石油生產水平及大斜度井測井技術綜述

孔令富，李　雷，孔維航，劉興斌，李英偉，張世龍(.燕山大學信息科學與工程學院，河北秦皇島066004; .大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司，黑龍江大慶63000)

石油生產水平及大斜度井測井技術綜述

孔令富1，*，李雷1，2，孔維航1，劉興斌2，李英偉1，張世龍1
(1.燕山大學信息科學與工程學院，河北秦皇島066004; 2.大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司，黑龍江大慶163000)

摘要:隨著國內低孔滲油氣層、致密油氣、頁巖氣等非常規油氣藏越來越多，常規垂直井測井技術已不能滿足其開發需求。水平及大斜度井測井技術可大大提高低滲透油層的單井產量和原油采收率，降低生產成本。水平及大斜度井生產測井研究較垂直井更加復雜，主要體現在井身結構、完井方式、輸送工藝、測井儀器及流動特性等方面。本文從測井儀器集成化、測井輸送工藝技術以及井內流體參數檢測技術三個方面，對近年來國內外水平井生產測井技術的研究進展和現狀進行了歸納總結，為進一步開展水平及大斜度井生產測井技術研究提供有益借鑒。

關鍵詞:水平井及大斜度井;輸送工藝;測井技術;流型;相含率;流量

0　引言

水平井興起于20世紀八、九十年代，水平井開采技術被稱為石油工業的第二次革命，目前在全球范圍內迅速發展與普及，并已成功應用于碳酸鹽巖裂縫油藏、帶氣頂或底水的油藏、薄層油藏、低滲透油藏、稠油油藏和高含水人工注水油藏等幾乎所有類型的油氣藏［1］。

水平井適于地面條件復雜地區，適于常規技術難以有效動用的薄油層，適于低滲、低壓、稠油等類型油藏的開采［2］。通過鉆采水平及大斜度井，使其井眼軌跡能夠穿過更多的油藏，可大幅度提高油氣井產能，盡可能地發揮出各儲層的潛力，提高泄油面積;同時可提高挖掘直井中剩余油的潛力，提高低滲透油田的單井產量和原油采收率，降低生產成本;比垂直井要獲取更高的產能，其產量一般是直井產量的3～5倍［3］。近年來，隨著鉆井技術的發展，全球水平井總數已達數萬口，國內水平井規模也已達上千口，且水平井鉆井技術也已經向整體井組和整體油田開發、多分支、側鉆、欠平衡的方向發展。

隨著水平井技術應用規模的不斷擴大，在生產開發過程中，一旦發生局部水淹將會導致全井含水急劇上升，嚴重影響開發效果，甚至導致油井的廢棄。產液剖面測井技術作為了解油井是否有水突進以及確定水的突進位置等信息的關鍵技術，尤其是對目前水平油井暴性水淹的防治起到重要作用。因此，進一步對產液剖面測井技術的研究和完善仍為目前水平井生產測井的主要研究對象。

與垂直井相比，國內外水平井生產測井主要面臨以下幾個難題［4］:

1)井下測井儀器無法依靠重力到達待測水平段，必須借助專用裝置的驅動。

2)水平和近水平條件下流體流動狀態與垂直井截然不同，而常規用于直井的測井技術和測井儀器由于測井環境的改變和技術原因而無法直接運用。

3)同國外高產液量的油井相比，國內油田占絕對數量的中低產液機采水平井測井的難度將會更大。

4)因單井產量低，國內水平井普遍采用機采舉升方式，對下井儀器輸送空間限制更為苛刻。

5)低產液、低流速及高含水條件下油水/油氣水多相流相間的重力分異作用加劇，流型復雜多變，對井斜的微小變化非常敏感，流量、相含率等參數準確測量更加難實現。

所以，深入地開展水平及大斜度井生產測井技術的研究已成為實現國內油氣田勘探、開發方式轉變和可持續發展的重要戰略目標。

1　水平井測井儀器

近年來，國外在水平井、大斜度井及高產液井的產出剖面測井技術方面發展迅速，其研制的測井儀器特點以非集流及連續測量為主，具有較高的系列化、組合化、標準化和配套化技術水平和性能指標，適用于高產液自噴水平井。Baker Atlas公司研制的陣列電容流量計MCFM，利用電容陣列通過互相關方法測量多相流分相流速，并根據油、氣、水介電常數差別確定分相組分。Schlumberger公司相繼推出了持水率成像儀Flo-View、三相持率測量儀TPHL、相速度測量儀WFL、四電極電導探針陣列DEFT、四光纖探針持氣率計GHOST、基于化學示蹤的相速度儀PVL以及流體掃描成像儀FSI等一系列流量和流體組分測量儀器［5］。Halliburton公司同樣推出了測量水流速度的能譜水流儀SpFL和持水率成像儀CAT［6-9］;同時Halliburton公司推出持氣率儀器GHT［10］采用散射伽馬射線測量井筒中的持氣率，實現了全井眼流體測量，幾乎不受井斜、流型、含水率、礦化度和套管外物質的影響，直接測得持氣率，在水平井、大斜度井動態監測中有著很好的應用前景。

國內的水平井產液剖面測試技術研究工作起步較晚，目前處于探索階段。大慶油田、中海油測井公司引進了Sondex公司牽引器并開展了試驗，大慶油田采用引進的地面測井裝備及引進的牽引器，配接垂直井測井的國產組合儀，成功地進行了的產液剖面測井和工程測井試驗。其中，2003年在塔里木HD4-9H井測井解釋的流量和含水率與當時的地面生產數據吻合很好，采用國產的集流式組合儀較國外的非集流式組合儀更適合于低產液井，為后續的研發和應用取得了寶貴經驗。大慶油田開展了測井儀器的預研工作，采用電容傳感器、電導傳感器、渦輪流量計和相關流量計在多相流裝置上進行了初步實驗，取得的結果令人樂觀。

針對目前國內水平井的低產液、高含水、機采式為主的實際情況，開發和研制適于國內油田的流體成像測井儀和陣列傳感器仍將是水平井產出剖面測井新技術發展的主要趨勢。

2　水平井測井輸送方式

近年來，測井儀器送到井下的方法歸納起來大致可分為電纜傳送和鉆桿傳送兩種基本類型［11-12］，其中電纜傳送有電纜重力傳送、井下爬行器等傳送方法，電纜-鉆桿傳送有連續油管傳送、鉆桿-電纜組合傳送等方法，鉆桿傳送有鉆桿-隨鉆測井法和鉆桿-無線測井等方法，如圖1所示。

圖1　幾種不同的井下儀器輸送方式［12］Fig.1　Several different ways of underground instrument transportation method［12］

圖1中電纜法是依靠重力將儀器傳送至目的層位，隨著井的斜度的增加，儀器與井壁的摩擦阻力也隨之增大，當井斜度大于65°時，儀器重力小于等于各種摩擦力之和，儀器無法靠重力到達測量段;連續油管輸送方式是將測井電纜穿過連續油管，與測井儀器相連，依靠油管注入頭將下井儀器送達目的井段，該儀器輸送方式動力較大、成功率高;井下爬行器輸送方法是通過測井電纜供電來控制牽引器工作，由牽引器提供動力推動測井儀沿水平井段向前移動，最終將儀器推送到水平目的段;鉆桿傳送測井儀器是在鉆井的同時完成測井作業，是將隨鉆測井儀器與鉆桿底部鉆具結合，通過鉆桿把測井儀器推進大斜度及復雜井眼的目的段，并借助于利用循環鉆井泥漿傳輸的系列壓力脈沖向井下傳送命令，并將測量的數據傳送地面，以改善鉆井作業質量。

Schlumberger等［12］西方石油技術服務公司投入大量的研究力量，開展了高產量自噴水平井的測試技術開發，并已初步形成以牽引器輸送為主的陣列傳感器測試技術，并已在北美、亞洲等地區的油田成功應用。李勇［13］針對水平井連續管在入井過程中管柱發生屈曲而無法將裝置送達目的層段的現象進行了探討和分析，并將井下牽引器配套于連續管，可彌補常規入井方法導致作業管柱井下延伸的不足。張文杰、劉清友等［14-15］詳細介紹了由美國GE生產的Sondex水平井井下爬行器的原理、結構、工藝以及Sondex爬行器成功應用于國內低產液水平井測井中實例。所以，目前井下牽引器技術已發展成為主流的輸送技術。

