崔文昊, 高榕, 常莉靜, 岳潘東, 王百, 呂億明

(1.長慶油田分公司油氣工藝研究院, 陜西 西安 710018; 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室, 陜西 西安 710018; 3.長慶油田分公司第四采氣廠, 陜西 西安 710018; 4.長慶油田分公司油田開發(fā)處, 陜西 西安 710018)

0 引 言

水平井產(chǎn)液剖面測試技術(shù)是從油套環(huán)空通過電纜或連續(xù)油管將產(chǎn)液剖面測試儀器輸送至射孔段,在抽油機不停抽情況下采用渦輪流量計、持水率儀實時監(jiān)測流量、含水,該技術(shù)的優(yōu)點是能在抽油機不停抽的情況下獲得井下分段的流量、含水率等數(shù)據(jù)[1-3]。但是,常規(guī)產(chǎn)液剖面測試在水平井中面臨水平段多相流體分層、電纜無法下入等問題,主要采用MAPS陣列式測井儀和爬行器等解決方案[4-6]。然而,產(chǎn)液剖面使用的渦輪流量計在5in*非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同套管井中流量小于50 m3/d時,渦輪啟動困難[7],不適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測試;爬行器受井筒環(huán)境影響,測試成功率不高且測試作業(yè)費用昂貴。

長慶油田水平井日產(chǎn)液小于20 m3的井占總井數(shù)的87%,平均單段日產(chǎn)液小于2 m3,低液量水平井的產(chǎn)液剖面測試已成為一個重要難題。為此,本文開展了將浮子流量計應(yīng)用于水平井產(chǎn)液剖面測試的探索研究,實現(xiàn)了無需電纜輸送儀器、提高測試準確率、降低作業(yè)成本的目的。

1 浮子流量計

1.1 結(jié)構(gòu)和原理

浮子流量計由一個錐形管和一個置于錐形管中可以上下自由移動的浮子組成(見圖1)。流量計本體兩端用法蘭連接或螺紋連接的方式垂直安裝在測量管路上,使流體自下而上流過流量計,推動浮子。由于節(jié)流作用,使上下游產(chǎn)生壓差Δp,由于該壓差的存在,使得浮子受到迎面的壓差阻力,在該阻力的作用下,浮子在錐管中上升,流通面積A增大,環(huán)隙中流體的平均速度減小,直到該阻力與浮子的自重和浮力相平衡時,浮子停留在某一高度。流量Qv越大,浮子停留的高度h越高。在穩(wěn)定情況下,浮子懸浮的高度h與通過流量計的體積Qv之間有一定的比例關(guān)系為

(1)

式中,α是浮子流量計的流量系數(shù);Df是浮子的最大直徑;Af是浮子迎面流體面積;Vf是浮子的體積;ρf是浮子材料密度;φ是錐管的錐角;ρ是流體介質(zhì)密度;h是浮子高度。

對于一定的流量計和流體,式(1)中的Df、Af、Vf、ρf、φ、ρ等均為常數(shù),因此,只要保持α為常數(shù),則流量Qv與浮子高度h之間就存在近似線性關(guān)系。因此,可以將這種對應(yīng)關(guān)系直接刻度在流量計的錐管上,根據(jù)浮子的高度直接讀出流量值,或通過電存儲方式將流量信號(即浮子的位置信號)記錄。

圖1 浮子流量計及其受力示意圖

1.2 浮子流量計的特點

由于浮子流量計在測量過程中始終保持節(jié)流件前后的壓差不變,通過改變流通面積實現(xiàn)流量的測量。①幾乎不會遇到砂卡的現(xiàn)象,與渦輪流量計相比受井筒環(huán)境的影響小;②可接收微小流量信號,實現(xiàn)低液量井流量測試;③浮子的高度取決于液體的流量,氣體對測量結(jié)果影響很小[8]。

2 井下存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀

借鑒常規(guī)浮子流量計,同時考慮到水平井中儀器無法通過電纜在水平段下放,使用爬行器價格昂貴且受井筒環(huán)境影響故障率高等因素,設(shè)計了適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測試的井下浮子流量計,同時與溫度、壓力、含水測試傳感器以及電路系統(tǒng)組成井下存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀,該儀器和油管連接后一起下入到射孔段,可以連續(xù)監(jiān)測多段壓裂水平井產(chǎn)液信息。

