一種基于最小均方根誤差的水平井持水率測量方法
【專利摘要】一種基于最小均方根誤差的水平井持水率測量方法屬于多相流檢測技術(shù)領(lǐng)域。首先，建立從水平井油界面高度到水平井持水率的數(shù)學關(guān)系；然后，根據(jù)探針陣列的結(jié)構(gòu)獲得電導探針高度與探針陣列方位角的數(shù)學關(guān)系式；其次，根據(jù)浸沒水中的電導探針個數(shù)，確定相應的持水率上下界限，并估算該持水率的最優(yōu)值。實驗結(jié)果表明本發(fā)明方法是可行和有效的，不僅能夠根據(jù)探針陣列的響應快速地計算水平井的持水率，而且能獲得較高的測量精度，適用于實際工程應用。
【專利說明】-種基于最小均方根誤差的水平井持水率測量方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多相流檢測技術(shù)領(lǐng)域，針對中低產(chǎn)液水平井，結(jié)合雙環(huán)電導探針陣列 提出了一種基于最小均方根誤差(Root mean square error,RMSE)的水平井持水率測量方 法，提高了水平井油水兩相流持水率測量的可靠性和精度。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 持水率指的是在測量剖面上水相面積占測量剖面的百分比，是產(chǎn)出剖面測井中一 個重要的多相流參數(shù)。集總式電容傳感器和集總式阻抗傳感器能有效地測量垂直井中油水 兩相流的持水率/含水率，但是水平井中油水兩相流的分層流動，使得集總式傳感器無法精 確地測量水平井油水兩相流的持水率。（劉興斌，強錫富，莊海軍.沾污對取樣電容含水率計 的影響及傳感器的設計原則[J].測井技術(shù).1995,19(1) :54-57。）另外，水平井中油水流型 多變且油水相間存在復雜的界面效應和滑脫，因此水平井持水率的高精度測量仍是一項極 具挑戰(zhàn)性的工作。
[0003] 國內(nèi)外研究人員對水平井持水率的測量進行了大量的研究，并提出一系列的測量 方法，其中探針測量方法在工程實踐中得到廣泛應用，相繼研制了光纖探針、電容探針和電 導探針。光纖探針根據(jù)介質(zhì)折射率的差異來區(qū)別不同的介質(zhì)，雖能很好地區(qū)分氣液相，但是 無法準確識別油水相。電容探針和電導探針分別是通過測量油水的介電常數(shù)和電導參數(shù)來 識別連續(xù)的油水相。為克服水平井中油水分層流動對持水率測量帶來的困難，一些油田服 務公司設計了多探針結(jié)構(gòu)的持水率測井儀，包括四探針(DEFT)、八探針(FlOView Plus)和 十二探針(CAT/RAT)等測井儀，在油田巧阱現(xiàn)場中進行了不同規(guī)模的試驗和應用。
[0004] 盡管上述多探針測井儀在水平井和大斜度井的持水率測量上取得良好效果，然而 由于探針的數(shù)量有限，持水率的測量精度仍然受限于探針陣列方位角的偏向誤差。因為有 限的探針非連續(xù)分布，在相同的持水率下，浸沒在水中的探針個數(shù)會隨著探針陣列方位角 不同而改變，得到的持水率測量值也不同。由于放入井下的探針陣列的方位角是未知的，導 致了持水率的測量精度偏低。因此，本發(fā)明專利針對中低產(chǎn)液水平井提出了一種基于最小 均方根誤差的水平井持水率測量方法，通過融合探針陣列在不同方位角下的信息，估計在 最小均方根誤差意義下的持水率最優(yōu)值，實現(xiàn)水平井持水率在未知方位角下的高精度測 量。該方法不僅能降低在未知方位角下持水率測量的誤差，而且快速簡單有效，可靠性好。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的是針對中低產(chǎn)液水平井油水兩相流動，結(jié)合雙環(huán)電導探針陣列提出 了一種基于最小均方根誤差的水平井持水率測量方法，在探針陣列的方位角未知的情況 下，估計水平井中油水兩相流的持水率值。為實現(xiàn)上述目的，采用W下技術(shù)方案：
