气体分流型产液剖面测井仪在多相流模拟装置上的实验

李军,黄春辉,胡金海,刘艳玲,卞红梅,廉建东

(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

大庆油田目前处于高含水开发期,受原油伴生气以及水驱、气驱等因素的影响,生产井普遍存在产气、脱气现象,因此,目前油井油/气/水三相流现象普遍。对于垂直井筒中油/水两相来说,已有成熟的产液剖面测量技术,阻抗式产液剖面测井仪[1-3]已在大庆、吉林等油田广泛应用,并获得了良好的效果。该仪器在油/水两相流水为连续相时对持水率的变化响应灵敏,具有很好的重复性、一致性,能提供可靠的含水率信息,但是对于油/气/水三相流,由于气液之间密度差异大、气泡的表面张力大,导致气液混合不均匀,油/气/水三相流体的流型、流态复杂,严重影响了仪器的测量精度[4-5]。因此,急需开发一种简单、有效的三相流条件下提高产液剖面测井质量的新技术。

大庆油田测试技术服务分公司早期采用集流式流量计和放射性密度计组合来测量三相流[6-7]。近年来,陆续研发了光纤持气率计[8]、低产液三相流测井仪[9]等新仪器。光纤持气率计通过测量三相总流量、持水率和持气率,结合温度、压力测量,采用解释模型获得油/气/水的分相流量。低产液三相流测井仪利用油、气、水三相密度差异,在重力作用下分层累积,通过测量油水界面的下移时间测量油相流量。由于三相流测井仪器技术相对复杂、标定工作量大、解释复杂,推广应用受到一定限制。

为进一步提高油/气/水三相流条件下的产液剖面测井质量,本文在阻抗式含水率计的基础之上研制了气体分流型产液剖面测井仪,提高了三相流条件下的产液剖面测井质量。

1 气体分流原理与仪器结构

在井下实现气液实时分流,使气体不流经测量通道,不测量气体,只测量液体,达到三相流条件下保证产液剖面测井资料质量的目的。在阻抗式含水率计的基础上,设计了用于分流气体的气液分流器。气液分流器安装在伞式集流器顶端,分流器的入口在集流器顶部,在油/气/水三相流中,由于气体的密度小,聚集在集流伞顶部,气体经入口进入分流器分流出去而不经过测量通道,液相流体则进入到测量通道内进行测量,从而减小了气体对测量的影响,提高了测井精度。

仪器结构包括集流伞、气液分流器、涡轮流量计、含水率计及电路短接。气液分流器安装在集流伞的上部。气体分流通道入口在集流伞内部的顶端,出口位于集流伞外部。三相流中气体在集流伞顶端从进气孔进入分流通道,从排气出口直接排出。而液相流体则从进液口进入到测量通道内部进行测量,从出液口流出仪器。测量段内由涡轮流量计和含水率计组成。

2 实验室动态模拟实验

实验在大庆油田多相流实验室的油/气/水三相流实验室进行。有机玻璃井筒内径为125 mm,实验介质为清水、柴油和空气。涡轮流量计及阻抗传感器内径为19 mm。根据仪器的工作原理及仪器结构等条件,实验时气体流量分别为3、5 m3/d,油/水液相流量范围3～60 m3/d,含水率调节范围50%～100%。分别在单相水、油/水两相、油/气/水三相条件下进行了模拟实验,与原阻抗式产液剖面仪器进行了流量标定对比实验。

2.1 单相水及油/水两相流中的流量标定实验

气体分流型产液剖面测井仪在单相水及油/水两相流中进行了涡轮流量计的动态标定实验,标定图版见图1。油/水两相流中流量范围5～60 m3/d,含水率50%～100%。实验结果表明,①涡轮流量计工作稳定,在单相水中涡轮响应与水流量有较好的线性关系。②在油/水两相流中涡轮响应与流量具有较好的线性关系,并且油/水两相含水率变化时涡轮响应不变,涡轮响应不受油/水比例变化的影响。

图1 在油/水两相流中的流量标定图版

2.2 油/气/水三相流中的流量标定实验

在不同气体流量条件下标定了气体分流型产液剖面测井仪在油/气/水三相流中的涡轮流量计响应曲线。图2为气体流量分别为3 m3/d和5 m3/d时变化液相流量及液相含水率测量的涡轮流量计流量标定图版,液相流量从60 m3/d逐渐递减5 m3/d,含水率从100%逐渐递减到50%。测量数据表明,①在同一气体流量下保持液相流量不变、液相含水率从100%变化到50%时,涡轮响应数值基本不变,即涡轮响应受油/水比例变化影响很小。②加入气体流量5 m3/d和3 m3/d时标定的涡轮响应规律一致,没有随气相流量的增加而增加。③由于气液分流器的作用,气体主要在集流伞顶端从分流通道直接排出,测量通道内以液相流体为主。但在气量较大时会有少量气体随机进入测量通道,对流量仍有一定影响,在低流量时涡轮流量计响应灵敏度相对偏低。

