CN110321647A - 一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，涉及油藏工程技术领域。本发明包括如下步骤：步骤S1：根据采油井地层压力及温度的变化建立相关数学模型；步骤S2：根据地层渗流点源解模型，得到地层压力分布，由此确定流体经射孔孔眼流向井筒处的温度表达式；步骤S3：利用温度表达式，通过在地面四次或四次以上改变流量，分析多层合采处光纤测量的温度，确定各层段的产出量。本发明通过建立地层压力‑温度方程，并通过适当的简化，求解温度方程，给出产层井筒处温度表达式，分析多层合采处光纤测量的温度，从而确定每层段的产出量，避免了目前光纤测温需要大型计算，能够精准计算每层的产油量。
Description
技术领域
本发明属于油藏工程技术领域，特别是涉及一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法。
背景技术
不同地质年代沉积导致储层具有多层的特性，各层的地层参数如渗透率、孔隙度、高度、边界距离都可能不同，从经济角度，往往采用多层合采进行开发。多层合采时，由于井筒压力保持一致，各层产油量不仅与相应层地层参数有关，还与该层压力相关，如果随意决定合采的层段，往往会出现一些层倒灌的情况，因此，确定每个层段的产油量，可以优化组合合采的层段，实现油井的高效经济开发，为油田实际生产提供指导。
目前确定产油量的方法主要通过计算压力与实测压力等数据拟合方法获获得。这类方法需要实际测量压力(或含水率)数据，通过渗流方程解析或数值解方法，反复迭代拟合获得不同时刻与给定产液量相匹配的生产压差，从而进一步获得不同时刻各小层的产油量。
近年来，随着温度仪测量精度的提高，通过温度变化对油井进行监测备受关注。传统的采用红外测温仪、红外热成像仪、温度传感器阵列等设备测量井温，由于井下恶劣环境对测试仪器产生的影响很大，很容易造成测试误差，且对于温度场的测量有很多不足。而分布式光纤感温系统具有测量点多，精度高，轻巧且能承受井下恶劣环境等优点，可以获取整个光纤分布区域的温度场的信息。
由于地层中温度变化机制十分复杂，温度变化不仅与热传导、热对流及焦耳-汤姆森效应等温度变化机制有关，地层岩石及流体的热力学参数也影响温度，同时流体状态方程、岩石本构关系等也受温度影响。实际油井开发时压力发生变化，考虑能量守恒时压力与温度又是耦合关系，因此光纤测量的温度解释反演必须借助大型计算软件，这给光纤测温在油井中的应用带来极大困扰，一方面温度解释需要的参数往往难以准确获取，另一方面解释周期长，无法实现现场解释。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，通过建立地层压力-温度方程，并通过适当的简化，求解温度方程，给出产层井筒处温度表达式，分析多层合采处光纤测量的温度，从而确定每层段的产出量，解决了现有的光线测温计算繁琐、参数获取困难的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，包括如下步骤：
步骤S1：根据采油井地层压力及温度的变化建立相关数学模型；
步骤S2：根据地层渗流点源解模型，得到地层压力分布，由此确定流体经射孔孔眼流向井筒处的温度表达式；
步骤S3：利用温度表达式，通过在地面四次或四次以上改变流量，分析多层合采处光纤测量的温度，确定各层段的产出量。
优选地，所述步骤S2，包括以下步骤：
步骤S21：根据地层各向同性，岩石及流体微可压缩性，并将油井简化为点源，可以得到地层压力分布p(r,t)；
步骤S22：油井生产时地层温度不变，当地层流体经过射孔孔眼流入井筒，由于节流会导致焦耳-汤姆孙效应，从而建立产层位置处井壁压力-温度方程，求解可得到温度表达式。
优选地，所述步骤S21中，压力分布表达式为：
式中，p(r,t)表示地层压力分布，pi表示原始地层压力，Q表示油井产量，B表示体积系数，μ表示流体粘度，k表示地层渗透率，h表示地层有效厚度，φ表示地层孔隙度，Ct表示地层及流体综合压缩系数。
优选地，所述步骤S22中，产层井筒处的温度表达式为：
