海上油田水平井流体成像测井资料解释方法研究

李 恒，马焕英，李家骏，赵 捷，吴晓龙，宋文广

(1.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部资料解释中心，河北廊坊 065201；2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北武汉 430100)

目前海上水平井和大斜度井应用普遍，含水上升问题逐渐突出，严重制约了水平井勘探开发应用效果，水平井生产测井找水技术是提高开发效果的重点工作之一[1-4]。水平井找水从基础理论到测井仪器和解释评价方法与常规直、斜井不同，井眼中轻质相与重质相的重力分离使混合流体的流型复杂多变，另外，由于水平井眼的长距离波状起伏等原因，造成水平流动产出剖面异常复杂，为直井设计的常规生产测井仪器难以在流体复杂的水平井测井中得到准确满意的效果。

流体扫描成像测井仪Flow Scanner Image(FSI)是斯伦贝谢公司推出的专门针对大斜度井和水平井生产测井的新型多探头剖面测井仪器[5]，通过分别测量水平井分层流动的速度剖面及局部的持水率和持气率，计算油气水各相流量，准确监测井下油气水产出情况。FSI主要应用在以下几个方面：识别三相流井中的吸水层位、气井中识别液体、识别流体的重复循环及独立进行三相流解释[6-8]。

1 FSI测井仪结构及特点

如图1所示，FSI仪器上设计有可推靠的三角形臂，臂的左侧有4个微转子流量计，测量流体流动速度；臂的右侧有5组由电阻探针和光学探针组成的阵列，分别测量井眼局部持水率和持气率。在仪器本体上还有1个微转子流量计和1组电阻探针和光学探针，用来测量井眼底侧的流体特性。由于转子和探针的阵列分布，FSI仪器可用来测量单个居中转子测不出的流体速度变化，实现水平井井下流体分层流速和分层相持率的测量[9-10]。在同一深度，所有微转子流量计和光电探针同时工作，几乎覆盖了全井眼，可以更加全面的反映井筒流体信息，且可以减少测量趟数，节省作业成本。

图1 FSI仪器结构示意图

FSI微转子启动速度较小，受金属碎屑影响也较小，能识别的最小流量为5.26 m3/d(φ114.3 mm套管)。仪器测量时为偏心测量，通过方位测量和矫正可以较好地覆盖整个截面。仪器外径为42.9 mm，可在内径为73.0～228.6 mm井眼中进行测量，具有直读模式和存储模式，可通过电缆、连续油管或者爬行器进行输送。仪器长度仅4.9 m，适用于狗腿度严重的井，可在温度为150 ℃和压力约为103 MPa条件下工作(表1)。

表1 FSI测井仪技术指标

2 FSI测井资料解释方法

为了得到准确的解释结果，FSI资料处理与解释方法步骤如下：①生产测井曲线深度校正，一般要求生产测井的GR曲线与裸眼测井的GR曲线相匹配，同时对其他曲线进行深度校正；②数据质量控制，检查测井曲线重复性，删除或忽略异常数据(包括温度、压力、流速、持率等)，选择合格的数据计算各相的持率和流速；③微转子流量计刻度，FSI的每个微转子需要分别进行刻度，通过涡轮交会分析得到每个转子的斜率和截距，并计算出井筒局部的视流体速度曲线；④计算井筒持率和流量，是整个处理解释过程中最重要的一环，结合数学模型，计算测量的阵列数据，从而得到井筒的流体混合速度、分相持率和分相流量。常用的数学模型为均值法和面积法，本文在此基础上提出了积分法计算井筒的持率、速度和流量。

2.1 均值法

均值法指将各探针的测量值取平均值后作为井筒内流体的持率和速度，那么井筒各相持率计算公式为：

(1)

式中：Yp为井筒的持水率/持气率；Ypi为第i个探针的持水率/持气率(i=1，2…6)。

井筒的平均速度为：

(2)

(3)

式中：Vm井筒内平均速度值，m/min；Vi为第i个转子的视流体速度值，(i=1,2,…,5)，m/min；RPSi为第i个转子的测量值(i=1,2,…,5)，rps；ki为第i个转子的交会斜率；Vti为第i个转子的启动速度，m/min；Vl为电缆速度，m/min。

井筒水相或气相流量Qp公式为：

Qp=Vm×PC×Yp

(4)

式中：PC为管子常数。

该方法仅适用于井筒内流体混合均匀且不存在各向异性，不适用于水平井分层流。

2.2 面积法

面积法是按照转子和探针的数量及分布方式将井筒截面在垂向上划分为n个面积，根据各探针所占面积占井筒总面积的比值计算各探针的持水率，并进行加权平均，从而得到井筒内流体的平均持水率值。

选取任意两个相邻持率探针所在位置处的中点作为划分面积区域的界限，如图2所示，可以将井筒截面划分出6个不等的面积，进而计算得到整个井筒的持水率或持气率：

图2 持水率面积平均法示意图

(5)

