一種新型產出剖面三相流組合測井儀的研制

王 楊

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163153)

·開發設計·

一種新型產出剖面三相流組合測井儀的研制

王 楊

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163153)

針對油田三相流問題，研制了一種新型產出剖面三相流組合測井儀，介紹了儀器的總體結構和測量原理，建立了儀器在三相流條件下的持氣率和含水率響應曲線。持氣率實驗表明持氣率傳感器對油氣水中的氣體反映敏感，在一定流量范圍內持氣率響應與標準含氣率具有確定的對應關系；含水率實驗表明井下產氣影響含水率測量結果，三相流含水率測量需要通過持氣率測量校正。實驗和現場應用證明組合儀一次下井可以完成流量、持氣率和含水率的測量，通過綜合解釋可提高測井資料的準確性，為產出剖面三相流測量提供了新的方法和技術支持。

三相流；含水率；持氣率；響應

0 引 言

目前在產出剖面測井過程中，普遍是采用基于電導法原理進行含水率的測量，其儀器持氣率傳感器對井下流體中油相和氣相電學響應趨于相同，沒有明顯的分辨率，無法準確分辨油相和氣相，而隨著油田的開發，井下產氣井逐年增加，在實際測井中經常會出現流量、含水率測量結果與井口量油、化驗含水值偏差較大的現象，出現這種現象往往是常規含水率測井儀誤將井下流體中氣相判定為油相測量所導致的，因此在產氣量較大的井中應用基于電導法的常規含水率測井儀，獲得的測井結果就會給油氣水三相流流體含水率的解釋帶來很大困難。光纖傳感器對于氣液的光學特性敏感，與混合流體電阻率無關[1]，所以采用光纖傳感器測量井下流體持氣率，并與含水率測量結果結合，通過綜合解釋校正，就能夠更加準確的獲得井下流體中油、氣、水三相的分布。

1 測量原理

1.1 持氣率測量

光纖測量持氣率的原理是基于油氣水三相流流體中氣相與液相對光折射率的不同實現的，油相折射率約為1.5，水相折射率約為1.35，氣相折射率約為1.0[2]。光纖探針法測量持氣率可以獲得較為準確的局部瞬時持氣率[3]，光纖探針持氣率測量原理如圖1所示[4]。利用光纖探針傳感器，當光纖探針接觸到流體中的氣相時，光在光纖探針上產生全反射現象，反射光線返回到傳感器接收端并輸出高電平，記錄高電平輸出時間tg，即為氣相通過的時間；當光纖探針接觸到流體中的液相時，因為介質折射率增大，致使全反射的臨界角增大，不滿足全反射條件，傳感器接收不到反射光線，輸出低電平，記錄低電平輸出時間tt，即為液相通過的時間。實時采集傳感器輸出脈沖并對其進行統計，測量一定時間內光纖探針中反射光線傳輸到傳感器的次數及脈沖寬度，便可計算出測點截面的持氣率值，即：持氣率 =tg/(tg+tt)[1-4]。

圖1 光纖持氣率測量原理

1.2 含水率測量

阻抗式含水率測量方法是傳統的含水率測井方法，該方法在大慶油田產出剖面測井中已經被廣泛的成功應用。阻抗式含水率測量原理如圖2所示[5]。含水率傳感器由發射電極和兩個測量電極組成，測量電極鑲嵌在絕緣內壁上，發射電極向傳感器測量段發射一定頻率的交變恒定電流，當流體從傳感器內流過時，由于測量段電極間阻抗的存在，極間產生電壓，油水介質發生改變，根據電學原理，電壓幅度與流過傳感器流體的電導率成反比，不同的電壓對應不同油水混合時的流體阻抗特性，根據介質阻抗特性計算含水率。測量過程中只需要測量傳感器在混相液和全水時的頻率輸出，經過計算及圖版對照，即可得到油水兩相流流體含水率。

圖2 阻抗式含水率測量原理

2 儀器結構

新型產出剖面三相流組合測井儀由電路、流量傳感器、光纖傳感器、阻抗傳感器、集流傘和驅動電機等組成，如圖3所示。其中流量傳感器位于儀器流道筒上方，通過渦輪葉片轉數記錄井下流體的體積流量；光纖傳感器位于流道下方，通過統計光纖傳感器與流體中的氣泡接觸情況計算持氣率；阻抗傳感器上下兩端分別與流道筒和集流傘短節相連。儀器在井下集流后，流體從進液口流入，依次通過阻抗傳感器、光纖探針傳感器和流量傳感器，從出液口流出。

