爬行器MaxTRAC及流体扫描成像测井仪FSI解决水平井产出剖面测井问题

曾桃，郑永建，李跃林 （中海石油 （中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江524057）

水平井／大斜度井是海上油气田开发的主要方式，以南海西部文昌油田为例，水平井占开发井总数的一半以上，且大多数井已进入中高含水期，找、控水需求迫切。因此，水平井的动态监测对海上油田的开发和管理至关重要。传统的产出剖面测井技术在应用于水平井时面临较大的困难，主要原因有：①水平多相流流态的复杂性。水平井段的流动以分层流动为主，且油水气之间存在滑脱，尤其是低流量时，井斜对流态的影响强烈①Rob North．Profiling and qualifying complex multiphase flow．Schlumberger Oilfield Review，2004，Autumn：4～13．。而常规流量剖面测井仪器在井筒中居中测量，无法评价复杂的水平分层流动。②水平井井眼轨迹、井身结构较为复杂，常规的工具组合很难在水平井中实现工具串的顺利起下及保证稳定合理的测速。这也造成大批有动态监测需求的水平井无法取得产液剖面资料，极大地限制了油田后期的开发调整。针对以上难题，南海西部文昌油田使用往复卡紧式井下爬行器MaxTRAC及集成了多个涡轮和传感器的流体扫描成像测井仪FSI进行了水平井产出剖面测井作业，并根据测井结果实施了控水措施，取得了较好的效果。

1 关键技术

1．1 仪器传输方式

MaxTRAC井下牵引系统是一种往复卡紧式井下爬行器［1］（图1），适用于井下管柱结构复杂的套管或筛管完井水平井，相对于常规的爬行器，它可以在水平井中实现工具串的顺利起下及保证稳定合理的测速。其主要特点有：

1）能在内径0．061～0．2445m范围的任何尺寸井眼内工作并提供其全部1000lb（1lb＝4．4482N）的驱动力。

2）两个驱动单元交替传动，能提供稳定的爬行速度，因此可以在下行过程中实现边爬边测，测井仪器迎着液流方向移动，仪器本身对流动干扰小，测量数据更精确。

图1 MaxTRAC爬行器驱动单元

1．2 水平井多相流动测量方案

与直井相比，水平井井下流动较为复杂，多相流并不以混合状态存在，而是受井斜和流量等多因素的影响，呈水平层流为主的复杂流态，用于直井的在井筒中居中测量的常规生产测井仪器不能满足其产出剖面测量的需要。

测井仪器组合主要包括基本测量短节 （PBMS）和流体扫描成像测井仪（FSI），可提供压力、温度、自然伽马、磁性定位以及水平井井下分层流速和分层三相持率等数据。

图2 FSI流体扫描成像仪及工作状态示意图

由于重力作用FSI会在井筒中保持垂直，在2个仪器臂及本体上有5个微转子流量计、6个FlowView电阻探针和6个 Ghost 光 学 探 针［2，3］，分别测量水平井分层流动速度剖面及局部的持水率和持气率，所有传感器在相同深度上同时进行测量（图2）。

1）持水率测量 持水率通过电阻探针进行测量 （图3）。探针测量流体的导电率，利用二进制进行数据传输。如果探针接触的是水 （导电介质），则电路短路；如果探针接触的是油或气，则电路断路。根据电路单位时间内接通的时间可计算出持水率 （Yw）＝短路时间／总时间。

2）持气率测量 持气率通过光学探针进行测量 （图4），利用光学原理测量从探针尖端反射回来的光线强度并利用二进制进行数据传输。当探针接触气体时，光线几乎100%反射；当探针接触油或水时，反射回来的光线很弱。根据单位时间内光线强弱反射的时间比即可计算出持气率 （Yg）＝强反射时间／总时间。

3）流速测量 FSI的流量计在流动截面上有5个微转子流量计，利用悬置于流体中的转子在流体的推动下转动，可反映被测流体的瞬时流量和累计流量，从而计算出流速。每个涡轮所测的流速即视为该区域的平均流速。

图3 持水率测量原理示意图

图4 持气率测量原理示意图

1．3 水平井多相流动解释理论

常规居中测量的涡轮流量计测量的仅是管壁中央的流体表观速度vt（图5），但在参与最终的流量计算前，还需通过流速校正因子fv转换为流体平均速度vm，同时需考虑各相间的滑脱速度。由于水平井段多为复杂的分层流动，需要通过复杂的滑脱速度模型和实验解释模板进行间接求解［4］。而FSI集成了多个传感器，直接测量流动截面的多个参数，极大地简化了后期解释的算法和难度，同时提高了解释精度。

