0 引言
稠油在石油资源中所占比例较大, 因此如何开采稠油, 使之成为可动用储量, 是石油界一直探究的问题[1]。目前胜利油田稠油投入开发单元85个，动用地质储量近7亿t，主要以蒸汽吞吐开发为主[2]。稠油总井数4 500余口，单井平均日产油4.5 t、综合含水体积分数88%，2018年产油近440万t、油汽比0.6，采收率小于20%，稠油热采开发仍有很大的上升空间[2]。随着油田进入中后期开发, 生产井产液剖面监测显得越来越重要，它能够帮助工作人员及时了解热采井的生产参数，判断注汽效果，掌握稠油油藏开发动态，及时调整注采方案[3]。
目前国内常用的稠油产液剖面测试方法为环空测试测井[4]。过环空产液剖面测井主要针对抽油机井进行，是在不改变油井生产管柱、不改变油井稳定工作制度的情况下，在不带封隔器的抽油井内油套环空起下仪器，并在油井正常生产情况下测取井下分层的流量和含水体积分数，以了解油井各层油水产出状况，从而根据测试结果确定出水层位及主产油层，为下一步制定合理工作制度及采取增产措施提供依据[5]。因此，过环空产液剖面测井方法投入少，效益高，测井资料可靠。
由于热采井独特的井筒结构，产液剖面测试区在抽油泵之下的油层内，无论采用过泵测试还是环空测试，测试工艺都相对复杂[6]。稠油热采开发过程中，需要对油层注汽，然后焖井放喷生产，因此无论油层还是环空中的温度都比较高，要求测试仪必须具有直径小、耐高温的特性[7]。另外，由于稠油油藏普遍存在边底水的影响，油井普遍存在高含水的现象，普通的电容式含水传感器无法实现高含水下的精确测量[8]，限制了常规产液剖面测试仪器的研发和应用，导致目前还没有成熟有效的稠油生产井产液剖面测试技术[9]。鉴于此, 有必要研发新的产液剖面测试仪器，用以确定油井的生产剖面, 弄清各产层的产出程度[10]，为评价热采井生产效率、了解产层动态、调整注采方案和缓解层间矛盾提供依据[11]。
1 技术分析 1.1 结构研制的稠油热采井产液剖面测试仪外径为28 mm，采用单芯电缆供电及数据传输，并采用曼码进行信号传输。仪器结构如图 1所示。
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| 1—油管；2—电机和减速器；3—集流装置；4—涡轮传感器；5—液体电极电容传感器；6—压力传感器；7—温度传感器；8—CCL磁定位；9—数据采集电路；10—马笼头；11—单芯测试电缆。 图 1 稠油热采井产液剖面测试仪结构示意图 Fig.1 Structure schematic of the liquid profile testing tool for heavy oil thermal recovery well |
1.2 工作原理
稠油热采井产液剖面测试仪利用温度、压力、流量和含水体积分数等传感器分别对井下产液进行信号的采集和传输，其工作原理如图 2所示。
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| 图 2 稠油热采井产液剖面测试仪工作原理 Fig.2 Working principle of heavy oil production liquid profile testing tool |
测试仪器通过电缆绞车输送到达指定测试位置后，电机减速器控制集流伞打开，产液流体集流后从涡轮传感器、液体电极电容传感器、温度传感器和压力传感器流过，这时涡轮产生旋转，其旋转速度和流量成正比，实现油水两相流量的测量。液体电极电容传感器采集含水与电容变化信号，实现含水体积分数的测量。温度和压力传感器采集产液的温度及压力信号，为修正流量和含水提供准确的井下温度和压力数据。该位置测试完毕后，集流伞片靠应力收回，继续下放开始另一测点的测量。集流装置一方面可以迫使被测流体充分混合，提高含水体积分数和流量的测量精度；另一方面，集流伞箍的形状有利于防止测试仪从下至上测试时对集流伞造成的破坏，并起到扶正居中的作用。为了实现井下高温测试，本仪器采用特种绝热装置单芯曼码测井方法，采集到的所有信号都存储在信号采集系统中。信号采集系统被放入保温瓶中，以提高仪器整体耐温指标。仪器下井前按照测试要求设置，下放到测量井段后按照预定的程序操作，传感器获取的信号经各自的信号处理电路进入相应的端口，由井下智能微处理器控制信号采集及传输，再经单芯传输电缆传至地面DDL-Ⅲ型数控采集系统进行解码并显示。其中温度、压力及流量测量均为产液剖面测试常用测量方法，在此不做详述，而含水体积分数测量则采用了一种新的液体电极电容传感器技术，下面将对该技术进行着重介绍。
1.3 主要技术指标压力测量范围0 ~20 MPa，测量精度为0.25%FS；温度测量范围0~300 ℃，测量精度为0.25%FS；流量测量范围7~100 m3/d，测量误差小于8%；含水体积分数测量范围5%~97%，测量误差小于6%。
2 液体电极电容传感器液体电极电容传感器采用电容法测量含水体积分数，它主要由一个绝缘金属电极和数个阴极引线组成。在气液两相流系统中，加上一个带有绝缘层的金属薄板，即可组成一个电容器。液体电极电容传感器的结构如图 3所示。
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| 图 3 液体电极电容传感器原理简图 Fig.3 Schematic diagram of electrode capacitance sensor |
该传感器电介质为金属表面的绝缘层，阳极为金属薄板，阴极为覆盖在绝缘层表面的水，而油为非导电相，不能与绝缘层金属板组成电容器，不会产生电容值。电介质就是绝缘电极表面的绝缘材料，该绝缘材料具有耐高温、耐腐蚀、绝缘、不粘水和耐磨等良好性能。
电容值可由下式计算：
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(1) |
式中：C为电容，F；ε为绝缘层的介电常数，F/m；S为金属板与水的接触面积，m2；d为绝缘层厚度，m。
