超声波-多普勒三相流测井及其在青海油田的应用

2016-05-07张洪邱金权王青川甘常建刘彦鑫周峰

测井技术 2016年4期

张洪, 邱金权, 王青川, 甘常建, 刘彦鑫, 周峰

(青海油田测试公司, 青海茫崖 816499)

0 引言

产出剖面测井技术作为分析油层动用状况所必须的手段之一,为油田动用状况监测、制定各种措施提供了依据,在油田高效开发中发挥着重要作用。青海油田存在2个方面的油、气、水三相流,一是开发新区为油气同产油藏;二是老油藏已处于开发中后期,油井井筒内流压低于饱和压力,普遍存在着脱气现象,造成井内出现油、气、水三相流动,使井筒内流型复杂多变,大大增加了其测井和解释的困难和复杂程度。

从20世纪70年代开始,大庆油田与吉林大学最早合作提出了用于自喷井中的集流型放射性低能源测量油、气、水三相流流量方法[1];随着大量油井转抽,大庆油田在原来三相流测井技术基础上又研制了皮球及伞集流型环空三相流测井仪[2]。环空三相流产出剖面测井加入了放射性密度计的遥测三相流产出剖面组合测井仪[3],该仪器用涡轮流量计测量体积流量,用109Cd放射源发射的88 keV的γ射线和22 keV的X射线测量三相平均密度和持水率;大庆油田研制的分离式低产液三相流测井仪主要是根据各相的密度不同,对油、气、水三相进行了分离,首次实现了分相流量测量[4],但缺点是要求气量相对较小;长江大学开展了光学法测量井下多相流中气相流量的方法研究,采用光学多普勒-反射波法,利用光学多普勒效应测量流体中气相的流速,利用反射光波强度测量持气率[5]。

青海油田针对油田动态监测需求,科学调研,加强外部技术单位合作,现场开展了超声波-多普勒实验研究。其原理是利用超声波多普勒效应及油、气、水声阻抗的差异,油、气、水反射的超声波产生频移,且正比于相对运动速度,从而求得油、气、水流速。由于其反射波能量正比于持油率、持气率和持水率,从而可以直接求得各层油、气、水量。通过现场16井次的应用,基本上解决了青海油田油、气、水三相流测井难题。

1 测量原理

超声传感器的基本原理是利用运动物体(油泡、气泡)反射和散射超声波信号的多普勒频域效应监测其运动速度(见图1),通过超声探头发射高频超声信号,该信号在油、气、水三相流中传播,遇到油泡、气泡后,会形成多普勒散射,使用传感器接收多普勒散射信号;对多普勒散射信号作频域分析,可直接得到油泡、气泡的运动速度及等效横截面积以及水的流速,通过运动速度及横截面积,即可求得各相流量[6]。

图1 超声传感器原理图

1.1 油泡、气泡流速的测量

油泡、气泡流速的测量根据多普勒效应实现。设v为被测物体(油泡、气泡)的运动速度,v0为声波的传播速度,f为多普勒测速仪所发射的声波频率,在油井内发射超声波遇到油泡、气泡时,会在泡的界面产生反射或散射,这个散射波可视为新的波源,在散射产生的短暂时间内可视为其与上升的井筒液体一起运动的波源,则散射时产生多普勒效应而发生频移的声波频率为f″。经理论和实践研究推导[7]

(1)

(2)

1.2 仪器结构及性能指标

1.2.1 仪器结构及性能指标

仪器主要由6部分组成(见图2):导锥(便于仪器下井)、过滤器、传感头(为仪器的核心部位,在多相流测试中能有效排除干扰并保持信号强度)、密封圈、接头及电路支架。性能指标见表1。

图2 超声波传感器结构示意图

耐压/MPa耐温/℃传输方式仪器尺寸/mm电缆接口供电仪器串长度/m0～600～150曼码传输直径26或38;长度800单芯或多芯电缆DC+30V(带高压关断功能)4.6(不含加重杆)

1.2.2 仪器特点

采集速度快,每个测试点在3 min左右完成;非集流方式,不影响井下流压,不受地层水矿化度和流体性质的影响,测试结果更真实;直接测量分相流量,不用涡轮测总流量,科学、高效,有利于提高测试成功率;配套提供遥测、磁定位、温度、压力、伽马以及电动扶正器等;既能测油水、气水两相流,也能测油、气、水三相流。

2 模拟试验及数据分析修正

以空气、柴油和水作为实验介质,在三相流模拟装置中进行试验,获取了理想的超声波多普勒频谱,并首次见到了油和气的2个峰,为实现油、气、水定量解释提供了有效支撑。

2.1 室内试验

2.1.1 固定水量变油量或气量的频谱图

在实验室,固定水量作了典型的油水两相流、气水两相流、油气水三相流的测试曲线。通过对超声波信号进行处理后得到3幅功率谱曲线图(见图3至图5)。

功率谱曲线的幅度反映超声反射信号的强弱,其反映套管横截面上油泡或气泡多少。中心频率反映了油泡或气泡运动速度,运动速度越高,中心频率越高,曲线越靠右。由于气的滑脱速度大于油的滑脱速度,所以气水两相流的中心频率比油水两相流的中心频率要高。功率谱的曲线频率是区分油气信号的依据,气的频率高,油的频率低。功率谱的曲线幅度是计算油量、气量的依据,幅度高,油量或气量大,幅度低,油量或气量小。

