Mjerenje viskoznosti i gustoće u naftnom i plinskom sektoru su među najvažnijim, ali i najneuhvatljivijim operacijama. Od istraživanja do bušenja do proizvodnje do transporta, identitet i svojstva tekućina predstavljaju samu krv u industriji.

Laboratorijski instrumenti imaju samo ograničenu primjenu za mjerenje svojstava fluida u uvjetima ležišta. Vrlo visoki tlakovi i temperature, udarci i vibracije, ograničena raspoloživost energije i prije svega, velika prostorna ograničenja zahtijevaju nove i kreativne pristupe mjerenju viskoznosti i gustoće. U ovom članku istražujemo nužnost inline mjerenja viskoznosti i gustoće, kao i opis nekoliko novih proizvoda koji omogućuju inline mjerenja u nekim od najizazovnijih okruženja u industriji.

Tekuće znanje je snaga - snaga za sigurno i ekonomično pokretanje procesa. A upravo ona svojstva - viskoznost i gustoća - koja je najteže zabilježiti u rupama i industrijskim uvjetima mogu biti najvažnija za razumijevanje kako će tekućine reagirati u čitavom spektru uvjeta koji se mogu dogoditi u vašem procesu.

Zašto je viskoznost bitna

Kada tekućina teče kroz cijev, tlak potreban za njezino kretanje ovisi o njezinoj viskoznosti i dimenzijama cijevi. Što je veća viskoznost, potreban je veći pritisak da se tekućina progura kroz cijev. Brzina protoka zadana je Poiseuilleovom jednadžbom, gdje je F brzina protoka, R je polumjer cijevi, L je njegova duljina, ∆P je razlika tlaka između krajeva cijevi, a η je viskoznost tekućine.

Slika 1: Odnos brzine protoka prema viskoznosti.

Što je viskoznost veća, protok je niži. Bez obzira pumpate li mulj za bušenje, frakciju ili sirovu naftu kroz nekoliko kilometara cijevi, male promjene viskoznosti mogu imati velike posljedice na ravnotežu tlaka u sustavu, kao i na snagu potrebnu za pumpanje tekućine.

Na primjer, za pumpanje teške sirove nafte kroz cjevovod, tlak crpljenja može se smanjiti kontroliranjem njegove viskoznosti. Smanjenje viskoznosti zagrijavanjem ulja ili razrjeđivanjem skupo je. Da bi se utvrdilo koliko topline ili razrjeđivača treba dodati, mjerenje je stvarne viskoznosti razrijeđene sirove nafte. Korištenjem linijskog viskozimetra i regulatora povratne sprege za podešavanje temperature ili količine razrjeđivača može se postići optimalna ravnoteža između dodanih troškova smanjenja viskoznosti i željene viskoznosti proizvoda.

Ako je cijev okomita umjesto vodoravna, gravitacija na tekućini dodaje se njegovom otporu protoka i mijenja pad tlaka na cijevi:

gdje je ρ gustoća fluida, ∆H okomita visina cijevi, a g ubrzanje gravitacije.

Tehnički, ova je formula točna samo za laminarni tok Newtonovih tekućina. Međutim, općeniti odnosi daju korisne procjene u mnogim slučajevima kada ti uvjeti nisu ispunjeni.

Slika 2: Odnos pada tlaka i gustoće.

Poznavanje gustoće tekućine presudno je za održavanje ravnoteže tlaka u bušotini. A budući da se stvarna težina tekućine koristi za izračunavanje vrijednosti proizvoda, precizno mjerenje gustoće važan je čimbenik prijenosa skrbništva.

Važnost mjerenja svojstava tekućeg svojstva

Unatoč važnosti gustoće i viskoznosti u svim aspektima uzvodnih i nizvodnih operacija, notorno ih je teško izmjeriti pod ekstremnim uvjetima koji se mogu naći u naftnoj i plinskoj industriji. Tradicionalne laboratorijske metode uključivale su osjetljive, skupe instrumente koji su se mogli koristiti samo na uzorcima uzetim iz terenskih operacija.

No, operateru koji pokušava kontrolirati konzistenciju blata tijekom bušenja potrebno je trenutno, unutarnje mjerenje kako bi mogao u trenutku optimizirati parametre bušenja. Laboratorijsko izvješće dostavljeno satima nakon uzimanja uzorka samo je ograničene vrijednosti, jer odražava prošlost, a ne stvarne uvjete.

