CN102562026B - 一种煤层气井产气、产水剖面测试方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气井产气、产水剖面测试方法和仪器，通过将测试仪器置于煤层气井的套管内，通过定性测试仪器对煤层气井内的煤层进行产气层位的定性检测，然后通过定量测试仪器对产气层进行定量测试测得测试仪器的响应值，结合事先通过模拟煤层气井作出测试仪器响应同气流量之间的定量图版，得出所测产气层下定量测试仪器响应所对应的气流量和水流量，解决了与煤层气井排采条件相适应的分层产气、产水剖面测试问题，为煤层气高效开发提供技术支持。

Description

一种煤层气井产气、产水剖面测试方法及仪器

技术领域

本发明涉及煤层气井生产动态变化特征的监测技术领域，特别涉及一种煤层气井产气、产水剖面测试方法及仪器，解决与煤层气井排采条件相适应的分层产气、产水剖面测试问题，为煤层气高效开发提供技术支持。

背景技术

在煤层气井生产过程中，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。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连续的机械排水，环套空间采气的排采工艺，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，给井下产气产水剖面测试带来了巨大困难。首先，测试空间狭小、复杂，测试仪器开发难度大。在套管和油管条件下，最大空间尺寸只有36mm，这就严格地限制了测试仪器的尺寸和测量方法的选择范围，测试仪器外径只能做到28mm，同时难以采用更多的工艺装置；其次，测试工作只能在油套环形空间进行，测试工艺复杂，测试仪器在油套环形空间的位置难以控制，增加了测试工作的不确定性，影响测井资料质量；第三，产水量测量难度大。一般情况下，煤层气井的产水率范围是0.5％到5％，且流动方向与气体相反，产水量测量的难度较大。

目前，国内对煤层气井的测试方法采用裸眼井测井和试井。裸眼井测井方法能够划分地层岩性剖面、确定煤层、评价固井质量检测等，无法测量各煤层的产气、产水状况。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，无法实现定量的解释。国外例如斯伦贝谢、哈里伯顿、Sondex、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，但是仪器外径都43mm，而且测量范围只适用于20000m³/d以上的流体，因此，目前尚无小直径仪器，以适应低产气量的煤层气井的测量。

生产测井在油田应用广泛，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。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。需要开发适合煤层气井产气产水剖面测量的方法和专用仪器。

发明内容

为了实现煤层气井生产动态监测，解决与煤层气井排采条件相适应的分层产气、产水剖面测试问题，为煤层气高效开发提供技术支持，本发明实施例提供了一种煤层气井产气、产水剖面测试方法及仪器。

一方面，提供了一种煤层气井产气、产水剖面测试方法，将测试仪器置于煤层气井的套管内，通过定性测试仪器对煤层气井内的煤层进行产气层位的定性检测，然后通过定量测试仪器对产气层进行定量测试，所述定量测试方法如下：

步骤一，模拟煤层气井作出定量测试仪器响应同气-水流量之间关系的定量图版；

步骤二，将测试仪器置于煤层气井中，并获取定量测试仪器在所测产气层中的响应；

步骤三，结合步骤一中所作出的定量图版，获取所测产气层下定量测试仪器响应所对应的定量数据。

所述的定量测试仪器包括压阻流量计和电容含水率计，将测试仪器置于煤层气井的套管中，并使所测产气层中的全部流体流经所述定量测试仪器，获取定量测试仪器在所测产气层中的响应，根据定量测试仪器响应和定量图版分别得出压阻流量计、电容含水率计的水流量和气流量的定量关系曲线，两曲线的交汇点所对应的水流量和气流量即为所测产气层的实际产水量和产气量数据。这种定量测试仪器基于集流方式的气水两相流的流量和含水率测量方法，使流体大部分流经压阻流量计和电容含水率计，通过测量流体对压阻流量传感器的冲击力确定流量，通过测量气水两相流体的电容值确定含水率。

另外一种测试定量测试仪器为压差密度计，将测试仪器置于煤层气井的套管中，并使所测产气层中的流体流经所述测试仪器，获取压差密度计在所测产气层中的响应，根据压差密度计响应和定量图版得出所测产气层的实际产气量数据。这种定量测试仪器主要用于非集流插入方式，可以准确测量液面位置和定性测量液面以下层位的产气量。

