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 senzorové technologie a vysokoteplotní elektroniky je praktické zahrnout do drátových nástrojů senzory viskozity a hustoty. Příkladem je Baker Hughes Reservoir Characterization Instrument (RCI) se službou In-Situ Fluids eXplorer (IFX). Nástroj pro drátové vedení IFX obsahuje senzor hustoty a viskozity založený na piezoelektrickém rezonátoru ladicí vidlice – jedna ze základních tříd technologie, která se dobře hodí k monitorování hustoty a viskozity inline.oring.

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 Rheonics, Inc. (dříve Viscoteers, Inc.) k vývoji alternativy k velmi křehké piezoelektrické ladicí vidlici, která byla použita v systému FASTrak. Výsledkem bylo Rheonics DV-2000, torzní rezonátor s ladicí vidlicí, který nakonec vytvořil základ pro rozšířenou řadu inline snímačů hustoty – viskozity, které nyní pokrývají širokou škálu aplikací v odvětví ropy a zemního plynu.

Projekt Rheonics DV-2000 a jeho potomci

Je poučné podívat se blíže na Rheonics DV-2000, protože ilustruje přístup k měření hustoty a viskozityoring která je jak obecná co do koncepce, tak všestranná ve své implementaci.

Projekt Rheonics DV-2000 je vibrační snímač, jehož rezonanční charakteristiky jsou modifikovány 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. Společně s Rheonics Elektronický balíček DVM, senzor může měřit hustotu a viskozitu při teplotách až 500 °F a tlacích 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 následujícím charts. 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 chart ukažte horní a dolní mez dovolených chyb pro obě měření.

Tabulka 1: Specifikace výkonu pro Rheonics Senzor DV-2000.

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

Inline density – 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.

Projekt Rheonics DVM je DV-2000 namontovaný v titanovém bloku s vysokotlakými vstupními a výstupními armaturami. Jeho skutečný objem měření je asi 0.7 cm³. Pracuje při tlacích až 30,000 500 PSI a teplotách až 2000 °F. Jeho přesnost a specifikace dosahu jsou podobné jako u DV-XNUMX, jak je uvedeno výše, ale jeho potenciál daleko přesahuje specifikace. Hlavní aplikace Rheonics DVM se zabývala PVT analýzou vzorků živých olejů, u kterých je nutné pracovat s velmi malým množstvím materiálu a přitom je udržovat za podmínek teploty a tlaku v nádrži. Předchozí měření vyžadovala samostatné přístroje pro měření hustoty a viskozity, což vyžadovalo znatelně větší objemy vzorků, stejně jako těžkopádné systémy pro přenos 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 všestranný inline senzor pro použití v nádržích, potrubích a reaktorech. Jeho rozsah a specifikace přesnosti jsou stejné jako u DVM, ale s nižším jmenovitým tlakem 10,000 XNUMX PSI. DVP je zaměřen na aplikace zahrnující vícestanicový monitororing kapalin v potrubích, optimalizace čerpadel na základě viskozity, přeprava do úschovy a vysokotlaká kontrola hustoty inlineoring. DVP je jedním z mála nejaderných přístrojů schopných přesného měření hustoty inline při tlacích v rozsahu 10,000 XNUMX PSI a jako takový otevírá mnoho nových aplikačních oblastí, které byly dříve pokryty nepřímými metodami, jako je přenos ultrazvuku nebo měření rozdílu tlaku napříč vertikální sloupec tekutiny.

Případové studie: Rheonics DVM v živé analýze oleje a instalacích jádrových záplav

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

Projekt Rheonics DVM se ideálně hodí pro měření vlastností živých vzorků oleje díky svému malému objemu vzorku, širokému rozsahu měření viskozity bez přerušení běhu měření za účelem překonfigurování hardwaru a schopnosti měřit hustotu a viskozitu současně na stejném vzorek. Protože konkurenční systémy používají k měření hustoty a viskozity dva samostatné přístroje, vyžadují větší objem vzorku a způsobují komplikace při přenosu vzorků živého oleje. Následující obrázek ukazuje a Rheonics DVM instalován na nádrži na vzorky živého oleje uvnitř pece. Jeho kompaktní velikost a jednoduchost připojení umožňují jeho montáž přímo na nádobu na vzorky 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: Přesnost měření Rheonics DVM.

Obrázek 6: Rheonics modul DVM.

Aplikace Rheonics Viskozimetr DVM2000 pro odvozování reologických vlastností emulzí v ropných ložiskách

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.

Projekt Rheonics DVM-2000 může současně měřit hustotu a viskozitu takových chemických formulací za podmínek v nádrži během několika hodin, čímž se krok omezující rychlost stává časovým měřítkem chemických interakcí v procesu. Naši zákazníci používají DV-2000 ve svém základním zaplavovacím zařízení, aby urychlili vývoj produktu prostřednictvím přesných reologických měření v podmínkách nádrže.

Schopnost měřit hustotu a viskozitu současně také poskytuje zásadní informace o textuře emulze. Jednotná naměřená hustota a stabilní viskozita ukazují na stabilní emulzi s homogenně dispergovanými fázemi. Na druhé straně, pokud je textura nehomogenní, jako u slimákového toku, je to kvalitativně ukázáno silným kolísáním indikované hustoty a viskozity. Tyto informace jsou zásadní pro návrh a implementaci metod EOR. Schéma typického nastavení průtoku pomocí Rheonics Jednotka DVM-2000 je znázorněna na následujícím obrázku, kde jsou dvě nemísitelné kapaliny (jedna z nich je typicky formulace povrchově aktivní látky v solance) čerpány současně přes řadový mixér, Rheonics DVM-2000 monitoring systém a systém zaplavování jádra v sérii.

Obrázek 7: Nastavení zaplavení jádra pomocí vloženého modulu DVM.

Výhled pro měření inline rezonanční hustoty a viskozity

Rezonanční snímače vlastností kapalin nabízených typů Rheonics, Inc. posouvají limity měření, o kterých se předpokládá, že jsou možná pouze s laboratorními přístroji. Kromě aplikací uvedených výše se tyto senzory používají také k měření depozice vosků a asfaltenů. RheonicsZákladní technologie může být optimalizována pro měření nejen depozice, ale také koroze v reálném čase, což umožňuje cílené dávkování chemických úprav v polních podmínkách.

Třetí Rheonics senzor SRV je schopen měřit viskozitu ve velmi širokém rozsahu, od méně než 1 cP až po 50,000 XNUMX cP. Jedná se o vysoce stabilní nástroj pro řízení procesu pro použití ve výrobních a dávkovacích operacích, dokonce i pro disperze, kaše a jiné atypické kapaliny. V současné době se používá k přesné kontrole viskozity nenewtonské kaše při aplikaci vysoce hodnotných nátěrů. Může být také použit pro monitorování a řízení viskozity kapalin v potrubích a potrubích, včetně systémů hořáků na olej v nádržích pro lodní motory, a potrubní přepravy zahřáté nebo zředěné těžké ropy.