CN108252706A - 一种油井低产液高含水油水两相流流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油井低产液高含水油水两相流流量测量方法，采用两组位于同一传感器管道中的传感器组合进行测量，一组为上下游电导传感器阵列；另一组为弧形对壁式电导传感器。测量步骤如下：通过上下游电导传感器阵列获取上下游流体波动信号并基于相关算法计算油水两相流相关流速U_cc，进而获得混合流速U_m；通过弧形对壁式电导传感器获得归一化电导率G_e*，进而计算获得持水率Y_w及持油率Y_o；确定油水两相流漂移模型中的相分布系数C₀及泡径指数n，实现混合流速U_m及持油率Y_o与油相表观流速U_so之间的物理关联，实现油相表观流速U_so测量；获得水相表观流速。

Description

一种油井低产液高含水油水两相流流量测量方法

技术领域

本发明涉及低渗透油藏高含水期开采阶段油井低产液高含水油水两相流产出剖面测井 技术领域。

背景技术

油水两相流普遍存在于石油工业油井生产过程中，油井动态监测技术主要任务是正确评 价油井生产特性及准确测量油气储集层分层分相流量，为油田开发方案调整提供科学依据。 但是，随着我国陆相低产低渗老油田进入高含水期开采阶段，油水相间存在严重滑脱效应(相 间相对运动)，分散相局部流速及局部浓度呈非均匀分布状态，致使油水两相流产出剖面测 井技术难度很大。

在油水两相流总流量测量方面，传统产出剖面测井方法主要采用集流型涡轮流量计。在 低流速情况下，由于受油水两相流相间滑脱效应影响，涡轮流量计转速不仅与油水两相流总 流速有关，而且与分散相局部流速及局部浓度非均匀分布有关，即同时受油水两相流总流速 及持水率参数控制，致使涡轮流量计仪表因子不再是常数，原来从集流型涡轮流量计响应直 接测量油水两相流总流速方法存在较大误差。

在油水两相流持水率测量方面，传统产出剖面测井方法主要采用纵向环形电导传感器 (胡金海等，一种同时测量流量及含水率的电导式传感器，测井技术，2002，26(2)：154-157)。 该方法通过环形电极沿管内轴向激发电场，研究表明环形电导传感器仅在电极及管壁附近测 量持水率灵敏度较高，而在管中心附近处灵敏度则很低，且沿管截面方向灵敏度呈不均匀分 布(N D Jin,Z Xin,J Wang,Z Y Wang,X H Jia and WP Chen,Design and geometry optimization of a conductivity probe with a vertical multiple electrode array for measuring volume fraction and axial velocity of two-phase flow,Measurement Science and Technology,2008,045403,19pp)。尤 其是，高含水时油水两相流流型多为水包油流型，其分散相油泡泡径为1mm左右(Y.F.Han, N.D.Jin,L.S.Zhai,H.X.Zhang,Y.Y.Ren,Flow pattern and holdup phenomena of low velocityoil-water flows in a vertical upward small diameter pipe,Journal of PetroleumScience and Engineering,2017,159:387-408)，当小油泡流过环形电导传感器测量区域时，由于目前环形 电导传感器持水率分辨率局限性，环形电极输出响应对流过的小油泡不敏感，难以捕获分散 相的油泡体积浓度变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种油井低产液高含水油水两相流流量测量方法。该方法通过采用 插入式上下游电导传感器阵列测量油水两相流相关流速(总流速)，通过采用带有保护电极 的弧形对壁电导传感器测量持水率，在此基础上，采用油水两相流漂移模型实现油水两相流 分相流量测量。技术方案如下：

一种油井低产液高含水油水两相流流量测量方法，采用两组位于同一传感器管道中的传 感器组合进行测量，一组为上下游电导传感器阵列，包括固定在传感器管道中部的柱形插入 体和光滑嵌入于插入体表面的两对电极，一对位于上游，一对位于下游；另一组为弧形对壁 式电导传感器，包括在管壁表面镶嵌弧形激励电极与弧形测量电极，两种电极中心位置相对 应，其中，在测量电极两侧等距处分别放置相同尺寸的边缘保护电极。油水两相流流量测量 步骤如下：

