生产测井-油藏动态监测技术

1油藏动态监测技术执笔：吴锡令目录1概述2流动剖面测井方法2.1流量测井2.2温度测井2.3压力测井2.4密度测井2.5持率测井2.6流动成像测井3生产动态测井分析3.1测井系列选择3.2流动剖面测井定性分析3.3流动剖面测井定量解释4剩余油监测4.1生产监测4.2注入监测5井间示踪监测5.1井间示踪监测原理5.2井间示踪监测技术5.3示踪资料分析应用21概述生产测井是监测油气田开发动态的主要技术手段。根据测井目的和测量对象的不同，生产测井可以划分为三大测井系列：其一为流动剖面测井系列，测量的主要对象是井内流体，目的在于划分井筒注入剖面和产出剖面，评价地层的吸入或产出特性，找出射开层的水淹段和水源，研究油井产状和油藏动态；其二为储层监视测井系列，测量的主要对象是油气产层，目的在于划分水淹层，监视水油和油气界面的移动，确定地层压力和温度，评价地层含油或含气饱和度的变化情况；其三为采油工程测井系列，测量的主要对象是井身结构，目的在于检查水泥胶结质量，监视套管技术状况，确定井下水动力的完整性，评价酸化、压裂、封堵等地层作业效果。在对油气田开发进行地球物理监测时，需要解决一系列互相关联的油矿地质问题。应用生产测井方法解决这些问题的可能性，与整个油藏开采的地质和工艺条件，单井结构和条件，产层的开采特性，方法对有用信号的灵敏度以及使用仪器的探测深度和工艺特性有关，因此需要组合应用几种互相补充的测井方法。这些组合根据监测(或检测)任务的需要，按井的类型(开采井、注入井、检查井)，井的工作方式(自喷井、气举井、机械抽油井或笼统注入井、分层注入井)，地层状况(孔隙度、水淹类型、水淹程度)，井中流体特性(相态、流量、含水)划分。每一种生产测井组合都包括主要的和辅助的方法。属于主要方法的是那些经过广泛试验，并有系列井下仪器产品保证的方法。辅助方法包括那些在用主要方法确信不能完全解决问题或对研究问题有辅助作用的方法。我国油田目前采用的生产测井系列的典型组合情况见表1。每个油田在油田开发设计中，在典型组合和其它原则性文件的基础上，需要制定地球物理监测系统的具体要求，它一般包括以下问题：①地球物理监测的任务；②生产测井组合的主要方法和辅助方法；③在油田具体地质技术条件下解决这些任务的途径和措施；④为有效进行测井所必需的开3采装备结构的改变；⑤必需的地球物理监测工作量和周期性，按油藏面积和地层层系、开采目的层、井的类型的布局；⑥生产测井解释所需要的辅助信息；⑦资料加工方法和总结报告形式。表1油田开发监测的生产测井组合监测任务井的种类地层状况井中流体主要方法辅助方法划分注入剖面评价地层吸水特性笼统注水—自来水污水涡轮流量计电磁流量计核流量计井温计自然伽马仪接箍定位仪井径仪压力计分层注水—活化水伽马仪井温计氧活化水流测井划分产出剖面评价地层生产性质自喷井气举井—油水气井温计压力计流体密度计持水率计涡轮流量计核流量计自然伽马仪接箍定位仪井径仪机抽井—油气水测量项目同上采用小直径仪器过环空测量监测油水界面、气油界面位移划分水淹层评价地层含油性金属套管（未射孔）盐水水淹—中子寿命测井仪井温计自然伽马仪接箍定位仪岩石密度仪淡水水淹—次生伽马能谱仪井温计金属套管（已射孔）盐水或淡水水淹油气水脉冲中子测井仪井温计流量计流体密度计持水率计非金属套管（未射孔）盐水或淡水水淹—感应测井仪侧向测井仪补偿中子测井仪自然伽马仪确定管外窜流检测套管状况检查地层作业效果金属套管（已射孔）—油气水超声成像测井仪管柱分析仪噪声测井仪井径仪井温计伽马仪流量计自然伽马仪流体密度计评价水泥胶结质量金属套管（未射孔）——水泥胶结测井仪超声成像测井仪地层密度测井仪自然伽马仪中子伽马仪4生产测井不仅是检测了解井内问题的手段，更重要的是监测评价油气藏开发动态不可或缺的资料来源。因此，除了对于出现问题的井应该及时进行检测，对于采取地质工艺措施的井和改变功能的井，在采取措施或改变功能的前、后都要进行测量外，还应该根据监测油气藏开发动态的需要合理安排生产测井的测量周期。