超聲波多普勒三相流測(cè)井儀在產(chǎn)出剖面測(cè)井中的應(yīng)用

龐慧鋒

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

隨著油田開發(fā)的不斷深入，開發(fā)工作者急需通過產(chǎn)出剖面測(cè)井資料了解井的油、氣、水產(chǎn)出狀況，以便及時(shí)編制油田開發(fā)調(diào)整方案，提高油田采收率。為解決油、氣、水三相流問題，國(guó)內(nèi)外科研工作者先后研發(fā)了一系列產(chǎn)出剖面測(cè)井技術(shù)，但測(cè)總流量都離不開渦輪流量計(jì)，忽略了渦輪只對(duì)于單相流體測(cè)量適用。若流體內(nèi)存在油、氣、水三相，因?yàn)橛蛯?duì)水存在滑脫速度，氣對(duì)流體也存在滑脫速度，而且氣的滑脫速度更大，所以渦輪測(cè)量的油水、氣水、油氣水總流量不夠準(zhǔn)確。此外用集流傘和渦輪配合，在求取中心流速(量)時(shí)，由于集流傘的使用，改變了生產(chǎn)壓差，不僅影響了流態(tài)，而且導(dǎo)致流量不準(zhǔn)，中心流量換成全井筒流量也存在誤差[1-2]。為了解決多相流測(cè)井難題，科研工作者研發(fā)了超聲波多普勒三相流測(cè)井技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)油水、氣水兩相以及油氣水三相流動(dòng)均可應(yīng)用，且儀器不安裝可動(dòng)部件流量計(jì)，不受砂卡等井下復(fù)雜因素的影響，尤其是在脫氣油井中對(duì)于氣相的產(chǎn)出有很好的分辨能力。目前儀器已經(jīng)應(yīng)用于油田開發(fā)，能夠準(zhǔn)確地反映油、氣、水流量信息。但是油田對(duì)于該儀器的認(rèn)知度還不夠高，為更好滿足油田開發(fā)需要，確保為油氣田開發(fā)提供準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，有必要對(duì)超聲波多普勒三相流測(cè)井儀在產(chǎn)出剖面測(cè)井方面的適用性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

1 儀器簡(jiǎn)介

1.1 理論基礎(chǔ)

超聲波是頻率高于20 kHz的聲波，它的方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中的傳播距離遠(yuǎn)[3]。

當(dāng)聲源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),觀察者所感受到的聲波頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率，這一現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。超聲波多普勒三相流測(cè)井就是利用多普勒效應(yīng)這一原理而開發(fā)的。分別將超聲波的探頭放置在待測(cè)流體管道的兩側(cè)，一個(gè)發(fā)射連續(xù)的超聲波信號(hào)，另外一個(gè)接收，當(dāng)流體中存在懸浮粒子時(shí)，接收的超聲波信號(hào)由于多普勒效應(yīng)，其頻率與發(fā)射的超聲波信號(hào)會(huì)存在一個(gè)頻率差，根據(jù)此頻率差通過一系列分析處理即可計(jì)算出流體的流速[4-5]。圖1為多普勒測(cè)量裝置的簡(jiǎn)化模型圖。

如圖1示，當(dāng)超聲波束在管軸線上遇到一顆固體粒子，該粒子以速度v沿管軸線運(yùn)動(dòng)。接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之間的頻率差，即多普勒頻移Δf為：

(1)

式(1)中，f1為發(fā)射超聲波的頻率，Hz；f2為接收器收到的超聲波頻率，Hz；c為聲波在管道介質(zhì)中的傳播速度，m/h；α為超聲波的入射角，(°)；v為目標(biāo)體的運(yùn)動(dòng)速度，m/h。

由于超聲波的速度遠(yuǎn)大于流體流速，所以式(1)可寫成：

(2)

由式(2)可得流體流速為：

(3)

(4)

式(4)中：A為被測(cè)管道流通截面積，m2；V為管道中流體的體積流量，m3/d。由以上流量方程可知，當(dāng)流量計(jì)、管道條件及被測(cè)介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流成正比，由此可見測(cè)量頻移Δf就可以得到流體流量[6-8]。

1.2 測(cè)量原理

生產(chǎn)井中流體在多相流動(dòng)條件下，油和氣在套管內(nèi)的水中為泡狀流時(shí)，油泡和氣泡相對(duì)于水向上流動(dòng)，油、氣、水相互之間有滑脫速度。測(cè)井時(shí)三相流量計(jì)位于套管中央，正對(duì)著待測(cè)流體，如圖2所示。發(fā)射器為固定聲源，隨流體一起運(yùn)動(dòng)的氣泡和油泡起了與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的“觀察者”作用，當(dāng)超聲波發(fā)射器所發(fā)射的固定頻率超聲波入射到這些泡體上時(shí)，經(jīng)泡體反射到接收器上的超聲波頻率就會(huì)與發(fā)射頻率有一個(gè)差值，這個(gè)頻率差值就是由于流體中泡體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移，這個(gè)頻移量與流速是成正比的。由于氣相反射信號(hào)與油相反射信號(hào)處于不同的頻帶，通過頻帶劃分，可以將油相和氣相加以分離。

