光纖探針阻抗傳感器渦輪組合測(cè)井儀三相流解釋方法

胡金海,黃春輝,劉曉磊,杜佳楠,宋純高,李屹威

(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163453)

0 引 言

高含水開發(fā)后期,油井內(nèi)流壓降低,井下普遍存在產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象,因此,油井井下油氣水三相流現(xiàn)象普遍存在。對(duì)于垂直井油水兩相流,已有成熟的產(chǎn)液剖面測(cè)量技術(shù)及解釋方法。阻抗式產(chǎn)液剖面測(cè)井儀[1-3]采用阻抗傳感器測(cè)量含水率,在水為連續(xù)相時(shí)對(duì)含水率的變化響應(yīng)靈敏,具有很好的重復(fù)性、一致性,能提供可靠的含水率信息。渦輪流量計(jì)具有精度高、量程寬、重復(fù)性能好等優(yōu)點(diǎn)[4],已廣泛應(yīng)用于井下油水兩相流流量測(cè)量,并取得了良好的應(yīng)用效果[5-7]。但在油氣水三相流中,由于氣液之間密度差異大,受氣體滑脫等因素的影響,已不能進(jìn)行含水率和流量的準(zhǔn)確測(cè)量,需要引入氣相流量參數(shù),對(duì)流量和含水率進(jìn)行校正。

圖1 光纖探針-阻抗傳感器-渦輪流量計(jì)組合測(cè)井儀結(jié)構(gòu)示意圖

早期采用集流式流量計(jì)和放射性密度計(jì)組合測(cè)量三相流。金寧德等[8-9]基于集流型渦輪流量計(jì)、放射性密度計(jì)、持水率計(jì)組合儀在油氣水三相流流動(dòng)裝置中的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果,建立了三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)測(cè)量模型。由于放射性密度計(jì)早已停用,大慶油田測(cè)試分公司陸續(xù)研發(fā)了低產(chǎn)液三相流測(cè)井儀[10]、光纖持氣率計(jì)[11]等儀器。低產(chǎn)液三相流測(cè)井儀流量低于20 m3/d,應(yīng)用范圍受限;光纖持氣率計(jì)局限于對(duì)氣相響應(yīng)規(guī)律的研究,沒有和流量、含水率參數(shù)有機(jī)結(jié)合。

大慶油田測(cè)試分公司通過近幾年的理論和實(shí)驗(yàn)研究,將光纖探針、阻抗傳感器和渦輪流量計(jì)有機(jī)組合,形成組合測(cè)井儀。通過在多相流模擬實(shí)驗(yàn)裝置上油氣水三相流中的實(shí)驗(yàn),獲得了光纖探針、渦輪流量計(jì)以及阻抗傳感器在油氣水三相流下的響應(yīng)圖版,通過圖版插值法建立油氣水三相流解釋方法。

1 儀器結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

圖1為光纖探針-阻抗傳感器-渦輪流量計(jì)組合測(cè)井儀結(jié)構(gòu)示意圖。傘式集流器有16根金屬傘筋,傘布采用高強(qiáng)度薄織料,集流器撐開后能夠?qū)?nèi)徑為125 mm的井筒密封,使待測(cè)的油氣水三相流被集流器集流后從其下方的進(jìn)液口流入測(cè)量通道。光纖探針、阻抗傳感器和渦輪流量計(jì)依次安裝在集流器上部,油氣水三相流依次流經(jīng)光纖探針、渦輪流量計(jì)及阻抗傳感器,然后由出液口流回井筒。光纖探針位于流道截面中心,采用單探針結(jié)構(gòu),渦輪流量計(jì)及阻抗傳感器內(nèi)徑為19 mm、外徑為28 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^在多相流模擬實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行油氣水三相流實(shí)驗(yàn),獲得光纖探針、渦輪流量計(jì)及阻抗傳感器在三相流下的響應(yīng)圖版,通過圖版插值法建立油氣水三相流解釋方法。

實(shí)驗(yàn)在大慶油田測(cè)試分公司檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中心多相流實(shí)驗(yàn)室油氣水三相流模擬井中進(jìn)行。透明的有機(jī)玻璃井筒內(nèi)徑為125 mm,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為自來水、柴油和壓縮空氣,實(shí)驗(yàn)中油、氣、水的流量可以由儀表精確控制和計(jì)量。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)分別固定氣相流量、油水兩相流量和油水兩相含水率,氣體流量分別為0、3、6、10 m3/d;油水兩相流量分別設(shè)置為2、5、10、20、30、50 m3/d;油水兩相含水率分別設(shè)置為100%、90%、70%、50%。實(shí)驗(yàn)中,先固定某一氣相流量,待氣相流量穩(wěn)定后調(diào)節(jié)某一設(shè)定流量下的油水兩相含水率,流動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量。