1)通过上下游电导传感器阵列获取上下游流体波动信号并基于相关算法计算油水两相流 相关流速U_cc，进而获得混合流速U_m；

2)通过弧形对壁式电导传感器获得归一化电导率G_e*，进而计算获得持水率Y_w及持油率 Y_o；

3)确定油水两相流漂移模型中的相分布系数C₀及泡径指数n，实现混合流速U_m及持油率 Y_o与油相表观流速U_so之间的物理关联：由此，实现油相 表观流速U_so测量；

4)基于上述测量的混合流速U_m及油相表观流速U_so，获得水相表观流速。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)采用插入式电导相关流量计测量油水两相流总流速时，由于受插入体流型调控作 用，在低流速时电导相关流量计测量结果仅与总流速有关，无需提供另外的持水率测量信息。

(2)由于采用带有边缘保护电极的弧形对壁电导传感器，显著增加了管截面方向的电 流密度强度，与传统纵向环形电导传感器相比，可更敏感地捕获分散相油泡体积含率变化， 提高油水两相流持水率测量分辨率。

(3)将集流通道内插入式电导相关流量计与弧形对壁式电导传感器组合，通过垂直上 升油水两相流漂移模型试验，可实现低产液高含水油水两相流分相流量测量，预测的油相及 水相表观流速平均相对误差均小于10％。

附图说明

图1是集流通道内插入式电导传感器相关流量计与弧形对壁式电导传感器组合结构图。

图2是弧形对壁式电导传感器局部结构图。

图3是插入式电导传感器相关流量计局部结构图。

图4(a)和(b)分别是插入式电导传感器相关流量计上下游测量电极信号及其互相关 函数图。

图5的(a)-(m)是插入式电导传感器相关流量计相关流速与实验标定混合流速之间 关系图。

图6是模型预测的混合流速与实验标定的混合流速对比图。

图7是弧形对壁式电导传感器测量电压信号波形图。

图8是弧形对壁式电导传感器归一化电导测量值与实验标定总流速及含水率关系图。

图9是漂移模型与的散点图图版及线性拟合结果：(a)段塞流拟合结果，(b)泡状流及细小泡状流拟合结果。

图10是漂移模型预测的分相表观流速与实验标定的分相表观流速对比关系图：(a)油 相表观流速预测结果；(b)水相表观流速预测结果。

附图标号说明：

1外管；2场聚焦弧形对壁式电导传感器激励电极；3边缘保护电极；4中心测量电极； 5固定支架；6插入体；7插入式电导传感器相关流量计上下游激励电极；8插入式电导传感器相关流量计上下游测量电极

具体实施方式

本发明提出的油井低产液高含水油水两相流流量测量方法。在总流量测量方面，在集流 型仪器的集流通道内设置插入式电导相关流量计，具有显著的流型调控作用，可保证插入体 与集流通道内壁之间的环形流动空间具有稳定的内秉流动结构，有利于获取高可靠性及重复 性的插入式电导传感器上游及下游测量电极信号之间相关性。实验表明，在低流速时插入式 电导相关流量计相关流速仅与油水两相流总流速有良好的线性关系，而与含水率无关。在含 水率测量方面，在集流型仪器的集流通道内采用带有保护电极的弧形对壁式电导传感器，包 括在管壁表面镶嵌弧形激励电极与弧形测量电极，两种电极中心位置相对应，其中，在测量 电极两侧等距处分别放置相同尺寸的边缘保护电极，以增强弧形对壁测量区域内电流密度强 度，提高弧形对壁电导传感器持水率测量灵敏度。测量电极输出响应反映油水两相流持水率 信息，该响应与油水总流速及含水率均有关，与传统纵向环形电导传感器相比，弧形对壁电 导传感器在高含水时具有更高的持水率测量分辨率。在此基础上，采用油水两相流漂移模型 实现油井低产液高含水油水两相流分相流量测量。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。该发明涉及的场聚焦弧形对壁式电导传 感器与插入式电导传感器相关流量计在油水两相流组合测量方法包括以下步骤：