当研究吸水剖面时，应该间隔半年测量一次。研究产出剖面时，在各种类型的生产井中应该每年测量一次。监测流体界面和评价含油气饱和度时，在观察井中和标准井网内的井中最好每半年测量一次。在注水井中检查套管技术状况时，至少每年应该测量一次。只有按合理的周期进行生产测井，才能保证资料的连续性、系统性和完整性，对油气藏的开发动态进行有效监视。取全取准各项生产测井数据是正确进行解释评价的前提。测井之先必须根据油气田开发动态监测的需要，周密计划和安排测量项目，针对具体问题和条件，合理选择和组合有关的生产测井方法。目前实际测井作业中采用数控测量，测井仪器尺寸一般具有统一的规范，可以根据测井需要选择若干测量项目组合成一支仪器下井，测量信号可以多道控制和传输。需要注意的是，在选择生产测井组合以及按井的类型分配工作目的层时，除考虑测井方法的原理适用性外，还必须考虑测井仪器的测量适应性。2流动剖面测井方法油气田开发动态监测的重要途径是测量采油井和注水井内的流体流动剖面，测量目的是了解生产井段产出或吸入流体的性质和流量，对油井生产状况和油层生产性质作出评价。流动剖面测井属于流体动力学测量，测量参量包括速度、密度、持率、温度、压力等。因此，要想准确测量流动参数和正确分析流动剖面，一方面必须具备流体力学方面的基础知识，另一方面需要掌握测井原理及分析方法。52.1流量测井流量是表征油井动态变化和评价油层生产特性的一个重要参数。生产测井的流量测量对象是井内流动的流体。单位时间内流过某一流道截面的流体体积，取决于流体流动的速度。流量测井实际上是测取同流体速度相关的信息，然后求出平均流速，再与截面积相乘求出体积流量。流量测井目前应用最广泛的是涡轮流量计测井和核流量计测井，其次是放射性示踪测井和氧活化水流测井，电磁流量计、热导流量计只在一些特定情况下使用。流量测井的特点通过测量与流动速度有关的物理量，间接求出井内流体的流量或相对流量。因此，要精确地测量流量，就必须明确测井信息与流量之间的理论或实验关系，正确地采集和分析测井信息。2.1.1涡轮流量计测井涡轮型流量计的传感器由装在低摩阻枢轴扶持的轴上的叶片组成。轴上装有磁键或不透光键，使转速能被检流线圈或光电管测出来。当流体的流量超过某一数值后，涡轮的转速同流速成线性关系。记录涡轮的转速,便可推算流体的流量。井下涡轮流量计多种多样，大致可以分为敞流式和导流式两种类型。敞流式流量计主要有连续流量计和全井眼流量计两种，其特点是可以稳定速度移动仪器，连续地沿井身进行测量流动剖面，可以在较宽的流量范围内使用。连续流量计(图1)的叶片直径较小，仅测量流道中心部分流体，低压、低动量气体倾向于绕过涡轮，而不使涡轮转动。为了改进横剖面测量，全井眼流量计（图2）采用折叠式叶片，下井通过油管时合拢，测量时可以张开，反映流道截面上约80%的流体的流动，从而改善了测量性能。导流式流量计主要有封隔式流量计、伞式流量计两种，其特点是在探测深度先封隔原有流道，把井内流体导入仪器内腔后集流测量，主要用于测量低流量的油气井。早先的导流式流量计采用皮囊封隔器（图3），封隔6器易损坏，操作不方便。伞式流量计(图4)采用金属片和尼龙布构成伞式封隔器，提高了使用寿命和测井成功率，但由于金属片不能和井下管壁完全密封，仍有少量流体由间隙流过，所求流量值误差较大。后来在金属伞的外面又加一个胀式密封圈（又称之为胀式流量计），克服了封隔器的易损和密封问题，能用于气流或液流，对于多油气层的井测试特别有用。图1连续流量计图2全井眼流量计图3封隔式流量计图4伞式流量计72.1.1.1涡轮流量计工作原理不同类型的涡轮流量计，涡轮变送器的结构可能不同。比如全井眼流量计的涡轮由四个可折叠的叶片构成，而连续流量计的结构则如图5所示，叶片数目一般2～8个，叶片倾角30°或45°。例如图1所示的高灵敏度连续流量计，只有两个“S”形叶片，高度10约cm，叶片上各点的间距角度不同，按流动实验确定的理想数值变化。