Ugrás a tartalomra
+41 52 511 3200 (SUI)     + 1 713 364 5427 (USA)     
IEEE kiadványborító 2014 3

Érzékelők és mérőrendszerek 2014; 17. ITG / GMA Szimpózium - Új érzékelő a viszkozitás és a folyadéksűrűség mérésére az olajkút-fúrási alkalmazásokhoz

Áttekintés

Konferencia cikk jelent meg, és előadás hangzott el a Sensors and Measuring Systems 2014-ben; 17. ITG / GMA szimpózium, „Új érzékelő a viszkozitás és a folyadéksűrűség mérésére olajkút-fúrási alkalmazásokhoz” címmel 2014 júniusában.

Ez magában foglalja a Rheonics (korábban Viscoteers) által Baker Hughes-szel közösen végzett kutatás-fejlesztési munkák egy részét egy sűrűség- és viszkozitásérzékelő kifejlesztésére, amely nagy pontossággal és felbontással méri a képződési folyadék tulajdonságait.

Érzékelők és mérőrendszerek 2014; 17. ITG / GMA szimpózium
ieee_logo_official

Absztrakt

Ez a cikk egy új sűrűség- és viszkozitásérzékelőt ismertet, amely nagy pontossággal és felbontással méri a képződési folyadékok tulajdonságait. A dinamikus viszkozitás (ri) más folyadékparaméterekkel, például sűrűséggel (p), hangsebességgel, törésmutatóval, abszorpciós spektrummal és hővezető képességgel kombinálva a mintafolyadék átfogó jellemzését nyújtja. A képződési permeabilitás becslése kritikus fontosságú a rezervoár termelési potenciáljának előrejelzéséhez. A formáción a különféle fúrólyuk-mintavevő eszközökkel végzett mobilitási mérések felhasználhatók a képződmény permeabilitásának kiszámítására, amikor ismert a formációs folyadékok pontos in situ viszkozitása.

A mintafolyadék lehet a különféle molekulatömegű szénhidrogének, sóoldat, olaj- vagy vízbázisú iszapszűrlet és gázok bármilyen kombinációja. és a folyadékok viszkozitása általában 0.5-4 cP (mPa.s) tartományban van, de nehéz olajokban akár 40 cP is lehet. A folyadék sűrűsége 0.2 és 1.5 g / cmXNUMX között lehet. Ezenkívül a folyadékok vezetőképesek is lehetnek, és részben nem Newtoni tulajdonságokkal is rendelkezhetnek.

Ahhoz, hogy egy érzékelő használható legyen a fúrólyuk-formációs mintában és az elemző eszközben, ezért annak nagy dinamikus tartományúnak kell lennie, a pontosság jobb, mint az olvasás 10% -a. 175 ° C-ig és 25 kpsi-t meghaladó nyomáson is képes mérni.

Ebben a cikkben egy új érzékelőt írunk le, amely megfelel ezeknek a követelményeknek. Ez egy meghajtott mechanikus rezonátor, amelynek rezonancia-frekvenciája és csillapítása pontos értékeket ad annak a folyadéknak a viszkozitására és sűrűségére, amelybe belemerül. Az érzékelőt úgy tervezték, hogy nagyon pontos és elég robusztus legyen, hogy ellenálljon a fúrási fúrások során felmerülő hőmérsékletnek, nyomásnak és fúrási rezgéseknek. A viszkozitást 0.1 cP-n belül kell mérni 1 cP-nél kisebb folyadékok esetén és 10% -nál az összes 1 cP-nál nagyobb viszkozitás esetén. A sűrűségmérés pontosabb, mint 0.01 g / cmXNUMX. Az érzékelő vezetékes és fúrókorongos (LWD) szerszámokhoz egyaránt használható.

A cikk bemutatja az érzékelő mérési alapelveit, valamint a magas hőmérsékleti és a magas nyomású minősítési teszteket. Az új érzékelővel elvégzett viszkozitás és folyadéksűrűség laboratóriumi méréseit számos olyan kalibráló folyadékkal kapcsolatban mutatjuk be, amelyek jellemzőek a formázási mintavételi eszközök által összegyűjtött fenékfúró folyadékokra.