隨著石油勘探開發向復雜儲集層縱深發展以及施工工藝技術不斷發展和完善，隨鉆測井技術將更加趨于完善，并終將逐步取代電纜式裸眼測井。

3　水平井測井參數檢測

流動參數是描述多相流流動特性的主要指標，對流動參數的準確測量是認知、理解多相流流動特性的關鍵環節。由于水平井生產測井多相流流動特性呈現較為復雜的非線性特點，因此，水平井生產測井中相含率、混合流速、分相流量、壓降、流型等主要參數檢測仍為近期水平井生產測井的主要研究問題。

3.1流型劃分

國外針對水平條件下油/水兩相管流進行了大量的基礎研究工作。對于水平油/水兩相流流動特性研究，Russell［16］、Charles［17］、Hasson［18］、Trallero［19］等進行了水平管內油/水兩相流實驗，Brauner等［20-22］給出了水平管內油/水兩相流流型轉化的物理模型。Schlumberger公司的英國Cambrige研究中心和法國Clamart研究中心進行了數百次流動環路實驗以及計算流體力學模擬，為其測井儀器開發研制、結構優化和解釋方法研究提供了可靠的基礎資料。Trallero博士等［23-25］對已公開發表的水平管內油水兩相流的流型進行了研究，同時對以礦物油和水為介質的混合流動流型進行了全面的試驗分析，在總結已有文獻報道的基礎上，根據自己得到的試驗數據，提出了統一的油水混合流動流型劃分方法，如圖2所示。其中分別為水平層狀流(ST)、水平波狀流(ST＆MI)、水平水包油和水層泡狀流(DO/W＆W)、水平水包油泡狀流(O/W)、水平沫狀流(DW/O＆DO/W)、水平乳狀流(W/O)。

圖2　水平井管內油水兩相流流型劃分［25］Fig.2　The flow pattern classification of oil-water two-phase flow in horizontal well pipe［25］

該流型劃分方法得到了該領域許多學者的認同，在一定程度上代表了油水兩相流流型研究水平，是現在對于油水兩相流流型劃分的主要方法。

目前，國內在水平油/水兩相流流動規律及資料解釋方面尚缺少系統研究，對低流速下油/水兩相流的機理研究以及與儀器配套的解釋研究也處于起步階段。近幾年，大慶油田在開展水平井產液剖面測井方法研究工作的同時，開展了部分流動規律的實驗研究工作，獲得一些有價值的認識。周云龍等［26］通過對水平管內油氣水三相流流型進行實驗研究，提出采用壓差波動法區分流型的方法，劃分出油包水型泡狀流、彈狀流(間歇流)、分層流和環狀流以及水包油型泡狀流、彈狀流(間歇流)、分層流和環狀流等流型，如圖3所示。

劉文紅等［27］采用觀察法和按照氣液界面總體特征對水平以及微傾斜長直圓管內油氣水三相流的流型及其相互轉變進行了相關的實驗研究。劉殿瑋［28］通過進行模擬井實驗，總結出5種特高含水期的水平管內油氣水三相流流型，分別為分層流、三層擾動流、波浪沖擊流、氣彈摻混流和完全摻混流，并利用VOF模型對不同含油率、速度、粘度條件下進行了低流速油水兩相分層流動流型數值模擬。汪笑楠等［29］采用VOF多相流模型對水平管道內徑為50mm的油氣水三相流動進行數值模擬，得出了在不同含氣體積分數、含油體積分數、黏度及流速條件下油氣水三相流在水平管道中流動的相分布圖和不同含率、原油黏度對流型的影響規律。

綜上分析，目前國內外對水平井的油水/油氣水多相流的流型流態已經進行了大量的實驗研究和數值模擬，取得了一定成果和流型劃分方法。由于實際水平井鉆井軌跡并非完全位于同一水平段上，而是上下波蕩起伏的分布結構。所以，開展適于國內水平井、近水平井以及不同傾角的井段油水/油氣水多相流流型流態分析研究是目前亟待開展研究的重要工作。

3.2相含率檢測

相含率是多相流工業中的重要參數，對相含率的準確檢測是水平井生產測井多相流控制與預測的重要前提。目前對多相流相含率檢測的方法較多，其測量精度及其實時性也不斷的提高。根據測量原理，多相流相含率測量方法主要有:直接測量、電學法、聲學法、光學法、射線法、成像法等測量方法。

