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      溫度和礦化度對(duì)電磁波持水率計(jì)響應(yīng)的影響與校正

      2021-04-22 12:56:34謝韋峰劉向君王中濤楊國(guó)鋒
      工程地球物理學(xué)報(bào) 2021年2期
      關(guān)鍵詞:水率礦化度響應(yīng)值

      謝韋峰,陳 猛,劉向君,王中濤,楊國(guó)鋒

      (1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 生產(chǎn)測(cè)井中心,陜西 西安 710077)

      1 引 言

      隨著我國(guó)陸上油田陸續(xù)進(jìn)入開發(fā)中后期階段,大多數(shù)油井表現(xiàn)為高含水、低產(chǎn)液生產(chǎn)特征[1],準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和確定油井持水率是評(píng)價(jià)單井各產(chǎn)層油水生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、確定出水層位的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

      持水率定義為流管界面水相流體所占的面積與整個(gè)流管截面積的比值。目前,較為普遍的持水率監(jiān)測(cè)方法包括電容法[2,3]、電導(dǎo)法[4-6]、密度法[7]、聲波法[8]和電磁波法[9]等。由于油水間密度差異較小,因此采用流體密度計(jì)算各相持率存在明顯誤差。由于密度檢測(cè)存在放射性,該方法在礦場(chǎng)油井中的應(yīng)用越來越少。聲波法所使用的超聲換能器體積過大,受工藝限制,難以在套管中使用[8,10]。電導(dǎo)持水率計(jì)是利用油水電導(dǎo)率的差別來進(jìn)行流體識(shí)別,可細(xì)分為電阻法和感應(yīng)法[11]。主流的電阻法利用油水電阻率間的較大差異,根據(jù)測(cè)量油水混合流體電阻率來計(jì)算各相持水率[12,13],高含水條件混合流體的導(dǎo)電性能以水相占主導(dǎo)位置,因此對(duì)混合流體中的油相感應(yīng)并不靈敏。電容持水率利用油氣水介電特性的差異進(jìn)行持水率的測(cè)量,基于電容與油水等效介電常數(shù)間的正比關(guān)系,只有低含水條件下,儀器才具有較高的分辨率,而在高含水率條件下則失去了對(duì)應(yīng)分辨能力[14,15]。另一方面,地層水的礦化度也將對(duì)電容法測(cè)量造成影響,在高礦化度條件下,地層水的等效電阻減小導(dǎo)致傳導(dǎo)電流增大,進(jìn)而致使電容法監(jiān)測(cè)失效,一般認(rèn)為電容法適用于持水率小于50 %的油井[16,17]。相比較而言,電磁波持水率計(jì)利用電磁波在流體介質(zhì)中的傳播特性來確定油井的持水率的,可以較好地應(yīng)用于高含水油井持水率監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)[18-20]。一般井況條件下,電磁波持水率監(jiān)測(cè)可以不用假定先決條件,在監(jiān)測(cè)電磁波相位偏移的同時(shí)測(cè)量油水混合物的介電特性和導(dǎo)電特性[21,22],理論上具有更高的分辨率[11]。但實(shí)際應(yīng)用表明,電磁波持水率計(jì)在克服高含水影響的同時(shí),受地層水溫度、礦化度的影響逐漸凸顯。1993年,郭海敏等[18]研究提出通過提高電磁波頻率來減小礦化度對(duì)持水率計(jì)造成的影響,但1999年黃正華[23]發(fā)現(xiàn)TEM波頻率存在一個(gè)上限值,不可能無限制提高,所以礦化度的影響依舊沒有消除。2015年,魏勇等[24]在礦化度對(duì)電磁波相移法測(cè)原油持水率的影響中提出采用覆蓋絕緣層來降低礦化度的影響。總結(jié)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的電磁波持水率儀器雖然在復(fù)雜環(huán)境中監(jiān)測(cè)水平有一定改善,但在環(huán)境溫度和礦化度變化下響應(yīng)研究并不充分,對(duì)應(yīng)的影響因素校正方法并不完善。

      本文基于電磁波持水率測(cè)井原理剖析,設(shè)計(jì)完成了8組不同礦化度(0~200 000 ppm),10組不同溫度(35~80 ℃)和4組不同含水率(20 %~100 %)條件電磁波持水率響應(yīng)實(shí)驗(yàn),基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了不同條件組合變化下電磁波持水率探頭響應(yīng)特征,針對(duì)性地提出了溫度、礦化度影響校正方法,并將其與標(biāo)準(zhǔn)狀況下監(jiān)測(cè)響應(yīng)值進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,本文提出的溫度、礦化度環(huán)境影響校正方法能將誤差降低至10 %以下范圍,滿足礦場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用需求。

