應(yīng)用在注水剖面中的超聲波流量計

摘要：

文章介紹了超聲波流量計的測井原理、儀器特點(diǎn)、施工工藝及解釋方法，分析了該技術(shù)在識別大孔道地層、檢查井下管柱情況、判斷套管漏失、提高注水剖面解釋精度等方面的應(yīng)用情況，大量的實(shí)際測井資料表明，超聲波流量計解決了注水剖面測井的許多疑難問題。
引言：
　　通過分析近幾年國內(nèi)注水開發(fā)油田的三參數(shù)注水剖面測井資料，表現(xiàn)出來的主要問題是：伽馬本底高、沾污嚴(yán)重、測試遇阻情況多、地層大孔道、井筒及管柱漏失等等，另外，由于注水管柱復(fù)雜，井下水流方面認(rèn)識不清，無法分析配水器、封隔器等工具的工作狀況，影響了資料的應(yīng)用情況[1、2]。針對復(fù)雜的注水井，必須開展多參數(shù)、多樣化的吸水部面測井技術(shù)，滿足油田的開發(fā)需要。
　　
　　1超聲波流量計測井技術(shù)
　　
　　1.1測量原理
　　
　　采用超聲波相位差原理，設(shè)計了A、B兩個特征相似的超聲波傳感器，距離為L，如圖1所示，設(shè)超聲波頻率為f，波長為λ，則聲速V=f×λ，波數(shù)N=L/λ=L×f/V，由于L、f為常量，則N與V成反比。
　　
　　圖1流量傳感器的測量模型示意圖
　　
　　當(dāng)流體沿A→B方向以速度U流動時，順流聲速Va=V+U，逆流聲速Vb=V-U，則順流時波數(shù)Na=V×n/（V+U），逆流時波數(shù)Nb=V×n/（V-U），則順、逆流發(fā)射超聲波時，L距離內(nèi)正逆流波數(shù)差為：△n=Nb-Na=n×2U×V/（V2-U2），其中n=L×f/V，則△n=2L×f×U/（V2-U2）。
　　
　　相位差△b=△n×360o=720oL×f×U/（V2-U2），因?yàn)閂>>U，則△b»720oL×f×U/V2，由于L、f、V為常量，則相位差△b和流體流速U之間為近似線性關(guān)系。
　　
　　因此測出超聲波相位差△b，即可計算出流體流速U，進(jìn)而可以計算出已知管子內(nèi)徑的流量。
　　
　　1.2儀器特點(diǎn)
　　
　　測井項(xiàng)目：磁定位、伽馬、井溫、壓力和超聲波流量計五參數(shù)組合測井。
　　
　　儀器指標(biāo)：外徑38mm，總長度4.5m，耐溫150°C，耐壓70MPa，在2.5in（1in=25.4mm）的油管內(nèi)測量范圍0~370m3/d左右，在5.5in的套管內(nèi)測量范圍0~1800m3/d左右。
　　
　　適用范圍：適用管柱內(nèi)徑大于40mm的分層注水井、空井筒及喇叭口在射孔層段上部的籠統(tǒng)注水井。
　　
　　1.3施工方法
　　
　　將超聲波流量計與磁定位、伽馬、井溫、壓力組合后下入井內(nèi)，關(guān)井2h~4h左右，測量注水井相對靜止時的井溫、伽馬、磁定位、壓力，然后恢復(fù)正常注水，穩(wěn)定后在射孔層上部200m左右釋放同位素，待同位素分配好后，測量至少兩條重復(fù)性較好的同位素、井溫、壓力、磁定位以及超聲波連續(xù)曲線；再根據(jù)測量的超聲波連續(xù)曲線以及注水管柱，分別在距離井口200m左右、在各配水器的上、下10m左右、超聲波連續(xù)曲線有異常的井段上、下10m左右、射孔層段上、下2m左右、遇阻點(diǎn)上5m左右等測量超聲波定點(diǎn)流量，定點(diǎn)測量時間不少于120s。如果超聲波定點(diǎn)流量曲線有明顯波動，或者根據(jù)超聲波定點(diǎn)流量值查圖版計算的水流量出現(xiàn)異常情況，要重復(fù)定點(diǎn)驗(yàn)證。
