（机械电子工程专业论文）三相流测量及解释方法研究.pdf

摘要 多相流测量对油田的开发具有重要的意义，它可以为地质分析提供丰富的 动态资料，对油井的动态异常进行诊断，确定油井的生产状态，对开发区域进 行系统监测，研究各开发层系动用状况和水淹状况，以便采取综合调整措施，同 时检查各种措施的效果，最终达到增产目的。 本课题来源于大庆浦田测试技术服务分公司计划项目“高含水、低产液和 低产气时三相流测井解释方法研究”，本文在应用新研制的阻抗式过环空找水 仪和压差密度计在多相流模拟装置上实验的基础上，对实验结果进行分析和比 较，并研究出适合该仪器的三相流解释方法。 首先，应用阻抗式过环空找水仪及压差密度计在多相流模拟装置上进行实 验，实验分两相流和三相流两种情况进行，实验方法依据解释方法进行确定。 对流量和含水率测量实验结果进行分析，分析对两相流和三相流含水率、 流量分开进行，分析含水率和流量测量值与实际流量、含水率、含气率之间的 关系，并对两相流动与三相流动下仪器的响应规律进行比较。对密度实验结果 也做了简单分析。 在对分流模型、均流模型、漂移模型分析和比较的基础上最终确定漂移模 型作为三相流动的解释模型，并根据仪器测量原理及科学的简化原则，将油气水 三相简化为油气、水两相以借用两相下漂移模型，漂移模型关键参数通过实验 的方法确定，并对模型预测效果进行验证。 利用人工神经网络对于非线性映射的强大的逼近能力，采用b p 神经网络 建立流量和含水预测模型，从而避免了复杂的建模过程。分析了b p 神经网络 的特点，设计网络结构并进行训练和仿真。确定网络后对测量中的流量、含水 率进行预测。并将神经网络预测流量结果与统计法计算结果进行比较分析。 关键词三相流；测量；漂移模型；神经网络 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tf o rm u l t i p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t t ot h ee x p l o i t a t i o no fo i lf i e l d ， w h i c hc a np r o v i d em a n yd y n a m i cd a t af o rg e o l o g ya n a l y s i s ，m a k ead i a g n o s i sf o r a b n o r m i t y o fo i l w e l l s ，c o n f i r m t h e p r o d u c t i o n s t a t eo fo i l w e l l ，s u p e r v i s e e x p l o i t a t i o n a r e ab yt h en u m b e r s ，a n dr e s e a r c he x p l o i t a t i o ns t a t u so fe a c ho i ll a y e rs o a st ot a k ei n t e g r a t i v ew a y ，e x a m i n ee f f e c to f d i f f e r e n tm e t h o d s ，a n dm a k e p r o d u c t i o n i n c r e a s i n gi nt h ee n d t h i st h e s i si so n e p a r t o ft h e d e v e l o p m e n tp r o j e c t i t e m “t h er e s e a r c ho n p r o d u c t i o nl o g g i n gi n t e r p r e t a t i o n o f t h r e e - p h a s e f l o wm e a s u r e m e n tw i t hh i g h w a t e r c u ta n dl o wg a s c u ta n dl o wf l o w r a t e ”o f d a q i n go i l f i e l dl o g g i n ga n dt e s t i n g s e r v i c e sc o m p a n y i nt h ep a p e r , o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t i n go nt h em u l t i p h a s e f l o wl o o pw i t ht h ei m p e d a n c ew a t e r c u tm e t e r ( i w m ) a n d p r e s s u r ed r o pd e n s i m e t e r , e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ec o m p a r e d a n da n a l y z e d t e s t i n gi n t e r p r e t a t i o no ft h r e e p h a s e