水平井井下流量含水監測裝置研制與試驗

針對低液量水平井分段生產測試采用井口取樣化驗含水、大罐計量折算流量方式存在的測試效率低、勞動強度大、現場作業風險高等突出問題，設計了一種井下流量含水監測裝置。該裝置在水平井單層段分段生產過程中，可實現單個產層段流量、含水、溫度、壓力參數自動采集、存儲，通過地面數據回讀分析，能判識不同產層段產出類型及產出特征。室內試驗結果表明，裝置達到了設計工藝技術指標。現場試驗評價結果表明，該裝置實現了低液量水平井流量、含水、溫度、壓力數據的完整采集與存儲，通過數據曲線分析明確了實施井不同產層段產出情況，準確定位了主要出水層段。所得結論可為低滲透油田油井生產動態監測及后續措施制定提供技術參考。

低液量水平井；井下流量含水監測裝置；分段生產；產層段；現場試驗

TE931

A

DOI： 10.12473/CPM.202401054

Development and Test of Downhole Flow Water Cut

Monitoring Device in Horizontal Wells

Lu Hongjun1，2" Li Dajian1，2" Yang Yixing1，2" Chen Chunkun3" Yang Haitao1，2

（1.Oil and Gas Technology Institute，PetroChina Changqing Oilfield Company；2.State Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development；3.No.9 Oil Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company）

When sectional production tests are conducted in low fluid volume horizontal wells，the methods such as testing water cut by sampling at wellhead and converting into flow rate by metering at large tank usually have the problems such as low testing efficiency，high labor intensity and high field operation risks.To solve these problems，a downhole flow water cut monitoring device was designed.During the sectional production process of single interval in horizontal wells，this device can achieve automatic collection and storage of parameters such as flow rate，water cut，temperature and pressure of a single production interval.By means of surface data readback analysis，the flowing types and characteristics of different production intervals can be identified.The laboratory test shows that the device has met the technical indicators.The field test evaluation results show that the device has achieved complete collection and storage of flow rate，water cut，temperature and pressure data of low fluid volume horizontal wells.Through data curve analysis，the flowing situation of different production intervals in the implementation well has been clarified，and the main water production intervals have been accurately located.The conclusions provide technical reference for the production performance monitoring of oil wells in low-permeability oilfields and subsequent measures.

low fluid volume horizontal well；flow water cut monitoring device；sectional production；production interval；field test

基金項目：中國石油天然氣股份有限公司重大專項 “水平井找堵水技術試驗”（2019F-28）。

0" 引" 言

低滲透油田注水開發水平井，受到儲層非均質性、人工裂縫與天然裂縫等因素的綜合影響，在生產過程中存在比較突出的見水矛盾，降低了油田開發效益。為了實現見水、水淹水平井的控水治理，開展水平井動態監測、產層段產出或產液剖面監測是后期實施各種措施的重要前提條件。低滲透油田儲層滲透率與孔隙度低、物性差，即使經過壓裂改造，水平井平均單井產液量仍然較低，平均液量范圍5～15 m3/d，這使產層段、產液剖面監測面臨巨大挑戰。目前從測井角度看，水平井主體產液剖面測試主要采用爬行器/連續管等輸送設備+MAPS/MAPS的方式開展，通過陣列渦輪流量計、陣列電阻/電容持率計對產層段開展流量、含水監測，兼顧壓力、溫度數據測試，結合模型算法解釋水平井段各層段的產液剖面［1-3］。以上測井技術在低液量水平井產出監測面臨2大瓶頸問題：①由于平均單井液量低，井筒液流速度極低，渦輪流量計的監測響應較差，甚至沒有監測響應信號，監測結果精度低、效果差；②低液量水平井主要采用抽油機管桿泵方式生產，常規測井電纜+爬行器或連續管作業方式無法適應水平井井況，產出監測與油井生產同步的協調性無法有效解決［4-6］。這些問題降低了技術適應性。

陸紅軍，等：水平井井下流量含水監測裝置研制與試驗

為了有效解決低產液量水平井產液剖面監測問題，目前主要采用分段生產方式進行產層段產出監測［7-9］，并在此基礎上，發展出井下分段取樣、拖動管柱/不動管柱分段生產測試等工藝。該生產方式核心是在單層段或組合層段生產或排液過程中，在井口取樣化驗含水、大罐計量折算流量，以確定水平井不同層段的產出狀態特征，在有效解決實際產出監測問題的同時，該種方式存在測試效率低、勞動強度大、現場作業安全風險高等突出問題。

