李軍,黃春輝,胡金海,劉艷玲,卞紅梅,廉建東

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司,黑龍江大慶163453)

0 引 言

大慶油田目前處于高含水開發(fā)期,受原油伴生氣以及水驅、氣驅等因素的影響,生產(chǎn)井普遍存在產(chǎn)氣、脫氣現(xiàn)象,因此,目前油井油/氣/水三相流現(xiàn)象普遍。對于垂直井筒中油/水兩相來說,已有成熟的產(chǎn)液剖面測量技術,阻抗式產(chǎn)液剖面測井儀[1-3]已在大慶、吉林等油田廣泛應用,并獲得了良好的效果。該儀器在油/水兩相流水為連續(xù)相時對持水率的變化響應靈敏,具有很好的重復性、一致性,能提供可靠的含水率信息,但是對于油/氣/水三相流,由于氣液之間密度差異大、氣泡的表面張力大,導致氣液混合不均勻,油/氣/水三相流體的流型、流態(tài)復雜,嚴重影響了儀器的測量精度[4-5]。因此,急需開發(fā)一種簡單、有效的三相流條件下提高產(chǎn)液剖面測井質(zhì)量的新技術。

大慶油田測試技術服務分公司早期采用集流式流量計和放射性密度計組合來測量三相流[6-7]。近年來,陸續(xù)研發(fā)了光纖持氣率計[8]、低產(chǎn)液三相流測井儀[9]等新儀器。光纖持氣率計通過測量三相總流量、持水率和持氣率,結合溫度、壓力測量,采用解釋模型獲得油/氣/水的分相流量。低產(chǎn)液三相流測井儀利用油、氣、水三相密度差異,在重力作用下分層累積,通過測量油水界面的下移時間測量油相流量。由于三相流測井儀器技術相對復雜、標定工作量大、解釋復雜,推廣應用受到一定限制。

為進一步提高油/氣/水三相流條件下的產(chǎn)液剖面測井質(zhì)量,本文在阻抗式含水率計的基礎之上研制了氣體分流型產(chǎn)液剖面測井儀,提高了三相流條件下的產(chǎn)液剖面測井質(zhì)量。

1 氣體分流原理與儀器結構

在井下實現(xiàn)氣液實時分流,使氣體不流經(jīng)測量通道,不測量氣體,只測量液體,達到三相流條件下保證產(chǎn)液剖面測井資料質(zhì)量的目的。在阻抗式含水率計的基礎上,設計了用于分流氣體的氣液分流器。氣液分流器安裝在傘式集流器頂端,分流器的入口在集流器頂部,在油/氣/水三相流中,由于氣體的密度小,聚集在集流傘頂部,氣體經(jīng)入口進入分流器分流出去而不經(jīng)過測量通道,液相流體則進入到測量通道內(nèi)進行測量,從而減小了氣體對測量的影響,提高了測井精度。

儀器結構包括集流傘、氣液分流器、渦輪流量計、含水率計及電路短接。氣液分流器安裝在集流傘的上部。氣體分流通道入口在集流傘內(nèi)部的頂端,出口位于集流傘外部。三相流中氣體在集流傘頂端從進氣孔進入分流通道,從排氣出口直接排出。而液相流體則從進液口進入到測量通道內(nèi)部進行測量,從出液口流出儀器。測量段內(nèi)由渦輪流量計和含水率計組成。

2 實驗室動態(tài)模擬實驗

實驗在大慶油田多相流實驗室的油/氣/水三相流實驗室進行。有機玻璃井筒內(nèi)徑為125 mm,實驗介質(zhì)為清水、柴油和空氣。渦輪流量計及阻抗傳感器內(nèi)徑為19 mm。根據(jù)儀器的工作原理及儀器結構等條件,實驗時氣體流量分別為3、5 m3/d,油/水液相流量范圍3～60 m3/d,含水率調(diào)節(jié)范圍50%～100%。分別在單相水、油/水兩相、油/氣/水三相條件下進行了模擬實驗,與原阻抗式產(chǎn)液剖面儀器進行了流量標定對比實驗。

2.1 單相水及油/水兩相流中的流量標定實驗

氣體分流型產(chǎn)液剖面測井儀在單相水及油/水兩相流中進行了渦輪流量計的動態(tài)標定實驗,標定圖版見圖1。油/水兩相流中流量范圍5～60 m3/d,含水率50%～100%。實驗結果表明,①渦輪流量計工作穩(wěn)定,在單相水中渦輪響應與水流量有較好的線性關系。②在油/水兩相流中渦輪響應與流量具有較好的線性關系,并且油/水兩相含水率變化時渦輪響應不變,渦輪響應不受油/水比例變化的影響。

圖1 在油/水兩相流中的流量標定圖版

2.2 油/氣/水三相流中的流量標定實驗

在不同氣體流量條件下標定了氣體分流型產(chǎn)液剖面測井儀在油/氣/水三相流中的渦輪流量計響應曲線。圖2為氣體流量分別為3 m3/d和5 m3/d時變化液相流量及液相含水率測量的渦輪流量計流量標定圖版,液相流量從60 m3/d逐漸遞減5 m3/d,含水率從100%逐漸遞減到50%。測量數(shù)據(jù)表明,①在同一氣體流量下保持液相流量不變、液相含水率從100%變化到50%時,渦輪響應數(shù)值基本不變,即渦輪響應受油/水比例變化影響很小。②加入氣體流量5 m3/d和3 m3/d時標定的渦輪響應規(guī)律一致,沒有隨氣相流量的增加而增加。③由于氣液分流器的作用,氣體主要在集流傘頂端從分流通道直接排出,測量通道內(nèi)以液相流體為主。但在氣量較大時會有少量氣體隨機進入測量通道,對流量仍有一定影響,在低流量時渦輪流量計響應靈敏度相對偏低。

