井下存儲(chǔ)式浮子流量計(jì)在水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試中的應(yīng)用

崔文昊, 高榕, 常莉靜, 岳潘東, 王百, 呂億明

(1.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院, 陜西 西安 710018; 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710018; 3.長(zhǎng)慶油田分公司第四采氣廠, 陜西 西安 710018; 4.長(zhǎng)慶油田分公司油田開發(fā)處, 陜西 西安 710018)

0 引 言

水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試技術(shù)是從油套環(huán)空通過電纜或連續(xù)油管將產(chǎn)液剖面測(cè)試儀器輸送至射孔段,在抽油機(jī)不停抽情況下采用渦輪流量計(jì)、持水率儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量、含水,該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能在抽油機(jī)不停抽的情況下獲得井下分段的流量、含水率等數(shù)據(jù)[1-3]。但是,常規(guī)產(chǎn)液剖面測(cè)試在水平井中面臨水平段多相流體分層、電纜無法下入等問題,主要采用MAPS陣列式測(cè)井儀和爬行器等解決方案[4-6]。然而,產(chǎn)液剖面使用的渦輪流量計(jì)在5in*非法定計(jì)量單位,1 in=2.54 cm,下同套管井中流量小于50 m3/d時(shí),渦輪啟動(dòng)困難[7],不適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試;爬行器受井筒環(huán)境影響,測(cè)試成功率不高且測(cè)試作業(yè)費(fèi)用昂貴。

長(zhǎng)慶油田水平井日產(chǎn)液小于20 m3的井占總井?dāng)?shù)的87%,平均單段日產(chǎn)液小于2 m3,低液量水平井的產(chǎn)液剖面測(cè)試已成為一個(gè)重要難題。為此,本文開展了將浮子流量計(jì)應(yīng)用于水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試的探索研究,實(shí)現(xiàn)了無需電纜輸送儀器、提高測(cè)試準(zhǔn)確率、降低作業(yè)成本的目的。

1 浮子流量計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)和原理

浮子流量計(jì)由一個(gè)錐形管和一個(gè)置于錐形管中可以上下自由移動(dòng)的浮子組成(見圖1)。流量計(jì)本體兩端用法蘭連接或螺紋連接的方式垂直安裝在測(cè)量管路上,使流體自下而上流過流量計(jì),推動(dòng)浮子。由于節(jié)流作用,使上下游產(chǎn)生壓差Δp,由于該壓差的存在,使得浮子受到迎面的壓差阻力,在該阻力的作用下,浮子在錐管中上升,流通面積A增大,環(huán)隙中流體的平均速度減小,直到該阻力與浮子的自重和浮力相平衡時(shí),浮子停留在某一高度。流量Qv越大,浮子停留的高度h越高。在穩(wěn)定情況下,浮子懸浮的高度h與通過流量計(jì)的體積Qv之間有一定的比例關(guān)系為

(1)

式中,α是浮子流量計(jì)的流量系數(shù);Df是浮子的最大直徑;Af是浮子迎面流體面積;Vf是浮子的體積;ρf是浮子材料密度;φ是錐管的錐角;ρ是流體介質(zhì)密度;h是浮子高度。

對(duì)于一定的流量計(jì)和流體,式(1)中的Df、Af、Vf、ρf、φ、ρ等均為常數(shù),因此,只要保持α為常數(shù),則流量Qv與浮子高度h之間就存在近似線性關(guān)系。因此,可以將這種對(duì)應(yīng)關(guān)系直接刻度在流量計(jì)的錐管上,根據(jù)浮子的高度直接讀出流量值,或通過電存儲(chǔ)方式將流量信號(hào)(即浮子的位置信號(hào))記錄。

圖1 浮子流量計(jì)及其受力示意圖

1.2 浮子流量計(jì)的特點(diǎn)

由于浮子流量計(jì)在測(cè)量過程中始終保持節(jié)流件前后的壓差不變,通過改變流通面積實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。①幾乎不會(huì)遇到砂卡的現(xiàn)象,與渦輪流量計(jì)相比受井筒環(huán)境的影響小;②可接收微小流量信號(hào),實(shí)現(xiàn)低液量井流量測(cè)試;③浮子的高度取決于液體的流量,氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小[8]。

2 井下存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀

借鑒常規(guī)浮子流量計(jì),同時(shí)考慮到水平井中儀器無法通過電纜在水平段下放,使用爬行器價(jià)格昂貴且受井筒環(huán)境影響故障率高等因素,設(shè)計(jì)了適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試的井下浮子流量計(jì),同時(shí)與溫度、壓力、含水測(cè)試傳感器以及電路系統(tǒng)組成井下存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀,該儀器和油管連接后一起下入到射孔段,可以連續(xù)監(jiān)測(cè)多段壓裂水平井產(chǎn)液信息。

