李 恒，馬煥英，李家駿，趙 捷，吳曉龍，宋文廣

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部資料解釋中心，河北廊坊 065201；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430100)

目前海上水平井和大斜度井應(yīng)用普遍，含水上升問題逐漸突出，嚴(yán)重制約了水平井勘探開發(fā)應(yīng)用效果，水平井生產(chǎn)測(cè)井找水技術(shù)是提高開發(fā)效果的重點(diǎn)工作之一[1-4]。水平井找水從基礎(chǔ)理論到測(cè)井儀器和解釋評(píng)價(jià)方法與常規(guī)直、斜井不同，井眼中輕質(zhì)相與重質(zhì)相的重力分離使混合流體的流型復(fù)雜多變，另外，由于水平井眼的長(zhǎng)距離波狀起伏等原因，造成水平流動(dòng)產(chǎn)出剖面異常復(fù)雜，為直井設(shè)計(jì)的常規(guī)生產(chǎn)測(cè)井儀器難以在流體復(fù)雜的水平井測(cè)井中得到準(zhǔn)確滿意的效果。

流體掃描成像測(cè)井儀Flow Scanner Image(FSI)是斯倫貝謝公司推出的專門針對(duì)大斜度井和水平井生產(chǎn)測(cè)井的新型多探頭剖面測(cè)井儀器[5]，通過分別測(cè)量水平井分層流動(dòng)的速度剖面及局部的持水率和持氣率，計(jì)算油氣水各相流量，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)井下油氣水產(chǎn)出情況。FSI主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：識(shí)別三相流井中的吸水層位、氣井中識(shí)別液體、識(shí)別流體的重復(fù)循環(huán)及獨(dú)立進(jìn)行三相流解釋[6-8]。

1 FSI測(cè)井儀結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

如圖1所示，F(xiàn)SI儀器上設(shè)計(jì)有可推靠的三角形臂，臂的左側(cè)有4個(gè)微轉(zhuǎn)子流量計(jì)，測(cè)量流體流動(dòng)速度；臂的右側(cè)有5組由電阻探針和光學(xué)探針組成的陣列，分別測(cè)量井眼局部持水率和持氣率。在儀器本體上還有1個(gè)微轉(zhuǎn)子流量計(jì)和1組電阻探針和光學(xué)探針，用來測(cè)量井眼底側(cè)的流體特性。由于轉(zhuǎn)子和探針的陣列分布，F(xiàn)SI儀器可用來測(cè)量單個(gè)居中轉(zhuǎn)子測(cè)不出的流體速度變化，實(shí)現(xiàn)水平井井下流體分層流速和分層相持率的測(cè)量[9-10]。在同一深度，所有微轉(zhuǎn)子流量計(jì)和光電探針同時(shí)工作，幾乎覆蓋了全井眼，可以更加全面的反映井筒流體信息，且可以減少測(cè)量趟數(shù)，節(jié)省作業(yè)成本。

圖1 FSI儀器結(jié)構(gòu)示意圖

FSI微轉(zhuǎn)子啟動(dòng)速度較小，受金屬碎屑影響也較小，能識(shí)別的最小流量為5.26 m3/d(φ114.3 mm套管)。儀器測(cè)量時(shí)為偏心測(cè)量，通過方位測(cè)量和矯正可以較好地覆蓋整個(gè)截面。儀器外徑為42.9 mm，可在內(nèi)徑為73.0～228.6 mm井眼中進(jìn)行測(cè)量，具有直讀模式和存儲(chǔ)模式，可通過電纜、連續(xù)油管或者爬行器進(jìn)行輸送。儀器長(zhǎng)度僅4.9 m，適用于狗腿度嚴(yán)重的井，可在溫度為150 ℃和壓力約為103 MPa條件下工作(表1)。

表1 FSI測(cè)井儀技術(shù)指標(biāo)

2 FSI測(cè)井資料解釋方法

為了得到準(zhǔn)確的解釋結(jié)果，F(xiàn)SI資料處理與解釋方法步驟如下：①生產(chǎn)測(cè)井曲線深度校正，一般要求生產(chǎn)測(cè)井的GR曲線與裸眼測(cè)井的GR曲線相匹配，同時(shí)對(duì)其他曲線進(jìn)行深度校正；②數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，檢查測(cè)井曲線重復(fù)性，刪除或忽略異常數(shù)據(jù)(包括溫度、壓力、流速、持率等)，選擇合格的數(shù)據(jù)計(jì)算各相的持率和流速；③微轉(zhuǎn)子流量計(jì)刻度，F(xiàn)SI的每個(gè)微轉(zhuǎn)子需要分別進(jìn)行刻度，通過渦輪交會(huì)分析得到每個(gè)轉(zhuǎn)子的斜率和截距，并計(jì)算出井筒局部的視流體速度曲線；④計(jì)算井筒持率和流量，是整個(gè)處理解釋過程中最重要的一環(huán)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，計(jì)算測(cè)量的陣列數(shù)據(jù)，從而得到井筒的流體混合速度、分相持率和分相流量。常用的數(shù)學(xué)模型為均值法和面積法，本文在此基礎(chǔ)上提出了積分法計(jì)算井筒的持率、速度和流量。

