超声波多普勒三相流测井仪在产出剖面测井中的应用

2020-11-05庞慧锋

石油管材与仪器 2020年5期

庞慧锋

(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)

0 引言

随着油田开发的不断深入，开发工作者急需通过产出剖面测井资料了解井的油、气、水产出状况，以便及时编制油田开发调整方案，提高油田采收率。为解决油、气、水三相流问题，国内外科研工作者先后研发了一系列产出剖面测井技术，但测总流量都离不开涡轮流量计，忽略了涡轮只对于单相流体测量适用。若流体内存在油、气、水三相，因为油对水存在滑脱速度，气对流体也存在滑脱速度，而且气的滑脱速度更大，所以涡轮测量的油水、气水、油气水总流量不够准确。此外用集流伞和涡轮配合，在求取中心流速(量)时，由于集流伞的使用，改变了生产压差，不仅影响了流态，而且导致流量不准，中心流量换成全井筒流量也存在误差[1-2]。为了解决多相流测井难题，科研工作者研发了超声波多普勒三相流测井技术。该技术的优势在于对油水、气水两相以及油气水三相流动均可应用，且仪器不安装可动部件流量计，不受砂卡等井下复杂因素的影响，尤其是在脱气油井中对于气相的产出有很好的分辨能力。目前仪器已经应用于油田开发，能够准确地反映油、气、水流量信息。但是油田对于该仪器的认知度还不够高，为更好满足油田开发需要，确保为油气田开发提供准确的动态监测资料，有必要对超声波多普勒三相流测井仪在产出剖面测井方面的适用性进行系统评价。

1 仪器简介

1.1 理论基础

超声波是频率高于20 kHz的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中的传播距离远[3]。

当声源和观察者之间有相对运动时,观察者所感受到的声波频率将不同于声源所发出的频率，这一现象称为多普勒效应。超声波多普勒三相流测井就是利用多普勒效应这一原理而开发的。分别将超声波的探头放置在待测流体管道的两侧，一个发射连续的超声波信号，另外一个接收，当流体中存在悬浮粒子时，接收的超声波信号由于多普勒效应，其频率与发射的超声波信号会存在一个频率差，根据此频率差通过一系列分析处理即可计算出流体的流速[4-5]。图1为多普勒测量装置的简化模型图。

如图1示，当超声波束在管轴线上遇到一颗固体粒子，该粒子以速度v沿管轴线运动。接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之间的频率差，即多普勒频移Δf为：

(1)

式(1)中，f1为发射超声波的频率，Hz；f2为接收器收到的超声波频率，Hz；c为声波在管道介质中的传播速度，m/h；α为超声波的入射角，(°)；v为目标体的运动速度，m/h。

由于超声波的速度远大于流体流速，所以式(1)可写成：

(2)

由式(2)可得流体流速为：

(3)

(4)

式(4)中：A为被测管道流通截面积，m2；V为管道中流体的体积流量，m3/d。由以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流成正比，由此可见测量频移Δf就可以得到流体流量[6-8]。

1.2 测量原理

生产井中流体在多相流动条件下，油和气在套管内的水中为泡状流时，油泡和气泡相对于水向上流动，油、气、水相互之间有滑脱速度。测井时三相流量计位于套管中央，正对着待测流体，如图2所示。发射器为固定声源，随流体一起运动的气泡和油泡起了与声源有相对运动的“观察者”作用，当超声波发射器所发射的固定频率超声波入射到这些泡体上时，经泡体反射到接收器上的超声波频率就会与发射频率有一个差值，这个频率差值就是由于流体中泡体运动而产生的多普勒频移，这个频移量与流速是成正比的。由于气相反射信号与油相反射信号处于不同的频带，通过频带划分，可以将油相和气相加以分离。

图2 井下测量原理

1.3 解释原理

图3为现场采集的一个测点的原始数据，横坐标为数据个数，纵坐标为接收器测得的频率值(Hz)，从图上很难看出频移量与流体流量之间的规律。为了揭示信号内涵，找出二者之间的规律，需对原始数据进行深入分析处理。功率谱分析在随机信号处理中有着极其广泛的应用，是平稳随机过程在频域描述各频率成份分布情况最适用的方法，反映信号的许多重要特征，可以利用信号功率谱的谱特征进行目标的识别和分类。而超声波多普勒信号在一定时间段内可以看成一种广义平稳信号，可以利用功率谱分析。经典的功率谱估计都是以离散傅里叶变换(DFT)作为基础，采用快速傅里叶变换(FFT)快速算法。本系统就是直接用FFT实现对功率谱的求取，并辅以数字滤波技术，有效地解决了原始数据深入处理问题。图4为实验室模拟实际测得的油气水三相功率谱图，从图上可以看出含水量一定时，油相能量主要集中在100～500 Hz部分，中心频率约300 Hz，功率谱的幅度随产气量增大而增大、中心频率随产气量增大而逐渐右移；可见功率谱谱线的频移量及幅度与油、气的含量存在一定的规律。上述仅是定性的说明。