2 在油氣水三相流中的響應(yīng)規(guī)律

2.1 光纖探針在油氣水三相流下的響應(yīng)規(guī)律

利用多相流模擬實(shí)驗(yàn)裝置地面采集系統(tǒng)記錄不同氣相流量、不同油水兩相流量和含水率時(shí)的光纖探針響應(yīng),得到不同氣量下光纖探針響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版,圖2為氣相流量為3 m3/d時(shí)的響應(yīng)圖版。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:當(dāng)氣量相同時(shí),光纖探針在油水兩相含水率50%～100%之間變化時(shí)輸出響應(yīng)較集中,受油水兩相含水率影響較小。

計(jì)算不同氣相流量下光纖探針響應(yīng)的平均值,得到不同氣量下光纖探針響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版(見圖3)。當(dāng)油水兩相流量相同時(shí),氣量越高,光纖探針響應(yīng)越大,不同氣量曲線有較好的分辨率。誤差計(jì)算結(jié)果見表1,最大引用誤差為12.9%。

圖2 氣相流量為3 m3/d時(shí)的光纖探針響應(yīng)圖版

圖3 不同氣量下光纖探針響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版

表1 不同氣量下光纖探針響應(yīng)的引用誤差

圖4 氣相流量為3 m3/d時(shí)渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版

2.2 渦輪流量計(jì)在油氣水三相流下的響應(yīng)規(guī)律

氣相流量為3 m3/d時(shí),渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版如圖4所示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:當(dāng)氣相流量為3 m3/d時(shí),不同含水率下的渦輪響應(yīng)曲線近于重合,這說明渦輪響應(yīng)與油水兩相流量的響應(yīng)關(guān)系受油水兩相含水率的影響很小。計(jì)算不同氣相流量時(shí)渦輪響應(yīng)平均值,得到渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版(見圖5)。在不同的氣相流量下,渦輪響應(yīng)與油水兩相流量呈較好的線性關(guān)系;當(dāng)油水兩相流量增加時(shí),渦輪響應(yīng)線性增加;當(dāng)氣相流量增加時(shí),渦輪響應(yīng)增加。誤差計(jì)算結(jié)果表明最大引用誤差為3%。

圖5 不同氣相流量下渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版

2.3 阻抗傳感器在油氣水三相流下的響應(yīng)規(guī)律

氣相流量分別為0、3、6、10 m3/d時(shí)含水率響應(yīng)圖版如圖6所示。當(dāng)加入不同流量的氣體后,含水率響應(yīng)明顯降低,含水率響應(yīng)有明顯的分辨率。計(jì)算油水兩相流量為40 m3/d、不同氣相流量下測(cè)得的含水率響應(yīng)測(cè)量誤差,計(jì)算結(jié)果如表2所示,最大測(cè)量誤差為7.1%。

圖6 不同氣相流量下含水率響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版

表2 不同氣相流量下含水率響應(yīng)引用誤差

3 三相流解釋方法的建立和使用

3.1 解釋方法的建立

通過圖版插值法建立油氣水三相流解釋方法(見圖7)。該方法只需要三相流條件下組合測(cè)井儀輸出的光纖探針響應(yīng)、渦輪響應(yīng)和含水率響應(yīng)這3個(gè)參數(shù),繪制3個(gè)參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系圖版,用圖版插值法確定氣相流量、油水兩相流量和油水兩相含水率,進(jìn)一步完成油氣水三相流分相流量的解釋。具體分為3個(gè)步驟。

(1)氣相流量的確定。將圖3中不同氣相流量下光纖探針響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版與圖5中渦輪響應(yīng)與油水兩相流量響應(yīng)關(guān)系圖版相結(jié)合,建立不同氣相流量下光纖探針響應(yīng)與渦輪響應(yīng)關(guān)系圖版(見圖8)。對(duì)于某一測(cè)點(diǎn)已知可以測(cè)量的參數(shù)為:渦輪響應(yīng)、光纖探針響應(yīng)和含水率響應(yīng),用已測(cè)得的渦輪響應(yīng)和光纖探針響應(yīng),通過圖版插值法用渦輪響應(yīng)確定某一光纖探針響應(yīng)時(shí)的氣相流量。

圖7 油氣水三相流解釋方法框圖

圖8 不同氣相流量下光纖探針響應(yīng)與渦輪響應(yīng)關(guān)系圖版

(2)油水兩相流量的確定。在圖5不同氣量下渦輪響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版中,根據(jù)確定的氣相流量和渦輪響應(yīng)確定油水兩相流量。

(3)油水兩相含水率的確定。在確定氣相流量和油水兩相流量后,根據(jù)含水率響應(yīng),在圖6中不同氣量下的含水率響應(yīng)與油水兩相流量關(guān)系圖版中插值,進(jìn)一步確定油水兩相含水率。

基于圖版插值的三相流解釋方法,如果不需要折算出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣量大小,就不需要溫度壓力校正。在不同壓力下,渦輪響應(yīng)與光纖探針響應(yīng)的關(guān)系不發(fā)生變化,通過解釋方法就能獲得對(duì)應(yīng)壓力條件下的氣相流量值。例如,在某一深度點(diǎn)測(cè)得氣量為5 m3/d,查氣量為5 m3/d時(shí)的流量圖版和含水率圖版,得到氣量為5 m3/d時(shí)的油水兩相流量和油水兩相含水率。在特定壓力情況下,渦輪響應(yīng)、油氣水三相總流量及光纖探針響應(yīng)之間的關(guān)系不發(fā)生變化,所以不進(jìn)行溫度壓力校正,并不影響準(zhǔn)確獲得油水兩相流量及油水兩相含水率,此時(shí)氣量起到的是催化劑作用。如果測(cè)量得到的各參數(shù)響應(yīng)值沒在特定的實(shí)驗(yàn)圖版上,可通過線性插值法獲得相應(yīng)的圖版。