2.1 水平井井下浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)

水平井井下浮子流量計(jì)由浮子、推桿、滑套、線圈、彈簧、流量護(hù)管、單流閥等組成(見圖2)。

圖2 水平井井下浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理:給浮子感應(yīng)線圈上提供恒定的電流激勵(lì),當(dāng)井下流體通過過流通道,推動(dòng)浮子移動(dòng),銜鐵發(fā)生位移,引起感應(yīng)線圈中磁阻變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)濾波放大,輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理后測(cè)得流量。流量測(cè)量線圈采用差分結(jié)構(gòu),溫漂小,在流量線圈外加屏蔽層,減少外部對(duì)流量測(cè)量的干擾;自感傳感器可以測(cè)量0.01 μm～50 mm的機(jī)械位移,具有測(cè)量精度高、靈敏度高、線性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀

2.2 含水率、溫度和壓力測(cè)量設(shè)計(jì)

含水率測(cè)試儀采用電容式含水率傳感器和阻抗式含水率傳感器組合設(shè)計(jì),分別測(cè)試流體的電容值和電導(dǎo)率,可以適應(yīng)低含水和高含水傳感器組合,可以更加精準(zhǔn)測(cè)量含水率。

溫度測(cè)量原理:給PT1000提供恒流激勵(lì),當(dāng)井溫變化時(shí),PT1000的阻值也會(huì)發(fā)生變化,測(cè)量電路輸出與溫度成正比的差動(dòng)電壓信號(hào),經(jīng)過單片機(jī)AD采集,得到溫度信號(hào)。

壓力測(cè)量原理:壓力傳感器采用恒壓供電電路,輸出與壓力成正比的壓力差動(dòng)電壓信號(hào),經(jīng)過單片機(jī)AD采集,得到壓力信號(hào)。

2.3 儀器功耗設(shè)計(jì)

儀器選用容量為9 Ah的高溫電池,采樣間隔有多種類型可供選擇,最小可設(shè)置為3 s。儀器工作30 d最大功耗設(shè)計(jì)如下。

(1) 當(dāng)儀器采樣間隔設(shè)置為3 s時(shí)。每間隔3 s需要采集1次數(shù)據(jù),采集0.8 s,此時(shí)總電流不超過25 mA。1個(gè)月的耗電量4.8 Ah。

(2) 當(dāng)儀器不工作時(shí),進(jìn)入休眠狀態(tài)?？傠娏鞑怀^100 μA。1個(gè)月耗電量0.072 Ah。

(3) 儀器每采集87組數(shù)據(jù)(87×3 s=261 s)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。存儲(chǔ)時(shí)間為0.6 s,總電流不超過50 mA。1個(gè)月耗電量0.082 Ah。

(4) 儀器1個(gè)月最大耗電量4.954 Ah。儀器可在井下連續(xù)工作1個(gè)半月以上。

2.4 水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀結(jié)構(gòu)及原理

井下存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀由浮子流量計(jì)、含水探頭、溫度探頭、壓力傳感器、測(cè)量電路、供電電池組成(見圖3)。當(dāng)正常產(chǎn)液時(shí),坐封單向閥截止,流體通過進(jìn)液口,推動(dòng)浮子移動(dòng),從而測(cè)得流量。流體由過流通道流經(jīng)溫度探頭、壓力探頭與含水探頭時(shí),可測(cè)得流體含水率、壓力與溫度,最后通過出液口流出。坐封時(shí),浮子保護(hù)單向閥截止,流體從隔離管與外護(hù)管環(huán)空過流通道流過,打開坐封單向閥,實(shí)現(xiàn)坐封。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 含水率對(duì)流量測(cè)試的影響

(1) 介質(zhì):柴油和水兩相。

(2) 方式:在垂直狀態(tài)下進(jìn)行流量標(biāo)定,流量從0、1、2、…、10 m3/d,分別選擇含水率為100%、80%、40%進(jìn)行流量測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

(3) 對(duì)流量刻度進(jìn)行曲線擬合。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,浮子流量計(jì)啟動(dòng)流量為0.5 m3/d,可對(duì)低液量井進(jìn)行測(cè)試;不同含水率的流量測(cè)試曲線基本重合,說明浮子位置的變化只與通過浮子流體的流量相關(guān),流體含水率對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)試結(jié)果的影響可忽略。

3.2 儀器傾角對(duì)流量測(cè)試的影響

(1) 介質(zhì):柴油和水兩相。

(2) 方式:將儀器分別處于水平狀態(tài)0°和負(fù)角度-30°(即進(jìn)液口高于出液口)狀態(tài)下,流量從0、1、2、…、10 m3/d,分別選擇含水率為100%、80%、40%進(jìn)行流量測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

