低产水平井油水两相流阵列持水率计实验研究

秦昊, 戴家才, 秦民君, 裴阳, 王中涛

(1.西南石油大学地球科学与技术学院, 四川 成都 610500; 2.中国石油集团测井有限公司生产测井中心, 陕西 西安 710077)

0 引 言

持水率作为油井产出剖面评价的一个关键参数,对找准产水层位、采取措施、提高油气产量至关重要[1-2]。在水平井中,由于轻质相与重质相的重力分离,井下流体的流型非常复杂,与垂直井中的情形相比有较大差异,常规持水率测井仪器不适用于水平井。目前水平井中多采用阵列电容持水率计(CAT)和阵列电阻持水率计(RAT)获取井筒各相流体的持水率[3-9]。在低产水平井测井过程中,多种阵列持水率仪器一次下井,可以得到丰富的持水率测量资料。不同持水率测量仪器的测量原理和响应特征不尽相同,选择合理的持水率测井资料及计算方法对测井资料解释精度的提高至关重要。为此,本文结合长庆油田水平井普遍存在低产量的特点,在分析阵列电容持水率计和阵列电阻持水率计测井理论基础上,利用多相流动模拟实验装置开展与井下真实情况相似的水平井油水两相流模拟实验研究。

1 阵列持水率计测量原理

用于油、气、水三相流持率监测的阵列电容持水率计(CAT)由12个装有微探针的弓形弹簧片组成,12只探针圆周均布于井筒同一横截面上,形成一个监测环[3-9]。阵列电容持水率计的每个探头顶部具有微型的电容传感器,12只微型电容传感器具有相同的测量原理,利用油、气与水的相对介电常数性质差异识别流体性质,每只传感器都与测量电路连接,输出与周围液体介电常数相关的频率信号。气体相对介电常数等于1,探针在气体中测量的电容为低值;水的相对介电常数约等于80,探针在水中测量的电容为高值;油的相对介电常数介于气体与水两者之间,探针在油中测量的电容介于两者之间,相对而言更偏向于气体,从而每个传感器附近的相态可以根据电路的震荡频率识别。

阵列电阻持水率计(RAT)用于监测油水两相流中的各相持率,它由12个装有微电阻传感器的弓形弹簧片组成,其测量原理与CAT略有不同。阵列电阻持水率计每个微传感器以10 000个样点每秒的速度测量探针顶端和电极之间流体的电阻率,12微传感器圆周均布于井筒同一横截面上,形成一个监测环,每个传感器能探测流体信息,然后转化为局部流体持率[4-7]。

2 阵列持水率计持水率计算方法

2.1 平均插值法

平均插值法是指将阵列持水率计12只探测传感器的测量值利用线性插值原理求取每只探测器附近的持水率之后,然后对12只探测器所计算的持水率值进行加权平均,求出井筒持水率值。

阵列电容(电阻)持水率计在实际测量中,爬行器带动仪器向下爬行时阵列持水率计无响应,仅向上提时分别记录各微型探针的测量值。假定阵列电容(电阻)持水率计响应值与持水率呈正比例关系[2],用线性插值的方法求解每个传感器附近的持水率Yiw

(1)

(2)

式中,Yw为井筒持水率;Yiw为第i只传感器的持水率(i=1,2,3,…,12)。

2.2 分层界面法

分层界面法确定相传感器总横断面面积与管子横断面面积之比,其理论是各个传感器对总持相率测量的贡献随传感器相对井筒顶部的位置而变化。

阵列持水率计在测量时可提供方位数据,确定每个微传感器的具体方位,因此根据每只传感器的测量值判断传感器所在区域的流体性质。传感器全部在水中,则该传感器理论响应归一化值应为1;传感器全部在油中,其响应值应该为0。实际生产中,进行油水两相水平井生产测井的测量时,设置传感器响应值可能大于等于1,则传感器所在区域为全水层,传感器响应值小于等于0为全油层。

