0 引言

煤层气属非常规天然气^[1]，是近二十年来在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料^[2]。在煤层气井生产过程中，煤层气井合层排采的井占绝大多数^[3]。对合层排采井，需要了解各小层的气、水产量及产出比例，为合理排采、制定调整措施等提供依据。由于受各种因素的影响，煤层气井的生产状态是不断变化的^[4]；随时追踪产出井的动态变化，掌握各煤层的产出情况，对煤层气井及时进行综合调整和提高气井产能具有重要意义。

煤层气井的排采工艺使得产气产水剖面测试技术开发的难度加大。煤层气井开发采用的是稳定连续的机械排水和环套空间采气的排采工艺^[5]。排采管柱一般下至煤层以下，井下产出气向上流动，水向下流动，流动状态十分复杂。加之测试空间狭小、复杂，测试仪器在油套环形空间的位置难以控制，难以采用更多的工艺装置，测试仪器开发难度大，影响了测井资料质量^[6-7]。同时，一般情况下的煤层气井产水率范围为0.5% ~5.0%，且流动方向与气体相反，产水量测量的难度较大^[8]；遇到修井作业时还需停止测试，造成测试数据不连续。这些给井下产气产水剖面测试带来了巨大困难。

目前，国内对煤层气井的测试方法采用裸眼井测井和试井^[9]。裸眼井测井方法能够识别地层岩性、评价煤层和检测固井质量等，但无法测量各煤层的产气、产水状况^[10]。试井方法通过分层测压的方法对煤层气井各层的产能做出定性的判断^[11]，但无法实现定量的解释。在国外，斯伦贝谢、哈里伯顿、Sondex和威德福等公司开发的气井服务技术，可以测量流量、温度、压力、密度(持气率)和伽马深度等参数，但仪器外径均为43 mm，而且测量范围只适用于20 000 m³/d以上的流体，目前尚无小直径仪器，以适应低产气量的煤层气井测量^[12]。因此，本文针对煤层气井生产特点，研究试验煤层气井产出剖面测试技术，以期开展煤层气田动态监测，为优化开发方案提供技术支撑。

1 煤层气井产出剖面测试技术 1.1 多参数测量煤层气井测井仪

目前使用的产出剖面测井技术都是针对油水两相流，可以解释油井生产过程中的产油、产水量^[13]。而油水两相流与气水两相流的流型、流态差别很大，因此现有测量油水两相流的仪器并不适用于煤层气井气水两相流的测量。现有技术在测量流量范围、测量工艺等方面存在局限性，现有仪器外径偏大，容易遇卡，导致施工成功率低^{[12, 14]}。针对生产需求及现有技术的局限，对煤层气井测井仪进行了整体的系统化设计和研发，研制一种下井可进行多种测试技术测量的新型煤层气井产出剖面测井仪。

此次研发的新型煤层气井产出剖面测井仪CLT22A的机械和电路结构紧凑、高度集成，实现了可靠、紧凑型机械结构布局(仪器长度350 mm)，可同时进行温度、压力、磁性定位、热式流量、探针持气率、微波持气、涡轮流量和超声流量等多参数测量。高集成度、高精度主控芯片的设计，简化电路的同时提高了仪器精度和抗干扰能力。并研制了采用虚拟示波技术、支持Relogging功能、多任务多窗口的便携地面系统。各部件的设计原理如下。

1) 遥传三参数(温度、压力、磁性定位)传感器。温度、压力传感器采用恒流源方式供电，24位比特AD(analog quantity，digital quantity)采集，单芯片解决接箍测量；井下CAN(controller area network)总线使遥传三参数传感器与其他任意短节可随意组合^[15]。实现了测量井下温度、井下压力和井下工具深度等功能；将热式流量、探针持气率、超声流量、涡轮流量和微波持气率等数据编码统一遥传至地面。