式中：Si为第i个探针所占的面积，(i=1,2,…,6)，mm2；S为整个井筒截面所占的面积，mm2。

同理，井筒混合流体速度为：

(6)

井筒水相或气相流量为：

(7)

该方法仅考虑流体纵向上的变化，横向上认为流体的性质一致，适用于分层流。针对水平井分层流，面积法主要依据转子或探针的个数对井筒截面进行划分，且认为同一区域内的各相速度或持率处处相等，这种方法对水平流动截面的划分不够精细，尤其是在井筒截面较大的情况下，精度会降低。另外，实际测量中若出现个别转子或探针响应不好的情况，计算时需要剔除相应的测量数值，精度会更低。因此，本文提出了利用积分法得到井眼持率和流量的计算模型。

2.3 积分法

本文提出的积分法是基于分层流中流体沿井筒方向上性质不变，对测量的持率和流体速度进行插值后再通过积分计算的方法。该方法对井筒截面的划分更加精细，可以更加准确地获得井筒内的持率信息和流体分布情况。具体来讲，将井筒截面划分为n个(可趋于无限小)等份，根据各探针的投影位置进行插值，得到每个等份的响应数值，沿着井筒截面纵向进行积分，进而得到整个井筒的平均持率、速度和流量。

首先，计算转子和探针在井筒截面垂向上的投影位置，并结合转角曲线对投影位置进行校正，得到更精确的投影分布，绘制各转子和探针到井筒高边的距离与井筒内径的关系图版，如图3所示，各个探针在仪器臂上并不是均匀分布的，随着管柱大小发生变化，各探针投影位置也相应改变，且仪器测量时会发生旋转，各个探针的绝对位置也是不固定的。

图3 微转子/持率探针到井筒高边的距离与井筒内径的关系

根据仪器旋转角度进行校正即可得到各探针真实的投影分布：

Pi′=R-(R-Pi)×cosθ

(8)

然后，根据每个探针到顶底的距离进行插值，得到图4中右侧的持率沿着纵向的分布，进而对持率在纵向上进行积分即可得到井筒持率：

图4 积分法持率计算示意图

(9)

式中:Ypi为经插值得到在第i个单位位置的持率值(i=1,2,…,n)。

同理，井筒混合流体速度为：

(10)

井筒水相或气相流量为：

(11)

3 应用实例分析

基于上述算法，编制相应的解释软件，对海上某油田A井进行了FSI测井资料解释处理。A井是一口凝析气井，地面计量产气量为10.6×104m3/d工作制度下，进行了FSI产气剖面测试，在3 060.0～3 140.0 m(油管段φ73.0 mm)和3 290.0～3 525.0 m(套管段φ244.5 mm)分别以速度为10 m/min、15 m/min和20 m/min进行三上三下连续测量。处理过程采用积分法进行计算，图5为解释软件处理的解释成果图，图中第1道是深度道及射孔井段，第2道是裸眼GR、生产测井GR和磁定位曲线；第3道是3号转子测量的转速曲线；第4道是流温、流压以及用压力折算的拟密度曲线(DPDZ)；第5道是三相持率图(蓝色为持水率，红色为持气率，绿色为持油率)；第6道是结合井眼轨迹的井筒持率图；第7、8道分别为分层产量与累计产量。可以看出，油管内为气相，套管段内油气水三相同时存在，积液(水)高度在3 410.0 m，3 410.0～3 348.0 m油水混合并有少量气，油占比较大，3 348.0 m以上油气混合。

图5 A井FSI解释成果(φ244.5 mm套管段)

测井期间地面计量产油量41.5 m3/d，产气量108 696.0 m3/d。利用上述三种算法，通过PVT换算，将井下产量换算为地面产量得到解释成果对比表(表2)。积分法计算结果表明，Z3层为主要产气层，占总产气量的83.3%，Z1层为次要产气层，占总产气量的12.5%，其余层产量较小。解释总产量与井口计量基本一致，同时结合裸眼资料Z3层射孔层厚度大，物性、含气性最好，其余射孔层物性、含气性稍差，与本次解释结论一致。根据对比结果可以看出，利用积分法计算的结果与实际生产更接近。

表2 A井分层产量贡献对比(地面条件下)

4 结论

(1)集合多个微转子和传感器的流体扫描成像FSI测井仪，对井筒实现分层流速、分层相持率的测量，能够实现水平井多相流产出剖面的监测。

(2)积分法计算模型能够沿着井筒截面纵向进行积分，得到整个井筒的平均持率、速度和流量；对井筒截面的划分更加精细，可以更加准确地获得井筒内的持率信息和流体分布情况，从而实现更精确的水平井三相流产出剖面解释。

(3)应用实例表明，利用积分法计算的总产量与井口计量结果基本一致，主产气层与裸眼资料相符合，证实了计算模型的可靠性。