謝韋峰，陳 猛，劉向君，王中濤，楊國鋒

(1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司 生產(chǎn)測井中心，陜西 西安 710077)

1 引 言

隨著我國陸上油田陸續(xù)進(jìn)入開發(fā)中后期階段，大多數(shù)油井表現(xiàn)為高含水、低產(chǎn)液生產(chǎn)特征[1]，準(zhǔn)確監(jiān)測和確定油井持水率是評價(jià)單井各產(chǎn)層油水生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、確定出水層位的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

持水率定義為流管界面水相流體所占的面積與整個(gè)流管截面積的比值。目前，較為普遍的持水率監(jiān)測方法包括電容法[2,3]、電導(dǎo)法[4-6]、密度法[7]、聲波法[8]和電磁波法[9]等。由于油水間密度差異較小，因此采用流體密度計(jì)算各相持率存在明顯誤差。由于密度檢測存在放射性，該方法在礦場油井中的應(yīng)用越來越少。聲波法所使用的超聲換能器體積過大，受工藝限制，難以在套管中使用[8,10]。電導(dǎo)持水率計(jì)是利用油水電導(dǎo)率的差別來進(jìn)行流體識別，可細(xì)分為電阻法和感應(yīng)法[11]。主流的電阻法利用油水電阻率間的較大差異，根據(jù)測量油水混合流體電阻率來計(jì)算各相持水率[12,13]，高含水條件混合流體的導(dǎo)電性能以水相占主導(dǎo)位置，因此對混合流體中的油相感應(yīng)并不靈敏。電容持水率利用油氣水介電特性的差異進(jìn)行持水率的測量，基于電容與油水等效介電常數(shù)間的正比關(guān)系，只有低含水條件下，儀器才具有較高的分辨率，而在高含水率條件下則失去了對應(yīng)分辨能力[14,15]。另一方面，地層水的礦化度也將對電容法測量造成影響，在高礦化度條件下，地層水的等效電阻減小導(dǎo)致傳導(dǎo)電流增大，進(jìn)而致使電容法監(jiān)測失效，一般認(rèn)為電容法適用于持水率小于50 %的油井[16,17]。相比較而言，電磁波持水率計(jì)利用電磁波在流體介質(zhì)中的傳播特性來確定油井的持水率的，可以較好地應(yīng)用于高含水油井持水率監(jiān)測評價(jià)[18-20]。一般井況條件下，電磁波持水率監(jiān)測可以不用假定先決條件，在監(jiān)測電磁波相位偏移的同時(shí)測量油水混合物的介電特性和導(dǎo)電特性[21,22]，理論上具有更高的分辨率[11]。但實(shí)際應(yīng)用表明，電磁波持水率計(jì)在克服高含水影響的同時(shí)，受地層水溫度、礦化度的影響逐漸凸顯。1993年，郭海敏等[18]研究提出通過提高電磁波頻率來減小礦化度對持水率計(jì)造成的影響，但1999年黃正華[23]發(fā)現(xiàn)TEM波頻率存在一個(gè)上限值，不可能無限制提高，所以礦化度的影響依舊沒有消除。2015年，魏勇等[24]在礦化度對電磁波相移法測原油持水率的影響中提出采用覆蓋絕緣層來降低礦化度的影響?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的電磁波持水率儀器雖然在復(fù)雜環(huán)境中監(jiān)測水平有一定改善，但在環(huán)境溫度和礦化度變化下響應(yīng)研究并不充分，對應(yīng)的影響因素校正方法并不完善。

本文基于電磁波持水率測井原理剖析，設(shè)計(jì)完成了8組不同礦化度(0～200 000 ppm)，10組不同溫度(35～80 ℃)和4組不同含水率(20 %～100 %)條件電磁波持水率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了不同條件組合變化下電磁波持水率探頭響應(yīng)特征，針對性地提出了溫度、礦化度影響校正方法，并將其與標(biāo)準(zhǔn)狀況下監(jiān)測響應(yīng)值進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，本文提出的溫度、礦化度環(huán)境影響校正方法能將誤差降低至10 %以下范圍，滿足礦場實(shí)際應(yīng)用需求。

