光纤探针阻抗传感器涡轮组合测井仪三相流解释方法

胡金海,黄春辉,刘晓磊,杜佳楠,宋纯高,李屹威

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163453)

0 引 言

高含水开发后期,油井内流压降低,井下普遍存在产气、脱气现象,因此,油井井下油气水三相流现象普遍存在。对于垂直井油水两相流,已有成熟的产液剖面测量技术及解释方法。阻抗式产液剖面测井仪[1-3]采用阻抗传感器测量含水率,在水为连续相时对含水率的变化响应灵敏,具有很好的重复性、一致性,能提供可靠的含水率信息。涡轮流量计具有精度高、量程宽、重复性能好等优点[4],已广泛应用于井下油水两相流流量测量,并取得了良好的应用效果[5-7]。但在油气水三相流中,由于气液之间密度差异大,受气体滑脱等因素的影响,已不能进行含水率和流量的准确测量,需要引入气相流量参数,对流量和含水率进行校正。

图1 光纤探针-阻抗传感器-涡轮流量计组合测井仪结构示意图

早期采用集流式流量计和放射性密度计组合测量三相流。金宁德等[8-9]基于集流型涡轮流量计、放射性密度计、持水率计组合仪在油气水三相流流动装置中的动态试验结果,建立了三相流涡轮流量计统计测量模型。由于放射性密度计早已停用,大庆油田测试分公司陆续研发了低产液三相流测井仪[10]、光纤持气率计[11]等仪器。低产液三相流测井仪流量低于20 m3/d,应用范围受限;光纤持气率计局限于对气相响应规律的研究,没有和流量、含水率参数有机结合。

大庆油田测试分公司通过近几年的理论和实验研究,将光纤探针、阻抗传感器和涡轮流量计有机组合,形成组合测井仪。通过在多相流模拟实验装置上油气水三相流中的实验,获得了光纤探针、涡轮流量计以及阻抗传感器在油气水三相流下的响应图版,通过图版插值法建立油气水三相流解释方法。

1 仪器结构及实验方案

1.1 仪器结构

图1为光纤探针-阻抗传感器-涡轮流量计组合测井仪结构示意图。伞式集流器有16根金属伞筋,伞布采用高强度薄织料,集流器撑开后能够将内径为125 mm的井筒密封,使待测的油气水三相流被集流器集流后从其下方的进液口流入测量通道。光纤探针、阻抗传感器和涡轮流量计依次安装在集流器上部,油气水三相流依次流经光纤探针、涡轮流量计及阻抗传感器,然后由出液口流回井筒。光纤探针位于流道截面中心,采用单探针结构,涡轮流量计及阻抗传感器内径为19 mm、外径为28 mm。

1.2 实验方案

实验目的是通过在多相流模拟实验装置上进行油气水三相流实验,获得光纤探针、涡轮流量计及阻抗传感器在三相流下的响应图版,通过图版插值法建立油气水三相流解释方法。

实验在大庆油田测试分公司检测实验中心多相流实验室油气水三相流模拟井中进行。透明的有机玻璃井筒内径为125 mm,实验介质为自来水、柴油和压缩空气,实验中油、气、水的流量可以由仪表精确控制和计量。实验设计时分别固定气相流量、油水两相流量和油水两相含水率,气体流量分别为0、3、6、10 m3/d;油水两相流量分别设置为2、5、10、20、30、50 m3/d;油水两相含水率分别设置为100%、90%、70%、50%。实验中,先固定某一气相流量,待气相流量稳定后调节某一设定流量下的油水两相含水率,流动稳定后进行测量。

2 在油气水三相流中的响应规律

2.1 光纤探针在油气水三相流下的响应规律

利用多相流模拟实验装置地面采集系统记录不同气相流量、不同油水两相流量和含水率时的光纤探针响应,得到不同气量下光纤探针响应与油水两相流量关系图版,图2为气相流量为3 m3/d时的响应图版。实验数据表明:当气量相同时,光纤探针在油水两相含水率50%～100%之间变化时输出响应较集中,受油水两相含水率影响较小。

计算不同气相流量下光纤探针响应的平均值,得到不同气量下光纤探针响应与油水两相流量关系图版(见图3)。当油水两相流量相同时,气量越高,光纤探针响应越大,不同气量曲线有较好的分辨率。误差计算结果见表1,最大引用误差为12.9%。

图2 气相流量为3 m3/d时的光纤探针响应图版

图3 不同气量下光纤探针响应与油水两相流量关系图版

表1 不同气量下光纤探针响应的引用误差

图4 气相流量为3 m3/d时涡轮响应与油水两相流量关系图版

2.2 涡轮流量计在油气水三相流下的响应规律

气相流量为3 m3/d时,涡轮响应与油水两相流量关系图版如图4所示,实验数据表明:当气相流量为3 m3/d时,不同含水率下的涡轮响应曲线近于重合,这说明涡轮响应与油水两相流量的响应关系受油水两相含水率的影响很小。计算不同气相流量时涡轮响应平均值,得到涡轮响应与油水两相流量关系图版(见图5)。在不同的气相流量下,涡轮响应与油水两相流量呈较好的线性关系;当油水两相流量增加时,涡轮响应线性增加;当气相流量增加时,涡轮响应增加。误差计算结果表明最大引用误差为3%。

图5 不同气相流量下涡轮响应与油水两相流量关系图版

2.3 阻抗传感器在油气水三相流下的响应规律

气相流量分别为0、3、6、10 m3/d时含水率响应图版如图6所示。当加入不同流量的气体后,含水率响应明显降低,含水率响应有明显的分辨率。计算油水两相流量为40 m3/d、不同气相流量下测得的含水率响应测量误差,计算结果如表2所示,最大测量误差为7.1%。