1. Bevezetés

Különféle érzékelőket alkalmaztak a viszkozitás és a sűrűség in situ mérésére a vezetékes és az LWD képződmények kiértékelési szolgáltatásai számára. 2008-ban Baker Hughes bevezette egy piezoelektromos hangvillát [6], amely a folyadék sűrűségét 0.01–1.5 g / cmXNUMX tartományban méri RMSE-vel

± 0.015 g / cm30 0.03 cP-nál alacsonyabb viszkozitások esetén; és RMSE ± 30 g / cm200, viszkozitások esetén 0.2 cP és 30 cP között. Ennek az érzékelőnek a viszkozitási mérési tartománya 0.1-10 cP, RMSE ± 30 cP vagy 200% (melyik nagyobb) és 20-XNUMX cP, RMSE ± XNUMX%.

Ezt az érzékelőt eredetileg vezetékes alkalmazásokhoz fejlesztették ki, de 2010-ben adaptálták az LWD szerszámokhoz. Ugyanakkor a Baker Hughes a Viscoteers Inc.-vel együttműködve új érzékelőtechnológiát fejlesztett ki, amelyet az igényes fúrási környezethez alakítottak ki, megfelelve és meghaladva elődei mérési képességeit.

2. Az érzékelő leírása

Az új érzékelő egy nagyon precíz torziós rezonátor [3], amely annak jellemzőit - rezonanciafrekvenciát és csillapítást - megváltoztatja annak a folyadéknak a sűrűségétől és viszkozitásától függően, amelybe az érzékelő belemerült. (Ábra 1).

A rezonátort gerjesztik és vezeték nélkül érzékelik az érzékelőkamrán kívüli elektromos tekercsek és a rezonátor fogainak beágyazott mágnesei közötti mágneses összekapcsolás [3] (Ábra 2). A rezonátor nagy szilárdságú, nagyon korrózióálló és jól jellemzett fémből készül, amelynek tulajdonságai továbbra is stabilak magas hőmérsékleten és magas környezeti nyomáson. Ez a konfiguráció elkerüli a nagynyomású folyadék oldalán történő átvezetést, amelyek hírhedt hibahibák az érzékelőkben, amelyek elektromos csatlakoztatást igényelnek a nyomáshatáron. Mivel a rezonátor teljes egészében fémből készül, az érzékelő rendkívül robusztus és alkalmas a durva környezetre fúrási körülmények között.

1. ábra - Az amplitúdó és a fázisrezonátor válaszgörbéi az érzékelő rezonancia frekvenciáját két különféle csillapítású folyadékba merítik

Ábra 1. Két különféle csillapítású folyadékba merített érzékelő amplitúdó- és fázis-rezonátor válaszgörbéi veszik figyelembe az érzékelő rezonanciafrekvenciáját. Grafika a Good-bread et al., 20013-ból.

A rezonátort gerjesztik és vezeték nélkül érzékelik az érzékelőkamrán kívüli elektromos tekercsek és a rezonátor fogainak beágyazott mágnesei közötti mágneses összekapcsolás [3] (Ábra 2). A rezonátor nagy szilárdságú, nagyon korrózióálló és jól jellemzett fémből készül, amelynek tulajdonságai továbbra is stabilak magas hőmérsékleten és magas környezeti nyomáson. Ez a konfiguráció elkerüli a nagynyomású folyadék oldalán történő átvezetést, amelyek hírhedt hibahibák az érzékelőkben, amelyek elektromos csatlakoztatást igényelnek a nyomáshatáron. Mivel a rezonátor teljes egészében fémből készül, az érzékelő rendkívül robusztus és alkalmas a durva környezetre fúrási körülmények között.

A mechanikus oszcillátornak magas Q-tényezője van, amely előfeltétele a csillapításmérések nagy dinamikus tartományának.