f l o wm e a s u r e m e n t a p p l i e df o ri w m i ss t u d i e ds u c c e s s f u l l y t h ee x p e r i m e n ta r ep e r f o r m e do nt h em u l t i p h a s ef l o wl o o pw i t hi w ma n d p r e s s u r ed r o pd e n s i m e t e r e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t w i t ht w o p h a s ef l o wa n dt h r e e p h a s e f l o w t h ew a y o f e x p e r i m e n t i sd e c i d e d b y t h ei n t e r p r e t a t i o nm e t h o d e x p e r i m e n tr e s u l t s o ff l o w m t em e a s u r e m e n ta n dw a t e r c u tm e a s u r e m e n ta r e a n a l y z e d a n a l y s i si sp e r f o r m e d t of l o w r a t em e a s u r e m e n ta n dw a t e r c u tm e a s u r e m e n t o ft w o - p h a s ef l o wa n dt h r e e - p h a s ef l o ws e p a r a t e l y t h er e l a t i o n s h i po ff l o w r a t e m e a s u r e m e n ta n dw a t e r c u tm e a s u r e m e n tw i t ha c t u a lf l o w r a t ea n dw a t e r c u ta n d g a s c u ti sa n a l y z e d t h er u l eo fa p p a r a t u sr e s p o n s ei sc o m p a r e d t ot w o p h a s ef l o w a n d t h r e e p h a s ef l o w e x p e r i m e n t r e s u l t so f d e n s i t ym e a s u r e m e n ti sa n a l y z e ds i m p l y o nt h eb a s i so f a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gr e s p e c t i v ef l o wm o d e l a n dm e a nf l o w m o d e la n dd r i f tm o d e l ，d r i f tm o d e l i sc h o o s e da si n t e r p r e t a t i o nm o d e lo f t h r e e p h a s e f l o wf i n a l l y t h et h r e e p h a s ef l o wi ss i m p l i f i e dt ot h et w o - p h a s ef l o wb ya p p a r a t u s t h e o r ya n ds c i e n t i f i cs i m p l e n e s sr u l ei no r d e rt oa p p l yf o rt h ed r i f tm o d e lo f t w o - p h a s ef l o w t h ek e yp a r a m e t e r i sd e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t t h ep r e d i c t i o ne f f e c to f m o d e li sc h e c k e d u p b y d a t a u s i n gp o w e r f u la p p r o a c h i n ga b i l i t yo f t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt on o n - l i n e a r m a p p i n g ，p r e d i c t i o nm o d e lo ff l o w r a t ea n dw a t e r e u ti s e s t a b l i s h e db yb pn e u r a l 王i n e t w o r k s ，t h ec o m p l i c a t e dm o d e l i n gp r o c e s si