2.1 水平井井下浮子流量計設(shè)計

水平井井下浮子流量計由浮子、推桿、滑套、線圈、彈簧、流量護管、單流閥等組成(見圖2)。

圖2 水平井井下浮子流量計結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理:給浮子感應(yīng)線圈上提供恒定的電流激勵,當井下流體通過過流通道,推動浮子移動,銜鐵發(fā)生位移,引起感應(yīng)線圈中磁阻變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,感應(yīng)電動勢經(jīng)濾波放大,輸入單片機內(nèi)進行處理后測得流量。流量測量線圈采用差分結(jié)構(gòu),溫漂小,在流量線圈外加屏蔽層,減少外部對流量測量的干擾;自感傳感器可以測量0.01 μm～50 mm的機械位移,具有測量精度高、靈敏度高、線性好、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。

圖3 存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀

2.2 含水率、溫度和壓力測量設(shè)計

含水率測試儀采用電容式含水率傳感器和阻抗式含水率傳感器組合設(shè)計,分別測試流體的電容值和電導率,可以適應(yīng)低含水和高含水傳感器組合,可以更加精準測量含水率。

溫度測量原理:給PT1000提供恒流激勵,當井溫變化時,PT1000的阻值也會發(fā)生變化,測量電路輸出與溫度成正比的差動電壓信號,經(jīng)過單片機AD采集,得到溫度信號。

壓力測量原理:壓力傳感器采用恒壓供電電路,輸出與壓力成正比的壓力差動電壓信號,經(jīng)過單片機AD采集,得到壓力信號。

2.3 儀器功耗設(shè)計

儀器選用容量為9 Ah的高溫電池,采樣間隔有多種類型可供選擇,最小可設(shè)置為3 s。儀器工作30 d最大功耗設(shè)計如下。

(1) 當儀器采樣間隔設(shè)置為3 s時。每間隔3 s需要采集1次數(shù)據(jù),采集0.8 s,此時總電流不超過25 mA。1個月的耗電量4.8 Ah。

(2) 當儀器不工作時,進入休眠狀態(tài)?？傠娏鞑怀^100 μA。1個月耗電量0.072 Ah。

(3) 儀器每采集87組數(shù)據(jù)(87×3 s=261 s)進行一次數(shù)據(jù)存儲。存儲時間為0.6 s,總電流不超過50 mA。1個月耗電量0.082 Ah。

(4) 儀器1個月最大耗電量4.954 Ah。儀器可在井下連續(xù)工作1個半月以上。

2.4 水平井產(chǎn)液剖面測試儀結(jié)構(gòu)及原理

井下存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀由浮子流量計、含水探頭、溫度探頭、壓力傳感器、測量電路、供電電池組成(見圖3)。當正常產(chǎn)液時,坐封單向閥截止,流體通過進液口,推動浮子移動,從而測得流量。流體由過流通道流經(jīng)溫度探頭、壓力探頭與含水探頭時,可測得流體含水率、壓力與溫度,最后通過出液口流出。坐封時,浮子保護單向閥截止,流體從隔離管與外護管環(huán)空過流通道流過,打開坐封單向閥,實現(xiàn)坐封。

3 室內(nèi)實驗

3.1 含水率對流量測試的影響

(1) 介質(zhì):柴油和水兩相。

(2) 方式:在垂直狀態(tài)下進行流量標定,流量從0、1、2、…、10 m3/d,分別選擇含水率為100%、80%、40%進行流量測試實驗。

(3) 對流量刻度進行曲線擬合。

實驗結(jié)果表明,浮子流量計啟動流量為0.5 m3/d,可對低液量井進行測試;不同含水率的流量測試曲線基本重合,說明浮子位置的變化只與通過浮子流體的流量相關(guān),流體含水率對浮子流量計測試結(jié)果的影響可忽略。

3.2 儀器傾角對流量測試的影響

(1) 介質(zhì):柴油和水兩相。

(2) 方式:將儀器分別處于水平狀態(tài)0°和負角度-30°(即進液口高于出液口)狀態(tài)下,流量從0、1、2、…、10 m3/d,分別選擇含水率為100%、80%、40%進行流量測試實驗。