圖2 在油/氣/水三相流中的流量標定圖版

2.3 氣/水兩相流中的流量標定實驗的對比分析

為了解氣體分流型產(chǎn)液剖面測井儀在油/氣/水三相流下流量測量效果,分別在分流氣體和未分流氣體2種情況下進行標定實驗,實驗中用氣/水兩相流模擬油/氣/水三相流。水流量范圍1～60 m3/d,氣體流量分別為1、3 m3/d和5 m3/d。

圖3為未使用氣液分流器時在氣/水兩相流條件下的渦輪響應圖版。渦輪在低液量和高流量時有不同的規(guī)律,在水流量高于10 m3/d時,保持氣量不變,渦輪響應與水流量呈線性關系。而在低液量下,即在水流量低于10 m3/d時,渦輪響應與水相流量呈非線性關系,而且隨著氣量的增加,氣相對渦輪起主導作用,使渦輪響應明顯偏高,此時渦輪對液相流量失去了分辨能力。因此,渦輪流量計在氣/水兩相流中測量低液相流量會有較大誤差,誤差計算結果表明多數(shù)測點的引用誤差大于5%,最大測量誤差達到21%。

圖4為氣體分流型產(chǎn)液剖面測井儀在氣/水兩相流條件下的流量標定圖版。標定結果表明:加入不同氣體流量時,渦輪響應與水流量呈線性關系,渦輪響應頻率與清水中的渦輪頻率基本相同。在較低液相流量時,渦輪響應頻率沒有明顯向上偏高,而是呈較好的線性關系,說明氣體分流器的設計起到了分流氣體的效果。將加入不同氣體流量時標定的渦輪響應頻率取平均值得到氣/水兩相流條件下的流量標定曲線,用平均值曲線作為標準曲線進行流量誤差計算。表1是在不同氣相流量條件下,液相流量分別為1、3、5、10、20、40、60 m3/d時渦輪流量計在氣水兩相流條件下標定的引用誤差,分別用δq1、δq3、δq5、δq10、δq20、δq40、δq60表示,計算結果表明:在加入氣體流量為5 m3/d以下時引用誤差不大于5%,加氣時的流量測量誤差明顯減小,尤其是低流量時測量精度明顯提高,氣體分流器能夠提高低氣量條件下的液相流量測量效果。

圖4 分流氣體時渦輪流量計氣/水兩相流標定圖版

表1 氣/水兩相流流量測量誤差

2.4 油/氣/水三相流中含水率標定實驗

圖5為未安裝氣體分流器的阻抗含水率計在加入氣體流量3 m3/d時標定的油/氣/水三相流含水率響應圖版。實驗結果表明:加入氣體后相對應的含水率響應明顯降低,測量的含水率明顯低于標準含水率;尤其是在低流量、高含水時,氣體對含水率測量影響尤為嚴重。誤差計算結果表明,液相流量越低含水率測量誤差越大,最大測量誤差達到30%。

圖5 未分流氣體時氣流量3 m3/d時油/氣/水三相中的含水率標定圖版

圖6為氣體分流型產(chǎn)出剖面測井儀在加入氣體流量3 m3/d和5 m3/d時標定的油/氣/水三相流含水率響應圖版。實驗結果表明,由于氣體經(jīng)氣體分流器排出,沒有流入測量通道,加入氣體后相對應的含水率響應與未加入氣體的含水率響應曲線基本一致,測量的含水率與標準含水率基本一致。在低流量、高含水時,含水率儀器響應有明顯改善。將加入不同氣體流量時的含水率響應值取平均值,利用這些平均值制作的圖版作為油/氣/水三相流條件下的含水率標定圖版,以該圖版為標準進行誤差計算。表2是不同液相流條件下誤差計算結果,其中δk90、δk70、δk50表示氣相流量為5 m3/d且含水率分別為90%、70%和50%的含水率測量誤差。結果表明,加入不同流量氣體后含水率測量誤差不大于6%。在氣量較大時會有少量氣體隨機進入測量通道,對含水率測量有一定影響,含水率越高含油量越少,液相含水率增大時含水率測量受氣相分流效果影響越大。實驗結果表明,氣體分流器顯著提高了含水率測量精度,測量精度提高20%以上。

圖6 氣體分流型產(chǎn)出剖面測井儀油/氣/水三相中的含水率標定圖版

表2 氣相流量5 m3/d條件下含水率分別為90%、70%和50%的含水率測量誤差

3 結 論

(1)油/氣/水三相流中的實驗結果表明加入氣體流量在5 m3/d以下時流量測量誤差不大于5%,含水率測量誤差不大于6%。

(2)在低產(chǎn)氣條件下,氣體分流型產(chǎn)液剖面測井儀能夠有效提高流量及含水率的測井效果。

(3)氣液分流型產(chǎn)液剖面測井儀結構簡單,與三相流測井儀相比,標定工作量小、資料解釋簡單、易于規(guī)模應用。

(4)要進一步進行現(xiàn)場試驗評價及對比分析,優(yōu)化儀器結構,投入現(xiàn)場應用。