Minjun Qin, Jiacai Dai, Yang Pei, Zhongtao Wang, Hui Zhang, Jinhai ZhangProduction Logging Center, China Petroleum Logging Co.Ltd., Xi’an Shaanxi

2School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan

Abstract

Keywords

1.引言

近年來(lái)，水平井技術(shù)在新油田開(kāi)發(fā)和老油田調(diào)整挖潛上成效顯著，可以降低勘探開(kāi)發(fā)成本、大幅度提高油氣單井產(chǎn)能和采收率，以其投資回收率高、適用范圍廣泛的優(yōu)點(diǎn)得到了全世界的青睞。

目前，國(guó)內(nèi)油田在水平井的測(cè)井解釋中還比較落后，垂直井所固有的解釋方法在水平井解釋中仍占主導(dǎo)地位，且大部分適用于高流量井。在該背景下，通過(guò)兩相流試驗(yàn)，對(duì)陣列儀器在低流量下的狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，分析流量對(duì)測(cè)井的影響，為水平井測(cè)井及資料解釋提供依據(jù)。

2.MAPS組合儀器結(jié)構(gòu)

MAPS水平井陣列式測(cè)井儀器主要由陣列式電容持水率計(jì)(CAT)、陣列式電阻率持水率計(jì)(RAT)和陣列式渦輪流量計(jì)(SAT)等串組合而成(圖1)。

Figure 1.The composition of array tool string圖1.陣列式儀器串組成圖

1)SAT分別由6個(gè)微型渦輪組成，它們通過(guò)弓形彈簧片安置在管子內(nèi)徑中。該工具在油管中呈關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)其離開(kāi)油管進(jìn)入直徑更大的套管中時(shí)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。弓形彈簧片可以保護(hù)渦輪在上測(cè)和下測(cè)時(shí)免受損傷。傳感器整體附在弓形彈簧片上并和傳感器元件連接，包括磁通角傳感器與溫度傳感器。葉輪安裝在兩個(gè)樞紐之間，裝有軸承，在每個(gè)葉輪中間裝有磁體。磁通角傳感器根據(jù)磁通角度輸出響應(yīng)的正弦波和余弦波。當(dāng)磁極輪流經(jīng)過(guò)傳感器的一邊時(shí)磁通角會(huì)發(fā)生變化，可以利用該現(xiàn)象來(lái)計(jì)算流體流動(dòng)速度與流動(dòng)方向。

2)CAT由12個(gè)弓形彈簧片組成，當(dāng)其進(jìn)入套管時(shí)會(huì)向外張開(kāi)。其工作原理與傳統(tǒng)的電容持水率計(jì)類(lèi)似，均利用了油氣與水的相對(duì)介電常數(shù)性質(zhì)差異來(lái)識(shí)別流體性質(zhì)；創(chuàng)新之處在于環(huán)形測(cè)量的方式，采用同樣的原理用 12個(gè)局部位置的傳感器測(cè)量電容。在油/水中刻度曲線(xiàn)就可以分析測(cè)量結(jié)果，從而明確每個(gè)探頭附近液體的相態(tài)。

3)RAT包含12個(gè)傳感器，排列在儀器的邊緣，使用弓形彈簧片部署在管子的內(nèi)表面附近。通過(guò)將傳感器放置在管子橫截面的不同位置，從而監(jiān)測(cè)井筒流體內(nèi)部的變化[1]。

實(shí)際測(cè)井中，與常規(guī)PLT系列(自然伽馬、磁定位、溫度、壓力、電容持水率、全井眼渦輪)組合，完成水平井測(cè)井。

3.試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

該次試驗(yàn)全部是在5.5 in外徑模擬管道中進(jìn)行，所測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為409個(gè)。在試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，不僅記錄了原始數(shù)據(jù)還進(jìn)行了拍照錄像，具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為：

1)流體相態(tài)：油水兩相。

2)井斜：水平井定義為0?，向上流為正角度90?。

3)測(cè)速：0、13.33、15、16.67 m/min。

4)流量：10～600 m3/d。

5)含水率：0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。

4.流量試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1.點(diǎn)測(cè)渦輪響應(yīng)情況

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了在不同流體介質(zhì)中全井眼渦輪流量(見(jiàn)圖 2中的“FLOW”)、陣列渦輪流量(見(jiàn)圖2中的“SAT1、SAT2、······、SAT6”)與渦輪響應(yīng)的關(guān)系圖。從圖2中可以看出：① 陣列渦輪的啟動(dòng)流量遠(yuǎn)大于全井眼渦輪，且在相同流量下，陣列渦輪的渦輪響應(yīng)值低于全井眼渦輪；② 與低流量相比，高流量情況下陣列渦輪與全井眼渦輪響應(yīng)的線(xiàn)性關(guān)系更好；③ 與水介質(zhì)相比，油質(zhì)情況下全井眼渦輪與陣列渦輪的啟動(dòng)流量更大。

