溫度和礦化度對電磁波持水率計響應的影響與校正

謝韋峰，陳 猛，劉向君，王中濤，楊國鋒

(1.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.中國石油集團測井有限公司 生產測井中心，陜西 西安 710077)

1 引 言

隨著我國陸上油田陸續進入開發中后期階段，大多數油井表現為高含水、低產液生產特征[1]，準確監測和確定油井持水率是評價單井各產層油水生產動態、確定出水層位的關鍵基礎。

持水率定義為流管界面水相流體所占的面積與整個流管截面積的比值。目前，較為普遍的持水率監測方法包括電容法[2,3]、電導法[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算各相持率存在明顯誤差。由于密度檢測存在放射性，該方法在礦場油井中的應用越來越少。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]。電導持水率計是利用油水電導率的差別來進行流體識別，可細分為電阻法和感應法[11]。主流的電阻法利用油水電阻率間的較大差異，根據測量油水混合流體電阻率來計算各相持水率[12,13]，高含水條件混合流體的導電性能以水相占主導位置，因此對混合流體中的油相感應并不靈敏。電容持水率利用油氣水介電特性的差異進行持水率的測量，基于電容與油水等效介電常數間的正比關系，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應分辨能力[14,15]。另一方面，地層水的礦化度也將對電容法測量造成影響，在高礦化度條件下，地層水的等效電阻減小導致傳導電流增大，進而致使電容法監測失效，一般認為電容法適用于持水率小于50 %的油井[16,17]。相比較而言，電磁波持水率計利用電磁波在流體介質中的傳播特性來確定油井的持水率的，可以較好地應用于高含水油井持水率監測評價[18-20]。一般井況條件下，電磁波持水率監測可以不用假定先決條件，在監測電磁波相位偏移的同時測量油水混合物的介電特性和導電特性[21,22]，理論上具有更高的分辨率[11]。但實際應用表明，電磁波持水率計在克服高含水影響的同時，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持水率計造成的影響，但1999年黃正華[23]發現TEM波頻率存在一個上限值，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]在礦化度對電磁波相移法測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?？偨Y發現，現有的電磁波持水率儀器雖然在復雜環境中監測水平有一定改善，但在環境溫度和礦化度變化下響應研究并不充分，對應的影響因素校正方法并不完善。

本文基于電磁波持水率測井原理剖析，設計完成了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實驗，基于實驗結果明確了不同條件組合變化下電磁波持水率探頭響應特征，針對性地提出了溫度、礦化度影響校正方法，并將其與標準狀況下監測響應值進行了對比。結果表明，本文提出的溫度、礦化度環境影響校正方法能將誤差降低至10 %以下范圍，滿足礦場實際應用需求。

2 電磁波持水率計監測原理

電磁波持水率探測器由同軸傳輸線結構構成，如圖1所示。原油和水的介電常數相差很大，不同持水率將會導致油水混合介質的介電常數和電導率出現差異。所以，當內外導體間通過油水混合介質時，其介電常數不同會影響同軸傳輸線電磁波的相移特性。由此，通過測量電磁波在同軸傳輸線內的相移特征，可以實現油井中原油持水率的測量。

圖1 同軸傳輸線結構[24]Fig.1 Structure of coaxial transmission line

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

(1)

式中α為電磁波衰減系數，無量綱；β為電磁波相移系數，無量綱。

對于材料為金屬的傳輸線，其相移系數β可表示如下[24]：

(2)

式中，f為電磁波頻率，Hz；μo為真空磁導率，H/m；ε0為真空絕對介電常數，F/m；σm為被測油水混合介質的電導率，S/m；εm為被測油水混合介質的相對介電常數，F/m。

油水混合物的等效介電常數εm與持水率的關系[9]：

(3)

持水率的表達式：

(4)

式中，α為油水狀態分布系數，無量綱，取值范圍[-1,+1]；εo為原油相對介電常數，單位為F/m；εw為地層水的相對介電常數，單位為F/m；εm為被測油水混合介質的相對介電常數，單位為F/m。式(2)中可看出β是關于電導率σm的函數，電導率會受到溫度、礦化度的影響而發生變化，從而導致β產生誤差，進一步影響了持水率測量的準確性[24-26]。

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

表1 不同溫度時水的介電常數

3 實驗設計

圖2 流體探測器測量環境影響實驗裝置Fig.2 Measuring environmental impact by fluid detector

本實驗所使用的流體探測器測量環境影響實驗裝置如圖2所示。實驗涉及不同溫度不同礦化度和含水率三個變量條件下的影響規律時，實驗中的準確度需要嚴格控制單一變量，防止其他因素的干擾。實際油田地層水中主要含有NaCl、KCl、NaSO4等電解質，且NaCl占主要部分[28]。為保證模擬實驗與實際油田測井情況的一致性，實驗中通過添加NaCl來改變溶液礦化度，模擬地層水礦化度。實驗的結果通過儀器的響應值來反應，也就是電磁波的相位差，由于礦化度變化導致儀器發射的與接收的相位存在差值而產生的。