式中，Ti表示地层原始温度，αf为流体定压比热容。
优选地，所述步骤S3中，根据时间较长内每个射孔段的温度都与当前层的流量呈正比，得到每层的流量，具体实施步骤如下：
步骤S31：在地面改变4次油嘴，每次改变油嘴后生产24小时或更长时间，测量地面日产量；
步骤S32：根据油井测井及射孔数据，确定每个生产层段的位置，取出光纤在对应生产层段的温度数据；
步骤S33：每个层段绘制流量与温度曲线，x轴为流量Q，y轴为温度，回归一条直线，读取直线的斜率mi和截距Ti；
步骤S34：根据每层段得到的斜率，利用公式计算每层产量占地面总产量的百分比ηi；
步骤S35：根据计算的每段产量百分比ηi计算每段产出量。
优选地，所述百分比ηi表达式为：
则每段的产出量表达式为：
Qi＝Qηi。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过建立地层压力-温度方程，并通过适当的简化，求解温度方程，给出产层井筒处温度表达式，分析多层合采处光纤测量的温度，从而确定每层段的产出量，避免了目前光纤测温需要大型计算，能够精准计算每层的产油量。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明的一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法步骤图；
图2为地层中流体经射孔孔眼流向井筒简化示意图；
图3为焦耳-汤姆孙效应系数随压力及温度变化示意图；
图4为WellA井不同油嘴下产层处井筒温度随时间变化图；
图5为WellA井温度与流量拟合图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，包括如下步骤：
步骤S1：根据质量守恒、动量守恒及能量守恒原理，建立产油层的温度-压力偏微分方程；
步骤S2：根据地层渗流点源解模型，得到地层压力分布，由此确定流体经射孔孔眼流向井筒处的温度表达式；
步骤S3：利用温度表达式，通过在地面四次或四次以上改变流量，分析多层合采处光纤测量的温度，确定各层段的产出量。
其中，步骤S2，包括以下步骤：
步骤S21：根据地层各向同性，岩石及流体微可压缩性，并将油井简化为点源，可以得到地层压力分布p(r,t)；
步骤S22：由于地层各向同性，油井生产时地层温度不变，当地层流体经过射孔孔眼流入井筒，由于节流会导致焦耳-汤姆孙效应，从而建立产层位置处井壁压力-温度方程，求解可得到温度表达式。
请参阅图2所示，图2主要用于渗流方程建立时的图示说明，在步骤S21中，考虑均质地层微可压缩流体渗流，地层压力的基本方程为：
点源解的压力分布表达式为：
式中，p(r,t)表示地层压力分布，pi表示原始地层压力，Q表示油井产量(单位：m3/s)，B表示体积系数，μ表示流体粘度(单位：Pas)，k表示地层渗透率(单位：m2)，h表示地层有效厚度(单位：m)，φ表示地层孔隙度，Ct表示地层及流体综合压缩系数(单位：Pa-1)，rW井筒半径(单位：m)，β为流体热膨胀系数(单位：1/K)；ρf为流体密度(单位：kg·m-3)；εJT为焦耳-汤姆孙系数(单位：K/Pa)；
其中，指数积分函数为：
假设地层温度不变，可以将井筒附近的能量守恒方程进行简化，简化后的方程可以表示为:
优选地，所述步骤S22中，利用压力分布表达式，并对井筒附近的温度-压力方程进行求解，可以得到井底温度随时间变化关系，当时间较长时，产层井筒处的温度表达式为：
式中，Ti表示地层原始温度(单位：K)，αf为流体定压比热容(单位：(KJ/(Kg·K)))。
单层温度推导过程如下：
假定各层无层间窜流，这里给出单层的温度表达式的推导过程。流体在储层中的流动可以视为平面径向流，并经射孔孔眼进入井筒，图1给出流动示意图。为得到储层中的压力及温度方程，采用以下基本假设：
(1)流体是单相且微可压缩的；
(2)储层岩石是均质且各向同性的；
(3)重力和毛细管效应可以忽略不计；
(4)流动的流体和储层岩石处于热平衡状态；
(5)流体从储层流入井筒时是等焓过程。
根据上述模型及假设，从质能守恒出发，建立储层及流体进入井筒处的温度压力控制方程组：
