张洪;邱金权;王青川;甘常建;刘彦鑫;周峰
【摘 要】在过去三相流测井中,流量的测量是油、气、水三相的总体响应,无法直接获得分相流量,影响了产出剖面测井资料的准确性.超声波-多普勒反射波法,通过发射高频超声信号并对接收到的多普勒散射信号作频域分析,获得多相流体流动截面的相态分布和速度分布,求得各相流量.利用超声波的多普勒效应测量流体中离散相的流速;利用反射波强度测量离散相的持率,通过非集流方式,在基本不改变流体流动状态的情况下实现了气相流量测量.在青海油田应用超声波-多普勒三相流测井16井次,不仅解决了油、气、水三相同出及脱气井产出剖面测井瓶颈难题,还可以进行出砂井产出剖面测井,具有较强的实用性,为油气田开发提供了准确的动态监测资料. 【期刊名称】《测井技术》
【年(卷),期】2016(040)004
【总页数】7页(P481-487)
【关键词】三相流测井;超声波;多普勒;青海油田;应用
【作 者】石油测井
仪器张洪;邱金权;王青川;甘常建;刘彦鑫;周峰 【作者单位】青海油田测试公司,青海茫崖816499;青海油田测试公司,青海茫崖816499;青海油田测试公司,青海茫崖816499;青海油田测试公司,青海茫崖816499;青海油田测试公司,青海茫崖816499;青海油田测试公司,青海茫崖816499
【正文语种】中 文
【中图分类】P631.84
0 引 言
产出剖面测井技术作为分析油层动用状况所必须的手段之一,为油田动用状况监测、制定各种措施提供了依据,在油田高效开发中发挥着重要作用。青海油田存在2个方面的油、气、水三相流,一是开发新区为油气同产油藏;二是老油藏已处于开发中后期,油井井筒内流压低于饱和压力,普遍存在着脱气现象,造成井内出现油、气、水三相流动,使井筒内流型复杂多变,大大增加了其测井和解释的困难和复杂程度。
从20世纪70年代开始,大庆油田与吉林大学最早合作提出了用于自喷井中的集流型放射性低能源测量油、气、水三相流流量方法[1];随着大量油井转抽,大庆油田在原来三相流测井技术基础上又研制了皮球及伞集流型环空三相流测井仪[2]。环空三相流产出剖面测井加入了放射性密度计的遥测三相流产出剖面组合测井仪[3],该仪器用涡轮流量计测量体积流量,用109Cd放射源发射的88 keV的γ射线和22 keV的X射线测量三相平均密度和持水率;大庆油田研制的分离式低产液三相流测井仪主要是根据各相的密度不同,对油、气、水三相进行了分离,首次实现了分相流量测量[4],但缺点是要求气量相对较小;长江大学开展了光学法测量井下多相流中气相流量的方法研究,采用光学多普勒-反射波法,利用光学多普勒效应测量流体中气相的流速,利用反射光波强度测量持气率[5]。
青海油田针对油田动态监测需求,科学调研,加强外部技术单位合作,现场开展了超声波-多普勒实验研究。其原理是利用超声波多普勒效应及油、气、水声阻抗的差异,油、气、水反射的超声波产生频移,且正比于相对运动速度,从而求得油、气、水流速。由于其反射波能量正比于持油率、持气率和持水率,从而可以直接求得各层油、气、水量。通过现场16井次的应用,基本上解决了青海油田油、气、水三相流测井难题。
1 测量原理
超声传感器的基本原理是利用运动物体(油泡、气泡)反射和散射超声波信号的多普勒频域效应监测其运动速度(见图1),通过超声探头发射高频超声信号,该信号在油、气、水三相流中传播,遇到油泡、气泡后,会形成多普勒散射,使用传感器接收多普勒散射信号;对多普勒散射信号作频域分析,可直接得到油泡、气泡的运动速度及等效横截面积以及水的流速,通过运动速度及横截面积,即可求得各相流量[6]。
图1 超声传感器原理图
1.1 油泡、气泡流速的测量
油泡、气泡流速的测量根据多普勒效应实现。设v为被测物体(油泡、气泡)的运动速度,v0为声波的传播速度,f为多普勒测速仪所发射的声波频率,在油井内发射超声波遇到油泡、气泡时,会在泡的界面产生反射或散射,这个散射波可视为新的波源,在散射产生的短暂时间内可视为其与上升的井筒液体一起运动的波源,则散射时产生多普勒效应而发生频移的声波频率为f″。经理论和实践研究推导[7]
(1)
定义F=f-f″。实际生产的油井中v0≫v,则有由式(1)可得
(2)
1.2 仪器结构及性能指标
1.2.1 仪器结构及性能指标
仪器主要由6部分组成(见图2):导锥(便于仪器下井)、过滤器、传感头(为仪器的核心部位,在多相流测试中能有效排除干扰并保持信号强度)、密封圈、接头及电路支架。性能指标见表1。
