壓差流量和微差井溫測井在煤層氣分層測試中的應用*

2018-07-19 00:43:56

石油管材與儀器 2018年3期

(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)

0 引言

煤層氣作為一種新型的、獨立的、優質高效的清潔能源，在上世紀80年代末期，美國就成功地進行了煤層氣商業化開發。在上世紀80年代中期，我國開始著手對煤層氣進行勘探與開發，目前煤層氣開采技術越來越成熟，開采規模也越來越大。但是如何對煤層氣井的生產狀況進行監測，如何獲得煤層氣井的分層產出剖面資料，目前還沒有很成熟的技術進行配套應用，這樣必然會影響到煤層氣井經濟有效地開發。因此很有必要研究一套對煤層氣井分層測試技術[1]和解釋方法，為煤層氣的合理開采提供有效的監測資料。

1 煤層氣井排采的主要方式和工藝

煤層氣是煤層中產生的以甲烷為主[2](一般甲烷含量都大于90%)的天然氣，通常我們也稱其叫“瓦斯”。煤層氣的排采目的有兩個，一個是防止透水事故的發生和煤層在開采過程中發生瓦斯爆炸事故；另一個目的是作為一種清潔能源為工業或民用。煤層氣井的排采主要就是用驅動力將煤層中的水排出地面，以達到排水降壓的效果，從而將煤層中的甲烷解析出來。如何才能有效地將煤層中的水排出，降低煤層中的底層壓力，是科技人員研究排采方式和工藝必須要考慮的問題。

目前，煤層氣排采的常用方式有氣舉方式、電潛泵方式、螺桿泵方式和有桿泵方式等四種[3]。這幾種排采方式各有優缺點，氣舉排采方式的缺點不能保持煤層氣井足夠的生產壓差，不能使煤層氣有效地釋放；電潛泵排采方式的缺點是只適合大排量產水狀態下的開采，在低排量煤層水的條件下不適用，排量的適應性較差，另外受氣體影響也較大；螺桿泵排采方式的缺點是含氣量較高時，摩擦產生的熱不易擴散，螺桿泵極易燒壞；有桿泵雖然某種程度上會受到出砂的影響，但目前防砂技術基本成熟，相比之下，有桿泵式具有顯著的優勢，是目前常用的排采方式。

圖1 煤層氣井排采工藝示意圖

2 煤層氣井分層測試主要采用的方法

煤層氣井的分層產出剖面測試分集流測試和非集流型測試[5]，一般集流型產出剖面的測試技術只能提供分段結果，非集流型產出剖面測試不僅能提供每個層的產出狀況，而且每個產出層段內的產出狀況也可以提供[6]。針對非集流型測試技術，我們研發了一種煤層氣井多參數組合儀技術，即壓差式流量測井、微差井溫測井和磁性定位測井的組合儀器，一次下井可以錄取多個參數。其測試流程是先測得煤層氣井層段的合層產水量和合層產氣量，然后按測點分別進行測試，最后通過資料解釋用遞減法求得分層產水量和分層產氣量。

2.1 壓差式流量計

壓差式流量計其實是壓差式密度計的一種應用延伸，而流體密度的測量目前有兩種方式即放射性密度計和壓差式密度計[7]。放射性密度計由于其放射源的惡劣影響，應用受到了一定的限制。因此，壓差式密度計就得到了廣泛的應用，對氣體反應比較敏感[8]。差壓式流量計[9]利用一個壓差傳感器或兩個壓力探頭測量井筒內流體兩點間的壓力差值，如圖2所示，由測量的壓力梯度通過相關計算，從而推導出流體密度或流體流量。壓差密度計是通過測得煤層氣井內已知距離的壓差和壓差井段距離，通過計算來獲得井段內的平均密度。

圖2 壓差式流量計的原理示意圖

差壓式流量計是以伯努利方程和流體連續性方程為依據[10]，根據節流原理，當流體流經節流件時(如標準孔板、標準噴嘴、長徑噴嘴、經典文丘利嘴、文丘利噴嘴等)，在其前后(或上下)產生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比。

伯努利方程：

(1)

連續方程為：

ρ1V1A1=ρ0V0A0

(2)

合并方程(1)和(2)，假設流體不可壓縮，則得流量計算公式：

(3)

式中：qf為工況下的體積流量，m3/s；c為流動系數；β=d/D；d為工況下孔板內徑，mm；D為工況下管道內徑，mm；ε為可膨脹系數；Δp為孔板前后的差壓值，Pa；ρ1為工況下流體的密度，kg/m3。公式(3)即求得流體流量qf。

在理論上壓差式流量計的流量和壓差的關系由于受多種因素的影響，我們很難準確地消除這些影響，因此，在實際操作中，我們通常采用壓差式密度計在室內進行了靜態高度法刻度，密度與儀器輸出頻率成線性關系。在模擬井進行了油水兩相流的標定，在兩相流條件下，利用壓差式流量計，即可測量高含水，又可測量低含水，測量范圍為0～100%。壓差流量計在室內開展了動態實驗研究，實驗顯示，儀器響應隨著氣量的增加成二次多項式的形式遞減，如圖3所示，很清晰地顯示了壓差流量計的響應與氣流量之間的關系。

圖3 壓差流量計響應與氣流量的關系

2.2 微差井溫儀

井溫測井包括梯度井溫和微差井溫，井溫測井儀測試的井筒內各個深度的井溫，其井溫曲線反映的是井內溫度梯度的變化情況。微差井溫測試的是井軸上不同兩點間距的井溫值的變化量[11]，在曲線上以更明顯的比例形式顯示出來，更能清楚地顯示出井筒溫度梯度的變化，對井溫的變化更直觀、更準確，微差井溫定義為1 m距離的井溫差的變化量[12]。在不同的溫度下微差井溫的零點會發生一定量的偏移[13]，通常我們通過實驗進行標定，采取溫度補償的辦法來進行零點漂移的消除。井溫測井采用的是橋式電路，如圖4所示，也稱惠更斯橋電路[14]，微差井溫信號處理如圖5所示。

圖4 惠更斯橋式電路圖

圖5 微差井溫信號處理示意圖

微差井溫測井通常采用下測的方式，且測井速度不易太快[15]，靈敏度高、施工簡單、無活動部件、輔助設備少，測試成功率高，成本較低。在一般情況下井筒溫度隨深度的增加而增加，體現的是地溫變化趨勢，只有在產液的層段，由于層段內液體的產出，溫度而發生比較大的變化，在梯度曲線和溫差曲線上都有較大的反映，然后根據這個反映來判斷是否產液。但缺點是由于采用的接觸式測量方式，只有在液體中變化才比較明顯，又由于受大地溫場的影響，微差井溫在縱向上分辨率較低，曲線變化有時與層位實際深度存在一定誤差，且對產出層的只能定性解釋不能定量解釋。