sa v o i d e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fb p n e u r a ln e t w o r k si sa n a l y z e d n e u r a ln e t w o r k ss t r u c t u r ei sd e s i g n e d n e u r a ln e t w o r k s i su a i n e da n ds i m u l a t e ds u b s e q u e n t l yf l o w r a t ea n dw a t e r c u ta r ep r e d i c t e da f t e r n e u r a ln e t w o r ki sf i x e d 。t h er e s u l t sp r e d i c t e db yn e u r a ln e t w o r ka r ec o m p a r e dw i t h t h o s ec a l c u l a t e db ys t a t i s t i c k e y w o r d s t h r e e p h a s ef l o w , m e a s u r e m e n t ，d r i f tm o d e l ，n e u r a ln e t w o r k 哈尔演t 业大学工学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 多相流测井及其在油田开发中的作用 油水井在工作过程中所进行的测井称为生产测井。产出剖面测井，即油井 内的多相流测量，是生产测井的一个重要组成部分。在油井的生产状态下，井 筒内的流动一般为油、水两相流或油气水三相流动。产出剖面测井可动态测量 油井内各产层产出流体的类型及分相流量，可以为油井注采方案的制定和调整 提供可靠依据，为压裂、堵水等措施选层提供资料，并评价措施效果i l 】。大庆 油田和中国多数油田为陆相沉积，具有低孔、低渗、多层系开发等特点。由于 长期注水开发，产液含水不断上升，综合含水率高达8 0 以上。在这种情况 下，使用动态测井资料指导压裂、堵水等措施十分重要1 2 a “。大庆油田每年这 类测井2 0 0 0 井次以上。到2 0 0 0 年，大庆油田已成功实现稳产5 0 0 0 万吨2 5 年，有效控制了含水上升速度。产出剖面测井技术为油田的长期稳产发挥了不 可缺少的作用。 由于中国油田多数油井为机采井，测井仪器仅能通过油管和套管之间的环 形空问起下，一般要求仪器外径不超过2 8 m m 。苛刻的起下条件使大多数在地 面上应用的非常成熟的流量和流体组分测量技术难以直接推广到井下，给井下 仪器的传感器、电路及其它辅助装置设计都带来极大困难。在井内，由于温 度、压力等条件的变化，油、气、水的物性参数也沿井深变化，多相流体流动 状态复杂多变，无疑给测量带来了严重的困难嶂，6 】。而一些低产量、高含水井 的出现又进一步加剧井下的测量难度。大庆油田在流量和含水率测量方法方面 投入了较多的研究力量。目前已经初步形成了较完备的技术体系。发展了从低 产液到高产液，从低含水到高含水，从油、水两相流到油、气、水三相流，从 垂直管流到水平管流等各种测井技术，建立了功能强大的油气水聚合物溶液 多相流动实验装置，能在垂直、倾斜和水平管流下模拟井内多相流的流动状 态，为多相流机理研究，测井仪器开发及仪器标定提供实验手段。尽管如此， 现有的测量技术仍须在测量精度、可靠性、数据传输率、仪器的耐湿耐压等技 术指标方面予以提高。 为了满足油田开发需要，针对井内的多相流测量，国内外采取了不同的技 术路线，并各有其特点。西方的些大的测井公司如斯伦贝谢、哈里伯顿、阿 特拉斯等采用测量总流量、含水率、平均密度的方法确定井内分相含率；而俄 罗斯的测井公司遵循另一思路，不过分要求某一个参数的测量精度，而是要求 性能稳定，工作可靠，对同一储层的流体特性采用时间推移的方法来分析其动 态变化的规律。在国内，大庆油田早在7 0 年代就研制了流量、含水率的监测 仪器，至u8 0 年代又发展了放射性的测量方法，能在一定的流量范围内测量 油、气、水的分相含量，并采用集流的方法来提高流量和含水率的测量精度， 到了9 0 年代，又针对新的油田开发形势的需要，发展了适应高含水采出井和 聚合物驱采出井的测井技术。以上技术路线各有所长，但还不能完全满足油田 开发的需要，油井多相流检测自始至终伴随着油田开发而得到发展和完善，有 着广泛的发展前景和实际意义。 1 2 多相流流量和含水率测量现状 1 2 1 油、水两相流测量现状 1 2 1 1 油、水两相流流量测量目前，油井内多相流的流量测量普遍采用的是 涡轮流量计1 7 j 。它具有结构简单、线性好、压损小、频率信号输出易于处理等 突出优点。放射性示踪流量计也有少量应用，主要限于低流量和单产液井的测 试，在我国华北油田用的较多，胜利油田还发展了通过测量井温来确定井内流 量的方法。在过去几十年里，基于电容、电导、超声波、动力波悼j 、热、放射 性等多种敏感技术的流量计已经得到研究，但除了涡轮流量计之外，这些流量 计未能得到广泛的应用。 井下的涡轮流量计有连续流量计和集流式流量计。