海上油田水平井流體成像測井資料解釋方法研究

李 恒，馬煥英，李家駿，趙 捷，吳曉龍，宋文廣

(1.中海油田服務股份有限公司油田技術事業部資料解釋中心，河北廊坊 065201；2.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北武漢 430100)

目前海上水平井和大斜度井應用普遍，含水上升問題逐漸突出，嚴重制約了水平井勘探開發應用效果，水平井生產測井找水技術是提高開發效果的重點工作之一[1-4]。水平井找水從基礎理論到測井儀器和解釋評價方法與常規直、斜井不同，井眼中輕質相與重質相的重力分離使混合流體的流型復雜多變，另外，由于水平井眼的長距離波狀起伏等原因，造成水平流動產出剖面異常復雜，為直井設計的常規生產測井儀器難以在流體復雜的水平井測井中得到準確滿意的效果。

流體掃描成像測井儀Flow Scanner Image(FSI)是斯倫貝謝公司推出的專門針對大斜度井和水平井生產測井的新型多探頭剖面測井儀器[5]，通過分別測量水平井分層流動的速度剖面及局部的持水率和持氣率，計算油氣水各相流量，準確監測井下油氣水產出情況。FSI主要應用在以下幾個方面：識別三相流井中的吸水層位、氣井中識別液體、識別流體的重復循環及獨立進行三相流解釋[6-8]。

1 FSI測井儀結構及特點

如圖1所示，FSI儀器上設計有可推靠的三角形臂，臂的左側有4個微轉子流量計，測量流體流動速度；臂的右側有5組由電阻探針和光學探針組成的陣列，分別測量井眼局部持水率和持氣率。在儀器本體上還有1個微轉子流量計和1組電阻探針和光學探針，用來測量井眼底側的流體特性。由于轉子和探針的陣列分布，FSI儀器可用來測量單個居中轉子測不出的流體速度變化，實現水平井井下流體分層流速和分層相持率的測量[9-10]。在同一深度，所有微轉子流量計和光電探針同時工作，幾乎覆蓋了全井眼，可以更加全面的反映井筒流體信息，且可以減少測量趟數，節省作業成本。

圖1 FSI儀器結構示意圖

FSI微轉子啟動速度較小，受金屬碎屑影響也較小，能識別的最小流量為5.26 m3/d(φ114.3 mm套管)。儀器測量時為偏心測量，通過方位測量和矯正可以較好地覆蓋整個截面。儀器外徑為42.9 mm，可在內徑為73.0～228.6 mm井眼中進行測量，具有直讀模式和存儲模式，可通過電纜、連續油管或者爬行器進行輸送。儀器長度僅4.9 m，適用于狗腿度嚴重的井，可在溫度為150 ℃和壓力約為103 MPa條件下工作(表1)。

表1 FSI測井儀技術指標

2 FSI測井資料解釋方法

為了得到準確的解釋結果，FSI資料處理與解釋方法步驟如下：①生產測井曲線深度校正，一般要求生產測井的GR曲線與裸眼測井的GR曲線相匹配，同時對其他曲線進行深度校正；②數據質量控制，檢查測井曲線重復性，刪除或忽略異常數據(包括溫度、壓力、流速、持率等)，選擇合格的數據計算各相的持率和流速；③微轉子流量計刻度，FSI的每個微轉子需要分別進行刻度，通過渦輪交會分析得到每個轉子的斜率和截距，并計算出井筒局部的視流體速度曲線；④計算井筒持率和流量，是整個處理解釋過程中最重要的一環，結合數學模型，計算測量的陣列數據，從而得到井筒的流體混合速度、分相持率和分相流量。常用的數學模型為均值法和面積法，本文在此基礎上提出了積分法計算井筒的持率、速度和流量。

2.1 均值法

均值法指將各探針的測量值取平均值后作為井筒內流體的持率和速度，那么井筒各相持率計算公式為：

(1)

式中：Yp為井筒的持水率/持氣率；Ypi為第i個探針的持水率/持氣率(i=1，2…6)。

井筒的平均速度為：

(2)

(3)

式中：Vm井筒內平均速度值，m/min；Vi為第i個轉子的視流體速度值，(i=1,2,…,5)，m/min；RPSi為第i個轉子的測量值(i=1,2,…,5)，rps；ki為第i個轉子的交會斜率；Vti為第i個轉子的啟動速度，m/min；Vl為電纜速度，m/min。

井筒水相或氣相流量Qp公式為：

Qp=Vm×PC×Yp

(4)

式中：PC為管子常數。

該方法僅適用于井筒內流體混合均勻且不存在各向異性，不適用于水平井分層流。

2.2 面積法

面積法是按照轉子和探針的數量及分布方式將井筒截面在垂向上劃分為n個面積，根據各探針所占面積占井筒總面積的比值計算各探針的持水率，并進行加權平均，從而得到井筒內流體的平均持水率值。

選取任意兩個相鄰持率探針所在位置處的中點作為劃分面積區域的界限，如圖2所示，可以將井筒截面劃分出6個不等的面積，進而計算得到整個井筒的持水率或持氣率：

圖2 持水率面積平均法示意圖

(5)

