Měření viskozity a hustoty v ropném a plynárenském sektoru patří k nejdůležitějším, ale také nepolapitelným operacím. Od průzkumu přes vrtání až po výrobu až po přepravu jsou identita a vlastnosti kapalin samotnou životní silou tohoto odvětví.

Laboratorní přístroje mají pouze omezené použití pro měření vlastností tekutin za podmínek nádrže. Velmi vysoké tlaky a teploty, rázy a vibrace, omezená dostupnost energie a především velká prostorová omezení vyžadují nové a kreativní přístupy k měření viskozity a hustoty. V tomto článku zkoumáme jak nutnost měření inline viskozity a hustoty, tak také popis několika nových produktů, které umožňují inline měření v nejnáročnějších prostředích průmyslu.

Znalosti o tekutinách jsou síla - síla bezpečně a ekonomicky provozovat procesy. A právě ty vlastnosti - viskozita a hustota - které je nejobtížnější zachytit v hlubinných a průmyslových podmínkách, mohou být nejdůležitější pro pochopení toho, jak budou tekutiny reagovat v celém spektru podmínek, které mohou nastat ve vašem procesu.

Proč je viskozita důležitá

Když kapalina protéká potrubím, tlak potřebný k jejímu pohybu danou rychlostí závisí na její viskozitě a rozměrech potrubí. Čím vyšší je viskozita, tím větší tlak je zapotřebí k protlačení kapaliny potrubím. Průtok je dán Poiseuilleovou rovnicí, kde F je průtok, R je poloměr potrubí, L je jeho délka, ∆P je tlakový rozdíl mezi konci potrubí a η je viskozita kapaliny.

Obrázek 1: Vztah rychlosti toku k viskozitě.

Čím vyšší je viskozita, tím nižší je průtok. Ať už čerpáte vrtné bahno, frakční kapalinu nebo ropu několika kilometry potrubí, malé změny viskozity mohou mít obrovské důsledky pro tlakovou rovnováhu systému i pro výkon potřebný k čerpání kapaliny.

Například pro čerpání těžké ropy potrubím lze pomocí regulace jeho viskozity snížit čerpací tlak. Snížení viskozity zahříváním oleje nebo jeho ředěním je drahé. Chcete-li zjistit, kolik tepla nebo ředidla přidat, vyžaduje měření skutečné viskozity zředěné suroviny. Použitím inline viskozimetru a zpětnovazebního ovladače pro nastavení teploty nebo množství ředidla lze dosáhnout optimální rovnováhy mezi přidanou cenou snížení viskozity a požadovanou viskozitou produktu.

Pokud je potrubí svislé místo vodorovné, přidá se gravitační tah kapaliny k jejímu odporu proudění a upraví tlakový spád přes potrubí:

kde ρ je hustota kapaliny, ∆H je svislá výška potrubí ag je gravitační zrychlení.

Technicky je tento vzorec správný pouze pro laminární proudění newtonských tekutin. Obecné vztahy však poskytují použitelné odhady v mnoha případech, kdy tyto podmínky nejsou splněny.

Obrázek 2: Vztah tlakové ztráty k hustotě.

Znalost hustoty kapaliny je zásadní pro udržení tlakové rovnováhy ve studni. A protože se k výpočtu hodnoty produktu používá skutečná hmotnost kapaliny, je přesné měření hustoty zásadním faktorem při přenosu do úschovy.

Důležitost inline měření vlastností tekutin

Navzdory důležitosti hustoty a viskozity ve všech aspektech operací na horním a dolním toku je obtížné je měřit za extrémních podmínek v ropném a plynárenském průmyslu. Tradiční laboratorní metody zahrnovaly jemné a drahé přístroje, které bylo možné použít pouze na vzorky odebrané z provozu v terénu.

Ale operátor, který se pokouší kontrolovat konzistenci bahna během vrtání, potřebuje okamžité inline měření, aby mohl za chodu optimalizovat parametry vrtání. Laboratorní zpráva doručená několik hodin po odebrání vzorku má pouze omezenou hodnotu, protože odráží spíše minulost než skutečné podmínky.