快關閥門法是直接測量分相含率的一種最常用的方法，目前該方法主要用于實驗室的多相流研究以及對分相含率測量裝置的標定［30］。劉興斌等［31］提出一種專門用于水平井含水率測量的電容式傳感器，解決了現有內插式同軸電容含水率測量傳感器在低流量和高含水率的水平井中測量時存在的分辨率低甚至不能分辨的問題。徐文峰等［32］針對國內低產液水平井產液剖面含水率的測量問題，提出了一種新型的筒狀結構電容傳感器，避免了油水兩相集流后受重力作用在管道中分層流動導致測量分辨率降低的影響。利用電導法進行多相流參數測量也是目前有效方法之一，胡金海等［33］研制了一種適合于水為連續相的集流式阻抗式含水率計，采用阻抗傳感器對含水率進行測量;同時給出了一種可同時測量油水兩相流流量和含水率的電導式傳感器的結構，通過動態實驗結果分析，該傳感器在90%以上特高含水率條件下具有較好的分辨率［34］。許明等［35］通過對20 mm管徑的水平兩相流的流型、持水率和混合物電阻率進行實驗測量，分析了分層流和分散流流型下阻抗式含水率計的響應規律。周云龍等［36］以油氣水三相混合物為工質對水平管內分層流動的平均截面含氣率進行了理論與實驗研究，通過對分層流動的簡化動力學分析得到了截面含氣率的理論模型。蔡輝等［37］通過對水平管內油氣水三相流中環狀流的截面含氣率進行了理論和實驗研究，建立了平均截面含氣率的計算模型。曹學文等［38］研究了大型多相流實驗環道上高氣相流速下的氣液分層流壓力梯度和截面含氣率特性，并提出采用ARS或MARS模型預測高氣相流速分層流壓力梯度和截面含氣率。

同時，國外各油田服務公司推出的集成化、陣列化測井儀器在一定程度上解決了水平井生產測井多相流的油、氣、水各分相含率的測量［5-10］，這也將是目前水平井生產測井儀器研究的發展趨勢。

3.3流量檢測

隨著多相流工業的發展，多相流系統參數的控制、儀器儀表的準確運行、生產效率的提高等均依賴于流量參數的準確檢測。目前，國內外學者對多相流流量測量方法進行了大量的研究，其中較為常用的方法包括采用單相儀表計量多相流、超聲測速法、示蹤測量法以及相關測量法等。對流量參數的準確測量是當前水平井生產測井開采的控制與預測的重要前提。

由于傳統單相儀表具有價格低廉、工作原理簡單、工業性能可靠等優點，在多相流流量測量領域仍然有一定的適用范圍。選擇合適的測量模型及其測量范圍，單相儀表可在一定的精度范圍內解決油水/油氣水多相流流量的測量問題。目前應用較為廣泛的井下流量測量的儀器主要有:渦輪流量計［39-42］、超聲波流量計［43-46］、示蹤流量計［47-48］、電磁流量計［49-52］、熱脈沖流量計［53-55］等，目前這些儀器在垂直井的流量測量得到了廣泛應用，取得了一定的成果。隨著對水平井生產測井技術的不斷深入研究，低產液、低流速及高含水條件下的水平井油水/油氣水多相流相間的重力分異作用加劇，流型復雜多變，對井斜的微小變化非常敏感。傳統渦輪流量計易受到砂卡的影響;超聲波流量計易受復雜流體結構分布和環境溫度的影響;示蹤法原理簡單，但示蹤物會對流體造成污染及危及人員安全;電磁流量測量法廣泛應用于高含水或水為連續相的流量測量領域。

相關測量法是近年來發展起來的應用較為廣泛的多相流流量計量方法，相關測量技術具有測量流速范圍寬、適應性強、可長時間連續測量等優點。國內對相關流速測量技術的研究和應用始于20世紀80年代末、90年代初期［56-57］。之后越來越多的研究人員開始采用不同的測量傳感器運用相關流量檢測技術開展不同多相流流量測量研究有:利用光纖傳感器對紙漿流量進行測量［58-59］;采用超聲相關流量計對多相流進行測量研究［60-61］;應用微壓傳感器對爐內高溫煙氣流速進行研究［62］;運用電容傳感器對氣液兩相流以及多相流流量進行測量［63］;運用多電極電導傳感器對油氣水多相流氣液相速度進行測量［64-65］;采用水平井熱示蹤的方法進行相關運算對低流速的油水多相流流量測量［66-68］，并通過低產液水平井油水兩相流流量測量的動態實驗驗證了其方法可行性。