式中：Si為第i個探針所占的面積，(i=1,2,…,6)，mm2；S為整個井筒截面所占的面積，mm2。

同理，井筒混合流體速度為：

(6)

井筒水相或氣相流量為：

(7)

該方法僅考慮流體縱向上的變化，橫向上認為流體的性質一致，適用于分層流。針對水平井分層流，面積法主要依據轉子或探針的個數對井筒截面進行劃分，且認為同一區域內的各相速度或持率處處相等，這種方法對水平流動截面的劃分不夠精細，尤其是在井筒截面較大的情況下，精度會降低。另外，實際測量中若出現個別轉子或探針響應不好的情況，計算時需要剔除相應的測量數值，精度會更低。因此，本文提出了利用積分法得到井眼持率和流量的計算模型。

2.3 積分法

本文提出的積分法是基于分層流中流體沿井筒方向上性質不變，對測量的持率和流體速度進行插值后再通過積分計算的方法。該方法對井筒截面的劃分更加精細，可以更加準確地獲得井筒內的持率信息和流體分布情況。具體來講，將井筒截面劃分為n個(可趨于無限小)等份，根據各探針的投影位置進行插值，得到每個等份的響應數值，沿著井筒截面縱向進行積分，進而得到整個井筒的平均持率、速度和流量。

首先，計算轉子和探針在井筒截面垂向上的投影位置，并結合轉角曲線對投影位置進行校正，得到更精確的投影分布，繪制各轉子和探針到井筒高邊的距離與井筒內徑的關系圖版，如圖3所示，各個探針在儀器臂上并不是均勻分布的，隨著管柱大小發生變化，各探針投影位置也相應改變，且儀器測量時會發生旋轉，各個探針的絕對位置也是不固定的。

圖3 微轉子/持率探針到井筒高邊的距離與井筒內徑的關系

根據儀器旋轉角度進行校正即可得到各探針真實的投影分布：

Pi′=R-(R-Pi)×cosθ

(8)

然后，根據每個探針到頂底的距離進行插值，得到圖4中右側的持率沿著縱向的分布，進而對持率在縱向上進行積分即可得到井筒持率：

圖4 積分法持率計算示意圖

(9)

式中:Ypi為經插值得到在第i個單位位置的持率值(i=1,2,…,n)。

同理，井筒混合流體速度為：

(10)

井筒水相或氣相流量為：

(11)

3 應用實例分析

基于上述算法，編制相應的解釋軟件，對海上某油田A井進行了FSI測井資料解釋處理。A井是一口凝析氣井，地面計量產氣量為10.6×104m3/d工作制度下，進行了FSI產氣剖面測試，在3 060.0～3 140.0 m(油管段φ73.0 mm)和3 290.0～3 525.0 m(套管段φ244.5 mm)分別以速度為10 m/min、15 m/min和20 m/min進行三上三下連續測量。處理過程采用積分法進行計算，圖5為解釋軟件處理的解釋成果圖，圖中第1道是深度道及射孔井段，第2道是裸眼GR、生產測井GR和磁定位曲線；第3道是3號轉子測量的轉速曲線；第4道是流溫、流壓以及用壓力折算的擬密度曲線(DPDZ)；第5道是三相持率圖(藍色為持水率，紅色為持氣率，綠色為持油率)；第6道是結合井眼軌跡的井筒持率圖；第7、8道分別為分層產量與累計產量。可以看出，油管內為氣相，套管段內油氣水三相同時存在，積液(水)高度在3 410.0 m，3 410.0～3 348.0 m油水混合并有少量氣，油占比較大，3 348.0 m以上油氣混合。

圖5 A井FSI解釋成果(φ244.5 mm套管段)

測井期間地面計量產油量41.5 m3/d，產氣量108 696.0 m3/d。利用上述三種算法，通過PVT換算，將井下產量換算為地面產量得到解釋成果對比表(表2)。積分法計算結果表明，Z3層為主要產氣層，占總產氣量的83.3%，Z1層為次要產氣層，占總產氣量的12.5%，其余層產量較小。解釋總產量與井口計量基本一致，同時結合裸眼資料Z3層射孔層厚度大，物性、含氣性最好，其余射孔層物性、含氣性稍差，與本次解釋結論一致。根據對比結果可以看出，利用積分法計算的結果與實際生產更接近。

表2 A井分層產量貢獻對比(地面條件下)

4 結論

(1)集合多個微轉子和傳感器的流體掃描成像FSI測井儀，對井筒實現分層流速、分層相持率的測量，能夠實現水平井多相流產出剖面的監測。

(2)積分法計算模型能夠沿著井筒截面縱向進行積分，得到整個井筒的平均持率、速度和流量；對井筒截面的劃分更加精細，可以更加準確地獲得井筒內的持率信息和流體分布情況，從而實現更精確的水平井三相流產出剖面解釋。

(3)應用實例表明，利用積分法計算的總產量與井口計量結果基本一致，主產氣層與裸眼資料相符合，證實了計算模型的可靠性。