圖3 產出剖面三相流組合測井儀總體結構

3 電路工作原理

儀器采用三芯電纜，含水輸入信號經過放大、AC/DC轉換、AD轉換及整形后變為脈沖信號，流量信號經過比較和整形后一同送入合成和驅動電路，在電纜的一芯上輸出正負脈沖信號，其中正脈沖為含水信號，負脈沖為流量信號。持氣率測量中，傳感器輸出的弱電平信號依次經過放大、模擬開關、AD轉換器，然后與流量信號一起進入單片機處理，形成曼碼，該信號上傳到電纜二芯。電纜的另一纜芯為集流傘供電,如圖4所示。

圖4 產出剖面三相流組合測井儀電路原理

4 技術指標

外徑：28 mm；耐溫：125℃；耐壓：40 MPa；流量測量范圍：2～60 m3/d ±3%F.S；含水測量范圍：50%～100% ±5%；持氣率測量范圍：10%～40% ±5%。

5 模擬井實驗

5.1 持氣率實驗

持氣率實驗選擇在高含水油氣水三相流條件下進行，實驗中油氣水總流量調節范圍為5～60 m3/d之間，含氣量調節范圍為10%～40%；流量從10 m3/d開始以10 m3/d的間隔遞增；同時選擇含水配比為80%、70%、60%和50%四個點做實驗記錄點，四種不同含水率對應持氣率響應曲線如圖5所示。選取流量為40 m3/d以下的數據，以流量為橫坐標儀器響應為縱坐標，建立光纖探針持氣率油氣水三相響應曲線，如圖6所示。從圖5和圖6的曲線可以看出隨著流量的增大持氣率響應單調增加，其中含氣0%～20%之間，持氣率測量分辨率隨氣量的增加而增加；含氣20%～40%之間，持氣率測量分辨率隨氣量的增加而減小，含氣測量上限為40%。

圖5 油氣水三相持氣率響應曲線

圖6 油氣水三相持氣率響應曲線(含氣10%～40%)

圖7 阻抗式含水油水兩相響應曲線

5.2 含水率實驗

含水率實驗首先選擇在油水兩相流條件下進行，流體總流量調節范圍為3～60 m3/d，含水為50%～100%，繪制阻抗式含水油水兩相響應曲線，如圖7所示；然后在油水兩相流條件下參入氣相進行實驗，油水總流量調節范圍為5～60 m3/d，含水為50%～100%，再分別參入氣相流量3 m3/d、5 m3/d、7 m3/d和10 m3/d，繪制阻抗式含水率油氣水三相響應曲線，如圖8所示。與圖7對比從圖8可以看出，相對于油水兩相流，三相流中的氣體是導致阻抗式含水響應曲線整體降低的原因，氣量越大含水響應值越低，流量越低含水率分辨能力越低，同理，可得在產出井中產氣使阻抗式產出剖面測井儀對含水率測量的分辨能力降低；另外，流量在90%以上高含水的情況下，隨著氣量的增加分辨率逐漸降低，當氣量超過5 m3/d時，儀器對含水率測量基本失去分辨能力。

6 測井實例

X20號井是大慶油田第九采油廠一口抽油機井，井口計量產液量20.5 m3/d，化驗含水值77.7%。利用新型產出剖面測井儀測井，實際測得井口油氣水總產量為24.39 m3/d，持氣率為46.24%，應用圖6的油氣水三相持氣率響應解釋圖版解釋含氣率為25%，計算該井產氣量為6.09 m3/d，去除產氣量油水產量為18.3 m3/d，根據圖8的實際產氣量選擇三相流阻抗含水解釋圖版進行校正，校正后含水率為80.5%。該井實際外報資料結果為：產量18.3 m3/d、含水率80.5%、含氣率25%。

該井第一測點實例：利用阻抗式含水率計測量該井第一測點，測得合層混相值為64.2 Hz ，如圖9所示；合層全水值為38.5 Hz ，如圖10所示；全水混相比值為0.6，采用圖7的油水兩相流阻抗含水解釋圖版，解釋該點含水率為66%，與井口化驗含水值77.7%差異較大，證明該井明顯受到產氣的影響，含水率測量偏低；那么采用三相流阻抗含水解釋圖版進行校正，含水率提高了14.5%達到了80.5%，更接近井口化驗含水值。