另一方面，提供了一种煤层气井产气、产水剖面测试仪器，包括：

定性测试仪器，所述定性测试仪器包括井温仪和磁性定位仪，用于定性分析煤层气井中所测产气层的产气状况，

还包括同所述定性测试仪器连接的定量测试仪器，用于定量分析煤层气井中所测产气层的实际产气状况；

电路筒，用于所述定性测试仪器和定量测试仪器输出信号的采集和传输。

所述测试仪器置于煤层气井的套管内并使所测产气层中的流体流经所述定量测试仪的内部和定性测试仪，通过定性测试仪器定性判断产气层位并校正产气层的深度，通过定量测试仪器反馈并获取定量测试仪器响度。

所述定量测试仪器包括压阻流量计和电容含水率计，所述压阻流量计的一端同所述压阻定性测试仪器连接，另一端同所述电容含水率计连接，所述电容含水率计另一端还设有集流伞，所述电路筒固定于所述集流伞的一端，此定量测试仪器用于集流的插入测试方式；所述测试仪器置于煤层气井的套管内，所述集流伞张开后使所有流体流经所述电容含水率计和压阻流量计，从而分别获得压阻流量计和电容含水率计的仪器响应。

所述的定量测试仪器为压差密度计，所述压差密度计的两端分别同所述定性测试仪器和电路筒相连接，此定量测试仪器用于非集流的插入测试方式，当所述测试仪器放置于煤层气井内时，所述产气层中的流体流经所述压差密度计，获得压差密度计的仪器响应。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

本发明采用基于集流方式的气水两相流流量和含水率测量方法和仪器，所采用的定量测试仪器为压阻流量计和电容含水率计，利用集流伞使流体大部分流经压阻流量计和电容含水率计，通过测量流体对压阻流量传感器的冲击力确定流量，通过测量气水两相流体的电容值确定含水率。优点是可以使气水均匀的混合，减小流态对测量的影响，提高了流体的流速，测量的精度高；

本发明还设计了一种基于集流测量方法产气量和产水量的测试方法。通过在实验室标定不同产气量和不同产水量情况下的压阻流量计和含水率计的响应曲线，制作产气量和产水量标定定量图版，利用压阻流量计传感器和含水率传感器获取所在产气层的仪器响应值，并分别拟合压阻流量计和电容含水率计在仪器响应值下的产水量和产气量的定量图版，并对两拟合曲线进行交会，两条拟合曲线的交会点所对应的产气量和产水量为测量条件下的产水量和产气量，其测量效率高，测量数据准确。

本发明还设计了一种基于非集流方式的气水两相流的流量和含水率测量方法和仪器，所采用的定量测试仪器为压差密度计，可以准确测量液面位置和定量测量液面以下层位的产气量，配合井温磁性定位仪可定性解释煤层气产气剖面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的基于集流方式测试方法的仪器；

