煤层气井气水两相流分层测试技术

门相勇，闫霞，陈永昌，李忠百（1. 国土资源部油气资源战略研究中心, 北京 10004；2. 中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司, 北京 100095；. 中国石油集团测井有限公司华北事业部, 河北任丘 062550）

煤层气井气水两相流分层测试技术

门相勇1, 2，闫霞1, 2，陈永昌3，李忠百1, 2
（1. 国土资源部油气资源战略研究中心, 北京 100034；2. 中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司, 北京 100095；3. 中国石油集团测井有限公司华北事业部, 河北任丘 062550）

在前期研发累积式气体流量计的基础上，集成研制出一套煤层气井生产测试组合仪，以解决气水两相流分层测试的难题，并进行了现场实际应用。生产测试组合仪采用累积式气体流量计测试分层产气量，累积式气体流量计在井下可灵活转换为电容式持水率计测量持水率，结合伽马示踪流量计测得的流体流速，可求得分层产水量，满足了在煤层气井中气水同测和仪器集成小型化的要求。采用动密封压力平衡技术解决了累积式气体流量计在井下活塞开启时承压筒内外受力不平衡的问题；采用可释放导锥取代鼠笼式导锥，有效解决测试仪器入井困难的问题。测试仪器直径22 mm，可通过偏心井口下入到油套环空进行测试。现场测试时将仪器停靠不同煤层并采用递减法求得分层产气及产水量，以此对合层排采井进行产气、产水分层评价。现场应用效果显示仪器具有小型化、测试精度高、测量时间短、不影响生产等优点，具有广阔的推广应用前景。图6表3参18

煤层气井；气水两相流；分层测试；小型仪器

引用：门相勇, 闫霞, 陈永昌, 等. 煤层气井气水两相流分层测试技术[J]. 石油勘探与开发, 2017, 44(2): 289-294.

MEN Xiangyong, YAN Xia, CHEN Yongchang, et al. Gas-water phase flow production stratified logging technology of coalbed methane wells[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(2): 289-294.

0 引言

由于仪器尺寸、测量范围及工艺技术等特殊性导致目前煤层气井分层测试技术仅仅局限于室内实验[1-2]或少量应用在直径177.8 mm套管的煤层气井[3]。通常煤层气井的生产套管中会下入油管进行排采，无法同时进行气水产量分层测试，国内外尚无规模应用的成熟测试技术[1-11]。煤层气井油管内有采水泵，测试仪器只能过环空下井。大多数煤层气井生产套管外径139.7 mm（内径124.26 mm）、油管外径73 mm，因此测试仪器的外径被限制在25 mm以下。另外，煤层气开采过程往往采用多层分压合采，具有长期缓慢解吸的特点，单井产气量较低[12-13]（多在2 000 m3/d以下），对流量计的精度要求很高。目前常用的产液剖面测试技术有涡轮流量计测试[14-15]、电磁流量计测试[14]、同位素示踪流量测试[16]和超声波流量计测试[17-18]。集流式涡轮流量计不能用于射孔层段[14]，非集流式涡轮流量计若要满足尺寸要求就无法满足精度要求；电磁流量计不适用于液体中含有较大气泡和单相气体的测量[14]；超声波流量计与同位素示踪流量法只能用于单相水的测量[14,16]。上述测试方法均不适用于气水两相流。笔者[2]设计了容积式气体流量计，在室内常温、常压及气水两相流条件下进行测量产气量的实验。

本文在容积式（累积式）气体流量计的基础上，设计了新型动密封压力装置，使气体流量计在井下环境中可灵活转换成电容式持水率计，结合伽马示踪剂流量计进一步实现了在混相流体中对产水量进行分层测试，同时考虑了实际煤层气井在井底高压、高温与常压、常温状态条件下的气体体积换算、深度校正等问题。本文集成研发的煤层气井气水两相分层测试组合仪，实现了在多煤层开采、气水两相流状态下对各煤层产气量和产水量的测试，目前已成功应用于多个区块，并取得良好应用效果。

