水平井油水两相流持水率测量方法实验研究

王延军,袁旭东,冀龙生,薛辉,李荣强,王增林

(1.中国石化胜利油田分公司油藏动态监测中心,山东东营257000;2.青岛理工大学信息与控制工程学院,山东青岛266525;3.中国石化胜利油田分公司,山东东营257000)

0 引 言

水平井油水两相流产液剖面测井技术是水平井高效开发的重要支撑技术,水平井油水两相流产液剖面测井资料为水平井优化注采方案、堵水、调剖等增产措施的实施及效果评价,提供必需的关键参考资料。由于水平井中油水两相流流型复杂多变[1-4],水平井中油水两相流持水率的测量相对于垂直井更加困难。

目前,中国的测井公司自主研制的水平井产液剖面测井系列仪器普遍采用集流式测井方案,采用电容法(通常采用筒状电容传感器)和电导法(通常采用环形电导传感器)组合进行油水两相流持水率测量[5-10]。但是,工程实际应用中存在问题:电容传感器容易受到原油沾污的影响,测量精度难以保证;环形电导传感器在水平井中由于无法实时在线校正温度和矿化度的影响,导致持水率测量误差增大。

国外测井公司普遍采用阵列式转子流量传感器、阵列式电学/光学持率传感器分布在井筒流动界面的不同方位,分别测量油水分相流量和相持率。Baker Atlas公司的阵列电容流量计和Sondex公司的电容阵列测井仪,都是采用阵列电容传感器测量持水率[11-12]。Schlumberger公司的流体扫描成像仪,采用5个转子流量传感器、6个电导探针传感器和6个光纤探针传感器,分别测量油气水分相流量、持水率以及持气率[13]。现场实验证明,国外测井公司的上述测井仪器,不适用于中国中低产液水平井的产液剖面测井。为解决中国中低产液水平井的产液剖面测井问题,必须根据中国水平井的开发特点进行自主创新。

该文采用集流式测井方案,设计了环形阵列电导传感器与周向阵列电导探针传感器组合结构,利用周向阵列电导探针传感器测量水相电导率的方法,解决了环形阵列电导传感器测量持水率时的温度和矿化度校正问题,并在此基础上开展了模拟井实验,验证了该方法的可行性。

1 水平井油水两相流电导传感器持水率测量原理

胡金海等[5]、刘兴斌[14]提出了一种用于垂直井中产液剖面油水两相流持水率测量的四电极环形阵列电导传感器,采用这种四电极环形阵列电导传感器测量水平井中产液剖面油水两相流持水率时,由于无法测量到水相电导率,不能校正地层环境温度和流体矿化度对持水率测量结果的影响,导致持水率测量误差大。该文设计了一种环形阵列电导传感器与周向阵列电导探针传感器组合结构的持水率测量传感器,采用周向阵列电导探针传感器测量水相电导率,在此基础上校正地层环境温度和流体矿化度对持水率测量结果的影响,提高持水率测量精度[15]。图1为水平井油水两相流持水率测量传感器示意图,包括A、B这2类不同结构的电导传感器。A类为环形阵列电导传感器,由4个圆环形电导电极(图1中1～4所示)按照一定间距排列构成;B类为周向阵列电导探针传感器,由4个微型电导探针(图1中5～8所示)按照90°圆心角等间距排列构成。图2为水平井产液剖面持水率测量实验样机安装在模拟井筒中的示意图,主要包括集流器、持水率传感器、扶正器和测量电路。

图1 水平井油水两相流持水率测量传感器示意图

图2 水平井产液剖面持水率测量实验样机示意图

水平井中持水率测量原理简述[5,14]:当油水两相流在模拟井筒中流动时,首先由测量电路控制集流器打开,封闭样机和模拟井筒之间的环形空间,油水两相流体由集流器的进液口进入持水率传感器的测量通道,由环形阵列电导传感器测量油水两相流的混相电导率σm,与其对应的输出混相电压为Vm;然后由测量电路控制集流器关闭,油水两相流体由于重力作用在持水率传感器的测量通道内分层,此时由周向阵列电导探针传感器测量水相电导率σw,与其对应的输出水相电压为Vw;油水两相流的持水率Y(也称为仪器响应)为

(1)

式中,Vw为水相电压,V;Vm为混相电压,V。

若想获得油水两相流的含水率,需要对实验样机在水平井多相流模拟实验装置上进行油水两相流条件下的标定,获得含水率—持水率标定图版,进行滑脱校正,可以将持水率换算成含水率。

2 实验条件及实验方案

将研制的水平井产液剖面持水率测量实验样机,在大庆油田多相流实验室水平井模拟实验装置上开展油水两相流持水率测量动态实验。

采用内径为125 mm的透明有机玻璃圆管模拟油层套管,温度和压力的实验条件为常温、常压。实验介质为自来水和柴油,总流量点分别设定为3、5、10、30、40、60、100、120、150、200 m3/d,以上每个流量点含水率的调配范围从高到低为100%～30%,含水率调配步长为10%。

以垂直方向0°、水平方向90°作为参考,模拟的井筒倾斜角分别设置为85°、88°(85°和88°时流体向上流动)、90°(流体水平流动)、92°、95°(92°和95°时,流体向下流动)。

