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超声波流量计在注水剖面中的应用
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0 引言
通过分析近几年国内注水开发油田的三参数注水剖面测井资料，表现出来的主要问题是：伽马本底高、沾污严重、测试遇阻情况多、地层大孔道、井筒及管柱漏失等等，另外，由于注水管柱复杂，井下水流方面认识不清，无法分析配水器、封隔器等工具的工作状况，影响了资料的应用情况[1、2]。针对复杂的注水井，必须开展多参数、多样化的吸水部面测井技术，满足油田的开发需要。
1 超声波流量计测井技术
1.1 测量原理
采用超声波相位差原理，设计了A、B两个特征相似的超声波传感器，距离为L，如图1所示，设超声波频率为f，波长为λ，则声速V=f×λ，波数N=L/λ=L×f/V，由于L、f为常量，则N与V成反比。
相位差△b=△n×360o=720oL×f×U/（V2-U2），因为V>>U，则△b 720oL×f×U/V2，由于L、f、V为常量，则相位差△b和流体流速U之间为近似线性关系。
因此测出超声波相位差△b，即可计算出流体流速U，进而可以计算出已知管子内径的流量。
1.2 仪器特点
测井项目：磁定位、伽马、井温、压力和超声波流量计五参数组合测井。
仪器指标：外径38mm，总长度4.5m，耐温150°C，耐压70MPa，在2.5in（1in=25.4mm）的油管内测量范围0~370m3/d左右，在5.5in的套管内测量范围0~1800m3/d左右。
适用范围：适用管柱内径大于40mm的分层注水井、空井筒及喇叭口在射孔层段上部的笼统注水井。
1.3 施工方法
将超声波流量计与磁定位、伽马、井温、压力组合后下入井内，关井2h~4h左右，测量注水井相对静止时的井温、伽马、磁定位、压力，然后恢复正常注水，稳定后在射孔层上部200m左右释放同位素，待同位素分配好后，测量至少两条重复性较好的同位素、井温、压力、磁定位以及超声波连续曲线；再根据测量的超声波连续曲线以及注水管柱，分别在距离井口200m左右、在各配水器的上、下10m左右、超声波连续曲线有异常的井段上、下10m左右、射孔层段上、下2m左右、遇阻点上5m左右等测量超声波定点流量，定点测量时间不少于120s。如果超声波定点流量曲线有明显波动，或者根据超声波定点流量值查图版计算的水流量出现异常情况，要重复定点验证。
2 解释方法
2.1 解释图版
在仪器出厂投入使用前，在规范的油管和套管中进行流量刻度和标定，根据标定值制作解释图版，并用最小二乘法回归流量与相位差之间的计算公式，如图2所示。如果仪器使用时间过长，出现零漂和误差较大时，要重新进行刻度和标定。
根据测量超声波定点流量相或连续流量的相位差值，代入如图2中的回归公式均可计算该处流量，根据定点相位差计算的流量不含测井速度的影响，计算出来的流量直接反应定点深度处管子内流体的实际流量；而根据连续相位差计算的流量包含测井速度的影响，需要减去测速相同时在死水区连续相位差计算的流量，才能反应该深度处管子内流体的实际流量。
2.3 计算分层吸水量[3]
首先选出射孔层上下、配水器上下等评价井段，再根据超声波定点或连续相位差，按3.2的方法计算各评价井段管子内的流量，其上下评价井段内流量的差值就是射孔层的吸水量或配水器的进水量。
对于分层注水井，若封隔器密封完好，按配注井段将各射孔层分为若干个解释单元，先根据超声波流量曲线计算各配水器实际注水量的大小，然后将其按同位素吸水面积的大小，精确评价各小层的吸水量。其特点：可以检查并精确计算各配水器的实际配注情况；结合多参数分析，可以准确判断封隔器的密封情况。
对于笼统注水井，若射孔层之间的间隔较大（一般大于2m），超声波流量曲线在层间有明显的变化，可直接根据流量计曲线进行定量解释。若射孔层之间的间隔较小，流量计曲线在层间变化不明显，则可将这些射孔层划分为一个解释单元，根据流量曲线计算该单部分同位素沿大孔道进行地层元的总吸水量，然后将其按同位素吸水面积的大小，精确评价各小层的吸水量。对于有窜槽现象的，将窜槽井段内各层划分为一个解释单元，用流量曲线计算该单元总的吸水量，再将其按同位素吸水面积的大小，精确评价各小层的窜吸量。