Az érzékelő által mért két értéket, a rezonancia frekvenciát és a csillapítást, a viszkozitás és a sűrűség értékével korrelálják egy wekk matematikai modell segítségével, valamint az egyes érzékelőkre felépített empirikus kalibrációs görbével. Mindkét módszer rendkívül pontos és megismételhető eredményeket nyújt (lásd az érzékelő specifikációját), de mivel az empirikus kalibrálási módszer kevésbé számolható drága módon, és kevésbé érzékeny az érzékelő alakjának változására, ez az előnyös módszer.

A rezonátort az AC-áram által vezérelt tekercsek gerjesztik, amelyek frekvenciája változik, ahogy a mérés megköveteli. Az érzékelő válaszát a tekercsek további tekercsei érzékelik. A teljes viszkozitás és sűrűség mérése körülbelül 1 másodpercet vesz igénybe, ami jelentős javulás a korábbi technológiákhoz képest, mivel elvégezhető, amíg a nyomás állandó a szivattyú levonási időszakában.

2. ábra - Viszkozitás-sűrűség-érzékelő összekapcsolt torziós rezonátor koncepció. Grafika Goodbread et al., 20013-ból

Ábra 2. Viszkozitás-sűrűség-érzékelő csavarodott torziós rezonátor koncepció. Grafika a Goodbread et al., 20013-ból.

Az érzékelő (3. ábra) nemcsak rendkívül magas nyomást és hőmérsékletet képes ellenállni (laboratóriumi tesztelés mellett 2000 bar és 200 ° C hőmérsékleten), hanem védve van a sérülésektől is a 750 g-os ütések és a folyamatos rezgés 30 g-ig.

3. ábra - Viszkozitás-sűrűség érzékelő modul kialakítása

Ábra 3. Viszkozitás-sűrűség érzékelő modul kialakítása

Az érzékelőt egy fázissal záródó hurok vezérli, amely nyomon követi és figyeli a rezonancia frekvenciáját a folyadék sűrűségének mérése céljából. A gerjesztés és az érzékelő válaszai közötti fázisviszony időszakonkénti megváltoztatásával a rezonátor csillapítását, amelyből a viszkozitást lehet becsülni, a Ábra 4.

4. ábra - Fáziseltolásos módszer a folyadék csillapításának kiszámításához. Grafika Goodbread et al., 20013-ból.

Ábra 4. Fáziseltolás módszer a folyadék csillapításának kiszámításához. Grafika a Goodbread et al., 20013-ból.

3. Az érzékelő műszaki adatai

A specifikációkat ellenőriztük a gyártott érzékelők tesztelt tulajdonságaival szemben. Az érzékelő képes mérni a különféle molekulatömegű szénhidrogének, sóoldat, olaj- vagy vízbázisú iszapszűrlet és gázok bármilyen kombinációjának mintafolyadékait.

Az érzékelő hatalmas dinamikus tartománya úgy értékelhető, hogy összehasonlítja a műszaki jellemzőit a szokásos ipari folyadék sűrűség és viszkozitásmérő rendszerek specifikációival.

Táblázat 1.

Táblázat 1. Sűrűségviszkozitás-érzékelő specifikációi

4. Az érzékelő vizsgálata laboratóriumi körülmények között

Az érzékelőt különböző nyomásokon és hőmérsékleteken teszteltük több kiválasztott folyadékkal, hogy fedezze a mélyedésnél tapasztalt folyadékok viszkozitási és sűrűségtartományát.

A teszt eredmények igazolják a mérés pontosságát és pontosságát a szükséges folyadéktartományban. A felhasznált folyadékok a következők voltak:

  • Sóoldat, 2 liter NaCl koncentrációval liter vízben,
  • N-dodekán
  • Viszkozitású standard olaj Cannon® S-20, N-2, N-10, N-35, N-75, S-6.

Ezeket a folyadékokat azért választottuk, mert:

  1. A tulajdonságok pontos referenciaértékei állnak rendelkezésre
  2. viszkozitásuk és sűrűségük tartománya magában foglalja az érzékelő tartományát
  3. fizikai tulajdonságaik reprezentatív mintát adnak a mélyedéssel rendelkező folyadékokról (azaz víz- és olajbázis, vezető és nem vezető folyadékok)

Ábra 5 mutatja a sűrűségmérési tartományt és az érzékelővel elért pontosságot a különböző folyadékok számára.