①当流量大于30 m3/d时,每个含水率调配完成后,每个设定的流量点稳流10 min后再打开集流器;②当流量小于30 m3/d时,每个含水率调配完成后,每个设定的流量点稳流30 min后再打开集流器;③集流器完全打开后再等待3 min,开始进行油水两相流混相电导率的测量,传感器测量的时间设定为3 min,每1 s采集2个数据,共采集360个混相电导率的测量数据;④关闭集流器进行水相电导率的测量,传感器测量时间也设定为3 min,每1 s采集2个数据,共采集360个水相电导率的测量数据。

3 实验结果分析

图3～图7分别为模拟井筒倾斜85°、88°、90°、92°、95°时,绘制的不同流量和含水率条件下的持水率测量图版,图版中不同颜色的曲线代表不同含水率时的持水率测量曲线。可以看出持水率测量结果不但取决于含水率,也与流量有关;5个倾斜角下持水率测量曲线形态具有良好的一致性。进一步分析不同倾斜角下的持水率测量图版可知,测量持水率与设定的标准含水率的关系具有明显规律性。在低流量段,即当油水两相流总流量小于30 m3/d时,测量持水率不仅取决于含水率,还与流量相关。在设定的标准含水率保持不变时,测量持水率随流量的降低而向高含水率方向移动,造成这一现象的原因是油水之间存在密度差,油相以高于水相的速度流动。因此,在某个设定的标准含水率条件下,低流量时的测量持水率要高于高流量时的测量持水率。随着平均流速的降低,油水滑脱速度差相对于平均流速增大,尤其在总流量小于10 m3/d时,滑脱现象更为显著,导致持水率与含水率之差变大。目前,在用的其他类型的水平井持水率测量仪器难以较好地反映低流速时的油水滑脱现象。例如电容类持水率仪器,由于电容电极容易受到油相沾污的影响,很难获得精准的持水率—含水率测量曲线。但是,本文中提出的环形阵列电导传感器—周向阵列电导探针传感器组合的持水率测量方法能够很好地反映低流速时的油水滑脱现象,表明持水率测量方法在油水两相流低流量时具有明显的优势。

图3 85°倾斜角不同流量和含水率时持水率测量图版

图4 88°倾斜角不同流量和含水率时持水率测量图版

图5 90°倾斜角不同流量和含水率时持水率测量图版

图6 92°倾斜角不同流量和含水率时持水率测量图版

图7 95°倾斜角不同流量和含水率时持水率测量图版

为了进一步考察倾斜角对油水两相流中高流量时持水率测量的影响,把5个倾斜角、含水率为30%～90%、流量为30～200 m3/d的持水率测量数据绘制在一个图版中(见图8)。可以看出:当油水两相流总流量大于60 m3/d且设定的标准含水率大于60%时、当油水两相流总流量大于100 m3/d且设定的标准含水率大于30%时,测量的持水率与标准含水率近似为一平坦曲线;由于油水的滑脱速度与总平均流速相比很小,因而流量变化对持水率测量的影响也很小,此时在实验样机的流动通道内持水率与含水率很接近;实验样机的持水率测量数据受倾斜角影响较小,可忽略。当油水两相流总流量小于60 m3/d时,实验样机的持水率测量数据受倾斜角影响较大,不可忽略。因此,在研制水平井产液剖面测井组合仪器时要包括井筒倾斜角测量模块,同时必须建立针对不同倾斜角条件下的测井解释模型。

图8 5个倾斜角不同流量和含水率时持水率测量图版

4 持水率测量误差评价

由于随机误差的存在,等精度测量列中各个测得值一般不相同,它们围绕该测量列的算术平均值有一定分散,分散程度说明了单次测得值的不可靠性,用标准差作为评价不可靠性的评定标准[16]。对持水率测量误差的评价可分3步进行。

(1)对于设定的某个标准流量点,分别计算设定的标准含水率为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%时实验样机测量的混相电导率和水相电导率的平均值。

(2)

(3)

(2)计算实验样机测量的持水率,计算模型见式(4)。然后分别计算混相电导率和水相电导率测量的标准差,计算模型见式(5)和式(6)。

(4)

(5)

(6)

式中,Em为混相电导率测量的标准差,V;Ew为水相电导率测量的标准差,V;n为测量数据总数。

(3)计算测量的持水率绝对误差,计算模型为

(7)

式中,RY为持水率测量的绝对误差,%。

计算结果表明:对于5种倾斜角条件下,当设定的标准流量为10～200 m3/d、设定的标准含水率为30%～100%时,测量的持水率最大绝对误差RY小于5%;当设定的标准流量为3～10 m3/d、设定的标准含水率为30%～100%时,测量的持水率最大绝对误差RY大于5%,但是小于12%。

5 结 论

(1)提出了一种用于水平井产液剖面油水两相流的持水率测量方法,设计了新型持水率测量传感器结构,解决了单独采用环形阵列电导传感器测量油水两相流持水率时,由于环形阵列电导传感器无法测量到全水相电导率、持水率测量结果受到井下环境温度和流体矿化度影响导致测量误差大的问题。实验表明在流量范围为3～200 m3/d时,持水率测量范围为30%～100%;当油水两相流总流量小于60 m3/d时,持水率的测量结果要进行井筒倾斜角的校正;当油水两相流总流量大于60 m3/d时,持水率的测量结果受井筒倾斜角的影响可忽略。

(2)对该文提出的持水率测量方法进行工程化应用时,在研制水平井产液剖面测井组合仪器时要包括井筒倾斜角测量模块,同时必须建立针对不同井筒倾斜角条件下的测井解释模型,以提高持水率测量解释精度。