一种基于双环电导探针阵列的水平井持水率测量方法.pdf

一种基于双环电导探针阵列的水平井持水率测量方法属于多相流检测技术领域。首先，建立从水平井油界面高度到水平井持水率的数学关系；然后，根据探针阵列不同的放置角度和探针分布情况，建立浸没在水中的探针个数与水平井持水率的对应关系；其次，对电导探针阵列响应异常的情况进行修正，得到相对准确的浸没在水中的探针个数，并获得相应的持水率。实验结果表明本发明方法是可行和有效的，不仅能提高水平井持水率的测量精度，而且具有较好的鲁棒性，适用于实际工程应用。

1.一种基于双环电导探针阵列的水平井持水率测量方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，建立从水平井油水界面高度到持水率的数学关系，即
α = 2 a r c c o s ( 1 - h R ) - s i n ( 2 a r c c o s ( 1 - h R ) ) 2 π · 100 % - - - [ 1 ] ]]>
式中，式[1]中，α表示水平井油水两相流的持水率，h表示油水界面高度(15)，R表示水平井内
径半径(13)；
第二步，建立从电导探针浸没水中的个数到水平井持水率的对应关系；
双环电导探针阵列测井仪内外环各有12支探针，按着等角度和等间距均匀分布在半径为r₁(31)
和r₂(32)的内外圆环上，内外环电导探针按顺时针顺序排列，编号顺序分别是#13-#24和#1-#12
(33)，水平管道半径为R(15)；假设水平井油水界面相对稳定，根据测井仪的探针阵列的放置角度不
同，分别讨论：
(a)恰有1支探针位于探针阵列圆环的最低位位置；油水界面高度、持水率以及最大的理论测量误
差分别用d(34)、α和e表示，修正后的持水率和最大误差分别用α和表示，随油水界面高
度上升，
(i)当0≤d＜R-r₂时，浸没水中探针个数为0，持水率值为α₁＝0；
(ii)当d＝R-r₂时，浸没水中探针个数恰为1，且该探针处在油水分界面上，利用式[3]计算得
出持水率为α₂；
结合(i)和(ii)，当浸没水中探针个数为0时，即0≤d＜R-r₂，将持水率值从α₁＝0修正为
则对应的最大理论误差从e₁＝α₁减小为
(iii)当d＝R-r₁·cosθ时，浸没水中探针个数恰为3，其中恰有2支探针位于油水分界面上，利
用式[3]计算得到持水率为α₃；
结合(ii)和(iii)，当浸没水中探针个数为1时，即R-r₂≤d＜R-r₁·cosθ时，将持水率从α₂修
正为则对应的最大理论误差从e₂＝α₃-α₂减少为
(iv)由(i)、(ii)和(iii)推出，随油水界面高度上升，即d从0到2R逐渐增大，依次出现恰有
0支、1支、3支、4支、6支、8支、10支、14支、16支、18支、20支、21支、23支、24支电导探针
浸没在水中以及管道全部充满水的15种情况，得到油水界面高度向量为{d_t|t＝1,2,...,15}，其中，t
表示油水界面高度值的序号，利用式[1]计算得到对应的水平井持水率向量为{α_i|i＝1,2,...,15}，其中，
i表示持水率值的序号；将前14种情况下的持水率进行修正，得到持水率修正值向量为
{α_i|i＝1,2,...,14}，其中，修正后的最大理论误差向量为{e_i|i＝1,2,...,14}，其中
e i = α i + 1 - α i 2 ; ]]>
(b)两支电导探针的中心位于最低位置；油水界面高度、持水率以及最大的理论测量误差分别用λ
(35)、β和ζ表示，修正后的持水率和最大误差分别用β和ξ表示；随油水界面高度的上升，
即λ从0到2R逐渐增大，依次出现恰有0支、2支、4支、6支、8支、10支、12支、14支、16支、
18支、20支、22支、24支电导探针浸没在水中以及管道全部充满水的14种情况，得到油水界面高度向
量为{λ_s|s＝1,2,...,14}其中，s表示油水界面高度值的序号，利用式[1]计算得到对应的水平井持水
率向量为{β_j|j＝1,2,...,14}，其中，j表示持水率值的序号；同理，将前13种情况下的持水率进行修
正，得到持水率修正值向量为{β_j|j＝1,2,...,13}，其中修正后的最大理论误差向量为
{ξ_j|j＝1,2,...,13}，其中，
(c)当浸没水中的探针个数在(a)和(b)两种情况中均出现时，使用该个数在两种情况下对应持水
率值的平均值作为该个数的持水率值；然后，对于在(a)和(b)两种情况中均未出现的个数，其持水率
值用相邻数字对应持水率的平均值表示，从而建立完整的从浸没水中的探针个数到持水率的对应关系；
第三步，确定电导探针浸入在水中的个数，并获得相应持水率值；
根据24支电导探针的响应输出判断浸没在水中的电导探针个数，并基于以下两条准则对浸没水中的
探针个数进行修正：
准则一：若探针位于油水分界面上，则该探针的输出响应不稳定，判定该探针浸没在水中；
准则二：当确定#m号和#n号探针浸没在水中后，若某探针的编号位于按#m-#1-#n或#m-#13
-#n顺序排列的序列中，则判定该探针浸没在水中；
然后根据第二步建立的从浸没水中电导探针个数到持水率的对应关系，得到相应的水平井持水率。

