水平井井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置研制與試驗(yàn)

針對(duì)低液量水平井分段生產(chǎn)測(cè)試采用井口取樣化驗(yàn)含水、大罐計(jì)量折算流量方式存在的測(cè)試效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高等突出問題，設(shè)計(jì)了一種井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置。該裝置在水平井單層段分段生產(chǎn)過程中，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)產(chǎn)層段流量、含水、溫度、壓力參數(shù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)，通過地面數(shù)據(jù)回讀分析，能判識(shí)不同產(chǎn)層段產(chǎn)出類型及產(chǎn)出特征。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置達(dá)到了設(shè)計(jì)工藝技術(shù)指標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該裝置實(shí)現(xiàn)了低液量水平井流量、含水、溫度、壓力數(shù)據(jù)的完整采集與存儲(chǔ)，通過數(shù)據(jù)曲線分析明確了實(shí)施井不同產(chǎn)層段產(chǎn)出情況，準(zhǔn)確定位了主要出水層段。所得結(jié)論可為低滲透油田油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及后續(xù)措施制定提供技術(shù)參考。

低液量水平井；井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置；分段生產(chǎn)；產(chǎn)層段；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

TE931

A

DOI： 10.12473/CPM.202401054

Development and Test of Downhole Flow Water Cut

Monitoring Device in Horizontal Wells

Lu Hongjun1，2" Li Dajian1，2" Yang Yixing1，2" Chen Chunkun3" Yang Haitao1，2

（1.Oil and Gas Technology Institute，PetroChina Changqing Oilfield Company；2.State Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development；3.No.9 Oil Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company）

When sectional production tests are conducted in low fluid volume horizontal wells，the methods such as testing water cut by sampling at wellhead and converting into flow rate by metering at large tank usually have the problems such as low testing efficiency，high labor intensity and high field operation risks.To solve these problems，a downhole flow water cut monitoring device was designed.During the sectional production process of single interval in horizontal wells，this device can achieve automatic collection and storage of parameters such as flow rate，water cut，temperature and pressure of a single production interval.By means of surface data readback analysis，the flowing types and characteristics of different production intervals can be identified.The laboratory test shows that the device has met the technical indicators.The field test evaluation results show that the device has achieved complete collection and storage of flow rate，water cut，temperature and pressure data of low fluid volume horizontal wells.Through data curve analysis，the flowing situation of different production intervals in the implementation well has been clarified，and the main water production intervals have been accurately located.The conclusions provide technical reference for the production performance monitoring of oil wells in low-permeability oilfields and subsequent measures.

low fluid volume horizontal well；flow water cut monitoring device；sectional production；production interval；field test

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大專項(xiàng) “水平井找堵水技術(shù)試驗(yàn)”（2019F-28）。

0" 引" 言

低滲透油田注水開發(fā)水平井，受到儲(chǔ)層非均質(zhì)性、人工裂縫與天然裂縫等因素的綜合影響，在生產(chǎn)過程中存在比較突出的見水矛盾，降低了油田開發(fā)效益。為了實(shí)現(xiàn)見水、水淹水平井的控水治理，開展水平井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)層段產(chǎn)出或產(chǎn)液剖面監(jiān)測(cè)是后期實(shí)施各種措施的重要前提條件。低滲透油田儲(chǔ)層滲透率與孔隙度低、物性差，即使經(jīng)過壓裂改造，水平井平均單井產(chǎn)液量仍然較低，平均液量范圍5～15 m3/d，這使產(chǎn)層段、產(chǎn)液剖面監(jiān)測(cè)面臨巨大挑戰(zhàn)。目前從測(cè)井角度看，水平井主體產(chǎn)液剖面測(cè)試主要采用爬行器/連續(xù)管等輸送設(shè)備+MAPS/MAPS的方式開展，通過陣列渦輪流量計(jì)、陣列電阻/電容持率計(jì)對(duì)產(chǎn)層段開展流量、含水監(jiān)測(cè)，兼顧壓力、溫度數(shù)據(jù)測(cè)試，結(jié)合模型算法解釋水平井段各層段的產(chǎn)液剖面［1-3］。以上測(cè)井技術(shù)在低液量水平井產(chǎn)出監(jiān)測(cè)面臨2大瓶頸問題：①由于平均單井液量低，井筒液流速度極低，渦輪流量計(jì)的監(jiān)測(cè)響應(yīng)較差，甚至沒有監(jiān)測(cè)響應(yīng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)結(jié)果精度低、效果差；②低液量水平井主要采用抽油機(jī)管桿泵方式生產(chǎn)，常規(guī)測(cè)井電纜+爬行器或連續(xù)管作業(yè)方式無法適應(yīng)水平井井況，產(chǎn)出監(jiān)測(cè)與油井生產(chǎn)同步的協(xié)調(diào)性無法有效解決［4-6］。這些問題降低了技術(shù)適應(yīng)性。