[0006] -種基于最小均方根誤差的水平井持水率測量方法，其特征在于，步驟如下：
[0007] 第一步，建立從油水界面高度到水平井持水率的數(shù)學關(guān)系。
[000引在中低產(chǎn)液水平井中，油水兩相流出現(xiàn)明顯的分層流動，油水界面流動近似平緩。 水平井中油水分層流的橫截面示意圖如圖1所示。水平井油水兩相流的持水率用β表示，貝u
[0009]
…
[0010] 其中，D表示水平井內(nèi)徑(13)，h表示油水界面高度(15)。
[0011] 第二步，獲取不同方位角下的油水界面高度范圍。
[0012] 雙環(huán)電導探針陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。探針陣列的內(nèi)外環(huán)探針按逆時針順序 分別從13到24和1到12依次進行編號。通過圓屯、0和1號探針的直線1表示探針環(huán)的基準線 (22)，直線m表示探針環(huán)的鉛垂線(23)，直線1和m的夾角Θ表示探針陣列的方位角（25)，且Θ e (-15°，15° ]。由于探針陣列的對稱結(jié)構(gòu)，僅需考慮方位角在[0°，15° ]范圍內(nèi)探針陣列的 旋轉(zhuǎn)情況。雙環(huán)電導探針陣列的兩種典型的旋轉(zhuǎn)位置如圖3所示。第i號探針與水平井底端 的距離，即探針高度(31)用yi(i = l，2,3,…，24)表示。則號探針為例，該探針高度yi關(guān)于方 位角的表達式為
[0013]
P]
[0014] 隨油水界面高度從0到2R的增加，浸沒水中的探針個數(shù)從0增加到24, W4個探針浸 沒在水中為例說明油水界面高度范圍的求解過程。探針陣列的兩種典型位置如圖4所示，當 方位角在0°時，油水界面的高度范圍由13號和24號探針的高度確定，即滿足he [yi3(0)，y24 (0))，其中，yi3(0)和y24(0)分別表示在0°方位角下13號和24號探針的高度；當方位角在15° 時，油水界面高度的變化范圍由11號和13號探針的高度確定，即油水界面高度滿足he [yn
[15] ，yi3(15))，其中，yii(15)和yi3(15)分別表示在15°方位角下11號和13號探針的高度。W 此類推，可W得到在(〇°，15°)范圍內(nèi)所有方位角下的油水界面高度范圍。同理，當浸沒水中 的探針個數(shù)為其他值時，在不同方位角下的油水界面高度范圍也可按上述分析過程得到。
[0015] 第Ξ步，估計持水率最優(yōu)值。
[0016] 利用公式[1]并結(jié)合已知的油水界面高度范圍，可W得到不同方位角下持水率的 變化范圍，即持水率的上下邊界。W4個電導探針浸沒在水中為例，對應的持水率的上下界 您嘴媒噴圖5所示，分別表示為
[0019] 其中，錢4嘴片產(chǎn)分另懐示4個探針浸沒水中的持水率上下界。β?1，β?3和抗4表示分別 由y 11，y 13和y24通過公式。]得到的持水率。
[0020] 當有η個探針浸沒在水中時，持水率的上下界分別為傑1嘴風">。在方位角未知的情況 下，在[0。，15。]范圍內(nèi)的任意方位角出現(xiàn)的概率相同;在某一個方位角下，在[錢"1(0)-屬"'例） 范圍內(nèi)的任意持水率值出現(xiàn)的概率也相同，其中，做例和矮"|(嗎分別表示在方位角為Θ的 情況下η個探針浸沒在水中的持水率上下界。則持水率最優(yōu)值滿足約束條件
[0021]
巧
[0022] 式中，錢">表示η個探針浸沒在水中的持水率最優(yōu)估計值。公式[5]保證持水率估計 值在最小均方根誤差意義下最優(yōu)。當η分別為1，2,3，···，24時，利用公式[引可W得到對應的 持水率最優(yōu)值。
[0023] 本發(fā)明專利是結(jié)合雙環(huán)電導探針陣列提出的一種基于最小均方根誤差的水平井 持水率測量方法，該方法可行和有效，不僅能快速地估算水平井持水率，而且獲得較高的測 量精度。
[0024] 【說明書附圖】
[0025] 圖1是水平井油水兩相分層流橫截面示意圖，圖中油（11)，油水分界面（12)，水平 井內(nèi)徑(13)，水(14)，油水界面高度(15);