一种基于双环电导探针阵列的水平井持水率测量方法

【技术领域】

本发明属于多相流检测技术领域，特别是针对中低产液水平井，提出的一种基于双环电导探针阵列的持水率测量方法，提高水平井中油水两相流的持水率测量精度和可靠性。

【背景技术】

在油气田开采生产中，生产测井的主要任务是对产出井的流动剖面进行动态监测，以了解产层出力状况和流体组分含量，为油田挖潜与细化管理提供依据。油水分相流量的测量对监测各产层产出、估计油产量、指导油井注采、提高采收率、节约能耗以及预测油井开发寿命等方面具有重要的作用。然而，油水分相流量直接测量难度较大，国内油田通常采用测量总流量和持水率的方法近似得到油水的分相流量。因此，持水率是产出剖面测井中一个非常重要的多相流参数。近年来随着石油生产开采的深入，国内大多数陆上注水油井已经入高含水阶段，现有的测井仪在分辨率与精度方面难以满足要求，高精度的水平井持水率测井仪的研制迫在眉睫。另外，由于水平管道中油水流型多变，且相间存在复杂的界面效应和滑脱现象。因此，水平井持水率的高精度测量仍是极具挑战性的工作。

研究学者对水平井持水率的高精度测量进行了大量的研究，相继提出了电容法、电导法、探针法、射线法、电学层析成像法以及软测量法等方法。其中，探针法是通过测量探针处流体导电性的电压响应值来确定该点的介质分布，进行持水率的测量，主要包括电导探针法、光纤探针法和电容探针法。电导探针因其廉价性和可靠性，被广泛应用到油田生产测井中。针对大斜度井及水平井，BritishPetroleum公司和Schlumberger公司联合进行产出液持率测量仪器的研发，先后研制了四探针的DEFT，及其升级产品八探针的FLOViewPlus。测量原理都是利用油水导电性的差异，并根据探针浸没水中的时间与总测量时间之比来确定局部持水率(参考文献：HalfordFR,MackayS,BarnetS,etal.AProductionLoggingMeasurementofDistributedLocalPhaseHoldup[C].Stavanger,Norway:1996)。国家知识产权局授权的一项发明专利“一种基于电导探针阵列传感器的水平井多参数估计方法”(ZL201310193498.3)，该发明专利提出一种对电导探针阵列传感器的方位角、水平井的水相电导率和油水界面高度的估计方法，可用于低产液水平井产出剖面持水率的在线测量和动态监测，而且测量下限低、精度高、可靠性好。

在油水两相流水平管道中，利用探针阵列响应直接估计油水界面高度并到持水率的测量方法，难度较大，而且不能兼顾测量的实时性和精度。本发明专利针对中低产液水平井提出了一种利用双环电导探针阵列的持水率测量方法，结合24支探针的响应情况和探针位置分布等信息，计算出水平井中油水两相流的持水率，并对其进行修正优化，得到更高精度的测量值。在不改变探针结构的基础上，该方法不仅能降低了持水率测量的误差，而且简单有效，可实施性强，可靠性好，并具有较高的测量精度。

