王 楊

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

一種新型產(chǎn)出剖面三相流組合測(cè)井儀的研制

王 楊

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

針對(duì)油田三相流問(wèn)題，研制了一種新型產(chǎn)出剖面三相流組合測(cè)井儀，介紹了儀器的總體結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，建立了儀器在三相流條件下的持氣率和含水率響應(yīng)曲線。持氣率實(shí)驗(yàn)表明持氣率傳感器對(duì)油氣水中的氣體反映敏感，在一定流量范圍內(nèi)持氣率響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)含氣率具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；含水率實(shí)驗(yàn)表明井下產(chǎn)氣影響含水率測(cè)量結(jié)果，三相流含水率測(cè)量需要通過(guò)持氣率測(cè)量校正。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明組合儀一次下井可以完成流量、持氣率和含水率的測(cè)量，通過(guò)綜合解釋可提高測(cè)井資料的準(zhǔn)確性，為產(chǎn)出剖面三相流測(cè)量提供了新的方法和技術(shù)支持。

三相流；含水率；持氣率；響應(yīng)

0 引 言

目前在產(chǎn)出剖面測(cè)井過(guò)程中，普遍是采用基于電導(dǎo)法原理進(jìn)行含水率的測(cè)量，其儀器持氣率傳感器對(duì)井下流體中油相和氣相電學(xué)響應(yīng)趨于相同，沒(méi)有明顯的分辨率，無(wú)法準(zhǔn)確分辨油相和氣相，而隨著油田的開(kāi)發(fā)，井下產(chǎn)氣井逐年增加，在實(shí)際測(cè)井中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流量、含水率測(cè)量結(jié)果與井口量油、化驗(yàn)含水值偏差較大的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象往往是常規(guī)含水率測(cè)井儀誤將井下流體中氣相判定為油相測(cè)量所導(dǎo)致的，因此在產(chǎn)氣量較大的井中應(yīng)用基于電導(dǎo)法的常規(guī)含水率測(cè)井儀，獲得的測(cè)井結(jié)果就會(huì)給油氣水三相流流體含水率的解釋帶來(lái)很大困難。光纖傳感器對(duì)于氣液的光學(xué)特性敏感，與混合流體電阻率無(wú)關(guān)[1]，所以采用光纖傳感器測(cè)量井下流體持氣率，并與含水率測(cè)量結(jié)果結(jié)合，通過(guò)綜合解釋校正，就能夠更加準(zhǔn)確的獲得井下流體中油、氣、水三相的分布。

1 測(cè)量原理

1.1 持氣率測(cè)量

光纖測(cè)量持氣率的原理是基于油氣水三相流流體中氣相與液相對(duì)光折射率的不同實(shí)現(xiàn)的，油相折射率約為1.5，水相折射率約為1.35，氣相折射率約為1.0[2]。光纖探針?lè)y(cè)量持氣率可以獲得較為準(zhǔn)確的局部瞬時(shí)持氣率[3]，光纖探針持氣率測(cè)量原理如圖1所示[4]。利用光纖探針傳感器，當(dāng)光纖探針接觸到流體中的氣相時(shí)，光在光纖探針上產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，反射光線返回到傳感器接收端并輸出高電平，記錄高電平輸出時(shí)間tg，即為氣相通過(guò)的時(shí)間；當(dāng)光纖探針接觸到流體中的液相時(shí)，因?yàn)榻橘|(zhì)折射率增大，致使全反射的臨界角增大，不滿足全反射條件，傳感器接收不到反射光線，輸出低電平，記錄低電平輸出時(shí)間tt，即為液相通過(guò)的時(shí)間。實(shí)時(shí)采集傳感器輸出脈沖并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)光纖探針中反射光線傳輸?shù)絺鞲衅鞯拇螖?shù)及脈沖寬度，便可計(jì)算出測(cè)點(diǎn)截面的持氣率值，即：持氣率 =tg/(tg+tt)[1-4]。