1 仪器集成与功能

煤层气井生产测试组合仪直径仅有22 mm，主要由传输短节、磁性定位器、压力及温度测量仪、伽马示踪仪器、电动扶正器、累积式气体流量计/持水率计和导锥构成（见图1）：①传输短节主要用于井下数据采集及传输。②磁性定位器是由两个同极性相对的线圈和钢丝构成，用于进行深度校正。③压力及温度测量仪主要部件分别是压力传感器与温度传感器，测量井底条件下的压力和温度，用于将测得的井下产量换算为地面条件下的产量。④伽马示踪仪器由示踪仪与伽马仪组成，主要用于测量液体的流速[14]。测量时将仪器停在射孔层段之上，地面系统通过电缆给示踪仪供电，使同位素从喷射孔喷出，已知喷射孔到伽马仪探头的距离，根据随着液体流动的同位素到达上方伽马仪探头所用的时间，可计算出液体的流速，从而得到液体的流量。⑤电动扶正器用于扶正测试组合仪，提高测试成功率。⑥累积式气体流量计由电路板、承压筒、马达、推拉杆、集气筒、活塞及电容电极组成[2]，用于测试产气量。利用新型动密封压力装置将累积式气体流量计转换成电容式持水率计，用于测试实际产水量。⑦导锥位于测试组合仪的最下方，用于通过油套环空将整套仪器送下井。为了解决煤层气井油套环空空间狭小、井况复杂等问题，本文研制出可释放式导锥来取代鼠笼式导锥。

图1 煤层气井气水两相分层测试组合仪结构图

2 仪器关键技术

2.1 电容式持水率计

累积式气体流量计用于测试分层产气量（见图2a）。流入集气筒内的气、水由于密度差异发生重力分异，采用电容传感器探测集气筒内介质电容的大小来判断气体是否充满，通过气体累积时间和累积体积求得气体流量。记录下不同深度气体流量，通过递减法求出各射孔层段的分层产气量。

鉴于累积式气体流量计具有电容电极的特点，若将集气筒上方的活塞置于打开状态（见图2b、图3），井内流体可以自由通过集气筒，利用其已有电容电极部件，根据电容持水率计的输出频率与持水率呈线性关系的特征（电容信号以频率采集），可将累积式气体流量计转换成电容式持水率计。通过测量测点处的流体电容信号（响应频率），根据（1）式计算得到持水率：

式中 Yw——持水率，%；Cg——在纯气中持水率计的响应频率，Hz；Cw——在纯水中持水率计的响应频率，Hz；C——测点处的持水率计响应频率，Hz。

图2 累积式气体流量计转换持水率计原理示意图

图3 活塞闭合和打开状态实物照片

根据伽马示踪流量计测量的流体流速、电容持水率计测量的持水率、套管的截面积等参数即可求出测点处的产水量，进而利用递减法求取分层产水量。

虽很懒惰，但很重要。茄果类、瓜类蔬菜作为喜钙类植物，对钙肥需求量较大，部分蔬菜甚至超过对氮的需求量，更远超磷。何金钢介绍：“如西红柿对钙的需求量仅次于钾，高于氮、磷等其他元素，处于所需营养的第二位。”另据杭州瑞年贸易有限公司业务代表袁军介绍，钙是一种惰性元素，本身分子结构不活跃，容易被土壤胶体固定，作物吸收困难。而且进入蔬菜体内后，钙只能随水通过导管向上运输，进入叶片、果实内后，再也出不来了。所以农作物缺钙主要表现在顶部、根尖等位置。常见的菜花和甘蓝的顶枯病、白菜的干烧心、黄瓜的烂龙头、西红柿的脐腐病等都是缺钙导致的。

2.2 动密封压力平衡技术

要实现以上设计思想进行煤层气井气、水产量同测，关键技术是如何将累积式气体流量计与电容式持水率计灵活地相互转换，关键难点是解决活塞开启时承压桶内外受力不平衡的问题，即如何实现推拉杆动密封压力平衡。本文设计了一种新型动密封压力平衡技术来解决以上难题。

当给仪器供电时，流量计马达在电路控制下通过正转或反转来驱动活塞关闭或打开（见图2）。仪器在井下时，承压筒内部压力是0.101 MPa（1 atm）、外部压力是井筒压力，两端存在的压差使下接头处推拉杆承受一个向内的推力，当压力增大至一定程度时会导致推拉杆弯曲而很难推出来。承压筒本身是封闭的，但推拉杆末端由于还需连接持水率计传感器等部件，必须暴露在承压筒外面，因而无法实现压力平衡，造成活塞在井下无法顺利完成打开或关闭状态转换。

