路 菁,吳錫令,黃志潔,王界益,彭原平,何峰江

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,河北燕郊065201;3.新疆石油管理局測井公司,新疆克拉瑪依834000)

0 引 言

氣水兩相流型識別是生產(chǎn)測井研究的重要內(nèi)容[1]。隨著開發(fā)的深入,水平井常出現(xiàn)水淹嚴(yán)重、產(chǎn)量下降等問題。然而,沿儲層水平展布的井眼為生產(chǎn)測井儀器測量帶來諸多困難。井下混合流體會因密度差異產(chǎn)生重力分異,介質(zhì)及速度分布剖面失去垂直井中的對稱性,對于密度差異極大的氣水兩相混合流動來說,起伏的井眼更使井下流型復(fù)雜多變,難于監(jiān)測識別。以往垂直井內(nèi)采用居中取樣、線性測量方式的儀器已不能全面反映井下真實狀況[2]。為此,Schlumberger及 Sondex公司分別推出了Flagship[3-5]和陣列成像測井儀系列(CAT[6]、RAT、SAT)等采用非線性測量方式的新型測井儀器。

為探索開發(fā)中后期水平井內(nèi)氣水兩相流型的測井識別方法,在多相流動模擬實驗環(huán)路上,以空氣和自來水為實驗介質(zhì)模擬這一階段水平氣井內(nèi)兩相流動情況,使用PL T生產(chǎn)測井系列與CAT組成的儀器串進(jìn)行測量,結(jié)合透明井筒內(nèi)的流型觀察,研究利用測井響應(yīng)準(zhǔn)確識別水平井氣水兩相流型的方法。

1 水平井氣水兩相流動實驗

1.1 實驗裝置及介質(zhì)

實驗裝置(見圖1)上的I號及II號實驗井筒依據(jù)油氣井開發(fā)常用的7 in(非法定計量單位,1 ft= 12 in=0.304 8 m,下同)與5.5 in套管的尺寸設(shè)計,內(nèi)徑分別為15.9 cm及12.4 cm,全長均為16 m,兩端分別為長1 m的鋼管,中間以便于流型觀察的透明有機(jī)玻璃制成,雙側(cè)實驗井筒可同時調(diào)整到任意傾斜角度。井筒內(nèi)各相流體的流量由供給系統(tǒng)控制,在線儀表對實際流量、流動壓力和溫度進(jìn)行計量,并存儲于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。2個井筒間及井筒與流體供給系統(tǒng)間另設(shè)多組快關(guān)閥,可以瞬間切斷任意井筒與外界流體的連通,實現(xiàn)關(guān)井模擬及關(guān)井持水率測量。

圖1 多相流動模擬實驗裝置簡圖

實驗使用的測井儀器串見圖1。探頭陣列的設(shè)計可使儀器同時對某一流動截面上12處流體進(jìn)行測量,測量結(jié)果綜合反映了流動截面上介質(zhì)分布的非對稱性特征,成像軟件CA TView利用各探頭響應(yīng)對整個流動截面上的流動形態(tài)插值成像,結(jié)果可用于井下流型識別。

實驗采用空氣及自來水作為流動介質(zhì),實驗條件(16℃、1 atm)(非法定計量單位,1 atm= 101 325 Pa)下均為牛頓流體,密度分別是0.001 2 g/cm3和0.999 2 g/cm3。

1.2 實驗測量及結(jié)果

為模擬水平井井眼起伏,實驗選擇井斜角度θ分別為90°、85°、75°,并選擇井斜45°作為對比。井斜角θ使用水平井鉆井及開發(fā)慣用的規(guī)定方法,即將垂直向下方向到井延伸方向的夾角計為井斜角。另外,氣井進(jìn)入開發(fā)中后期井口產(chǎn)氣量一般在幾千到幾十萬m3/d不等,考慮天然氣產(chǎn)出的過程中,由于溫度及壓力降低、溶解氣逸出等原因,可使到達(dá)井口的體積流量增大幾百倍,因此與上述氣井井口產(chǎn)量相當(dāng)?shù)木铝髁考s為幾十到幾百m3/d。模擬這一階段的水平氣井井下氣水兩相混合流動時,將實驗總流量QT選擇性地覆蓋從低到高的5個流量,分別為50、100、200、400、800 m3/d,并設(shè)計各總流量下的含水率 Cw分別為0%、10%、30%、50%、70%、90%(不含θT=800 m3/d)。