2) 热式流量计。根据“热消散效应的金氏定律”^[16]定制恒功率式热式流量计^[17]，通过测量外置式环境温度传感器和加热式温度传感器的温差，拟合计算出气体流量；以水为连续相、气相为间歇泡状流时，持气率表现为探针频率占空比输出^[18]；探针对气相表现为高电位，对水相表现为低电位。实现了测量井下气体流量、气水两相中的持气率和探测动液面深度等功能。

3) 超声流量计。通过测量顺水流方向的超声波传播时间与逆水流方向的超声波传播时间，求出时间差，拟合计算出水相体积流量^[19]。

4) 涡轮流量计+微波持气率计。气相、液相或气水两相冲击涡轮叶片旋转，通过计算转速、标定拟合即可计算出体积流量^[20]；根据微波在气相和水相中衰减程度、传播相位差的不同，高度集成的微波测量芯片通过天线发射和接收微波后，自动计算出衰减比和相位差，再通过标定拟合即可计算出持气率；微波持气率对水相表现为低值，对气相表现为高值^[21]。实现了测量井下单相流或多相流体积流量、气水两相中的持气率和探测动液面深度等功能。

仪器进行了室内标定，取得了较好的效果。仪器耐温150 ℃、耐压60 MPa(表 1、表 2)。温度标定重复测量误差低于0.1%，一致性误差低于0.1%，绝对误差在±1 ℃以内(表 3、表 4)。压力绝对误差在±0.5% MPa以内(表 5)。

根据热消散效应的金氏定律(King`s law)，得

式中：Q_m为气流量(m³/d)；K、B为仪器校正系数，通过仪器刻度求得；P为热功率(W)；ΔT为温度变化量(℃)。与实际值相比，气流量计算误差小于5%，且仅在小流量时误差较大；当气流量大于1 000 m³/d时，误差小于2%(表 6)。

室内试验验证了煤层气井产出剖面测井仪在仪器结构和电路性能等方面具有良好、可靠的工作性能，仪器整体的重复性、一致性和可靠性达到了设计要求。

与常规油气测试仪器及同类技术如伞形产出剖面测试仪器相比，煤层气井产出剖面测井仪既缩小体积适应了煤层气排采井油套环形空间狭小的特点，又提高了测试效率，达到了一次下井多种数据取值的效果。在充分考虑保证机械强度的条件下，采用钛钢和特殊轻质材料，以提高仪器的耐压、耐腐蚀能力。采用紧凑的结构设计，整套仪器包括3个独立短节，各短节之间采用标准化机械接口连接(图 1)。

该仪器适合多层合采的煤层气井(表 7)，可明确各产层产能状况(气/水产量)，确定主力产水、产气层。

1.2 煤层气井生产测试用偏心井口

为配合产出剖面测试的顺利进行，实现连续测试，研发了一种适用于煤层气井配合杆式泵使用的能够使生产、作业、测试可同时进行的偏心井口，实现了煤层气井正常生产以及修井作业过程中的连续测试。

偏心井口固定在井口大四通上，内部有与气井连通的柱状空腔，侧壁上有与柱状空腔连通的出水口。油管挂在井口的柱状空腔内，油管挂外径与柱状空腔直径适配。油管挂内设置有第一竖向通道和第二竖向通道，第一竖向通道分别与油管和出水口连通，第二竖向通道与油套环空连通。第一竖向通道用于下入抽油杆和杆式泵，第二竖向通道用于下入测试工具(图 2)。

该项技术的研发提高了气井测试的效率和成功率，对于产出剖面测试，既保证了测试的连续性，又保证了生产的正常进行。其优点有3点：

第一，油管挂内设有两个竖向通道，第一竖向通道(内径60 mm)用于排水，第二竖向通道(内径32 mm)用于测试，互不影响，提高了生产效率。

第二，内径为60 mm的竖向通道可以自由起下Φ44 mm杆式泵，给煤层气井带压投捞杆式泵作业提供极大便利，使得在作业过程中避免了因拆卸井口导致的煤层气井放产、停产、停止测试。在正常产气过程中完成作业，避免了产气损失，更重要的是在投捞杆式泵等修井作业过程中可以继续测试，实现修井不间断测试。