圖2 井下測(cè)量原理

1.3 解釋原理

圖3為現(xiàn)場(chǎng)采集的一個(gè)測(cè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為接收器測(cè)得的頻率值(Hz)，從圖上很難看出頻移量與流體流量之間的規(guī)律。為了揭示信號(hào)內(nèi)涵，找出二者之間的規(guī)律，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析處理。功率譜分析在隨機(jī)信號(hào)處理中有著極其廣泛的應(yīng)用，是平穩(wěn)隨機(jī)過程在頻域描述各頻率成份分布情況最適用的方法，反映信號(hào)的許多重要特征，可以利用信號(hào)功率譜的譜特征進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別和分類。而超聲波多普勒信號(hào)在一定時(shí)間段內(nèi)可以看成一種廣義平穩(wěn)信號(hào)，可以利用功率譜分析。經(jīng)典的功率譜估計(jì)都是以離散傅里葉變換(DFT)作為基礎(chǔ)，采用快速傅里葉變換(FFT)快速算法。本系統(tǒng)就是直接用FFT實(shí)現(xiàn)對(duì)功率譜的求取，并輔以數(shù)字濾波技術(shù)，有效地解決了原始數(shù)據(jù)深入處理問題。圖4為實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際測(cè)得的油氣水三相功率譜圖，從圖上可以看出含水量一定時(shí)，油相能量主要集中在100～500 Hz部分，中心頻率約300 Hz，功率譜的幅度隨產(chǎn)氣量增大而增大、中心頻率隨產(chǎn)氣量增大而逐漸右移；可見功率譜譜線的頻移量及幅度與油、氣的含量存在一定的規(guī)律。上述僅是定性的說明。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)采集的一個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖4 室內(nèi)油氣水三相功率譜

為了充分挖掘功率譜反映油、氣、水信息的規(guī)律，分別求取了功率譜位置特征、散布特征、形態(tài)特征等多個(gè)特征參數(shù)。研究所有參數(shù)對(duì)各相流量的敏感程度，優(yōu)選出與流量變化明顯且規(guī)律性強(qiáng)的參數(shù)作為后續(xù)各相流量的預(yù)測(cè)參數(shù)。利用內(nèi)置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，將之前保存的特征參數(shù)作為預(yù)測(cè)參數(shù)，利用支持向量機(jī)的算法進(jìn)行計(jì)算，最終給出各相分量結(jié)果。方法的核心思想就是運(yùn)用容易檢測(cè)到的過程量(輔助變量)，通過數(shù)學(xué)模型運(yùn)算得到難以直接測(cè)量的主導(dǎo)變量估計(jì)值[9]。從而實(shí)現(xiàn)油、氣、水信息的量化。

1.4 儀器結(jié)構(gòu)及指標(biāo)

超聲波多普勒三相流測(cè)井儀主要由遙測(cè)短節(jié)、溫度壓力測(cè)井儀、多相流測(cè)井儀、磁性定位儀、電動(dòng)扶正器等5部分組成。配套提供遙測(cè)、磁性定位、溫度、壓力、伽馬以及電動(dòng)扶正等功能。外徑Φ28 mm，氣相流量測(cè)量范圍為1～20 m3/d(井下狀態(tài))，油相流量測(cè)量范圍為1～15 m3/d，水相流量測(cè)量范圍為1～60 m3/d，耐溫125 ℃，耐壓40 MPa。

1.5 儀器特點(diǎn)

由原理及結(jié)構(gòu)可知該儀器必須在兩相流體及以上的井中測(cè)井(即存在速度差)；無(wú)可動(dòng)部件流量計(jì)，不受砂卡影響，直接測(cè)量分相流量，有利于提高測(cè)井成功率；既能測(cè)油水、氣水兩相流，也能測(cè)油、氣、水三相流；采集速度快，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在3 min左右完成；非集流方式，不影響井下流壓；不受地層水礦化度和流體性質(zhì)的影響，測(cè)試結(jié)果更真實(shí)[10]。

2 在產(chǎn)出剖面測(cè)井中的應(yīng)用

2.1 在油水兩相井中的應(yīng)用

A井為一口產(chǎn)出井，為了解該井各層產(chǎn)出狀況，對(duì)該井進(jìn)行了超聲波多普勒三相流測(cè)井。該井共有4個(gè)射孔層，為了驗(yàn)證儀器可靠性，實(shí)施了下放和上提2種模式測(cè)井。測(cè)井功率圖譜結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖可見2種測(cè)井結(jié)果具有很好的一致性。從功率圖譜結(jié)果可見該井不產(chǎn)氣，屬于油水兩相產(chǎn)出井。根據(jù)此結(jié)果解釋分析了該井，結(jié)果見表1。由表1可知該井日產(chǎn)油2.1 m3/d，含水93.1%，與采油廠計(jì)量結(jié)果基本一致。