(3) 對(duì)流量刻度進(jìn)行曲線擬合。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)井筒處于水平狀態(tài)甚至負(fù)角度狀態(tài)下,盡管流體的型態(tài)為層流或逆向流,但對(duì)浮子流量計(jì)和含水率的測(cè)試結(jié)果影響較小,最大誤差僅4%。分析認(rèn)為這是由于浮子位置變化只與進(jìn)入錐形管空間流體流量有關(guān),基本克服了油、水的分層流動(dòng)使渦輪流量計(jì)響應(yīng)變得復(fù)雜的問題。當(dāng)流體經(jīng)過電容+阻抗式持水率儀時(shí),由于在圓周上配置多個(gè)持水率傳感器,能夠很好地解決常規(guī)儀器只能中心采樣不能探測(cè)到的全截面流體的問題,可以清楚地分辨出油和水。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2016年2月在長(zhǎng)慶油田CP-X井首次開展水平井存儲(chǔ)式浮子流量計(jì)井下先導(dǎo)性試驗(yàn),該井射孔9段,測(cè)試前日產(chǎn)液16.07 m3,含水100%。為了驗(yàn)證流量、含水測(cè)試準(zhǔn)確性,對(duì)該井射孔段1進(jìn)行雙封單卡工藝測(cè)試,同時(shí)地面單獨(dú)測(cè)量該段產(chǎn)液量并化驗(yàn)含水,測(cè)試管柱見圖4。

該井儀器設(shè)置采樣間隔為10 min,35 d后起出,測(cè)試結(jié)果顯示射孔段1單層流量為3.77 m3/d,含水98.6%(見圖5);同時(shí),地面單獨(dú)測(cè)量射孔段1的日產(chǎn)液為3.58 m3,含水100%。測(cè)試流量和含水與實(shí)際單量和化驗(yàn)結(jié)果接近,說明存儲(chǔ)式產(chǎn)液剖面測(cè)試儀首次在水平井井下試驗(yàn)取得成功,證明了井下浮子流量計(jì)應(yīng)用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試可行。

圖4 水平井存儲(chǔ)式浮子流量計(jì)井下試驗(yàn)管柱圖

圖5 井下浮子流量計(jì)測(cè)試結(jié)果回放圖

5 結(jié) 論

(1) 井下存儲(chǔ)式浮子流量計(jì)啟動(dòng)流量小于0.5 m3/d,且不受井筒出砂影響,彌補(bǔ)了渦輪流量計(jì)不適應(yīng)低液量水平井的不足,提高了低液量水平井測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2) 室內(nèi)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)表明,無論是垂直、水平及傾斜情況下,浮子流量計(jì)響應(yīng)特性均不敏感于含水率,擁有非常好的不依賴于流型的特性。

(3) 測(cè)試儀器隨油管下入目的層,無需電纜和爬行器,一趟管柱即可完成水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試,大幅度降低了產(chǎn)液剖面測(cè)試成本。

(4) 測(cè)試結(jié)果包含流量、含水、壓力和溫度等儲(chǔ)層流體物性參數(shù),可進(jìn)行各射孔段產(chǎn)能評(píng)價(jià)、判斷井筒出水位置,為低液量水平井控水穩(wěn)油措施提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1] 翟路生, 金寧德, 鄭?？? 等. 水平井生產(chǎn)測(cè)井組合儀模擬井測(cè)量數(shù)據(jù)分析與模型建立 [J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2012, 55(4): 1411-1421.

[2] 韓易龍, 吳迪, 王海, 等. 水平井生產(chǎn)測(cè)井技術(shù)應(yīng)用 [J]. 測(cè)井技術(shù), 2003, 27(4): 320-324.

[3] 吳世旗, 鐘興福, 劉興斌, 等. 水平井產(chǎn)出剖面測(cè)井技術(shù)及應(yīng)用 [J]. 油氣井測(cè)試, 2005, 14(2): 57-59.

[4] 郭洪志, 李冬梅. Flagship在中高含水期水平井中的應(yīng)用研究 [J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 31(1): 107-110.

[5] 戴家才, 郭海敏, 何億成, 等. 水平井、斜井集流式生產(chǎn)測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 測(cè)井技術(shù), 2005, 29(6): 493-495.

[6] 曲志君. 低流量水平井油水兩相流流量測(cè)量方法研究 [D]. 大慶: 大慶石油學(xué)院, 2009.

[7] 鄭?？? 劉興斌, 樸玉琴, 等. 水平井油水兩相管流流量和含水率測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 測(cè)井技術(shù). 2010, 34(4): 323-326.

[8] 陳業(yè)亭. 井下浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)與研究 [D]. 大慶: 大慶石油學(xué)院, 2007.