国内产液剖面测井技术面临的挑战与取得的新进展

胡金海 黄春辉 刘兴斌 张玉辉 王延军

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163453)

0 引 言

产液剖面测井动态监测贯穿于油田开发的全过程，提供重要的储层动用信息，识别高含水层，了解油井的生产状态，为开发方案编制和调整，以及堵水、压裂、补孔等油层改造和增产措施提供重要依据，是精细油藏描述、确定剩余油动态变化的基础资料。国内已形成了多项产液剖面测井技术，其中放射性密度法、电导法、电容法等测量技术较为广泛应用。油田开发初期，采用电容式传感器测量持水率的方法［1］取得了一定的效果。但是随着油田的持续开发，逐渐进入高含水开发阶段，油井综合含水不断升高，电容法已不能满足高含水的测井需求。阻抗式含水率计是大庆油田专门针对高含水井含水率测量而设计的，采用电导传感器通过测量传感器内油水混相介质的阻抗随含水率的变化来确定含水率。该仪器具有结构简单、无可动部件和阻流元件，仪器稳定性好等优点。但是，随着油田进入高含水开发后期以及仪器的广泛应用，尤其是在特高含水的情况下对仪器的测量精度提出了更高的要求。涡轮流量计已广泛应用于井下油/水两相流流量测量［2、3］。涡轮流量计具有结构简单、仪表常数稳定等优点，取得了良好的应用效果。但是由于存在可动部件，容易砂卡和磨损，测井成功率低。特别是在三元复合驱采油之后，产出液粘度增大，导致涡轮流量计出现不适应的情况。涡轮流量测量方法已不能满足复杂情况下的测井要求。近年来，斯伦贝谢等西方公司虽然发展了生产测井仪器系列，研制了基于阵列探针的水平井成像测井仪器，但这些技术主要适用于高产液井，难以适用于国内的低产井。因此，急需发展与国内地质条件和开发方式相适应的产液剖面测井技术，满足油田开发对监测技术的迫切需求。

1 国内陆上油田产液剖面测井技术面临的挑战

随着油田的持续开发，对产液剖面测井仪器的含水率测量分辨率、流量的测量下限、三相流的测量提出了挑战，同时仪器对水平井、大斜度井、特殊管柱及注入介质的改变的适应性也提出了挑战。

1.1 高含水条件下仪器的分辨率提出挑战

国内主要陆上油田进入高含水开发期，以大庆油田为例，已进入高含水后期开采阶段，其中喇萨杏油田已进入特高含水期开发，部分区块和层系进入油田开发后期。对喇嘛甸油田的统计结果显示，自2004 年起综合含水已达到92%以上，目前含水率超过95%的油井数已占30%多，在90%到95%之间的占40%多。在高含水油井中检测出无开采价值的特高产水层，进而采取相应的措施已成为油田开发的重要问题。现有的产液剖面测井技术在测量分辨率和测量精度上都难以从多层系开发的油井中确定出特高产水层，无法更好地满足油田生产的实际需要，研制高分辨率的含水率计成为亟待解决的问题。

1.2 特低产液下流量的测量下限提出挑战

国内的低渗透油田普遍产液量低，这部分油田单井产液介于1 m3/d ～10 m3/d，含水50%左右或更低，部分井的产液量甚至低于3 m3/d。例如大庆采油八厂一些油井总产液量在2 m3/d 左右，甚至低于1.5 m3/d，还要射开4 各层以上，所以平均单层产量不足0.5 m3/d。而目前使用的产液剖面测井仪器的流量测量下限偏高，造成测量结果偏差较大，影响测井资料的准确性。因此，急需研制一种适用于大庆外围以及其它低渗透油田的低产液条件下的产液剖面测井技术，满足低渗透油田低产井开发的需要。

1.3 水平井、大斜度井、特殊管柱及注入介质的改变对仪器的适应性提出挑战

水平井、大斜度井的开发给产液剖面测量提出了新的挑战，存在着不同于垂直井中的技术难题;注入井中注入介质的变化影响着产液剖面测量效果，在聚合物驱采出的油井中产出聚合物溶液严重影响涡轮流量计的测量效果，甚至导致不能工作，三元复合驱面临的情况比聚合物驱更加复杂;采用特殊管柱工艺的产出油井，需要特殊结构、特定要求的产液剖面测井仪。

1.4 开发可靠的三相流测井技术是当务之急

大庆、吉林等国内老油区和低渗透油田，多数油井为油气水三相并存，原有的油水两相流测井仪器已无法满足要求，解决三相流油井的测量问题已经无法回避，开展油气水三相流的基础研究、认识其流动规律并探索安全、环保、可靠的三相流测井方法是当务之急。

2 产液剖面测井技术取得的新成果

针对所遇到的挑战及技术瓶颈，需要对现有技术进行完善和工艺上的改进、开发新型的传感器。开发出了应用于高含水油井的高分辨率含水率计、油水两相电磁流量计;开发出应用于低产低渗油田的分离式产液剖面测井仪;开发了用于三相流油井的光纤持气率计;开发了针对水平井的水平井测井新技术;开发了针对特殊管柱工艺的同层注采储存式含水率计等。