依據(jù)上述實驗方案,逐一調(diào)整井筒傾斜角度、氣水總流量及含水率,待雙側(cè)透明井筒內(nèi)兩相流動發(fā)展穩(wěn)定后,用測井儀器串對Ⅱ號井筒內(nèi)的氣水混合流動進(jìn)行移動測量,同時用攝像及攝影設(shè)備對井筒內(nèi)已達(dá)到穩(wěn)定的氣水兩相流動流型進(jìn)行觀察記錄。儀器測量結(jié)束后,對II號井筒進(jìn)行關(guān)井模擬,將井筒豎直立起測量氣水界面在井筒內(nèi)的高度 H,用這一高度與井筒長度L的比 H/L計算關(guān)井瞬時的關(guān)井持水率值。

實驗最終得到116組流動測量的實驗數(shù)據(jù)共計464項,其中每個實驗點上均包括4類數(shù)據(jù),分別為氣水實際流量、流壓及溫度等在線計量數(shù)據(jù)、流型影像資料、測井儀器響應(yīng)及關(guān)井持水率值。

2 水平井氣水兩相流動流型

2.1 氣水兩相流型劃分

按介質(zhì)分布形態(tài)不同,Barnea[8]將氣水兩相流型劃分為如圖2所示7種類流型,分別為分層流(SS)、波狀分層流(SW)、環(huán)狀流(A)、變形泡狀流(EB)、段塞流(SL)、沫狀流(CH)及分散泡狀流(DB)。水平(θ=90°)氣水兩相流動中上述7種流型均可能出現(xiàn);傾斜上坡(0°<θ<90°)氣水兩相流動中,只有在傾斜角度極其接近水平(70°<θ<90°)的情況下,才會出現(xiàn)SS或SW流型。

圖2 水平及傾斜氣水兩相流流型分類

2.2 實驗觀察到的流型

圖3是利用實驗數(shù)據(jù)繪制的流型圖,各井斜角度下的實驗流型圖均采用氣、水表觀速度作為橫、縱坐標(biāo),這里氣、水表觀速度分別由實驗計量的氣、水實際流量Qg、Qw按照定義式vsg=Qg/A,vsw=Qw/A (A為流道橫截面積)計算得到。

從圖3中可見,為模擬開發(fā)中后期水平氣井內(nèi)兩相混合流動設(shè)計井斜、總流量及含水率進(jìn)行的測井實驗中,II號透明井筒內(nèi)出現(xiàn)了4種流型,它們分別是SS、SW、EB及SL。從不同井斜角度下各流型出現(xiàn)的流量及含水率范圍看,水平井眼的傾斜使SS、SW流型逐漸消失,而傾斜程度的增加將進(jìn)一步引起EB向SL流型的轉(zhuǎn)換,對比井斜45°的實驗流型圖,可發(fā)現(xiàn)更大范圍的SL流型。由于水平井完全水平的井段十分有限,因此根據(jù)實驗結(jié)果及上述分析可知,開發(fā)中后期水平氣井內(nèi)最為常見EB及SL流型,其次是SS與SW流型。

3 水平井氣水流型識別方法

3.1 流動參數(shù)識別法

假設(shè)測井過程中,井筒內(nèi)流體在短時間內(nèi)不會因溫度及壓力變化引起流動狀態(tài)改變。分析生產(chǎn)測井可測3個流動參數(shù),總流量、持水率及井筒傾斜角度與井下流型的關(guān)系,繪制了如圖4所示的截面持水率和入口含水率關(guān)系圖版(其中入口含水率為水相流量Qw與氣水總流量QT=Qw+Qg之比)。

實驗圖版中顯示,水平及近水平氣水兩相流動中,截面持水率值均大于相應(yīng)的入口含水率值(所有數(shù)據(jù)點都高出橄欖色 Cw=Yw直線)。由于流速較低的相在井筒內(nèi)截面內(nèi)所占的面積較大,即具有較大的持率,故這一差異反映了氣水兩相速度差。差異大小隨總流量的增大而減小,卻隨井眼偏離水平方向程度的增大而增大,對比井斜45°數(shù)據(jù)點這一規(guī)律更為明顯。實驗圖版說明,隨著總流量的增高,氣水兩相速度剖面趨于均勻平緩、兩相速度差減小;但井眼偏離水平方向程度的增大卻加劇兩相速度的差異。

另外,以不同線形對不同流型的數(shù)據(jù)點進(jìn)行分別回歸。從回歸的結(jié)果看,出現(xiàn)在同一井斜及總流量條件下的2種流型,回歸線間會存在著明顯的斜率差,這與不同流型下氣水兩相速度間存在差異有關(guān),回歸線間的交點即可用于指示井下流型的轉(zhuǎn)換。因此,可利用實驗圖版中反映的開發(fā)中后期水平氣井內(nèi)流型與總流量、持水率及井斜角之間關(guān)系輔助識別井下流型。