[0026] 圖2是雙環(huán)電導探針陣列結(jié)構(gòu)圖，圖中內(nèi)環(huán)半徑(21)，基準線(22)，鉛垂線(23)，外 環(huán)半徑(24)，方位角(25)，探針編號(26);
[0027] 圖3是探針陣列的兩種典型旋轉(zhuǎn)位置，圖中探針高度(31),0°方位角下的探針陣列 (32),15°方位角下探針陣列(33);
[0028] 圖4是0°和15°方位角下4個探針浸沒水中的探針分布圖，圖中0°方位角下的探針 分布(41)，15°方位角下的探針分布(42);
[0029] 圖5是4個探針浸沒水中的持水率上下界，圖中持水率上界(51)，持水率下界(52)， 持水率最優(yōu)值(53)，持水率上界拐點(54)，持水率上下界交點(55)。 【【具體實施方式】】
[0030] 本實例提出的方法在大慶石油測試服務分公司測井試井檢測實驗中屯、的水平井 模擬實驗裝置中進行實驗驗證。實驗用油為柴油，實驗用水為自來水，油水兩相流總流量的 變化范圍為10-200m3/d，含水率的變化范圍為0-100%。水平井內(nèi)徑D為125mm，雙環(huán)電導探 針陣列內(nèi)外環(huán)半徑即ri和Γ2分別為34mm和48mm。
[0031 ] -種基于最小均方根誤差的水平井持水率測量方法，其特征在于，步驟如下：
[0032] 第一步，建立從油水界面高度到水平井持水率的數(shù)學關(guān)系，即
[0033]
閱
[0034] 式[1]中，β表示水平井油水兩相流的持水率，D表示水平井內(nèi)徑（13)，h表示油水界 面高度(15)。
[0035] 第二步，獲取不同方位角下的油水界面的高度范圍，即
[0036] 雙環(huán)電導探針陣列的第i號探針與水平井底端的距離，即探針高度(31)用yi(i = 1，2，3，…，24)表示，W1號探針為例，該探針高度yi關(guān)于方位角的表達式為
[0037]
[7]
[0038] W4個探針浸沒在水中為例說明油水界面的高度范圍的求解過程。當方位角在0° 時，油水界面的高度范圍由13號和24號探針的高度確定，即滿足}1￡^13(0)，724(0))，其中， yi3(0)和y24(0)分別表示0°方位角下13號和24號探針的高度；當方位角在15°時，油水界面 高度的變化范圍由11號和13號探針的高度確定，即油水界面高度滿足he [yn( 15)，yi3 (15))，其中，711(15)和713(15)分別表示在15°方位角下，11號和13號探針的高度。^此類 推，可W得到在(0°，15°)范圍內(nèi)所有方位角的油水界面高度范圍。同理，當浸沒水中的探針 個數(shù)為其他值時，在不同方位角下的油水界面高度范圍也可按上述分析過程得到。
[0039] 第Ξ步，估計持水率最優(yōu)值，即
[0040] 利用公式[1]并結(jié)合已知的油水界面高度范圍，可W得到不同方位角下持水率的 變化范圍，即持水率的上下邊界。當有η個探針浸沒在水中，利用公式[1]可W得到持水率的 上下界分別為錢"和錢"'。在方位角未知的情況下，在[0°，15°]范圍內(nèi)的任意方位角出現(xiàn)的 概率相同；在某一個方位角下，在心礦"（0)，/《"'（C))范圍內(nèi)的任意持水率值出現(xiàn)的概率也 相同，其中，錠"'(0)和件"(0)分別表示在方位角為Θ的情況下η個探針浸沒在水中的持水率上 下界。持水率最優(yōu)值滿足約束條件
[0041]
腳
[0042] 式中，爲">表示η個探針浸沒在水中的持水率最優(yōu)估計值。當η分別為1，2,3,…，24 時，利用公式[3 ]可W得到對應的持水率最優(yōu)值。
[0043] 為驗證本發(fā)明提出的方法，在水平井油水兩相流管道中，WlOmVd為步長，從0- 200m3/d逐步調(diào)節(jié)油水兩相流的總流量;在每一總流量設定值下，W10 %為步長，從0-100 % 逐步調(diào)節(jié)油水兩相流的含水率。在220種總流量設定值和含水率設定值的組合下，利用該發(fā) 明方法得到220個持水率測量值，其均方根誤差為0.0632。