陸紅軍，等：水平井井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置研制與試驗(yàn)

為了有效解決低產(chǎn)液量水平井產(chǎn)液剖面監(jiān)測(cè)問題，目前主要采用分段生產(chǎn)方式進(jìn)行產(chǎn)層段產(chǎn)出監(jiān)測(cè)［7-9］，并在此基礎(chǔ)上，發(fā)展出井下分段取樣、拖動(dòng)管柱/不動(dòng)管柱分段生產(chǎn)測(cè)試等工藝。該生產(chǎn)方式核心是在單層段或組合層段生產(chǎn)或排液過程中，在井口取樣化驗(yàn)含水、大罐計(jì)量折算流量，以確定水平井不同層段的產(chǎn)出狀態(tài)特征，在有效解決實(shí)際產(chǎn)出監(jiān)測(cè)問題的同時(shí)，該種方式存在測(cè)試效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高等突出問題。

基于低液量水平井分段生產(chǎn)產(chǎn)出監(jiān)測(cè)技術(shù)升級(jí)考慮，以提升技術(shù)適應(yīng)性為目標(biāo)，筆者調(diào)研分析了目前用于油井流量、含水監(jiān)測(cè)的相關(guān)主體工藝技術(shù)［10-13］，開展了技術(shù)集成應(yīng)用可行性論證；在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置，結(jié)合低液量水平井分段生產(chǎn)產(chǎn)液剖面監(jiān)測(cè)工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)層段流量、含水、溫度、壓力參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，以及數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、回放與解釋分析，大幅度提升了技術(shù)應(yīng)用效果，為低滲透油田油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及后期措施制定提供了新的有效技術(shù)支撐。

1" 低液量水平井分段生產(chǎn)產(chǎn)出監(jiān)測(cè)工藝

低液量水平井分段生產(chǎn)產(chǎn)出監(jiān)測(cè)工藝技術(shù)主要原理是通過封隔器將產(chǎn)層段（壓裂改造層段）或組合層段有效隔離，對(duì)應(yīng)層段設(shè)置開關(guān)器或篩管，在進(jìn)行單層段泵抽或抽吸生產(chǎn)過程中，通過井口多次取樣化驗(yàn)求取產(chǎn)液含水，地面大罐連續(xù)計(jì)量求取日產(chǎn)液量，然后換層生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)層段流量、含水的監(jiān)測(cè)，為出水層段判識(shí)、產(chǎn)層段產(chǎn)能綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

水平井分段生產(chǎn)找水測(cè)試工藝管柱如圖1所示。分段生產(chǎn)產(chǎn)出監(jiān)測(cè)工藝有效解決了低液量條件下多段壓裂改造水平井產(chǎn)出監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題；與此同時(shí)，由于采用逐層求產(chǎn)的方式，單井測(cè)試周期長(zhǎng)，測(cè)試效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，監(jiān)測(cè)結(jié)果影響因素多，限制了其在技術(shù)礦場(chǎng)的推廣應(yīng)用。

production of horizontal well

2" 低液量井井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)低液量水平井分段生產(chǎn)產(chǎn)出監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的不足，通過集成主體流量、含水監(jiān)測(cè)工藝，融合井下溫度、壓力傳感器技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了水平井井下流量、含水、溫度、壓力4參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合考慮了各個(gè)模塊尺寸、功能與技術(shù)要求，進(jìn)行了系統(tǒng)總成有機(jī)融合，在此基礎(chǔ)上研制了井下監(jiān)測(cè)裝置。

2.1" 監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)架構(gòu)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種低液量水平井井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該裝置系統(tǒng)主要由上接頭、電控系統(tǒng)、渦街流量計(jì)、壓力（溫度）傳感器、含水體積分?jǐn)?shù)模塊、篩網(wǎng)及下接頭構(gòu)成。上下接頭主要通過常規(guī)螺紋連接油管；電控系統(tǒng)主要包括電池和電路板，電池為電路板提供直流電源，電路板設(shè)置計(jì)時(shí)、電池供電控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能；渦街流量計(jì)主要進(jìn)行流量計(jì)量監(jiān)測(cè)；壓力傳感器主要感知監(jiān)測(cè)井段壓力、溫度，其中溫壓傳感器能夠?qū)ρb置內(nèi)、外壓力溫度同時(shí)測(cè)試；含水體積分?jǐn)?shù)模塊主要進(jìn)行含水監(jiān)測(cè)；篩網(wǎng)主要對(duì)層段產(chǎn)液進(jìn)入裝置前進(jìn)行過濾，防止井液雜質(zhì)進(jìn)入監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部堵塞流道或干擾傳感器。

