水平井油水两相管流流量和含水率测量方法实验研究

郑希科,刘兴斌,朴玉琴,李 军,李洪彬,王淑萍

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163453)

水平井油水两相管流流量和含水率测量方法实验研究

郑希科,刘兴斌,朴玉琴,李 军,李洪彬,王淑萍

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163453)

根据水平井测井仪器研制的总体技术方案,研制了流量与含水率测量样机,对样机在室内进行了实验。通过实验结果分析认为,低流量油井的水平井产出剖面测量需要采用集流方式测量,流量响应在各个倾斜角度下具有相同的响应规律,涡轮响应基本不受角度的影响;含水率测量必须采用适应低含水和高含水传感器组合测量,采用电容法和阻抗法是可行的,但流动管道角度的变化对含水率的响应有着一定的影响,含水率的解释需要考虑管道倾斜角度的变化。

水平井;流动模拟实验;含水率;流量;流型;电容;阻抗

0 引 言

水平井在开发过程中一旦发生局部水淹[1]将严重影响开发效果,甚至导致油井废弃。产液剖面测试技术是水平井开发的重要配套技术,它可以提供水平井是否有水突进和水的突进位置等信息,为优化注采方案和精细油藏描述提供基础数据,是指导压裂、堵水等作业并评价其效果不可缺少的依据。

由于水平井井身结构和井筒流动状态的复杂性,给水平井测井方法和解释带来了困难,其主要表现是测井响应和工艺比直井复杂。在多相流动的水平井中,不仅不同井段的流型不同,在同一井段也可能同时存在几种流动状态[2]。整体来看,造成水平井测井响应复杂及解释困难的原因是由于受水平井井身结构的特殊性的影响以及流体分异的变化导致了井筒流动状态与垂直井差异较大,管道内流型、流速剖面和油水的分布状态发生了根本性的变化。为此,开展了水平井测井方法的室内实验研究。

1 室内模拟实验

1.1 实验装置及仪器

模拟实验流动装置为大庆测试技术服务分公司三采实验室的水平井动态模拟设备。模拟流动管道由2排内径为124 mm透明井筒组成的“U”管道,油水两相的混合流体经过装有检测仪器的“U”管道排放到油水分离罐。“U”管道可由液压举升装置改变倾斜的角度(0°～90°),当井架水平时模拟90°的流动情况,当“U”管道抬起具有一定角度时,“U”管道的2排内径为124 mm透明井筒可分别模拟水平井井眼轨迹大于90°和小于90°的流动情况。

检测设备包括在流动井筒内的测井仪器,测井仪器为大庆测试技术服务分公司研制水平井产出剖面组合测井仪样机。仪器的测量参数包括自然伽马、磁性定位、流量、含水率、温度和压力。在实验中实际测量参数为流量、含水率,流量采用涡轮流量计,含水率测量采用过流式电容法和阻抗法。电容法和阻抗法测量短节安装仪器的流通通道内,实现同时测量。

1.2 模拟实验方案

实验条件为常温、常压,井筒角度变化(垂直方向为0°)87°、89°、90°、91°、93°。实验介质为油、水两相,流量范围3～240 m3/d,流量设计点为3、5、10、20、30、40、50、70、100、150、200、240 m3/d;含水率变化范围为0～100%,以10%为步长变化。共12个流量、11个含水点。

按照实验设计共完成了角度为(以垂直方向为0°)87°、89°、90°(水平状态)、91°、93°,流量范围为3～240 m3/d,含水率0～100%的动态模拟实验,共完成960个流量点的实验,获得2 000余组的含水率和流量的响应曲线,其中880个流量点是阻抗、电容含水率响应数据,其余的80个流量点研究流量与涡轮转数的关系。

2 模拟实验结果

(1)低流量油井的水平井产出剖面测量需要采用集流方式测量。在室内模拟实验观察中发现,在实验设计的大部分流量范围内,尤其是低流量情况下,124 mm套管中的油水两相呈分层流动。对于低流量,在角度小于90°的情况下,油相在套管的顶部占有很小一部分的套管体积(见图1、图2),含水率越高油相占有的体积份数变化较小。即在相同角度、流量的情况下,当含水率发生变化时,油水界面的变化并不明显。如果采用非集流的测量方式,而且含水率测量方法是对油、水体积份数(持率)的响应,尽管含水率发生了变化,但由于油水界面的变化量不明显或不大,仪器的响应不会具有预期理想的分辨率;并且在相同的倾斜角度、流量、含水率情况下,油水界面沿管道流动方向也发生变化,即沿管道流动方向的不同位置处的油、水流动与滞留份数不同,而目前的仪器组合无法区分流动和滞留量,含水率响应受到测量位置的影响。流动特征表明了在低流速下,流量计和含水率计的响应不仅相关于被测流量和含水率,而且强烈地依赖于油、水在井筒内的分布,即敏感于井身倾角、位置。