基于低液量水平井分段生產產出監測技術升級考慮，以提升技術適應性為目標，筆者調研分析了目前用于油井流量、含水監測的相關主體工藝技術［10-13］，開展了技術集成應用可行性論證；在此基礎上，創新設計了一種井下流量含水監測裝置，結合低液量水平井分段生產產液剖面監測工藝技術，實現了產層段流量、含水、溫度、壓力參數的自動監測，以及數據采集、存儲、回放與解釋分析，大幅度提升了技術應用效果，為低滲透油田油井生產動態監測及后期措施制定提供了新的有效技術支撐。

1" 低液量水平井分段生產產出監測工藝

低液量水平井分段生產產出監測工藝技術主要原理是通過封隔器將產層段（壓裂改造層段）或組合層段有效隔離，對應層段設置開關器或篩管，在進行單層段泵抽或抽吸生產過程中，通過井口多次取樣化驗求取產液含水，地面大罐連續計量求取日產液量，然后換層生產，實現逐個層段流量、含水的監測，為出水層段判識、產層段產能綜合評價提供依據。

水平井分段生產找水測試工藝管柱如圖1所示。分段生產產出監測工藝有效解決了低液量條件下多段壓裂改造水平井產出監測的技術難題；與此同時，由于采用逐層求產的方式，單井測試周期長，測試效率低，勞動強度大，監測結果影響因素多，限制了其在技術礦場的推廣應用。

production of horizontal well

2" 低液量井井下流量含水監測裝置設計

針對低液量水平井分段生產產出監測技術存在的不足，通過集成主體流量、含水監測工藝，融合井下溫度、壓力傳感器技術，創新設計了水平井井下流量、含水、溫度、壓力4參數監測系統結構，綜合考慮了各個模塊尺寸、功能與技術要求，進行了系統總成有機融合，在此基礎上研制了井下監測裝置。

2.1" 監測裝置系統架構

創新設計了一種低液量水平井井下流量含水監測裝置，結構如圖2所示。該裝置系統主要由上接頭、電控系統、渦街流量計、壓力（溫度）傳感器、含水體積分數模塊、篩網及下接頭構成。上下接頭主要通過常規螺紋連接油管；電控系統主要包括電池和電路板，電池為電路板提供直流電源，電路板設置計時、電池供電控制、監測數據存儲與回放功能；渦街流量計主要進行流量計量監測；壓力傳感器主要感知監測井段壓力、溫度，其中溫壓傳感器能夠對裝置內、外壓力溫度同時測試；含水體積分數模塊主要進行含水監測；篩網主要對層段產液進入裝置前進行過濾，防止井液雜質進入監測裝置內部堵塞流道或干擾傳感器。

產層段產液由下接頭進入裝置（見圖2），流經篩網后進入裝置環空流道（藍色箭頭所示），首先通過含水體積分數模塊監測層段產液含水體積分數，同時由溫壓傳感器監測油管內及油套環空壓力、溫度情況，當液流進入渦街流量計時，實現層段流量監測；裝置監測數據存儲于電控系統模塊內，裝置起出地面后進行數據回讀分析，解釋形成水平井各層段產出規律特征報告。

2.2" 井下流量監測

針對產層段低流量監測，渦輪流量計啟動排量大、易卡轉，適應性較低；孔板流量計孔板結構尺寸受井液介質影響易發生變化，精度降低；超聲流量計容易受到井液顆粒雜質影響；電磁流量計電極探頭受油污影響大。綜合不同類型流量計性能及影響因素，選擇采用渦街流量計開展流量監測。渦街流量計流場仿真模擬結果如圖3所示。通過小流量（124.26 mm套管、73.0 mm油管井筒單層段流量1.5 m3/d以上）條件下流場仿真（見圖3），渦街發生體為三角型，漩渦產生強烈，邊界分離點固定，具有穩定的漩渦分離效果。

2.3" 井下含水監測

綜合對比分析了電阻、電容、放射性、電磁波、微波法含水監測性能：電阻、電容方法分別主要適應高含水、低含水監測；放射性方法監測存在一定安全風險；電磁波方法在高含水條件下監測誤差大；微波法含水監測范圍廣，滿足0～100%含水體積分數測試，受油水狀態影響較小，測量精度高，且無安全風險，優選采用微波法進行產層段產液持水率測試。

采用原油與水進行混合配比，通過對微波含水體積分數模塊重復性能測試（監測AD值：模擬量轉換為數字量值），驗證了不同油水比狀態下，監測結果重復性、穩定性能夠滿足技術需求。微波含水室內油水監測試驗如圖4所示。微波含水室內油水監測結果如表1所示。