连续流量计被扶正于井 筒轴心位置，可随深度连续测量，适用于高产液井的测量。由于涡轮覆盖面积 仅占井眼面积的很小一部分，因此仅处于沿套管轴心附近的流体才能通过传感 器。西方的测井公司还发展了一个可折叠的全井眼流量计。当仪器在井内起下 过程中，涡轮页片收拢。在测量时，涡轮的叶片打开，能覆盖大部分井眼，受 流动状态的影响，不适于低中产井( 如每天产液几十立方米的井) 或井低部的低 产层的测量，也不适于在斜井和水平井中进行测量。因为轻质相与重质相的分 离，导致流体在井内形成复杂流态，例如出现回流，使涡轮的响应规律更加复 杂化。 集流式流量计克服了连续型仪器的缺点。在测井仪器串的上游安置了集流 器。当仪器定位于给定的测量点后，在地面驱动使集流器张开。张开的集流器 封堵了套管内壁和测井仪器之间的环形空间，使全部流体经过仪器内的狭窄测 量通道。集流后，流体通过流量计的速度提高了几十倍，使流量计的灵敏度大 大提高，因此这种方法适于低产液井测量。在完全集流情况下，集流式流量计在 室内多相流实验装置的标定精度可达3 ，一般能够保证为5 。集流式流量计 也可以用于产量较低的斜井和水平井测量。由于在测量通道内流体的高速流动 使油水混合均匀，流动状态及井斜角度对测量的影响大为减小。如果选择合适的 流道面积和涡轮尺寸，该型流量计实践证明，集流是目前测量低产井内多相流的 一种行之有效的办法。在中国，尤其是大庆油田，广泛采用集流式流量计。但是 这种流量计实现集流的流量上限较低，约为1 0 0 r a 3 d ，耐温指标一般为1 2 5 。c 。 集流方法的另一主要缺点实现连续测量的工艺难度很大。 1 2 1 2 油、水两相流含水率测量含水率是确定油水两相流分相流量的另一关 键参数。在生产测井中，含水率和持水率是两个常用的概念。含水率定义为水 的流量与两相流总流量之比。持水率则为流道某一截面上油相所占的截面积与 管道截面积之比，在该比例不变的情况下，可理解为管道内水的体积所占的百 分比。由于油水之间存在密度差，油以高于水的速度向上流动，因此，持水率 总是大于含水率。尤其在平均流速较低时，两者的差别更大。当平均流速很高 时，油水流速差同平均速度相比可以忽略，此时持水率与含水率接近或相等。 井下的含水率很难直接测量，通常先测量持水率和流速，再利用实验图版或理 论模型校正为含水率。然后根据测得的总流量计算出油水的分相流量。图版可 在多相流实验装置上通过实验获得。采用集流的测量方式可以提高含水率的测 量精度，因为流体的高速流动加快了油水之间的均匀混合，减小了流动状态对 流量和含水率测量的影响。而且集流后油水的平均速度提高，持水率更接近子 含水率，减小了由持水率校正为含水率导致的误差恍”j 。 目前井下测量持水率采用阻抗持水率计j ，短波持水率计l l2 j 也得到了研究 和应用。放射性 1 3 , 1 4 、光纤、电磁波等测量方法也得到了研究。井下仪采用的 电容传感器【1 5 , 1 6 】都是由表面覆盖绝缘层的金属内电极和同轴金属外壳构成。但 按工作方式不同，电容含水率计又可分为取样式( 集流) 、差压平衡式( 非集 流) 、过流式( 集流、非集流) 等几种。这几种电容含水率计的仪器响应与持水率 的关系、持水率测量范围、测量精度以及传感器的适用范围也有显著差异。 1 2 2 油、气、水三相流测量 目前，油田地面油气水三相计量采用分离的方法。利用分离器将其中的 气相分离出去单独计量，余下的油水混合物按两相流处理，或将油、气、水三 相分离，分别计量每相流量，但这种方法不适合油田测井仪器的开发。要确定 油气水分相流量，必须同时测量总流量、含水率、含气率、温度、压力等多个 参数。c m i 研制的非接触式多相流组分仪利用电容传感器和伽玛衰减密度计的 组合来测量油气水的分相含量，室内实验表明，该仪表能够以3 的精度测 量每一相的浓度。t e a 研制的多相流量计采用由环形电极构成的组分仪结合伽 玛密度计和文丘晕管测量油气水三相流分相流量。在b h r 集团实验室所进行 的实验表明，当流体的含气率小于1 5 时，该多相流量计测量总流量和含水率 的误差为5 。b e c ke ta 1 提出的利用噪声来测地面管道原油中含水及天然气含 量的方法为油气水的测量提供了个有价值的思路，其测量原理是在测量电容 前加一个搅拌器，搅拌之后，水变成细小水滴均匀分布在油中，经过电容之 后，水滴大小和分布变化不大，因而水相只以静态浓度形式产生静态电容变 化，传感器的输出电压随含水率增加而变大。而气相与此不同，经搅拌之后虽 均匀分布在液体里，但气泡比水泡大得多，而且流经电容时还会重新汇集成更 大的气泡，呈现幅度很大的电容噪声，因而产生动态的电容输出，气体的静态 浓度越大，则动态电容输出越大。经检测电路将传感器的动态信号和静态信号 分离并经信号解藕系统运算，即可实现油气水三组分含量的检测。而流量则通 过对两个电容传感器的输出信号进行相关处理获得。上述测量系统工作于地面 管道，但选择合适的传感器，其测量原理也适于井下测量。英国的h o i y e u n g j 应用常规的仪器组合成传感器阵列在n e l 进行实验，对油田可能出现 的三相流进行测量，将测量结果存入数据库，该数据库对于工业和科研中的三 相流问题能起到一定的指导作用。 斯伦贝谢和西方的一些大的测井公司都十分重视水平井和斜井的产液剖面 测量，因为中东地区和北海等油田新钻的井都是水平井。