一种新型产出剖面三相流组合测井仪的研制

王 杨

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163153)

·开发设计·

一种新型产出剖面三相流组合测井仪的研制

王 杨

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163153)

针对油田三相流问题，研制了一种新型产出剖面三相流组合测井仪，介绍了仪器的总体结构和测量原理，建立了仪器在三相流条件下的持气率和含水率响应曲线。持气率实验表明持气率传感器对油气水中的气体反映敏感，在一定流量范围内持气率响应与标准含气率具有确定的对应关系；含水率实验表明井下产气影响含水率测量结果，三相流含水率测量需要通过持气率测量校正。实验和现场应用证明组合仪一次下井可以完成流量、持气率和含水率的测量，通过综合解释可提高测井资料的准确性，为产出剖面三相流测量提供了新的方法和技术支持。

三相流；含水率；持气率；响应

0 引 言

目前在产出剖面测井过程中，普遍是采用基于电导法原理进行含水率的测量，其仪器持气率传感器对井下流体中油相和气相电学响应趋于相同，没有明显的分辨率，无法准确分辨油相和气相，而随着油田的开发，井下产气井逐年增加，在实际测井中经常会出现流量、含水率测量结果与井口量油、化验含水值偏差较大的现象，出现这种现象往往是常规含水率测井仪误将井下流体中气相判定为油相测量所导致的，因此在产气量较大的井中应用基于电导法的常规含水率测井仪，获得的测井结果就会给油气水三相流流体含水率的解释带来很大困难。光纤传感器对于气液的光学特性敏感，与混合流体电阻率无关[1]，所以采用光纤传感器测量井下流体持气率，并与含水率测量结果结合，通过综合解释校正，就能够更加准确的获得井下流体中油、气、水三相的分布。

1 测量原理

1.1 持气率测量

光纤测量持气率的原理是基于油气水三相流流体中气相与液相对光折射率的不同实现的，油相折射率约为1.5，水相折射率约为1.35，气相折射率约为1.0[2]。光纤探针法测量持气率可以获得较为准确的局部瞬时持气率[3]，光纤探针持气率测量原理如图1所示[4]。利用光纤探针传感器，当光纤探针接触到流体中的气相时，光在光纤探针上产生全反射现象，反射光线返回到传感器接收端并输出高电平，记录高电平输出时间tg，即为气相通过的时间；当光纤探针接触到流体中的液相时，因为介质折射率增大，致使全反射的临界角增大，不满足全反射条件，传感器接收不到反射光线，输出低电平，记录低电平输出时间tt，即为液相通过的时间。实时采集传感器输出脉冲并对其进行统计，测量一定时间内光纤探针中反射光线传输到传感器的次数及脉冲宽度，便可计算出测点截面的持气率值，即：持气率 =tg/(tg+tt)[1-4]。

图1 光纤持气率测量原理

1.2 含水率测量

阻抗式含水率测量方法是传统的含水率测井方法，该方法在大庆油田产出剖面测井中已经被广泛的成功应用。阻抗式含水率测量原理如图2所示[5]。含水率传感器由发射电极和两个测量电极组成，测量电极镶嵌在绝缘内壁上，发射电极向传感器测量段发射一定频率的交变恒定电流，当流体从传感器内流过时，由于测量段电极间阻抗的存在，极间产生电压，油水介质发生改变，根据电学原理，电压幅度与流过传感器流体的电导率成反比，不同的电压对应不同油水混合时的流体阻抗特性，根据介质阻抗特性计算含水率。测量过程中只需要测量传感器在混相液和全水时的频率输出，经过计算及图版对照，即可得到油水两相流流体含水率。

图2 阻抗式含水率测量原理

2 仪器结构

新型产出剖面三相流组合测井仪由电路、流量传感器、光纤传感器、阻抗传感器、集流伞和驱动电机等组成，如图3所示。其中流量传感器位于仪器流道筒上方，通过涡轮叶片转数记录井下流体的体积流量；光纤传感器位于流道下方，通过统计光纤传感器与流体中的气泡接触情况计算持气率；阻抗传感器上下两端分别与流道筒和集流伞短节相连。仪器在井下集流后，流体从进液口流入，依次通过阻抗传感器、光纤探针传感器和流量传感器，从出液口流出。