在低产水平井中,井内流体流型多为层流,层状流包括光滑层流、波状层流和滚波层状流3种[11-16]。当水平井段流型为光滑层流,若阵列传感器位置不处于油水层界面处,则阵列传感器测量值不会出现0～1的情况,只要统计传感器的测量值和相应节点的个数,即可知道处于油中的节点个数和处于水中的节点个数,持水率值为水相节点所占有的面积数除以井筒横截面积。当测量传感器位置处于油水层界面处时,井筒持水率计算方法与流型为波状层流和波状流时持水率计算方法相同。在油水流型为波状层流,油相和水相之间光滑的相界面出现波动,波动幅度与流量和持率相关。在波状流中,平稳流动处阵列传感器测量值为全水或者全油值,统计传感器的测量值和相应节点的个数,即可知处于油中的节点个数和处于水中的节点个数。在波状起伏处,阵列传感器测量值位于0～1之间,统计位于波动处传感器节点个数,即可知位于油水波动界面处的传感器个数,利用线性插值的方法求解每个位于油水波动界面处传感器的持水率Yiw,再乘以权重系数,最后加上全水传感器个数除以全油传感器个数再乘上权重系数,就是井筒持水率。

井筒持水率Yw为

(3)

式中,Yw为持水率;So为油相占井筒的截面积,m2;S为井筒截面积,m2;n为位于全油中传感器个数。

当阵列传感器在油相中的个数n大于7时,持水率Yw为

(4)

式中,Yw为持水率;Sw为水相占井筒的截面积,m2;S为井筒截面积,m2;n为位于全油中传感器个数。

3 持水率计响应实验研究

3.1 持水率计实验方案

在多相流动模拟实验装置进行模拟实验研究,井筒由透明有机玻璃制成,模拟井内径为5.5 in*非法定计量单位,1 in=25.4 mm,下同。实验采用柴油和自来水模拟原油和地层水,实验仪器组合为扶正器+阵列电容式持水率计(CAT)+中心电容式持水率计+阵列电阻式持水率计(RAT)+扶正器。实验过程中,实验仪器串居中测量,阵列电容持水率计和阵列电阻持水率计各自12个微传感器组成的监测环覆盖井筒横截面上所有流体,测量输出信号为3种持水率计的响应值。

进行油水两相实验时,将模拟井筒设定为0°井斜角,流量分别设置为3、10 m3/d和20 m3/d,含水分别设置为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。实验中持率计定点测量,记录中心持水率计、阵列电容持水率计和阵列电阻持水率计12只探测传感器的响应值。每一个测点完成后,然后瞬间关闭流管进出口,将井筒垂直,测量井筒中水柱油柱高度。

3.2 阵列持水率计响应特征

在极低流量下,阵列电容持水率计的测井响应值随含水率增加而线性减小。随流量的增加,流体流型从光滑界面层流向界面紊乱波状层流转变,其测井响应受油水流型变化影响严重,在低流量时,其当含水率大于40%时,电容阵列持水率计对油水的分辨能力显著降低。阵列电阻持水率计的测井响应值也随着含水率增加线性减小,但阵列电阻持水率计不受流体流量和流型的影响,并且随流量的增大,响应值一致性加强。

3.3 实验结论及分析

在0°井斜的情况下,设定极低流量3 m3/d、中低流量10 m3/d和低流量20 m3/d这3种液流量进行实验,记录3种持水率计的响应。根据3种持水率计(CAT、RAT和中心持水率计)响应值、实验所设定的液流量、含水值作出0°井斜下,关井持率、含水率和3种持水率仪器所测定的持水率响应关系图。

图1 0°井斜角,流量3 m3/d,持水率计响应计算值与含水率值关系图

图2 0°井斜角,流量10 m3/d,持水率计响应计算值与含水率值关系图

图3 0°井斜角,流量20 m3/d,持水率计响应计算值与含水率值关系图

图1、图2和图3分别是流量为3、10 m3/d和20 m3/d时,持水率计响应计算值与含水率值关系图。其中,RAT平均代表阵列电阻持水率计测井资料利用平均插值法计算的持水率;CAT平均代表阵列电容持水率计测井资料用平均插值法计算的持水率;中心电容代表中心电容持水率计测井资料计算的持水率;RAT分层代表阵列电阻持水率计根据分层界面法计算的持水率;CAT分层代表阵列电容持水率计根据分层界面法计算的持水率;关井持率代表模拟井筒瞬时关闭的持水率值。