图3为油水两相流的功率谱曲线,固定水(12 m3/d)的情况下,曲线的幅度随着油量(1.02～8.35 m3/d)的增加而增加;在水量不变的情况下,油量越大,反射信号越强。图4为气水两相流的功率谱曲线,在固定水(12 m3/d)的情况下,曲线的幅度随着气量(2.6～13 m3/d)的增加而增加;在水量不变的情况下,气量越大,反射信号越强。图5为油气水三相流的功率谱曲线。在固定气(5.4 m3/d)、水(12 m3/d),改变油量(1.02～8.35 m3/d)的情况下,可以看出三相流的曲线是油水、气水两相流曲线的叠加。在三相流流动情况下,流动情况变得更为复杂,显示为气区中心频率不稳。

图3 油水两相流的功率谱曲线

图4 气水两相流的功率谱曲线

图5 油气水三相流的功率谱曲线

2.1.2 固定油量或气量变水量的频谱图

在实验室,固定油量或气量作了油水两相流、气水两相流的测试曲线。通过对超声波信号进行处理后得到2幅功率谱曲线图。

图6为固定油量变水量的功率谱曲线图。每1条曲线的油量固定,均为4.64 m3/d(常温常压),水量从上到下依次为4.8、12.0、26.4、36.0 m3/d,即红线表示日产油4.64 m3、日产水4.8 m3时的功率谱曲线,绿蓝黑曲线以此类推。由图6可见,从红到黑(从上到下),水量逐渐增大时,频率曲线的幅度逐渐减小、中心频率(幅度最大值对应的频率)逐渐增大。

图7为固定气量变水量的功率谱曲线图,每1条曲线的气量固定,均为2.16 m3/d(常温常压),水量从上到下依次为4.8、16.8、26.4、36.0 m3/d,即红线表示日产气2.16 m3、日产水4.8 m3时的功率谱曲线,绿蓝黑曲线以此类推。由图7可见,从红到黑(从上到下),水量逐渐增大时,频率曲线的幅度逐渐减小、中心频率(幅度最大值对应的频率)逐渐增大。

图6 固定油量(4.64 m3/d)变水量的频谱曲线

图7 固定气量(2.16 m3/d)变水量的频谱曲线

水相流量测量通过对多普勒散射信号频域分析得到水的流速计算得到,随着水量增加,流动速度将变大,频谱曲线的中心频率增加,幅度下降,频谱曲线积分面积减小,存在函数关系。

2.2 数据分析处理

研究了油、气、水与频谱图的关系,运用神经网络对测试结果进行处理,处理结果见图8至图10。

神经网络模型样本。油水两相:油量范围为1～14 m3/d,水量范围为2.5～36 m3/d。气水两相:气量范围为1～24 m3/d,水量范围为2.4～36 m3/d。油气水三相:油量范围为1～14 m3/d,水量范围为3～32 m3/d,气量范围为1.44～9.6 m3/d。

输入特征量:功率谱曲线(功率谱曲线的幅度反映超声反射信号的强弱,其反映套管横截面上油泡或气泡多少;中心频率反映了油泡或气泡运动速度,运动速度越高,中心频率越高,曲线越靠右。)

模型预测输出量:油量、气量和水量。

训练集:多组不同油量、水量或气量下的功率谱曲线和对应的油量、水量或气量数据。

预测集:需预测油气水量的功率谱曲线。

神经网络模型算法:广义回归神经网络(Matlab工具中的newgrnn函数)。

神经网络结构:输入层、隐藏层、输出层。

利用多组不同油量、水量或气量的功率谱曲线和它们对应的油量、水量或气量数据进行网络训练,训练好网络后,再输入需要预测的功率谱曲线,计算其油量、水量或气量。

图8 油水两相流神经网络处理曲线图(油量1～14 m3/d;水量2.5～36 m3/d)

图9 气水两相流神经网络处理曲线图(气量1～24 m3/d;水量2.4～36 m3/d)

图10 油气水三相流神经网络处理曲线图(油量1～14 m3/d;气量1.44～9.6 m3/d;水量3～32 m3/d)

用神经网络处理结果统计计算室内仪器标定精度。油水两相流标定平均误差:油<10%、水<15%。气水两相流标定平均误差:气<10%、水<15%。三相流标定平均误差:油<10%、气<10%、水<15%(见表2)。