2 電磁波持水率計(jì)監(jiān)測原理

電磁波持水率探測器由同軸傳輸線結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖1所示。原油和水的介電常數(shù)相差很大，不同持水率將會(huì)導(dǎo)致油水混合介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率出現(xiàn)差異。所以，當(dāng)內(nèi)外導(dǎo)體間通過油水混合介質(zhì)時(shí)，其介電常數(shù)不同會(huì)影響同軸傳輸線電磁波的相移特性。由此，通過測量電磁波在同軸傳輸線內(nèi)的相移特征，可以實(shí)現(xiàn)油井中原油持水率的測量。

圖1 同軸傳輸線結(jié)構(gòu)[24]Fig.1 Structure of coaxial transmission line

在圖1中，傳輸線的長度為l(mm)，內(nèi)導(dǎo)體外半徑為a(mm)，外導(dǎo)體內(nèi)半徑為b(mm)。傳輸線的相關(guān)參量如下：分布電阻Ro(Ω/m)、分布電感Lo(H/m)、分布電導(dǎo)Go(S/m)、分布電容Co(F/m)。根據(jù)微波傳播理論，在傳送TEM波(橫電磁波)的條件下，傳輸線的傳播常數(shù)表示為：

(1)

式中α為電磁波衰減系數(shù)，無量綱；β為電磁波相移系數(shù)，無量綱。

對于材料為金屬的傳輸線，其相移系數(shù)β可表示如下[24]：

(2)

式中，f為電磁波頻率，Hz；μo為真空磁導(dǎo)率，H/m；ε0為真空絕對介電常數(shù)，F(xiàn)/m；σm為被測油水混合介質(zhì)的電導(dǎo)率，S/m；εm為被測油水混合介質(zhì)的相對介電常數(shù)，F(xiàn)/m。

油水混合物的等效介電常數(shù)εm與持水率的關(guān)系[9]：

(3)

持水率的表達(dá)式：

(4)

式中，α為油水狀態(tài)分布系數(shù)，無量綱，取值范圍[-1,+1]；εo為原油相對介電常數(shù)，單位為F/m；εw為地層水的相對介電常數(shù)，單位為F/m；εm為被測油水混合介質(zhì)的相對介電常數(shù)，單位為F/m。式(2)中可看出β是關(guān)于電導(dǎo)率σm的函數(shù)，電導(dǎo)率會(huì)受到溫度、礦化度的影響而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致β產(chǎn)生誤差，進(jìn)一步影響了持水率測量的準(zhǔn)確性[24-26]。

不同溫度時(shí)，水的介電常數(shù)是不同的，地面溫度20 ℃時(shí)，井下水溫可能處于30～130 ℃的變化范圍，由表1可看出，不同溫度對水的介電常數(shù)影響較大，從而影響到油水混合物的平均介電常數(shù)，進(jìn)而影響其電導(dǎo)率，所以必須把溫度的影響考慮在內(nèi)[27]。

表1 不同溫度時(shí)水的介電常數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 流體探測器測量環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Measuring environmental impact by fluid detector

本實(shí)驗(yàn)所使用的流體探測器測量環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)涉及不同溫度不同礦化度和含水率三個(gè)變量條件下的影響規(guī)律時(shí)，實(shí)驗(yàn)中的準(zhǔn)確度需要嚴(yán)格控制單一變量，防止其他因素的干擾。實(shí)際油田地層水中主要含有NaCl、KCl、NaSO4等電解質(zhì)，且NaCl占主要部分[28]。為保證模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際油田測井情況的一致性，實(shí)驗(yàn)中通過添加NaCl來改變?nèi)芤旱V化度，模擬地層水礦化度。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果通過儀器的響應(yīng)值來反應(yīng)，也就是電磁波的相位差，由于礦化度變化導(dǎo)致儀器發(fā)射的與接收的相位存在差值而產(chǎn)生的。

具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

1)全含水條件變溫度、變礦化度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中流量恒定為1 m3/h，依次增加溫度至35、40、45、50、55、60、65、70、75、80 ℃，記錄對應(yīng)溫度穩(wěn)定條件持水率探頭響應(yīng)值；待同一礦化度條件變溫測試完成后，往溶液中加入NaCl晶體配置2 000 ppm的NaCl溶液，調(diào)整溫度，記錄響應(yīng)數(shù)值。進(jìn)一步往實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中增加NaCl量，配置礦化度分別為5 000、10 000、20 000、50 000、100 000、200 000 ppm，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟依次調(diào)整溫度，直至完成該含水條件所有實(shí)驗(yàn)為止。