连续性方程，即流体满足质量守恒：
其中，v为流速；φ为孔隙度，ρ为流体密度，分别由以下方程表示：
φ＝φ0[1+Cφ(p-p0)]； (2)
ρ＝ρ0[1+Cf(p-p0)]； (3)
式中，Cφ为孔隙压缩系数(单位：Pa-1)；Cf为流体压缩系数(单位：Pa-1)；p为地层压力(单位：Pa)。
动量方程，渗流速度满足达西定律：
式中，μ为流体黏度(单位：Pa·s)；K为渗透率(单位：m2)；
将式(4)代入式(1)中，并考虑岩石及流体微可压缩，则压力方程为：
其中，Ct＝Cf+Cφ为综合压缩系数(单位：Pa-1)。
假设地层为无限大，用点源代替实际的井，井产量为Q，方程(5)的定解条件可以表示为：
p(r→∞,t)＝pi； (7)
p(r,t＝0)＝pi； (8)
定义变量并对公式(5)-(8)进行变换，得到：
p(u→∞)＝pi； (11)
令分离变量后积分，可得：
对公式(12)再积分，有边界条件(10)得到c1＝QBμ/(4πkh)，最终得到压力分布，如下式：
式中，pi为初始原始地层压力(单位：Pa)；h为储层厚度(单位：m)；
由能量守恒方程：
其中，T为温度；β为(K)热膨胀系数(单位：1/K)；α为定压比热容(单位：KJ/(Kg·K))；κ为导热系数(单位：W/(m·K))；εJT为焦耳-汤姆孙效应系数(K/Pa),下标f表示流体，eff表示流体和储层的综合系数,由体积平均得到：(ρα)eff＝φ(ρα)f+(1-φ)(ρα)r，κeff＝φκ+(1-φ)κr，下标r表示地层岩石。
由于储层很大，且孔隙大致均匀，可以认为地层中温度不变。但在流体由储层流向井筒时，由于射孔孔眼的节流，焦耳-汤姆孙效应不可忽略，于是储层流向井筒处的能量方程可以简化为：
公式(13)对时间t及径向r求导，得到：
将公式(4)、(16)、(17)代入(15)，得到：
式中，Ti为原始地层温度(单位：K)。
从公式(18)可知可知时间影响产层处井底温度，时间较小时，这时u→∞，温度与时间是线性关系，当t→0时T(t)→Ti；
当t→∞时，1-exp(-u)→u，可以推导出：
此时温度T(t)是一个常数，直线段斜率：
如图3所示，焦耳-汤姆孙效应系数是在等焓的情况下节流过程中温度随压力的变化率，定义为焦耳-汤姆孙效应系数与流体类型、温度、压力等参数均有关系。多数情况下，有εJT＞0，即焦耳-汤姆孙效应在节流过程中会冷却流体。但是在高温高压的条件下，会出现εJT＜0，这时焦耳-汤姆孙效应反而会导致流体温度升高；
由于焦耳-汤姆孙效应是流体通过多孔介质(如射孔孔眼等)而发生不可逆绝热膨胀后温度发生变化的现象。不同流体相应于一定压力都有一个确定的温度，称为转换温度，在这温度以下时，膨胀后变冷，在这温度以上时膨胀后变热。一般称变冷的情况为“正效应”，变热为“负效应”，图3就是描述这类情况的示意图。
其中，本发明最核心点，就是将在井筒的产层处，复杂的能量公式(14)可以简化为公式(15)，并根据井底压力分布(13)可以直接得到井筒处的温度表达式，由这个表达式可以十分方便地将光纤测量的温度反演出地层产出量。目前光纤测量温度反演地层产出量都是采用数值模拟通过反复迭代来实现，不仅费时，精确度也无法保证。因此，这里给出一个油田现场测试实例，该实例可以验证温度表达式的正确性。
这是国内一口高产油井(简称为WellA井)，该井泡点压力pb＝29.15MPa，原始压力pi＝134MPa，气油比高达350m3/m3，但原始压力远高于泡点压力，因此储层中的气体完全溶解在油中，不会出现游离气体，符合本发明的全部假设。为了更好试出WellA井的最高产量分别采用3mm～13mm范围内的所有油嘴进行试采，其产量数据如下表1，井筒温度随时间变化图如图4所示。
表1为不同尺寸油嘴试采的产量数据
由上表1可以看出表中油气总产量按体积系数将气体流量折算为体积流量的列表，通过对油气的PVT计算，这里按1445m3气折算为1m3油。
如图4所示，当油嘴改变时(相当于产量改变)温度随时间陡然变化，在改变油嘴后较短时间内，温度随时间是线性关系这与公式(19)相吻合。由于温度随时间时指数变化关系，当生产一段时间后，温度变化缓慢，逐渐趋于稳定，但时间较长时，温度是常数，这与公式(18)温度与时间存在指数关系表达式的变化规律相吻合。