图3 产出剖面三相流组合测井仪总体结构

3 电路工作原理

仪器采用三芯电缆，含水输入信号经过放大、AC/DC转换、AD转换及整形后变为脉冲信号，流量信号经过比较和整形后一同送入合成和驱动电路，在电缆的一芯上输出正负脉冲信号，其中正脉冲为含水信号，负脉冲为流量信号。持气率测量中，传感器输出的弱电平信号依次经过放大、模拟开关、AD转换器，然后与流量信号一起进入单片机处理，形成曼码，该信号上传到电缆二芯。电缆的另一缆芯为集流伞供电,如图4所示。

图4 产出剖面三相流组合测井仪电路原理

4 技术指标

外径：28 mm；耐温：125℃；耐压：40 MPa；流量测量范围：2～60 m3/d ±3%F.S；含水测量范围：50%～100% ±5%；持气率测量范围：10%～40% ±5%。

5 模拟井实验

5.1 持气率实验

持气率实验选择在高含水油气水三相流条件下进行，实验中油气水总流量调节范围为5～60 m3/d之间，含气量调节范围为10%～40%；流量从10 m3/d开始以10 m3/d的间隔递增；同时选择含水配比为80%、70%、60%和50%四个点做实验记录点，四种不同含水率对应持气率响应曲线如图5所示。选取流量为40 m3/d以下的数据，以流量为横坐标仪器响应为纵坐标，建立光纤探针持气率油气水三相响应曲线，如图6所示。从图5和图6的曲线可以看出随着流量的增大持气率响应单调增加，其中含气0%～20%之间，持气率测量分辨率随气量的增加而增加；含气20%～40%之间，持气率测量分辨率随气量的增加而减小，含气测量上限为40%。

图5 油气水三相持气率响应曲线

图6 油气水三相持气率响应曲线(含气10%～40%)

图7 阻抗式含水油水两相响应曲线

5.2 含水率实验

含水率实验首先选择在油水两相流条件下进行，流体总流量调节范围为3～60 m3/d，含水为50%～100%，绘制阻抗式含水油水两相响应曲线，如图7所示；然后在油水两相流条件下参入气相进行实验，油水总流量调节范围为5～60 m3/d，含水为50%～100%，再分别参入气相流量3 m3/d、5 m3/d、7 m3/d和10 m3/d，绘制阻抗式含水率油气水三相响应曲线，如图8所示。与图7对比从图8可以看出，相对于油水两相流，三相流中的气体是导致阻抗式含水响应曲线整体降低的原因，气量越大含水响应值越低，流量越低含水率分辨能力越低，同理，可得在产出井中产气使阻抗式产出剖面测井仪对含水率测量的分辨能力降低；另外，流量在90%以上高含水的情况下，随着气量的增加分辨率逐渐降低，当气量超过5 m3/d时，仪器对含水率测量基本失去分辨能力。

6 测井实例

X20号井是大庆油田第九采油厂一口抽油机井，井口计量产液量20.5 m3/d，化验含水值77.7%。利用新型产出剖面测井仪测井，实际测得井口油气水总产量为24.39 m3/d，持气率为46.24%，应用图6的油气水三相持气率响应解释图版解释含气率为25%，计算该井产气量为6.09 m3/d，去除产气量油水产量为18.3 m3/d，根据图8的实际产气量选择三相流阻抗含水解释图版进行校正，校正后含水率为80.5%。该井实际外报资料结果为：产量18.3 m3/d、含水率80.5%、含气率25%。

该井第一测点实例：利用阻抗式含水率计测量该井第一测点，测得合层混相值为64.2 Hz ，如图9所示；合层全水值为38.5 Hz ，如图10所示；全水混相比值为0.6，采用图7的油水两相流阻抗含水解释图版，解释该点含水率为66%，与井口化验含水值77.7%差异较大，证明该井明显受到产气的影响，含水率测量偏低；那么采用三相流阻抗含水解释图版进行校正，含水率提高了14.5%达到了80.5%，更接近井口化验含水值。