目前，斯伦贝谢公司 已经在应用电阻探针、化学示踪、可见光电视、放射性方法测量多相流方面作 了很大工作。在测量方法上，由传统的平均参数测量向多探头阵列传感器方向 发展。斯伦贝谢公司开发的f l a g s h i p 组合仪已经投入应用。该仪器利用电 阻探头测量持水率、化学示踪法测量多相流体的分相流速。该公司还研究利用 光纤探头测量持水率的方法。光纤的一端与流体接触，由于油和水的折射系数 不同，因此光纤的反射光强也不同。探头输出二进制信号，经过处理后，可以 获得持水率并确定流型。如果在一个管道截面上布6 8 个探头，可以实现2 的测量精度。美国康普勒公司开发的相流速测井仪也是基于电阻探针的方法。 目前，国内外的科研工作者开始对相关流量计【1 7 , 1 8 应用于井下测量进行研 究，并且已经研制出成型仪器，该流星计利用多相流体内部的随机扰动来测量 流速，更适合于多相流体的测量。由于没有可动部件，可以克服涡轮流量计仪 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 表常数易变的缺点。 现有的确定井下油气水三相流产出剖面的方法基本是通过测量三相总流 量、持气率和流体密度三个参数，结合温度、压力及油、气、水的物性参数确 定油、气、水的分相流量【”】。测井仪器串通常由集流式涡轮流量计、放射性流 体密度计( 或压差密度计) 、流体电容含水率计及温度计和压力计构成。在三相 流中，非集流的连续流量计则能够更好得测量油、气、水三相的总流量，这是 由于流速增加，油、气、水混合更均匀的结果。 大庆油田利用集流式流量计和放射性( 源为镉1 0 9 ) 密度计组合来测量三相 流。流体的密度和持水率采用低能源探头同时测量【2 “。当放射性源的能量低于 3 0 k e v 时，水与烃( 油和天然气) 的质量吸收系数差别较大；而当能量高于 6 0 k e v 时，则油、气、水三相的质量吸收系数差别很小。镉1 0 9 能发出能量为 2 2 k e v 和8 8 k e v 的两种射线。因此采用镉1 0 9 作为源，源发出的两种能量的射 线强度经过油气水混合物时会发生衰减，利用探测器测量两种能量的射线强 度，通过列方程能够算出油、气、水各相的体积分数，从而实现采用一个探头 同时测量液体的持水率和密度，再利用涡轮流量计的测量结果，采用合理解释 模型，就可以获得油、气、水的分相流量1 2 1 , 2 2 。 上述的三相流测量方法中，流体电容法含水率计主要适用于低含水测量， 同时该含水率计的电极容易粘污而影响测量精度。应用放射性方法进行测量的 主要缺点是放射源容易对环境造成污染，测量成本高。 1 3 产出剖面含率解释方法研究现状 产出剖面解释方法一直是测井工作者和科研院所研究者们的重要研究对 象。油井多相流系统的流动特性十分复杂，所以目前油井多相流参数测量结果 还只能是给出平均流体流动特性。多相流间界面的随机可变性，常常使测量仪 器响应呈现波动，即使是在所谓的稳态流动中测量，多相流平均流动参数在管 内任一位置上也是随时间发生变化的，且在管截面方向上流动参数分布也是不 均匀的。在这种状态下，要想从原始多参数测量结果通过建立解释模型，给出 合理的油井产出剖面，还需对测量信息的解释方法技术进行研究。目前解释技 术归纳起来有如下几种方法： ( 1 ) 流量图版法此方法完全依靠测量仪器在多相流模拟装置中的响应规律 作出的实验图版解释分相流量问题。其主要反映的是仪器在模拟井多相流中的 动态响应特性，从所得的实验规律可以进一步认识现象、理解概念，并为物理模 型的建立奠定基础只有当模拟井中流体的物性参数相一致时，才可以给出较好 的结果。在一定程度上，该方法具有实用性。 ( 2 ) 并下刻度法将仪器在全流层对涡轮流量计、含水率计进行实时刻度， 这个刻度是参照地面计量的油水两相流量进行的。刻度后的仪器进行测量，最后 联系求解方程，确定油水分相持率。针对油水流动复杂且难建立流动方程的特点 这种方法应用简便，可以定量确定两相产出剖面，但这种方法对全流层流体物性 与其他层物性之间的差异敏感，并且依赖于地面计量资料的准确性，因此该方法 在实际应用中很难推广。 ( 3 ) 统计法采用多元线性回归分析技术把油水两相流总流量与流量计响 应、含水率计响应联立起来，并得到相关系数较高的回归方程，解决了油井总流 量的预测问题。这方法在美国一些地区得到了很好的应用，统计模型在物理关 系不太复杂且已知大量实验数据的情况下，能够得到较好的处理结果，缺点是模 型外推能力较差。 ( 4 ) 经验法该方法首先由测量的温度、压力参数，计算出油井内油气水三 相流体的物性参数，根据测量得到的混合密度及持水率，求出持水率和持气 率。然后视持率与含率近似相等，求得分相流量，该方法的优点是当三相流动 均匀且无相间滑脱时使用特别简便，例如集流测量效果好时，但实际上，这种 假设遇到非均相时误差较大。 ( 5 ) 最优化测井解释方法s c h l u m b e r g e r 公司把最优化分析技术用于多相流 测量信息处理，这种方法根据仪器响应方程来建立反映测量值和理论值之差值大 小的误差函数或非相关函数。 目前油井多相流解释技术归纳起来有两大类方法：基于实验的经验勰释方 法和半物理模型法。