3.2 流型成像識別法

用CA TView軟件回放實驗測得的CAT測井?dāng)?shù)據(jù),得到流型成像共116組。圖5為各井斜下典型實驗流型與CAT流型成像對比,圖像對比下方文字標(biāo)示流動條件及對應(yīng)流型分類。流型成像中黃、紅、藍(lán)色分別代表氣、氣水混合物及水,流體流向及儀器串運(yùn)動方向由左至右。

通過大量對比水平及近水平(井斜90°、85°、75°)測井實驗流型與CAT流型成像,發(fā)現(xiàn)CA T流型成像可以反映SS或SW流型氣、氣水界面及水在管道中成層分布的空間位置關(guān)系,可直觀地識別出這2種流型。EB流型的變形氣泡在CAT流型成像上顯示為間斷的紅斑,斑的大小與變形氣泡的體積成正比,而SL流型的氣段在CA T流型成像上顯示為較大面積的紅色間斷條帶,據(jù)此可從上述流型成像特征區(qū)別EB、SL的2種流型。

但井斜45°測井實驗的CAT流型成像質(zhì)量則遠(yuǎn)不及水平與近水平測井實驗的結(jié)果,足以區(qū)分EB和SL流型的成像特征不并明顯,用此時的CA T流型成像結(jié)果很難準(zhǔn)確識別流型。

圖3 水平及傾斜氣水兩相流實驗流型圖

圖4 水平及傾斜氣水兩相流截面持水率與入口含水率實驗關(guān)系

因此在實驗反映的開發(fā)中后期水平氣井的水平段內(nèi),CAT儀器的成像結(jié)果可以直觀地區(qū)分井下SS/SW、EB和SL流型,達(dá)到生產(chǎn)測井解釋所要求的流型識別目的。但在非水平井段內(nèi)應(yīng)用CAT儀器測井結(jié)果識別流型時,還應(yīng)參照其他生產(chǎn)測井可測量得到的流動參數(shù),如總流量、井斜角及持水率值等,以得出更加可靠的判斷。

4 結(jié) 論

(1)模擬開發(fā)中后期水平井氣水兩相流動進(jìn)行的測井實驗中,觀察到這一階段井下常見的4種流型分別為分層流、波狀流、變形泡狀流及段塞流,其中變形泡狀流和段塞流為最主要的2種流型。

圖5 水平井氣水兩相流動實驗流型及CAT成像效果對比

(2)利用實驗數(shù)據(jù)繪制的圖版反映了水平氣井內(nèi)總流量、持水率、井斜角與井下流型的關(guān)系,可指導(dǎo)井下流型識別。

(3)CA T儀器的流型成像可直觀地識別開發(fā)中后期水平井水平段內(nèi)氣水兩相流型,但在非水平段內(nèi)還應(yīng)結(jié)合總流量、持水率及井斜角等流動參數(shù)對流型進(jìn)行綜合判別。

[1] 吳錫令.石油開發(fā)測井原理 [M].北京:高等教育出版社,2004:66-126.

[2] Brown G,Toro M,C L Arceneaux J,et al.Using Production-Log Data from Horizontal Wells[C]∥SPWLA 36th Annual Logging Symposium,paper SS, 1995:1-6.

[3] Carnegie A.Advanced Horizontal WellProduction Logging:An Australian Offshore Example[C]∥SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,SPE54326-MS,1999:1-9.

[4] Carnegie A,Roberts N,Clyne I.Application of New Generation Technology to Horizontal Well Production Logging:Examples from the North West Shelf of Australia[C]∥SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,SPE50178-MS,1998:1-8.

[5] Al Ali H A,Salamy S P,Haq S A.The Challenges of Detecting Gas Entries in Horizontal Well by Using Integrated Production Logging Tool,Case Study[C]∥SPE/CIM International Conference on Horizontal Well Technology,SPE65528-MS,2000:1-10.

[6] Ryan N D,Hayes D.A New Multiphase Holdup Tool for Horizontal Wells[C]∥SPWLA 42nd Annual Logging Symposium,paper V,2001:1-5.

[7] Frisch G,Perkins T,Quirein J.Integrating Wellbore Flow Images with a Conventional Production Log Interpretation Method[C]∥ SPE Annual Technical Conference and Exhibition,SPE77782-MS,2002:1-13.

[8] Barnea D.A unified Model for Predicting Flow-pattern Transitions for the Whole Range of Pipe Inclinations [J].International Journal of Multiphase Flow,1987, 13(1):1-12.