3 应用实例分析
1）识别大孔道地层
当地层存在大孔道时，常规的同位素载体粒径比孔道直径小，会随注入水进入地层深部，导致测量同位素曲线与伽马本底对比时差异较小甚至没有差异，仅依据同位素曲线解释小层吸水量，会得出与实际情况相差较大的结论。如果结合超声波流量计，则能很好地反映地层的真实吸水情况。如GX110-7井2009年10月21日测的吸水剖面如图3所示，该井的注水层段为13号层，射孔井段1886.0m~1902.0m，厚度16.0m，注水管柱下至1859.4m，注水油压9.0MPa，注水量约100m3/d，所用同位素载体粒径300μm~600μm，粒密度1.02g/cm3。从图中可以看出，同位素示踪曲线在13号层顶部（1885.3m~1887.3m）有较弱吸水显示，解释的吸水量占23.52%，但是超声波流量曲线在此处有大幅度异常，解释的吸水量占68.98%，说明此处存在大孔道，大深部。 [p]
在分层配注井中，测量超声波流量计曲线，可以准确判断封隔器的封隔效果。如L15-**井是一口注水井，注水层位Es33，注水井段3079.6m~3082.3m，40.0m/8层。该井为一级两段分注，上段投80m3/d的定量水嘴，下段未投水嘴。2010年4月9日进行超声波流量计注水剖面测井，如图4所示，从同位素曲线分析，封隔器上下两段均有吸水显示，与设计的配注情况基本吻合。但超声波流量曲线显示，注入水全部从上段水嘴进入，一部分水进入封隔器上部的射孔层，另一部分水通过封隔器进入下部射孔层，下段水嘴未进水，充分验证了封隔器失效。
在长期的注水剖面测井施工中，常常会遇到套管变形、油管未下到位、井下工具堵塞、井底有落物或沉砂等现象，同位素注水剖面测井解释时，有些井不能定性分析遇阻层是否吸水，更无法定量解释遇阻层的吸水量，常规处理方法是：定量解释时不考虑遇阻层的吸水量，从而影响本井吸水层的定量解释精度。如果进行超声波流量计测井，不仅能准确分析遇阻层的吸水情况，而且能提高该井的定量解释精度。
L90-**井是一口注水井，注水层位Es2+3，注水井段2629.0m~2666.8m，13.2m/4层。该井为笼统注水，全井日配注量100m3/d。2010年4月11日对该井进行了同位素注水剖面测井，施工过程中测井仪器在2662.0m遇阻，最后一个层未测出，从监测曲线分析遇阻层吸水。于是，现场施工人员及时与地质人员联系，改用超声波流量计测井，如图5，根据超声波流量曲线计算的遇阻层吸水量占全井注水量的95.49%，充分发挥了超声波流量计的优势，为采油厂提供了可靠的测井资料。
在分层配注井中，对不同的层系设计了不同大小的配水器水嘴希望按计划注水，如果想检查各配水器的实际注水情况，可进行超声波流量计测井。L1-*井是一口注水井，注水层位Es32+3，注水井段2516.0m~2646.8m，目前注水方式为两级三段分注，有三个配水器和两个封隔器，井口注水量为106m3/d左右，设计配水器1为死嘴，配水器2未投水嘴，配水器3投60m3/d的水嘴。2010年4月11日进行超声波流量计测井，配水器1不吸水，配水器2进水量为58.27m3/d，配水器3进水量为48.00m3/d，测试结果与实际配注情况基本吻合。
4 结束语
超声波流量计在注水剖面测井中，能识别大孔道及微裂缝地层、揭示层间矛盾、检查井下注水管柱工作情况、判断浅部套管漏失、提高自然伽马本底高的井测井成功率及遇阻井注水剖面解释精度等，解决了普通的同位素注水剖面测井技术存在的诸多难题。
参考文献
[1]李俊舫，夏竹君.复杂注水井吸水剖面流量计测井技术[J].石油仪器，2005，19（6）
[2] 王祥，夏竹君.利用注水剖面测井资料识别大孔道的方法研究[J].测井技术，2002，26（2）
[3]夏竹君.利用脉冲中子氧活化测井技术评价管外窜槽[J].天然气技术，2008，23（2）(end)