图4-5涡轮结构示意图虽然涡轮变送器的结构各一，但涡轮流量计的工作原理相同，都是把经过管子截面的流体线性运动变成涡轮的旋转运动。当流体轴向流经变送器时，流体流动的能量作用在叶轮的螺旋形叶片上，驱使叶轮旋转。假定流体是不可压缩的和涡轮材料是均匀的，根据动量矩守恒和转动定律，涡轮的动态方程式为1noiidJMMdt（1）式中J——涡轮的转动惯量；ω——涡轮转动的角速度；M0——流体作用于涡轮的力矩；∑Mi——作用于涡轮上的阻力矩代数和。当涡轮转速稳定时，假定涡轮轴承只有机械摩擦，流体粘滞摩擦只作用于叶片表面，则有稳态方程3112iffrfMvtgrrv（2）式中，r—叶轮的平均半径；α—叶片倾角；δr—叶片的厚度；ρf—流体8体积密度；vf—流体沿叶轮旋转轴方向的流速。于是，涡轮流量计的频率响应可简写为()thNKvv（3）式中N——涡轮的每秒转数(以下用RPS表示)；v——流体与仪器的相对速度；K——仪器常数，与涡轮的材料和结构有关，并受流体性质影响；vth——涡轮的转动阈值(始动速度值)，与流体性质和涡轮摩阻有关。式(3)称为涡轮流量计的理论方程。当仪器在井内以恒速vt测量时，流体与仪器的相对速度v是vt和流速vf的合速度,其值取二者之代数和。为考察流体性质变化对仪器常数和涡轮转动阈值的影响，可将(2)式改写为24ffvtgCNr（4）式中，Cf是阻止涡轮转动的阻力系数。当叶片的雷诺数NRe5×105时，Cf与NRe二次方根的倒数成正比121effffRCvLN（5）式中，μf为流体粘度，mPa·s；L为叶片的轴向长度，cm。由式(4)和(5)可见，当流体粘度增大时，涡轮转数变小；而当流体密度变大时，涡轮转数会随之增大。在流体速度较小时，涡轮的频率响应非线性，且受流体性质变化影响较大；当流体速度较高时，(4)式中右边第二项变小，涡轮响应近似线性，仪器常数K基本上不受流体粘度变化影响。涡轮起动时，要克服较大的机械静摩擦力，因此需要较大的始动速度。涡轮以一定速度转动起来之后,需要克服机械动摩擦力和流体流动阻力，转动阈值vth与ρf-1/2成反比，流体密度越大，vth越小。这种情况对于密度变化小的液体来说，影响不大，vth可视为常数。但气体密度随温度和压力变化很大，必须注意ρf对vth的影响。涡轮流量计的响应受机械摩阻和流体摩阻影响的情况如图6所示。9实验和实际应用也表明，当仪器与流体的相对速度v较高时，涡轮响应与v有良好的线性关系，式(3)成立。当v较低时,涡轮响应非线性,尤其是在气液流动情况下另外，由于涡轮结构不可能完全对称，因此涡轮正转和反转的响应特性有所差异，仪器常数K和转动阈值vth会有所不同。图7为实验建立的连续流量计校正图版，由图可见，仪器在水和气中的响应特性差异很大。图6机械摩阻和流体摩阻影响图7连续流量计校正图版综上所述，涡轮流量计在满足应用条件的前提下(亦即式3成立时)，可以准确测出流体流量。下面从应用角度，分别讨论敞流式和导流式涡轮流量计测井。2.1.1.2敞流式涡轮流量计测井连续流量计和全井眼流量计均不带导流机械装置，测量在井筒内原有流动状态下进行，既可以移动仪器连续测量，也可以固定仪器进行点测。不同类型的仪器除响应特性有一定差异外，测量方法和解释技术基本相同。测量注入剖面或产出剖面，要求在稳定注入或生产条件下进行。通过观察井口压力和流量有无变化，便可推知井内流动是否稳定。测量时，仪器从油管或油—套环空下入射孔井段，扶正器使仪器居中，以合适的恒定速度上提或下放仪器进行测量，按井深连续记录涡轮的每秒转数以及电缆10移动速度。为了选择合适的测量速度和检验井下刻度，仪器往往需要停在产出或吸入流体的层段上部进行点测，记录测量深度和涡轮转速。实际测量时，涡轮流量计常和温度计、压力计等组合下井，同时测量多种参数。特别是深度控制测井项目磁定位器和自然伽马仪,作为测井资料与井下管柱以及裸眼井资料深度对比的依据，每次测量