U postupcima frakiranja gustoća je najvažnija kako bi se utvrdilo je li koncentracija propant-a na meti. Ugrađeno mjerenje gustoće je presudno, jer se u frackingu stvari događaju brzo. Slično tome, u cementiranju je poznavanje gustoće cementa neophodno za održavanje odgovarajuće ravnoteže tlaka. Znanje kakva je bila gustoća tekućeg cementa nekoliko sati prije nego što se stvrdnuo, malo je korisno za operatera. Za mjerenje gustoće pri visokim tlakovima pumpanja jedina su mogućnost apsorpcijski instrumenti. Ali povećani troškovi usklađenosti i rukovanja nuklearnim izvorima postali su ogroman teret za industriju.

Jedna od najizazovnijih aplikacija za unutarnje mjerenje svojstava fluida ujedno je i najcjenjenija. To je procjena nastalih tekućina tijekom bušenja.

Procjena tekućine za stvaranje - od svrdla do PVT laboratorija i dalje

Procjena tvorbene tekućine dodiruje temelje naftne i plinske industrije. Znanje prisutnih fluida i kako će se ponašati tijekom vađenja i transporta bitno je za sigurno i ekonomično bušenje, dovršavanje i proizvodnju.

Uzorci tvorbene tekućine tradicionalno se dobivaju pomoću žičanih alata. Njihovo prikupljanje zahtijeva povlačenje bušaće strune, postavljanje žičanog alata, prikupljanje uzoraka koji se zatim šalju u laboratorij, nakon čega slijedi ponovno umetanje bušaće strune. Kako bi se očuvala cjelovitost uzoraka, potrebno ih je održavati u uvjetima temperature, tlaka i tlaka u ležištu dok se iznose na površinu, što je tehnički zahtjevan i skup postupak.

Razvoj napredne senzorske tehnologije i visokotemperaturne elektronike čini praktičnim uključivanje senzora viskoznosti i gustoće u žičane alate. Primjer je Baker Hughes Reservoir Characterization Instrument (RCI) s uslugom In-Situ Fluids eXplorer (IFX). Žičani alat IFX uključuje senzor gustoće i viskoznosti koji se temelji na piezoelektričnom rezonatoru viljuške za ugađanje – jednu od osnovnih klasa tehnologije koja je dobro prilagođena za inline mjerenje gustoće i viskoznostioring.

Istodobno, Baker Hughes razvijao je FASTrak bilježenje dok je vršio uslugu bušenja (LWD) koja je omogućavala analizu fluida i uzorkovanje tijekom bušenja, bez potrebe za prekidom radi žičarenja. Ovaj je sustav uključio piezoelektrični sustav za mjerenje viskoznosti iz alata IFX.

Godine 2010. Baker Hughes je kontaktirao Rheonics, Inc. (bivši Viscoteers, Inc.) kako bi razvili alternativu vrlo krhkoj piezoelektričnoj vilici za ugađanje koja se koristila u sustavu FASTrak. Rezultat je bio Rheonics DV-2000, torzijski rezonator vilice za ugađanje koji je konačno formirao osnovu za proširenu obitelj inline senzora gustoće – viskoznosti koji sada pokrivaju širok raspon primjena u sektoru nafte i plina.

Korištenje električnih romobila ističe Rheonics DV-2000 i njegovi potomci

Poučno je pomnije pogledati Rheonics DV-2000, jer ilustrira pristup mjerenju gustoće i viskoznostioring koji je i općenit u konceptu i svestran u svojoj provedbi.

Korištenje električnih romobila ističe Rheonics DV-2000 je vibracijski senzor čije su rezonantne karakteristike modificirane interakcijom s tekućinom.

DV-2000 sastoji se od dva spojena torzijska rezonatora koji zajedno čine torzijsku vilicu za podešavanje, prikazanu u nastavku pored tipične instalacije u LWD modulu:

Slika 3: DV rezonator u modulu za analizu fluida LWD.

Rezonator je uronjen u tekućinu koja se ispituje. Zupci sadrže trajne magnete koji se u torzijskim vibracijama pokreću i osjete pomoću zavojnica postavljenih izvan komore za fluid pod tlakom u kojoj se nalazi rezonator.

Spljošteni zupci djeluju s tekućinom na dva različita načina kada titraju u torziji. Oni posmiču tekućinu, što uzrokuje prijenos energije iz zubaca u tekućinu pomoću viskoznih sila. I istiskuju tekućinu, što uzrokuje masno opterećenje zubaca proporcionalno gustoći tekućine.

Kada DV-2000 pokreće sinusni val, njegova amplituda doseže vrhunac na svojoj rezonantnoj frekvenciji. Što više energije izgubi tekućini viskoznim silama, njezin će rezonantni vrh biti ravniji i širi. Slično tome, kada je rezonator opterećen gustom tekućinom, njegova se rezonantna frekvencija smanjuje za količinu koja ovisi o gustoći tekućine.

