Experimental Study on Oil-water Two-phase Flow in Low Liquid Horizontal Wells

Minjun Qin, Jiacai Dai, Yang Pei, Zhongtao Wang, Hui Zhang, Jinhai ZhangProduction Logging Center, China Petroleum Logging Co.Ltd., Xi’an Shaanxi

2School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan

Abstract

Keywords

1.引言

近年來，水平井技術在新油田開發(fā)和老油田調整挖潛上成效顯著，可以降低勘探開發(fā)成本、大幅度提高油氣單井產能和采收率，以其投資回收率高、適用范圍廣泛的優(yōu)點得到了全世界的青睞。

目前，國內油田在水平井的測井解釋中還比較落后，垂直井所固有的解釋方法在水平井解釋中仍占主導地位，且大部分適用于高流量井。在該背景下，通過兩相流試驗，對陣列儀器在低流量下的狀態(tài)進行標定，分析流量對測井的影響，為水平井測井及資料解釋提供依據。

2.MAPS組合儀器結構

MAPS水平井陣列式測井儀器主要由陣列式電容持水率計(CAT)、陣列式電阻率持水率計(RAT)和陣列式渦輪流量計(SAT)等串組合而成(圖1)。

Figure 1.The composition of array tool string圖1.陣列式儀器串組成圖

1)SAT分別由6個微型渦輪組成，它們通過弓形彈簧片安置在管子內徑中。該工具在油管中呈關閉狀態(tài)，當其離開油管進入直徑更大的套管中時會自動打開。弓形彈簧片可以保護渦輪在上測和下測時免受損傷。傳感器整體附在弓形彈簧片上并和傳感器元件連接，包括磁通角傳感器與溫度傳感器。葉輪安裝在兩個樞紐之間，裝有軸承，在每個葉輪中間裝有磁體。磁通角傳感器根據磁通角度輸出響應的正弦波和余弦波。當磁極輪流經過傳感器的一邊時磁通角會發(fā)生變化，可以利用該現象來計算流體流動速度與流動方向。

2)CAT由12個弓形彈簧片組成，當其進入套管時會向外張開。其工作原理與傳統的電容持水率計類似，均利用了油氣與水的相對介電常數性質差異來識別流體性質；創(chuàng)新之處在于環(huán)形測量的方式，采用同樣的原理用 12個局部位置的傳感器測量電容。在油/水中刻度曲線就可以分析測量結果，從而明確每個探頭附近液體的相態(tài)。

3)RAT包含12個傳感器，排列在儀器的邊緣，使用弓形彈簧片部署在管子的內表面附近。通過將傳感器放置在管子橫截面的不同位置，從而監(jiān)測井筒流體內部的變化[1]。

實際測井中，與常規(guī)PLT系列(自然伽馬、磁定位、溫度、壓力、電容持水率、全井眼渦輪)組合，完成水平井測井。

3.試驗方案設計

該次試驗全部是在5.5 in外徑模擬管道中進行，所測數據點為409個。在試驗進行的同時，不僅記錄了原始數據還進行了拍照錄像，具體試驗方案設計為：

1)流體相態(tài)：油水兩相。

2)井斜：水平井定義為0?，向上流為正角度90?。

3)測速：0、13.33、15、16.67 m/min。

4)流量：10～600 m3/d。

5)含水率：0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。

4.流量試驗結果分析

4.1.點測渦輪響應情況

根據試驗數據繪制了在不同流體介質中全井眼渦輪流量(見圖 2中的“FLOW”)、陣列渦輪流量(見圖2中的“SAT1、SAT2、······、SAT6”)與渦輪響應的關系圖。從圖2中可以看出：① 陣列渦輪的啟動流量遠大于全井眼渦輪，且在相同流量下，陣列渦輪的渦輪響應值低于全井眼渦輪；② 與低流量相比，高流量情況下陣列渦輪與全井眼渦輪響應的線性關系更好；③ 與水介質相比，油質情況下全井眼渦輪與陣列渦輪的啟動流量更大。