2.3 数据修正

测井仪器实验室标定条件与井下测井的工况条件不同,加之油水物理性质不同,需要把井下测试的总流量功率谱曲线幅度和中心频率修正到同流量的标定条件进行解释。其修正系数为

幅度修正系数KA=A实测/A标定

(2)

中心频率修正系数Kf=f实测/f标定

(3)

所有测点的功率谱曲线幅度和中心频率乘以修正系数,通过解释模型可以得到每个测点的油、气、水流量。图11为不同油量下幅度和中心频率随水量的变化模拟图。由11图可见,单看1条曲线,油量一定时,幅度随水量增大逐渐减小、中心频率随水量增大逐渐增大;同时看所有曲线且从小往上看,水量一定时,幅度随油量增大逐渐增大、中心频率随油量增大逐渐减小。

表2 仪器主要技术指标表

图11 不同油量下功率谱曲线幅度及中心频率变化图

3 现场应用

3.1 油、气、水同产井应用(产气量较高)

英东油田纵向油、气、水层间互存在,产出均为油、气、水三相同出。×井为1口抽油机井,2015年6月17日进行超声波三相流产出剖面测井,测前日产液13.63 m3,含水1.0%,产气3 000 m3。从功率谱曲线图及测井解释成果图上可以看出(见图12至图13),该井在高频段均有幅度,说明该井有油气产出,第1、2、3、4、5测点的幅度值在高低频率段都依次减小,说明其测点对应的层位均有油气产出;从曲线的积分面积上看,其第2、5测点对应的层位为油气主要产层;从曲线的中心频率上看,第1、2、3、4、5测点曲线的中心频率无明显变化,说明其对应层位无水产出;第6测点在全部产层以下,曲线归零。

该井2014年5月7日采用集流伞六参数测井,解释结果与超声波三相流结果进行对比(见表3),集流伞测井方法存在一定缺陷,①不能定量解释各小层的产气状况。超声波三相流测井解释Ⅻ-4+5、Ⅻ-4+5、Ⅻ-6+7、Ⅻ-8、Ⅻ-9小层均产气。②由于产层段存在积液,受其影响,采用集流伞电容式持水率解释含水偏高,其中Ⅻ-9小层含水率为82.51%,与实际不符。超声波三相流测井解释Ⅻ-9小层产水,且含水率为3.9%,与实际情况相符。

图12 ×井点测频率曲线图横坐标f=300;纵坐标A=10;1,2,3,4,5,6代表6个点测点深度,下同

图13 ×井测井解释成果图

集流式测井(2014-05-07)超声波三相流测井(2015-06-17)序号解释层位产油量/(m3·d-1)产水量/(m3·d-1)总产液量/(m3·d-1)含水率/%备注产油量/(m3·d-1)产水量/(m3·d-1)总产液量/(m3·d-1)含水率/%脱气量/%备注1Ⅻ-4+56.300.006.300.000.900.000.900.006.54次产2Ⅻ-4+510.40.0010.400.006.410.006.410.0037.59主产3Ⅻ-6+72.200.002.200.00产气1.540.001.540.008.65次产4Ⅻ-84.900.305.205.77实际计算1.160.001.160.006.29次产5Ⅻ-90.532.503.0382.51实际计算3.480.143.623.9040.93主产合计24.330.3024.631.22地面计量13.490.1413.631.00100.0

3.2 井筒脱气井应用

南翼山油田为低孔隙度低渗透率油藏,目前处于开发中后期,大部分油井的流压低于饱和压力,普遍存在着脱气现象,造成了井内出现油、气、水三相流动。××井为1口抽油机井,2015年6月19日进行超声波三相流产出剖面测井,测前日产液4.2 m3,含水55.0%,井口气量较大。从功率谱曲线上可以看出(见图14),第1、2、3层位对应的曲线幅度和中心频率依次降低,说明其对应的层位均有油气产出;第4层位上下测点曲线基本重合,说明无油气产出;从曲线的积分面积上看,第5产层为主要产层。

该井2014年11月9日采用集流伞六参数测井,从对比解释结果(见表4)看,超声波三相流测井解释Ⅲ-58、Ⅳ-4、Ⅳ-5、Ⅳ-14+15小层均脱气;Ⅳ-4小层集流测井解释为纯油,超声波三相流测井有脱气显示,含水率为32.6%,解释结果更接近生产实际。

表4 ××井解释结论对比表

图14 ××井点测频率曲线图

3.3 地层出砂井应用

跃进二号油田油藏埋藏浅,压实程度浅,胶结物含量高,黏土矿物多,地层疏松,岩石胶结强度低,出砂现象严重。采用集流式产出剖面测井,往往出现涡轮砂卡,成功率较低。×××井为1口抽油机井,2012年10月4日进行集流式产出剖面测井,因为井底出砂严重,点测时涡轮砂卡,测井未成功。2012年10月16日采用超声波三相流测井仪测井成功,取得了合格资料。