表1" 微波含水室內油水監測結果Table 1" Laboratory oil and water monitoring results for water cut using microwave

樣品及編號1#樣品：油45 mL2#樣品：油35 mL+水10 mL3#樣品：油30 mL+水15 mL4#樣品：油25 mL5#樣品：油10 mL+水35 mL

初始測試AD值086128198309

重復測試AD值080120186283

2.4" 溫度、壓力監測

溫度、壓力監測主要通過優選與井況相匹配的溫壓傳感器并將之集成于裝置內部以實現井下監測。篩選了2支鈦/硅藍寶石溫度壓力傳感器（見圖5），通過裝置流道結構設計，傳感器感應通道分別與管內及管外連通（見圖2），實現管內/管外雙壓力溫度監測；溫度監測采用TMP235型精密模擬輸出溫度傳感器探頭，內置于電控腔體內，在-40～150 ℃范圍內，提供10 mV/℃電信號輸出，測量范圍內對應電壓輸出范圍2.3～5.5 V；壓力監測范圍0～60 MPa，測量精度0.2%，壓力傳感器溫度漂移值近似為0，不受實際工況溫度變化影響。

3" 室內試驗

井下流量含水監測裝置設計、加工、組裝完成后，開展了室內試驗檢測評價，檢驗各功能模塊、電路模塊、監測模塊的工藝指標狀況與穩定性，同時驗證裝置整體系統協同運行可靠性，為現場試驗應用奠定基礎。

建立了室內流量、含水檢測試驗臺架（見圖6），分別進行了流量、含水物理模擬試驗。室內流量、含水檢測曲線如圖7所示。

試驗明確了監測裝置主要性能指標參數為：流量監測范圍2～80 m3/d，量程范圍內誤差均小于2%，重復性測試曲線重合度近似100%。含水體積分數測量范圍0～100%，含水體積分數≤20%時，誤差≤7%；含水體積分數＞20%時，誤差≤3%。

4" 現場試驗效果

2022年10月在環平*井上開展了現場試驗評價，成功采集到不同組合產層段流量、含水、溫度、壓力等參數。結果表明低液量水平井井下流量含水監測裝置達到了設計的工藝技術指標要求。

環平*井2013年10月29日投產，壓裂改造段數9段，現場試驗前日產液13.22 m3，含水體積分數100%；為了測試該井主要出水層段，開展了水平井分段生產產出監測試驗。主要將產層段劃分為3個組合段：壓裂改造段1～3為組合層段1；壓裂改造段4～6為組合層段2，壓裂改造段7～9為組合層段3。采用拖動管柱、地面抽吸、分段生產方式進行逐個組合層段流量含水監測（見圖8），每段監測時間3～4 d，通過監測數據讀取回放，解釋生成各組合層段流量含水曲線。圖8顯示：不同組合段流量變化幅度不大，大體范圍在4～7 m3/d；含水體積分數變化相對明顯，各產層段合排階段含水體積分數99%，組合層段1產液含水體積分數68%，組合層段2含水體積分數88%，組合層段3含水體積分數66%，主要出水層段為組合層段2（壓裂改造段4～6），監測結果為該井下一步控水措施制定與實施提供重要參考依據。

and+ pressure in the production interval of Huanping * well

5" 結論與認識

（1）分段生產產出監測工藝技術是解決低產液量水平井生產動態監測的一種重要手段，從工藝原理分析，該工藝主要存在測試效率低、周期長、勞動強度大等技術不足。

（2）通過現有技術集成與有機融合，研制了低液量水平井井下流量含水壓力溫度監測裝置。室內檢測試驗表明，該裝置滿足了低流量條件下產層段產出特征的4參數監測技術要求。

（3）井下流量含水監測裝置現場試驗結果表明，裝置系統中各模塊能夠正常協調工作，數據采集、存儲、回放功能運行良好，大幅度提升了分段生產產出監測效率，有效降低了現場作業勞動強度，初步實現工藝技術迭代升級。

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第一陸紅軍，高級工程師，生于1972年，2003年畢業于西安石油大學鉆井工程專業，獲碩士學位，現主要從事油氣田開發技術研究與試驗工作。地址：（710018）陜西省西安市。電話：（029）86590796。email：lhj1_cq@petrochina.com.cn。

通信作者：李大建，高級工程師。email：ldj_cq@petrochina.com.cn。

2024-01-28" 修改稿收到日期：2024-06-09

楊曉峰