Ovaj rad opisuje novi senzor gustoće i viskoznosti koji s visokom preciznošću i razlučivošću mjeri svojstva tvorbenih tekućina. Dinamička viskoznost (ri) u kombinaciji s drugim parametrima fluida kao što su gustoća (p), brzina zvuka, indeks loma, apsorpcijski spektar i toplinska vodljivost pružaju sveobuhvatnu karakterizaciju tekućine u uzorku. Procjena propustljivosti formacije kritična je za predviđanje proizvodnog potencijala rezervoara. Mjerenja mobilnosti koja se izvode na formaciji pomoću različitih alata za uzorkovanje u bušotinama mogu se upotrijebiti za izračunavanje propusnosti formacije kad je poznata točna in-situ viskoznost tekućina za formiranje.

Tekućina u uzorku može biti bilo koja kombinacija raznih molekulskih ugljikovodika, slanih otopina, filtrata blata na bazi ulja ili vode i plinova. a tekućine obično imaju viskoznost u rasponu od 0.5 do 4 cP (mPa.s), ali u teškim uljima mogu biti i do 40 cP. Gustoća tekućine može biti u rasponu od 0.2 do 1.5 g / cc. Uz to, tekućine također mogu biti vodljive i mogu imati djelomično ne-njutonska svojstva.

Da bi se senzor mogao upotrebljavati u uzorku za formiranje uzoraka i alata za analizu, mora imati veliki dijamički raspon s točnošću boljom od 10% očitanja. On također mora biti sposoban za mjerenje na temperaturama do 175 ° C i pritiscima većim od 25 kpsi.

U ovom radu opisan je novi senzor koji može udovoljiti svim tim zahtjevima. To je pogonjeni mehanički rezonator čija rezonantna frekvencija i prigušenje daju točne vrijednosti za viskoznost i gustoću tekućine u koju je uronjen. Senzor je dizajniran tako da bude i visoko precizan i dovoljno robustan da podnese temperaturu, tlak i vibracije pri bušenju u bušotini. Viskoznost se mjeri na ispod 0.1 cP za tekućine manje od 1 cP i 10% za sve viskoznosti veće od 1 cP. Mjerenja gustoće preciznija su od 0.01 g / cc. Senzor se može upotrijebiti za alate žičane mreže i za vrijeme bušenja (LWD).

U radu su prikazani principi mjerenja na senzoru, ispitivanju kvalifikacije visokog i visokog pritiska. Laboratorijska mjerenja viskoznosti i gustoće tekućine provedena s novim senzorom prikazana su za različite kalibracijske tekućine koje su tipične za tekućine u bušotini prikupljene alatima za uzorkovanje formacije.

Za usluge ocjenjivanja žičare i LWD implementirani su različiti senzori za in situ mjerenje viskoznosti i gustoće. U 2008, Baker Hughes predstavio je piezoelektričnu tunu vilicu [6] koja pomoću RMSE mjeri gustoću tekućine u području od 0.01 do 1.5 g / ccm.

± 0.015 g / cc za viskoznosti niže od 30cP; i RMSE ± 0.03 g / cc za viskoznosti između 30cP i 200cP. Raspon mjerenja viskoznosti za ovaj senzor je 0.2 do 30 cP s RMSE ± 0.1 cP ili 10% (što je veće) i između 30 i 200 cP s RMSE ± 20%.

Ovaj je senzor u početku razvijen za žičane aplikacije, no 2010. je prilagođen za LWD alate. Istodobno je Baker Hughes u suradnji s Viscoteers Inc. počeo razvijati novu senzorsku tehnologiju prilagođenu zahtjevnom okruženju bušenja, ispunjavajući i premašivajući mogućnosti mjerenja svog prethodnika.

Novi senzor vrlo je precizan torzijski rezonator [3] koji mijenja svoje karakteristike - rezonantnu frekvenciju i prigušenje - ovisno o gustoći i viskoznosti tekućine u koju je senzor uronjen. (Slika 1).