5. ábra - A sóoldat (2moll), az N-dodekán, az Cannon S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 és a kloroform mért sűrűsége

Ábra 5. A sóoldat (2 mol / l), N-dodecán, Cannon S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 és kloroform mért sűrűsége. A folytonos fekete és piros vonal képviseli az érzékelő specifikációi által előírt maximális és minimális értékeket.

Ábra 6 és 7 mutassa meg a viszkozitásmérési tartományt és az érzékelővel elért pontosságot a különböző folyadékok számára, lefedve a műszaki adatok nagy részét.

6. ábra - Mért viszkozitás a sóoldat felső tartományában (2 mol l.), N-dodekán, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 és N-75

Ábra 6. Mért viszkozitás a sóoldat (2 mol / l), N-dodecán, S-6 ágyú, N-2, N-10, N-35 és N-75 felső tartományában. A folytonos fekete és piros vonal képviseli az érzékelő specifikációi által előírt maximális és minimális értékeket.

7. ábra - Mért viszkozitás a sóoldat alsó tartományában (2 mol l. L), N-dodekán, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 és N-75

Fig. 7. Mért viszkozitás sóoldat (2 mol / l), N-dodecán, S-6 ágyú, N-2, N-10, N-35 és N-75 alacsonyabb tartományában. A folytonos fekete és piros vonal képviseli az érzékelő specifikációi által előírt maximális és minimális értékeket.

4.1 Az N-dodecánnal végzett mérések pontosságának és pontosságának részletei

Az N-dodecane-t a részletes vizsgálathoz választottuk, mivel rendelkezésre állnak a pontos referenciák a magas nyomásig (1900 bar) és a magas hőmérsékletig (200 ° C).

Ábra 8 és 9 mutassa meg a viszkozitásmérési viselkedést a nyomásváltozásokhoz viszonyítva (1-1500 bar). Az értékek a referenciaviszkozitást követik, a hiba az értékek 5% -ánál kisebb. Minden nyomás-hőmérsékleti körülménynél 50 mérési pontot vesznek (Ábra 9).

Ábra 9 grafikus megjelenítést mutat az abszolút hiba (a 0-vonaltól való távolság) és a pontosság (a pontok felhőjának variációja minden hőmérsékleti-nyomásmérésnél) esetén, amely jobb, mint az érték 0.5% -a.

8. ábra - N-dodekán viszkozitás 50 ° C-on 1 és 1,500 bar között. Referenciaértékek Caudwell et al., 2008-ból

Fig. 8. N-dodekán viszkozitás 50 ° C-on 1 és 1,500 bar között. Referenciaértékek: Caudwell et al., 2008.

9. ábra - N-dodekán-viszkozitás-mért hibák (referenciaértékkel) 50 ° C-on, 1 és 1,500 bar között

Fig. 9. N-dodecán viszkozitásban mért hibák (a referenciához viszonyítva) 50 ° C-on, 1-1,500 bar között. Referenciaértékek: Caudwell et al., 2008.

Ábra 10 és 11 mutassa meg a sűrűségmérési viselkedést a nyomásváltozásokhoz viszonyítva (1–1,500 0.003 bar). A mért sűrűség pontossága jobb, mint +/- XNUMX g / cmXNUMX.

10. ábra - N-dodekán-sűrűség 50 ° C-on 1 és 1,500 bar között. Referenciaértékek Caudwell et al., 2008-ból

Fig. 10. N-dodekán sűrűség 50 ° C-on 1 és 1,500 bar között. Referenciaértékek: Caudwell et al., 2008.

11. ábra - N-dodekán-sűrűséggel mért hibák (referenciaértékkel) 50 ° C-on, 1 és 1,500 bar között

Fig. 11. N-dodecán sűrűséggel mért hibák (a referencia vonatkozásában) 50 ° C-on, 1 és 1,500 bar között. Referenciaértékek: Caudwell et al., 2008.