图2 在油/气/水三相流中的流量标定图版

2.3 气/水两相流中的流量标定实验的对比分析

为了解气体分流型产液剖面测井仪在油/气/水三相流下流量测量效果,分别在分流气体和未分流气体2种情况下进行标定实验,实验中用气/水两相流模拟油/气/水三相流。水流量范围1～60 m3/d,气体流量分别为1、3 m3/d和5 m3/d。

图3为未使用气液分流器时在气/水两相流条件下的涡轮响应图版。涡轮在低液量和高流量时有不同的规律,在水流量高于10 m3/d时,保持气量不变,涡轮响应与水流量呈线性关系。而在低液量下,即在水流量低于10 m3/d时,涡轮响应与水相流量呈非线性关系,而且随着气量的增加,气相对涡轮起主导作用,使涡轮响应明显偏高,此时涡轮对液相流量失去了分辨能力。因此,涡轮流量计在气/水两相流中测量低液相流量会有较大误差,误差计算结果表明多数测点的引用误差大于5%,最大测量误差达到21%。

图4为气体分流型产液剖面测井仪在气/水两相流条件下的流量标定图版。标定结果表明:加入不同气体流量时,涡轮响应与水流量呈线性关系,涡轮响应频率与清水中的涡轮频率基本相同。在较低液相流量时,涡轮响应频率没有明显向上偏高,而是呈较好的线性关系,说明气体分流器的设计起到了分流气体的效果。将加入不同气体流量时标定的涡轮响应频率取平均值得到气/水两相流条件下的流量标定曲线,用平均值曲线作为标准曲线进行流量误差计算。表1是在不同气相流量条件下,液相流量分别为1、3、5、10、20、40、60 m3/d时涡轮流量计在气水两相流条件下标定的引用误差,分别用δq1、δq3、δq5、δq10、δq20、δq40、δq60表示,计算结果表明:在加入气体流量为5 m3/d以下时引用误差不大于5%,加气时的流量测量误差明显减小,尤其是低流量时测量精度明显提高,气体分流器能够提高低气量条件下的液相流量测量效果。

图4 分流气体时涡轮流量计气/水两相流标定图版

表1 气/水两相流流量测量误差

2.4 油/气/水三相流中含水率标定实验

图5为未安装气体分流器的阻抗含水率计在加入气体流量3 m3/d时标定的油/气/水三相流含水率响应图版。实验结果表明:加入气体后相对应的含水率响应明显降低,测量的含水率明显低于标准含水率;尤其是在低流量、高含水时,气体对含水率测量影响尤为严重。误差计算结果表明,液相流量越低含水率测量误差越大,最大测量误差达到30%。

图5 未分流气体时气流量3 m3/d时油/气/水三相中的含水率标定图版

图6为气体分流型产出剖面测井仪在加入气体流量3 m3/d和5 m3/d时标定的油/气/水三相流含水率响应图版。实验结果表明,由于气体经气体分流器排出,没有流入测量通道,加入气体后相对应的含水率响应与未加入气体的含水率响应曲线基本一致,测量的含水率与标准含水率基本一致。在低流量、高含水时,含水率仪器响应有明显改善。将加入不同气体流量时的含水率响应值取平均值,利用这些平均值制作的图版作为油/气/水三相流条件下的含水率标定图版,以该图版为标准进行误差计算。表2是不同液相流条件下误差计算结果,其中δk90、δk70、δk50表示气相流量为5 m3/d且含水率分别为90%、70%和50%的含水率测量误差。结果表明,加入不同流量气体后含水率测量误差不大于6%。在气量较大时会有少量气体随机进入测量通道,对含水率测量有一定影响,含水率越高含油量越少,液相含水率增大时含水率测量受气相分流效果影响越大。实验结果表明,气体分流器显著提高了含水率测量精度,测量精度提高20%以上。

图6 气体分流型产出剖面测井仪油/气/水三相中的含水率标定图版

表2 气相流量5 m3/d条件下含水率分别为90%、70%和50%的含水率测量误差

3 结 论

(1)油/气/水三相流中的实验结果表明加入气体流量在5 m3/d以下时流量测量误差不大于5%,含水率测量误差不大于6%。

(2)在低产气条件下,气体分流型产液剖面测井仪能够有效提高流量及含水率的测井效果。

(3)气液分流型产液剖面测井仪结构简单,与三相流测井仪相比,标定工作量小、资料解释简单、易于规模应用。

(4)要进一步进行现场试验评价及对比分析,优化仪器结构,投入现场应用。