　　
　　2解釋方法
　　
　　2.1解釋圖版
　　
　　在儀器出廠投入使用前，在規(guī)范的油管和套管中進(jìn)行流量刻度和標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定值制作解釋圖版，并用zui小二乘法回歸流量與相位差之間的計算公式，如圖2所示。如果儀器使用時間過長，出現(xiàn)零漂和誤差較大時，要重新進(jìn)行刻度和標(biāo)定。
　　
　　圖2超聲波流量計在2.5in油管內(nèi)標(biāo)定圖版
　　
　　2.2計算評價井段內(nèi)的流量
　　
　　根據(jù)測量超聲波定點(diǎn)流量相或連續(xù)流量的相位差值，代入如圖2中的回歸公式均可計算該處流量，根據(jù)定點(diǎn)相位差計算的流量不含測井速度的影響，計算出來的流量直接反應(yīng)定點(diǎn)深度處管子內(nèi)流體的實(shí)際流量；而根據(jù)連續(xù)相位差計算的流量包含測井速度的影響，需要減去測速相同時在死水區(qū)連續(xù)相位差計算的流量，才能反應(yīng)該深度處管子內(nèi)流體的實(shí)際流量。
　　
　　2.3計算分層吸水量[3]
　　
　　首先選出射孔層上下、配水器上下等評價井段，再根據(jù)超聲波定點(diǎn)或連續(xù)相位差，按3.2的方法計算各評價井段管子內(nèi)的流量，其上下評價井段內(nèi)流量的差值就是射孔層的吸水量或配水器的進(jìn)水量。
　　
　　對于分層注水井，若封隔器密封完好，按配注井段將各射孔層分為若干個解釋單元，先根據(jù)超聲波流量曲線計算各配水器實(shí)際注水量的大小，然后將其按同位素吸水面積的大小，評價各小層的吸水量。其特點(diǎn)：可以檢查并計算各配水器的實(shí)際配注情況；結(jié)合多參數(shù)分析，可以準(zhǔn)確判斷封隔器的密封情況。
　　
　　對于籠統(tǒng)注水井，若射孔層之間的間隔較大（一般大于2m），超聲波流量曲線在層間有明顯的變化，可直接根據(jù)流量計曲線進(jìn)行定量解釋。若射孔層之間的間隔較小，流量計曲線在層間變化不明顯，則可將這些射孔層劃分為一個解釋單元，根據(jù)流量曲線計算該單部分同位素沿大孔道進(jìn)行地層元的總吸水量，然后將其按同位素吸水面積的大小，評價各小層的吸水量。對于有竄槽現(xiàn)象的，將竄槽井段內(nèi)各層劃分為一個解釋單元，用流量曲線計算該單元總的吸水量，再將其按同位素吸水面積的大小，評價各小層的竄吸量。
　　
　　3應(yīng)用實(shí)例分析
　　
　　1）識別大孔道地層
　　
　　當(dāng)?shù)貙哟嬖诖罂椎罆r，常規(guī)的同位素載體粒徑比孔道直徑小，會隨注入水進(jìn)入地層深部，導(dǎo)致測量同位素曲線與伽馬本底對比時差異較小甚至沒有差異，僅依據(jù)同位素曲線解釋小層吸水量，會得出與實(shí)際情況相差較大的結(jié)論。如果結(jié)合超聲波流量計，則能很好地反映地層的真實(shí)吸水情況。如GX110-7井2009年10月21日測的吸水剖面如圖3所示，該井的注水層段為13號層，射孔井段1886.0m~1902.0m，厚度16.0m，注水管柱下至1859.4m，注水油壓9.0MPa，注水量約100m3/d，所用同位素載體粒徑300μm~600μm，粒密度1.02g/cm3。從圖中可以看出，同位素示蹤曲線在13號層頂部（1885.3m~1887.3m）有較弱吸水顯示，解釋的吸水量占23.52%，但是超聲波流量曲線在此處有大幅度異常，解釋的吸水量占68.98%，說明此處存在大孔道，大深部。