電導式相關流量計是相關法流量計的典型之一，劉興斌、孔令富等［69-75］設計并研制了一種可用于油井產層流量測量的電導相關流量計，并在水為連續相條件下得到了廣泛應用。然而由于水平井的流體流型分布受重力影響較垂直井更加復雜多變，使得該儀器在進行水平井流體流量測量方面受到一定限制。孔令富、王月明等［76-78］提出了一種可應用于生產測井的油氣水多相流電磁相關法流量測量模型，并通過模擬仿真試驗結果驗證了該測量模型的可行性。它既不受溫度和壓力等外部因素影響，也不受流體密度和粘度等流體本身特性影響，流量測量范圍寬，非常適于垂直井和水平井生產測井的流量測量，具有廣闊的應用前景。

4　結論

隨著水平井測井技術不斷普及進而趨于成熟，在很大程度上提高了水平井、大斜度井低滲透油層的單井產量和原油采收率。雖然國內各油田公司、鉆探公司、測井服務公司以及各高等院校逐步開展了水平井和大斜度井生產測井技術研究，但總體水平較國外仍存在很大的差距。通過對國內外近年來有關于水平井測井技術相關文獻分析總結如下:

第一，近年來國外水平井測井技術研究不斷完善，一定程度上為我國油氣田勘探開發提供了指導和借鑒。

第二，從研究內容來看，雖然國內外油氣田自身特點存在差異，但都面臨著對水平及大斜度井的井身結構、完井方式、輸送工藝、儀器測井及流動特性等關鍵技術的研究難題。

第三，從目前國內外的研究成果和發展趨勢分析，由于受重力的影響，水平井多相流流體較垂直井更加復雜，傳統單一測量儀器已不能滿足水平井生產測井的要求，國內外水平井生產測井以集成化、陣列化綜合儀器研究的趨勢發展，最終將形成一個完善的水平井生產測井及解釋體系。

綜合分析，水平及大斜度井生產測井較垂直井測井難度大大增加，現有的測井技術已不能滿足水平及大斜度井生產測井的需求，所以，進一步開展水平及大斜度井生產測井技術的研究將為我國石油工業領域的后期發展做出重要貢獻。

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Overview of logging technique in oil production horizontal and high deviated wells

KONG Ling-fu1，LI Lei1，2，KONG Wei-hang1，LIU Xing-bin2，LI Ying-wei1，ZHANG Shi-long1

(1.College of Information Science and Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China; 2.Logging and Testing Services Company，Daqing Oilfield Limited Company，Daqing，Heilongjiang 163453，China)

Abstract:With the increasing of unconventional oil-gas reservoirs in domestic，such as low porosity and low permeability reservoirs，tight oil and gas，shale oil and gas，the conventional vertical well logging technology could not meet the needs of development.The single well production and oil recovery in the low permeability reservoir could be greatly improved by adopting horizontal well and high deviated well technology.And so the cost could be reduced.The research work of horizontal wells and high angle wells production is more complex than vertical well logging technology，which is mainly reflected in the key technology of well body structure in the research nowadays，drilling technology，transportation technology，well logging instrument，parameter detection and flow characteristics etc.The horizontal well production logging technology research progress and present situation at home and abroad in recent years are summarized from logging instrument integrating，the logging transportation technology and well fluid parameter measuring technology.It could provide reference for the further research of production logging technology in horizontal and deviated wells.

Key words:horizontal and high deviated wells; transportation technology; logging technique; flow pattern; phase holdups; flow rate

作者簡介:*孔令富(1957-)，男，吉林公主嶺人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為機器人、計算機視覺、智能信息處理，Email: lfkong@ ysu.edu.cn。

基金項目:國家科技重大專項資助項目(2011ZX05020-006) ;河北省自然科學基金資助項目(F2014203265) ;高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20131333110015)

收稿日期:2014-10-27

文章編號:1007-791X(2015) 01-0001-08

DOI:10.3969/j.issn.1007-791X.2015.01.001

文獻標識碼:A

中圖分類號:P631