基于陣列探針的水平井油水兩相流成像測井方法研究

( 大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司　黑龍江　大慶　163453)

0　引　言

油田水平井逐年增加，測井需求加大，含水率測量是水平井生產測井中重要的環節。適應油田開發中后期復雜條件下的含水率測井技術應具有適合高含水條件的特點，應用較為成功的是利用電學測量含水率[1]。斯倫貝謝公司推出的流體剖面數字圖像分析儀(DEFT)、康普樂公司推出的流體剖面分析儀(FPT)都是基于采用電導探針構成陣列測量探頭,利用油氣與水的導電特性差異辨識井內流體[2]。這些技術均適用于國外中高產液剖面的測量。大慶油田測試技術服務分公司自主開發了適用于國內中低產液的基于陣列電導探針的水平井油水兩相流成像測井技術[3],基于電導原理，通過多個探針對水平井油水界面的判斷，具有全井眼測量,適用流量范圍廣等特點，為水平井含水率測量提供了新的方法。通過模擬井及現場應用，該儀器能夠滿足水平井測井需求。

1　儀器工作原理與設計

1.1　含水率測量原理

水平井的含水率通常是指體積含水率，定義在一定長度的井筒內，是水相體積占流體總體積的百分比[4,5]。受重力作用的影響，當水平井產液量較低時，就會出現明顯的分層流動現象，水平井油水分層流動示意圖如圖1所示。

圖1　水平井油水分層流動示意圖

在中低產液的水平井中油水兩相流分層流動，利用油和水的導電率不同，當它們流經電導探針時根據探針的不同狀態，就可以判斷出傳感器是位于油中還是位于水中。

分層流條件下，水相在測量截面上的投影與截面面積的比值即為含水率Hw，含水率Hw與油水界面高度h之間的關系為：

(1)

式中，h為油水界面高度；r為油井套管的內半徑，一般為62.5 mm。

通常情況下，認為水平管段足夠長，有限體積的測井儀器對油水界面高度的影響微不足道，可以忽略不計。因此，只要準確獲得測量截面上的油水界面高度，便可以通過式(1)計算出整個測量井段的含水率。含水率和油水界面高度之間的幾何對應關系如圖2所示。

圖2　含水率和油水界面高度之間的幾何對應關系

1.2　儀器及相關軟件設計

陣列探針成像儀器由電路筒、支撐軸、支撐臂和電導探針傳感器等部分組成，其結構如圖3所示。其中支撐軸是整個儀器的中心軸，是整個儀器的主體，所有支撐臂和電導探針都是圍繞著這個中心軸進行設計和排列的；支撐臂類似于彈簧臂，依靠一端的彈簧結構控制支撐臂的收縮與撐開，無需外力作用，撐開時可以緊貼管道內壁。

儀器通過均勻分布的24個探針對油水界面進行判斷，用‘0’、‘1’來代表探針在水和油中的狀態，再通過曼徹斯特編碼方式將探針的工作狀態進行上傳。地面軟件接收儀器的數據后，進行擬合處理，對油水界面的圖像進行重建及計算含水率。

圖3　陣列電導探針成像儀結構示意圖

水平井油水兩相流成像圖像重建軟件如圖4所示。軟件界面的左面顯示儀器上傳的數據信息，顯示探針工作的個數，軟件界面的右面是根據數據進行模擬成像及含水率的變化。

圖4　圖像重建軟件界面

2　模擬井動態實驗

模擬井動態實驗在大慶油田測井試井檢測實驗中心多相流實驗室水平模擬井中進行，模擬實驗在常溫、常壓下完成。實驗采用的流體介質是柴油和自來水(柴油密度為0.826 3 g/cm3，自來水密度為0.988 4 g/cm3)[7]。

利用成像圖像重建軟件計算得到的測量含水率與標準配比含水率的對比見表1。

表1測量含水率與配比含水率對比

標準配比含水率/%成像測量含水率/%滿量程誤差/%510．335．331517．732．732522．782．223537．482．484545．390．395554．610．396562．532．477571．593．418588．673．679594．110．89

實驗結果表明：儀器在0～100%含水率范圍內具有較高的分辨率，測量分辨率優于10%，最大測量誤差在6%以內。

3　水平井現場試驗

3.1　試驗井及測井工藝

測試的水平井完井深度為2 040 m，射孔井段數據見表2。

表2　射孔數據

試驗水平井井眼軌跡圖如圖5所示。

使用Sondex牽引器輸送測井儀器[8]：牽引器與測井電纜連接，在其下端連接測井儀器，垂直井段靠儀器自然重力下放，儀器遇阻以后，通過測井電纜供電來控制牽引器開始工作，由牽引器提供動力將儀器推送到水平目的段，然后通過地面控制斷開牽引器電源，為儀器供電，靠測井電纜上提儀器進行測井。測井工藝示意圖如圖6所示。

圖6　測井工藝示意圖

3.2　現場試驗結果

在靜態測量過程中，各個測量點處成像儀器顯示含水率均為100%，這種情況是符合井下環境的。靜態測量完畢后，測量一條全井的含水率數據，測井原始曲線如圖7所示，發現在1 620～1 655 m處儀器響應明顯，表明儀器工作正常。

通過軟件對測量數據處理，測得含水率為85%。1 620～165 5 m測井井段測井數據成像圖如圖8所示，參考井眼軌跡圖，可以看出在1 620～1 655 m處，井眼軌跡為上弧形，這種結構容易在弧形的頂端聚集部分油相。

圖7　測井原始曲線

圖8　1 620～1 655 m測井數據成像圖

儀器預置4 d后，進行水平井的產出測試，測井曲線如圖9所示。為方便觀察，選取曲線的頂部和底部。

在產出測試過程中，在1 655 m處遇阻。在1 655 m以上測量了一段連續測量曲線，數據顯示在1 655～1 500 m處含水率為100%，即前2個射孔層段無油產出。

4　結束語

水平井油水兩相流成像測井儀在測井過程中，不受溫度、壓力、礦化度等條件影響，測量含水率范圍廣、適用性高。通過模擬井動態實驗及現場應用，陣列探針電導成像儀能夠有效地分辨出油水界面，成像軟件計算含水率比較準確，含水率測量分辨率優于10%，這種儀器的廣泛應用將改變水平井含水率測量困難的現狀。

圖9　水平井產出測試

[1] 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.

[2] 楊梅,吳錫令,王志磊,等.水平井油水兩相流型測量實驗[J]. 測井技術, 2008, 32(5): 398-402.

[3] 豆岳龍,劉興斌,胡金海,等.基于FPGA的雙層陣列電導探針持水率計電路設計[J].石油儀器,2011,25(5):74-75.

[4] 胡金海,劉興賦.陣列電導探針流體成像儀在油水兩相下的實驗[J]． 石油儀器，2013，27(1):33-35.

[5] 別靜,吳錫令,繆志偉.油井流動圖像重建算法研究[J].石油天然氣學報,2011,33(7):34-39.

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[7] 鄭希科,劉興斌,樸玉琴,等.水平井油水兩相管流流量和含水率測量方法實驗研究[J].測井技術，2010，34( 4) : 323 - 326.

[8] Sondex 公司.Sondex Mule Tractor 井下爬行器培訓教材[Z]. 2011:1.