液体电极电容传感器的结构方案经历过多次筛选，选定的原则，一是让流体和阳极有尽可能多的接触面积，二是流体流过时阻力不要太大，三是加工和喷涂方便。最终确定的传感器结构设计方案如图 4所示。
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| 图 4 液体电极电容传感器结构设计方案 Fig.4 Liquid electrode capacitive sensor structure |
3 试验及现场应用 3.1 室内试验系统
本研究中的两相流流动特性与流型试验均在西安交通大学的油气水三相流实验室进行。试验流型结果采用观察法和高速摄像法取得，液体电极电容传感器性能采用NI公司高速采集系统进行采集和分析。试验工质是32#机油和水，试验管路为内径40 mm的有机玻璃管。图 5是西安交通大学油气水多相流试验回路及测量系统示意图。
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| 1—油箱；2—油过滤器；3—油泵；4—主管压力调节阀；5—试验段；6—齿轮流量计；7—质量流量计；8—三相混合器；9—孔板流量计；10—水稳压罐；11—水泵；12—水箱；13—波纹板组件；14—油水分离箱；15—气液分离器；16—空气油箱；17—储气罐；18—气体旋涡流量计；19—文丘里喷嘴气体流量计；20—垂直倒U形管；21—止回阀。 图 5 试验回路及测量系统示意图 Fig.5 Schematic diagram of the test circuit and measurement system |
试验过程中气路关闭。做油水两相流试验时，油经过滤网过滤, 由油泵从油箱打入试验管路, 再流经椭圆齿轮流量计进入混合器，水从水箱由水泵打出, 经过稳压罐后进入混合器，从试验段流出的油水混合物进入油水分离器进行油水分离。整个试验段的长度为4 m，采用透明有机玻璃管制成，以便于观察流型和拍照。
3.2 试验结果在室内试验平台中，通过改变油水两相流中含水量大小，得到了垂直管内油水流型分布。试验中观察到了油包水、水包油及过渡流等3种流型，如图 6所示。其中，水包油流型包括泡状流、弹状流和块状流，油包水流型包括大水泡流和小水泡流。为了验证液体电极电容传感器的测量效果，对这3种流型都进行了试验测试。
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| 图 6 垂直上升管中油水两相流流型 Fig.6 Oil-water two-phase flow pattern in vertical riser |
图 7为含水体积分数与采集电压的关系图。从图 7可以看出，数据采集系统采集到的电压信号随含水体积分数的增加而减小，呈现出较好的线性对应关系。通过快关阀法对含水体积分数测量结果进行标定，结果表明在含水体积分数范围为5%~97%时，通过液体电极电容传感器测量得到的含水体积分数与快关阀法测量得到的含水体积分数偏差小于6%。液体电极电容传感器的成功研发解决了不同流型下的含水体积分数测试问题，尤其是解决了高含水情况下传统电容传感器无法监测的难题，扩宽了电容法测含水体积分数的应用范围。
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| 图 7 含水体积分数与采集电压的关系图 Fig.7 Relationship between water content and acquired voltage signal |
采用NI公司的数据采集板卡和LabVIEW数据采集软件进行数据采集，利用压频转换电路将电容的频率信号转换成电压信号进行直观显示。室内开展了不同含水体积分数下对应电压的采集及分析试验，图 8显示了单相水和单相油下含水体积分数与电压的对应数值。图 8中横坐标为采样时间，纵坐标为电压值。白线为含水体积分数采集信号(采集到的电压信号与含水体积分数是反比例关系)，绿线和红线分别为水路、油路流量计输出信号。
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| 图 8 单相水和单相油时采集的电压信号 Fig.8 Voltage signal acquired during single-phase water and single-phase oil |
3.3 现场应用
稠油热采井产液剖面测试仪研制成功后，在胜利油田稠油热采区块的GD1-5-714井和GD1-2X617井等5口稠油热采井进行了现场试验，取得了现场产液剖面测试的第一手资料。图 9为GD1-5-714井产液剖面测试结果。
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| 图 9 GD1-5-714井产液剖面测试曲线图 Fig.9 GD1-5-714 well fluid profile testing curve |
4 结论及认识
(1) 开发的稠油热采井产液剖面测试仪灵敏度高、抗干扰能力强，在多种流型下及不同矿化度情况下都能实现含水体积分数的准确测量。
(2) 现场试验证明该仪器技术指标满足稠油热采井测试需求，配套的产液剖面测试起下工艺可满足环空和自喷等产液剖面测试要求，现场实施可靠性高、测试不易遇卡、测试成功率高。
(3) 下一步将针对不同井况，配套完善起下工艺，加大推广力度。另外，该技术中的液体电极电容传感器及测试方法可应用于水平井找堵水及井口原油含水体积分数测量等方面，研究成果具有广阔的推广应用前景。
| [1] |
潘一, 付洪涛, 殷代印, 等. 稠油油藏气体辅助蒸汽吞吐研究现状及发展方向[J]. 石油钻采工艺, 2018, 40(1): 111-117. PAN Y, FU H T, YIN D Y, et al. Research status and development direction of gas assisted cyclic steam stimulation in heavy oil reservoirs[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2018, 40(1): 111-117. |