圖5 A井上提測(cè)井功率圖譜

圖6 A井下放測(cè)井功率圖譜

表1 A井解釋結(jié)果

2.2 在油氣水三相井中的應(yīng)用

B井是一口脫氣產(chǎn)出井，該井共有4個(gè)射孔層。 測(cè)井功率圖譜結(jié)果如圖7所示。從功率圖譜結(jié)果可見該脫氣井屬于油氣水三相井，且由圖可見該井第一層為主產(chǎn)層，一、二兩層為脫氣層，三、四兩層不產(chǎn)氣。由此本井解釋分析結(jié)果見表2。由表2可知該井產(chǎn)液25.1 m3/d，產(chǎn)氣16.9 m3/d，含水96.0%。與采油廠落實(shí)此結(jié)果，二者基本一致。

圖7 B井測(cè)井功率圖譜

表2 B井解釋結(jié)果

2.3 在氣水兩相井中的應(yīng)用

C井為一口產(chǎn)氣井，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)落實(shí)本區(qū)含氣性及產(chǎn)能特征，并為后期編寫方案提供依據(jù)，根據(jù)地質(zhì)要求對(duì)本井進(jìn)行產(chǎn)氣剖面測(cè)井作業(yè)。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該井，決定采用生產(chǎn)測(cè)井組合儀與超聲波多普勒2種測(cè)井方式，并分析對(duì)比2種方式測(cè)井結(jié)果。表3為生產(chǎn)測(cè)井組合儀測(cè)井結(jié)果。由表3知，該井總產(chǎn)氣量約為3 300 m3/d；總產(chǎn)水量約為32.5 m3/d。主要產(chǎn)氣層段為第一層，主要產(chǎn)水層段也為第一層，次產(chǎn)氣層為第三層,第六層不產(chǎn)液。

表3 C井PLT解釋結(jié)果

圖8為超聲波多普勒測(cè)井功率圖譜。從功率圖譜結(jié)果可見該井一、三層為主產(chǎn)氣層，第六層不產(chǎn)氣，具體結(jié)果見表4。由表4可知：該井總產(chǎn)氣量約為3 262 m3/d；總產(chǎn)水量約為32.2 m3/d。該井第一層為主產(chǎn)氣層，同時(shí)也是主產(chǎn)水層，第三層為次產(chǎn)氣層，第六層不產(chǎn)氣，可見二者有很好的一致性。與采油廠落實(shí)此結(jié)果，所測(cè)結(jié)果與井口計(jì)量產(chǎn)氣量基本一致。

圖8 C井測(cè)井功率圖譜

表4 C井超聲多普勒測(cè)井解釋結(jié)果

2.4 在厚層細(xì)分中的應(yīng)用

D井是一口生產(chǎn)井，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)該井產(chǎn)能，對(duì)該井進(jìn)行了超聲波多普勒三相流測(cè)井，測(cè)井圖譜如圖9所示，解釋結(jié)果見表5。由圖譜及解釋結(jié)果可見該井主產(chǎn)層為第六層。第六層為5.4 m厚層，為了進(jìn)一步落實(shí)該層產(chǎn)出情況，對(duì)該層進(jìn)行了細(xì)分測(cè)井，測(cè)井間隔1 m左右。測(cè)井結(jié)果如圖10所示，解釋結(jié)果見表6。從細(xì)分測(cè)井結(jié)果可知該主產(chǎn)層最下部1 m左右不產(chǎn)液，距下部2 m左右為主產(chǎn)段。為地質(zhì)人員進(jìn)一步采取措施提供了依據(jù)。

圖9 D井測(cè)井功率圖譜

圖10 D井測(cè)井功率譜圖

表5 D井解釋結(jié)果

表6 D井主產(chǎn)層細(xì)分解釋結(jié)果

3 結(jié) 論

1)超聲波多普勒三相流測(cè)井儀可以用于油水、氣水兩相及油氣水三相流產(chǎn)出剖面測(cè)井。

2)利用超聲波多普勒三相流測(cè)井儀可對(duì)脫氣的儲(chǔ)層作出定性判斷。

3)超聲波多普勒三相流測(cè)井儀可用于產(chǎn)氣量較低的氣井測(cè)井。

4)超聲波多普勒三相流測(cè)井儀還可以對(duì)厚層進(jìn)行細(xì)分測(cè)井，細(xì)分程度為1.0 m。