產(chǎn)層段產(chǎn)液由下接頭進(jìn)入裝置（見圖2），流經(jīng)篩網(wǎng)后進(jìn)入裝置環(huán)空流道（藍(lán)色箭頭所示），首先通過含水體積分?jǐn)?shù)模塊監(jiān)測(cè)層段產(chǎn)液含水體積分?jǐn)?shù)，同時(shí)由溫壓傳感器監(jiān)測(cè)油管內(nèi)及油套環(huán)空壓力、溫度情況，當(dāng)液流進(jìn)入渦街流量計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)層段流量監(jiān)測(cè)；裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于電控系統(tǒng)模塊內(nèi)，裝置起出地面后進(jìn)行數(shù)據(jù)回讀分析，解釋形成水平井各層段產(chǎn)出規(guī)律特征報(bào)告。

2.2" 井下流量監(jiān)測(cè)

針對(duì)產(chǎn)層段低流量監(jiān)測(cè)，渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量大、易卡轉(zhuǎn)，適應(yīng)性較低；孔板流量計(jì)孔板結(jié)構(gòu)尺寸受井液介質(zhì)影響易發(fā)生變化，精度降低；超聲流量計(jì)容易受到井液顆粒雜質(zhì)影響；電磁流量計(jì)電極探頭受油污影響大。綜合不同類型流量計(jì)性能及影響因素，選擇采用渦街流量計(jì)開展流量監(jiān)測(cè)。渦街流量計(jì)流場(chǎng)仿真模擬結(jié)果如圖3所示。通過小流量（124.26 mm套管、73.0 mm油管井筒單層段流量1.5 m3/d以上）條件下流場(chǎng)仿真（見圖3），渦街發(fā)生體為三角型，漩渦產(chǎn)生強(qiáng)烈，邊界分離點(diǎn)固定，具有穩(wěn)定的漩渦分離效果。

2.3" 井下含水監(jiān)測(cè)

綜合對(duì)比分析了電阻、電容、放射性、電磁波、微波法含水監(jiān)測(cè)性能：電阻、電容方法分別主要適應(yīng)高含水、低含水監(jiān)測(cè)；放射性方法監(jiān)測(cè)存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)；電磁波方法在高含水條件下監(jiān)測(cè)誤差大；微波法含水監(jiān)測(cè)范圍廣，滿足0～100%含水體積分?jǐn)?shù)測(cè)試，受油水狀態(tài)影響較小，測(cè)量精度高，且無安全風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)選采用微波法進(jìn)行產(chǎn)層段產(chǎn)液持水率測(cè)試。

采用原油與水進(jìn)行混合配比，通過對(duì)微波含水體積分?jǐn)?shù)模塊重復(fù)性能測(cè)試（監(jiān)測(cè)AD值：模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量值），驗(yàn)證了不同油水比狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)結(jié)果重復(fù)性、穩(wěn)定性能夠滿足技術(shù)需求。微波含水室內(nèi)油水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)如圖4所示。微波含水室內(nèi)油水監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1" 微波含水室內(nèi)油水監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 1" Laboratory oil and water monitoring results for water cut using microwave

樣品及編號(hào)1#樣品：油45 mL2#樣品：油35 mL+水10 mL3#樣品：油30 mL+水15 mL4#樣品：油25 mL5#樣品：油10 mL+水35 mL

初始測(cè)試AD值086128198309

重復(fù)測(cè)試AD值080120186283

2.4" 溫度、壓力監(jiān)測(cè)

溫度、壓力監(jiān)測(cè)主要通過優(yōu)選與井況相匹配的溫壓傳感器并將之集成于裝置內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)測(cè)。篩選了2支鈦/硅藍(lán)寶石溫度壓力傳感器（見圖5），通過裝置流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器感應(yīng)通道分別與管內(nèi)及管外連通（見圖2），實(shí)現(xiàn)管內(nèi)/管外雙壓力溫度監(jiān)測(cè)；溫度監(jiān)測(cè)采用TMP235型精密模擬輸出溫度傳感器探頭，內(nèi)置于電控腔體內(nèi)，在-40～150 ℃范圍內(nèi)，提供10 mV/℃電信號(hào)輸出，測(cè)量范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)電壓輸出范圍2.3～5.5 V；壓力監(jiān)測(cè)范圍0～60 MPa，測(cè)量精度0.2%，壓力傳感器溫度漂移值近似為0，不受實(shí)際工況溫度變化影響。