为了解决上述问题，本文研制出一款由接头、推拉杆、压力平衡管、密封圈构成的新型动密封压力平衡装置（见图4）。其特点是：①承压筒具有3级动密封结构。大直径的动密封面使推拉杆受到向右的推力，小直径的动密封面使推拉杆受到向左的推力。由于推力大小与压差和推拉杆截面积成正比，因此使 2个小直径推拉杆横截面积之和与 1个大直径推拉杆横截面积相等，压力作用的结果使推拉杆受到的合力为零，从而实现压力平衡。②为了与密封接头配合，推拉杆直径采用由小变大、再由大变小的变径结构，由此解决了推拉杆末端暴露在承压筒外面的压力平衡问题。

图4 动密封压力平衡装置结构示意图

2.3 可释放式导锥

不同于常规油气井，煤层气井环套空间狭小、井况复杂，为了将整套仪器顺利下井，需要在仪器下方接有导锥。早期多采用直径较小的鼠笼式导锥，可满足小型化要求，上面的笼孔可方便井下气、水流入仪器。但在现场实际应用中，由于导锥抗碰强度小，损坏非常严重（见图5a），下井成功率低，同时其下井时带来的阻力影响了气、水流入效果。

为了解决上述问题，本文研制出一款可释放式导锥（见图5b），下井时将导锥安装在仪器最下端，保证仪器下井的成功率；测试时将导锥释放掉，气、水可以无阻力通过仪器，保证产量测量的准确率。

3 现场应用实例

3.1 现场测试流程

该井套管外径139.7 mm、套管内径124.26 mm、油管外径73 mm，测试仪器直径22 mm。通过偏心井口将测试仪器下入油套环空，在环空中完成示踪流量、累积式气体流量/持水率、磁性定位、压力、温度等测量。具体施工流程：①对各仪器进行测前刻度校正。②连接防喷装置和注脂泵管线，连接仪器，准备仪器下井。③仪器通过偏心井口下井。初始下井速度低于100 m/h，顺利下井后最大下井速度低于3 000 m/h。④停靠测点，测量温度、压力、自然伽马、磁定位、累积式气体流量、持水率、示踪流量曲线。在测试气体流量前释放掉累积式持气仪堵头。⑤采集齐全合格资料后，仪器以低于600 m/h的速度上提至距井口50 m时改为人工上提，以确保仪器安全出井。仪器完全进入防喷管后关闭井口，拆卸防喷井口。整个测试过程中煤层气井始终保持稳定、连续生产，测试持续时间为6.3 h。

图5 鼠笼式与可释放式导锥对比照片

3.2 现场测试结果

将生产测试组合仪分别停靠在 3号煤层（854～859 m）、11号煤层（901～903 m）进行点测，2层的集气时间分别为16.1 s、29.3 s。根据测井解释结果（见图6），11号煤层下部无其他煤层，所测向上气流量即为11号煤层产气量（238.2 m3/d）；3号煤层下部有11号煤层，所测向上气流量为3号与11号煤层产气量之和（608.0 m3/d），减去11号煤层产气量便可得到3号煤层的产气量（369.8 m3/d）。类似地，3号煤层上部无其他煤层，所测向下水流量即为3号煤层产水量（0.9 m3/d）；11号煤层上部有3号煤层，所测向下水流量为3号与11号煤层产水量之和（3.6 m3/d），减去3号煤层产水量便可得到11号煤层的产水量（2.7 m3/d）。因此，该井当前主力产气层是3号煤层，11号煤层为主要产水层和次要产气层。

图6 H×M井产出剖面测井解释成果图

3.3 产气及产水情况分析

对鄂东气田H区块射孔层段3号、5号、11号煤层进行了这类测试。

测试产气量对比分析显示，当前主力产气层为3号和5号煤层（见表 1），产气主要来源于偏上方的煤层，符合上部煤层气优先解吸的煤层气解吸规律。

表1 H区块测试产气量对比表

对4口井的测试产水量进行对比分析，显示3号煤层为主要产水层的有1井次，显示5号煤层为主要产水层的有2井次，11号煤层仅微量产水（见表2），表明H区块3号、5号煤层及其顶底板是主要的产水层位。

表2 H区块测试产水量对比表

3.4 仪器测量误差及精度分析

将煤层气井井口计量合层产气量、产水量与仪器在最上方煤层测到的向上气流量（测试总产气量）、最下方煤层测到的向下水流量（测试总产水量）进行对比，误差分析结果显示气、水流量测量平均误差分别为7.89%、7.06%（见表3）。