前者完全依赖于测量仪器在多相流模拟装置中大量的寒验 数据或地面计量的结果及一些已知的参数，而由于油井多相流测量工艺及环境 及其复杂，多相流参数测量结果还只能给出平均流体特征，所以大大限制了此 类方法的应用。半物理模型法主要包括经验法和流动分析方法。但半物理模型 法都是基于对相间滑脱的假设。在多相流解释中研究者花大力气研究各种可能 的滑脱模型或是漂移模型，尽管这些模型在实验和实际生产中都取得了一定的 精度，但处理过程都异常复杂，而且滑脱速度的不确定性以及持率和流量测量 的误差常常会削弱这些方法的可靠性，同时这些模型各自的适用范围都受到实 验模型条件的限制。传统的产出剖面测井解释技术在很大程度上受至4 对多相流 流动特性认识不够的制约，发展产出剖面测井解释技术迫切需要引进新的思 想。 - 6 1 4 多相流测井技术的发展方向 从技术本身的发展来讲，产出剖面技术需要进行以下几方面的研究： ( 1 ) 先进的测井方法和敏感技术是产出剖面测井技术发展的关键测井是地 质界的眼睛，传感器则是井下仪器的眼睛。传感器技术的专门研究是各种方法 应用的基础。新方法和新型传感器的应用将可能导致多相流测量技术的重大发 展。基于力( 声) 、电、光、磁、核、热学等各种物理效应的新的测量方法将得 到广泛的研究 2 3 1 。目前，在原理上有传统的电容、放射性密度和压差密度法正 在向电阻抗、光学等多种新的传感方式变化。光纤、电磁波、以及电导等持水 率测量方法也得到了研究 2 4 , 2 5 。还有人提出超声波、相关的流量测量方法。尽 管这些技术不可能解决所有的测量问题，但在一些特殊场合下将发挥一定的优 势。 成像测井技术是一个重要的发展方向。通过检测被测流体各组分在管道截 面的分布信息，对流型研究和浓度检测具有重要价值。应发展多传感器的组合 技术。到目前为止，没有任何一种传感器能够在所有条件下覆盖所有的流量和 含水率范围。因此，研究各种传感器的组合就非常重要，例如，电容和电导传 感器的组合就可以覆盖o 1 0 0 的含水率测量范围。 ( 2 ) 进行多相流体的流动机理、信号和信息处理研究，提高测井解释精度 由于井下条件对传感器的种种限制，传感器的发展受到制约。因此，充分地利 用井下传感器传来的信息，利用有效的现代信息处理技术，发展有效的流动机 理模型，获取所需要的流型、流量和相组分等参数，将是今后的一个重要研究 方向。多相流动是一个复杂的随机过程，流体的物性参数、流速、组分、相间 滑移、各相空间分布对仪器的响应产生极为复杂的影响，尤其是聚区和三元复 合区采出井可能为高粘滞的非牛顿流体，流动情况更为复杂团j 。因此研究多相 流动规律、研究井内流体的力学和电磁学性质，研究测井仪器的响应规律，确 定解释模型是一项基础性工作【2 7 】。应用信号信息处理技术，对来自井下的信号 进行加工、处理，获取有关流体流动的信息，最终以较高精度解释出油、气、 水分相流量是一项有前途的工作。 ( 3 ) 进行流型特性基础研究，充分掌握各种流型的特性及流型之间转变边界 多相流动测量传感器响应特性与流体流动状态有直接关系，多相流测井信息处 理精度在一定程度上也受流型特性影响。对流型的相分布状态、相速度分布及 相间界面特点等基本特性进行研究正确划分不稳定的过渡流型，对测量响应特 性认识及测量模型建立都是非常有意义的 2 s , 2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 对于两相流测井，经过多年的工作，目前的方法和敏感技术已经满足要 求，无论是油连续还是水连续，无论是低流量还是高流量。重点是在现有的基 石i | j 上对井下仪器、测井工艺和解释方法改进完善，提高测井质量。而对于三相 流测井，则需在发展新的测量方法和敏感技术方面进行大量工作。 1 5 本文研究的目的、意义和主要内容 大庆油田和国内多数陆相沉积油田的生产井具有产层多、产量低等特点， 随着油田开发处于高含水后期，现在大量的油井都伴随着气的产生，由于气物 理性质的特殊性，它的产出对三相流流量和含水率的测量都造成了一定的影 响，导致三相下响应规律与两相状态下相比截然不同，给油气水分相含率的测 量造成困难。三相流动井仅应用阻抗式过环空找水仪和两相流动解释方法不能 得出油气水分相含量。由数学知识可知，在三相流动时若想得出油气水分相流 量除需知道总流量测景值和持水率测量值外还需知道含气率值，在此次实验中 尝试利用压差密度计对流体密度进行测量进而得出含气率值。实验完成后，如 何利用仪器测得的总流量值、持水率值、密度值计算出油气水分相含量就成为 测井解释模型研究的主要内容。本课题就是应用阻抗式过环空找水仪和压差密 度计在多相流模拟装置上进行实验，通过实验总结、分析，并研究建立实际值 与仪器测量值和流体特性参数之间的关系模型，最终准确的得出油气水分相流 量，该课题主要目的是解决油田高含水、低产液和低产气情况下三相流测量问 题。 本文的主要研究内容包括以下几部分： ( 1 ) 对油气水测量实验结果进行分析主要包括利用新型测量仪器在多相 流模拟装置上进行系统实验，并对油气水总流量和含水率测量值与三相流实际 含水率、密度与实际总流量之间的关系进行分析，对密度实验结果做了简单分 析； ( 2 ) 对油气水预测模型的建立进行研究在对分流模型、均流模型和漂移 模型比较研究的基础上，最后确定漂移模型作为三相流含水解释模型并建立三 相流动状态下的漂移模型，并用其预测三相流含水率； ( 3 ) 利用b p 神经网络预测三相流总流量和含水率主要包括选择神经网络 类型，确定b p 人工神经网络的基本结构，对网络输入数据进行归一化处理， 选取b p 网络的算法，对网络进行训练，建立b p 人工神经网络模型，最后对 总流量和含水率进行预测。 