【发明内容】

本发明的目的是针对中低产液水平井油水两相流提出一种基于双环电导探针阵列的持水率测量方法，不仅鲁棒性好，而且还能提高持水率的测量精度。结合双环电导探针阵列的输出响应和探针的位置分布情况，确定水平井中油水两相流的持水率。在不增加电导探针数量、改变测井仪探针结构的基础上提高水平井持水率测量精度和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于双环电导探针阵列的水平井持水率测量方法，采用以下技术方案：

一种基于双环电导探针阵列的水平井持水率测量方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，建立从油水界面高度到水平井持水率的数学关系。

在中低产液水平井中，油水两相流出现明显的分层流动现象，油相靠近管道上壁流动，水相在管道底部流动。水平井油水两相分层流的横截面示意图如图1所示，R表示水平井内径半径(13)，θ表示水相扇形面圆心角(14)，h代表油水界面高度(15)。水平井的持水率是任一时刻水相面积占管道横截面积的百分比，用α表示，即

α = θ - s i n θ 2 π - - - [ 1 ] ]]>

其中，

θ = 2 · a r c cos ( 1 - h R ) - - - [ 2 ] ]]>

则从油水界面高度到水平井持水率的计算式为

α = 2 a r c c o s ( 1 - h R ) - s i n ( 2 a r c c o s ( 1 - h R ) ) 2 π · 100 % - - - [ 3 ] ]]>

第二步，建立从电导探针浸没水中的个数到水平井持水率的对应关系。

双环电导探针阵列测井仪如图2所示，其探针阵列结构(21)如图3所示，内外环各有12支探针(23)，按着等角度和等间距均匀分布在半径为r₁(31)和r₂(32)的内外圆环上，内外环电导探针按顺时针顺序排列，编号顺序分别是#13-#24和#1-#12(33)，水平管道半径为R(13)。假设水平井油水界面相对稳定，根据测井仪的探针阵列的放置角度不同，分别讨论：

(a)恰有1支探针即#1号探针位于探针阵列圆环的最低位位置，如图3(a)所示。油水界面高度、持水率以及最大的理论误差分别用d(34)、α和e表示，修正后的持水率和最大误差分别用α和表示。随油水界面高度上升，

(i)当0≤d＜R-r₂时，浸没水中探针个数为0，持水率值为α₁＝0；

(ii)当d＝R-r₂时，浸没水中探针个数恰为1，且该探针处在油水分界面上，利用式[3]计算得出持水率为α₂；

结合(i)和(ii)，当浸没水中探针个数为0时，即0≤d＜R-r₂，将持水率值从α₁＝0修正为则对应的最大理论误差从e₁＝α₁减小为

(iii)当d＝R-r₁·cosθ时，浸没水中探针个数恰为3，其中恰有2支探针位于油水分界面上，利用式[3]计算得到持水率为α₃；

结合(ii)和(iii)，当浸没水中探针个数为1时，即R-r₂≤d＜R-r₁·cosθ时，将持水率从α₂修正为则对应的最大理论误差从e₂＝α₃-α₂减少为

(iv)由(i)、(ii)和(iii)推出，随油水界面高度上升，即d从0到2R逐渐增大，依次出现恰有0支、1支、3支、4支、6支、8支、10支、14支、16支、18支、20支、21支、23支、24支电导探针浸没在水中以及管道全部充满水的15种情况，得到油水界面高度向量为{d_t|t＝1,2,...,15}，其中，t表示油水界面高度值的序号。根据式[3]计算得到对应的水平井持水率向量为{α_i|i＝1,2,...,15}，其中，i表示持水率值的序号。将前14种情况下的持水率进行修正，得到持水率修正值向量为{α_i|i＝1,2,...,14}，其中，修正后的最大理论误差向量为{e_i|i＝1,2,...,14}，其中 e i = α i + 1 - α i 2 . ]]>

