Přejít k hlavnímu obsahu
+41 52 511 3200 (SUI)     + 1 713 364 5427 (USA)     
Publikace IEEE 2014 3 XNUMX

Senzory a měřicí systémy 2014; 17. ITG / GMA Symposium - Nový senzor pro měření viskozity a hustoty kapalin pro aplikace vrtání ropných vrtů

O programu

Byl publikován konferenční příspěvek a přednáška byla přednesena v Sensors and Measuring Systems 2014; 17. Sympozium ITG / GMA s názvem „Nový senzor pro měření viskozity a hustoty kapalin pro aplikace vrtných vrtů“ v červnu 2014.

Pokrývá některé výzkumné a vývojové práce prováděné společností Rheonics (dříve Viscoteers) ve spolupráci s Bakerem Hughesem za účelem vývoje senzoru hustoty a viskozity, který měří vlastnosti formovací kapaliny s vysokou přesností a rozlišením.

Senzory a měřicí systémy 2014; 17. ITG / GMA symposium
tjee_logo_official

Abstraktní

Tento článek popisuje nový senzor hustoty a viskozity, který měří vlastnosti formovacích tekutin s vysokou přesností a rozlišením. Dynamická viskozita (ri) v kombinaci s dalšími parametry tekutiny, jako je hustota (p), rychlost zvuku, index lomu, absorpční spektra a tepelná vodivost, poskytují komplexní charakterizaci vzorku tekutiny. Odhad propustnosti formace je rozhodující pro predikci produkčního potenciálu nádrže. Měření mobility prováděná na formování pomocí různých nástrojů pro odběr vzorků v dolu může být použita pro výpočet propustnosti formace, pokud je známa přesná in-situ viskozita formovacích tekutin.

Kapalina vzorku může být jakákoli kombinace různých uhlovodíků s různou molekulovou hmotností, solného roztoku, filtrátu bahna na bázi oleje nebo vody a plynů. a tekutiny typicky mají viskozitu v rozmezí 0.5 až 4 cP (mPa.s), ale mohou být až 40 cP v těžkých olejích. Hustota tekutin se může pohybovat od 0.2 do 1.5 g / cmXNUMX. Kromě toho mohou být tekutiny také vodivé a mohou mít částečně nenewtonské vlastnosti.

Aby byl senzor použitelný ve vzorku a analytickém nástroji pro vytváření vrtu, musí mít proto velký dyamový rozsah s přesností lepší než 10% odečtu. Musí být také schopen měřit při teplotách do 175 ° C a při tlacích vyšších než 25 kpsi.

V tomto článku je popsán nový senzor, který splňuje všechny tyto požadavky. Je to řízený mechanický rezonátor, jehož rezonanční frekvence a tlumení poskytují přesné hodnoty viskozity a hustoty kapaliny, do které je ponořena. Senzor byl navržen tak, aby byl jak vysoce přesný, tak dostatečně robustní, aby odolal teplotním, tlakovým a vrtným vibracím zaznamenaným při těžbě dřeva. Viskozita se měří s přesností 0.1 cP pro tekutiny nižší než 1 cP a 10% pro všechny viskozity nad 1 cP. Měření hustoty je přesné až lepší než 0.01 g / cmXNUMX. Senzor lze použít jak pro drátové vedení, tak i pro vrtání dřeva při vrtání (LWD).

Článek prezentuje principy měření senzoru a vysokoteplotní a vysokotlaké kvalifikační testy. Laboratorní měření viskozity a hustoty tekutin prováděné s novým senzorem jsou ukázány pro celou řadu kalibračních tekutin, které jsou typické pro kapaliny v dně shromážděné nástroji pro odběr vzorků.

1. Úvod

Byly zavedeny různé senzory pro měření viskozity a hustoty in situ pro služby vyhodnocování vedení a LWD. V roce 2008 společnost Baker Hughes představila vidličku s piezoelektrickým laděním [6], která měří hustotu tekutin v rozmezí 0.01 až 1.5 g / cmXNUMX pomocí RMSE

± 0.015 g / cm30 pro viskozity nižší než 0.03 cP; a RMSE ± 30 g / cc pro viskozity mezi 200 cP a 0.2 cP. Rozsah měření viskozity pro tento senzor je 30 až 0.1 cP s RMSE ± 10 cP nebo 30% (podle toho, co je větší) a mezi 200 a 20 cP s RMSE ± XNUMX%.

Tento senzor byl původně vyvinut pro drátové aplikace, ale v roce 2010 byl upraven pro nástroje LWD. Současně Baker Hughes ve spolupráci s Viscoteers Inc. začal vyvíjet novou senzorovou technologii přizpůsobenou pro velmi náročné vrtací prostředí, splňující a překračující měřicí schopnosti svého předchůdce.