图6 不同气相流量下含水率响应与油水两相流量关系图版

表2 不同气相流量下含水率响应引用误差

3 三相流解释方法的建立和使用

3.1 解释方法的建立

通过图版插值法建立油气水三相流解释方法(见图7)。该方法只需要三相流条件下组合测井仪输出的光纤探针响应、涡轮响应和含水率响应这3个参数,绘制3个参数之间的响应关系图版,用图版插值法确定气相流量、油水两相流量和油水两相含水率,进一步完成油气水三相流分相流量的解释。具体分为3个步骤。

(1)气相流量的确定。将图3中不同气相流量下光纤探针响应与油水两相流量关系图版与图5中涡轮响应与油水两相流量响应关系图版相结合,建立不同气相流量下光纤探针响应与涡轮响应关系图版(见图8)。对于某一测点已知可以测量的参数为:涡轮响应、光纤探针响应和含水率响应,用已测得的涡轮响应和光纤探针响应,通过图版插值法用涡轮响应确定某一光纤探针响应时的气相流量。

图7 油气水三相流解释方法框图

图8 不同气相流量下光纤探针响应与涡轮响应关系图版

(2)油水两相流量的确定。在图5不同气量下涡轮响应与油水两相流量关系图版中,根据确定的气相流量和涡轮响应确定油水两相流量。

(3)油水两相含水率的确定。在确定气相流量和油水两相流量后,根据含水率响应,在图6中不同气量下的含水率响应与油水两相流量关系图版中插值,进一步确定油水两相含水率。

基于图版插值的三相流解释方法,如果不需要折算出标准大气压下的气量大小,就不需要温度压力校正。在不同压力下,涡轮响应与光纤探针响应的关系不发生变化,通过解释方法就能获得对应压力条件下的气相流量值。例如,在某一深度点测得气量为5 m3/d,查气量为5 m3/d时的流量图版和含水率图版,得到气量为5 m3/d时的油水两相流量和油水两相含水率。在特定压力情况下,涡轮响应、油气水三相总流量及光纤探针响应之间的关系不发生变化,所以不进行温度压力校正,并不影响准确获得油水两相流量及油水两相含水率,此时气量起到的是催化剂作用。如果测量得到的各参数响应值没在特定的实验图版上,可通过线性插值法获得相应的图版。

3.2 解释方法的使用

(1)气相流量的确定。通过仪器测量获得光纤探针响应、涡轮响应、含水率响应后,使用图版法进行油气水三相流的解释。通过涡轮响应与光纤探针响应关系图版(见图8)确定气相流量,如某一测点测量的涡轮响应为40 Hz、光纤探针响应为2 500 Hz,含水率响应为0.7,通过查图版法确定气相流量。涡轮响应为40 Hz与光纤探针响应为2 500 Hz的交点位于气量为3 m3/d和气量为6 m3/d的2条曲线之间,通过线性插值的方法可得气相流量为4.18 m3/d。

(2)油水两相流量的确定。利用得到的气相流量在涡轮响应与油水两相流量响应关系图版(见图5)中,通过查图版法确定油水两相流量。对应涡轮响应40 Hz沿X轴方向画一直线,与气量为3 m3/d和6 m3/d的2条曲线分别有一个交点,再通过线性插值获得当气相流量为4.18 m3/d时的油水两相流量为27.99 m3/d。

(3)油水两相含水率的确定。利用得到的油水两相流量和测得的含水率响应确定油水两相含水率:①在气相流量3 m3/d时含水率图版中(见图6),通过插值法确定含水率响应为0.7、油水两相流量为27.99 m3/d时对应的含水率Y1=81.94%;②在气相流量6 m3/d时含水率图版中(见图6),通过插值法确定含水率响应为0.7、油水两相流量为27.99 m3/d时对应的含水率Y2=93.02%;③通过插值法确定气相流量4.18 m3/d对应的油水两相含水率Y=86.30%。

4 现场测井实例

在喇10-xx井中使用组合测井仪进行产液剖面测井,该井井口计量日产液量51.21 m3/d,化验含水率为96.6%。现场测井所得的涡轮响应、含水率响应及光纤探针响应值见表3。根据所测得的各参数响应值,利用图版插值法,确定了气相流量、油水两相流量和油水两相含水率,完成油气水三相流分相流量的解释,解释成果表见表4。测量全井合层产液量47.1 m3/d、全井合层含水率为96.3%,测量的流量与测量的含水率都与井口计量值非常接近,验证了解释结果的可靠性。由表3可见该井中测点深度1 010.0 m对应的层位SI(1)～SI4+5(2)为主产液层,同时也是主产水层和主产油层,测点深度1 070.0 m对应的层位SII10+11～SII12-14为主产气层。

表3 喇10-xx井测井数据

表4 喇10-xx井测井解释成果表

5 结 论

(1)依据光纤探针-阻抗传感器-涡轮流量计组合测井仪在多相流模拟井油气水三相流中的标定实验,形成了光纤探针、涡轮流量计以及阻抗传感器在三相流下的响应图版,建立了油气水三相流的解释方法,用图版插值法确定气相流量、油水两相流量和油水两相含水率,进一步完成油气水三相流分相流量的解释,通过该方法解释出产气量、产液量、含水率。

(2)在特定压力情况下,涡轮响应、油气水三相总流量及光纤探针响应之间的关系不发生变化,所以不进行温度压力校正,并不影响准确获得液相流量及液相含水率,解释方法简单易于计算,简化图版标定的工作量,使仪器更易推广应用。