水平井井下流量含水监测装置研制与试验

针对低液量水平井分段生产测试采用井口取样化验含水、大罐计量折算流量方式存在的测试效率低、劳动强度大、现场作业风险高等突出问题，设计了一种井下流量含水监测装置。该装置在水平井单层段分段生产过程中，可实现单个产层段流量、含水、温度、压力参数自动采集、存储，通过地面数据回读分析，能判识不同产层段产出类型及产出特征。室内试验结果表明，装置达到了设计工艺技术指标。现场试验评价结果表明，该装置实现了低液量水平井流量、含水、温度、压力数据的完整采集与存储，通过数据曲线分析明确了实施井不同产层段产出情况，准确定位了主要出水层段。所得结论可为低渗透油田油井生产动态监测及后续措施制定提供技术参考。

低液量水平井；井下流量含水监测装置；分段生产；产层段；现场试验

TE931

A

DOI： 10.12473/CPM.202401054

Development and Test of Downhole Flow Water Cut

Monitoring Device in Horizontal Wells

Lu Hongjun1，2" Li Dajian1，2" Yang Yixing1，2" Chen Chunkun3" Yang Haitao1，2

（1.Oil and Gas Technology Institute，PetroChina Changqing Oilfield Company；2.State Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development；3.No.9 Oil Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company）

When sectional production tests are conducted in low fluid volume horizontal wells，the methods such as testing water cut by sampling at wellhead and converting into flow rate by metering at large tank usually have the problems such as low testing efficiency，high labor intensity and high field operation risks.To solve these problems，a downhole flow water cut monitoring device was designed.During the sectional production process of single interval in horizontal wells，this device can achieve automatic collection and storage of parameters such as flow rate，water cut，temperature and pressure of a single production interval.By means of surface data readback analysis，the flowing types and characteristics of different production intervals can be identified.The laboratory test shows that the device has met the technical indicators.The field test evaluation results show that the device has achieved complete collection and storage of flow rate，water cut，temperature and pressure data of low fluid volume horizontal wells.Through data curve analysis，the flowing situation of different production intervals in the implementation well has been clarified，and the main water production intervals have been accurately located.The conclusions provide technical reference for the production performance monitoring of oil wells in low-permeability oilfields and subsequent measures.

low fluid volume horizontal well；flow water cut monitoring device；sectional production；production interval；field test

基金项目：中国石油天然气股份有限公司重大专项 “水平井找堵水技术试验”（2019F-28）。

0" 引" 言

低渗透油田注水开发水平井，受到储层非均质性、人工裂缝与天然裂缝等因素的综合影响，在生产过程中存在比较突出的见水矛盾，降低了油田开发效益。为了实现见水、水淹水平井的控水治理，开展水平井动态监测、产层段产出或产液剖面监测是后期实施各种措施的重要前提条件。低渗透油田储层渗透率与孔隙度低、物性差，即使经过压裂改造，水平井平均单井产液量仍然较低，平均液量范围5～15 m3/d，这使产层段、产液剖面监测面临巨大挑战。目前从测井角度看，水平井主体产液剖面测试主要采用爬行器/连续管等输送设备+MAPS/MAPS的方式开展，通过阵列涡轮流量计、阵列电阻/电容持率计对产层段开展流量、含水监测，兼顾压力、温度数据测试，结合模型算法解释水平井段各层段的产液剖面［1-3］。以上测井技术在低液量水平井产出监测面临2大瓶颈问题：①由于平均单井液量低，井筒液流速度极低，涡轮流量计的监测响应较差，甚至没有监测响应信号，监测结果精度低、效果差；②低液量水平井主要采用抽油机管杆泵方式生产，常规测井电缆+爬行器或连续管作业方式无法适应水平井井况，产出监测与油井生产同步的协调性无法有效解决［4-6］。这些问题降低了技术适应性。

陆红军，等：水平井井下流量含水监测装置研制与试验

为了有效解决低产液量水平井产液剖面监测问题，目前主要采用分段生产方式进行产层段产出监测［7-9］，并在此基础上，发展出井下分段取样、拖动管柱/不动管柱分段生产测试等工艺。该生产方式核心是在单层段或组合层段生产或排液过程中，在井口取样化验含水、大罐计量折算流量，以确定水平井不同层段的产出状态特征，在有效解决实际产出监测问题的同时，该种方式存在测试效率低、劳动强度大、现场作业安全风险高等突出问题。