通过分析近几年国内注水开发油田的三参数注水剖面测井资料，表现出来的主要问题是：伽马本底高、沾污严重、测试遇阻情况多、地层大孔道、井筒及管柱漏失等等，另外，由于注水管柱复杂，井下水流方面认识不清，无法分析配水器、封隔器等工具的工作状况，影响了资料的应用情况[1、2]。针对复杂的注水井，必须开展多参数、多样化的吸水部面测井技术，满足油田的开发需要。
1 超声波流量计测井技术
1.1 测量原理
采用超声波相位差原理，设计了A、B两个特征相似的超声波传感器，距离为L，如图1所示，设超声波频率为f，波长为λ，则声速V=f×λ，波数N=L/λ=L×f/V，由于L、f为常量，则N与V成反比。
图1 流量传感器的测量模型示意图
相位差△b=△n×360o=720oL×f×U/（V2-U2），因为V>>U，则△b 720oL×f×U/V2，由于L、f、V为常量，则相位差△b和流体流速U之间为近似线性关系。
因此测出超声波相位差△b，即可计算出流体流速U，进而可以计算出已知管子内径的流量。
1.2 仪器特点
测井项目：磁定位、伽马、井温、压力和超声波流量计五参数组合测井。
仪器指标：外径38mm，总长度4.5m，耐温150°C，耐压70MPa，在2.5in（1in=25.4mm）的油管内测量范围0~370m3/d左右，在5.5in的套管内测量范围0~1800m3/d左右。
适用范围：适用管柱内径大于40mm的分层注水井、空井筒及喇叭口在射孔层段上部的笼统注水井。
1.3 施工方法
将超声波流量计与磁定位、伽马、井温、压力组合后下入井内，关井2h~4h左右，测量注水井相对静止时的井温、伽马、磁定位、压力，然后恢复正常注水，稳定后在射孔层上部200m左右释放同位素，待同位素分配好后，测量至少两条重复性较好的同位素、井温、压力、磁定位以及超声波连续曲线；再根据测量的超声波连续曲线以及注水管柱，分别在距离井口200m左右、在各配水器的上、下10m左右、超声波连续曲线有异常的井段上、下10m左右、射孔层段上、下2m左右、遇阻点上5m左右等测量超声波定点流量，定点测量时间不少于120s。如果超声波定点流量曲线有明显波动，或者根据超声波定点流量值查图版计算的水流量出现异常情况，要重复定点验证。
2 解释方法
2.1 解释图版
在仪器出厂投入使用前，在规范的油管和套管中进行流量刻度和标定，根据标定值制作解释图版，并用最小二乘法回归流量与相位差之间的计算公式，如图2所示。如果仪器使用时间过长，出现零漂和误差较大时，要重新进行刻度和标定。
图2 超声波流量计在2.5in油管内标定图版
根据测量超声波定点流量相或连续流量的相位差值，代入如图2中的回归公式均可计算该处流量，根据定点相位差计算的流量不含测井速度的影响，计算出来的流量直接反应定点深度处管子内流体的实际流量；而根据连续相位差计算的流量包含测井速度的影响，需要减去测速相同时在死水区连续相位差计算的流量，才能反应该深度处管子内流体的实际流量。
2.3 计算分层吸水量[3]
首先选出射孔层上下、配水器上下等评价井段，再根据超声波定点或连续相位差，按3.2的方法计算各评价井段管子内的流量，其上下评价井段内流量的差值就是射孔层的吸水量或配水器的进水量。
对于分层注水井，若封隔器密封完好，按配注井段将各射孔层分为若干个解释单元，先根据超声波流量曲线计算各配水器实际注水量的大小，然后将其按同位素吸水面积的大小，精确评价各小层的吸水量。其特点：可以检查并精确计算各配水器的实际配注情况；结合多参数分析，可以准确判断封隔器的密封情况。
对于笼统注水井，若射孔层之间的间隔较大（一般大于2m），超声波流量曲线在层间有明显的变化，可直接根据流量计曲线进行定量解释。若射孔层之间的间隔较小，流量计曲线在层间变化不明显，则可将这些射孔层划分为一个解释单元，根据流量曲线计算该单部分同位素沿大孔道进行地层元的总吸水量，然后将其按同位素吸水面积的大小，精确评价各小层的吸水量。对于有窜槽现象的，将窜槽井段内各层划分为一个解释单元，用流量曲线计算该单元总的吸水量，再将其按同位素吸水面积的大小，精确评价各小层的窜吸量。