4.2.低流量下渦輪響應與電纜測速的交會關系

低流量情況下，點測渦輪受啟動排量影響不轉，需要通過拉動電纜方式，使渦輪轉動，該次試驗采用3種速度上提電纜，在完全水平情況下模擬水平井產液剖面測井情況。具體試驗中，100 m3/d以下點測渦輪不轉，結合生產實際，選取50、30、20、10 m3/d共4種流量，20%、40%、60%、80%共4種含水率進行試驗。

Figure 2.The relationship of turbine flow and turbine response圖2.渦輪流量與渦輪響應關系

數據處理方法為：取出不同電纜速度(相對于儀器上提測量，電纜速度取負值)對應的流量計測井值，作交會圖計算視流體速度及斜率，然后計算啟動速度校正值。

式中：′為井筒中實際流體速度，m/min；vl為電纜速度，m/min；RPS為渦輪轉速，r/s；n為測井次數；vt為啟動速度，m/min；va為交會視流體速度，m/min；K為斜率，1。

根據試驗結果可以，在低流量情況下，全井眼渦輪流量響應穩(wěn)定，而陣列渦輪響應不穩(wěn)定，1、2號小渦輪基本對稱，而3～6號小渦輪基本接近于0值，只有在最高測速情況下才有一定響應。因此，通過選取相對穩(wěn)定段的全井眼渦輪流量進行交會，結果見圖3～5。

綜合分析試驗渦輪交會結果，可以得到以下結論：① 水平狀態(tài)下單一的全井眼渦輪或陣列渦輪解釋結果都存在一定誤差，兩者結合起來可提高解釋精度；② 低流量下陣列渦輪的響應差異較大，說明同一截面上不同位置的流量不同，而高流量情況下陣列渦輪響應差異較小。

從試驗結果來看，相對于全井眼渦輪，陣列渦輪需要更大的啟動流量。在極低流量(小于10 m3/d)的水平井中，全井眼渦輪流量計與陣列式渦輪流量計使用效果均不好，流量計的響應誤差較大；在特低流量(10～30 m3/d)的水平井中，全井眼渦輪流量計比陣列式渦輪流量計效果好，當井中流量達不到陣列式渦輪流量計的啟動流量時，陣列式渦輪流量計的響應會失真；在低流量(30～70 m3/d)水平井中，陣列式渦輪流量計有可能效果較好，但全井眼渦輪流量計比陣列式渦輪流量計效果更好。從渦輪流量計的適應范圍來看，陣列渦輪適應中、高流量油氣井。根據目前長慶油田水平井的平均產液量，后續(xù)測井中不再組合陣列式渦輪流量計下井。

Figure 3.The turbo cross plot of different water cuts in low liquid rate圖3.低流量情況下不同含水率全井眼渦輪交會圖

Figure 4.The turbine response coefficient of different water cuts in low liquid rate圖4.低流量情況下不同含水率渦輪響應系數

Figure 5.The starting velocity of different water cuts in low liquid rate圖5.低流量情況下不同含水率啟動速度

從資料解釋角度來看，低流量相對于高流量而言難度更大。首先是流量資料處理中，渦輪流量交會點的合理性判斷與調整更難，可能大部分點會失真，且當僅有上測曲線而缺乏下測曲線時，啟動速度的確定成為處理中的難點。因此，需通過試驗數據，建立不同含水率狀況下渦輪與流量的關系刻度圖版，輔助測井資料解釋，減少測井趟次。

5.持水率試驗結果分析

5.1.不同持水率計響應值與含水率的關系

當陣列探頭位置在水中，則該傳感器理論響應歸一化值應為1；當陣列探頭在油中，其響應值應為0；對陣列探頭試驗數據進行刻度標定，得到不同流量下CAT、RAT、中心電容持水率試驗對比資料，繪制了不同流量下不同持水率計響應值與含水率關系圖。