由于累积式气体流量计采用累积的设计思路，因此只要集气时间充足，便可测量到非常低的产量。例如在H×D井中测得11号煤层的产气量仅为2.3 m3/d。表明仪器的灵敏度足够高。

表3 误差分析结果表

4 推广前景

在鄂东气田L区块及LM区块同样利用该技术进行了生产测试，取得了各区块煤层气合层排采井的产气、产水分层评价结果。

现场实际应用效果显示，煤层气井气水两相流分层测试技术具有仪器小型化、测试精度高、测量时间短、不影响生产等优点。在中国包括山西、陕西、新疆和贵州等煤层气资源丰富的省区，大多数区块发育多套主力开发层系，为了节省投资、降低开发成本大多采用合层开采的开发方式。该项分层测试技术可以满足勘探开发部署评价、储量评估、排采生产制度调整等对单层评价的要求，因此具有广阔的推广应用前景。

5 结论

煤层气生产测试组合仪采用累积式气体流量计测试分层产气量，累积式气体流量计在井下可灵活转换为电容式持水率计测量持水率，结合伽马示踪流量计测得的流体流速，可求得分层产水量，满足了在煤层气井中气水同测和仪器集成小型化的要求。采用动密封压力平衡技术解决了累积式气体流量计在井下活塞开启时承压筒内外受力不平衡的问题；采用可释放导锥取代鼠笼式导锥，有效解决测试仪器入井困难的问题。煤层气井气水两相流分层测试技术解决了现场同时对各煤层产气量和产水量进行分层测试的问题，为分层评价提供了数据支撑。

现场应用效果显示，测试仪器具有较高的测试精度和较强的适应性。基于仪器小型化、测试精度高、测量时间短、不影响正常生产等优点，煤层气井气水两相流分层测试技术具有广阔的推广应用前景。

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（编辑 王晖）

Gas-water phase flow production stratified logging technology of coalbed methane wells

MEN Xiangyong1, 2, YAN Xia1, 2, CHEN Yongchang3, LI Zhongbai1, 2
(1. Strategic Research Center of Oil and Gas Resource, MLR, 100034, China; 2. National Engineering Research Center of China United Coalbed Methane Co. LTD, Beijing 100095, China; 3. Huabei Division, China Petroleum Logging CO. LTD, Renqiu 062550, China)

On the basis of the previous development of cumulative gas flow meter, a set of integrated coalbed methane (CBM) well production test instrument is developed and applied in field to solve the problem of gas-water phase flow production stratified logging test. This instrument uses a cumulative gas flow meter to test stratified gas production, which can be flexibly converted into a capacitive water holdup meter underground to obtain water holdup. Fluid flow rate can be measured by the converted capacitive water holdup meter combined with a gamma tracer flow meter, and hence stratified water production can be calculated. The instrument meets the gas and water production synchronous measurement and integrated miniaturization. A dynamic seal pressure balancing technology is applied to solve the unbalance between internal and external forces of pressure cylinder when down-hole piston is open in the well. The use of novel releasable guide cone to replace the squirrel cage guide cone effectively solved the difficult problem of the instrument entering the CBM well. With a diameter of only 22 mm, the instrument can be run in to the annulus through an eccentric wellhead. In field test the gas and water production of different layers can be obtained using declining method by placing the instrument at different coal seams, to evaluate gas and water production of different layers in commingle production CBM wells. Field application shows that the instrument has the advantages of small size, high measuring precision, short measuring time, and no disruption on well production, etc., and exhibits a broad application prospect in CBM development.

CBM wells; gas-water phase flow; production stratification logging; instrument miniaturization

国家科技重大专项“煤层气井生产测试技术研究”（2011ZX05038-003）；国家科技重大专项“煤层气开发指标预测技术研究”（2016ZX05042002-003）

TE273

A

1000-0747(2017)02-0289-06

10.11698/PED.2017.02.15

门相勇（1971-），男，山东高密人，博士，国土资源部油气资源战略研究中心高级工程师，主要从事煤层气勘探开发研究。地址：北京市西城区兵马司胡同19号，国土资源部油气资源战略研究中心，邮政编码：100034。E-mail：men_xy@163.com

2016-02-29

2016-12-30