Az utolsó két grafikából számított minimális pontosság jobb, mint az olvasás 0.1% -a.

5. Következtetések

Az igényes LWD környezethez tervezett új sűrűség- és viszkozitásérzékelő a laboratóriumi tesztek során jobban teljesített, mint a cél specifikáció. A tanulmányban bemutatott három folyadékra kapott eredmény igazolja, hogy:

  • Az érzékelő nem mutat mérési torzítást a nyomás és a hőmérséklet változásával
  • Az érzékelő pontossága az összes folyadéknál, amelyet a papír tartalmaz, jobb, mint +/- 0.001 g / cm1 sűrűségnél és jobb, mint +/- XNUMX% viszkozitás.
  • Az érzékelő sűrűség pontossága az összes elvégzett vizsgálatnál jobb, mint 0.01 g / cm10. A viszkozitás pontossága jobb, mint a leolvasás 1% -a, ha viszkozitása nagyobb, mint 0.1 mPa.s, és jobb, mint 1 mPa.s, ha viszkozitása kisebb, mint XNUMX mPa.s.
  • Az érzékelő nem sérti vagy változtatja meg a mérési viselkedést az ütés- és rezgésvizsgálat után a specifikációknak megfelelően.
  • Az érzékelő stabil méréseket végez minden hőmérsékleti és nyomásciklus során és után
  • Az összes érzékelő után az összes teszt után nem volt bizonyíték az érzékelő mechanikai vagy korróziós károsodásáról.
  • Az új érzékelő elég robusztus ahhoz, hogy ellenálljon az LWD és a vezetékes szolgáltatások szélsőséges környezeti feltételeinek, viszkozitásait és sűrűségét biztosítja olyan pontossággal és pontossággal, amely a fúrólyuk kialakulásának kiértékelési elemző eszközéhez szükséges.
  • Az érzékelő jól teljesít vezetőképes (sós) vagy nem vezetőképes folyadékokban, és nem mutat befolyást a vezetőképes folyadékokkal végzett tesztelés során.

6. Referenciák

  1. Caudwell Derek R., Trusler JP Martin, Vesovic Velisa, Wakeham William A., 2004, n-Dodecane és n-Oktadecane viszkozitása és sűrűsége 200 MPa nyomásig és 473 K. hőmérsékleten, Thermophysics International Journal 08 / 2004.
  2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013, Mintavétel fúrás közben, ahol a vezeték nem lehetséges: Esettanulmányok, amelyek szemléltetik a vezeték minőségének mérését a kihívást jelentő fúrólyukak környezetében, SPE-164293.
  3. Goodbread Joe, Juerg Dual, Viscoteers Inc., 2013, csatolt torziós rezonátor viszkoziméter, EP2596328 A2.
  4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H. és Correia Robert J., 1981, 20–150 ° C hőmérsékleti és 1-35 MPa nyomástartományú vizes NaCl-oldatok dinamikus és kinematikus viszkozitásának táblázata, Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 10. szám, 1.
  5. Lundstrum Robbi, Goodwin Antony RH, Kai Hsu, Frels Michael, Caudwell Derek R., Trusler JP Marin és Marsh Kenneth N., 2005, Két referenciafolyadék viszkozitásának és sűrűségének mérése, névleges viszkozitással T = 298 K és p = 0.1 MPa (16 és 29) mPa.s, K (298 és 393) K közötti hőmérsékleten és 55 MPa alatti nyomáson, J. Chem. Eng. Data 2005, 50, 1377 - 1388.
  6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc., 2007, Módszer és készülék fúrólyuk folyadék jellemzésére hajlékony mechanikus rezonátorok felhasználásával, US 7,162,918 2 XNUMX BXNUMX szabadalom.
  7. Rogers PSZ és Pitzer Kenneth S., 1982, a vizes nátrium-klorid-oldatok oldószer-tulajdonságai, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 11. szám, 1.

Reonikai megoldások az olaj- és gázipar számára

Ha többet szeretne megtudni az energiaiparral kapcsolatos megoldásainkról, látogasson el a megoldások oldalra.

Rheonics megoldások az O&G ipar számára
Keresés