油气藏评价与开发

页岩气藏斜井气水两相段塞流持水率反演新方法

郑小敏 1 , 陈猛 2 , 刘恒 1 , 罗利 1 , 陈海祥 1 , 王伦 1

油气藏评价与开发 | 油气开发 2026,16(3): 642-649

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油气藏评价与开发 |油气开发 2026 , 16 (3) : 642 -649

页岩气藏斜井气水两相段塞流持水率反演新方法

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郑小敏1, 陈猛2, 刘恒1, 罗利1, 陈海祥1, 王伦1

作者信息

¹　中国石油集团测井有限公司西南分公司，重庆　400021

²　西南石油大学地球科学与技术学院，四川　　成都　610500

通讯作者:

陈猛（1986—），男，博士（后），副教授，从事生产测井与油气藏生产动态评价相关方法、原理和应用研究。地址：四川省成都市新都区新都大道8号，邮政编码：610500。E-mail：chenmengswpu@163.com

作者简介:

郑小敏（1980—），女，博士，教授级高级工程师，从事油气田开发、测井解释与资料运用、油藏区域评价等方面工作。地址：重庆市渝北区红石路152号，邮政编码：400021。E-mail：zhengxm_cpl@cnpc.com.cn

A new inversion method for water holdup of gas-water two-phase slug flow in inclined shale gas wells

XIAOMIN ZHENG1, MENG CHEN2, HENG LIU1, LI LUO1, HAIXIANG CHEN1, LUN WANG1

Affiliations

¹ Southwest Company, CNPC Logging Co., Ltd., Chongqing 400021, China

² School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China

出版时间: 2026-05-26 doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025285

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关键词

页岩气井 / 气水两相 / 段塞流 / 介质分布反演 / 持水率

Key words

shale gas well / gas-water two-phase / slug flow / media distribution inversion / water holdup

引用本文

郑小敏, 陈猛, 刘恒, 罗利, 陈海祥, 王伦. 页岩气藏斜井气水两相段塞流持水率反演新方法. 油气藏评价与开发, 2026 , 16 (3) : 642 -649 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025285

XIAOMIN ZHENG, MENG CHEN, HENG LIU, LI LUO, HAIXIANG CHEN, LUN WANG. A new inversion method for water holdup of gas-water two-phase slug flow in inclined shale gas wells[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2026 , 16 (3) : 642 -649 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025285

正文

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随着全球清洁能源需求量急剧增加和常规资源的日益枯竭，以致密气、页岩气为代表的非常规天然气藏逐渐成为全球勘探开发的重要领域^[1-2]。不同于常规气藏，非常规气藏覆压基质渗透率普遍小于或等于0.1×10^-3 μm²，储层物性极差，水平井和多段压裂是目前开发此类非常规气藏的关键技术手段^[3-5]。实际水平井钻井过程中，理想的水平段并不存在，大部分井眼轨迹纵向起伏，呈现上倾、下倾和水平组合形式，复杂的井身结构、流体性质、多相流体流量等因素耦合作用使得井筒内气水介质分布较垂直井相比更为复杂^[6-8]，以倾斜段多相流体表现尤为突出^[9-10]。

国内外水平井生产动态监测以连续油管输送阵列仪器测井为主，国内引进代表性仪器为SONDEX公司的阵列产出剖面测井仪（Multiple Array Production Suite，MAPS）^[11-13]、Schlumberger公司的流体扫描成像测井仪（FloScan Imager，FSI）^[14-15]和Open Field公司的阵列光电扫描产出剖面测井仪（Flow Array Sensing Tool，FAST）^[16-17]，其流量监测核心器件均为阵列涡轮转子，持率监测核心器件为阵列电容、电阻（或电导）和光纤探头，不同的是MAPS和FAST采用环状布局，而FSI为垂直居中结构。针对水平井监测资料的处理解释，核心是基于监测的阵列资料通过建立准确的定量解释模型获取多相流体速度和持率，进一步支撑水平井各产层油气水产量定量评价。针对水平井阵列持率和流速数据处理，基于探头位置的流体速度和持率计算水平井筒平均流体速度与持率的方法主要有简单加权平均法^[18]、径向面积微元积分法^[19]、径向等高面积权重法^[20]、径向投影中点面积权重法^[21]和成像法^[18，22]。系列方法针对水平井层状流效果较好，针对斜井条件段塞流流型，受气水两相介质间复杂作用影响，气水相界面分布复杂，因此需要在现有方法基础上对井筒平均持水率计算方法进一步优化。