具體實驗內容如下：

1)全含水條件變溫度、變礦化度實驗。實驗中流量恒定為1 m3/h，依次增加溫度至35、40、45、50、55、60、65、70、75、80 ℃，記錄對應溫度穩定條件持水率探頭響應值；待同一礦化度條件變溫測試完成后，往溶液中加入NaCl晶體配置2 000 ppm的NaCl溶液，調整溫度，記錄響應數值。進一步往實驗系統中增加NaCl量，配置礦化度分別為5 000、10 000、20 000、50 000、100 000、200 000 ppm，重復實驗步驟依次調整溫度，直至完成該含水條件所有實驗為止。

2)不同含水率條件變溫度、變礦化度實驗。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。分別調整混合溶液的溫度和礦化度，記錄實驗數據。

3)分別對實驗數據進行處理，得到對應條件電磁波持水率探頭響應值。

4 數據分析

基于實驗結果，得到含水率分別為20 %、50 %、80 %、100 %條件電磁波持水率探頭響應值隨溫度和礦化度變化關系，實驗結果如圖3所示。

1)20 %含水條件下，電磁波持水率探頭響應整體隨溫度增加而增大，礦化度增加溫度影響有減弱趨勢，趨勢線逐漸趨于平緩；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值隨礦化度增加急劇增大；當礦化度大于50 000 ppm時，進一步增加礦化度，電磁波響應值趨于穩定，礦化度影響相對減弱。

2)50 %含水條件下，電磁波持水率探頭響應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，持水率響應值有一定降低的趨勢；不同溫度條件下，50 %含水條件電磁波持水率探頭響應受礦化度影響明顯，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值隨礦化度增加急劇增大；當礦化度大于50 000 ppm時，礦化度影響相對減弱，響應值整體隨礦化度增加有一定升高趨勢。

3)80 %含水條件下，電磁波持水率探頭響應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值有一定波動，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值隨礦化度增加急劇增大；當礦化度大于50 000 ppm時，礦化度影響相對減弱，響應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值有一定波動，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值隨礦化度增加急劇增大；當礦化度大于50 000 ppm時，礦化度影響相對減弱，響應值整體隨礦化度增加有一定增加趨勢。

5)實驗中油水兩相流為乳狀流狀態，此時實驗流管內含水率即等于持水率。綜合分析不同含水率條件探頭響應變化(圖4)發現，不同礦化度、不同溫度條件下電磁波持水率探頭響應值隨持水率的增加呈單調遞增趨勢，探頭響應值與持水率存在很好的一一對應關系，該結果表明采用電磁波持水率探頭可以準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存在一定差異，因此實際應用中有必要對實測值進行校正至標準狀況條件，進而更加準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值與持水率、礦化度的關系Fig.4 The relationship between measurement results and water holdup and salinity in different temperature conditions

5 校正方法及驗證

5.1 校正方法

基于實驗結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關系(如圖5)，在低礦化度時，隨礦化度的增加響應值受礦化度的影響明顯，溫度影響整體較小，在80 %含水時，溫度的影響明顯大于其他含水率。對于以上影響情況，研究采用多元線性插值的環境影響因素校正方法。

圖5中點P為實際測試環境(溫度為Tp，礦化度為Ccp)微波持水率探頭響應值，假定P點落于任意兩個含水率A(含水率為W1)、B(含水率為W2)之間，則采用線性內插的方法進行校正。具體步驟為：先根據測試溫度Tp，礦化度Ccp求取在含水率為W1、W2時對應理論響應值CPSW1(Tp，Ccp)，CPSW2(Tp，Ccp)，再分別選取含水率為W1、W2時，校正溫度25 ℃和校正礦化度0 ppm時微波持水率探頭響應值作為參考校正值，則將實際響應值CPSm(Tp，Ccp)校正至標準條件下響應值CPSc(T0，Cc0)，則有：

(3)

則校正值CPSc(T0，Cc0)可表示為，

(4)

(5)

式中：Tp為實測環境溫度，單位為℃；T0為溫度25 ℃；Ccp為實測礦化度，單位為ppm；Cc0為礦化度0 ppm；Wi為i點含水率，單位為%；CPSWi為含水率為Wi時的理論響應值，單位為°；CPSm為實際響應值，單位為°；CPSc為標準條件下響應值，單位為°。

同理，當實測響應值落于理論響應面之外時，則采用線性外插法進行校正，以圖5為例，當P落于最上部(A點以上)時，則選擇80 %和100 %響應關系作為參考運用式(4)和式(5)進行校正，其中含水率W1與W2分別取做80 %和100 %；當落于底部時，則選擇20 %和50 %含水作為參考進行校正，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

為進一步分析實驗研究提出的校正方法的準確性，此處選用實驗值進行校正分析，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，采用實驗研究提出的校正方法對實際測量值進行校正可取得較為理想的效果，校正值與標準狀況數值在低礦化度條件下的校正誤差(除20 000 ppm，80 ℃時)均小于16.96 %，絕大部分校正誤差小于10 %，校正值與標況值匹配性較好。

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 論

1)實驗研究表明，在35～80 ℃范圍，溫度對電磁波持水量響應影響并不明顯，礦化度對電磁波持水量響應影響較為顯著，以礦化度小于50 000 ppm最為明顯。隨著礦化度增加，電磁波持水率響應值明顯增加，當礦化度大于50 000 ppm時，礦化度增加響應值增加幅度較小，響應值趨于恒定。

2)基于實驗結果分析，提出了溫度、礦化度影響線性插值校正方法，并通過實驗數據處理驗證校正誤差主要分布0 %～10 %范圍，校正值與標況值匹配性較好，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。