目前大庆油田的水平井产液量在10 m3/d左右的油井占有50%以上。中、低产量油井内流体的平均流速很低,当总流量低于50 m3/d时,若采用非集流的测量方式,涡轮流量计很难启动,油水分层流动导致含水率响应具有多解性及分辨率低的特点。因此,低流量的水平井产出剖面测量采用集流方式是必要的。

图1 89°流量20 m3含水80%时油水分布

图2 87°流量20 m3含水30%时油水分布

(2)水平井的含水率测量必须采用适应低含水和高含水传感器组合测量。电导含水率计通过测量井内流体电导率来确定含水率。理论和大量实验证明[3],当水为连续相时,油/水两相流的相对电导率(混合相电导率与水相电导率之比)与含水率相关,适合于高含水油井的测量;电容传感器是低含水油井有效的含水率测量方法。

实验结果表明,含水率低于50%情况下,电容法具有较大的分辨率;含水率高于50%情况下,阻抗法具有较大的分辨率,2种方法结合可以解决0～100%含水率的测量问题。图3为流动管道倾斜角度为90°、流量150 m3/d、含水率从0变化到100%时,阻抗和电容响应频率的变化曲线。测量数据的变化显示阻抗、电容分别在高、低含水率区间具有较高的分辨率。

图3 电容和阻抗含水率计随不同含水率变化曲线

水平井内油水的分布不仅与流量和含水率有关,还明显受到井眼轨迹(倾角、位置)的影响。水平井与垂直井油水分布状态都受到重力和密度因素的影响之外,水平井内的油水分布状态还受到井眼轨迹的影响。在井眼轨迹的高点油的滞留量相对较多,在井眼轨迹的低点水的滞留量相对较多。因此,即使油井实际含水率很高,电容含水率响应在井眼轨迹的高点可为低含水的响应,高含水响应的传感器在此处可能失去分辨率。这也是水平井与垂直井相比解释难点之一。室内实验表明,水平井的含水率测量宜采用适应低含水和高含水传感器组合测量。

(3)近水平流量测量不受角度变化的影响。在流动管道的角度分别为87°、89°、90°、91°、93°及流量3～240 m3/d的条件下,对涡轮进行刻度。实验结果表明(见图4),在水平和近水平状态下,流量响应不受流动管道倾斜角度的影响,仪器标定只需在水平条件下刻度即可。

(4)在集流测量方式下,流动管道角度的变化对含水率的响应有一定的影响。电容含水率传感器和阻抗含水率传感器的响应既有相同点,也有不同点。相同点是在低流量的情况下都受到角度变化的影响,不同点是阻抗含水率传感器的响应在流量大于70 m3/d时受到角度的影响可以忽略不计(见图5,图5中模数第1个数据为角度,第2个数据为含水率)。

图4 流量响应与流动管道倾斜关系图

实验结果表明,电容传感器随偏离水平程度的增加,同一流量、含水率实验点的含水率响应呈现增大的趋势(见图6,图6中模数第1个数据为角度,第2个数据为含水率);但在流量为70 m3/d左右,电容传感器响应出现相反的趋势;低于50 m3/d以后,电容传感器响应随偏离水平程度的增加恢复增大的趋势。这种变化特点可能与流道内的流型变化复杂及电极的结构有关。观察图5可以看出阻抗含水率传感器在70 m3/d流量范围左右各个角度下的响应基本一致,从这点上来看相同测量条件下响应特点不同的最大可能性是与测量电极的结构有关,原因分析如下。

