持水率測量結果影響因素試驗與分析

王春圣，姜文芝，謝景平（中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營 257200）

產出剖面測井是生產測井中最直接反映油井生產情況的測井方法。持水率和流量的測量是產出剖面測井中關鍵的2個測量參數。其中，流量可以直接反映油井產液量大小。試驗和生產中發現，通常難以通過持水率得到較為準確的含水率［1］。因為持水率不僅與含水率有關，還受流速、油氣分布狀態、測量儀器類型、井斜、計算方法和管徑大小等因素的影響。其中管徑大小影響著流體的流速、流型、油水的分布狀態，與持水率大小密切相關。同一影響因素對直井和水平井影響程度也不一樣［2］。因此，要通過持水率得到可靠的含水率參數，必須考慮上述影響因素，且只有通過試驗觀察、分析及剖析儀器測量原理才能得到很好的解釋。

1 直井中持水率影響因素試驗與分析

1.1 流量

在垂直井中，由于油的流速永遠大于水的流速，持水率總是大于含水率。流量越小，油水間滑脫速度差別越大時，持水率要遠遠小于含水率；流量越大，油水間滑脫速度差別越小時，持水率越接近含水率。圖1是在直徑120mm管中通過試驗得到的持水率、含水率及流量間的關系，可見，在流量為1m3／d的極小流量條件下，含水率在0%～100%間改變時，井內持水率幾乎穩定在0.99～1；在流量為10m3／d條件下，含水率在0%～100%間改變時，井內持水率變化為0.92～1；隨著流量增加，不同含水率時的持水率曲線逐漸分開。因此，流量越低，持水率與含水率之間的相關性越差，測量的持水率越不能反映含水率；隨著流量增大，持水率與含水率逐漸呈比例關系，流量越大，相關性越好。

圖1 持水率－流量－含水率關系（?5.5in套管）

1.2 管徑大小

在流量和含水率不變的條件下，只改變管徑大小即改變流速大小，持水率隨之會發生變化。因為當管徑大小改變時，對應流體的流動速度隨之改變。相同流量條件下，管徑大時流體在其中的流速小，管徑小時流體在其中的流速增大。當油流速太小，不能攜帶管內原有的水時（底水永遠存在），會導致測得的持水率顯示為高含水（圖2）。隨著管徑變小或油的流速增大，水被流動油帶走，此時管內持水率減小。因此，在小流量條件下，采用集流的測井方法能提高持水率的測量精度。

圖2 持水率與管徑大小的關系

2 水平井中持水率影響因素試驗與分析

通常水平井的井斜角不可能正好為90°，為了便于敘述油水在水平井中的流動狀態，定義水平流（井斜角為90°）、上坡流（井斜角小于90°）、下坡流（井斜角大于90°）。通過在直徑120mm管中試驗總結得到水平井中油水流動規律。在水平流中，油水流動主要是以分層流動為主，隨著流量增加，油與水界面由清晰穩定到逐漸產生波動。當流量小于200m3／d時，水平流、上坡流的油水界面清晰、平穩；當流量大于200m3／d時，界面波動逐漸模糊，上油下水，中間有“油包水”或“水包油”過渡區域；下坡流的油水界面在小流量下就產生波動，隨著流量增加，波動加劇，上油下水，中間區域是“紊流”。

2.1 流量

在水平井中持水率與含水率接近（油水速度差別不大）。低流量下持水率向0.5趨進，隨著流量增加，持水率與含水率逐漸接近（圖3）。

2.2 井斜角

當水平井井斜角非90°時，中低流量條件下，持水率主要受井斜影響。上坡流情況下，油的流動速度遠遠大于水的流動速度，持水率遠遠大于含水率；下坡流情況相反，油的流動速度遠遠小于水的流動速度，持水率遠遠小于含水率，此時含水率與持水率基本沒有相關性。持水率在井斜角90°附近發生突變（圖4）。隨著流量增大，油水間的滑脫速度減小，此時持水率能較好反映含水率（圖5）。