Rezonator se pobudi i osjeti bežično magnetskim spajanjem između električnih namotaja izvan senzorske komore i magneta ugrađenih u zupčaste glave rezonatora [3] (Slika 2). Rezonator je izrađen od vrlo čvrstog, vrlo korozivno otpornog i dobro karakteriziranog metala, čija svojstva ostaju stabilna pod visokom temperaturom i visokim atmosferskim pritiskom. Ovakva konfiguracija izbjegava električno napajanje do strane tekućine pod visokim tlakom, koji su ozloglašeni izvor kvarova u senzorima koji zahtijevaju električne spojeve preko tlačne barijere. Kako je rezonator u potpunosti izrađen od metala, senzor je izuzetno robustan i prikladan za oštro okruženje u uvjetima bušenja u bušotini.

Slika 1, Krivulje amplitude i faze rezonatora određuju frekvenciju rezonancije senzora uronjenog u dva fluida s različitim prigušenjima. Grafički prikaz Good-bread i dr., 20013.

Rezonator se pobudi i osjeti bežično magnetskim spajanjem između električnih namotaja izvan senzorske komore i magneta ugrađenih u zupčaste glave rezonatora [3] (Slika 2). Rezonator je izrađen od vrlo čvrstog, vrlo korozivno otpornog i dobro karakterističnog metala, čija svojstva ostaju stabilna pod visokom temperaturom i visokim pritiskom okoline. Ovakva konfiguracija izbjegava električno napajanje do strane tekućine pod visokim tlakom, koji su ozloglašeni izvor kvarova u senzorima koji zahtijevaju električne spojeve preko tlačne barijere. Kako je rezonator u potpunosti izrađen od metala, senzor je izuzetno robustan i prikladan za teška okruženja u uvjetima bušenja u bušotini.

Mehanički oscilator ima visoki Q-faktor, što je preduvjet velikog dinamičkog raspona mjerenja prigušivanja.

Dvije vrijednosti izmjerene senzorom, rezonantnom frekvencijom i prigušivanjem, povezane su s vrijednostima viskoznosti i gustoće pomoću matematičkog modela, kao i empirijske kalibracijske krivulje izgrađene za svaki senzor. Obje metode daju krajnje točne i ponovljive rezultate (vidi specifikaciju senzora), ali zato što je metoda empirijskog umjeravanja manje računalno skupa i manje je podložna promjenama oblika senzora, to je poželjnija metoda.

Rezonator potiče namotajima pokretanim izmjeničnom strujom koja varira u učestalosti onako kako to zahtijeva mjerenje. Odgovor senzora osjeti se dodatnim namotima na zavojnice. Cijelo mjerenje viskoznosti i gustoće traje oko 1 s, što je značajno poboljšanje u odnosu na prethodne tehnologije, jer se može izvoditi dok je tlak konstantan u razdoblju crpljenja pumpe.

Slika 2, Senzor gustoće gustoće spojen koncept torzijskog rezonatora. Grafički prikaz Goodbread i sur., 20013.

Senzor (Sl. 3) ne samo da podnosi ekstremno visok pritisak i temperaturu (laboratorijski testiran na 2000 bara i 200 ° C), već je i imun na oštećenja uslijed udara do 750 g i stalne vibracije do 30 g.

Slika 3, Dizajn senzora osjetljivosti-gustoće viskoznosti

Senzorom upravlja petlja sa zaključanom fazom koja prati i nadzire njegovu rezonantnu frekvenciju kako bi se izmjerila gustoća tekućine. Periodičnom promjenom faznog odnosa između pobude i odziva senzora može se odrediti prigušivanje rezonatora, iz kojeg se može procijeniti viskozitet, kao što je prikazano na Slika 4.

Slika 4, Metoda faznog pomaka za proračun prigušivanja tekućine. Grafički prikaz Goodbread i sur., 20013.