      2 電磁波持水率計(jì)監(jiān)測(cè)原理

      電磁波持水率探測(cè)器由同軸傳輸線結(jié)構(gòu)構(gòu)成,如圖1所示。原油和水的介電常數(shù)相差很大,不同持水率將會(huì)導(dǎo)致油水混合介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率出現(xiàn)差異。所以,當(dāng)內(nèi)外導(dǎo)體間通過油水混合介質(zhì)時(shí),其介電常數(shù)不同會(huì)影響同軸傳輸線電磁波的相移特性。由此,通過測(cè)量電磁波在同軸傳輸線內(nèi)的相移特征,可以實(shí)現(xiàn)油井中原油持水率的測(cè)量。

      圖1 同軸傳輸線結(jié)構(gòu)[24]Fig.1 Structure of coaxial transmission line

      在圖1中,傳輸線的長(zhǎng)度為l(mm),內(nèi)導(dǎo)體外半徑為a(mm),外導(dǎo)體內(nèi)半徑為b(mm)。傳輸線的相關(guān)參量如下:分布電阻Ro(Ω/m)、分布電感Lo(H/m)、分布電導(dǎo)Go(S/m)、分布電容Co(F/m)。根據(jù)微波傳播理論,在傳送TEM波(橫電磁波)的條件下,傳輸線的傳播常數(shù)表示為:

      (1)

      式中α為電磁波衰減系數(shù),無量綱;β為電磁波相移系數(shù),無量綱。

      對(duì)于材料為金屬的傳輸線,其相移系數(shù)β可表示如下[24]:

      (2)

      式中,f為電磁波頻率,Hz;μo為真空磁導(dǎo)率,H/m;ε0為真空絕對(duì)介電常數(shù),F(xiàn)/m;σm為被測(cè)油水混合介質(zhì)的電導(dǎo)率,S/m;εm為被測(cè)油水混合介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),F(xiàn)/m。

      油水混合物的等效介電常數(shù)εm與持水率的關(guān)系[9]:

      (3)

      持水率的表達(dá)式:

      (4)

      式中,α為油水狀態(tài)分布系數(shù),無量綱,取值范圍[-1,+1];εo為原油相對(duì)介電常數(shù),單位為F/m;εw為地層水的相對(duì)介電常數(shù),單位為F/m;εm為被測(cè)油水混合介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),單位為F/m。式(2)中可看出β是關(guān)于電導(dǎo)率σm的函數(shù),電導(dǎo)率會(huì)受到溫度、礦化度的影響而發(fā)生變化,從而導(dǎo)致β產(chǎn)生誤差,進(jìn)一步影響了持水率測(cè)量的準(zhǔn)確性[24-26]。

      不同溫度時(shí),水的介電常數(shù)是不同的,地面溫度20 ℃時(shí),井下水溫可能處于30~130 ℃的變化范圍,由表1可看出,不同溫度對(duì)水的介電常數(shù)影響較大,從而影響到油水混合物的平均介電常數(shù),進(jìn)而影響其電導(dǎo)率,所以必須把溫度的影響考慮在內(nèi)[27]。

      表1 不同溫度時(shí)水的介電常數(shù)

      3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

      圖2 流體探測(cè)器測(cè)量環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Measuring environmental impact by fluid detector

      本實(shí)驗(yàn)所使用的流體探測(cè)器測(cè)量環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)涉及不同溫度不同礦化度和含水率三個(gè)變量條件下的影響規(guī)律時(shí),實(shí)驗(yàn)中的準(zhǔn)確度需要嚴(yán)格控制單一變量,防止其他因素的干擾。實(shí)際油田地層水中主要含有NaCl、KCl、NaSO4等電解質(zhì),且NaCl占主要部分[28]。為保證模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際油田測(cè)井情況的一致性,實(shí)驗(yàn)中通過添加NaCl來改變?nèi)芤旱V化度,模擬地層水礦化度。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果通過儀器的響應(yīng)值來反應(yīng),也就是電磁波的相位差,由于礦化度變化導(dǎo)致儀器發(fā)射的與接收的相位存在差值而產(chǎn)生的。

      具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下:

      1)全含水條件變溫度、變礦化度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中流量恒定為1 m3/h,依次增加溫度至35、40、45、50、55、60、65、70、75、80 ℃,記錄對(duì)應(yīng)溫度穩(wěn)定條件持水率探頭響應(yīng)值;待同一礦化度條件變溫測(cè)試完成后,往溶液中加入NaCl晶體配置2 000 ppm的NaCl溶液,調(diào)整溫度,記錄響應(yīng)數(shù)值。進(jìn)一步往實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中增加NaCl量,配置礦化度分別為5 000、10 000、20 000、50 000、100 000、200 000 ppm,重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟依次調(diào)整溫度,直至完成該含水條件所有實(shí)驗(yàn)為止。

      2)不同含水率條件變溫度、變礦化度實(shí)驗(yàn)。分別配置3種不同含水率(20 %、50 %、80 %)條件混合溶液,流量恒定為1 m3/h。分別調(diào)整混合溶液的溫度和礦化度,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

      3)分別對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到對(duì)應(yīng)條件電磁波持水率探頭響應(yīng)值。

      4 數(shù)據(jù)分析

      基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到含水率分別為20 %、50 %、80 %、100 %條件電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨溫度和礦化度變化關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

      1)20 %含水條件下,電磁波持水率探頭響應(yīng)整體隨溫度增加而增大,礦化度增加溫度影響有減弱趨勢(shì),趨勢(shì)線逐漸趨于平緩;不同溫度條件下,20 %含水條件電磁波持水率探頭響應(yīng)受礦化度影響明顯,低礦化度條件(<50 000 ppm)影響最為突出。在低礦化度(<50 000 ppm)條件下,電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨礦化度增加急劇增大;當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí),進(jìn)一步增加礦化度,電磁波響應(yīng)值趨于穩(wěn)定,礦化度影響相對(duì)減弱。

      2)50 %含水條件下,電磁波持水率探頭響應(yīng)整體受溫度影響并不明顯,中高礦化度條件,隨著溫度的升高,持水率響應(yīng)值有一定降低的趨勢(shì);不同溫度條件下,50 %含水條件電磁波持水率探頭響應(yīng)受礦化度影響明顯,低礦化度條件(<50 000 ppm)影響突出。在低礦化度(<50 000 ppm)條件下,電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨礦化度增加急劇增大;當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí),礦化度影響相對(duì)減弱,響應(yīng)值整體隨礦化度增加有一定升高趨勢(shì)。

      3)80 %含水條件下,電磁波持水率探頭響應(yīng)整體受溫度影響并不明顯,溫度增加,不同礦化度條件電磁波持水率響應(yīng)值有一定波動(dòng),整體變化不明顯;不同溫度條件下,80 %含水條件電磁波持水率探頭響應(yīng)值受礦化度影響明顯,低礦化度條件(<50 000 ppm)影響突出。在低礦化度(<50 000 ppm)條件下,電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨礦化度增加急劇增大;當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí),礦化度影響相對(duì)減弱,響應(yīng)值整體隨礦化度增加上升幅度較小,趨于恒定。

      4)100 %含水條件下,電磁波持水率探頭響應(yīng)整體受溫度影響并不明顯,溫度增加,不同礦化度條件電磁波持水率響應(yīng)值有一定波動(dòng),整體變化不明顯;不同溫度條件下,100 %含水條件電磁波持水率探頭響應(yīng)受礦化度影響明顯,低礦化度條件(<50 000 ppm)影響突出。在低礦化度(<50 000 ppm)條件下,電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨礦化度增加急劇增大;當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí),礦化度影響相對(duì)減弱,響應(yīng)值整體隨礦化度增加有一定增加趨勢(shì)。

      5)實(shí)驗(yàn)中油水兩相流為乳狀流狀態(tài),此時(shí)實(shí)驗(yàn)流管內(nèi)含水率即等于持水率。綜合分析不同含水率條件探頭響應(yīng)變化(圖4)發(fā)現(xiàn),不同礦化度、不同溫度條件下電磁波持水率探頭響應(yīng)值隨持水率的增加呈單調(diào)遞增趨勢(shì),探頭響應(yīng)值與持水率存在很好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,該結(jié)果表明采用電磁波持水率探頭可以準(zhǔn)確表征不同溫度和不同礦化度條件油水兩相流持水率特征。鑒于高低礦化度條件同一持水率探頭響應(yīng)存在一定差異,因此實(shí)際應(yīng)用中有必要對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行校正至標(biāo)準(zhǔn)狀況條件,進(jìn)而更加準(zhǔn)確地反映井筒多相流體含水特征。

      圖3 在不同含水率條件下持水率與溫度、礦化度的關(guān)系Fig.3 The relationship between water holdup and temperature and salinity in different water content conditions