图4 极低流量界面光滑层流中CAT和RAT每只传感器测量计算值与含水率的关系图及实验流型图

图1表明,极低流量时,与中心电容持水率计相比,2种阵列持水率计测井资料计算的持率更接近关井持率值。因为在极低流量水平管油水两相流中普遍存层流,有较为清晰的油水界面。随着含水率的变化,常规居中测量的仪器将只浸没于油相或水相中,中心电容计测量计算的持率值出现片面性,导致不能真实反映井中流体的分布情况;与RAT测量数据计算的持水率值相比,CAT测量数据计算的持率值更接近关井持率,并且分层界面法计算的持水率结果更加优于平均计算方法;对比阵列仪器测量数据所采用的2种持水率计算方法计算的持水率值,分层界面法所计算的持水率结果更加接近实际的关井持率。

从图2和图3可以看出,阵列电容持水率计受流量和含水率影响较大。随流量和含水率的增加,采用阵列电阻持水率计测井数据计算的持率结果更接近关井持率值。因为随流量的增加,井筒内流体流型从平稳的层状流逐渐转化为波状层流,并随含水率的改变,波状起伏的幅度也在改变。当井筒流量较低时,井筒内各相流体相对较为稳定,层界面稳定,此时,CAT能够较好地反映各相持率;当井筒流量较高时,井筒内流体流动较为复杂,可能出现油包水、水包油等现象,此时CAT测量资料失真,持水率计算结果与关井持率有较大偏差,并且流量越高,偏差越大。

3.4 阵列传感器测量值与流型

实验研究发现,可根据阵列仪器每个微传感器测量值定性判断井筒流体流型。根据流体流动及仪器结构的特点,在同一含水率条件下测量,当井筒流体流型是界面光滑的层状流时,阵列持水率计传感器节点未处于油水分界面,则每只传感器将完全处于单相油或者单相水中,阵列持水率计测量值等于在油或水的刻度值;若阵列持水率计传感器节点处于油水分界面处时,最多将有2个传感器节点位于油水分界面处,此时将有10～11只传感器将完全处于单相油或者单相水中,因此,阵列仪器12只微探头的测量值中最多有2只传感器的测量值位于油水刻度值之间(见图4)。

当井筒内流体总流量逐渐增大,油水界面间将产生波动,形成界面混杂波状分层流,此时位于全水相和全油相中的传感器节点数目减少,测量值处于油、水刻度值之间的传感器节点个数增多。因为当流量增大时,随着油流量逐渐增加,含水率逐渐降低时,因水量少,水没有形成单独一层,顶部为单相油,底部为水包油,形成上层油下层水包油;油流量进一步增加时,油变为连续相,水分散在油中,形成油包水;类似,当水流量逐渐增加,含水率逐渐增加时,将依次形成上层水包油下层水、水包油。因此,流量越大,波状起伏幅度越大,处于油、水刻度值之间的传感器节点个数越多[见图5(a)和5(b)]。图5(a)是中低流量下,波状层流中CAT和RAT每只传感器测量计算值与含水率的关系图;图5(b)是低流量下,界面紊乱层流中CAT和RAT每只传感器测量计算值与含水率的关系图。对比发现,随流量的增加,图5(b)中处于油、水刻度值之间的传感器节点个数多于图5(a)中处于油、水刻度值之间的传感器节点个数,同时明显可观察到,图5(b)中流体分层界面比图5(a)更加紊乱,流体流型更加复杂。

图5 波层状流中CAT和RAT每只传感器测量计算值与含水率的关系图及实验流型图

4 结 论

(1) 低产水平井中采用阵列持水率计测井资料计算的持率结果准确性高,并且随液流量和含水率的增加,与阵列电容持水率计相比,阵列电阻持水率计测量资料计算的持水率值可信度更高。

(2) 低产水平井中,不同的液流量下的测井资料计算持率的方法不尽相同。极低流量下,利用分层界面法计算的持率准确度高;低流量下,应采用平均插值法计算持率。

(3) 低产水平井中,根据阵列持水率计12只探测传感器的测量值与其在油水中的刻度值之间的关系可定性判断井筒流型。根据判定结果,可为低产水平井产出剖面测井资料处理及解释方法的选择提供参考。

参考文献:

[1] 戴家才, 郭海敏, 何亿成, 等. 水平井、斜井集流式生产测井实验研究 [J]. 测井技术, 2005, 29(6): 493-495.