Specifikacije su provjerene na temelju testiranih svojstava proizvedenih senzora. Senzor može mjeriti uzorke tekućine bilo koje kombinacije raznih molekulskih ugljikovodika, filtrata i plinova na bazi soli ili ulja ili vode.

Ogroman dinamički raspon senzora može se uočiti usporedbom njegovih specifikacija sa standardnim sustavima za mjerenje gustoće tekućine i viskoznosti.

Tablica 1, Specifikacije senzora viskoznosti gustoće

Senzor je testiran na različitim pritiscima i temperaturama s nekoliko odabranih tekućina kako bi se pokrio raspon viskoznosti i gustoće tekućina u bušotini.

Rezultati ispitivanja potvrđuju točnost i preciznost mjerenja u potrebnom rasponu tekućina. Korištene tekućine su:

• Fiziološka otopina koncentracije 2 mol NaCl po litri vode,
• N-dodekan
• Standardno viskozno ulje Cannon® S-20, N-2, N-10, N-35, N-75, S-6.

Ove tekućine su izabrane zbog:

1. Točne referentne vrijednosti za njihova svojstva su dostupne
2. njihov raspon viskoznosti i gustoće obuhvaća raspon senzora
3. njihova fizička svojstva daju reprezentativan uzorak fluida koji se nailazi na bušotinu (tj. voda i uljna baza, vodljiva i neprevodna tekućina)

Slika 5 prikazuje raspon mjerenja gustoće i točnost postignut senzorom za različite tekućine.

Slika 5, Izmjerena gustoća slane otopine (2mol / l), N-dodekan, top S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 i kloroform. Čvrste crne i crvene linije predstavljaju maksimalne i minimalne dopuštene vrijednosti propisane specifikacijama senzora.

Slika 6 i 7 prikazuju raspon mjerenja viskoznosti i točnost postignutu senzorom za različite tekućine koje pokrivaju većinu raspona specifikacija.

Slika 6, Izmjerena viskoznost u gornjem rasponu slane otopine (2mol / l), N-dodekan, top S-6, N-2, N-10, N-35 i N-75. Čvrste crne i crvene linije predstavljaju maksimalne i minimalne dopuštene vrijednosti propisane specifikacijama senzora.

Slika. 7. Izmjerena viskoznost u nižem rasponu slane otopine (2mol / l), N-dodekan, top S-6, N-2, N-10, N-35 i N-75. Čvrste crne i crvene linije predstavljaju maksimalne i minimalne dopuštene vrijednosti propisane specifikacijama senzora.

N-dodekan je odabran za detaljno ispitivanje zbog dostupnosti točne reference do visokih tlaka (1900 bara) i visokih temperatura (200 ° C).

Slika 8 i 9 prikazati ponašanje mjerenja viskoznosti u odnosu na promjene tlaka (1 do 1500 bara). Vrijednosti slijede referentnu viskoznost s pogreškom manjom od 5% očitanja. Za svako stanje tlaka i temperature uzima se 50 mjernih točaka, (Slika 9).

Slika 9 daje grafički prikaz apsolutne pogreške (udaljenost od 0 linije) i preciznosti (varijacija oblaka točaka za svako mjerenje tlaka temperature) koja je bolja od 0.5% očitanja.

Slika. 8. Viskoznost N-dodekana pri 50 ° C između 1 i 1,500 bara. Referentne vrijednosti od Caudwell i sur., 2008.

Slika. 9. Pogreške izmjerene viskozitetom N-dodekana (s referencom na referentnu vrijednost) pri 50 ° C, između 1 i 1,500 bara. Referentne vrijednosti od Caudwell i sur., 2008.

Slika 10 i 11 prikazati ponašanje mjerenja gustoće u odnosu na promjene tlaka (1 do 1,500 0.003 bara). Izmjerena gustoća sadrži točnost bolju od +/- XNUMX g / cc.

Slika. 10. Gustoća N-dodekana pri 50 ° C između 1 i 1,500 bara. Referentne vrijednosti od Caudwell i sur., 2008.