罐- 第2 章实验装置及仪器原理 2 1 引言 在以前的研究中，曾应用集流式流量计和放射性密度计组合来对三相流进 行测量。流体的密度和持水率采用低能源探头同时测量，但随着油田产层产出 物的变化、测量精度和社会对环境要求的提高，该测量方法已经不能满足当前 三相流测井的要求，阻抗式过环空找水仪的成功研制给三相流测量带来新的希 望，该仪器在油水两相流测量中已经得到了成功应用，现已在油田测井中推广 使用。如何应用阻抗式过环空找水仪、压差密度计组合对三相流准确测量成为 本文的研究重点。 2 2 油气水实验装置介绍 模拟井试验装置工艺系统主要由试验介质源及稳压部分、流量调节管排、 模拟井筒、试验介质分离部分以及仪表气源五部分组成。 采用油、氮气、水作为实验介质，基本包括了油田目前注入液和产出液所 包含的介质种类，选择氮气作为气相介质主要是出安全的考虑。试验介质源及 稳压部分由储藏罐、泵、稳压罐等部分组成，它提供压力稳定的试验介质。流 量调节管排由通径不同的管路、阀门、流量计和调节阀等部分组成，可根据需 要实现流量的精确调节。油水稳压源沿用了原有的油水罐和4 5 米高的水塔， 来进行油水稳压。油水分离部分由分离罐组成，采用原有的油水分离罐依靠重 力进行分离，以便循环使用。模拟井筒由有机玻璃和金属套管组成，可用于模 拟产出井或注入井。 2 2 1 模拟井的介绍 实验用的模拟井长1 3 米，采用双层有机玻璃井筒结构，由1 2 5 m m ( 5 英寸 半) 金属套管和相同内径的有机玻璃筒组成。井筒由底部进液或出液，上部连 通；井筒底部均装有进液阀门和出液阀门，分别控制液体进入和流出井筒，使 得井筒内的液体既可由下向上流动，也可由上向下流动，从而可以使井筒既可 以模拟产出井又可以模拟注入井。 ( 1 ) 油路和水路的介绍对于油路和水路，位于纯油罐、纯水罐( 油水源) 中 的油和水被连续泵入到4 5 米高的油水稳压罐，经过进液管线和过滤器后流入 哈匀 滨丁业大学工学硕士学位论义 流量计量调节管排。为了提高流量计量精度，油水计量调节管排分为 d n 4 m m 、d n 6 m m 、d n l o m m 、d n l 5 r a m 、d n 2 5 m m 、d n 5 0 m m 六路，每 一路分别调节、计量不同流量范围内的液体，并保证各流量计前至少有2 0 倍 内径的直管平稳段，使得各路流量均具有较高的计量、调节精度；相邻两路要 保证具有一定的流量覆盖区。每个调节管路均安装有流量计和流量调节阀，用 于测量、调节当前管路内流体的流量。油水小流量的计量分别选用椭圆齿轮流 量计和电磁流量计。各路安装了相应通径的流量调节阀。经流量计量调节管排 调节后的油水经各自管线流向模拟井筒，并在模拟井筒的底部汇合，然后流入 模拟井筒。 ( 2 ) 气路的介绍此装置选择氮气作为气相介质。氮气源采用杭州制氧设备 厂生产的制氨装置。该装置由空气压缩机( 0 7 m p a 下排气量每分钟达2 4 2 立方 米) 、冷干机、变压吸附设备等部分组成。由空气压缩机注入的压缩空气经冷 干机净化干燥后送到稳压罐稳压，然后由变压吸附设备对空气进行分离，排除 氧气，形成稳定压力( 约o 6 m p a ) 的氮气，其流量可由安装在旁路管线上的转子 流量计进行测量；经稳压后的氮气进入气体计量调节管排( 分四个流量段) ，经 计量调节后，经过止回阀和气体分布器，进入模拟井简。气体分布器的作用是 使进入模拟井筒的气体保证均匀分布在井筒内部，并使气泡尽量细小，尽可能 均匀分散在井内液体中。气体的计量调节共分四路。 ( 3 ) 试验介质分离部分介绍油、气、水进入模拟井筒后可供井下仪器的检 测标定和基础理论研究，从模拟井简流出的油、气，水经气液分离器首先把气 体放掉，然后进入油水分离罐：经两级油水分离后，油流入存油罐循环利用， 水流入存水罐循环利用，也可放掉。 上述介绍可以大概知道实验装置的各个部分的大概作用，整个模拟井装置 的工作工艺流程如下：试验介质源及稳压部分为流量调节部分提供压力稳定的 试验介质：流量控制系统根据用户设定的流量值自动选择相应的管排，并送出 与设定流量相对应的信号以控制调节阀的开度，使其流量输出跟踪设定值，最 终达到或接近设定值；经调节稳定后的各相介质经模拟井简底部汇入井简，向 上流至井口，经气液分离后，气相介质排出，液相介质经回流管路流回试验介 质分离装置，液相介质分离后分别存储在各自的储藏罐，以便循环利用或排放 掉。 工艺系统流程简图如图2 1 所示。 哈尔滨丁业大学工学硕上学位论文 图2 - 1 模拟井系统工艺流程图 f i g 2 lw o r kf l o w i n g c h a r t o f i m i t a t i n g 2 3 阻抗式过环空找水仪测量原理 阻抗式过环空找水仪由阻抗式含水率计、涡轮流量计、集流器等组合而 成，该仪器与以前的两相流测井仪器相比主要是含水测量仪器的不同，阻抗式 过环空找水仪是通过阻抗式含水率计对持水率进行测量的。