| [2] |
栾智勇, 尚跃强, 刘明, 等. 稠油热采闭式热流体循环井筒温度场分析[J]. 石油机械, 2012, 40(6): 98-100. LUAN Z Y, SHANG Y Q, LIU M, et al. Analysis of the wellbore temperature field in closed thermal fluid circulation for heavy oil thermal recovery[J]. China Petroleum Machinery, 2012, 40(6): 98-100. |
| [3] |
梁栋, 刘明, 杨琴琴, 等. 热采水平井井温剖面测试及分析技术研究与应用[J]. 化学工程与装备, 2012(6): 89-91. LIANG D, LIU M, YANG Q Q, et al. Research and application of thermal well profile test and analysis technology for thermal recovery horizontal well[J]. Chemical Engineering & Equipment, 2012(6): 89-91. |
| [4] |
王嗣颖.基于光纤传感油藏井下产液剖面监测技术研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013. WANG S Y. Study of production profile of oil reservoir monitoring technology based on optical fiber sensing[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013. |
| [5] |
杜四辈, 刘强灸, 雒文杰, 等. 低渗透油藏产液剖面测试技术评价及应用[J]. 石油化工应用, 2018, 37(1): 87-90. DU S B, LIU Q Z, LUO W J, et al. Evaluation and application of low permeability reservoir fluid producing profile test technology[J]. Petrochemical Industry Application, 2018, 37(1): 87-90. DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2018.01.020 |
| [6] |
阮林华, 王连生, 吴军, 等. 稠油热采水平井测试技术的研究与应用[J]. 石油科技论坛, 2009, 28(6): 43-46. RUAN L H, WANG L S, WU J, et al. Application of testing technology of horizontal wells of thermal production in dense oilfields[J]. Oil Forum, 2009, 28(6): 43-46. DOI:10.3969/j.issn.1002-302x.2009.06.011 |
| [7] |
李成芹, 赵玉贤, 周长民, 等. 高温产液剖面测试技术应用[J]. 特种油气藏, 2000, 7. LI C Q, ZHAO Y X, ZHOU C M, et al. Application of fluid producing profile testing under high temperature[J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2000, 7(S1): 34-36. |
| [8] |
FALCONE G. Multiphase flow metering[M]. Oxford: Elsevier LTD, 2013.
|
| [9] |
姚强, 康宜华, 王培烈. 电容式含水率计安装方式与测量误差研究[J]. 石油机械, 2002, 30(4): 1-3. YAO Q, KANG Y H, WANG P L. Experimental investigation in installation mode of capacitance water cut meter[J]. China Petroleum Machinery, 2002, 30(4): 1-3. DOI:10.3969/j.issn.1001-4578.2002.04.001 |
| [10] |
孙淮清, 王建中. 流量测量节流装置设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005: 312-470. SUN H Q, WANG J Z. Design manual of throttling device for flow measurement[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 312-470. |
| [11] |
吴锡令. 生产测井原理[M]. 北京: 石油工业出版社, 1997: 86-99. WU X L. Production logging principle[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 1997: 86-99. |