图2是本发明实施例一提供的仪器测试安装示意图；

图3是本发明实施例一中压阻流量计结构示意图；

图4是本发明实施例一中电容含水率计结构示意图；

图5是本发明实施例一中压阻流量计模拟煤层气井时仪器响应同气流量关系图；

图6是本发明实施例一中电容含水率计模拟煤层气井时仪器响应同气流量关系图；

图7为对图5中曲线拟合后的定量图版；

图8是对图6中曲线拟合后的定量图版

图9是本发明实施例一中压阻流量计在输出频率为3000HZ下气流量-水流量关系的定量图版；

图10是本发明实施例一中电容含水率计在输出频率为3000HZ下气流量-水流量关系的定量图版；

图11是结合图9和图10作出的气流量-水流量关系的定量图版；

图12是本发明实施例二提供的基于非集流方式测试方法的仪器；

图13是本发明实施例二提供的仪器测试安装示意图；

图14是本发明实施例二提供的压差密度计结构示意图；

图15是本发明实施例二提供的压差密度计电路框图；

图16是本发明实施例二中压差密度计模拟煤层气井时仪器响应同气流量关系的定量图版。

图中：

1、井温磁性定位仪 2、压阻流量计 3、电容含水率计 4、集流伞5、进液孔 6、电路筒 7、出液孔 8、排水管柱 9、套管 10、产层 11、静态压力平衡口 12、压力平衡通道 13、压阻传感器 14、测量通道 15、出液口 16、轴 17、电极 18、压差密度计 19、导压管 20、压差密度传感器21、压差密度电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1和图12为本发明仪器的结构示意图，其中图1用于集流方式，图12用于非集流方式的测试，其结构为，图1中包括定性测试仪器、定量测试仪器和电路筒，其中的定性测试仪器为井温磁性定位仪，用于定性分析煤层气井中所测产气层的产气状况，同所述定性测试仪器连接的定量测试仪器，用于定量分析煤层气井中所测产气层的实际产气状况；电路筒，电路的作用是负责所述定性测试仪器和定量测试仪器输出信号的采集和传输，电路筒可以封装电路，防止井筒内的流体进入筒内，破坏电路的正常工作和信号的正常传输。测试仪器置于煤层气井的套管内并使所测产气层中的流体流经所述定量测试仪的内部和定性测试仪，通过定性测试仪器定性判断产气层位并校正产气层的深度，通过定量测试仪器反馈并获取定量测试仪器响度。

其中的定量测试仪器包括压阻流量计和电容含水率计，压阻流量计的一端同定性测试仪器连接，另一端同所述电容含水率计连接，电容含水率计另一端还设有集流伞，电路筒固定于所述集流伞的一端；测试仪器置于煤层气井的套管内，集流伞张开后使所有流体流经所述电容含水率计和压阻流量计，从而分别获得压阻流量计和电容含水率计的仪器响应，

其安装应用测试如图2所示，测试井需要安装偏心井口，将排水管柱推靠至套管的一侧，形成月牙形的套管环形空间作为仪器的下井通道。采用集流方法测井时，须将排水管柱提到产层以上时，将仪器下过至套管中，在煤层之间和煤层以上进行逐点测量，套管中的水由集流伞下的进液孔进入，流经电容含水率计和压阻流量计的内部，由出液孔流出，并通过电路筒将两仪器的响应值输出。

图12采用的非集流方式测试仪器，其中的定量测试仪器包括压差密度计，压差密度计的两端分别同定性测试仪器和电路筒相连接，当测试仪器放置于煤层气井内时，产气层中的流体流经所述压差密度计，获得压差密度计的仪器响应。采用非集流方法测井时，无须将排水管柱提到产层以上时，煤层气井可进行正常排采，仪器在套管环形空间进行测量，如图13所示。

本发明的测试方法如下：

首先将测试仪器置于煤层气井的套管内，通过定性测试仪器对煤层气井内的煤层进行产气层位的定性检测，然后通过定量测试仪器对产气层进行定量测试，

步骤一，模拟煤层气井作出定量测试仪器响应同气水流量之间关系的定量图版；

步骤二，将测试仪器置于煤层气井中，并获取定量测试仪器在所测产气层中的响应；

步骤三，结合步骤一中所作出的定量图版，获取所测产气层下定量测试仪器响应所对应的定量数据。

实施例一：对集流方式测试方法具体举例如下

(1)针对电容含水率计进行模拟煤层气井测试实验

针对气液两相流，用压阻流量计在室内开展了可行性实验研究。传感器采用集流方案，通过集流伞使井筒内流体全部从压阻流量计内部流过。实验过程中，以氮气和清水为介质。首先保持水的流量分别为3m³/d、5m³/d、10m³/d、20m³/d不变，气量逐渐增加，范围从50m³/d～2000m³/d，记录下仪器响应的变化。实验结果如图5所示，图中横坐标代表气流量，纵坐标是仪器的响应值。从实验结果可见，压阻流量计在水流量不变的情况下，随着气量的逐渐增加，其响应值单调递增。图中各条曲线代表不同的水流量，4条曲线的形态一致，随着水流量的增加，曲线的斜率增加。

集流型压阻式流量计测量范围：

气流量(50～2000)m³/d

测量精度：±10％

(2)针对电容含水率计进行模拟煤层气井测试实验

针对气液两相流，用过流式电容含水率计在室内开展了可行性实验研究。传感器采用集流方案。实验过程中，以氮气和清水为介质，首先保持水的流量分别为3m³/d、5m³/d、10m³/d、20m³/d不变，气量逐渐增加，范围从50m³/d～2000m³/d，记录下仪器响应的变化。图6是过流式电容含水率计的响应与气流量的关系图，图中横坐标是气流量，纵坐标是仪器的响应值。由图可见，水量固定的条件下，随着气流量的增加其响度值增加。在相同气流量下，水量越大，仪器响应值越低。