第三，设置轴承，使得测试管和排水管柱可以围绕套管中心旋转，克服取下测试仪器过程中的遇阻、遇卡和缠绕油管故障。

2 现场应用

本文所述技术在鄂尔多斯盆地东缘石楼北区块进行现场试验。共测试3口探井，分别为JS2井、Z1井、Z2井(图 3)。

石楼北区块位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带中段，主要发育山西组3^#+4^#+5^#和太原组8^#+9^#煤层。区块煤层气处于勘探阶段，东北部煤层埋深500~1 200 m，适合煤层气勘探开发，含气面积171.71 km²。前期合层开发，各层系产出状况不清，影响开发方案编制。此次测试目的是评价各生产层产出状况，测量参数为压力、磁性定位、温度、微波相关气相流量和井温微差水相流量。测试过程中利用油套环形空间作为测试通道，测井仪器通过偏心测试闸门下入井内，上提下放电缆在油管内进行测井，采用高压防喷装置实现井口密闭。

2.1 JS2井测试结果

JS2井位于石楼北区块东北部，于2018年6月开始排采，连续排采一年，目前已见气，套压1.83 MPa，产水12 m³/d左右，产气600 m³/d左右，测试结果见图 4。

2.1.1 气相流量分析

通过测量微波相关气相流量连续曲线，分别在各射孔层位上下计算平均值。表 8所测数据是气水两相雾状流平均流速折算成的气水相体积流量；因为气相流量远远大于水相流量，因此，气水两相流量约等于气相流量。

由此可以看出，JS2井8^#+9^#煤层产气贡献率为81.73%，为主力产气层。

2.1.2 水相流量分析

井温微差曲线在深度866.2 m，出现正异常并逐渐增大，至866.8 m达到最大，该井段井温微差变化率较大。同样，875.5~879.0 m井段井温微差变化率较大。根据2处位置的井温微差变化率计算得到最小二乘法曲线拟合数值与正异常极值的差值分别为0.024 36和0.025 64，计算得：

测试结果见表 9。

由此可以看出，JS2井8^#+9^#煤层产水贡献率为100%，为主力产水层。

石楼北区块3口测试井均为煤层气井，测量水相流量要求以深度驱动为主，即连续测井，且产出剖面属于动态测试，测量气相流量应与测量水相流量具有同时性，并且存在间歇性出水的情况，因此该解释成果应以连续测井曲线为主，并结合井身结构进行综合分析。3口井测试结果见表 10，综合得出：石楼北区块两套开发煤层产水、产气均有贡献，其中8^#+9^#煤层为主力产气、产水层。

2.2 推广应用前景

通过应用煤层气井产出剖面测试技术，准确测试了石楼北区块3口测试井各层产水、产气贡献率，取得了第一手资料，不仅为目前生产井的合理排采、措施制定调整等提供依据，更重要的是对石楼北区块主力煤层选取、水平井开发目标层系选择、煤层改造等具有重要指导意义，取得成果直接应用于下一步开发方案中。同时，也检验了煤层气井产出剖面测试技术在煤层气井中的适用性。该技术不仅能够应用于煤层气开发中各产层分布的掌握，同时实现气田连续的动态监测，并且不影响修井作业，保证测试井正常作业，连续生产，实现连续监测，也能够用于勘探开发中后期的动态监测工作，对煤层气井生产过程中及时进行综合调整和提高气井产能具有重要意义。该技术普遍适用于煤层气排采井，推广应用前景良好。

3 结论

1) 煤层气井产出剖面测试技术较为成熟，适用性强，通过多参数测量煤层气井测井仪与煤层气井生产测试用偏心井口相结合，实现了煤层气井的连续测试，测试结果准确，满足了现场研究需求。

2) 石楼北区块两套开发煤层产水、产气均有贡献，但目前主力产气、产水层为太原组8^#+9^#煤层，是下步开发的重点开发和改造层系，区块水平井开发目的层系应选取8^#+9^#煤层。