图8 阻抗式含水率油气水三相响应曲线

图9 阻抗式含水率混相值测量曲线

图10 阻抗式含水率全水值测量曲线

X21号井也是大庆油田第九采油厂一口抽油机井，井口计量产液量5.4 m3/d，化验含水值97%。利用新型产出剖面测井仪测井，实际测得油气水总产量为9.34 m3/d，持气率为4.89%，应用图6的油气水三相持气率响应解释图版解释含气率为5.1%，计算该井产气量为0.47 m3/d，去除产气量油水产量为8.87 m3/d，根据图8a的实际产气量选择三相流阻抗含水解释图版进行校正，校正后含水率为77%。该井实际外报资料结果为：产量8.87 m3/d、含水率77%、含气率5.1%。

图11 阻抗式含水混相值测量曲线

图12 阻抗式含水全水值测量曲线

X21号井测量第一测点合层混相值为114.63 Hz，如图11所示；合层全水值为68.3 Hz ，如图12所示；全水混相比值为0.596，采用图7的油水两相流阻抗含水解释图版，解释该点含水率为70%；采用图8a的三相流阻抗含水解释图版进行校正，含水率提高了7%达到了77%。

7 结 论

1)研制了一种新型产出剖面测井仪器，在保留常规流量、含水等参数测量功能的基础上，新增了持气率参数的测量功能，为进一步解决三相流产出剖面测井打下了良好的基础，在大庆油田未来的开发中有着广泛的应用前景。

2)通过室内模拟实验，获得了三相流流体中持气率与含水率的解释关系图版，从而减小气相对含水率测量结果的影响。在仪器标定过程中，针对三相流流体中不同含气量的情况，建立精准的油气水三相流持气率响应解释图版和油气水三相流阻抗含水率解释图版库，从而通过实际情况，选择对应的含水刻度图版进行解释，可以有效的校正阻抗式含水率测量的精度。

3)现场试验表明，在应用新型产出剖面测井仪器录取的测井资料中，对于三相流流体含水率的解释结果比较两相流的更为准确。

[1] 张向林，陶 果．油气井生产测井中的光纤传感技术[J]．地球物理学进展，2005，20(3)：796-800.

[2]牟海维，王爱双，张 坤，等．油气水三相流产出剖面光纤持气率计的设计与理论研究[J]．科学技术与工程，2012，12(14)：3363-3364．

[3]于莉娜，孔维航，孔令富，等．垂直上升管内多光纤传感器持气率估计算法研究[J]．测井技术，2013，37(5)：476-480．

[4]郭学涛，孔令富，张运生，等．基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪[J]．电子技术，2010，37(2)：68-70．

[5]胡金海，刘兴斌，张玉辉，等．阻抗式含水率计现场应用[J]．测井技术．1999，23(增刊)：511-514.

Development of a Three-phase Flow Combined Logging Instrument with Production Profile

WANG Yang

(DaqingLogging&TestingServicesCompany,Daqing,Heilongjiang163153,China)

For oil three-phase flow problem, a production profile of three-phase flow combination logging tool was developed, and the overall structure and measuring principle of the instrument were introduced. The gas-water ratio response curve was built under the three-phase flow conditions. Gas holdup experiments showed that gas holdup sensor for oil gas water gas sensitive within the scope of certain flow gas holdup response and standard gas rate has determined the relationship; The experimental water content showed that underground gas production effect of water cut measurement, three-phase flow water cut measurement needs through the gas holdup measurement of correction. Experiments and field application proved that the combination instrument can complete the measurement of flow, gas-water ratio in one down. The comprehensive interpretation can improve the accuracy of well logging data, and the instrument provides a new method and technical support for the measurement of three-phase flow output.

three phase flow; water cut; gas holdup; response

王 杨，男，1979年生，工程师，2006年毕业于哈尔滨理工大学计算机科学与技术专业，从事注产出剖面测井技术研究及现场应用推广工作。E-mail：dlts_wangyang@petrochina.com.cn

P631.4+3

A

2096-0077(2017)01-0022-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.005

2016-09-13 编辑：马小芳)