(b)编号为#1和#12两支电导探针的中心位于最低位置，如图3(b)所示。油水界面高度、持水率以及最大的理论测量误差分别用λ(35)、β和ζ表示，修正后的持水率和最大误差分别用β和ξ表示。随油水界面高度的上升，即λ从0到2R逐渐增大，依次出现恰有0支、2支、4支、6支、8支、10支、12支、14支、16支、18支、20支、22支、24支电导探针浸没在水中以及管道全部充满水的14种情况，得到油水界面高度向量为{λ_s|s＝1,2,...,14}，其中，s表示油水界面高度值的序号。根据式[3]计算得到对应的水平井持水率向量为{β_j|j＝1,2,...,14}，其中，j表示持水率值的序号。同理，将前13种情况下的持水率进行修正，得到持水率修正值向量为{β_j|j＝1,2,...,13}，其中修正后的最大理论误差向量为{ξ_j|j＝1,2,...,13}，其中，

(c)当浸没水中的探针个数在(a)和(b)两种情况中均出现时，使用该个数在两种情况下对应持水率值的平均值作为该个数的持水率值。然后，对于在(a)和(b)两种情况中均未出现的个数，其持水率值用相邻数字对应持水率的平均值表示，从而建立完整的从浸没水中的探针个数到持水率的对应关系。

第三步，确定电导探针浸入在水中的个数，并获得相应持水率值；

根据24支电导探针的输出响应判断浸没在水中的电导探针个数，并基于以下两条准则对浸没水中的探针个数进行修正；

准则一：若探针位于油水分界面上，则该探针的输出响应不稳定，判定该探针浸没在水中；

准则二：当确定#m号和#n号探针浸没在水中后，若某探针的编号位于按#m-#1-#n或#m-#13-#n顺序排列的序列中，则判定该探针浸没在水中；

然后根据第二步建立的从浸没水中电导探针个数到持水率的对应关系，得到相应的水平井持水率。

本发明专利提出的一种基于双环电导探针阵列的水平井持水率测量方法进是可行和有效的，不仅鲁棒性好，而且提高持水率的测量精度。

【说明书附图】

图1是水平井油水两相分层流的横截面示意图，图中油(11)，水(12)，水平井内径半径(13)，水相扇形面圆心角(14)，油水界面高度(15)；

图2双环电导探针阵列测井仪结构图，图中电导探针阵列(21)，电导测量电路(22)，电导探针(23)；

图3是探针阵列放置位置示意图，图中探针阵列内环半径(31)，外环半径(32)，探针编号(33)，油水界面高度(34)、(35)；

【具体实施方式】

本实例提出的方法在大庆石油测试服务分公司测井试井检测实验中心的125mm内径水平模拟井中进行实验验证。实验用油为柴油，实验用水为自来水，油水两相流总流量的变化范围为10～200m³/d，含水率的变化范围为0～100％，电导探针阵列内外环半径分别为68mm和96mm。

在水平井中，双环电导探针阵列测井仪通过电导测量电路(22)记录24支电导探针的输出，得到油水两相流的时变电学特性，获取浸没水中的探针个数，得到水平井持水率。

一种基于双环电导探针阵列的水平井持水率测量方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，建立从油水界面高度到水平井持水率的数学关系。

α = 2 a r c c o s ( 1 - h R ) - s i n ( 2 a r c c o s ( 1 - h R ) ) 2 π · 100 % - - - [ 1 ] ]]>

式[1]中，α表示水平井持水率，R表示水平管道内径(13)，h表示油水界面高度(15)。

第二步，建立从电导探针浸没水中个数到水平井持水率的对应关系。

(a)若探针阵列在水平管道中的放置位置如图3(a)所示，油水界面高度、持水率以及最大的理论测量误差分别用d(34)、α和e表示，修正后的持水率和最大误差分别用α和表示。随油水界面高度上升，