　　
　　圖3GX110-7井超聲波流量計注水剖面成果圖
　　
　　2）檢查封隔器的封隔效果
　　
　　在分層配注井中，測量超聲波流量計曲線，可以準(zhǔn)確判斷封隔器的封隔效果。如L15-**井是一口注水井，注水層位Es33，注水井段3079.6m~3082.3m，40.0m/8層。該井為一級兩段分注，上段投80m3/d的定量水嘴，下段未投水嘴。2010年4月9日進(jìn)行超聲波流量計注水剖面測井，如圖4所示，從同位素曲線分析，封隔器上下兩段均有吸水顯示，與設(shè)計的配注情況基本吻合。但超聲波流量曲線顯示，注入水全部從上段水嘴進(jìn)入，一部分水進(jìn)入封隔器上部的射孔層，另一部分水通過封隔器進(jìn)入下部射孔層，下段水嘴未進(jìn)水，充分驗(yàn)證了封隔器失效。
　　
　　圖4L15-**井超聲波流量計注水剖面成果圖
　　
　　3）提高遇阻井注水剖面解釋精度
　　
　　在*的注水剖面測井施工中，常常會遇到套管變形、油管未下到位、井下工具堵塞、井底有落物或沉砂等現(xiàn)象，同位素注水剖面測井解釋時，有些井不能定性分析遇阻層是否吸水，更無法定量解釋遇阻層的吸水量，常規(guī)處理方法是：定量解釋時不考慮遇阻層的吸水量，從而影響本井吸水層的定量解釋精度。如果進(jìn)行超聲波流量計測井，不僅能準(zhǔn)確分析遇阻層的吸水情況，而且能提高該井的定量解釋精度。
　　
　　L90-**井是一口注水井，注水層位Es2+3，注水井段2629.0m~2666.8m，13.2m/4層。該井為籠統(tǒng)注水，全井日配注量100m3/d。2010年4月11日對該井進(jìn)行了同位素注水剖面測井，施工過程中測井儀器在2662.0m遇阻，zui后一個層未測出，從監(jiān)測曲線分析遇阻層吸水。于是，現(xiàn)場施工人員及時與地質(zhì)人員，改用超聲波流量計測井，如圖5，根據(jù)超聲波流量曲線計算的遇阻層吸水量占全井注水量的95.49%，充分發(fā)揮了超聲波流量計的優(yōu)勢，為采油廠提供了可靠的測井資料。
　　
　　圖5L90-**井超聲波流量計注水剖面成果圖
　　
　　4）檢查配水器的實(shí)際配注情況
　　
　　在分層配注井中，對不同的層系設(shè)計了不同大小的配水器水嘴希望按計劃注水，如果想檢查各配水器的實(shí)際注水情況，可進(jìn)行超聲波流量計測井。L1-*井是一口注水井，注水層位Es32+3，注水井段2516.0m~2646.8m，目前注水方式為兩級三段分注，有三個配水器和兩個封隔器，井口注水量為106m3/d左右，設(shè)計配水器1為死嘴，配水器2未投水嘴，配水器3投60m3/d的水嘴。2010年4月11日進(jìn)行超聲波流量計測井，配水器1不吸水，配水器2進(jìn)水量為58.27m3/d，配水器3進(jìn)水量為48.00m3/d，測試結(jié)果與實(shí)際配注情況基本吻合。
　　
　　4結(jié)束語
　　
　　超聲波流量計在注水剖面測井中，能識別大孔道及微裂縫地層、揭示層間矛盾、檢查井下注水管柱工作情況、判斷淺部套管漏失、提高自然伽馬本底高的井測井成功率及遇阻井注水剖面解釋精度等，解決了普通的同位素注水剖面測井技術(shù)存在的諸多難題。