Při frakčních operacích je hustota důležitá pro určení, zda je koncentrace propantu na cíli. Inline měření hustoty je zásadní, protože při frakování se věci stávají rychle. Podobně při cementování je znalost hustoty cementu nezbytná pro udržení správné tlakové rovnováhy. Vědět, jaká byla hustota tekutého cementu několik hodin před jeho nastavením, má pro operátora malou hodnotu. Pro měření hustoty při vysokých čerpacích tlacích jsou nástroje pro absorpci jader asi jedinou možností. Zvýšené náklady na dodržování předpisů a nakládání s jadernými zdroji se však pro průmysl staly obrovskou zátěží.

Jedna z nejnáročnějších aplikací pro měření vlastností kapalin inline je také nejcennější. Jde o hodnocení formovacích tekutin během vrtání.

Hodnocení formovací kapaliny - od vrtáku po laboratoř PVT a dále

Hodnocení formovací kapaliny se dotýká základů ropného a plynárenského průmyslu. Pro bezpečné a hospodárné vrtání, kompletaci a výrobu je nezbytné vědět, jaké kapaliny jsou přítomny a jak se budou chovat při těžbě a přepravě.

Vzorky formovací tekutiny se tradičně získávají pomocí drátových nástrojů. Jejich odběr vyžaduje vytažení vrtné struny, umístění drátěného nástroje, sběr vzorků, které jsou poté odeslány do laboratoře, a poté opětovné zavedení vrtné struny. Aby byla zachována integrita vzorků, je nutné je udržovat v podmínkách teploty a tlaku v nádrži, které se dostávají na povrch, což je technicky náročný a nákladný proces.

Díky vývoji pokročilé technologie senzorů a vysokoteplotní elektroniky je praktické zahrnout senzory viskozity a hustoty do drátových nástrojů. Příkladem je Baker Hughes Reservoir Characterization Instrument (RCI) se službou In-Situ Fluids eXplorer (IFX). Nástroj IFX wireline zahrnuje snímač hustoty a viskozity založený na piezoelektrickém ladicím vidlicovém rezonátoru - jedné ze základních tříd technologie, která je vhodná pro monitorování hustoty a viskozity inline.

Ve stejné době Baker Hughes vyvíjel své FASTrak protokolování při vrtání (LWD), které umožňovalo analýzu tekutin a vzorkování během vrtání, aniž by bylo nutné jej přerušovat kvůli drátovému protokolování. Tento systém obsahuje piezoelektrický systém měření hustoty viskozity z nástroje IFX.

V roce 2010 kontaktoval Baker Hughes společnost Rheonics, Inc. (dříve Viscoteers, Inc.), aby vyvinuli alternativu k velmi křehké piezoelektrické ladičce, která byla použita v systému FASTrak. Výsledkem byl Rheonics DV-2000, torzní ladicí vidlicový rezonátor, který nakonec vytvořil základ pro rozšířenou rodinu inline senzorů hustoty a viskozity, které nyní pokrývají širokou škálu aplikací v ropném a plynárenském sektoru.

Rheonics DV-2000 a jeho potomci

Je poučné podrobněji se podívat na Rheonics DV-2000, protože ilustruje přístup k monitorování hustoty a viskozity, který je jak koncepčně obecný, tak univerzální v jeho implementaci.

Rheonics DV-2000 je vibrační senzor, který má své rezonanční charakteristiky modifikované interakcí s kapalinou.

DV-2000 se skládá ze dvou spřažených torzních rezonátorů, které společně tvoří torzní ladičku, která je uvedena níže vedle typické instalace v modulu LWD:

Obrázek 3: DV rezonátor v modulu pro analýzu tekutin LWD.

Rezonátor je ponořen do testované kapaliny. Hřeby obsahují permanentní magnety, které jsou poháněny a snímány v torzních vibracích cívkami, které jsou umístěny mimo komoru s tlakovou tekutinou, která obsahuje rezonátor.

Zploštělé hroty interagují s tekutinou dvěma různými způsoby, když vibrují v kroucení. Stříhají tekutinu, což způsobuje přenos energie z prstů na tekutinu pomocí viskózních sil. A vytlačují tekutinu, což způsobuje hromadné zatížení prstů úměrně hustotě kapaliny.

Když je DV-2000 poháněn sinusovou vlnou, jeho amplituda vrcholí na své rezonanční frekvenci. Čím více energie ztratí na tekutinu viskózními silami, tím plošší a širší bude její rezonanční vrchol. Podobně, když je rezonátor zatížen hustou tekutinou, jeho rezonanční frekvence klesá o množství závislé na hustotě tekutiny.