2. Popis senzoru

Nový senzor je vysoce přesný torzní rezonátor [3], který mění své vlastnosti - rezonanční frekvenci a tlumení - v závislosti na hustotě a viskozitě kapaliny, do které je senzor ponořen. (Obr. 1).

Rezonátor je excitován a snímán bezdrátově magnetickým spojením mezi elektrickými cívkami vně snímací komory a magnety zapuštěnými do špiček rezonátoru [3] (Obr. 2). Rezonátor je vyroben z vysoce pevného, ​​vysoce odolného proti korozi a dobře charakterizovaného kovu, jehož vlastnosti zůstávají stabilní při vysoké teplotě a vysokém okolním tlaku. Tato konfigurace se vyhýbá elektrickým průchodům na stranu vysokotlaké tekutiny, které jsou notoricky známým zdrojem selhání senzorů vyžadujících elektrické připojení přes tlakovou bariéru. Vzhledem k tomu, že rezonátor je vyroben výhradně z kovu, je snímač extrémně robustní a vhodný pro drsné prostředí v podmínkách vrtání do vrtu.

Obrázek 1 - Křivky odezvy amplitudy a fázového rezonátoru kolem rezonanční frekvence senzoru ponořeného do dvou kapalin s různým tlumením

Obr 1. Křivky odezvy amplitudy a fázového rezonátoru snižují rezonanční frekvenci senzoru ponořeného do dvou tekutin s různým tlumením. Grafika od Goodchread et al, 20013.

Rezonátor je excitován a snímán bezdrátově magnetickým spojením mezi elektrickými cívkami vně snímací komory a magnety zapuštěnými do špiček rezonátoru [3] (Obr. 2). Rezonátor je vyroben z vysoce pevného, ​​vysoce odolného proti korozi a dobře charakterizovaného kovu, jehož vlastnosti zůstávají stabilní při vysoké teplotě a vysokém okolním tlaku. Tato konfigurace se vyhýbá elektrickým průchodům na stranu vysokotlaké tekutiny, které jsou notoricky známým zdrojem selhání senzorů vyžadujících elektrické připojení přes tlakovou bariéru. Vzhledem k tomu, že rezonátor je vyroben výhradně z kovu, je snímač extrémně robustní a vhodný pro drsné prostředí v podmínkách vrtání do vrtu.

Mechanický oscilátor má vysoký Q-faktor, což je předpoklad pro velký dynamický rozsah měření tlumení.

Dvě hodnoty naměřené senzorem, rezonanční frekvence a tlumení, jsou korelovány s hodnotami viskozity a hustoty pomocí matematického modelu, jako je týden, a empirickou kalibrační křivkou vytvořenou pro každý senzor. Obě tyto metody poskytují extrémně přesné a opakovatelné výsledky (viz specifikace senzoru), ale protože empirická kalibrační metoda je méně výpočetně nákladná a je méně náchylná ke změnám tvaru senzoru, je preferovanou metodou.

Rezonátor je vzrušený cívkami poháněnými střídavým proudem, které se mění podle frekvence, jak to vyžaduje měření. Reakce senzoru je snímána dalšími vinutími na cívkách. Celé měření viskozity a hustoty trvá asi 1 s, což je významné zlepšení oproti předchozím technologiím, protože může být prováděno při konstantním tlaku v době čerpání čerpadla.

Obrázek 2 - Koncept torzního rezonátoru spojený se senzorem hustoty viskozity. Grafika od Goodbread et al, 20013

Obr. 2. Koncept torzního rezonátoru spojený s viskozitou-hustotou. Grafika od Goodbread et al, 20013.

Senzor (Obr. 3) odolává extrémně vysokému tlaku a teplotě (laboratorně testováno při 2000 barech a 200 ° C), ale je také odolné vůči poškození šokem do 750 g a nepřetržitým vibracím až 30 g.

Obrázek 3 - Konstrukce modulu snímače viskozity-hustoty

Obr. 3. Návrh modulu senzoru viskozity-hustoty

Senzor je řízen fázově uzamčenou smyčkou, která sleduje a monitoruje jeho rezonanční frekvenci za účelem měření hustoty tekutin. Pravidelnou změnou fázového vztahu mezi buzením a reakcí senzoru může být stanoveno tlumení rezonátoru, ze kterého lze odhadnout viskozitu, jak je znázorněno v Obr 4.

Obrázek 4 - Metoda fázového posunu pro výpočet tlumení kapaliny. Grafika od Goodbread et al, 20013.