2.1 用于高含水油井的分流式高分辨率含水率计及油水两相流电磁流量计

2.1.1 分流式高分辨率含水率计［4］

分流式含水率计在原有阻抗含水率计技术基础上，在阻抗传感器内置一分流管，并通过合理设置上下进液口，可以使流过阻抗传感器流体中的水相部分得到分流，降低了流过阻抗传感器流体的含水率，从而提高了阻抗传感器在高含水条件下含水率测量分辨率，如图1所示给出了仪器示意图。相比于原阻抗含水率计3%的分辨率，在含水率60% ～100%范围内分辨率可达2%，动态加密标定图版如图2 所示。该项技术具有很好的重复性和较高的分辨率，能够识别出特高含水层，能够为高含水和特高含水井产液剖面测井提供技术手段，目前正在现场试验阶段。

2.1.2 油水两相流电磁流量计［5］

图1 分流法高分辨率含水率计结构示意图

图2 仪器含水率响应图版

电磁流量计由于无可动部件及阻流元件，被广泛应用于地面单相的、导电(如水)流体的流量测量，也广泛应用于油田注水井、注聚井的注入剖面测井中。所研制的应用于高含水油井电磁流量计用于测量油/水两相流的流量目前已经开展了实验及研究，并见到了很好的效果。该方法的研究成功，率先将电磁法用于井下油/水两相流产液剖面测井中，拓宽了电磁法进行流量测量的使用范围，作为涡轮流量计的补充使用，可提高测井成功率。在高含水情况下，同一流量时不同含水率下仪器响应频率值接近，显示出电磁流量计在油/水两相情况下标定结果与含水率无关，并与清水中标定结果基本一致。如图3 所示为油水两相电磁流量仪器结构示意图，如图4 所示为油水两相下的仪器测量响应图版，从图上可知仪器的流量上限可达120 m3/d，当含水率高于80%，流量高于20 m3/d 时，测量误差在±5%以内。

2.2 用于低产液油井的分离低产液找油仪［6］

图3 油水两相电磁流量仪器结构图

图4 两相流下的仪器测量响应图版

基于分离法的低产液测量仪进液孔位于传感器的下方，集流器的下沿，当集流器工作时，在驱动电机的作用下，集流器被撑起，套管内的截面空间被封闭，向上流动的油/气/水三相在集流器下方汇聚，由于密度差异和重力分离作用，气相析出处于撑开的集流伞最上方的气相分离腔内，由上而下依次为油相分离段和水相分离段，油相分离段和水相分离段之间存在油/水界面。位于集流伞中心管上的四个油/水界面测量电极处于水相分离段时，其与仪器外壳之间构成的回路导通，测量信号输出高电平;随着流体不断累积，油/水界面不断下移，4 个油/水界面测量电极依次处于油相分离段，其与仪器外壳之间构成的回路截止，测量信号输出低电平。由油/水界面测量电极输出信号的高低电平的时间差，即可求出油相流量。如图5 所示为分离低产液找油仪原理示意图，如图6 所示油流量测量的响应曲线。

2.3 用于三相流油井的光纤探针持气率计［7、8］

气体的光学指数接近1，水是1.35，原油是标准的1.5，利用光学探头对流体光学指数(折射率)的灵敏性进行气体探测。光线由红外发光二极管发射到光纤中，传到探头的尖端。然后，根据流体的光学指数，一些光被反射回光电二极管。气体和液体之间的信号幅度差别很大，该系统略有二元性。为了从液体中识别气体，设定了一个阈值，大于阈值的信号即认为是气体。如图7所示给出了光纤持气率计工作原理示意图。如图8 所示为光纤探针在三相下的响应，图上以标准含气率为横坐标，以光纤探针仪器响应的平均值为纵坐标，绘制气/水两相流持气率响应图版，可以看出，各个流量点下探针响应与标准含气率呈正比例关系;20 m3/d 以下随着流量的升高，仪器响应逐渐增加，曲线斜率逐渐增大;当流量到达30 m3/d 以上时，在含气率一定时，各流量点的响应值随流量的增加不再变化，各条曲线基本重合，仪器响应与标准含气率呈近似正比例关系。

图5 分离低产液找油仪原理示意图

图6 分离低产液找油仪油流量响应

图7 光纤持气率计原理示意图

2.4 用于水平井测量的新技术

2.4.1 复合式电容传感器［9］

复合式电容传感器由同轴电容传感器和筒状电容传感器组合而成。同轴电容传感器由内插电极棒和其外部包裹的绝缘层构成，筒状电容传感器由圆筒状金属层电极和其内、外两侧包裹的绝缘层组成，将两个电极都做密封处理与外壳绝缘并引出导线接同一个激励，在电路上是并联方式，外壳接地。如图9 所示为复合式电容传感器剖面图，如图10 所示为水平条件下油水两相流响应图版。