圖1 光纖持氣率測(cè)量原理

1.2 含水率測(cè)量

阻抗式含水率測(cè)量方法是傳統(tǒng)的含水率測(cè)井方法，該方法在大慶油田產(chǎn)出剖面測(cè)井中已經(jīng)被廣泛的成功應(yīng)用。阻抗式含水率測(cè)量原理如圖2所示[5]。含水率傳感器由發(fā)射電極和兩個(gè)測(cè)量電極組成，測(cè)量電極鑲嵌在絕緣內(nèi)壁上，發(fā)射電極向傳感器測(cè)量段發(fā)射一定頻率的交變恒定電流，當(dāng)流體從傳感器內(nèi)流過(guò)時(shí)，由于測(cè)量段電極間阻抗的存在，極間產(chǎn)生電壓，油水介質(zhì)發(fā)生改變，根據(jù)電學(xué)原理，電壓幅度與流過(guò)傳感器流體的電導(dǎo)率成反比，不同的電壓對(duì)應(yīng)不同油水混合時(shí)的流體阻抗特性，根據(jù)介質(zhì)阻抗特性計(jì)算含水率。測(cè)量過(guò)程中只需要測(cè)量傳感器在混相液和全水時(shí)的頻率輸出，經(jīng)過(guò)計(jì)算及圖版對(duì)照，即可得到油水兩相流流體含水率。

圖2 阻抗式含水率測(cè)量原理

2 儀器結(jié)構(gòu)

新型產(chǎn)出剖面三相流組合測(cè)井儀由電路、流量傳感器、光纖傳感器、阻抗傳感器、集流傘和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，如圖3所示。其中流量傳感器位于儀器流道筒上方，通過(guò)渦輪葉片轉(zhuǎn)數(shù)記錄井下流體的體積流量；光纖傳感器位于流道下方，通過(guò)統(tǒng)計(jì)光纖傳感器與流體中的氣泡接觸情況計(jì)算持氣率；阻抗傳感器上下兩端分別與流道筒和集流傘短節(jié)相連。儀器在井下集流后，流體從進(jìn)液口流入，依次通過(guò)阻抗傳感器、光纖探針傳感器和流量傳感器，從出液口流出。

圖3 產(chǎn)出剖面三相流組合測(cè)井儀總體結(jié)構(gòu)

3 電路工作原理

儀器采用三芯電纜，含水輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、AC/DC轉(zhuǎn)換、AD轉(zhuǎn)換及整形后變?yōu)槊}沖信號(hào)，流量信號(hào)經(jīng)過(guò)比較和整形后一同送入合成和驅(qū)動(dòng)電路，在電纜的一芯上輸出正負(fù)脈沖信號(hào)，其中正脈沖為含水信號(hào)，負(fù)脈沖為流量信號(hào)。持氣率測(cè)量中，傳感器輸出的弱電平信號(hào)依次經(jīng)過(guò)放大、模擬開(kāi)關(guān)、AD轉(zhuǎn)換器，然后與流量信號(hào)一起進(jìn)入單片機(jī)處理，形成曼碼，該信號(hào)上傳到電纜二芯。電纜的另一纜芯為集流傘供電,如圖4所示。

圖4 產(chǎn)出剖面三相流組合測(cè)井儀電路原理

4 技術(shù)指標(biāo)

外徑：28 mm；耐溫：125℃；耐壓：40 MPa；流量測(cè)量范圍：2～60 m3/d ±3%F.S；含水測(cè)量范圍：50%～100% ±5%；持氣率測(cè)量范圍：10%～40% ±5%。

5 模擬井實(shí)驗(yàn)

5.1 持氣率實(shí)驗(yàn)

持氣率實(shí)驗(yàn)選擇在高含水油氣水三相流條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中油氣水總流量調(diào)節(jié)范圍為5～60 m3/d之間，含氣量調(diào)節(jié)范圍為10%～40%；流量從10 m3/d開(kāi)始以10 m3/d的間隔遞增；同時(shí)選擇含水配比為80%、70%、60%和50%四個(gè)點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)記錄點(diǎn)，四種不同含水率對(duì)應(yīng)持氣率響應(yīng)曲線如圖5所示。選取流量為40 m3/d以下的數(shù)據(jù)，以流量為橫坐標(biāo)儀器響應(yīng)為縱坐標(biāo)，建立光纖探針持氣率油氣水三相響應(yīng)曲線，如圖6所示。從圖5和圖6的曲線可以看出隨著流量的增大持氣率響應(yīng)單調(diào)增加，其中含氣0%～20%之間，持氣率測(cè)量分辨率隨氣量的增加而增加；含氣20%～40%之間，持氣率測(cè)量分辨率隨氣量的增加而減小，含氣測(cè)量上限為40%。