电容含水率计测量范围：

气流量：(50～2000)m³/d；

测量精度：±10％。

(3)针对集流型传感器的产气、产水量模拟测试实验进行拟合后，并制成定量图版

针对集流型传感器，压阻流量计和电容含水率计的实验数据，用Matlab软件进行了数据分析，制作定量图版，最终能够解释出产气、产水量。具体步骤如下：

以压阻流量计为例，气流量设为fg，流量响应为H，含水率响应为E。

如图7所示：横坐标为气流量，纵坐标为流量计输出频率，调用polyfit函数经过多次迭代，拟合曲线和原始数据曲线基本重合。现以3方水对应曲线为例，得出拟合公式为：

H＝-8.7012e-022*fg⁸+7.6478e-018*fg⁷+-2.8735e-014*fg⁶+5.9017e-011*fg⁵-7.0055e-008*fg⁴+4.7206e-005*fg³-0.017098*fg²+3.4723*fg+2119.5(H压阻式流量计输出频率，fg为气流量)，拟合后的所得到的结果与实际仪器响应相吻合。例如当输出频率为2255Hz时，实际气流量为50m³/d，根据拟合曲线算出的气流量为49.59m³/d，基本与实际气流量相吻合。

在已知一个仪器响应频率值时，通过调用求根函数，就可得出fg。以输出频率3000为例，由拟合可知3m³/d水对应的气流量是1777.1m³/d，5m³/d水对应的气流量1673.8m³/d，10m³/d水对应的气流量是1363.5m³/d，20m³/d水对应的气流量608.43m³/d。以气流量为纵坐标，水流量为横坐标，画出定量图版，如图9所示。至此，压阻流量计的实验数据处理完毕。

含水率算法与流量类似，也是先拟合，再进行求值，由于步骤相同就不再详细说明了。图8所示为过流式电容含水率计实验数据的拟合定量图版，图10是输出某一频率时(以3000Hz为例)，通过求根函数计算得出：水流量20方时对应气流量1542.7m³/d，当水流量10m³/d时对应气流量992.86m³/d，水流量5m³/d对应气流量873.79m³/d，水流量为3m³/d时对应气流量848.9。

把图9和图10所得到的数据绘制在一个图版上，通过调用zoom函数，得出气流量857.13，水流量16.709。

实施例二：非集流方式的测试举例如下：

定量测试仪器为压差密度计，用压差密度计在室内开展了动态实验研究。实验过程中，保持水的流量分别为3m³/d、5m³/d、10m³/d、15m³/d、20m³/d不变，气量逐渐增加，范围从50m³/d～2000m³/d，记录下仪器响应的变化。根据实验数据得到图16，图中横坐标是气相流量，纵坐标是仪器响应，不同曲线代表不同的水流量。由图可见，仪器响应随着气量的增加而递减，而且在低水量的情况下，受水量的影响很小。

压差密度计测量范围：

气流量：(50～2000)m³/d；

测量精度：±10％。

针对非集流型传感器，将压差密度计在模拟井进行刻度，按照仪器响应-气流量的关系建立图版，得到经过拟合公式。测试过程中，将仪器的响应代入拟合公式并经过pvt校正，即可定量解释产气量。

图3所示为压阻流量计结构示意图，它采用的是高灵敏度硅芯作为该流量计传感器的核心元件，该硅芯在受到力的作用时其电阻值随着受力的大小变化而变化，它的测量原理就是通过检测井下被测流体冲力的大小来确定流量大小的。它是一种动力型流量计与传统的涡轮流量计相比它没有可动部件，测井成功率高，可以满足带有少量固体颗粒流体的测量要求。

图4所示为电容含水率计结构示意图，电容器的结构的敏感元件实际是一个同轴圆柱形电容器，当气与水的混合比变化时传感器的电容量也相应地改变，因此通过测量电容值经过解释可得到含水率。

根据过流式电容的原理可得，过流式含水率计组成的同轴筒状电容器的复数阻抗Z为：

Z＝R/(JRωC₂+1)-J/ωC₁

该式可以简化为：

Z＝-J(C₁+C₂)/ωC₁C₂

即低含水时过流式响应只与C1(电极介质膜和电极覆盖的气泡)有关，而且还与混合流体的电容量C2有关。

通过振荡电路后，输出的信号周期T

$T=2{\mathrm{RC}}_X\×\ln (1+\frac{2R_1}{R_2})$

R、R1、R2均为定值，可得到T＝f(CX，Q)