      圖4 在不同溫度條件下響應(yīng)值與持水率、礦化度的關(guān)系Fig.4 The relationship between measurement results and water holdup and salinity in different temperature conditions

      5 校正方法及驗(yàn)證

      5.1 校正方法

      基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到的中高低含水條件下溫度、礦化度與電磁波持水率探頭響應(yīng)關(guān)系(如圖5),在低礦化度時(shí),隨礦化度的增加響應(yīng)值受礦化度的影響明顯,溫度影響整體較小,在80 %含水時(shí),溫度的影響明顯大于其他含水率。對(duì)于以上影響情況,研究采用多元線性插值的環(huán)境影響因素校正方法。

      圖5中點(diǎn)P為實(shí)際測(cè)試環(huán)境(溫度為Tp,礦化度為Ccp)微波持水率探頭響應(yīng)值,假定P點(diǎn)落于任意兩個(gè)含水率A(含水率為W1)、B(含水率為W2)之間,則采用線性內(nèi)插的方法進(jìn)行校正。具體步驟為:先根據(jù)測(cè)試溫度Tp,礦化度Ccp求取在含水率為W1、W2時(shí)對(duì)應(yīng)理論響應(yīng)值CPSW1(Tp,Ccp),CPSW2(Tp,Ccp),再分別選取含水率為W1、W2時(shí),校正溫度25 ℃和校正礦化度0 ppm時(shí)微波持水率探頭響應(yīng)值作為參考校正值,則將實(shí)際響應(yīng)值CPSm(Tp,Ccp)校正至標(biāo)準(zhǔn)條件下響應(yīng)值CPSc(T0,Cc0),則有:

      (3)

      則校正值CPSc(T0,Cc0)可表示為,

      (4)

      (5)

      式中:Tp為實(shí)測(cè)環(huán)境溫度,單位為℃;T0為溫度25 ℃;Ccp為實(shí)測(cè)礦化度,單位為ppm;Cc0為礦化度0 ppm;Wi為i點(diǎn)含水率,單位為%;CPSWi為含水率為Wi時(shí)的理論響應(yīng)值,單位為°;CPSm為實(shí)際響應(yīng)值,單位為°;CPSc為標(biāo)準(zhǔn)條件下響應(yīng)值,單位為°。

      同理,當(dāng)實(shí)測(cè)響應(yīng)值落于理論響應(yīng)面之外時(shí),則采用線性外插法進(jìn)行校正,以圖5為例,當(dāng)P落于最上部(A點(diǎn)以上)時(shí),則選擇80 %和100 %響應(yīng)關(guān)系作為參考運(yùn)用式(4)和式(5)進(jìn)行校正,其中含水率W1與W2分別取做80 %和100 %;當(dāng)落于底部時(shí),則選擇20 %和50 %含水作為參考進(jìn)行校正,同樣將式中的含水率W1與W2取做20 %和50 %即可。

      5.2 校正誤差

      為進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)研究提出的校正方法的準(zhǔn)確性,此處選用實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行校正分析,圖6為80 %含水條件,礦化度分別為0 ppm、2 000 ppm、5 000 ppm、10 000 ppm、20 000 ppm、50 000 ppm、100 000 ppm、200 000 ppm條件下校正誤差分析圖。從圖6中可以看出,采用實(shí)驗(yàn)研究提出的校正方法對(duì)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行校正可取得較為理想的效果,校正值與標(biāo)準(zhǔn)狀況數(shù)值在低礦化度條件下的校正誤差(除20 000 ppm,80 ℃時(shí))均小于16.96 %,絕大部分校正誤差小于10 %,校正值與標(biāo)況值匹配性較好。

      圖6 80 % 含水不同礦化度下的校正誤差Fig.6 Correction the influence of different salinity in 80% water content

      6 結(jié) 論

      1)實(shí)驗(yàn)研究表明,在35~80 ℃范圍,溫度對(duì)電磁波持水量響應(yīng)影響并不明顯,礦化度對(duì)電磁波持水量響應(yīng)影響較為顯著,以礦化度小于50 000 ppm最為明顯。隨著礦化度增加,電磁波持水率響應(yīng)值明顯增加,當(dāng)?shù)V化度大于50 000 ppm時(shí),礦化度增加響應(yīng)值增加幅度較小,響應(yīng)值趨于恒定。

      2)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,提出了溫度、礦化度影響線性插值校正方法,并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證校正誤差主要分布0 %~10 %范圍,校正值與標(biāo)況值匹配性較好,表明了研究提出的方法適用于電磁波持水率溫度、礦化度影響校正。

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