2.1 均值法

均值法指將各探針的測(cè)量值取平均值后作為井筒內(nèi)流體的持率和速度，那么井筒各相持率計(jì)算公式為：

(1)

式中：Yp為井筒的持水率/持氣率；Ypi為第i個(gè)探針的持水率/持氣率(i=1，2…6)。

井筒的平均速度為：

(2)

(3)

式中：Vm井筒內(nèi)平均速度值，m/min；Vi為第i個(gè)轉(zhuǎn)子的視流體速度值，(i=1,2,…,5)，m/min；RPSi為第i個(gè)轉(zhuǎn)子的測(cè)量值(i=1,2,…,5)，rps；ki為第i個(gè)轉(zhuǎn)子的交會(huì)斜率；Vti為第i個(gè)轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)速度，m/min；Vl為電纜速度，m/min。

井筒水相或氣相流量Qp公式為：

Qp=Vm×PC×Yp

(4)

式中：PC為管子常數(shù)。

該方法僅適用于井筒內(nèi)流體混合均勻且不存在各向異性，不適用于水平井分層流。

2.2 面積法

面積法是按照轉(zhuǎn)子和探針的數(shù)量及分布方式將井筒截面在垂向上劃分為n個(gè)面積，根據(jù)各探針?biāo)济娣e占井筒總面積的比值計(jì)算各探針的持水率，并進(jìn)行加權(quán)平均，從而得到井筒內(nèi)流體的平均持水率值。

選取任意兩個(gè)相鄰持率探針?biāo)谖恢锰幍闹悬c(diǎn)作為劃分面積區(qū)域的界限，如圖2所示，可以將井筒截面劃分出6個(gè)不等的面積，進(jìn)而計(jì)算得到整個(gè)井筒的持水率或持氣率：

圖2 持水率面積平均法示意圖

(5)

式中：Si為第i個(gè)探針?biāo)嫉拿娣e，(i=1,2,…,6)，mm2；S為整個(gè)井筒截面所占的面積，mm2。

同理，井筒混合流體速度為：

(6)

井筒水相或氣相流量為：

(7)

該方法僅考慮流體縱向上的變化，橫向上認(rèn)為流體的性質(zhì)一致，適用于分層流。針對(duì)水平井分層流，面積法主要依據(jù)轉(zhuǎn)子或探針的個(gè)數(shù)對(duì)井筒截面進(jìn)行劃分，且認(rèn)為同一區(qū)域內(nèi)的各相速度或持率處處相等，這種方法對(duì)水平流動(dòng)截面的劃分不夠精細(xì)，尤其是在井筒截面較大的情況下，精度會(huì)降低。另外，實(shí)際測(cè)量中若出現(xiàn)個(gè)別轉(zhuǎn)子或探針響應(yīng)不好的情況，計(jì)算時(shí)需要剔除相應(yīng)的測(cè)量數(shù)值，精度會(huì)更低。因此，本文提出了利用積分法得到井眼持率和流量的計(jì)算模型。

2.3 積分法

本文提出的積分法是基于分層流中流體沿井筒方向上性質(zhì)不變，對(duì)測(cè)量的持率和流體速度進(jìn)行插值后再通過積分計(jì)算的方法。該方法對(duì)井筒截面的劃分更加精細(xì)，可以更加準(zhǔn)確地獲得井筒內(nèi)的持率信息和流體分布情況。具體來講，將井筒截面劃分為n個(gè)(可趨于無限小)等份，根據(jù)各探針的投影位置進(jìn)行插值，得到每個(gè)等份的響應(yīng)數(shù)值，沿著井筒截面縱向進(jìn)行積分，進(jìn)而得到整個(gè)井筒的平均持率、速度和流量。

首先，計(jì)算轉(zhuǎn)子和探針在井筒截面垂向上的投影位置，并結(jié)合轉(zhuǎn)角曲線對(duì)投影位置進(jìn)行校正，得到更精確的投影分布，繪制各轉(zhuǎn)子和探針到井筒高邊的距離與井筒內(nèi)徑的關(guān)系圖版，如圖3所示，各個(gè)探針在儀器臂上并不是均勻分布的，隨著管柱大小發(fā)生變化，各探針投影位置也相應(yīng)改變，且儀器測(cè)量時(shí)會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，各個(gè)探針的絕對(duì)位置也是不固定的。