2)不同含水率條件變溫度、變礦化度實(shí)驗(yàn)。分別配置3種不同含水率(20 %、50 %、80 %)條件混合溶液，流量恒定為1 m3/h。分別調(diào)整混合溶液的溫度和礦化度，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)分別對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到對應(yīng)條件電磁波持水率探頭響應(yīng)值。

4 數(shù)據(jù)分析

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到含水率分別為20 %、50 %、80 %、100 %條件電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨溫度和礦化度變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

1)20 %含水條件下，電磁波持水率探頭響應(yīng)整體隨溫度增加而增大，礦化度增加溫度影響有減弱趨勢，趨勢線逐漸趨于平緩；不同溫度條件下，20 %含水條件電磁波持水率探頭響應(yīng)受礦化度影響明顯，低礦化度條件(<50 000 ppm)影響最為突出。在低礦化度(<50 000 ppm)條件下，電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨礦化度增加急劇增大；當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí)，進(jìn)一步增加礦化度，電磁波響應(yīng)值趨于穩(wěn)定，礦化度影響相對減弱。

2)50 %含水條件下，電磁波持水率探頭響應(yīng)整體受溫度影響并不明顯，中高礦化度條件，隨著溫度的升高，持水率響應(yīng)值有一定降低的趨勢；不同溫度條件下，50 %含水條件電磁波持水率探頭響應(yīng)受礦化度影響明顯，低礦化度條件(<50 000 ppm)影響突出。在低礦化度(<50 000 ppm)條件下，電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨礦化度增加急劇增大；當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí)，礦化度影響相對減弱，響應(yīng)值整體隨礦化度增加有一定升高趨勢。

3)80 %含水條件下，電磁波持水率探頭響應(yīng)整體受溫度影響并不明顯，溫度增加，不同礦化度條件電磁波持水率響應(yīng)值有一定波動(dòng)，整體變化不明顯；不同溫度條件下，80 %含水條件電磁波持水率探頭響應(yīng)值受礦化度影響明顯，低礦化度條件(<50 000 ppm)影響突出。在低礦化度(<50 000 ppm)條件下，電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨礦化度增加急劇增大；當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí)，礦化度影響相對減弱，響應(yīng)值整體隨礦化度增加上升幅度較小，趨于恒定。

4)100 %含水條件下，電磁波持水率探頭響應(yīng)整體受溫度影響并不明顯，溫度增加，不同礦化度條件電磁波持水率響應(yīng)值有一定波動(dòng)，整體變化不明顯；不同溫度條件下，100 %含水條件電磁波持水率探頭響應(yīng)受礦化度影響明顯，低礦化度條件(<50 000 ppm)影響突出。在低礦化度(<50 000 ppm)條件下，電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨礦化度增加急劇增大；當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí)，礦化度影響相對減弱，響應(yīng)值整體隨礦化度增加有一定增加趨勢。

5)實(shí)驗(yàn)中油水兩相流為乳狀流狀態(tài)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)流管內(nèi)含水率即等于持水率。綜合分析不同含水率條件探頭響應(yīng)變化(圖4)發(fā)現(xiàn)，不同礦化度、不同溫度條件下電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨持水率的增加呈單調(diào)遞增趨勢，探頭響應(yīng)值與持水率存在很好的一一對應(yīng)關(guān)系，該結(jié)果表明采用電磁波持水率探頭可以準(zhǔn)確表征不同溫度和不同礦化度條件油水兩相流持水率特征。鑒于高低礦化度條件同一持水率探頭響應(yīng)存在一定差異，因此實(shí)際應(yīng)用中有必要對實(shí)測值進(jìn)行校正至標(biāo)準(zhǔn)狀況條件，進(jìn)而更加準(zhǔn)確地反映井筒多相流體含水特征。

圖3 在不同含水率條件下持水率與溫度、礦化度的關(guān)系Fig.3 The relationship between water holdup and temperature and salinity in different water content conditions

圖4 在不同溫度條件下響應(yīng)值與持水率、礦化度的關(guān)系Fig.4 The relationship between measurement results and water holdup and salinity in different temperature conditions

