水平井气水两相流型的测井识别实验研究

路 菁,吴锡令,黄志洁,王界益,彭原平,何峰江

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;2.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,河北燕郊065201;3.新疆石油管理局测井公司,新疆克拉玛依834000)

0 引 言

气水两相流型识别是生产测井研究的重要内容[1]。随着开发的深入,水平井常出现水淹严重、产量下降等问题。然而,沿储层水平展布的井眼为生产测井仪器测量带来诸多困难。井下混合流体会因密度差异产生重力分异,介质及速度分布剖面失去垂直井中的对称性,对于密度差异极大的气水两相混合流动来说,起伏的井眼更使井下流型复杂多变,难于监测识别。以往垂直井内采用居中取样、线性测量方式的仪器已不能全面反映井下真实状况[2]。为此,Schlumberger及 Sondex公司分别推出了Flagship[3-5]和阵列成像测井仪系列(CAT[6]、RAT、SAT)等采用非线性测量方式的新型测井仪器。

为探索开发中后期水平井内气水两相流型的测井识别方法,在多相流动模拟实验环路上,以空气和自来水为实验介质模拟这一阶段水平气井内两相流动情况,使用PL T生产测井系列与CAT组成的仪器串进行测量,结合透明井筒内的流型观察,研究利用测井响应准确识别水平井气水两相流型的方法。

1 水平井气水两相流动实验

1.1 实验装置及介质

实验装置(见图1)上的I号及II号实验井筒依据油气井开发常用的7 in(非法定计量单位,1 ft= 12 in=0.304 8 m,下同)与5.5 in套管的尺寸设计,内径分别为15.9 cm及12.4 cm,全长均为16 m,两端分别为长1 m的钢管,中间以便于流型观察的透明有机玻璃制成,双侧实验井筒可同时调整到任意倾斜角度。井筒内各相流体的流量由供给系统控制,在线仪表对实际流量、流动压力和温度进行计量,并存储于数据采集系统的数据库内。2个井筒间及井筒与流体供给系统间另设多组快关阀,可以瞬间切断任意井筒与外界流体的连通,实现关井模拟及关井持水率测量。

图1 多相流动模拟实验装置简图

实验使用的测井仪器串见图1。探头阵列的设计可使仪器同时对某一流动截面上12处流体进行测量,测量结果综合反映了流动截面上介质分布的非对称性特征,成像软件CA TView利用各探头响应对整个流动截面上的流动形态插值成像,结果可用于井下流型识别。

实验采用空气及自来水作为流动介质,实验条件(16℃、1 atm)(非法定计量单位,1 atm= 101 325 Pa)下均为牛顿流体,密度分别是0.001 2 g/cm3和0.999 2 g/cm3。

1.2 实验测量及结果

为模拟水平井井眼起伏,实验选择井斜角度θ分别为90°、85°、75°,并选择井斜45°作为对比。井斜角θ使用水平井钻井及开发惯用的规定方法,即将垂直向下方向到井延伸方向的夹角计为井斜角。另外,气井进入开发中后期井口产气量一般在几千到几十万m3/d不等,考虑天然气产出的过程中,由于温度及压力降低、溶解气逸出等原因,可使到达井口的体积流量增大几百倍,因此与上述气井井口产量相当的井下流量约为几十到几百m3/d。模拟这一阶段的水平气井井下气水两相混合流动时,将实验总流量QT选择性地覆盖从低到高的5个流量,分别为50、100、200、400、800 m3/d,并设计各总流量下的含水率 Cw分别为0%、10%、30%、50%、70%、90%(不含θT=800 m3/d)。

依据上述实验方案,逐一调整井筒倾斜角度、气水总流量及含水率,待双侧透明井筒内两相流动发展稳定后,用测井仪器串对Ⅱ号井筒内的气水混合流动进行移动测量,同时用摄像及摄影设备对井筒内已达到稳定的气水两相流动流型进行观察记录。仪器测量结束后,对II号井筒进行关井模拟,将井筒竖直立起测量气水界面在井筒内的高度 H,用这一高度与井筒长度L的比 H/L计算关井瞬时的关井持水率值。

实验最终得到116组流动测量的实验数据共计464项,其中每个实验点上均包括4类数据,分别为气水实际流量、流压及温度等在线计量数据、流型影像资料、测井仪器响应及关井持水率值。

2 水平井气水两相流动流型

2.1 气水两相流型划分

按介质分布形态不同,Barnea[8]将气水两相流型划分为如图2所示7种类流型,分别为分层流(SS)、波状分层流(SW)、环状流(A)、变形泡状流(EB)、段塞流(SL)、沫状流(CH)及分散泡状流(DB)。水平(θ=90°)气水两相流动中上述7种流型均可能出现;倾斜上坡(0°<θ<90°)气水两相流动中,只有在倾斜角度极其接近水平(70°<θ<90°)的情况下,才会出现SS或SW流型。

