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義的三相流測量，解釋結(jié)果相比兩相流儀器更準確。

3.1 三相流井中的各參數(shù)實測曲線

圖8為光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇11-**井1 115 m處的測量曲線?？梢钥闯觯饫w探針測量曲線、渦輪流量計測量曲線、阻抗傳感器在三相流體過流狀態(tài)輸出的混相值曲線對于該點產(chǎn)氣的指向性很強。

圖8 光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇11-**井1 115 m處的測量曲線

圖中光纖探針測量曲線高低數(shù)值起伏很大，低值接近液相時的輸出值，高值接近于低值的2倍，從低到高，輸出呈周期性變化，說明該點產(chǎn)氣情況隨油井的沖程沖次呈周期性變化；渦輪流量曲線的輸出高值比平均值大出許多，也顯示產(chǎn)氣情況。

圖9為光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇11-**井1 183 m處的測量曲線，相比于1 115 m測點處，光纖探針測量曲線的波動起伏幅度減小，渦輪流量計測量曲線波動起伏幅度也減小，但仍能看出該點依然有氣，只是氣量減少。

圖9 光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇11-**井1 183 m處的測量曲線

3.2 在三相流井中開展的重復性及一致性試驗

在喇10-20**井，分別用207#和8#光纖探針-阻抗三相流測井儀進行測井，每支儀器在主產(chǎn)層都進行了重復性測量，表1是207#儀器的重復對比情況，可以看出儀器在1 010.0、1 070.0、1 089.5 m 3個測點處的重復測量數(shù)據(jù)能夠完全符合，表明儀器的重復性很好。

表1 207#儀器的重復性對比情況表

表2和表3是2支儀器在該井的測井解釋成果表，可以看出在測點1 010.0 m處油水兩相流的含水率和流量完全一致，產(chǎn)氣量在該點處也完全一致，在其他深度點的油水兩相流的含水率和流量、產(chǎn)氣量趨勢上也一致，分層產(chǎn)油的主產(chǎn)油層、主產(chǎn)液層一致，因此說明兩支儀器存在著很好的一致性。

表2 207#光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇10-20**井解釋結(jié)果

表3 8#光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇10-20**井解釋結(jié)果

3.3 在三相流井中與兩相流測井儀器的對比試驗

表4是光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇5-W26**井中的解釋成果。經(jīng)測量，該井全井段1 137.98 m處合層產(chǎn)氣6.2 m3/d，經(jīng)三相流解釋，該點合層產(chǎn)液24.5 m3/d、合層含水率91.5%，接近井口化驗液相含水率93.80%。如果不利用光纖探針測量數(shù)據(jù)，按兩相流進行資料解釋，結(jié)果見表5，同樣在1 137.98 m處合層產(chǎn)液30 m3/d、合層含水68%。與三相流測量結(jié)果在合層處產(chǎn)液有5.5 m3/d的變化，但含水率相差23.5%。所以有必要用光纖探針-阻抗三相流測井儀實施測井。

表4 喇5-W26**井光纖探針-阻抗三相流測井儀解釋成果

表5 喇5-W26**井兩相流合層解釋成果

3.4 在產(chǎn)氣量大的三相流井中的測井試驗

喇8-3E24**井產(chǎn)氣比較明顯，用光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇8-3E24**井的測井中進行了試驗，在該井各測點處獲得了光纖探針響應、渦輪流量計響應及阻抗含水率計響應，通過圖6的油氣水三相流解釋模型獲得各分相的流量，形成了三相流解釋剖面，如圖10所示，從圖上可以直觀看出油、氣、水三相的分布。在該井測得全井的產(chǎn)液27.9 m3/d、綜合含水率92.6%，測得的綜合含水率與井口化驗液相含水率95.8%的誤差僅為3.2%；測得全井產(chǎn)液與井口計量的26.1 m3/d，相差1.6 m3/d，誤差為6.9%。同時，該井層6單層產(chǎn)液17.5 m3/d，產(chǎn)水16.4 m3/d，產(chǎn)氣4.3 m3/d，產(chǎn)油1.1 m3/d，得知該層既是主產(chǎn)液層，又是主產(chǎn)水、主產(chǎn)油及主產(chǎn)氣層。

圖10 光纖探針-阻抗三相流測井儀在喇8-3E24**井中的三相流解釋剖面圖

4 結(jié) 論

基于光纖探針、阻抗傳感器和渦輪流量計，創(chuàng)新研制了光纖探針-阻抗三相流測井儀，建立了在油氣水三相流下響應規(guī)律三維插值的解釋方法。該儀器的氣相流量測量范圍寬、油氣水三相流總流量范圍寬，在高含水下含水率又有較好的分辨率，同時滿足環(huán)保要求，在三相流下有良好的應用前景。

通過30井次的現(xiàn)場試驗驗證，表明儀器的重復性及一致性較好，實現(xiàn)了對油氣水三相流的定量測量，與兩相流測井儀器相比，能更準確地反映產(chǎn)層的產(chǎn)液和含水情況。