圖5 油氣水三相持氣率響應(yīng)曲線

圖6 油氣水三相持氣率響應(yīng)曲線(含氣10%～40%)

圖7 阻抗式含水油水兩相響應(yīng)曲線

5.2 含水率實(shí)驗(yàn)

含水率實(shí)驗(yàn)首先選擇在油水兩相流條件下進(jìn)行，流體總流量調(diào)節(jié)范圍為3～60 m3/d，含水為50%～100%，繪制阻抗式含水油水兩相響應(yīng)曲線，如圖7所示；然后在油水兩相流條件下參入氣相進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，油水總流量調(diào)節(jié)范圍為5～60 m3/d，含水為50%～100%，再分別參入氣相流量3 m3/d、5 m3/d、7 m3/d和10 m3/d，繪制阻抗式含水率油氣水三相響應(yīng)曲線，如圖8所示。與圖7對(duì)比從圖8可以看出，相對(duì)于油水兩相流，三相流中的氣體是導(dǎo)致阻抗式含水響應(yīng)曲線整體降低的原因，氣量越大含水響應(yīng)值越低，流量越低含水率分辨能力越低，同理，可得在產(chǎn)出井中產(chǎn)氣使阻抗式產(chǎn)出剖面測(cè)井儀對(duì)含水率測(cè)量的分辨能力降低；另外，流量在90%以上高含水的情況下，隨著氣量的增加分辨率逐漸降低，當(dāng)氣量超過(guò)5 m3/d時(shí)，儀器對(duì)含水率測(cè)量基本失去分辨能力。

6 測(cè)井實(shí)例

X20號(hào)井是大慶油田第九采油廠一口抽油機(jī)井，井口計(jì)量產(chǎn)液量20.5 m3/d，化驗(yàn)含水值77.7%。利用新型產(chǎn)出剖面測(cè)井儀測(cè)井，實(shí)際測(cè)得井口油氣水總產(chǎn)量為24.39 m3/d，持氣率為46.24%，應(yīng)用圖6的油氣水三相持氣率響應(yīng)解釋圖版解釋含氣率為25%，計(jì)算該井產(chǎn)氣量為6.09 m3/d，去除產(chǎn)氣量油水產(chǎn)量為18.3 m3/d，根據(jù)圖8的實(shí)際產(chǎn)氣量選擇三相流阻抗含水解釋圖版進(jìn)行校正，校正后含水率為80.5%。該井實(shí)際外報(bào)資料結(jié)果為：產(chǎn)量18.3 m3/d、含水率80.5%、含氣率25%。

該井第一測(cè)點(diǎn)實(shí)例：利用阻抗式含水率計(jì)測(cè)量該井第一測(cè)點(diǎn)，測(cè)得合層混相值為64.2 Hz ，如圖9所示；合層全水值為38.5 Hz ，如圖10所示；全水混相比值為0.6，采用圖7的油水兩相流阻抗含水解釋圖版，解釋該點(diǎn)含水率為66%，與井口化驗(yàn)含水值77.7%差異較大，證明該井明顯受到產(chǎn)氣的影響，含水率測(cè)量偏低；那么采用三相流阻抗含水解釋圖版進(jìn)行校正，含水率提高了14.5%達(dá)到了80.5%，更接近井口化驗(yàn)含水值。