场聚焦弧形对壁式电导传感器的整体结构包括外管1、光滑嵌入在管道内壁的激励电极 2、边缘保护电极3、中心测量电极4。插入式电导传感器相关流量计的整体结构包括外管1、 固定支架5、插入体6、上下游激励电极7、上下游测量电极8。

场聚焦弧形对壁式电导传感器测量电极与边缘保护电极轴向高度均为h₁＝2mm，测量电 极与保护电极间距l₁＝1mm，电极张角α＝130°。插入式电导传感器相关流量计的激励电极 与测量电极电导环的轴向高度均为h₂＝2mm，上、下游传感器对应的激励电极与测量电极距 离均为l₂＝7mm，插入体直径与电导环的外径均为D＝10mm，固定装置直径d＝3mm，插入体 的长度为L＝93mm，上下游传感器之间的距离(即上游传感器测量电极与下游传感器测量电 极之间的距离)l₃＝30mm，两固定支架到传感器距离均为l₄＝70mm。

将具有以上尺寸的场聚焦弧形对壁式电导传感器及插入式电导传感器相关流量计分别 安装在垂直上升小管径油水两相流实验装置中，当流体流经传感器测量区域时，分别对场聚 焦弧形对壁式电导传感器及插入式电导传感器相关流量计的输出电压信号进行采集。数据处 理过程中，将不同流动工况下场聚焦弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，提取 其持水率测量特性；将插入式电导传感器相关流量计上下游输出的电压信号进行相关测速提 取，获得不同流动工况下相关流速与实验装置标定的混合流速之间关系。

下面结合附图说明场聚焦弧形对壁式电导传感器与插入式电导传感器相关流量计组合 测量油水两相流分相表观流速具体实施过程：

(1)场聚焦弧形对壁式电导传感器与插入式电导传感器相关流量计共有三组激励与测 量。实验中，激励电极均与激励频率为20kHz的激励源连接，测量电极及场聚焦弧形对壁 式电导传感器的保护电极接地，分别对三组电极测量的电压信号进行采集。

(2)动态实验中对插入式电导传感器相关流量计输出电压信号进行采集，获得不同流 动工况下测量的混合流速，具体方法如下：

当流体流经两个传感器时，流体状态未发生改变，插入式电导传感器相关流量计上下游 两个测量电极输出信号分别定义为x(t)和y(t)，则信号x(t)和y(t)是相似的，只是在时间上有 个延时τ₀，即有：

x(t)＝y(t+τ₀)

互相关函数R_xy(τ)反映的是上下游信号间的互相关系和相关程度，x(t)和y(t)的相 关函数可以有如下的公式求得：

当R_xy(τ)取得最大值时所对应的时间τ₀就是流体从上游电极流到下游电极的时间，即 为渡越时间。根据渡越时间和上下游两个电极之间的距离L，则可以求得流体的平均流速 U_cc：

U_cc＝L/τ₀

(3)通过计算流体混合流速，获得混合流速与标定混合流速及含水率之间的关系图版， 如图5(a)-(k)所示，并进行相关流速和总流速关系的线性拟合，获得拟合直线。可以看 出，不同含水率下拟合直线的斜率K_i与截距A_i变化较小，因此，我们将图5(k)拟合直线表示为所有工况下测量的混合流速(U_m)与标定混合流速(U_cc)间的关系，即：

U_cc＝0.85328*U_m+0.0642

将不同流动工况下对应的相关速度U_cc值代入上式，获得相应的预测混合流速并 进行绝对平均误差(AAD)及绝对平均相对误差(AAPD)的误差分析，如图6所示。AAD及AAPD定义如下：

式中，n表示为实验数据点总数，和分别表示为第i个实验流动工况下插入式 电导传感器相关流量计测得的混合流速及实验装置标定的混合流速。

(4)通过动态实验，对场聚焦弧形对壁式电导传感器输出电压信号进行采集，并获得 归一化电导测量值与实验装置标定的含水率之间关系以及不同流动工况下的视持水率值，具 体方法如下：