4.2.低流量下渦輪響應(yīng)與電纜測(cè)速的交會(huì)關(guān)系

低流量情況下，點(diǎn)測(cè)渦輪受啟動(dòng)排量影響不轉(zhuǎn)，需要通過(guò)拉動(dòng)電纜方式，使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，該次試驗(yàn)采用3種速度上提電纜，在完全水平情況下模擬水平井產(chǎn)液剖面測(cè)井情況。具體試驗(yàn)中，100 m3/d以下點(diǎn)測(cè)渦輪不轉(zhuǎn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，選取50、30、20、10 m3/d共4種流量，20%、40%、60%、80%共4種含水率進(jìn)行試驗(yàn)。

Figure 2.The relationship of turbine flow and turbine response圖2.渦輪流量與渦輪響應(yīng)關(guān)系

數(shù)據(jù)處理方法為：取出不同電纜速度(相對(duì)于儀器上提測(cè)量，電纜速度取負(fù)值)對(duì)應(yīng)的流量計(jì)測(cè)井值，作交會(huì)圖計(jì)算視流體速度及斜率，然后計(jì)算啟動(dòng)速度校正值。

式中：′為井筒中實(shí)際流體速度，m/min；vl為電纜速度，m/min；RPS為渦輪轉(zhuǎn)速，r/s；n為測(cè)井次數(shù)；vt為啟動(dòng)速度，m/min；va為交會(huì)視流體速度，m/min；K為斜率，1。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以，在低流量情況下，全井眼渦輪流量響應(yīng)穩(wěn)定，而陣列渦輪響應(yīng)不穩(wěn)定，1、2號(hào)小渦輪基本對(duì)稱(chēng)，而3～6號(hào)小渦輪基本接近于0值，只有在最高測(cè)速情況下才有一定響應(yīng)。因此，通過(guò)選取相對(duì)穩(wěn)定段的全井眼渦輪流量進(jìn)行交會(huì)，結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

綜合分析試驗(yàn)渦輪交會(huì)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：① 水平狀態(tài)下單一的全井眼渦輪或陣列渦輪解釋結(jié)果都存在一定誤差，兩者結(jié)合起來(lái)可提高解釋精度；② 低流量下陣列渦輪的響應(yīng)差異較大，說(shuō)明同一截面上不同位置的流量不同，而高流量情況下陣列渦輪響應(yīng)差異較小。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，相對(duì)于全井眼渦輪，陣列渦輪需要更大的啟動(dòng)流量。在極低流量(小于10 m3/d)的水平井中，全井眼渦輪流量計(jì)與陣列式渦輪流量計(jì)使用效果均不好，流量計(jì)的響應(yīng)誤差較大；在特低流量(10～30 m3/d)的水平井中，全井眼渦輪流量計(jì)比陣列式渦輪流量計(jì)效果好，當(dāng)井中流量達(dá)不到陣列式渦輪流量計(jì)的啟動(dòng)流量時(shí)，陣列式渦輪流量計(jì)的響應(yīng)會(huì)失真；在低流量(30～70 m3/d)水平井中，陣列式渦輪流量計(jì)有可能效果較好，但全井眼渦輪流量計(jì)比陣列式渦輪流量計(jì)效果更好。從渦輪流量計(jì)的適應(yīng)范圍來(lái)看，陣列渦輪適應(yīng)中、高流量油氣井。根據(jù)目前長(zhǎng)慶油田水平井的平均產(chǎn)液量，后續(xù)測(cè)井中不再組合陣列式渦輪流量計(jì)下井。

Figure 3.The turbo cross plot of different water cuts in low liquid rate圖3.低流量情況下不同含水率全井眼渦輪交會(huì)圖

Figure 4.The turbine response coefficient of different water cuts in low liquid rate圖4.低流量情況下不同含水率渦輪響應(yīng)系數(shù)

Figure 5.The starting velocity of different water cuts in low liquid rate圖5.低流量情況下不同含水率啟動(dòng)速度

從資料解釋角度來(lái)看，低流量相對(duì)于高流量而言難度更大。首先是流量資料處理中，渦輪流量交會(huì)點(diǎn)的合理性判斷與調(diào)整更難，可能大部分點(diǎn)會(huì)失真，且當(dāng)僅有上測(cè)曲線(xiàn)而缺乏下測(cè)曲線(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)速度的確定成為處理中的難點(diǎn)。因此，需通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立不同含水率狀況下渦輪與流量的關(guān)系刻度圖版，輔助測(cè)井資料解釋?zhuān)瑴p少測(cè)井趟次。

5.持水率試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1.不同持水率計(jì)響應(yīng)值與含水率的關(guān)系