圖3 微轉(zhuǎn)子/持率探針到井筒高邊的距離與井筒內(nèi)徑的關(guān)系

根據(jù)儀器旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行校正即可得到各探針真實(shí)的投影分布：

Pi′=R-(R-Pi)×cosθ

(8)

然后，根據(jù)每個(gè)探針到頂?shù)椎木嚯x進(jìn)行插值，得到圖4中右側(cè)的持率沿著縱向的分布，進(jìn)而對(duì)持率在縱向上進(jìn)行積分即可得到井筒持率：

圖4 積分法持率計(jì)算示意圖

(9)

式中:Ypi為經(jīng)插值得到在第i個(gè)單位位置的持率值(i=1,2,…,n)。

同理，井筒混合流體速度為：

(10)

井筒水相或氣相流量為：

(11)

3 應(yīng)用實(shí)例分析

基于上述算法，編制相應(yīng)的解釋軟件，對(duì)海上某油田A井進(jìn)行了FSI測(cè)井資料解釋處理。A井是一口凝析氣井，地面計(jì)量產(chǎn)氣量為10.6×104m3/d工作制度下，進(jìn)行了FSI產(chǎn)氣剖面測(cè)試，在3 060.0～3 140.0 m(油管段φ73.0 mm)和3 290.0～3 525.0 m(套管段φ244.5 mm)分別以速度為10 m/min、15 m/min和20 m/min進(jìn)行三上三下連續(xù)測(cè)量。處理過程采用積分法進(jìn)行計(jì)算，圖5為解釋軟件處理的解釋成果圖，圖中第1道是深度道及射孔井段，第2道是裸眼GR、生產(chǎn)測(cè)井GR和磁定位曲線；第3道是3號(hào)轉(zhuǎn)子測(cè)量的轉(zhuǎn)速曲線；第4道是流溫、流壓以及用壓力折算的擬密度曲線(DPDZ)；第5道是三相持率圖(藍(lán)色為持水率，紅色為持氣率，綠色為持油率)；第6道是結(jié)合井眼軌跡的井筒持率圖；第7、8道分別為分層產(chǎn)量與累計(jì)產(chǎn)量?？梢钥闯?，油管內(nèi)為氣相，套管段內(nèi)油氣水三相同時(shí)存在，積液(水)高度在3 410.0 m，3 410.0～3 348.0 m油水混合并有少量氣，油占比較大，3 348.0 m以上油氣混合。

圖5 A井FSI解釋成果(φ244.5 mm套管段)

測(cè)井期間地面計(jì)量產(chǎn)油量41.5 m3/d，產(chǎn)氣量108 696.0 m3/d。利用上述三種算法，通過PVT換算，將井下產(chǎn)量換算為地面產(chǎn)量得到解釋成果對(duì)比表(表2)。積分法計(jì)算結(jié)果表明，Z3層為主要產(chǎn)氣層，占總產(chǎn)氣量的83.3%，Z1層為次要產(chǎn)氣層，占總產(chǎn)氣量的12.5%，其余層產(chǎn)量較小。解釋總產(chǎn)量與井口計(jì)量基本一致，同時(shí)結(jié)合裸眼資料Z3層射孔層厚度大，物性、含氣性最好，其余射孔層物性、含氣性稍差，與本次解釋結(jié)論一致。根據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出，利用積分法計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)更接近。

表2 A井分層產(chǎn)量貢獻(xiàn)對(duì)比(地面條件下)

4 結(jié)論

(1)集合多個(gè)微轉(zhuǎn)子和傳感器的流體掃描成像FSI測(cè)井儀，對(duì)井筒實(shí)現(xiàn)分層流速、分層相持率的測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)水平井多相流產(chǎn)出剖面的監(jiān)測(cè)。

(2)積分法計(jì)算模型能夠沿著井筒截面縱向進(jìn)行積分，得到整個(gè)井筒的平均持率、速度和流量；對(duì)井筒截面的劃分更加精細(xì)，可以更加準(zhǔn)確地獲得井筒內(nèi)的持率信息和流體分布情況，從而實(shí)現(xiàn)更精確的水平井三相流產(chǎn)出剖面解釋。

(3)應(yīng)用實(shí)例表明，利用積分法計(jì)算的總產(chǎn)量與井口計(jì)量結(jié)果基本一致，主產(chǎn)氣層與裸眼資料相符合，證實(shí)了計(jì)算模型的可靠性。