圖8 阻抗式含水率油氣水三相響應(yīng)曲線

圖9 阻抗式含水率混相值測(cè)量曲線

圖10 阻抗式含水率全水值測(cè)量曲線

X21號(hào)井也是大慶油田第九采油廠一口抽油機(jī)井，井口計(jì)量產(chǎn)液量5.4 m3/d，化驗(yàn)含水值97%。利用新型產(chǎn)出剖面測(cè)井儀測(cè)井，實(shí)際測(cè)得油氣水總產(chǎn)量為9.34 m3/d，持氣率為4.89%，應(yīng)用圖6的油氣水三相持氣率響應(yīng)解釋圖版解釋含氣率為5.1%，計(jì)算該井產(chǎn)氣量為0.47 m3/d，去除產(chǎn)氣量油水產(chǎn)量為8.87 m3/d，根據(jù)圖8a的實(shí)際產(chǎn)氣量選擇三相流阻抗含水解釋圖版進(jìn)行校正，校正后含水率為77%。該井實(shí)際外報(bào)資料結(jié)果為：產(chǎn)量8.87 m3/d、含水率77%、含氣率5.1%。

圖11 阻抗式含水混相值測(cè)量曲線

圖12 阻抗式含水全水值測(cè)量曲線

X21號(hào)井測(cè)量第一測(cè)點(diǎn)合層混相值為114.63 Hz，如圖11所示；合層全水值為68.3 Hz ，如圖12所示；全水混相比值為0.596，采用圖7的油水兩相流阻抗含水解釋圖版，解釋該點(diǎn)含水率為70%；采用圖8a的三相流阻抗含水解釋圖版進(jìn)行校正，含水率提高了7%達(dá)到了77%。

7 結(jié) 論

1)研制了一種新型產(chǎn)出剖面測(cè)井儀器，在保留常規(guī)流量、含水等參數(shù)測(cè)量功能的基礎(chǔ)上，新增了持氣率參數(shù)的測(cè)量功能，為進(jìn)一步解決三相流產(chǎn)出剖面測(cè)井打下了良好的基礎(chǔ)，在大慶油田未來(lái)的開(kāi)發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2)通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了三相流流體中持氣率與含水率的解釋關(guān)系圖版，從而減小氣相對(duì)含水率測(cè)量結(jié)果的影響。在儀器標(biāo)定過(guò)程中，針對(duì)三相流流體中不同含氣量的情況，建立精準(zhǔn)的油氣水三相流持氣率響應(yīng)解釋圖版和油氣水三相流阻抗含水率解釋圖版庫(kù)，從而通過(guò)實(shí)際情況，選擇對(duì)應(yīng)的含水刻度圖版進(jìn)行解釋，可以有效的校正阻抗式含水率測(cè)量的精度。

3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在應(yīng)用新型產(chǎn)出剖面測(cè)井儀器錄取的測(cè)井資料中，對(duì)于三相流流體含水率的解釋結(jié)果比較兩相流的更為準(zhǔn)確。

[1] 張向林，陶 果．油氣井生產(chǎn)測(cè)井中的光纖傳感技術(shù)[J]．地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20(3)：796-800.

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Development of a Three-phase Flow Combined Logging Instrument with Production Profile

WANG Yang

(DaqingLogging&TestingServicesCompany,Daqing,Heilongjiang163153,China)

For oil three-phase flow problem, a production profile of three-phase flow combination logging tool was developed, and the overall structure and measuring principle of the instrument were introduced. The gas-water ratio response curve was built under the three-phase flow conditions. Gas holdup experiments showed that gas holdup sensor for oil gas water gas sensitive within the scope of certain flow gas holdup response and standard gas rate has determined the relationship; The experimental water content showed that underground gas production effect of water cut measurement, three-phase flow water cut measurement needs through the gas holdup measurement of correction. Experiments and field application proved that the combination instrument can complete the measurement of flow, gas-water ratio in one down. The comprehensive interpretation can improve the accuracy of well logging data, and the instrument provides a new method and technical support for the measurement of three-phase flow output.

three phase flow; water cut; gas holdup; response

王 楊，男，1979年生，工程師，2006年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，從事注產(chǎn)出剖面測(cè)井技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用推廣工作。E-mail：dlts_wangyang@petrochina.com.cn

P631.4+3

A

2096-0077(2017)01-0022-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.005

2016-09-13 編輯：馬小芳)