在油田高含水开发 后期，准确测量地下各产出层的含水率对于油田开发有着重要的意义。目前虽 有多种井下含水率测量方法，如过流电容含水率计，取样电容式含水率计等， 但都存在一些不足，如过流式电容法测量受流态影响较为严重，测量精度较 低；取样式电容法在低流速下测量受电极沾污的影响【3 3 】，而且由于取样次数的 限制，当油井产液含水率波动时，会造成较大含水率测量误差，由于油水的密 度差较小，通过测量密度来测量含水率或持水率方法的精度也不高p ”。由于原 理或者技术上的原因，其他类型的含水率计没能在油田大规模应用，因此，在 高含水下，迫切需要一种能够准确的测量含水率的新方法。 从原理上讲，电容传感器通过测量传感器内多相流体的位移电流来确定含 水率，适合在油为连续相时工作口5 j6 j ；而电导传感器通过测量传感器内流体的 传感电流而确定含水率，适合在水为连续相时工作。因此在高含水时采用电导 传感器成为自然的选择。电导传感器的优点就是响应速度快、结构简单、成本 低廉、对流动无干扰，但是无论在井下或在地面上其他多相流测量领域，该技 术的应用都未得到应有的重视。在井下测量中，采用电阻探针阵列探头测量想 含率的方法已经有商业化产品，但该方法通 过测量局部参数来推断平均含水率，测量精 度必然受到流动状态等因素的影响，尤其是 在油水乳化流的情况下，油泡或水泡的直径 小于探头的特征尺寸，导致探头失去分辨 力，因此，采用合理的传感器结构是解决测 量问题的关键。 由于井下的工作条件及其恶劣，对测井仪 器的可靠性要求极高，这就要求含水率计传 感器结构简单、工作可靠。而环形电极的电 导传感器正好满足这一要求。因此，刘兴斌 提出基于环形电极的激励测量结构的电导传 感器，减小了双电层效应和流动状态对测量 的影响：提出了相应的水相电导率校正的方 法，实现了平均含水率测量，实验证明，当 水为连续相时，含水率的测量精度和可靠性 电子线路 阻抗式含水 率计 涡轮流量计 金属集流器 套管 都较以往仪器有明显的提高。 图2 - 2 阻垫星i 黧空找水 室内实验和现场实验证明，阻抗式含水率 f i g 2 - 2s k e t 蔷：；j 茹d a i l 。、v a t e ， 计具有如下的优点：( 1 ) 能够在水为连续相时h o l d u p m e t e r 以较高精度测量油水两相流的含水率。该仪器在多相流实验装置的标定精度达 到3 或更高，并且具有很好的稳定性、重复性、和一致性，标定的工作量 将大大减小。( 2 ) 能够在流动状态下进行在线测量，减小了井内产量和含水率波 动对测量的影响，从而避免了取样方法的取样次数多的缺陷。( 3 ) 对水电导率进 行实地校正，产出水矿化度变化和流体温度变化对测量的影响很小。( 4 ) 经实验 证实，电极被油污导致的误差较小。( 5 ) 传感器结构简单、价格低廉、易于维 护 3 7 】。 尽管持水率的测量范围为5 0 1 0 0 ，由于油水之间存在滑动速度，通常 持水率要高于含水率，随着平均流速的降低，两者之差随之增大。因此含水率 测量范围取决于流速。流速越低，含水率的测量下限越低，例如在1 0 m 3 d 时，含水率测量范围可达2 0 1 0 0 ，当流量为5 m 3 d 时，含水率测量范围可 达o - 1 0 0 。此时，虽然水的流量很小，但井内的静水仍能保证水为连续相。 2 3 1 阻抗式含水率计测量原理 含水率的测量原理基于连续的导电相( 如水相) 和离散的菲导电相( 如、油i 相) 构成的两相体系的混相电导率决定于离散相体积分数和连续相电导率，测的混相 电导率并对连续相电导率进行校正，便可确定离散相体积分数混相电导率主要 取决于离散相体积分数和连续相电导率，同时也受离散相空间分布等因素的影 响，m a x w e l l 在1 8 8 1 年提出一个解析模型：当细小的不导电的固念粒子、细 小气泡或油泡，均匀分布在电导率为以、体积分数为b 的连续的导电相中，混 合电导率仃。与1 3 和盯。的关系 詈q2 矗( 2 - 1 )o j i 。 。 m a x w e l l 模型适用于精细泡状流。在理想的环状流条件下，混相电导率与 连续相体积分数的关系由b e g o v i c h & w a t s o n 1 9 7 8 给出 二芝= ( 2 2 1 对于油水两相垂直向上管流，在水为连续相的条件下，一般为泡状流，因 此可以采用m a x w e l 模型。但即使在泡状 流条件下，油水的混合程度也可能有很 大差别。在较高的流速下，油水趋于均 匀混合，可视为精细泡状流；而在很低 的流速下，油水分布的不均匀使混相电 导率与持水率的关系与均匀混合的状态 下又有所不同。因此，在实际应用中不 应直接使用解析模型，而是将含水率计 在不同的流量下标定，获取每一流量下 的含水率标定图版。实际测井时再根据 仪器响应、流量计所测得的流量和已经 获得的图版来推算含水率，这样可以有 - _ q ih i i l 图2 3 四电极电导传感器示意图 f i g 2 - 3s k e t c h o fc o n d u c t a n c es e n s o rw i t h f o u re l e c t r o d e s 效避免理论模型不完备造成的测量误差1 3 引。对于水为连续相的油水两相流，若 采用m a x w e l 模型，则有 詈一轰 p ， o 5 一i 。 ? 式中