宫腔粘连的预后与粘连严重程度有着密切的关系，轻度宫腔粘连如能及早治疗，绝大多数患者宫腔形态及内膜功能可以恢复，预后好，反之，随着组织纤维化发展，疾病进展为中重度宫腔粘连，导致预后差[7]。由此可见，及早诊断、合理分级、及时治疗宫腔粘连对于患者的预后具有重要的临床意义。宫腔镜下粘连分解术是目前公认的宫腔粘连的主要治疗手段，对于轻度宫腔粘连疏松的膜状粘连，宫腔镜外鞘可以完全分离粘连；对于中重度宫腔粘连的致密粘连，手术难度较大，子宫穿孔及出血等风险增加，手术时间延长，手术成功率低[8]。因此在临床上，如何及早诊断宫腔粘连并进行分度对疾病的治疗具有积极的临床意义。

[2] 郭海敏, 戴家才, 陈科贵. 生产测井原理与资料解释 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2007: 100-106.

[3] 董勇, 郭海敏. 基于CAT的水平管油水两相流动成像算法改进 [J]. 测井技术, 2014, 38(3): 262-266.

[4] ZETT A, WEBSTER M, NOORDERMEER A, et al. New Sensor Development Helps Optimize Production Logging Data Acquisition in Horizontal Wells [J]. Petrophysics, 2012, 187(2): 70-85.

[5] FRISCH G, JUNG M, ALLDREDGE P, et al. Providing Accurate Pl Interpretation With Multi-probe, Multi-sensor Tools in Segregated Flow Environments [C]∥The SPWLA 50th Annual Logging Symposium, 2009.

[6] FRISCH G, DORFFER D, et al. Improving the Process of Understanding Multiprobe Production Logging Tools from the Field to Final Answer [C]∥The SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 2009, SPE-125028.

[7] TORNE J, AREVALO F, JAY P, et al. A Successful Introduction of a New Tools Configuration and Analysis Method for Production Logging in Horizontal Wells [C]∥The Middle East Oil and Gas Show and Conference, SPE 140790, 2011.

[8] GYSEN A, GYSEN M, et al. Production Logging in Highly Deviated and Horizontal Wells: Moving From Qualitative to Quantitative Answers [C]∥The SPE Annual Technical Conference and Exhibition, SPE 133479, 2010.

[10] 杨睿. MAPS持率成像处理方法研究 [D]. 荆州: 长江大学, 2016.

[11] 杨梅, 吴锡令, 王志磊, 等. 水平井油水两相流型测量实验 [J]. 测井技术, 2008, 32(5): 398-402.

[12] 王春圣, 姜文芝, 谢景平. 持水率测量结果影响因素试验与分析 [J]. 长江大学学报(自然科学版), 2015, 12(20): 37-40.

[13] 倪莉, 刘兴斌, 胡金海. 阻抗传感器在近水平油水两相管流的实验研究 [J]. 测井技术, 2009, 33(3): 204-207.

[14] 黄志洁, 马焕英, 郭海敏, 等. 大斜度井电容阵列仪测井解释方法实验研究 [J]. 石油天然气学报, 2008, 30(2): 107-110.

[15] 曹玉东. 气液两相流与油水两相流流型现状研究 [J]. 石化技术, 2016, 23(1): 99.

[16] 刘军锋, 郭海敏, 彭原平, 等. 大管径水平管油水两相流动特性试验研究 [J]. 石油天然气学报, 2012, 34(7): 90-93.