图3 现场采集的一个测点数据

图4 室内油气水三相功率谱

为了充分挖掘功率谱反映油、气、水信息的规律，分别求取了功率谱位置特征、散布特征、形态特征等多个特征参数。研究所有参数对各相流量的敏感程度，优选出与流量变化明显且规律性强的参数作为后续各相流量的预测参数。利用内置的实验数据作为训练样本，将之前保存的特征参数作为预测参数，利用支持向量机的算法进行计算，最终给出各相分量结果。方法的核心思想就是运用容易检测到的过程量(辅助变量)，通过数学模型运算得到难以直接测量的主导变量估计值[9]。从而实现油、气、水信息的量化。

1.4 仪器结构及指标

超声波多普勒三相流测井仪主要由遥测短节、温度压力测井仪、多相流测井仪、磁性定位仪、电动扶正器等5部分组成。配套提供遥测、磁性定位、温度、压力、伽马以及电动扶正等功能。外径Φ28 mm，气相流量测量范围为1～20 m3/d(井下状态)，油相流量测量范围为1～15 m3/d，水相流量测量范围为1～60 m3/d，耐温125 ℃，耐压40 MPa。

1.5 仪器特点

由原理及结构可知该仪器必须在两相流体及以上的井中测井(即存在速度差)；无可动部件流量计，不受砂卡影响，直接测量分相流量，有利于提高测井成功率；既能测油水、气水两相流，也能测油、气、水三相流；采集速度快，每个测点在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[10]。

2 在产出剖面测井中的应用

2.1 在油水两相井中的应用

A井为一口产出井，为了解该井各层产出状况，对该井进行了超声波多普勒三相流测井。该井共有4个射孔层，为了验证仪器可靠性，实施了下放和上提2种模式测井。测井功率图谱结果如图5和图6所示。由图可见2种测井结果具有很好的一致性。从功率图谱结果可见该井不产气，属于油水两相产出井。根据此结果解释分析了该井，结果见表1。由表1可知该井日产油2.1 m3/d，含水93.1%，与采油厂计量结果基本一致。

图5 A井上提测井功率图谱

图6 A井下放测井功率图谱

表1 A井解释结果

2.2 在油气水三相井中的应用

B井是一口脱气产出井，该井共有4个射孔层。测井功率图谱结果如图7所示。从功率图谱结果可见该脱气井属于油气水三相井，且由图可见该井第一层为主产层，一、二两层为脱气层，三、四两层不产气。由此本井解释分析结果见表2。由表2可知该井产液25.1 m3/d，产气16.9 m3/d，含水96.0%。与采油厂落实此结果，二者基本一致。

图7 B井测井功率图谱

表2 B井解释结果

2.3 在气水两相井中的应用

C井为一口产气井，为进一步评价落实本区含气性及产能特征，并为后期编写方案提供依据，根据地质要求对本井进行产气剖面测井作业。为了准确评价该井，决定采用生产测井组合仪与超声波多普勒2种测井方式，并分析对比2种方式测井结果。表3为生产测井组合仪测井结果。由表3知，该井总产气量约为3 300 m3/d；总产水量约为32.5 m3/d。主要产气层段为第一层，主要产水层段也为第一层，次产气层为第三层,第六层不产液。

表3 C井PLT解释结果

图8为超声波多普勒测井功率图谱。从功率图谱结果可见该井一、三层为主产气层，第六层不产气，具体结果见表4。由表4可知：该井总产气量约为3 262 m3/d；总产水量约为32.2 m3/d。该井第一层为主产气层，同时也是主产水层，第三层为次产气层，第六层不产气，可见二者有很好的一致性。与采油厂落实此结果，所测结果与井口计量产气量基本一致。

图8 C井测井功率图谱

表4 C井超声多普勒测井解释结果

2.4 在厚层细分中的应用

D井是一口生产井，为进一步评价该井产能，对该井进行了超声波多普勒三相流测井，测井图谱如图9所示，解释结果见表5。由图谱及解释结果可见该井主产层为第六层。第六层为5.4 m厚层，为了进一步落实该层产出情况，对该层进行了细分测井，测井间隔1 m左右。测井结果如图10所示，解释结果见表6。从细分测井结果可知该主产层最下部1 m左右不产液，距下部2 m左右为主产段。为地质人员进一步采取措施提供了依据。