圖3 水平井持水率－流量－含水率關系

3 油水分布狀態對持水率測量影響的試驗與分析

目前，現場持水率測量儀器中使用最廣泛的是電容持水率傳感器［3］（探頭），以此為例進行分析。

3.1 油水分離狀態

電容探頭取樣室內油水呈分離狀態或油氣水單相流體，電容量與油水體積之間有確定的線性函數關系，且持水率不受水礦化度的影響，見表1。

由此可得持水率與電容間的線性函數關系為：

式中：C為電容，pF；Yw為持水率，1。

圖4 30m3／d流量下持水率－含水率－井斜角關系

圖5 300m3／d流量下持水率－含水率－井斜角關系

3.2 油水混合流動

1）高持水率（大于0.5，水是連通相）。油水混合流動狀態下，高持水率表現為水包油。在水是連通的高持水率下，油滴被水包圍，隨著乳化程度不同，油滴平均直徑為5～0.01mm范圍。這些油滴接觸到探針表面（粘附－電路隔離），在電路上相當于探針的結緣膜局部增厚，會引起探頭電容的變化。沒有粘附到探針表面的其他自由流動的油滴，對電容沒有影響，即電容僅僅探測與它接觸的油滴。此時，探頭電容測量值主要與油滴大小相關，油滴大油水分辨高，油滴小油水分辨低，測量電容值與持水率沒有確定的函數關系，見表2。

2）低持水率（小于0.35，油是連通相）。油水混合流動狀態下，低持水率表現為油包水的流動狀態，此時電容測量符合下列公式［4，5］：

式中：H為電容器高度，m；ε0為真空介電常數，F／m；εmem為絕緣膜的相對介電常數，1；εmed為介質相對介電常數，1；Rmem為絕緣膜的半徑，mm；r為中心電極半徑，mm；Rs為電容器外電極（殼）半徑，mm。

3）過渡區域（持水率0.35～0.50）。時間上和空間上都有油水互為連通相的局部區域，電容變化幅度大，持水率也會隨油水間存在狀態的變化而變化。

4 持水率計算方法影響與分析

水平井通常采用多個探頭測量持水率，如Sondex的陣列電容持水率計是通過沿井周排列的12個探頭測量井筒內對應的12個持水率數值。常規情況下，在水平井中油水可以認為是分層流動的，有較為清晰的油水界面，測量探頭不是在油中，就是在水中，或者在油水界面上，每個探頭測量的持水率與所探測的油水具有線性函數關系。要計算井內某個截面上的總持水率，要根據12個探頭對應的測量值進行計算得到。目前，國內已有的算法有平均值法，即直接把12個探頭測量結果相加后除以12，得到平均值，即是井筒的持水率解釋結果；探頭權值法（測井技術），解釋持水率（持油率）時，根據每個探頭對總持水率的貢獻大小賦予一定權值，計算井筒持水率，該方法計算的持水率的精度比平均值法有所提高但誤差還是很大。中石化勝利石油工程有限公司測井公司通過陣列探頭測量持水率的原理，提出了界面追蹤法和高斯插值法。上述2個計算持水率新方法的計算依據是水平井內分層流動的油水分界面高度可以準確反映持水率的真實信息，通過計算油水界面高度就可以準確地計算出井內持水率。當油水界面處在任何一個探頭的6mm測量范圍內時，都可以計算得到這個油水界面高度，反之則采用高斯插值法得到油水界面高度。

表1 探頭測量的電容量與實際持水率關系

表2 油滴大小與持水率關系測量結果

5 結論與建議

筆者通過大量試驗分析，研究了直井、水平井和油水分布狀態對持水率測量的影響因素，總結了持水率測量的變化規律，并對不同計算方法的精度進行了分析。

1）隨著含水率的增大，持水率增大，但往往不呈線性關系；而油水分離相的電容與持水率呈線性關系，電容與水的性質無關，油品介電常數、黏度對電容影響較大。

2）持水率與流量關系密切，即與流速關系密切，低流量情況下，持水率遠遠大于含水率，此時建議采用集流方法測量，人為增大流速。

3）水平井持水率與井斜角關系最為密切，尤其在井斜角90°附近時變化劇烈，計算持水率要與井眼軌跡相對應。

4）油水分布狀態影響持水率測量結果，尤其是高含水情況下影響大。

［1］孫妍，張琳.原油含水率測量方法的研究［J］.計算機與數字工程，2013，41（7）：1207～1209.

［2］回雪峰，吳錫令.油田開發中后期持水率測井技術研究與展望［J］.地球物理學進展，2004，19（1）：61～65.

［3］陳永昌.高靈敏度持水率儀研制與應用［J］.測井技術，1993，14（2）：141～147.

［4］吳錫令.開發測井原理［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］郭海敏.生產測井導論［M］.北京：石油工業出版社，2003.