Obrázek 4: Rozšíření rezonančního píku prostřednictvím viskózního tlumení (zvýšená viskozita) a posunutí rezonančního píku prostřednictvím hromadného zatížení (zvýšená hustota).

Šířku rezonančního píku lze použít k odvození viskozity kapaliny a posun její rezonanční frekvence lze použít k odvození hustoty kapaliny. Spolu s elektronickým balíčkem Rheonics DVM může snímač měřit hustotu a viskozitu při teplotách až 500 ° F a tlaku až 30,000 XNUMX PSI.

Specifikace hustoty a viskozity DV-2000 jsou uvedeny v následující tabulce:

Výsledky testů provedených v Baker Hughes jsou uvedeny v následujících grafech. První dva ukazují přesnost měření viskozity pro řadu kapalin, které pokrývají specifikovaný rozsah viskozit a hustot. Třetí ukazuje přesnost měření hustoty. Dva řádky v každém grafu zobrazují horní a dolní mez přípustných chyb pro obě měření.

Tabulka 1: Specifikace výkonu snímače Rheonics DV-2000.

Obrázek 5: Přesnost viskozity (vlevo) a hustoty (vpravo) snímače pro různé kapaliny.

Inline hustota - viskozitní přístroje založené na Rheonics DV-2000

Vynikající přesnost, opakovatelnost a robustnost DV-2000 vedla k jeho zabudování do dvou inline DV přístrojů, které jsou vhodnější pro inline a procesní aplikace.

Rheonics DVM je DV-2000 namontovaný v titanovém bloku s vysokotlakými vstupy a výstupy. Skutečný objem měření je asi 0.7 cm³. Pracuje při tlacích až 30,000 500 PSI a teplotách do 2000 ° F. Jeho přesnost a specifikace rozsahu jsou podobné těm z DV-XNUMX, jak je uvedeno výše, ale jeho potenciál daleko přesahuje specifikace. Hlavní aplikace Rheonics DVM spočívají v PVT analýze živých vzorků oleje, ve kterých je nutné pracovat s velmi malým množstvím materiálu a udržovat je v podmínkách teploty a tlaku v zásobníku. Předchozí měření vyžadovala samostatné přístroje pro měření hustoty a viskozity, vyžadující znatelně větší objemy vzorků, stejně jako těžkopádné systémy přenosu tekutin.

DVM se také používá k měření hustoty a viskozity kapalného i plynného CO₂ v jádrových povodňových experimentech s přesností, která daleko přesahuje výše uvedenou specifikaci cíle.

Druhým nástrojem založeným na DVM je Rheonics DVP, který byl navržen jako univerzální inline senzor pro použití v nádržích, potrubích a reaktorech. Jeho rozsah a specifikace přesnosti jsou stejné jako u DVM, ale s nižším tlakem 10,000 10,000 PSI. DVP je zaměřen na aplikace zahrnující monitorování více stanic kapalin v potrubí, optimalizaci čerpadel na základě viskozity, přenos úschovy a monitorování vysokotlaké inline hustoty. DVP je jedním z mála nejaderných nástrojů schopných přesného měření hustoty inline při tlacích v rozmezí XNUMX XNUMX PSI a jako takový otevírá mnoho nových aplikačních oblastí, které byly dříve pokryty nepřímými metodami, jako je ultrazvukový přenos nebo měření diferenčního tlaku napříč vertikální sloupec tekutiny.

Případové studie: Rheonics DVM v živé analýze oleje a zátopových zařízeních

Měření hustoty a viskozity na živých vzorcích oleje ve společnosti AsphWax, Inc.

Rheonics DVM je ideálně vhodný pro měření vlastností živých vzorků oleje díky malému objemu vzorku, širokému rozsahu měření viskozity bez přerušení měření a nové konfiguraci hardwaru a schopnosti současně měřit hustotu a viskozitu na stejný vzorek. Protože konkurenční systémy používají k měření hustoty a viskozity dva samostatné přístroje, vyžadují větší objem vzorku a způsobují komplikace při přenosu živých vzorků oleje. Následující obrázek ukazuje Rheonics DVM nainstalovaný v nádrži na vzorek živého oleje uvnitř trouby. Jeho kompaktní velikost a jednoduchost připojení umožňuje jeho montáž přímo na nádobu se vzorkem živého oleje[1]. Zkušební běh heptanu při 46.8 ° C a tlaku 341 bar poskytl ve srovnání se standardními referenčními hodnotami následující hodnoty:

Data měření DVM s laskavým svolením Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

Tabulka 2: Měřená přesnost Rheonics DVM.