图2 超声波传感器结构示意图表1 仪器性能指标表
耐压/MPa耐温/℃传输方式仪器尺寸/mm电缆接口供电仪器串长度/m0～600～150曼码传输直径26或38;长度800单芯或多芯电缆DC+30V(带高压关断功能)4.6(不含加重杆)
1.2.2 仪器特点
采集速度快,每个测试点在3 min左右完成;非集流方式,不影响井下流压,不受地层水矿化度和流体性质的影响,测试结果更真实;直接测量分相流量,不用涡轮测总流量,科学、高效,有利于提高测试成功率;配套提供遥测、磁定位、温度、压力、伽马以及电动扶正器等;既能测油水、气水两相流,也能测油、气、水三相流。
2 模拟试验及数据分析修正
以空气、柴油和水作为实验介质,在三相流模拟装置中进行试验,获取了理想的超声波多普勒频谱,并首次见到了油和气的2个峰,为实现油、气、水定量解释提供了有效支撑。
2.1 室内试验
2.1.1 固定水量变油量或气量的频谱图
在实验室,固定水量作了典型的油水两相流、气水两相流、油气水三相流的测试曲线。通过对超声波信号进行处理后得到3幅功率谱曲线图(见图3至图5)。 功率谱曲线的幅度反映超声反射信号的强弱,其反映套管横截面上油泡或气泡多少。中心频
率反映了油泡或气泡运动速度,运动速度越高,中心频率越高,曲线越靠右。由于气的滑脱速度大于油的滑脱速度,所以气水两相流的中心频率比油水两相流的中心频率要高。功率谱的曲线频率是区分油气信号的依据,气的频率高,油的频率低。功率谱的曲线幅度是计算油量、气量的依据,幅度高,油量或气量大,幅度低,油量或气量小。
图3为油水两相流的功率谱曲线,固定水(12 m3/d)的情况下,曲线的幅度随着油量(1.02～8.35 m3/d)的增加而增加;在水量不变的情况下,油量越大,反射信号越强。图4为气水两相流的功率谱曲线,在固定水(12 m3/d)的情况下,曲线的幅度随着气量(2.6～13 m3/d)的增加而增加;在水量不变的情况下,气量越大,反射信号越强。图5为油气水三相流的功率谱曲线。在固定气(5.4 m3/d)、水(12 m3/d),改变油量(1.02～8.35 m3/d)的情况下,可以看出三相流的曲线是油水、气水两相流曲线的叠加。在三相流流动情况下,流动情况变得更为复杂,显示为气区中心频率不稳。
图3 油水两相流的功率谱曲线
图4 气水两相流的功率谱曲线
图5 油气水三相流的功率谱曲线
2.1.2 固定油量或气量变水量的频谱图
在实验室,固定油量或气量作了油水两相流、气水两相流的测试曲线。通过对超声波信号进行处理后得到2幅功率谱曲线图。
图6为固定油量变水量的功率谱曲线图。每1条曲线的油量固定,均为4.64 m3/d(常温常压),水量从上到下依次为4.8、12.0、26.4、36.0 m3/d,即红线表示日产油4.64 m3、日产水4.8 m3时的功率谱曲线,绿蓝黑曲线以此类推。由图6可见,从红到黑(从上到下),水量逐渐增大时,频率曲线的幅度逐渐减小、中心频率(幅度最大值对应的频率)逐渐增大。
图7为固定气量变水量的功率谱曲线图,每1条曲线的气量固定,均为2.16 m3/d(常温常压),水量从上到下依次为4.8、16.8、26.4、36.0 m3/d,即红线表示日产气2.16 m3、日产水4.8 m3时的功率谱曲线,绿蓝黑曲线以此类推。由图7可见,从红到黑(从上到下),水量逐渐增大时,频率曲线的幅度逐渐减小、中心频率(幅度最大值对应的频率)逐渐增大。
图6 固定油量(4.64 m3/d)变水量的频谱曲线
图7 固定气量(2.16 m3/d)变水量的频谱曲线
水相流量测量通过对多普勒散射信号频域分析得到水的流速计算得到,随着水量增加,流动速度将变大,频谱曲线的中心频率增加,幅度下降,频谱曲线积分面积减小,存在函数关系。
2.2 数据分析处理
研究了油、气、水与频谱图的关系,运用神经网络对测试结果进行处理,处理结果见图8至图10。
神经网络模型样本。油水两相:油量范围为1～14 m3/d,水量范围为2.5～36 m3/d。气水两相:气量范围为1～24 m3/d,水量范围为2.4～36 m3/d。油气水三相:油量范围为1～14 m3/d,水量范围为3～32 m3/d,气量范围为1.44～9.6 m3/d。
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