(3) 對流量刻度進行曲線擬合。

實驗結(jié)果表明,當井筒處于水平狀態(tài)甚至負角度狀態(tài)下,盡管流體的型態(tài)為層流或逆向流,但對浮子流量計和含水率的測試結(jié)果影響較小,最大誤差僅4%。分析認為這是由于浮子位置變化只與進入錐形管空間流體流量有關(guān),基本克服了油、水的分層流動使渦輪流量計響應(yīng)變得復雜的問題。當流體經(jīng)過電容+阻抗式持水率儀時,由于在圓周上配置多個持水率傳感器,能夠很好地解決常規(guī)儀器只能中心采樣不能探測到的全截面流體的問題,可以清楚地分辨出油和水。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2016年2月在長慶油田CP-X井首次開展水平井存儲式浮子流量計井下先導性試驗,該井射孔9段,測試前日產(chǎn)液16.07 m3,含水100%。為了驗證流量、含水測試準確性,對該井射孔段1進行雙封單卡工藝測試,同時地面單獨測量該段產(chǎn)液量并化驗含水,測試管柱見圖4。

該井儀器設(shè)置采樣間隔為10 min,35 d后起出,測試結(jié)果顯示射孔段1單層流量為3.77 m3/d,含水98.6%(見圖5);同時,地面單獨測量射孔段1的日產(chǎn)液為3.58 m3,含水100%。測試流量和含水與實際單量和化驗結(jié)果接近,說明存儲式產(chǎn)液剖面測試儀首次在水平井井下試驗取得成功,證明了井下浮子流量計應(yīng)用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測試可行。

圖4 水平井存儲式浮子流量計井下試驗管柱圖

圖5 井下浮子流量計測試結(jié)果回放圖

5 結(jié) 論

(1) 井下存儲式浮子流量計啟動流量小于0.5 m3/d,且不受井筒出砂影響,彌補了渦輪流量計不適應(yīng)低液量水平井的不足,提高了低液量水平井測試結(jié)果的準確性。

(2) 室內(nèi)動態(tài)實驗表明,無論是垂直、水平及傾斜情況下,浮子流量計響應(yīng)特性均不敏感于含水率,擁有非常好的不依賴于流型的特性。

(3) 測試儀器隨油管下入目的層,無需電纜和爬行器,一趟管柱即可完成水平井產(chǎn)液剖面測試,大幅度降低了產(chǎn)液剖面測試成本。

(4) 測試結(jié)果包含流量、含水、壓力和溫度等儲層流體物性參數(shù),可進行各射孔段產(chǎn)能評價、判斷井筒出水位置,為低液量水平井控水穩(wěn)油措施提供依據(jù)。

參考文獻:

[1] 翟路生, 金寧德, 鄭?？? 等. 水平井生產(chǎn)測井組合儀模擬井測量數(shù)據(jù)分析與模型建立 [J]. 地球物理學報, 2012, 55(4): 1411-1421.

[2] 韓易龍, 吳迪, 王海, 等. 水平井生產(chǎn)測井技術(shù)應(yīng)用 [J]. 測井技術(shù), 2003, 27(4): 320-324.

[3] 吳世旗, 鐘興福, 劉興斌, 等. 水平井產(chǎn)出剖面測井技術(shù)及應(yīng)用 [J]. 油氣井測試, 2005, 14(2): 57-59.

[4] 郭洪志, 李冬梅. Flagship在中高含水期水平井中的應(yīng)用研究 [J]. 西南石油大學學報(自然科學版), 2009, 31(1): 107-110.

[5] 戴家才, 郭海敏, 何億成, 等. 水平井、斜井集流式生產(chǎn)測井實驗研究 [J]. 測井技術(shù), 2005, 29(6): 493-495.

[6] 曲志君. 低流量水平井油水兩相流流量測量方法研究 [D]. 大慶: 大慶石油學院, 2009.

[7] 鄭?？? 劉興斌, 樸玉琴, 等. 水平井油水兩相管流流量和含水率測量方法實驗研究 [J]. 測井技術(shù). 2010, 34(4): 323-326.

[8] 陳業(yè)亭. 井下浮子流量計的設(shè)計與研究 [D]. 大慶: 大慶石油學院, 2007.