图5 阻抗传感器在不同角度下的响应曲线

电导传感器[3-4]由安装在绝缘管壁的4个环形金属电极构成,外面1对为激励电极,中间1对为测量电极,传感器的测量环境在测量通道内形成一个相对的封闭环境,仪器响应与流经传感器流体的电导率成比例。因此,从阻抗传感器的结构来看测量响应值只与测量通道内的流体相持率有关系。电容法含水率测量传感器采用的是直井产出剖面的测量结构,由仪器流动通道内的中心电极及仪器外壁(外电极)共同组合成1个含水率测量的传感器。理论上,对电容传感器外电极的要求是安放在仪器测量通道内、长度与中心电极对等且与仪器外壁绝缘,这样才能形成一个相对封闭的测量环境,传感器的响应只与流体流动通道内的相持率有关。实际上,以仪器外壁为外电极的柱状电容传感器结构导致了测量空间扩展到了套管内,测量响应不仅与流体流动通道内的相持率有关,而且也与仪器所在位置处套管内的油水分布(套管内相持率)有关。水平状态低流量层流占相当比例,传感器的结构导致了柱状同轴电容传感器的灵敏度强烈地敏感于油水界面位置,表现出阻抗、电容含水率传感器的响应在相同的测量环境下具有不同的响应规律,即高流量时,电容响应受到角度的影响较大。

图6 电容传感器在不同角度下的响应曲线

此外,同直井的含水率响应对比,实验结果表明在近水平状态下,电容和阻抗响应具有特殊规律。在低流量含水率为100%,响应值偏离全水值(偏油响应),并且随着角度的增加,这种响应特点更加明显(见图7,图7中模数I表示阻抗、C表示电容);这种现象可能说明在仪器通道内也存在油水界面,并且油相为滞留相。这些特殊的响应特点有待进一步的验证和研究。

图7 含水率100%时阻抗与电容在各种角度下随流量变化的响应曲线

3 结 论

通过室内动态水平流动模拟实验,明确了国内水平井产出剖面测量需要采用集流方式、含水率测量必须采用适应低含水和高含水传感器组合测量。实验中采用电容法和阻抗法作为水平井产出剖面含水率的测量方法是可行的,但流动管道角度的变化对含水率的响应有着一定的影响,这种影响可以通过解释校正。在集流测量方式下,流量响应在各个倾斜角度下具有相同的响应规律。模拟实验也发现流量小于50 m3/d以下时,涡轮启动困难、含水率传感器响应受到滞留油的影响而出现异常响应,需要进一步研发新的流量与含水率的测井方法。

[1] 王家宏.中国水平井应用实例分析[M].北京:石油工业出版社,2003.

[2] Oddie G,Shi H,Durlofsky L J,etc.Experimental Study of Two and Three Phase Flows in Large Diameter Inclined Pipes[J].Int J Multiphase Flow,2003, 29:527-558.

[3] 王延军,刘兴斌,胡金海,李 雷,李英伟.阻抗传感器电场分布的仿真及实验研究[J].石油仪器,2007,21 (1):16-18.

[4] 张玉辉,胡金海,刘兴斌.阻抗式含水率传感器优化设计实验研究[J].石油仪器,2002,16(4):5-11.

Experimental Study on Measurements of Flow-rate and Water-cut in Horizontal Pipes

ZHENG Xike,LIU Xingbin,PIAO Yuqin,LI Jun,LI Hongbin,WANG Shuping
(Logging and Testing Services Company,Daqing Oilfield CO.L TD.,Daqing,Heilongjiang 163453,China)

According to the overall technical solution on the horizontal well logging tools,the measurement prototype of flow rate and water-cut is produced.And an interior experiment of the prototype was made.Experiment results analysis proved that the production profile measurements of low-flow wells need flow-concentrating measurements.Under the concentrating flow measurement mode,the flow response to tilt at various angles has the same response rules,e.g., turbine response is not influenced by tilt angle of the pipe;combination sensors adapt able to low water-cut and high water-cut must be used in order to measuring water-cut.Using capacitive and impedance method is feasible,but the angle changes in pipeline flow have a certain impact on the water-cut response,the change of the pipeline tilt angle needs to be considered in the interpretation of water-cut.

horizontal well,flow simulation test,water-cut,flow-rate,flow type,capacitance, impedance

TE151

A

2010-05-26 本文编辑 余 迎)

1004-1338(2010)04-0323-04

项目来源:国家高技术研究发展计划(863计划),水平井产液剖面测试技术,编号2007AA06Z231

郑希科,男,1963年生,高级工程师,博士,从事生产测井科研与管理工作。