Slika 4: Širenje rezonantnog vrha viskoznim prigušivanjem (povećana viskoznost) i pomicanje rezonancijskog vrha masnim opterećenjem (povećana gustoća).

Širina rezonantnog vrha može se koristiti za izvođenje viskoznosti tekućine, a pomak njezine rezonantne frekvencije može se koristiti za izvođenje gustoće tekućine. Zajedno s Rheonics DVM-ov elektronički paket, senzor može mjeriti gustoću i viskoznost na temperaturama do 500°F i pritiscima do 30,000 PSI.

Specifikacije gustoće i viskoznosti DV-2000 prikazane su u sljedećoj tablici:

Rezultati testova provedenih u Baker Hughesu prikazani su u sljedećem charts. Prva dva pokazuju točnost mjerenja viskoznosti za niz tekućina koje pokrivaju navedeni raspon viskoznosti i gustoće. Treća pokazuje točnost mjerenja gustoće. Dva retka u svakom chart pokazati gornju i donju granicu dopuštenih pogrešaka za oba mjerenja.

Tablica 1: Specifikacija performansi za Rheonics DV-2000 senzor.

Slika 5: Točnost viskoznosti (lijevo) i gustoće (desno) senzora za različite tekućine.

Inline instrumenti za gustoću – viskoznost temeljeni na Rheonics DV-2000

Izvrsna točnost, ponovljivost i robusnost DV-2000 doveli su do ugradnje u dva ugrađena DV instrumenta pogodnija za ugradnju i obradu aplikacija.

Korištenje električnih romobila ističe Rheonics DVM je DV-2000 montiran u blok od titana s visokotlačnim ulaznim i izlaznim priključcima. Njegov stvarni mjerni volumen je oko 0.7 cm³. Radi pri pritiscima do 30,000 500 PSI i temperaturama do 2000 °F. Specifikacije njegove točnosti i dometa slične su onima DV-XNUMX kao što je gore navedeno, ali njegov potencijal daleko premašuje specifikacije. Glavne primjene Rheonics DVM je bio u PVT analizi živih uzoraka nafte, u kojoj je potrebno raditi s vrlo malim količinama materijala dok se drže u uvjetima temperature i tlaka u ležištu. Prijašnja mjerenja zahtijevala su odvojene instrumente za mjerenje gustoće i viskoznosti, zahtijevajući znatno veće količine uzoraka, kao i glomazne sustave za prijenos tekućine.

DVM se također koristi za mjerenje gustoće i viskoznosti tekućeg i plinovitog CO₂ u eksperimentima s poplavom jezgre s točnošću koja daleko premašuje gore navedenu ciljanu specifikaciju.

Drugi instrument temeljen na DVM-u je Rheonics DVP, koji je dizajniran kao višenamjenski inline senzor za upotrebu u spremnicima, cjevovodima i reaktorima. Specifikacije njegovog raspona i točnosti iste su kao one za DVM, ali s nižim tlakom od 10,000 XNUMX PSI. DVP je usmjeren prema aplikacijama koje uključuju nadzor s više stanicaoring tekućina u cjevovodima, optimizacija pumpe na temelju viskoznosti, nadzor nad nadzorom i nadzor gustoće u liniji visokog tlakaoring. DVP je jedan od rijetkih nenuklearnih instrumenata koji su sposobni za precizna inline mjerenja gustoće pri tlakovima u rasponu od 10,000 XNUMX PSI, i kao takav, otvara mnoga nova područja primjene koja su prethodno bila pokrivena neizravnim metodama kao što su prijenos ultrazvuka ili mjerenja diferencijalnog tlaka preko vertikalni stup tekućine.

Studije slučaja: the Rheonics DVM u analizi ulja uživo i instalacijama za naplavljivanje jezgre

Mjerenje gustoće i viskoznosti na uzorcima živog ulja tvrtke AsphWax, Inc.

Korištenje električnih romobila ističe Rheonics DVM je idealno prikladan za mjerenje svojstava živih uzoraka ulja zbog svog malog volumena uzorka, širokog raspona mjerenja viskoznosti bez prekidanja mjerenja radi rekonfiguracije hardvera i njegove sposobnosti da istovremeno mjeri gustoću i viskoznost na istom uzorak. Budući da konkurentski sustavi koriste dva odvojena instrumenta za mjerenje gustoće i viskoznosti, zahtijevaju veći volumen uzorka i uzrokuju komplikacije u prijenosu živih uzoraka ulja. Sljedeća slika prikazuje a Rheonics DVM ugrađen u spremnik uzorka živog ulja unutar pećnice. Njegova kompaktna veličina i jednostavno spajanje omogućuju mu da se montira izravno na spremnik uzorka živog ulja[1]. Probni rad heptana na 46.8 ° C i tlaku od 341 bara dao je sljedeće vrijednosti u usporedbi sa standardnim referentnim vrijednostima:

Podaci DVM mjerenja ljubaznošću tvrtke Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

Stol 2: Izmjerena točnost Rheonics DVM.