电容含水率计适用于低含水、高产气量煤层气井，可以覆盖0～100％范围的含水率。

图14和图15为压差密度计

如图14所示，压差密度计是通过差压法测量气水两相流流量的原理是在气液两相且水流量变化不大的情况下，气量变化引起流体密度变化，通过测量流体密度可以确定产气量大小。煤层气井以产气为主，产水量较小且变化不大，利用该方法可以测量气液两相条件下的产气量，实验证明，在产水量小于10m3/d情况下，产水量对产气量测量没有明显影响。

如图15所示为过环空差压式流量计机械结构示意图。主要分为压差密度传感器、导压管及差压密度电路三部分。传感器的外壳由不锈钢316L制造，与长60cm的导压管连接，管内充满硅油，用来传递压力。

传感器采用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻并组成电桥电路，当不受力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡而输出电压，且输出的电压与压力成比例。当井内流体密度发生变化，仪器输出电压也相应发生变化，根据电路放大、V/F转换为12V频率信号，并送入采集电路。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种煤层气井产气、产水剖面测试方法，将测试仪器置于煤层气井的套管内，通过定性测试仪器对煤层气井内的煤层进行产气层位的定性检测，然后通过定量测试仪器对产气层进行定量测试，其特征在于，

所述定量测试方法如下：

将所述煤层气井中的排水管柱推靠至套管的一侧；

步骤一，模拟煤层气井作出定量测试仪器响应同气-水流量之间关系的定量图版；

步骤二，将测试仪器置于煤层气井中，并获取定量测试仪器在所测产气层中的响应；

步骤三，结合步骤一中所作出的定量图版，获取所测产气层下定量测试仪器响应所对应的定量数据；

所述的定量测试仪器包括压阻流量计和电容含水率计，将测试仪器置于煤层气井的套管中，并使所测产气层中的全部流体流经所述定量测试仪器，获取定量测试仪器在所测产气层中的响应，根据定量测试仪器响应和定量图版分别得出压阻流量计、电容含水率计的水流量和气流量的定量关系曲线，两曲线的交汇点所对应的水流量和气流量即为所测产气层的实际产水量和产气量数据，所述电容含水率计测试的流体含水量范围为0到100％；

或，所述的定量测试仪器为压差密度计，将测试仪器置于煤层气井的套管中，并使所测产气层中的流体流经所述测试仪器，获取压差密度计在所测产气层中的响应，根据压差密度计响应和定量图版得出所测产气层的实际产气量数据。

2.一种煤层气井产气、产水剖面测试仪器，包括：

定性测试仪器，所述定性测试仪器包括井温磁性定位仪，用于定性分析煤层气井中所测产气层的产气状况，

其特征在于，

还包括：同所述定性测试仪器连接的定量测试仪器，用于定量分析煤层气井中所测产气层的实际产气状况；

电路筒，用于所述定性测试仪器和定量测试仪器输出信号的采集和传输；

所述测试仪器置于煤层气井的套管内并使所测产气层中的流体流经所述定量测试仪的内部和定性测试仪，通过定性测试仪器定性判断产气层位并校正产气层的深度，通过定量测试仪器反馈并获取定量测试仪器响度；

偏心井口，所述偏心井口设置在所述煤层气井内部，分别与排水管柱、套管连接，用于将排水管柱推靠至所述套管的一侧；

所述定量测试仪器包括压阻流量计和电容含水率计，所述压阻流量计的一端同所述定性测试仪器连接，另一端同所述电容含水率计连接，所述电容含水率计另一端还设有集流伞，所述电路筒固定于所述集流伞的一端；

所述测试仪器置于煤层气井的套管内，所述集流伞张开后使所有流体从所述电容含水率计和压阻流量计的内部流过，分别获得压阻流量计和电容含水率计的仪器响应；

或，所述的定量测试仪器为压差密度计，所述压差密度计的两端分别同所述定性测试仪器和电路筒相连接，

当所述测试仪器放置于煤层气井内时，所述产气层中的流体流经所述压差密度计，获得压差密度计的仪器响应。