3 应用实例分析
1）识别大孔道地层
当地层存在大孔道时，常规的同位素载体粒径比孔道直径小，会随注入水进入地层深部，导致测量同位素曲线与伽马本底对比时差异较小甚至没有差异，仅依据同位素曲线解释小层吸水量，会得出与实际情况相差较大的结论。如果结合超声波流量计，则能很好地反映地层的真实吸水情况。如GX110-7井2009年10月21日测的吸水剖面如图3所示，该井的注水层段为13号层，射孔井段1886.0m~1902.0m，厚度16.0m，注水管柱下至1859.4m，注水油压9.0MPa，注水量约100m3/d，所用同位素载体粒径300μm~600μm，粒密度1.02g/cm3。从图中可以看出，同位素示踪曲线在13号层顶部（1885.3m~1887.3m）有较弱吸水显示，解释的吸水量占23.52%，但是超声波流量曲线在此处有大幅度异常，解释的吸水量占68.98%，说明此处存在大孔道，大深部。 [p]
图3 GX110-7井超声波流量计注水剖面成果图
在分层配注井中，测量超声波流量计曲线，可以准确判断封隔器的封隔效果。如L15-**井是一口注水井，注水层位Es33，注水井段3079.6m~3082.3m，40.0m/8层。该井为一级两段分注，上段投80m3/d的定量水嘴，下段未投水嘴。2010年4月9日进行超声波流量计注水剖面测井，如图4所示，从同位素曲线分析，封隔器上下两段均有吸水显示，与设计的配注情况基本吻合。但超声波流量曲线显示，注入水全部从上段水嘴进入，一部分水进入封隔器上部的射孔层，另一部分水通过封隔器进入下部射孔层，下段水嘴未进水，充分验证了封隔器失效。
图4 L15-**井超声波流量计注水剖面成果图
在长期的注水剖面测井施工中，常常会遇到套管变形、油管未下到位、井下工具堵塞、井底有落物或沉砂等现象，同位素注水剖面测井解释时，有些井不能定性分析遇阻层是否吸水，更无法定量解释遇阻层的吸水量，常规处理方法是：定量解释时不考虑遇阻层的吸水量，从而影响本井吸水层的定量解释精度。如果进行超声波流量计测井，不仅能准确分析遇阻层的吸水情况，而且能提高该井的定量解释精度。
L90-**井是一口注水井，注水层位Es2+3，注水井段2629.0m~2666.8m，13.2m/4层。该井为笼统注水，全井日配注量100m3/d。2010年4月11日对该井进行了同位素注水剖面测井，施工过程中测井仪器在2662.0m遇阻，最后一个层未测出，从监测曲线分析遇阻层吸水。于是，现场施工人员及时与地质人员联系，改用超声波流量计测井，如图5，根据超声波流量曲线计算的遇阻层吸水量占全井注水量的95.49%，充分发挥了超声波流量计的优势，为采油厂提供了可靠的测井资料。
图5 L90-**井超声波流量计注水剖面成果图
在分层配注井中，对不同的层系设计了不同大小的配水器水嘴希望按计划注水，如果想检查各配水器的实际注水情况，可进行超声波流量计测井。L1-*井是一口注水井，注水层位Es32+3，注水井段2516.0m~2646.8m，目前注水方式为两级三段分注，有三个配水器和两个封隔器，井口注水量为106m3/d左右，设计配水器1为死嘴，配水器2未投水嘴，配水器3投60m3/d的水嘴。2010年4月11日进行超声波流量计测井，配水器1不吸水，配水器2进水量为58.27m3/d，配水器3进水量为48.00m3/d，测试结果与实际配注情况基本吻合。
4 结束语
超声波流量计在注水剖面测井中，能识别大孔道及微裂缝地层、揭示层间矛盾、检查井下注水管柱工作情况、判断浅部套管漏失、提高自然伽马本底高的井测井成功率及遇阻井注水剖面解释精度等，解决了普通的同位素注水剖面测井技术存在的诸多难题。
参考文献
[1]李俊舫，夏竹君.复杂注水井吸水剖面流量计测井技术[J].石油仪器，2005，19（6）
[2] 王祥，夏竹君.利用注水剖面测井资料识别大孔道的方法研究[J].测井技术，2002，26（2）
[3]夏竹君.利用脉冲中子氧活化测井技术评价管外窜槽[J].天然气技术，2008，23（2）(end)