Obrázek 6: Modul Rheonics DVM.

Aplikace viskozimetru Rheonics DVM2000 k odvození reologických vlastností emulzí v zásobnících ropy

Pokročilé techniky EOR používají systém, ve kterém jsou emulgovány dvě nemísitelné tekutiny. Pěna EOR zahrnuje tvorbu emulzí plyn-voda stabilizovaných povrchově aktivní látkou v zásobníku k řízení mobility nízké viskozity vytěsňujícího plynu (N₂, lehké uhlovodíky, CO₂ atd.) a tím zvýšit účinnost zametání. V chemických metodách EOR, jako je zaplavování ASP (alkalický povrchově aktivní polymer), je proces regenerace oleje řízen povrchově aktivní látkou indukovanou tvorbou mikroemulze oleje a vody, která je poté pronásledována zaplavením viskózní solanky polymerem. Obě metody se snaží optimalizovat reologické vlastnosti v podmínkách nádrže s minimálním chemickým přídavkem. Může trvat dny až měsíce, než laboratorní charakterizace reologického chování formulace v podmínkách rezervoáru bude rychlá kontrola formulací docela náročná. Nejdůležitějšími a nejméně kontrolovatelnými faktory jsou vlastnosti porézního média. Tyto vlastnosti se mohou během experimentu změnit, takže přímé měření reologických vlastností je téměř nemožné.

Rheonics DVM-2000 může současně měřit hustotu a viskozitu takových chemických formulací za podmínek rezervoáru za několik hodin, čímž je krok omezující rychlost časovou stupnicí chemických interakcí v procesu. Naši zákazníci používají DV-2000 ve svém základním zaplavovacím zařízení k urychlení vývoje produktu přesnými reologickými měřeními v podmínkách nádrže.

Schopnost měřit současně hustotu a viskozitu také poskytuje základní informace o struktuře emulze. Jednotná měřená hustota a stabilní viskozita indikují stabilní emulzi s homogenně dispergovanými fázemi. Na druhou stranu, je-li struktura nehomogenní, jako je tomu u toku slimáků, je to kvalitativně prokázáno silným kolísáním uvedené hustoty a viskozity. Tyto informace jsou zásadní pro návrh a implementaci metod EOR. Schéma typického průtoku nastavením pomocí jednotky Rheonics DVM-2000 je znázorněno na následujícím obrázku, kde jsou dvě nemísitelné kapaliny (z nichž jedna je obvykle formulace povrchově aktivní látky ve slaném nálevu) čerpány současně přes inline mixér, Rheonics DVM- Monitorovací systém 2000 a systém zaplavení jádra v sérii.

Obrázek 7: Nastavení zaplavení jádra pomocí vloženého modulu DVM.

Výhled pro měření inline rezonanční hustoty a viskozity

Senzory vlastností rezonančních tekutin typů nabízených společností Rheonics, Inc. posouvají hranice měření, která jsou možná pouze u laboratorních přístrojů. Kromě výše zmíněných aplikací se tyto senzory používají také k měření depozice vosků a asfaltenů. Základní technologii společnosti Rheonics lze optimalizovat tak, aby měřila nejen depozici, ale také korozi v reálném čase, což umožňuje cílené dávkování chemického ošetření za polních podmínek.

Třetí senzor Rheonics, SRV, je schopen měřit viskozitu ve velmi širokém rozsahu, od méně než 1 cP až do 50,000 XNUMX cP. Jedná se o vysoce stabilní nástroj pro řízení procesu pro použití při výrobě a dávkování, a to i v případě disperzí, kalů a jiných atypických kapalin. V současné době se používá k přesné kontrole viskozity nenewtonské suspenze při vysoce hodnotném nanášení povlaku. Lze jej také použít k monitorování a řízení viskozity kapalin v potrubích a potrubích, včetně systémů hořáků pro zásobníkový olej pro lodní motory, a potrubní přepravu zahřáté nebo zředěné těžké ropy.