气水两相流介质分布主要通过实验室物理模拟实验进行表征^[23-26]，针对井下多相流体，则需要借助阵列持率测井资料进行反演。基于阵列持率监测信息的多相流介质分布反演，主要采用基于阵列探头位置持水率数据的插值算法，现阶段主要采用的有多元线性插值反演法、简单线性插值反演法、距离反比插值反演法、克里金插值反演法和高斯径向基函数插值反演法^[21，27]及结合智能算法改进的插值方法^[28]等。分析表明：高含水和中含水时多元线性插值反演法在水平井中的成像效果优于其余4种；低含水时高斯径向基函数插值反演法在水平井中的成像效果最优；距离反比插值反演法只考虑探头空间距离的影响，介质分布反演效果较差；克里金插值反演法和高斯径向基函数插值反演法成像结果较为相似，低含水时成像效果比高斯径向基函数插值反演法差^[21]。

论文针对页岩气藏斜井条件下气水两相流物理模拟实验段塞流流型，在气水段塞流介质分布特征解析基础上，研究建立段塞流介质分布多元线性-高斯径向组合插值反演方法和径向投影切分-气水界面椭圆函数拟合的倾斜井筒平均持水率计算方法，实现了斜井条件下气水两相流介质分布的准确反演和井筒持水率高精度计算，为页岩气藏水平井基于阵列产出剖面测井仪监测的生产动态定量评价提供强有力技术支撑。

1　模拟实验及结果

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物理模拟实验以SONDEX公司MAPS中的阵列电容持水率仪（Capacitance Array Tool，CAT）为对象开展，CAT采用12个阵列电容探头组成的环状分布方式，仪器长度为1.31 m，外径为43 mm。模拟实验流管为透明有机玻璃圆管，设置模拟井斜角为60°，内径为120 mm，测试段长度为8 m，整个实验在室内标准状况下完成，模拟流体为空气和自来水，倾斜井条件下气水两相流模拟实验系统见图1。设置井筒总流量分别为50、100、200、300、400、500 m³/d，含水率分别为0、10%、20%、80%、90%、100%，监测记录模拟实验稳定状态下CAT探头响应及入口流量和含水率，每一次模拟完成后关井测量记录静液面高度。

模拟实验过程中，稳定状态段塞流气水介质分布特征（总流量360 m³/d，50%含水）见图2，其中紫线标注的是气相段塞。CAT监测段塞流响应曲线见图3，从图2—图3中可以看出，倾斜井条件下，气相段塞循环交替，对应测井曲线响应为周期性气塞特征。观察发现，当有2个或2个以上探头响应值C：

C > C w + 0.5 (C g - C w)

（1）

式中：

C w

为CAT在纯水中的响应值计数，单位s^-1；

C g

为CAT在纯气中的响应值计数，单位s^-1。此时气水两相呈现为段塞流。

通过对记录得到的持水率曲线进行处理，得到阵列电容持水率不同条件下的响应特征值；采用纯气和纯水环境下各探头的响应进行线性刻度，得到对应探头位置的持水率见图4。

2　井筒平均持水率计算方法

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基于模拟实验观察气水两相介质分布特征，建立段塞流条件下气水两相介质分布等效示意图见图5。

对于一个段塞流单元，其主要由气塞段和液塞段组成，对应液相平均持率可表示为^[29]：

Y w, S U = Y w, L S L S U - L T B + Y w, T B L T B L S U

（2）

式中：Y_w，SU为一个段塞流单元平均持水率；Y_w，LS为一个段塞流单元内液塞部分平均持水率；L_SU为一个段塞流单元长度，单位m；L_TB为一个段塞流单元内气塞部分长度（亦称之为泰勒气泡长度），单位m；Y_w，TB为一个段塞流单元内气塞部分平均持水率。

以井筒横截面建立坐标系确定探头位置，定义井筒中心为坐标原点，结合仪器张开度、井筒横截面半径、方位角及CAT空间结构，则第i个（i=0，1，2，···，11）探头位置坐标（x_i，y_i）可表示为：

x i = ε R s i n π 6 i + θ y i = ε R c o s π 6 i + θ

（3）

式中：x_i、y_i分别为第i个探头井筒截面空间位置的横、纵坐标；ε为CAT张开度；R为井筒横截面半径，单位m；i为CAT探头序号（i=0，1，2，···，11）；θ为CAT监测方位角，单位rad。

要获取段塞流型条件下一个段塞单元持水率，则需要分别得到气塞段和液塞段持水率，对于液塞段，水相流体占据主导位置，液塞中间夹杂少量气泡，此时采用径向投影中点面积权重法^[21]计算对应探头位置的持水率权重和井筒平均持水率。对于气塞段，气相与液相接触面通常为不规则弧形结构，假定井筒圆周部分水相所占的份额（润湿周长份数）为λ，基于CAT各探头持水率特征值在环形区域采用高斯径向基插值，则可得到阵列探头环状空间上的气水界面。对应插值算法表示为：