5 校正方法及驗(yàn)證

5.1 校正方法

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到的中高低含水條件下溫度、礦化度與電磁波持水率探頭響應(yīng)關(guān)系(如圖5)，在低礦化度時(shí)，隨礦化度的增加響應(yīng)值受礦化度的影響明顯，溫度影響整體較小，在80 %含水時(shí)，溫度的影響明顯大于其他含水率。對于以上影響情況，研究采用多元線性插值的環(huán)境影響因素校正方法。

圖5中點(diǎn)P為實(shí)際測試環(huán)境(溫度為Tp，礦化度為Ccp)微波持水率探頭響應(yīng)值，假定P點(diǎn)落于任意兩個(gè)含水率A(含水率為W1)、B(含水率為W2)之間，則采用線性內(nèi)插的方法進(jìn)行校正。具體步驟為：先根據(jù)測試溫度Tp，礦化度Ccp求取在含水率為W1、W2時(shí)對應(yīng)理論響應(yīng)值CPSW1(Tp，Ccp)，CPSW2(Tp，Ccp)，再分別選取含水率為W1、W2時(shí)，校正溫度25 ℃和校正礦化度0 ppm時(shí)微波持水率探頭響應(yīng)值作為參考校正值，則將實(shí)際響應(yīng)值CPSm(Tp，Ccp)校正至標(biāo)準(zhǔn)條件下響應(yīng)值CPSc(T0，Cc0)，則有：

(3)

則校正值CPSc(T0，Cc0)可表示為，

(4)

(5)

式中：Tp為實(shí)測環(huán)境溫度，單位為℃；T0為溫度25 ℃；Ccp為實(shí)測礦化度，單位為ppm；Cc0為礦化度0 ppm；Wi為i點(diǎn)含水率，單位為%；CPSWi為含水率為Wi時(shí)的理論響應(yīng)值，單位為°；CPSm為實(shí)際響應(yīng)值，單位為°；CPSc為標(biāo)準(zhǔn)條件下響應(yīng)值，單位為°。

同理，當(dāng)實(shí)測響應(yīng)值落于理論響應(yīng)面之外時(shí)，則采用線性外插法進(jìn)行校正，以圖5為例，當(dāng)P落于最上部(A點(diǎn)以上)時(shí)，則選擇80 %和100 %響應(yīng)關(guān)系作為參考運(yùn)用式(4)和式(5)進(jìn)行校正，其中含水率W1與W2分別取做80 %和100 %；當(dāng)落于底部時(shí)，則選擇20 %和50 %含水作為參考進(jìn)行校正，同樣將式中的含水率W1與W2取做20 %和50 %即可。

5.2 校正誤差

為進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)研究提出的校正方法的準(zhǔn)確性，此處選用實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行校正分析，圖6為80 %含水條件，礦化度分別為0 ppm、2 000 ppm、5 000 ppm、10 000 ppm、20 000 ppm、50 000 ppm、100 000 ppm、200 000 ppm條件下校正誤差分析圖。從圖6中可以看出，采用實(shí)驗(yàn)研究提出的校正方法對實(shí)際測量值進(jìn)行校正可取得較為理想的效果，校正值與標(biāo)準(zhǔn)狀況數(shù)值在低礦化度條件下的校正誤差(除20 000 ppm，80 ℃時(shí))均小于16.96 %，絕大部分校正誤差小于10 %，校正值與標(biāo)況值匹配性較好。

圖6 80 % 含水不同礦化度下的校正誤差Fig.6 Correction the influence of different salinity in 80% water content

6 結(jié) 論

1)實(shí)驗(yàn)研究表明，在35～80 ℃范圍，溫度對電磁波持水量響應(yīng)影響并不明顯，礦化度對電磁波持水量響應(yīng)影響較為顯著，以礦化度小于50 000 ppm最為明顯。隨著礦化度增加，電磁波持水率響應(yīng)值明顯增加，當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí)，礦化度增加響應(yīng)值增加幅度較小，響應(yīng)值趨于恒定。

2)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，提出了溫度、礦化度影響線性插值校正方法，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證校正誤差主要分布0 %～10 %范圍，校正值與標(biāo)況值匹配性較好，表明了研究提出的方法適用于電磁波持水率溫度、礦化度影響校正。