光纤探针-阻抗三相流测井仪在三相流中的试验及分析*

2022-06-10胡金海杨长河刘晓磊黄春辉宋纯高

石油管材与仪器 2022年3期

徐林，胡金海，杨长河，刘晓磊，黄春辉，宋纯高，常晖

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163114)

0 引言

高含水开发后期，油井内流压降低，产气、脱气现象明显，井下油气水三相流普遍存在。对于油水两相流，阻抗式产液剖面测井仪较为成熟，在水为连续相时对含水率的变化响应灵敏，能提供可靠的含水率信息[1-3]。涡轮流量计仪表常数稳定,在油水两相流条件下可以准确测量流量。但在油气水三相流中，由于气液密度差异大、气体滑脱等因素的影响，无法准确测量流量和含水率，需要引入气相流量参数，对流量和含水率进行校正。

早期采用集流式流量计和放射性密度计组合，以及采用压差密度计对两相流仪器进行校正等方式进行三相流测量。金宁德等[4-5]基于伞集流涡轮流量计与放射性密度-持水率计组合仪在油气水三相流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，但由于环保的要求放射性密度计早已停用；压差密度计在流量100 m3/d以下的套管内，测得密度的分辨率极低无法应用。近年来，大庆油田测试技术服务分公司陆续研发了低产液三相流测井仪[6]、超声多普勒测井仪等仪器。低产液三相流测井仪流量上限低于20 m3/d，应用范围受限；超声多普勒测井仪总流量上限为15 m3/d、气量上限为5 m3/d，含水率测量适用于低含水条件，同样使用条件和范围受限。

应油田对总流量测量范围宽、气量测量范围宽、高含水下测量精度高的三相流测井仪的需求，大庆油田测试技术服务分公司开发了光纤持气率计[7]。但由于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，还不能给出三相流的测量结果。为此本研究将光纤探针、阻抗含水率计、涡轮流量计有机结合，研制了光纤探针-阻抗三相流测井仪，对该仪器在多相流模拟实验装置上进行了油气水三相流中的标定试验，建立了三维插值的油气水三相流解释方法，并进行了现场试验验证。

1 仪器结构及技术指标

1.1 仪器结构

组合仪器利用涡轮流量计测量产液量，利用阻抗含水率计测量含水率，利用光纤探针测量产气量[8-10]。结构如图1所示，从下向上依次为伞式集流器、光纤探针传感器[11-12]、阻抗传感器[1]、涡轮流量计及信号处理电路短节。光纤探针位于流道截面中心，采用单探针结构。仪器可以与磁定位、井温、压力等参数进行组合测井。

1-伞式集流器;2-光纤探针传感器;3-阻抗传感器;4-涡轮流量计;5-电路短节图1 光纤探针-阻抗含水率测井仪结构

1.2 技术指标

组合测井仪外径：Φ28 mm；耐温：125 ℃；耐压：30 MPa；液相流量测量范围及精度：2～60 m3/d，±5%；液相含水率测量范围及精度：50%～100%，±8%；气相测量范围及精度：2～10 m3/d，±10%。

2 仪器标定及解释模型

2.1 仪器标定

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频率，得到不同气量下光纤探针响应关系图版，图2为气相流量3 m3/d时的响应图版。计算液相流量为0～50 m3/d时的光纤探针响应的平均值，得到不同气量下光纤探针响应与液相流量关系图版，如图3所示。利用同样方法计算不同气相流量时油气水三相涡轮响应平均值，得到不同气量下油气水三相涡轮响应与油水两相流量响应关系图版，如图4所示。固定气相流量为3 m3/d时，标定的油水两相流量与含水率关系图版如图5所示，同时标定了0、6、10 m3/d等多种气相流量下的含水率图版，获得阻抗传感器在油气水三相流下的响应规律图版。

图2 气相流量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液相流量关系图版

图4 油气水三相流涡轮响应与油水两相流量关系图版

图5 气相流量为3 m3/d 时含水率响应图版

2.2 解释模型

油气水三相流解释模型框图如图6所示。首先通过不同气量下光纤探针响应与液量关系图(图3)与不同气量下涡轮输出响应与液量的关系图(图4)之间的对应关系，推出不同气量下涡轮响应与光纤探针响应关系图，如图7所示。对于某一测点已知可以测量的参数为：涡轮响应频率、光纤探针响应频率和阻抗传感器响应。首先在图7中，用已测得的涡轮响应频率和光纤探针响应频率，通过图版插值法确定某一光纤探针响应时的气相流量。再用计算的气量流量在图4油气水三相流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频率确定油水两相(液相)流量。最后利用阻抗传感器输出的含水率响应，在图5不同气量下的含水率响应图版中插值进一步确定油水两相(液相)含水率。