(i)当0≤d＜R-r₂，即0≤d＜29mm时，浸没水中探针个数为0，测得的持水率值为0。

(ii)当d＝R-r₂，即d＝29mm，浸没水中探针个数恰为1，且该探针处在油水分界面上，利用式[1]计算得到持水率为α₁＝6.47％。

结合(i)和(ii)，当浸没水中探针个数为0时，即0≤d＜29mm，将持水率值从0修正为3.23％，则对应的最大理论误差从0.0647减小为0.0323。

(iii)当d＝R-r₁·cosθ，即d＝41.86mm时，浸没水中探针个数恰为3，其中恰有2支探针位于油水分界面上，利用式[1]计算得到持水率为11.03％。

结合(ii)和(iii)，当浸没水中探针个数为1时，即29mm≤d＜41.86mm时，将持水率从11.03％修正为8.75％，则对应的最大理论误差从0.0456减少为0.0228。

(iv)由(i)、(ii)和(iii)推出，随油水界面高度上升，即d从0到2R逐渐增大，依次出现恰有0支、1支、3支、4支、6支、8支、10支、14支、16支、18支、20支、21支、23支、24支电导探针浸没在水中以及管道全部充满水的15种情况，得到油水界面高度向量为{d_t|t＝1,2,...,15}，其中，t表示油水界面高度值的序号。利用式[1]计算得到对应的水平井持水率向量为{α_i|i＝1,2,...,15}，其中，i表示持水率值的序号。将前14种情况下的持水率进行修正，得到持水率修正值向量为{α_i|i＝1,2,...,14}，其中，修正后的最大理论误差向量为{e_i|i＝1,2,...,14}，其中 e i = α i + 1 - α i 2 ; ]]>

(b)若探针阵列在水平管道中的放置位置如图3(b)所示，油水界面高度、持水率以及最大的理论测量误差分别用λ(35)、β和ζ表示，修正后的持水率和最大误差分别用β和ξ表示。随油水界面高度的上升，即λ从0到2R逐渐增大，依次出现恰有0支、2支、4支、6支、8支、10支、12支、14支、16支、18支、20支、22支、24支电导探针浸没在水中以及管道全部充满水的14种情况，得到油水界面高度向量为{λ_s|s＝1,2,...,14}其中，s表示油水界面高度值的序号。利用式[1]计算得到水平井持水率向量为{β_j|j＝1,2,...,14}，其中，j表示持水率值的序号。同理，将前13种情况下的持水率进行修正，得到持水率修正值向量为{β_j|j＝1,2,...,13}，其中修正后的最大理论误差向量为{ξ_j|j＝1,2,...,13}，其中，

(c)当浸没水中的探针个数在(a)和(b)两种情况中均出现时，分别使用该个数在两种情况下对应持水率值的平均值作为该个数的持水率值。然后，对于在(a)和(b)两种情况中均未出现的个数，其持水率值用相邻数字对应持水率的平均值表示，从而建立完整的浸没水中探针个数到持水率的对应关系，如下表所示。

表1浸没水中探针个数与持水率的对应关系表

第三步，确定电导探针浸入在水中的个数，并获得相应持水率值。

根据24支电导探针的响应输出判断浸没在水中的电导探针个数，并基于以下两条准则对浸没水中的探针个数进行修正：

准则一：若探针位于油水分界面上，则该探针的输出响应不稳定，判定该探针浸没在水中；

准则二：当确定#m号和#n号探针浸没在水中后，若某探针的编号位于按#m-#1-#n或#m-#13-#n顺序排列的序列中，则判定该探针浸没在水中；

然后根据第二步建立的从浸没水中电导探针个数到持水率的对应关系，得到相应的水平井持水率。

为验证本发明提出的方法，在水平井油水两相流管道中，以10m³/d为步长，从0-200m³/d逐步调节油水两相流的总流量。在每一总流量设定值下，以10％为步长，从0-100％逐步调节油水两相流的含水率。在220种总流量设定值和含水率设定值的组合下，记录电导探针浸没水中的个数，并利用式[3]得到相应的持水率，该发明方法进行持水率测量的均方根误差为0.0658，平均引用误差为5.53％。

通过上述比较可以得出，本发明专利提出的一种双环电导探针阵列的水平井持水率的测量方法在实际工程应用中是可行和有效的，不仅可靠性好、鲁棒性强，而且能提高持水率的测量精度。

以上所述仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。