图8 光纤持气率计的响应

图9 复合式电容传感器剖面图

图10 复合式电容传感器水平条件下响应图版

2.4.2 热式相关流量计［10、11］

如图11 所示为测量原理示意图，当流体流过圆形测量管段中的热源发生器时，利用脉冲方式控制电容对热源发生器放电，在极短的时间内电容能够为热源发生器提供一个较大的功率，使热源发生器快速发热，根据热传导原理进而加热热源发生器周围的运动流体，使流体温度迅速升高，产生热脉冲流体。当热脉冲流体流经热源发生器下游的温度传感器时，由于流体温差原因，将引起温度检测传感器的测量信号突变，形成标记脉冲。根据时域互相关算法原理，对两个温度传感器检测的信号波形进行互相关运算，可以求出热脉冲流体流经两个温度传感器的时间，称为渡越时间。设定圆形测量管段的直径为D、两个温度传感器的间距为L、渡越时间为τ、流体的测量流速为V、流体的测量流量为Q，则有以下关系式成立:

由式(1)和式(2)就可计算油/水两相流体的总流量。

图11 测量原理示意图

如图12 所示为全水、全油及不同含水率5 种情况下的实验图版，对5 种情况同一流量下的流速数据进行取平均计算，根据平均结果进行线性拟合得出相应的流速—流量模型，拟合曲线的线性较好;然后计算5 种情况下流速测量值与平均值的偏差，流速测量值与平均值的最大偏差均在5%以内;通过实验对比发现，仪器响应规律与含水率之间无明显规律，即受含水率影响较小。理论分析和在多相流实验装置上的动态实验说明:热示踪相关流量计可以用于水平井油/水两相流流量的测量。流量测量范围及精度为1 m3/d ～30 m3/d，8%FS;含水率适用范围为0 ～100%。

图12 流量流速关系图

2.5 用于特殊管柱的同层注采存储式产出剖面测井仪

用于油田同层注采井中监测经管柱油水分离装置分离后回注到地层的水中含油情况和注入量情况，从而监测分离效果，是一种在新型注采管柱中采用特殊结构的含水率计测量含水率的技术。井下存储式含水监测仪的结构示意如图13 所示，仪器自下而上由下水的矿化度测量传感器(下传感器)、油水混合电导率测量传感器(上传感器)［12］及电路筒组成，油水混合电导率测量传感器上、下分别有进液口和出液口，所测得的油水混合电导率通过对水的矿化度校正可得流体的含水率。

图13 井下存储式含水率监测仪机械结构示意图

如图14 所示给出的是含水率监测仪连续工作170 d的测量结果，从图14 可以看出1 月10 日～1 月14 日只有一次测试含水率96%，其余100%(仪器如果处于全水状态时仪器中的两个传感器测量值一致，并且测量值稳定没有波动)。根据仪器的工作原理，仪器上全水值测量传感器利用油水重力分离原理，在含水率5O%以上时，传感器处于水中，测量值为全水值，流体流过的传感器为混相值测量传感器，当流体全是水时，两个传感器值一样，所以判断含水100%时不存在误差。1 月14 日有油泡流过，经了解当天泵停抽，应该是停抽后漂过的油泡，此后井内为全水状态。

图14 含水率监测仪连续工作170 d 的测量结果

3 未来产液剖面测井技术发展趋势

3.1 油气水三相流的发展趋势

针对油气水三相流的问题，如图15 所示给出技术路线，可以总结出两个技术路线。一方面研究其在井筒和仪器测量通道内的各相分布和流速分布，研究流型、流态，以及流型演变规律，在此基础上，研究基于光纤探针阵列的在线测量方法和传感技术;另一方面研究气相分流的工艺，将三相流问题简化为两相流问题，采用两相流的技术解决问题。

3.2 水平井产液剖面测井技术的发展趋势

对于水平井的产液剖面测量，国内还主要采用集流的测量方式，集流的测量方式可以使产出流体得到混合，可克服流型流态的影响，并且可以提高流体流速，提高流量测量效果，但集流的测量方式会改变流体在井筒中的正常流动状态，影响仪器的测量效果，采用全井眼阵列传感器，减少对流体的干扰，为此开发基于阵列电导探针传感器［13］或阵列电容传感器与阵列涡轮传感器或阵列热式流量计相组合，可直观给出流体的正常流动状态。

图15 三相流技术路线图

4 结 论

针对高含水井、低产液井、水平井及油气水三相流等测试需求，开发了系列方法，研制了相应的测井仪器，为形成工程化技术奠定了基础，这些技术的研究成功将重点解决高含水、低产液油井、水平井多相流产出剖面测井等监测难题，在国内主要老油田推广应用，为油田增储上产、提高采收率提供技术支撑。并结合目前现有生产需求提出了未来技术的发展趋势。

1)对于三相流的测量，一方面采用传统直接测量手段，一方研究一方面研究气相分流的工艺，将三相流问题简化为两相流问题。

2)对于水平井，开发基于阵列电导探针传感器或阵列电容传感器与阵列涡轮传感器或阵列热式流量计，相组合技术。

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