Slika. 11. Pogreške mjerene gustoćom N-dodekana (uz referentnu referencu) na 50 ° C, između 1 i 1,500 bara. Referentne vrijednosti od Caudwell i sur., 2008.

Izračunana minimalna preciznost iz posljednje dvije grafike je bolja od 0.1% očitanja.

Novi senzor gustoće i viskoznosti, dizajniran za zahtjevno okruženje LWD-a, tijekom laboratorijskih ispitivanja pokazao je bolje rezultate od ciljanih specifikacija. Rezultat dobiven za tri tekućine prikazane u ovom radu potvrđuje da:

• Senzor ne pokazuje nikakvu pristranost mjerenja s promjenama tlaka i
• Preciznost senzora za sve tekućine prikazane u radu je bolja od +/- 0.001 g / cc za gustoću i bolja od +/- 1% za viskoznost.
• Točnost gustoće senzora u svim provedenim ispitivanjima je bolja od 0.01 g / cc. Točnost viskoznosti je bolja od 10% očitanja za viskoznosti veće od 1 mPa.s i bolja od 0.1 mPa.s za viskoznosti niže od 1 mPa.s.
• Senzor ne pokazuje oštećenja niti promjene u ponašanju mjerenja nakon ispitivanja šoka i vibracija prema specifikacijama.
• Senzor proizvodi stabilna mjerenja za vrijeme i nakon ciklusa temperature i tlaka
• Nije bilo dokaza o mehaničkom ili korozijskom oštećenju senzora nakon svih ispitivanja nakon svih ispitivanja.
• Novi senzor je dovoljno robustan da podnese teške uvjete okruženja LWD-a i usluga žičane mreže, pružajući viskozitet i gustoću s točnošću i preciznošću potrebnim za alat za analizu bušotinskih kanala.
• Senzor dobro djeluje u vodljivoj (slanoj) ili neprovodnoj tekućini, ne pokazuju znakove utjecaja pri ispitivanju na vodljive tekućine.

1. Caudwell Derek R., Trusler JP Martin, Vesović Velisa, Wakeham William A., 2004., Viskoznost i gustoća n-dodekana i n-oktadekana pri pritiscima do 200MPa i temperaturama do 473 K., Međunarodni časopis za termofiziku 08 / 2004.
2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013., Uzorkovanje tijekom bušenja ide tamo gdje žičana linija ne može: Studije slučaja koje ilustriraju mjerenja kvalitete žičane mreže u izazovima okruženja bušotine, SPE-164293.
3. Goodbread Joe, Juerg Dual, Viscoteers Inc, 2013, spojeni torzijski rezonatorski viskozitor, EP2596328 A2.
4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H. i Correia Robert J., 1981., Tablice dinamičke i kinematičke viskoznosti vodenih otopina NaCl u temperaturnom rasponu 20-150 ° C i rasponu tlaka 1-35 MPa, Phys. Chem. Ref. Podaci, Vol. 10, br.1 1981.
5. Lundstrum Robbi, Goodwin Antony RH, Hsu Kai, Frels Michael, Caudwell Derek R., Trusler JP Martin i Marsh Kenneth N., 2005., Mjerenje viskoznosti i gustoće dvaju referentnih tekućina, nominalne viskoznosti pri T = 298 K i p = 0.1 MPa (16 i 29) mPa.s, pri temperaturama između (298 i 393) K i pritiscima ispod 55MPa, J. Chem. Ing. Podaci 2005, 50, 1377 - 1388.
6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc, 2007, Metoda i uređaji za karakterizaciju tekućine u bušotini pomoću fleksibilnih mehaničkih rezonatora, američki patenti 7,162,918 B2.
7. Rogers PSZ i Pitzer Kenneth S., 1982., Volumetrijska svojstva vodenih otopina natrijevog klorida, J. Phys. Chem. Ref. Podaci, Vol. 11, br.1 1982.

Da biste saznali više o našim rješenjima za energetsku industriju, posjetite stranicu s rješenjima.