Obr. 4. Metoda fázového posunu pro výpočet tlumení tekutiny. Grafika od Goodbread et al, 20013.

3. Specifikace senzoru

Specifikace byly ověřeny na základě testovaných vlastností vyrobených senzorů. Senzor je schopen měřit vzorkové tekutiny jakékoli kombinace různých uhlovodíků s různou molekulovou hmotností, solného roztoku, filtrátu na bázi bahna na bázi oleje nebo vody a plynů.

Obrovský dynamický rozsah senzoru lze ocenit porovnáním jeho specifikací se specifikacemi standardních systémů pro měření hustoty a viskozity průmyslových kapalin.

Tabulka 1.

Tabulka 1. Specifikace senzoru hustoty viskozity

4. Testování senzorů za laboratorních podmínek

Senzor byl testován při různých tlacích a teplotách s několika vybranými tekutinami, aby se pokrylo rozmezí viskozity a hustoty tekutin, se kterými se setkáváme v dolu.

Výsledky zkoušek ověřují přesnost a přesnost měření v požadovaném rozsahu tekutin. Použité tekutiny byly:

  • Solanka s koncentrací 2 mol NaCl na litr vody,
  • N-dodekan
  • Standardní viskozitní olej Cannon® S-20, N-2, N-10, N-35, N-75, S-6.

Tyto tekutiny byly vybrány proto, že:

  1. K dispozici jsou přesné referenční hodnoty pro jejich vlastnosti
  2. jejich rozsah viskozity a hustoty zahrnuje rozsah senzoru
  3. jejich fyzikální vlastnosti poskytují reprezentativní vzorek tekutin, které se střetávají s dírou (tj. vodní a olejová báze, vodivé a nevodivé kapaliny)

Obr. 5 ukazuje rozsah měření hustoty a přesnost dosažené se senzorem pro různé tekutiny.

Obr. 5 - Naměřená hustota solanky (2 mol), N-dodekanu, Cannon S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 a chloroformu

Obr. 5. Naměřená hustota solného roztoku (2 mol / l), N-dodekan, Cannon S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 a chloroform. Plné černé a červené čáry představují maximální a minimální povolené hodnoty předepsané specifikacemi senzoru.

Obr. 6 a 7 ukazují rozsah měření viskozity a přesnost dosažené se senzorem pro různé tekutiny pokrývající většinu z rozsahu specifikací.

Obr.6 - Naměřená viskozita v horním rozsahu solanky (2 mol p. L), N-dodekan, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 a N-75

Obr. 6. Měřená viskozita v horním rozmezí solanky (2mol / l), N-dodekan, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 a N-75. Plné černé a červené čáry představují maximální a minimální povolené hodnoty předepsané specifikací senzoru.

Obr. 7 - Naměřená viskozita ve spodním rozsahu solanky (2 mol p. L), N-dodekan, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 a N-75

Obr. 7. Měřená viskozita ve spodním rozmezí solanky (2 mol / l), N-dodekan, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 a N-75. Plné černé a červené čáry představují maximální a minimální povolené hodnoty předepsané specifikacemi senzoru.

4.1 Podrobnosti o přesnosti a přesnosti měření pomocí N-dodekanu

N-dodekan byl vybrán pro podrobné testování kvůli dostupnosti dostupnosti přesného odkazu až do vysokých tlaků (1900 bar) a vysokých teplot (200 ° C).

Obr. 8 a 9 ukazují chování měření viskozity s ohledem na změny tlaku (1 až 1500 bar). Hodnoty sledují referenční viskozitu s chybou nižší než 5% naměřených hodnot. V každém stavu tlak-teplota se odebere 50 bodů měření (Obr. 9).

Obr. 9 poskytuje grafické zobrazení absolutní chyby (vzdálenost od nulové čáry) a přesnosti (změna oblaku bodů pro každé měření teploty a tlaku), která je lepší než 0% odečtu.

Obr. 8 - Viskozita N-dodekanu při 50 ° C mezi 1 a 1,500 2008 bar. Referenční hodnoty z Caudwell et al, XNUMX

Obr. 8. Viskozita N-dodekanu při 50 ° C mezi 1 a 1,500 2008 bar. Referenční hodnoty od Caudwell et al, XNUMX.

Obr. 9 - Chyby měřené viskozity N-dodekanu (s ohledem na referenci) při 50 ° C, mezi 1 a 1,500 XNUMX bar

Fík 9. Chyby naměřené viskozitou N-dodekanu (s ohledem na referenční hodnoty) při 50 ° C, mezi 1 a 1,500 2008 bar. Referenční hodnoty od Caudwell et al, XNUMX.