图5 常规涡轮流量计测量示意图

图6 多涡轮流量计流速计算示意图

1）流速计算 如图6所示，按涡轮的数量和分布方式将水平流动截面在垂向上分为i个区域，每个测井速度下区域i的流速vi为：

式中：vi为区域i范围内的平均流速，m／min；Rrps，i为每个测井速度下第i个转子的响应，r／s；vx为转子速度的门限值，m／min；vl为测井速度，m／min；Si为通过转子校正后获得第i个转子的斜率，（r／s）／ （m／min）。则整个水平流动截面的平均流速为：

式中：vm为整个截面的平均流速，m／min；Ai为区域i的面积，m2。Ai可由管柱内径及涡轮的数量和分布方式得出。

2）持率计算 假定各相流体的持率在区域i中各自处处相等，则：

式中：Yp为油相、水相或气相的持率，1；Yp（i）为区域i内的各相持率，1。区域i内的持水率Yw（i）和持气率Yg（i）由区域i内的电阻探针和光学探针直接测量，持油率Yo（i）＝1－Yw（i）－Yg（i）。

3）流量计算 假定在区域i内的各相流体间不存在滑脱效应，即同一区域内各相速度处处相等，则：

式中：qp为油相、水相或气相在工况下的流量，m3／d。通过PVT（压力、体积、温度）转换即可求得对应地面条件下的产量。

由于FSI有5个在垂向上均匀分布的涡轮，因此i＝1，2，3，4，5；相应的Ai可由管柱内径和仪器几何尺寸求得。

2 应用实例

A井为珠江口盆地文昌油田新近系珠江组的一口开发水平井，造斜点460m，完钻斜深2676m，水平段长721m，采用5in（1in＝0．0254m）优质筛管完井，泵抽生产，生产测井前产液250m3／d，含水率68%。

2．1 现场作业

完成前期准备工作后，该井进行了产出剖面测井作业，MaxTRAC在进入防砂管柱前通电工作，顺利跨越防砂封隔器台阶并牵引测试工具串，完成了整个水平井段的测量，获得了一下一上两趟测量数据及12个点测数据，质量良好。测试过程中地面设备可实时回放地下流动状况（图7）。

2．2 资料解释

图7 A井水平井段分层流动状态示意图

使用生产测井解释软件Emeraude进行了定量解释。A井在井下不脱气，为油水两相流动，从井斜－持率剖面上可看出水平井井下流动状态受井斜的影响很大。根据FSI测量结果并结合裸眼井解释结果划分了4个产液层段：水平井趾端的3、4号产层为主要的产出段，产液量占全井段的85．9%，产水量占全井段的95．5%；1、2号产层由于物性相对较差，在生产压差不足0．1MPa的情况下，产液比例仅占全井段的14．1%（表1）。

表1 A井水平井段分段产出比例（地面产量）

2．3 措施验证

通过生产测井了解产液剖面后，A井进行了控水作业。通过下入分采管柱并封堵3、4号产层段后，该井含水率持续降至3．6%并保持了30余天，初期日增油约80m3／d（图8）。控水后的生产情况与生产测井解释结果基本一致，验证了产出剖面测井的准确性。

图8 A井控水作业后生产曲线图

3 结论

1）往复卡紧式井下爬行器MaxTRAC作业效率高、适应能力强，可应用于井下管柱结构复杂的水平井生产测井作业。

2）流体扫描成像测井仪FSI通过集成的多个涡轮和传感器同时测量水平井流动截面上不同深度的流速及各相持率，解决了居中测量的常规测井仪器在水平井或斜井中出现性能指标下降及响应结果产生纵向片面性等问题。同时，不同传感器测量得出的同一水平井流动截面的不同目标参数，极大地简化了水平井产出剖面测井解释的算法和难度，同时提高了解释精度。

［1］郭宏志，李冬梅 ．Flagship在中高含水期水平井中的应用研究［J］．西南石油大学学报（自然科学版），2009，（2）：107～110．

［2］TallalT S M，AI Abdullatif M M，Zeybek M，et al．Identification of water entry with new integrated production logging tool in challenging horizontal wells［R］．Doha Qatar，2005．

［3］Ricardo U Oosthuizen，Ahmed AI Naqi，Khalaf AI－Anzi，et al．Horizontal－well－production logging experience in heavyoil environment with sand screen：a case from Kuwait［J］．SPE105327，2007．

［4］郭海敏，刘军锋，戴家才，等 ．水平井产出剖面解释模型及图版［J］．中国科学（D辑：地球科学），2008，38（S2）：146～150．