基于低液量水平井分段生产产出监测技术升级考虑，以提升技术适应性为目标，笔者调研分析了目前用于油井流量、含水监测的相关主体工艺技术［10-13］，开展了技术集成应用可行性论证；在此基础上，创新设计了一种井下流量含水监测装置，结合低液量水平井分段生产产液剖面监测工艺技术，实现了产层段流量、含水、温度、压力参数的自动监测，以及数据采集、存储、回放与解释分析，大幅度提升了技术应用效果，为低渗透油田油井生产动态监测及后期措施制定提供了新的有效技术支撑。

1" 低液量水平井分段生产产出监测工艺

低液量水平井分段生产产出监测工艺技术主要原理是通过封隔器将产层段（压裂改造层段）或组合层段有效隔离，对应层段设置开关器或筛管，在进行单层段泵抽或抽吸生产过程中，通过井口多次取样化验求取产液含水，地面大罐连续计量求取日产液量，然后换层生产，实现逐个层段流量、含水的监测，为出水层段判识、产层段产能综合评价提供依据。

水平井分段生产找水测试工艺管柱如图1所示。分段生产产出监测工艺有效解决了低液量条件下多段压裂改造水平井产出监测的技术难题；与此同时，由于采用逐层求产的方式，单井测试周期长，测试效率低，劳动强度大，监测结果影响因素多，限制了其在技术矿场的推广应用。

production of horizontal well

2" 低液量井井下流量含水监测装置设计

针对低液量水平井分段生产产出监测技术存在的不足，通过集成主体流量、含水监测工艺，融合井下温度、压力传感器技术，创新设计了水平井井下流量、含水、温度、压力4参数监测系统结构，综合考虑了各个模块尺寸、功能与技术要求，进行了系统总成有机融合，在此基础上研制了井下监测装置。

2.1" 监测装置系统架构

创新设计了一种低液量水平井井下流量含水监测装置，结构如图2所示。该装置系统主要由上接头、电控系统、涡街流量计、压力（温度）传感器、含水体积分数模块、筛网及下接头构成。上下接头主要通过常规螺纹连接油管；电控系统主要包括电池和电路板，电池为电路板提供直流电源，电路板设置计时、电池供电控制、监测数据存储与回放功能；涡街流量计主要进行流量计量监测；压力传感器主要感知监测井段压力、温度，其中温压传感器能够对装置内、外压力温度同时测试；含水体积分数模块主要进行含水监测；筛网主要对层段产液进入装置前进行过滤，防止井液杂质进入监测装置内部堵塞流道或干扰传感器。

产层段产液由下接头进入装置（见图2），流经筛网后进入装置环空流道（蓝色箭头所示），首先通过含水体积分数模块监测层段产液含水体积分数，同时由温压传感器监测油管内及油套环空压力、温度情况，当液流进入涡街流量计时，实现层段流量监测；装置监测数据存储于电控系统模块内，装置起出地面后进行数据回读分析，解释形成水平井各层段产出规律特征报告。

2.2" 井下流量监测

针对产层段低流量监测，涡轮流量计启动排量大、易卡转，适应性较低；孔板流量计孔板结构尺寸受井液介质影响易发生变化，精度降低；超声流量计容易受到井液颗粒杂质影响；电磁流量计电极探头受油污影响大。综合不同类型流量计性能及影响因素，选择采用涡街流量计开展流量监测。涡街流量计流场仿真模拟结果如图3所示。通过小流量（124.26 mm套管、73.0 mm油管井筒单层段流量1.5 m3/d以上）条件下流场仿真（见图3），涡街发生体为三角型，漩涡产生强烈，边界分离点固定，具有稳定的漩涡分离效果。

2.3" 井下含水监测

综合对比分析了电阻、电容、放射性、电磁波、微波法含水监测性能：电阻、电容方法分别主要适应高含水、低含水监测；放射性方法监测存在一定安全风险；电磁波方法在高含水条件下监测误差大；微波法含水监测范围广，满足0～100%含水体积分数测试，受油水状态影响较小，测量精度高，且无安全风险，优选采用微波法进行产层段产液持水率测试。

采用原油与水进行混合配比，通过对微波含水体积分数模块重复性能测试（监测AD值：模拟量转换为数字量值），验证了不同油水比状态下，监测结果重复性、稳定性能够满足技术需求。微波含水室内油水监测试验如图4所示。微波含水室内油水监测结果如表1所示。