Obr. 10 a 11 ukazují chování měření hustoty s ohledem na změny tlaku (1 až 1,500 bar). Měřená hustota zahrnuje přesnost lepší než +/- 0.003 g / cmXNUMX.

Obr. 10 - Hustota N-dodekanu při 50 ° C mezi 1 a 1,500 2008 bar. Referenční hodnoty z Caudwell et al, XNUMX

Obr. 10. Hustota N-dodekanu při 50 ° C mezi 1 a 1,500 2008 bar. Referenční hodnoty od Caudwell et al, XNUMX.

Obrázek 11 - Chyby měřené hustoty N-dodekanu (s ohledem na referenci) při 50 ° C, mezi 1 a 1,500 XNUMX bar

Obr. 11. Chyby naměřené hustotou N-dodekanu (s ohledem na referenční hodnoty) při 50 ° C, mezi 1 a 1,500 2008 bar. Referenční hodnoty od Caudwell et al, XNUMX.

Vypočítaná minimální přesnost z posledních dvou grafik je lepší než 0.1% hodnoty.

5. Závěry

Nový senzor hustoty a viskozity, navržený pro náročné prostředí LWD, při laboratorních testech vedl lépe než cílové specifikace. Výsledek získaný pro tři tekutiny uvedené v tomto dokumentu ověří, že:

  • Senzor nevykazuje žádné zkreslení měření se změnami tlaku a
  • Přesnost senzoru pro všechny tekutiny obsažené v papíru je lepší než +/- 0.001 g / cm1 pro hustotu a lepší než +/- XNUMX% pro viskozitu.
  • Přesnost hustoty senzoru ve všech provedených testech je lepší než 0.01 g / cm10. Přesnost viskozity je lepší než 1% hodnoty pro viskozity větší než 0.1 mPa.s a lepší než 1 mPa.s pro viskozity nižší než XNUMX mPa.s.
  • Senzor nevykazuje žádné poškození nebo změny v chování měření po otřesech a vibračních zkouškách podle specifikací.
  • Senzor poskytuje stabilní měření během a po všech cyklech teploty a tlaku
  • Po všech testech nebyly zjištěny žádné známky mechanického nebo korozního poškození senzoru.
  • Nový senzor je dostatečně robustní, aby odolal drsným podmínkám prostředí LWD a drátovým službám, a poskytuje viskozitu a hustotu s přesností a přesností nezbytnou pro analytický nástroj pro vyhodnocení tvorby vrtu.
  • Senzor pracuje dobře ve vodivých (solankách) nebo nevodivých kapalinách, při testování ve vodivých kapalinách nevykazuje žádné známky vlivu.

6. Reference

  1. Caudwell Derek R., Trusler JP Martin, Vesovic Velisa, Wakeham William A., 2004, Viskozita a hustota n-dodekanu a n-oktadekanu při tlacích až 200 MPa a teplotách až 473 K., International Journal of Thermophysics 08 / 2004.
  2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013, Odběr vzorků při vrtání jde tam, kde kabelové vedení nemůže: Případové studie ilustrující měření kvality kabelové sítě v náročném vrtném prostředí, SPE-164293.
  3. Goodbread Joe, Juerg Dual, Viscoteers Inc, 2013, Vázaný torzní rezonátorový viskozimetr, EP2596328 A2.
  4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H. a Correia Robert J., 1981, Tabulky dynamické a kinematické viskozity vodných roztoků NaCl v teplotním rozmezí 20-150 ° C a tlakovém rozmezí 1-35 MPa, Phys. Chem. Ref. Data, sv. 10, č. 1.
  5. Lundstrum Robbi, Goodwin Antony RH, Hsu Kai, Frels Michael, Caudwell Derek R., Trusler JP Martin a Marsh Kenneth N., 2005, Měření viskozity a hustoty dvou referenčních kapalin, s nominální viskozitou při T = 298 K a p = 0.1 MPa (16 a 29) mPa.s, při teplotách mezi (298 a 393) K a tlacích pod 55 MPa, J. Chem. Eng. Data 2005, 50, 1377 - 1388.
  6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc, 2007, Metoda a aparatura pro charakterizaci tekutin v dolu pomocí flexonických me- chanických rezonátorů, US Patenty 7,162,918 B2.
  7. Rogers PSZ a Pitzer Kenneth S., 1982, Vrometrické vlastnosti vodných roztoků chloridu sodného, ​​J. Phys. Chem. Ref. Data, sv. 11, č. 1.

Řešení Rheonics pro ropný a plynárenský průmysl

Chcete-li prozkoumat více o našich řešeních pro energetický průmysl, navštivte stránku řešení.

Řešení Rheonics pro O&G průmysl
Vyhledávání