圖6(a)結果顯示：低含水率情況下，RAT含水率與持水率的關系曲線更接近關井情況下含水率與持水率的關系曲線；高含水率情況下，CAT含水率與持水率的關系曲線更接近關井情況下含水率與持水率的關系曲線；中等含水率情況下，CAT、RAT含水率與持水率的關系曲線均接近關井情況下含水率與持水率的關系曲線。

Figure 6.The relationship between response value and water cut of different water holdup meters圖6.不同持水率計響應值與含水率關系圖

圖 6(b)結果顯示：高、低含水率情況下，中心電容持水率計含水率與持水率的關系曲線更接近關井情況下含水率與持水率的關系曲線；中等含水率情況下，CAT含水率與持水率的關系曲線均接近關井情況下含水率與持水率的關系曲線；與中心電容持水率、RAT相比，CAT含水率與持水率的關系曲線偏離關井情況下含水率與持水率的關系曲線較遠。

圖 6(c)結果顯示：高、低含水率情況下，中心電容持水率計含水率與持水率的關系曲線更接近關井情況下含水率與持水率的關系曲線；中等含水率情況下，CAT含水率與持水率的關系曲線均接近關井情況下含水率與持水率的關系曲線；與中心電容持水率、RAT相比，CAT含水率與持水率的關系曲線偏離關井情況下含水率與持水率的關系曲線較遠。

從圖6分析可知：① 幾種不同流量情況下，中心電容持水率與實際值之間都存在較大誤差，再次突出了陣列持水率計在水平井測井中的必要性和重要性；② 低流量情況下，由于流型穩(wěn)定，因此CAT和RAT所測到的結果非常接近于實際值；中、高流量情況下，隨著含水率的不斷升高，流型也會越來越復雜，因此必須綜合CAT和RAT進行解釋。

低流量水平井筒中多相流的流型多為分層流，中心電容持水率計不能準確反映井筒中流體介質的分布狀態(tài)，測井系列必須在中心持水率計的基礎上增加陣列持水率計，考慮到不同流量、不同含水情況下CAT和RAT各有優(yōu)缺點，必須CAT和RAT同時測量。

5.2.低流量情況下CAT與含水率的關系

在低流量情況下，水平井筒內流體型態(tài)為層流，一般分為光滑層流、波狀層流、滾波層流3種[2][3][4]。陣列持水率計的探頭大部分處于單相油或單相水中，只有2只探頭處于油水界面處，當井筒內流量增大時，油水界面產生波動，形成界面混雜波狀分層流，此時位于全油和全水中的探頭數目減少，當含水率逐步增加時，形成上層水包油、下層水。圖7(a)、圖7(b)為分別在10 m3/d (極低流量)、50 m3/d (低流量)情況下，CAT每個探頭(見圖7中的“CAT1、CAT2、……、CAT12”)持水率與含水率的關系，對比可見，隨著流量增大，處于油水刻度值之間的探頭數目增加，同時分層界面更加紊亂，流型更加復雜。

Figure 7.The relationship between water holdup and water content of CAT probes圖7.CAT各探頭持水率與含水率關系圖

6.結論

1)理論與試驗研究表明，陣列持水率計比中心電容持水率計更能反映井筒中流體介質的變化與分布。

2)與直井相比，水平井中渦輪流量計需要更大的啟動流量；與全井眼渦輪流量計相比，陣列式渦輪流量計需要更大的啟動流量。對于長慶油田低流量水平井而言，全井眼渦輪流量計比陣列式渦輪流量計測量效果好。

3)在水平井產液剖面解釋中，低流量時渦輪交會點的合理性判斷與調整較難，可能大部分點會失真，且當僅有上測曲線缺乏下測曲線時，啟動速度的確定成為處理中的難點。通過模擬試驗，擬合了不同流量、不同含水率情況下的儀器響應系數和儀器啟動速度，對資料定量解釋具有較大意義。