持水率测量结果影响因素试验与分析

2015-12-01王春圣姜文芝谢景平中石化胜利石油工程有限公司测井公司山东东营257200

长江大学学报(自科版) 2015年20期

王春圣，姜文芝，谢景平（中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东东营 257200）

产出剖面测井是生产测井中最直接反映油井生产情况的测井方法。持水率和流量的测量是产出剖面测井中关键的2个测量参数。其中，流量可以直接反映油井产液量大小。试验和生产中发现，通常难以通过持水率得到较为准确的含水率［1］。因为持水率不仅与含水率有关，还受流速、油气分布状态、测量仪器类型、井斜、计算方法和管径大小等因素的影响。其中管径大小影响着流体的流速、流型、油水的分布状态，与持水率大小密切相关。同一影响因素对直井和水平井影响程度也不一样［2］。因此，要通过持水率得到可靠的含水率参数，必须考虑上述影响因素，且只有通过试验观察、分析及剖析仪器测量原理才能得到很好的解释。

1 直井中持水率影响因素试验与分析

1.1 流量

在垂直井中，由于油的流速永远大于水的流速，持水率总是大于含水率。流量越小，油水间滑脱速度差别越大时，持水率要远远小于含水率；流量越大，油水间滑脱速度差别越小时，持水率越接近含水率。图1是在直径120mm管中通过试验得到的持水率、含水率及流量间的关系，可见，在流量为1m3／d的极小流量条件下，含水率在0%～100%间改变时，井内持水率几乎稳定在0.99～1；在流量为10m3／d条件下，含水率在0%～100%间改变时，井内持水率变化为0.92～1；随着流量增加，不同含水率时的持水率曲线逐渐分开。因此，流量越低，持水率与含水率之间的相关性越差，测量的持水率越不能反映含水率；随着流量增大，持水率与含水率逐渐呈比例关系，流量越大，相关性越好。

图1 持水率－流量－含水率关系（∅5.5in套管）

1.2 管径大小

在流量和含水率不变的条件下，只改变管径大小即改变流速大小，持水率随之会发生变化。因为当管径大小改变时，对应流体的流动速度随之改变。相同流量条件下，管径大时流体在其中的流速小，管径小时流体在其中的流速增大。当油流速太小，不能携带管内原有的水时（底水永远存在），会导致测得的持水率显示为高含水（图2）。随着管径变小或油的流速增大，水被流动油带走，此时管内持水率减小。因此，在小流量条件下，采用集流的测井方法能提高持水率的测量精度。

图2 持水率与管径大小的关系

2 水平井中持水率影响因素试验与分析

通常水平井的井斜角不可能正好为90°，为了便于叙述油水在水平井中的流动状态，定义水平流（井斜角为90°）、上坡流（井斜角小于90°）、下坡流（井斜角大于90°）。通过在直径120mm管中试验总结得到水平井中油水流动规律。在水平流中，油水流动主要是以分层流动为主，随着流量增加，油与水界面由清晰稳定到逐渐产生波动。当流量小于200m3／d时，水平流、上坡流的油水界面清晰、平稳；当流量大于200m3／d时，界面波动逐渐模糊，上油下水，中间有“油包水”或“水包油”过渡区域；下坡流的油水界面在小流量下就产生波动，随着流量增加，波动加剧，上油下水，中间区域是“紊流”。

2.1 流量

在水平井中持水率与含水率接近（油水速度差别不大）。低流量下持水率向0.5趋进，随着流量增加，持水率与含水率逐渐接近（图3）。

2.2 井斜角

当水平井井斜角非90°时，中低流量条件下，持水率主要受井斜影响。上坡流情况下，油的流动速度远远大于水的流动速度，持水率远远大于含水率；下坡流情况相反，油的流动速度远远小于水的流动速度，持水率远远小于含水率，此时含水率与持水率基本没有相关性。持水率在井斜角90°附近发生突变（图4）。随着流量增大，油水间的滑脱速度减小，此时持水率能较好反映含水率（图5）。

图3 水平井持水率－流量－含水率关系

3 油水分布状态对持水率测量影响的试验与分析

目前，现场持水率测量仪器中使用最广泛的是电容持水率传感器［3］（探头），以此为例进行分析。

3.1 油水分离状态

电容探头取样室内油水呈分离状态或油气水单相流体，电容量与油水体积之间有确定的线性函数关系，且持水率不受水矿化度的影响，见表1。

由此可得持水率与电容间的线性函数关系为：

式中：C为电容，pF；Yw为持水率，1。

图4 30m3／d流量下持水率－含水率－井斜角关系

图5 300m3／d流量下持水率－含水率－井斜角关系

3.2 油水混合流动

1）高持水率（大于0.5，水是连通相）。油水混合流动状态下，高持水率表现为水包油。在水是连通的高持水率下，油滴被水包围，随着乳化程度不同，油滴平均直径为5～0.01mm范围。这些油滴接触到探针表面（粘附－电路隔离），在电路上相当于探针的结缘膜局部增厚，会引起探头电容的变化。没有粘附到探针表面的其他自由流动的油滴，对电容没有影响，即电容仅仅探测与它接触的油滴。此时，探头电容测量值主要与油滴大小相关，油滴大油水分辨高，油滴小油水分辨低，测量电容值与持水率没有确定的函数关系，见表2。

2）低持水率（小于0.35，油是连通相）。油水混合流动状态下，低持水率表现为油包水的流动状态，此时电容测量符合下列公式［4，5］：

式中：H为电容器高度，m；ε0为真空介电常数，F／m；εmem为绝缘膜的相对介电常数，1；εmed为介质相对介电常数，1；Rmem为绝缘膜的半径，mm；r为中心电极半径，mm；Rs为电容器外电极（壳）半径，mm。

3）过渡区域（持水率0.35～0.50）。时间上和空间上都有油水互为连通相的局部区域，电容变化幅度大，持水率也会随油水间存在状态的变化而变化。

4 持水率计算方法影响与分析

水平井通常采用多个探头测量持水率，如Sondex的阵列电容持水率计是通过沿井周排列的12个探头测量井筒内对应的12个持水率数值。常规情况下，在水平井中油水可以认为是分层流动的，有较为清晰的油水界面，测量探头不是在油中，就是在水中，或者在油水界面上，每个探头测量的持水率与所探测的油水具有线性函数关系。要计算井内某个截面上的总持水率，要根据12个探头对应的测量值进行计算得到。目前，国内已有的算法有平均值法，即直接把12个探头测量结果相加后除以12，得到平均值，即是井筒的持水率解释结果；探头权值法（测井技术），解释持水率（持油率）时，根据每个探头对总持水率的贡献大小赋予一定权值，计算井筒持水率，该方法计算的持水率的精度比平均值法有所提高但误差还是很大。中石化胜利石油工程有限公司测井公司通过阵列探头测量持水率的原理，提出了界面追踪法和高斯插值法。上述2个计算持水率新方法的计算依据是水平井内分层流动的油水分界面高度可以准确反映持水率的真实信息，通过计算油水界面高度就可以准确地计算出井内持水率。当油水界面处在任何一个探头的6mm测量范围内时，都可以计算得到这个油水界面高度，反之则采用高斯插值法得到油水界面高度。