[0044] 通過上述比較可W得出，本發(fā)明專利提出的一種基于最小均方根誤差的水平井持 水率測量方法在實際工程應用中是可行和有效的，不僅快速可靠性好，而且能獲得較高的 持水率測量精度。
[0045] W上所述僅為本發(fā)明具體實施方法的基本方案，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于 此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，可想到的變化或替換，都應涵 蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該W權(quán)利要求的保護范圍為準。所 有落入權(quán)利要求的等同的含義和范圍內(nèi)的變化都將包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于最小均方根誤差的水平井持水率測量方法，其特征在于，步驟如下： 第一步，建立從油水界面高度到水平井持水率的數(shù)學關(guān)系，即山 式[1]中，β表示水平井油水兩相流的持水率，D表示水平井內(nèi)徑（13)，h表示油水界面高 度(15); 第二步，獲取不同方位角下油水界面的高度范圍，即 雙環(huán)電導探針陣列的內(nèi)外環(huán)按逆時針順序的編號分別為13到24和1到12,通過圓屯、0和 1號探針的基準線1(22)和探針陣列圓環(huán)鉛垂線m(23)的夾角Θ為探針陣列的方位角（25)，且 Θ e (-15°，15° ]，由于探針陣列的對稱結(jié)構(gòu)，僅考慮方位角在[0°，15° ]范圍內(nèi)探針陣列的旋 轉(zhuǎn)情況;第i號探針與水平井底端的距離，即探針高度(31)用yi(i = l，2,3,…，24)表示， 號探針為例，該探針高度yi關(guān)于方位角的表達式為巧 隨油水界面高度從0到2R的增加，浸沒水中的探針個數(shù)從0增加到24, W4個探針浸沒在 水中為例說明油水界面的高度范圍的求解過程；當方位角在0°時，油水界面的高度范圍由 13號和24號探針的高度確定，即滿足}1曰切3(0)，724(0))，其中，713(0巧朽24(0)分別表示0° 方位角下13號和24號探針的高度；當方位角在15°時，油水界面高度的變化范圍由11號和13 號探針的高度確定，即油水界面高度滿足11￡切1(15)，713(15))，其中，711(15巧朽13(15)分 別表示在15°方位角下，11號和13號探針的高度；W此類推，可W得到在(0°，15°)范圍內(nèi)所 有方位角的油水界面高度范圍；同理，當浸沒水中的探針個數(shù)為其他值時，在不同方位角下 的油水界面高度范圍也可按上述分析過程得到； 第Ξ步，估計持水率最優(yōu)值，即 利用公式[1]并結(jié)合已知的油水界面高度范圍，可W得到不同方位角下持水率的變化 范圍，即持水率的上下邊界；當有η個探針浸沒在水中，求得的持水率上下界分別為巧">和 風"> 巧方位角未知的情況下，在[0°，15°]范圍內(nèi)的任意方位角出現(xiàn)的概率相同；在某一個 方位角下，在[《"1(0)，《"'(0))范圍內(nèi)的任意持水率值出現(xiàn)的概率也相同，其中，媒"(叫和 錢"1(巧分別表示在方位角為Θ的情況下η個探針浸沒在水中的持水率上下界;持水率最優(yōu)值 需滿足約束條件腳 式中，聲Γ表示η個探針浸沒在水中的持水率最優(yōu)估計值;公式[3 ]保證持水率最優(yōu)值在 最小均方根誤差意義下最優(yōu);當η分別為1，2,3，···，24時，利用公式[3]可W得到對應的持水 率最優(yōu)值。
【文檔編號】E21B49/08GK105971594SQ201610329776
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】徐立軍, 曹章, 張文, 趙嘉宇
【申請人】北京航空航天大學