當(dāng)陣列探頭位置在水中，則該傳感器理論響應(yīng)歸一化值應(yīng)為1；當(dāng)陣列探頭在油中，其響應(yīng)值應(yīng)為0；對(duì)陣列探頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行刻度標(biāo)定，得到不同流量下CAT、RAT、中心電容持水率試驗(yàn)對(duì)比資料，繪制了不同流量下不同持水率計(jì)響應(yīng)值與含水率關(guān)系圖。

圖6(a)結(jié)果顯示：低含水率情況下，RAT含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)更接近關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)；高含水率情況下，CAT含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)更接近關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)；中等含水率情況下，CAT、RAT含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)均接近關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)。

Figure 6.The relationship between response value and water cut of different water holdup meters圖6.不同持水率計(jì)響應(yīng)值與含水率關(guān)系圖

圖 6(b)結(jié)果顯示：高、低含水率情況下，中心電容持水率計(jì)含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)更接近關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)；中等含水率情況下，CAT含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)均接近關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)；與中心電容持水率、RAT相比，CAT含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)偏離關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)較遠(yuǎn)。

圖 6(c)結(jié)果顯示：高、低含水率情況下，中心電容持水率計(jì)含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)更接近關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)；中等含水率情況下，CAT含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)均接近關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)；與中心電容持水率、RAT相比，CAT含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)偏離關(guān)井情況下含水率與持水率的關(guān)系曲線(xiàn)較遠(yuǎn)。

從圖6分析可知：① 幾種不同流量情況下，中心電容持水率與實(shí)際值之間都存在較大誤差，再次突出了陣列持水率計(jì)在水平井測(cè)井中的必要性和重要性；② 低流量情況下，由于流型穩(wěn)定，因此CAT和RAT所測(cè)到的結(jié)果非常接近于實(shí)際值；中、高流量情況下，隨著含水率的不斷升高，流型也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，因此必須綜合CAT和RAT進(jìn)行解釋。

低流量水平井筒中多相流的流型多為分層流，中心電容持水率計(jì)不能準(zhǔn)確反映井筒中流體介質(zhì)的分布狀態(tài)，測(cè)井系列必須在中心持水率計(jì)的基礎(chǔ)上增加陣列持水率計(jì)，考慮到不同流量、不同含水情況下CAT和RAT各有優(yōu)缺點(diǎn)，必須CAT和RAT同時(shí)測(cè)量。

5.2.低流量情況下CAT與含水率的關(guān)系

在低流量情況下，水平井筒內(nèi)流體型態(tài)為層流，一般分為光滑層流、波狀層流、滾波層流3種[2][3][4]。陣列持水率計(jì)的探頭大部分處于單相油或單相水中，只有2只探頭處于油水界面處，當(dāng)井筒內(nèi)流量增大時(shí)，油水界面產(chǎn)生波動(dòng)，形成界面混雜波狀分層流，此時(shí)位于全油和全水中的探頭數(shù)目減少，當(dāng)含水率逐步增加時(shí)，形成上層水包油、下層水。圖7(a)、圖7(b)為分別在10 m3/d (極低流量)、50 m3/d (低流量)情況下，CAT每個(gè)探頭(見(jiàn)圖7中的“CAT1、CAT2、……、CAT12”)持水率與含水率的關(guān)系，對(duì)比可見(jiàn)，隨著流量增大，處于油水刻度值之間的探頭數(shù)目增加，同時(shí)分層界面更加紊亂，流型更加復(fù)雜。

Figure 7.The relationship between water holdup and water content of CAT probes圖7.CAT各探頭持水率與含水率關(guān)系圖

6.結(jié)論

1)理論與試驗(yàn)研究表明，陣列持水率計(jì)比中心電容持水率計(jì)更能反映井筒中流體介質(zhì)的變化與分布。

2)與直井相比，水平井中渦輪流量計(jì)需要更大的啟動(dòng)流量；與全井眼渦輪流量計(jì)相比，陣列式渦輪流量計(jì)需要更大的啟動(dòng)流量。對(duì)于長(zhǎng)慶油田低流量水平井而言，全井眼渦輪流量計(jì)比陣列式渦輪流量計(jì)測(cè)量效果好。

3)在水平井產(chǎn)液剖面解釋中，低流量時(shí)渦輪交會(huì)點(diǎn)的合理性判斷與調(diào)整較難，可能大部分點(diǎn)會(huì)失真，且當(dāng)僅有上測(cè)曲線(xiàn)缺乏下測(cè)曲線(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)速度的確定成為處理中的難點(diǎn)。通過(guò)模擬試驗(yàn)，擬合了不同流量、不同含水率情況下的儀器響應(yīng)系數(shù)和儀器啟動(dòng)速度，對(duì)資料定量解釋具有較大意義。