如图5所示，图5表示WellA井不同油嘴生产时间最大时产量随温度变化图，图5可以回归成一条直线，表示温度与产量变化是线性关系，这与公式(20)相吻合，这验证了温度表达式(公式18)正确性。
其中，步骤S3中，对多层合采井，采用光纤测量沿井筒的温度，如果有多个射孔段(假设有N段)，当流体从地层流向井筒时，如果保持产量不变，当时间较长时每个射孔段的温度都与当前层的流量呈正比，得到每层的流量，具体实施步骤如下：
步骤S31：在地面改变4次油嘴，每次改变油嘴后生产24小时或更长时间，测量地面日产量；
步骤S32：根据油井测井及射孔数据，确定每个生产层段的位置，取出光纤在对应生产层段的温度数据；
步骤S33：每个层段(i层)绘制流量与温度曲线，x轴为流量Q，y轴为温度，回归一条直线，读取直线的斜率mi和截距Ti；
步骤S34：根据每层段得到的斜率，利用公式计算每层产量占地面总产量的百分比ηi；
步骤S35：根据计算的每段产量百分比ηi计算每段产出量。
其中，百分比ηi表达式为：
则每段的产出量表达式为：
Qi＝Qηi。
值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (6)
1.一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：根据采油井地层压力及温度的变化建立相关数学模型；
步骤S2：根据地层渗流点源解模型，得到地层压力分布，由此确定流体经射孔孔眼流向井筒处的温度表达式；
步骤S3：利用温度表达式，通过在地面四次或四次以上改变流量，分析多层合采处光纤测量的温度，确定各层段的产出量。
2.根据权利要求1所述的一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，其特征在于，所述步骤S2，包括以下步骤：
步骤S21：根据地层各向同性，岩石及流体微可压缩性，并将油井简化为点源，可以得到地层压力分布p(r,t)；
步骤S22：油井生产时地层温度不变，当地层流体经过射孔孔眼流入井筒，由于节流会导致焦耳-汤姆孙效应，从而建立产层位置处井壁压力-温度方程，求解可得到温度表达式。
3.根据权利要求2所述的一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，其特征在于，所述步骤S21中，压力分布表达式为：
式中，p(r,t)表示地层压力分布，pi表示原始地层压力，Q表示油井产量，B表示体积系数，μ表示流体粘度，k表示地层渗透率，h表示地层有效厚度，φ表示地层孔隙度，Ct表示地层及流体综合压缩系数。
4.根据权利要求2所述的一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，其特征在于，所述步骤S22中，产层井筒处的温度表达式为：
式中，Ti表示地层原始温度，αf为流体定压比热容。
5.根据权利要求1所述的一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据时间较长内每个射孔段的温度都与当前层的流量呈正比，得到每层的流量，具体实施步骤如下：
步骤S31：在地面改变4次油嘴，每次改变油嘴后生产24小时或更长时间，测量地面日产量；
步骤S32：根据油井测井及射孔数据，确定每个生产层段的位置，取出光纤在对应生产层段的温度数据；
步骤S33：每个层段绘制流量与温度曲线，x轴为流量Q，y轴为温度，回归一条直线，读取直线的斜率mi和截距Ti；
步骤S34：根据每层段得到的斜率，利用公式计算每层产量占地面总产量的百分比ηi；
步骤S35：根据计算的每段产量百分比ηi计算每段产出量。
6.根据权利要求5所述的一种确定垂直井多层合采光纤测温确定每层油产量方法，其特征在于，所述百分比ηi表达式为：
则每段的产出量表达式为：
Qi＝Qηi。
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