图2 水平及倾斜气水两相流流型分类

2.2 实验观察到的流型

图3是利用实验数据绘制的流型图,各井斜角度下的实验流型图均采用气、水表观速度作为横、纵坐标,这里气、水表观速度分别由实验计量的气、水实际流量Qg、Qw按照定义式vsg=Qg/A,vsw=Qw/A (A为流道横截面积)计算得到。

从图3中可见,为模拟开发中后期水平气井内两相混合流动设计井斜、总流量及含水率进行的测井实验中,II号透明井筒内出现了4种流型,它们分别是SS、SW、EB及SL。从不同井斜角度下各流型出现的流量及含水率范围看,水平井眼的倾斜使SS、SW流型逐渐消失,而倾斜程度的增加将进一步引起EB向SL流型的转换,对比井斜45°的实验流型图,可发现更大范围的SL流型。由于水平井完全水平的井段十分有限,因此根据实验结果及上述分析可知,开发中后期水平气井内最为常见EB及SL流型,其次是SS与SW流型。

3 水平井气水流型识别方法

3.1 流动参数识别法

假设测井过程中,井筒内流体在短时间内不会因温度及压力变化引起流动状态改变。分析生产测井可测3个流动参数,总流量、持水率及井筒倾斜角度与井下流型的关系,绘制了如图4所示的截面持水率和入口含水率关系图版(其中入口含水率为水相流量Qw与气水总流量QT=Qw+Qg之比)。

实验图版中显示,水平及近水平气水两相流动中,截面持水率值均大于相应的入口含水率值(所有数据点都高出橄榄色 Cw=Yw直线)。由于流速较低的相在井筒内截面内所占的面积较大,即具有较大的持率,故这一差异反映了气水两相速度差。差异大小随总流量的增大而减小,却随井眼偏离水平方向程度的增大而增大,对比井斜45°数据点这一规律更为明显。实验图版说明,随着总流量的增高,气水两相速度剖面趋于均匀平缓、两相速度差减小;但井眼偏离水平方向程度的增大却加剧两相速度的差异。

另外,以不同线形对不同流型的数据点进行分别回归。从回归的结果看,出现在同一井斜及总流量条件下的2种流型,回归线间会存在着明显的斜率差,这与不同流型下气水两相速度间存在差异有关,回归线间的交点即可用于指示井下流型的转换。因此,可利用实验图版中反映的开发中后期水平气井内流型与总流量、持水率及井斜角之间关系辅助识别井下流型。

3.2 流型成像识别法

用CA TView软件回放实验测得的CAT测井数据,得到流型成像共116组。图5为各井斜下典型实验流型与CAT流型成像对比,图像对比下方文字标示流动条件及对应流型分类。流型成像中黄、红、蓝色分别代表气、气水混合物及水,流体流向及仪器串运动方向由左至右。

通过大量对比水平及近水平(井斜90°、85°、75°)测井实验流型与CAT流型成像,发现CA T流型成像可以反映SS或SW流型气、气水界面及水在管道中成层分布的空间位置关系,可直观地识别出这2种流型。EB流型的变形气泡在CAT流型成像上显示为间断的红斑,斑的大小与变形气泡的体积成正比,而SL流型的气段在CA T流型成像上显示为较大面积的红色间断条带,据此可从上述流型成像特征区别EB、SL的2种流型。

但井斜45°测井实验的CAT流型成像质量则远不及水平与近水平测井实验的结果,足以区分EB和SL流型的成像特征不并明显,用此时的CA T流型成像结果很难准确识别流型。

图3 水平及倾斜气水两相流实验流型图

图4 水平及倾斜气水两相流截面持水率与入口含水率实验关系

因此在实验反映的开发中后期水平气井的水平段内,CAT仪器的成像结果可以直观地区分井下SS/SW、EB和SL流型,达到生产测井解释所要求的流型识别目的。但在非水平井段内应用CAT仪器测井结果识别流型时,还应参照其他生产测井可测量得到的流动参数,如总流量、井斜角及持水率值等,以得出更加可靠的判断。

4 结 论

(1)模拟开发中后期水平井气水两相流动进行的测井实验中,观察到这一阶段井下常见的4种流型分别为分层流、波状流、变形泡状流及段塞流,其中变形泡状流和段塞流为最主要的2种流型。

图5 水平井气水两相流动实验流型及CAT成像效果对比

(2)利用实验数据绘制的图版反映了水平气井内总流量、持水率、井斜角与井下流型的关系,可指导井下流型识别。

(3)CA T仪器的流型成像可直观地识别开发中后期水平井水平段内气水两相流型,但在非水平段内还应结合总流量、持水率及井斜角等流动参数对流型进行综合判别。

[1] 吴锡令.石油开发测井原理 [M].北京:高等教育出版社,2004:66-126.

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