圖8 阻抗式含水率油氣水三相響應曲線

圖9 阻抗式含水率混相值測量曲線

圖10 阻抗式含水率全水值測量曲線

X21號井也是大慶油田第九采油廠一口抽油機井，井口計量產液量5.4 m3/d，化驗含水值97%。利用新型產出剖面測井儀測井，實際測得油氣水總產量為9.34 m3/d，持氣率為4.89%，應用圖6的油氣水三相持氣率響應解釋圖版解釋含氣率為5.1%，計算該井產氣量為0.47 m3/d，去除產氣量油水產量為8.87 m3/d，根據圖8a的實際產氣量選擇三相流阻抗含水解釋圖版進行校正，校正后含水率為77%。該井實際外報資料結果為：產量8.87 m3/d、含水率77%、含氣率5.1%。

圖11 阻抗式含水混相值測量曲線

圖12 阻抗式含水全水值測量曲線

X21號井測量第一測點合層混相值為114.63 Hz，如圖11所示；合層全水值為68.3 Hz ，如圖12所示；全水混相比值為0.596，采用圖7的油水兩相流阻抗含水解釋圖版，解釋該點含水率為70%；采用圖8a的三相流阻抗含水解釋圖版進行校正，含水率提高了7%達到了77%。

7 結 論

1)研制了一種新型產出剖面測井儀器，在保留常規流量、含水等參數測量功能的基礎上，新增了持氣率參數的測量功能，為進一步解決三相流產出剖面測井打下了良好的基礎，在大慶油田未來的開發中有著廣泛的應用前景。

2)通過室內模擬實驗，獲得了三相流流體中持氣率與含水率的解釋關系圖版，從而減小氣相對含水率測量結果的影響。在儀器標定過程中，針對三相流流體中不同含氣量的情況，建立精準的油氣水三相流持氣率響應解釋圖版和油氣水三相流阻抗含水率解釋圖版庫，從而通過實際情況，選擇對應的含水刻度圖版進行解釋，可以有效的校正阻抗式含水率測量的精度。

3)現場試驗表明，在應用新型產出剖面測井儀器錄取的測井資料中，對于三相流流體含水率的解釋結果比較兩相流的更為準確。

[1] 張向林，陶 果．油氣井生產測井中的光纖傳感技術[J]．地球物理學進展，2005，20(3)：796-800.

[2]牟海維，王愛雙，張 坤，等．油氣水三相流產出剖面光纖持氣率計的設計與理論研究[J]．科學技術與工程，2012，12(14)：3363-3364．

[3]于莉娜，孔維航，孔令富，等．垂直上升管內多光纖傳感器持氣率估計算法研究[J]．測井技術，2013，37(5)：476-480．

[4]郭學濤，孔令富，張運生，等．基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測井儀[J]．電子技術，2010，37(2)：68-70．

[5]胡金海，劉興斌，張玉輝，等．阻抗式含水率計現場應用[J]．測井技術．1999，23(增刊)：511-514.

Development of a Three-phase Flow Combined Logging Instrument with Production Profile

WANG Yang

(DaqingLogging&TestingServicesCompany,Daqing,Heilongjiang163153,China)

For oil three-phase flow problem, a production profile of three-phase flow combination logging tool was developed, and the overall structure and measuring principle of the instrument were introduced. The gas-water ratio response curve was built under the three-phase flow conditions. Gas holdup experiments showed that gas holdup sensor for oil gas water gas sensitive within the scope of certain flow gas holdup response and standard gas rate has determined the relationship; The experimental water content showed that underground gas production effect of water cut measurement, three-phase flow water cut measurement needs through the gas holdup measurement of correction. Experiments and field application proved that the combination instrument can complete the measurement of flow, gas-water ratio in one down. The comprehensive interpretation can improve the accuracy of well logging data, and the instrument provides a new method and technical support for the measurement of three-phase flow output.

three phase flow; water cut; gas holdup; response

王 楊，男，1979年生，工程師，2006年畢業于哈爾濱理工大學計算機科學與技術專業，從事注產出剖面測井技術研究及現場應用推廣工作。E-mail：dlts_wangyang@petrochina.com.cn

P631.4+3

A

2096-0077(2017)01-0022-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.005

2016-09-13 編輯：馬小芳)