3.2 解釋方法的使用

(1)氣相流量的確定。通過儀器測(cè)量獲得光纖探針響應(yīng)、渦輪響應(yīng)、含水率響應(yīng)后,使用圖版法進(jìn)行油氣水三相流的解釋。通過渦輪響應(yīng)與光纖探針響應(yīng)關(guān)系圖版(見圖8)確定氣相流量,如某一測(cè)點(diǎn)測(cè)量的渦輪響應(yīng)為40 Hz、光纖探針響應(yīng)為2 500 Hz,含水率響應(yīng)為0.7,通過查圖版法確定氣相流量。渦輪響應(yīng)為40 Hz與光纖探針響應(yīng)為2 500 Hz的交點(diǎn)位于氣量為3 m3/d和氣量為6 m3/d的2條曲線之間,通過線性插值的方法可得氣相流量為4.18 m3/d。

(2)油水兩相流量的確定。利用得到的氣相流量在渦輪響應(yīng)與油水兩相流量響應(yīng)關(guān)系圖版(見圖5)中,通過查圖版法確定油水兩相流量。對(duì)應(yīng)渦輪響應(yīng)40 Hz沿X軸方向畫一直線,與氣量為3 m3/d和6 m3/d的2條曲線分別有一個(gè)交點(diǎn),再通過線性插值獲得當(dāng)氣相流量為4.18 m3/d時(shí)的油水兩相流量為27.99 m3/d。

(3)油水兩相含水率的確定。利用得到的油水兩相流量和測(cè)得的含水率響應(yīng)確定油水兩相含水率:①在氣相流量3 m3/d時(shí)含水率圖版中(見圖6),通過插值法確定含水率響應(yīng)為0.7、油水兩相流量為27.99 m3/d時(shí)對(duì)應(yīng)的含水率Y1=81.94%;②在氣相流量6 m3/d時(shí)含水率圖版中(見圖6),通過插值法確定含水率響應(yīng)為0.7、油水兩相流量為27.99 m3/d時(shí)對(duì)應(yīng)的含水率Y2=93.02%;③通過插值法確定氣相流量4.18 m3/d對(duì)應(yīng)的油水兩相含水率Y=86.30%。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井實(shí)例

在喇10-xx井中使用組合測(cè)井儀進(jìn)行產(chǎn)液剖面測(cè)井,該井井口計(jì)量日產(chǎn)液量51.21 m3/d,化驗(yàn)含水率為96.6%?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)井所得的渦輪響應(yīng)、含水率響應(yīng)及光纖探針響應(yīng)值見表3。根據(jù)所測(cè)得的各參數(shù)響應(yīng)值,利用圖版插值法,確定了氣相流量、油水兩相流量和油水兩相含水率,完成油氣水三相流分相流量的解釋,解釋成果表見表4。測(cè)量全井合層產(chǎn)液量47.1 m3/d、全井合層含水率為96.3%,測(cè)量的流量與測(cè)量的含水率都與井口計(jì)量值非常接近,驗(yàn)證了解釋結(jié)果的可靠性。由表3可見該井中測(cè)點(diǎn)深度1 010.0 m對(duì)應(yīng)的層位SI(1)～SI4+5(2)為主產(chǎn)液層,同時(shí)也是主產(chǎn)水層和主產(chǎn)油層,測(cè)點(diǎn)深度1 070.0 m對(duì)應(yīng)的層位SII10+11～SII12-14為主產(chǎn)氣層。

表3 喇10-xx井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)

表4 喇10-xx井測(cè)井解釋成果表

5 結(jié) 論

(1)依據(jù)光纖探針-阻抗傳感器-渦輪流量計(jì)組合測(cè)井儀在多相流模擬井油氣水三相流中的標(biāo)定實(shí)驗(yàn),形成了光纖探針、渦輪流量計(jì)以及阻抗傳感器在三相流下的響應(yīng)圖版,建立了油氣水三相流的解釋方法,用圖版插值法確定氣相流量、油水兩相流量和油水兩相含水率,進(jìn)一步完成油氣水三相流分相流量的解釋,通過該方法解釋出產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量、含水率。

(2)在特定壓力情況下,渦輪響應(yīng)、油氣水三相總流量及光纖探針響應(yīng)之間的關(guān)系不發(fā)生變化,所以不進(jìn)行溫度壓力校正,并不影響準(zhǔn)確獲得液相流量及液相含水率,解釋方法簡(jiǎn)單易于計(jì)算,簡(jiǎn)化圖版標(biāo)定的工作量,使儀器更易推廣應(yīng)用。