表1" 微波含水室内油水监测结果Table 1" Laboratory oil and water monitoring results for water cut using microwave

样品及编号1#样品：油45 mL2#样品：油35 mL+水10 mL3#样品：油30 mL+水15 mL4#样品：油25 mL5#样品：油10 mL+水35 mL

初始测试AD值086128198309

重复测试AD值080120186283

2.4" 温度、压力监测

温度、压力监测主要通过优选与井况相匹配的温压传感器并将之集成于装置内部以实现井下监测。筛选了2支钛/硅蓝宝石温度压力传感器（见图5），通过装置流道结构设计，传感器感应通道分别与管内及管外连通（见图2），实现管内/管外双压力温度监测；温度监测采用TMP235型精密模拟输出温度传感器探头，内置于电控腔体内，在-40～150 ℃范围内，提供10 mV/℃电信号输出，测量范围内对应电压输出范围2.3～5.5 V；压力监测范围0～60 MPa，测量精度0.2%，压力传感器温度漂移值近似为0，不受实际工况温度变化影响。

3" 室内试验

井下流量含水监测装置设计、加工、组装完成后，开展了室内试验检测评价，检验各功能模块、电路模块、监测模块的工艺指标状况与稳定性，同时验证装置整体系统协同运行可靠性，为现场试验应用奠定基础。

建立了室内流量、含水检测试验台架（见图6），分别进行了流量、含水物理模拟试验。室内流量、含水检测曲线如图7所示。

试验明确了监测装置主要性能指标参数为：流量监测范围2～80 m3/d，量程范围内误差均小于2%，重复性测试曲线重合度近似100%。含水体积分数测量范围0～100%，含水体积分数≤20%时，误差≤7%；含水体积分数＞20%时，误差≤3%。

4" 现场试验效果

2022年10月在环平*井上开展了现场试验评价，成功采集到不同组合产层段流量、含水、温度、压力等参数。结果表明低液量水平井井下流量含水监测装置达到了设计的工艺技术指标要求。

环平*井2013年10月29日投产，压裂改造段数9段，现场试验前日产液13.22 m3，含水体积分数100%；为了测试该井主要出水层段，开展了水平井分段生产产出监测试验。主要将产层段划分为3个组合段：压裂改造段1～3为组合层段1；压裂改造段4～6为组合层段2，压裂改造段7～9为组合层段3。采用拖动管柱、地面抽吸、分段生产方式进行逐个组合层段流量含水监测（见图8），每段监测时间3～4 d，通过监测数据读取回放，解释生成各组合层段流量含水曲线。图8显示：不同组合段流量变化幅度不大，大体范围在4～7 m3/d；含水体积分数变化相对明显，各产层段合排阶段含水体积分数99%，组合层段1产液含水体积分数68%，组合层段2含水体积分数88%，组合层段3含水体积分数66%，主要出水层段为组合层段2（压裂改造段4～6），监测结果为该井下一步控水措施制定与实施提供重要参考依据。

and+ pressure in the production interval of Huanping * well

5" 结论与认识

（1）分段生产产出监测工艺技术是解决低产液量水平井生产动态监测的一种重要手段，从工艺原理分析，该工艺主要存在测试效率低、周期长、劳动强度大等技术不足。

（2）通过现有技术集成与有机融合，研制了低液量水平井井下流量含水压力温度监测装置。室内检测试验表明，该装置满足了低流量条件下产层段产出特征的4参数监测技术要求。

（3）井下流量含水监测装置现场试验结果表明，装置系统中各模块能够正常协调工作，数据采集、存储、回放功能运行良好，大幅度提升了分段生产产出监测效率，有效降低了现场作业劳动强度，初步实现工艺技术迭代升级。

［1］" "朴玉琴．水平井产液剖面测井技术及应用［J］．大庆石油地质与开发，2011，30（4）：158-162．

PIAO Y Q.Development and application of 3D three-phase non-linear flow numerical simulator for ultra-lowpermeability oil reservoir［J］.Petroleum Geology amp; Oilfield Development in Daqing，2011，30（4）： 158-162.