定义混合流体的归一化电导率G_e*为混合相的电导率σ_m与全水的电导率σ_w的比值，表达式为：

式中，V_ref和V_m分别是测量电路中参考电阻两端测量电压和传感器测量端接收电压， 和分别是全水时参考电阻两端测量电压和传感器测量端的接收电压。根据Maxwell 理论，可获得油水两相流视持水率与无量纲电导率之间的关系：

式中，Y_w表示油水两相流的视持水率。

(5)利用场聚焦弧形对壁式电导传感器及插入式电导传感器相关流量计所测持水率及 混合流速，通过油水两相流漂移模型：

式中，U_so为油相表观速度，Y_o为持油率，U_m为混合流速，C₀为相分布系数，n为泡 径指数，U_∞为单个油泡在无限静止的水中的上升速度。

将上式左右两端同时除以(1-Y_o)ⁿ，可得：

并分别获得水包油段塞流流型与水包油泡状流及水包油细小泡状流时的 U_sα/Y_α(1-Y_α)ⁿ与U_m/(1-Y_α)ⁿ之间的关系曲线。

当水包油段塞流(DOS/W)与水包油泡状流(DO/W)及水包油细小泡状流(VFDO/W) n取值分别是1.3与3.6时，线性关系较好，如图8和9所示。同时，利用插入式电导传感 器相关流量计获得的预测混合流速以及场聚焦弧形对壁式电导传感器获取的视持水率， 通过上式获得预测油相表观速度预测水相表观速度并分别与实验装置标定的油 相表观速度和水相表观速度比较，并分别进行绝对平均误差(AAD)及绝对平均相对误差(AAPD)的分析。

实验验证与结果：

利用本发明中的插入式电导传感器相关流量计，获得如图4所示的上下游电极测量电压 信号及其互相关函数曲线，并对不同含水率的流动工况进行相关流速测量结果与实验装置标 定的混合流速线进行性拟合。图5(l)与图5(m)中，纵坐标分别表示不同含水率下拟合 直线的斜率K_i与截距A_i，图中的虚线A与K分别为图5(k)拟合直线的斜率和截距。可以 看出，插入式电导传感器相关流量计相关流速和总流速之间具有良好的线性关系，受含水率 影响很小。如图6所示，由插入式电导传感器相关流量计预测的混合流速误差较小，结果表 明插入式电导传感器相关流量计预测总流速的精度较高。

图7为利用场聚焦弧形对壁式电导传感器得到的测量电压信号，图8为归一化电导值与 实验标定含水率之间关系。可以看出，场聚焦弧形对壁式电导传感器电压波动信号随含水率 升高呈现明显的下降趋势。通过归一化电导实验图版(图8)，可以看出，场聚焦弧形对壁 式电导传感器对含水率变化具有较高的分辨能力。

利用插入式电导传感器相关流量计及场聚焦弧形对壁式电导传感器测量数据，再根据建 立的油水两相流漂移模型，可实现油水两相流分相表观速度预测。实验表明，通过上述两种 传感器组合测量方式，如图10所示，可以获得较高精度的分相表观流速预测结果，平均相 对误差均小于10％。

Claims (1)

1.一种油井低产液高含水油水两相流流量测量方法，采用两组位于同一传感器管道中的传感器组合进行测量，一组为上下游电导传感器阵列，包括固定在传感器管道中部的柱形插入体和光滑嵌入于插入体表面的两对电极，一对位于上游，一对位于下游；另一组为弧形对壁式电导传感器，包括在管壁表面镶嵌弧形激励电极与弧形测量电极，两种电极中心位置相对应，其中，在测量电极两侧等距处分别放置相同尺寸的边缘保护电极。油水两相流流量测量步骤如下：

1)通过上下游电导传感器阵列获取上下游流体波动信号并基于相关算法计算油水两相流相关流速U_cc，进而获得混合流速U_m；

2)通过弧形对壁式电导传感器获得归一化电导率G_e*，进而计算获得持水率Y_w及持油率Y_o；

3)确定油水两相流漂移模型中的相分布系数C₀及泡径指数n，实现混合流速U_m及持油率Y_o与油相表观流速U_so之间的物理关联：由此，实现油相表观流速U_so测量；

4)基于上述测量的混合流速U_m及油相表观流速U_so，获得水相表观流速。