Slika 6: Rheonics DVM modul.

Primjena Rheonics DVM2000 viskozimetar za određivanje reoloških svojstava emulzija u naftnim ležištima

Napredne EOR tehnike koriste sustav u kojem su dvije tekućine koje se ne miješaju emulgirane. Pjena EOR uključuje stvaranje emulzija stabiliziranih površinski aktivnim plinom i vodom u ležištu za kontrolu pokretljivosti niskog viskoziteta istisnutog plina (N₂, laki ugljikovodici, CO₂ itd.) i tako povećati učinkovitost zamaha. U kemijskim EOR metodama poput poplave ASP (polimer alkalnog surfaktanta), postupak obnavljanja ulja reguliran je stvaranjem mikroemulzije ulja i vode induciranom surfaktantom koja se zatim lovi poplavom viskozne salamure izazvane polimerom. Obje metode nastoje optimizirati reološka svojstva u uvjetima ležišta uz minimalni kemijski dodatak. Možda će trebati dana do mjeseci da laboratorijska karakterizacija reološkog ponašanja formulacije u uvjetima ležišta učini brzi pregled formulacija prilično izazovnim. Najvažniji i najmanje kontrolirani čimbenici su svojstva poroznog medija. Ta se svojstva mogu promijeniti tijekom eksperimenta, čineći izravno mjerenje reoloških svojstava gotovo nemogućim.

Korištenje električnih romobila ističe Rheonics DVM-2000 može istovremeno mjeriti gustoću i viskoznost takvih kemijskih formulacija u uvjetima ležišta u nekoliko sati, čineći korak ograničavanja brzine vremenskom skalom kemijskih interakcija u procesu. Naši kupci koriste DV-2000 u svojim uređajima za navodnjavanje jezgre kako bi ubrzali razvoj proizvoda točnim reološkim mjerenjima u uvjetima ležišta.

Mogućnost istovremenog mjerenja gustoće i viskoznosti također pruža bitne informacije o teksturi emulzije. Ujednačena izmjerena gustoća i stabilna viskoznost ukazuju na stabilnu emulziju s homogeno dispergiranim fazama. S druge strane, ako je tekstura nehomogena, kao u slug flow-u, to se kvalitativno pokazuje jakim fluktuacijama naznačene gustoće i viskoznosti. Takve su informacije suštinske za dizajn i implementaciju EOR metoda. Shema tipičnog protoka kroz postavljanje pomoću Rheonics Jedinica DVM-2000 prikazana je na sljedećoj slici, gdje se dvije tekućine koje se ne miješaju (od kojih je jedna tipično formulacija surfaktanta u slanoj vodi) pumpaju istovremeno kroz inline miješalicu, Rheonics DVM-2000 monitoring sustav i sustav za naplavljivanje jezgre u seriji.

Slika 7: Postavljanje jezgre s ugrađenim DVM modulom.

Outlook za mjerenje rezonantne gustoće i viskoznosti

Senzori rezonantnih svojstava fluida tipova koje nudi Rheonics, Inc. pomiču granice mjerenja za koja se smatra da su moguća samo s instrumentima laboratorijske kvalitete. Osim gore navedenih primjena, ovi se senzori također koriste za mjerenje taloženja voskova i asfaltena. RheonicsOsnovna tehnologija može se optimizirati za mjerenje ne samo taloženja, već i korozije u stvarnom vremenu, dopuštajući ciljano doziranje kemijskih tretmana pod uvjetima na terenu.

Treći Rheonics senzor, SRV, sposoban je mjeriti viskoznost u vrlo širokom rasponu, od manje od 1 cP do 50,000 XNUMX cP. To je vrlo stabilan instrument za kontrolu procesa za upotrebu u proizvodnji i operacijama doziranja, čak i s disperzijama, kašama i drugim netipičnim tekućinama. Trenutno se koristi za točnu kontrolu viskoznosti ne-Newtonove kaše u visokovrijednoj primjeni premaza. Također se može koristiti za praćenje i kontrolu viskoznosti tekućina u cijevima i cjevovodima, uključujući sustave gorionika goriva za brodske motore i cjevovodni transport zagrijane ili razrijeđene teške sirove nafte.