图6 油气水三相流解释模型框图

图7 不同气量下涡轮响应与光纤探针响应关系图版

3 现场试验情况

光纤探针-阻抗三相流测井仪自2019年10月开始投入现场试验，截止到2020年11月在25口井中实施了30井次的现场试验。试验井中产气井占总井数的48%，对于产气井来讲，能够实现真正意义的三相流测量，解释结果相比两相流仪器更准确。

3.1 三相流井中的各参数实测曲线

图8为光纤探针-阻抗三相流测井仪在喇11-**井1 115 m处的测量曲线。可以看出，光纤探针测量曲线、涡轮流量计测量曲线、阻抗传感器在三相流体过流状态输出的混相值曲线对于该点产气的指向性很强。

图8 光纤探针-阻抗三相流测井仪在喇11-**井1 115 m处的测量曲线

图中光纤探针测量曲线高低数值起伏很大，低值接近液相时的输出值，高值接近于低值的2倍，从低到高，输出呈周期性变化，说明该点产气情况随油井的冲程冲次呈周期性变化；涡轮流量曲线的输出高值比平均值大出许多，也显示产气情况。

图9为光纤探针-阻抗三相流测井仪在喇11-**井1 183 m处的测量曲线，相比于1 115 m测点处，光纤探针测量曲线的波动起伏幅度减小，涡轮流量计测量曲线波动起伏幅度也减小，但仍能看出该点依然有气，只是气量减少。

图9 光纤探针-阻抗三相流测井仪在喇11-**井1 183 m处的测量曲线

3.2 在三相流井中开展的重复性及一致性试验

在喇10-20**井，分别用207#和8#光纤探针-阻抗三相流测井仪进行测井，每支仪器在主产层都进行了重复性测量，表1是207#仪器的重复对比情况，可以看出仪器在1 010.0、1 070.0、1 089.5 m 3个测点处的重复测量数据能够完全符合，表明仪器的重复性很好。

表1 207#仪器的重复性对比情况表

表2和表3是2支仪器在该井的测井解释成果表，可以看出在测点1 010.0 m处油水两相流的含水率和流量完全一致，产气量在该点处也完全一致，在其他深度点的油水两相流的含水率和流量、产气量趋势上也一致，分层产油的主产油层、主产液层一致，因此说明两支仪器存在着很好的一致性。

表2 207#光纤探针-阻抗三相流测井仪在喇10-20**井解释结果

表3 8#光纤探针-阻抗三相流测井仪在喇10-20**井解释结果

3.3 在三相流井中与两相流测井仪器的对比试验

表4是光纤探针-阻抗三相流测井仪在喇5-W26**井中的解释成果。经测量，该井全井段1 137.98 m处合层产气6.2 m3/d，经三相流解释，该点合层产液24.5 m3/d、合层含水率91.5%，接近井口化验液相含水率93.80%。如果不利用光纤探针测量数据，按两相流进行资料解释，结果见表5，同样在1 137.98 m处合层产液30 m3/d、合层含水68%。与三相流测量结果在合层处产液有5.5 m3/d的变化，但含水率相差23.5%。所以有必要用光纤探针-阻抗三相流测井仪实施测井。

表4 喇5-W26**井光纤探针-阻抗三相流测井仪解释成果

表5 喇5-W26**井两相流合层解释成果

3.4 在产气量大的三相流井中的测井试验

喇8-3E24**井产气比较明显，用光纤探针-阻抗三相流测井仪在喇8-3E24**井的测井中进行了试验，在该井各测点处获得了光纤探针响应、涡轮流量计响应及阻抗含水率计响应，通过图6的油气水三相流解释模型获得各分相的流量，形成了三相流解释剖面，如图10所示，从图上可以直观看出油、气、水三相的分布。在该井测得全井的产液27.9 m3/d、综合含水率92.6%，测得的综合含水率与井口化验液相含水率95.8%的误差仅为3.2%；测得全井产液与井口计量的26.1 m3/d，相差1.6 m3/d，误差为6.9%。同时，该井层6单层产液17.5 m3/d，产水16.4 m3/d，产气4.3 m3/d，产油1.1 m3/d，得知该层既是主产液层，又是主产水、主产油及主产气层。