3" 室內(nèi)試驗(yàn)

井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)、加工、組裝完成后，開展了室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)各功能模塊、電路模塊、監(jiān)測(cè)模塊的工藝指標(biāo)狀況與穩(wěn)定性，同時(shí)驗(yàn)證裝置整體系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行可靠性，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

建立了室內(nèi)流量、含水檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架（見圖6），分別進(jìn)行了流量、含水物理模擬試驗(yàn)。室內(nèi)流量、含水檢測(cè)曲線如圖7所示。

試驗(yàn)明確了監(jiān)測(cè)裝置主要性能指標(biāo)參數(shù)為：流量監(jiān)測(cè)范圍2～80 m3/d，量程范圍內(nèi)誤差均小于2%，重復(fù)性測(cè)試曲線重合度近似100%。含水體積分?jǐn)?shù)測(cè)量范圍0～100%，含水體積分?jǐn)?shù)≤20%時(shí)，誤差≤7%；含水體積分?jǐn)?shù)＞20%時(shí)，誤差≤3%。

4" 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

2022年10月在環(huán)平*井上開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，成功采集到不同組合產(chǎn)層段流量、含水、溫度、壓力等參數(shù)。結(jié)果表明低液量水平井井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置達(dá)到了設(shè)計(jì)的工藝技術(shù)指標(biāo)要求。

環(huán)平*井2013年10月29日投產(chǎn)，壓裂改造段數(shù)9段，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前日產(chǎn)液13.22 m3，含水體積分?jǐn)?shù)100%；為了測(cè)試該井主要出水層段，開展了水平井分段生產(chǎn)產(chǎn)出監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。主要將產(chǎn)層段劃分為3個(gè)組合段：壓裂改造段1～3為組合層段1；壓裂改造段4～6為組合層段2，壓裂改造段7～9為組合層段3。采用拖動(dòng)管柱、地面抽吸、分段生產(chǎn)方式進(jìn)行逐個(gè)組合層段流量含水監(jiān)測(cè)（見圖8），每段監(jiān)測(cè)時(shí)間3～4 d，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讀取回放，解釋生成各組合層段流量含水曲線。圖8顯示：不同組合段流量變化幅度不大，大體范圍在4～7 m3/d；含水體積分?jǐn)?shù)變化相對(duì)明顯，各產(chǎn)層段合排階段含水體積分?jǐn)?shù)99%，組合層段1產(chǎn)液含水體積分?jǐn)?shù)68%，組合層段2含水體積分?jǐn)?shù)88%，組合層段3含水體積分?jǐn)?shù)66%，主要出水層段為組合層段2（壓裂改造段4～6），監(jiān)測(cè)結(jié)果為該井下一步控水措施制定與實(shí)施提供重要參考依據(jù)。

and+ pressure in the production interval of Huanping * well

5" 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）分段生產(chǎn)產(chǎn)出監(jiān)測(cè)工藝技術(shù)是解決低產(chǎn)液量水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一種重要手段，從工藝原理分析，該工藝主要存在測(cè)試效率低、周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等技術(shù)不足。

（2）通過現(xiàn)有技術(shù)集成與有機(jī)融合，研制了低液量水平井井下流量含水壓力溫度監(jiān)測(cè)裝置。室內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)表明，該裝置滿足了低流量條件下產(chǎn)層段產(chǎn)出特征的4參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求。

（3）井下流量含水監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置系統(tǒng)中各模塊能夠正常協(xié)調(diào)工作，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、回放功能運(yùn)行良好，大幅度提升了分段生產(chǎn)產(chǎn)出監(jiān)測(cè)效率，有效降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，初步實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)迭代升級(jí)。

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第一陸紅軍，高級(jí)工程師，生于1972年，2003年畢業(yè)于西安石油大學(xué)鉆井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)技術(shù)研究與試驗(yàn)工作。地址：（710018）陜西省西安市。電話：（029）86590796。email：lhj1_cq@petrochina.com.cn。

通信作者：李大建，高級(jí)工程師。email：ldj_cq@petrochina.com.cn。

2024-01-28" 修改稿收到日期：2024-06-09

楊曉峰