ω i = e x p - x 0 - x i m 2 - y 0 - y i n 2

（4）

式中：ω_i为第i个探头的权重；x₀，y₀分别为待插值点的横、纵坐标；m、n分别为水平和垂直方向的递减控制系数。m、n的值与井筒半径和阵列探头空间分布相关，m越大水平方向衰减越慢，n越大垂直方向衰减越慢，衰减慢表示在该方向上影响大，通过m、n的取值可以控制ω_i的变化。段塞流条件下气塞部分气水介质等效分布即阵列探头监测示意图见图6，m值最优为直径1/2，n值最优为直径1/6。

气塞段对应润湿周长份数表示为：

λ = S L 2 π R

（5）

式中：λ为气塞段对应润湿周长份数。

对于光滑层状流，润湿周长份数λ₀表示为：

λ 0 = S L 0 2 π R

（6）

式中：λ₀为光滑层状流型润湿周长份数。

此时，与持水率的关系直接表示为：

Y w = λ 0 - s i n 2 π λ 0 2 π

（7）

式中：Y_w为当前流型条件下的持水率。

对于段塞流气水接触凹液面，弧线长度与井筒持水率和润湿周长份数相关，表示为^[30]：

S A = 2 π R λ - λ 0 1 - λ 0 1 - Y w 0.5 + 1 - λ 1 - λ 0 s i n π λ 0 π

（8）

基于公式（7）凹液面弧长可以进一步拟合得到对应的椭圆方程为：

x 2 a 2 + y - m 2 b 2 = 1

（9）

式中：x、y分别为椭圆方程的变量和函数；a为基于凹液面拟合椭圆长半轴长度，单位m；b为基于凹液面拟合椭圆短半轴长度，单位m。

S_A又可表示为：

S A = 2 ∫ 0 R s i n S L / 2 R b 1 - x 2 a 2 + m d x

（10）

凹液面在圆周上的交点坐标可表示为（Rsin（S_L/2R），Rcos（S_L/2R）），综合圆周和凹液面椭圆交点几何结构关系综合求解得到对应的凹液面椭圆函数。基于气水介质分布，椭圆弧线部分上部为气相，下部为液相，则可得到对应气塞段液相持率。

基于实验室模拟实验监测数据，将上述建立方法计算段塞流持水率与现有方法进行对比（图7），结果表明：加权平均法、径向等高面积权重法、径向投影中点面积权重法和研究建立方法计算相对误差基本在20%以内，其中加权平均法相对误差分布在-3.14%~14.10%；径向等高面积权重法相对误差分布在-1.77%~16.68%；径向投影中点面积权重法相对误差分布在-8.57%~10.41%，平均相对误差为4.55%；研究建立方法相对误差分布在-8.10%~9.43%，平均相对误差为3.99%，验证研究建立方法在段塞流平均持水率计算中效果为几种方法中的最佳选择。

3　应用实例

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采用研究建立的方法对连续实测物理模拟实验数据进行处理，得到气水两相段塞流阵列持水率资料处理介质分布及井筒平均持水率成果图（成像图中红色为气、蓝色为水）如图8所示。图8中模拟实验入口气液总流量为300 m³/d，含水率为50%，采用研究建立的气塞段持率插值分析方法可以直观反演得到井筒剖面气水介质段塞流分布，得到井筒截面气塞段气水介质分布与现有方法反演效果对比（图9），结合实验观测可明显发现，采用研究方法可更准确反映段塞流气塞段介质分布。计算得到持水率曲线分析对比显示，通过稳定时间段测量点累计加权平均处理得到的井筒平均持水率与关井液面高度分析得到的持水率对比相对误差为7.26%，能够满足矿场斜井生产动态评价需求。

图10所示Y1井为四川盆地的1口水平气井，该井完钻井深为4 190.00 m，日产气量为29.6×10⁴ m³，日产水量为18.73 m³，该井于2024年采用MAPS对2 550.0~4 025.3 m段进行监测，采用研究方法对该井全流量段进行反演得到井筒介质分布，该井段主要表现为气水两相段塞流，计算得到全流量层的平均持水率为0.52。

4　结论

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1）大管径斜井中，气水两相流通常表现为段塞流形式为主，CAT监测曲线展示出周期性气塞特征，计算井筒持水率需要分气塞段和液塞段进行考虑建立模型。

2）采用研究建立的液塞段持水率径向中点投影切分面积权重法，气塞段高斯径向插值-椭圆拟合法计算持水率，综合采用加权平均得到的井筒平均持水率与关井持水率对比相对误差分布在-8.10%~9.43%，平均相对误差为3.99%，验证了研究方法在段塞流阵列持水率资料处理中拥有良好的适用性。

参考文献

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文献

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2026年第16卷第3期

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接收时间：2025-08-19
首发时间：2026-10-30
出版时间：2026-05-26

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收稿日期：2025-08-19

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本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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