［2］" 胡金海，黄春辉，刘兴斌，等．国内产液剖面测井技术面临的挑战与取得的新进展［J］．石油管材与仪器，2015，1（6）：10-15．

HU J H，HUANG C H，LIU X B，et al.Challenges and progresses on domestic production profile well logging technology［J］.Petroleum Instruments，2015，1（6）： 10-15.

［3］" 刘玉忠．水平井测井工艺的评价［J］．国外油田工程，2003，19（11）：35，42．

LIU Y Z.Analysis of investigation technologies for wells with horizontal wellbores［J］.Energy Conservation and Measurement in Petroleum amp; Petrochemical Industry，2003，19（11）： 35，42.

［4］" 聂飞朋，石琼，郭林园，等．水平井找水技术现状及发展趋势［J］．油气井测试，2011，20（3）：32-34．

NIE F P，SHI Q，GUO L Y，et al.Present situation and development trend of water detection tech in horizontal well［J］.Well Testing，2011，20（3）： 32-34.

［5］" 李大建，朱洪征，马国伟，等．水平井找水技术现状与快速找水方法探讨［J］．石油地质与工程，2021，35（1）：109-112，117．

LI D J，ZHU H Z，MA G W，et al.Present situation of water detection technology by horizontal wells and discussion on rapid water detection method［J］.Petroleum Geology and Engineering，2021，35（1）： 109-112，117.

［6］" 吕亿明，王百，黄伟，等．水平井找水测试一体化工艺技术［J］．石油矿场机械，2011，40（2）：93-95．

L Y M，WANG B，HUANG W，et al.Integration technology of water detection and testing for horizontal well［J］.Oil Field Equipment，2011，40（2）： 93-95.

［7］" 王百，黄伟，李凡书，等．小流量水平井机械分段找水技术研究与应用［J］．钻采工艺，2014，37（2）：54-56，74．

WANG B，HUANG W，LI F S，et al.Research and application of mechanical segmented water-finding technology in small-flow horizontal wells［J］.Drilling amp; Production Technology，2014，37（2）： 54-56，74.

［8］" 崔文昊，高榕，陈柯，等．低渗透油田水平井快速找水技术研究与应用［J］．长江大学学报（自然版），2015，12（5）：76-78．

CUI W H，GAO R，CHEN K，et al.Research and application of rapid water-finding technology in horizontal wells of low permeability oilfield［J］.Journal of Yangtze University（Natural Science Edition），2015，12（5）： 76-78.

［9］" 张丝雨，MIAO H，吴浩达，等．油井多相流计量技术研究进展［J］．数码设计，2017，6（2）：21-27．

ZHANG S Y，MIAO H，WU H D，et al.Research progress on multiphase flow measurement technology of oil wells［J］.Peak Data Science，2017，6（2）： 21-27.

［10］" 杨晓丽，高伟．多相流计量技术综述［J］．计量技术，2003（5）：32-33．

YANG X L，GAO W.Summary on multiphase fluid measurement technology［J］.Measurement Technique，2003（5）： 32-33.

［11］" 苏洋．浅谈国外油气田多相流计量的选型及应用［J］．化学工程与装备，2015（11）：84-85．

SU Y.A brief discussion on the selection and application of multiphase flow measurement in foreign oil and gas fields［J］.Chemical Engineeringamp;Equipment，2015（11）： 84-85.

［12］" 马宝全，杨少春，傅永强，等．低渗透油藏水平井油气水三相流测试技术［J］．石油机械，2018，46（7）：56-61．

MA B Q，YANG S C，FU Y Q，et al.Oil-gas-water three-phase flow production logging technology for horizontal wells in low-permeability reservoirs［J］.China Petroleum Machinery，2018，46（7）： 56-61.

［13］" 唐弢，马天寿，陈平，等．井下微流量测量装置节流压差规律研究［J］．石油机械，2019，47（3）：1-6．

TANG T，MA T S，CHEN P，et al.Study on choke pressure difference behavior of down-hole micro-flux measuring device［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（3）： 1-6.

第一陆红军，高级工程师，生于1972年，2003年毕业于西安石油大学钻井工程专业，获硕士学位，现主要从事油气田开发技术研究与试验工作。地址：（710018）陕西省西安市。电话：（029）86590796。email：lhj1_cq@petrochina.com.cn。

通信作者：李大建，高级工程师。email：ldj_cq@petrochina.com.cn。

2024-01-28" 修改稿收到日期：2024-06-09

杨晓峰