Przejdź do głównej treści
+41 52 511 (SUI)     + 1 713 364 5427 (USA)     
Światoil

Nowe podejście do pomiaru gęstości i lepkości w całym spektrum zastosowań ropy i gazu

Nowe podejście do pomiaru gęstości i lepkości w całym spektrum zastosowań ropy i gazu

Pomiary lepkości i gęstości w sektorze ropy i gazu należą do najważniejszych, ale także najbardziej nieuchwytnych operacji. Od eksploracji, przez wiercenie, przez produkcję, aż po transport, tożsamość i właściwości płynów są podstawą przemysłu.

Przyrządy laboratoryjne mają ograniczone zastosowanie do pomiaru właściwości cieczy w warunkach zbiornikowych. Bardzo wysokie ciśnienia i temperatury, wstrząsy i wibracje, ograniczona dostępność mocy, a przede wszystkim poważne ograniczenia przestrzenne wymagają nowatorskich i kreatywnych podejść do pomiaru lepkości i gęstości. W tym artykule zbadamy zarówno konieczność wykonywania pomiarów lepkości i gęstości w linii, jak również opisujemy kilka nowych produktów, które umożliwiają pomiary w linii produkcyjnej w niektórych z najbardziej wymagających środowisk przemysłowych.

Płynna wiedza to potęga - moc do bezpiecznego i ekonomicznego prowadzenia procesów. I tylko te właściwości - lepkość i gęstość - które są najtrudniejsze do uchwycenia w warunkach wiertniczych i przemysłowych, mogą być najbardziej istotne dla zrozumienia, jak płyny będą reagować w całym spektrum warunków, które mogą wystąpić w twoim procesie.

Dlaczego lepkość ma znaczenie

Kiedy płyn przepływa przez rurę, ciśnienie potrzebne do przemieszczania go z określoną prędkością zależy od jej lepkości i wymiarów rury. Im wyższa lepkość, tym większe ciśnienie jest potrzebne do przepchnięcia płynu przez rurę. Natężenie przepływu określa równanie Poiseuille'a, gdzie F to natężenie przepływu, R to promień rury, L to jej długość, ΔP to różnica ciśnień między końcami rury, a η to lepkość płynu.

Rysunek 1: Zależność szybkości przepływu od lepkości.

Im wyższa lepkość, tym mniejsze natężenie przepływu. Niezależnie od tego, czy pompujesz płuczkę wiertniczą, płyn szczelinujący czy ropę naftową przez kilka kilometrów rur, niewielkie zmiany lepkości mogą mieć ogromne konsekwencje dla równowagi ciśnieniowej systemu, a także mocy potrzebnej do pompowania płynu.

Na przykład, aby przepompować ciężką ropę rurociągiem, ciśnienie tłoczenia można zmniejszyć, kontrolując jego lepkość. Zmniejszenie lepkości przez ogrzewanie oleju lub jego rozcieńczanie jest kosztowne. Aby określić, ile ciepła lub rozcieńczalnika należy dodać, należy zmierzyć rzeczywistą lepkość rozrzedzonej ropy. Stosując wbudowany wiskozymetr i kontroler ze sprzężeniem zwrotnym do regulacji temperatury lub ilości rozcieńczalnika, można osiągnąć optymalną równowagę między dodatkowym kosztem zmniejszenia lepkości a pożądaną lepkością produktu.

Jeśli rura jest pionowa, a nie pozioma, siła ciężkości cieczy jest dodawana do jej oporu przepływu i modyfikuje spadek ciśnienia w rurze:

gdzie ρ to gęstość płynu, ΔH to pionowa wysokość rury, a g to przyspieszenie ziemskie.

Z technicznego punktu widzenia ten wzór jest poprawny tylko dla przepływu laminarnego płynów newtonowskich. Jednak ogólne zależności dają użyteczne szacunki w wielu przypadkach, gdy te warunki nie są spełnione.

Rysunek 2: Zależność spadku ciśnienia od gęstości.

Znajomość gęstości płynu ma kluczowe znaczenie dla utrzymania równowagi ciśnień w studni. A ponieważ do obliczenia wartości produktu wykorzystuje się rzeczywistą masę płynu, dokładny pomiar gęstości jest kluczowym czynnikiem w przekazywaniu rozliczeniowym.

 

Znaczenie pomiaru właściwości cieczy w linii

Pomimo znaczenia gęstości i lepkości we wszystkich aspektach operacji w górę iw dół, są one bardzo trudne do zmierzenia w ekstremalnych warunkach występujących w przemyśle naftowym i gazowym. Tradycyjne metody laboratoryjne wymagały delikatnych i drogich instrumentów, których można było używać tylko do próbek pobranych z operacji terenowych.

Jednak operator próbujący kontrolować konsystencję szlamu podczas operacji wiercenia potrzebuje natychmiastowego pomiaru w linii, aby móc optymalizować parametry wiercenia w locie. Raport laboratoryjny dostarczony kilka godzin po pobraniu próbki ma jedynie ograniczoną wartość, ponieważ odzwierciedla przeszłość, a nie rzeczywiste warunki.

W operacjach szczelinowania gęstość jest niezwykle ważna, aby określić, czy stężenie podsadzki jest zgodne z docelowym. Pomiar gęstości w linii ma kluczowe znaczenie, ponieważ podczas szczelinowania coś się dzieje szybki. Podobnie, w przypadku cementowania znajomość gęstości cementu jest niezbędna do utrzymania właściwej równowagi ciśnień. Wiedza o gęstości płynnego cementu na kilka godzin przed jego związaniem ma niewielką wartość dla operatora. Do wykonywania pomiarów gęstości przy wysokich ciśnieniach pompowania, jedyną opcją są instrumenty do absorpcji jądrowej. Jednak zwiększony koszt zgodności i obsługi źródeł jądrowych stał się ogromnym obciążeniem dla branży.

Jedna z najtrudniejszych aplikacji do pomiaru właściwości cieczy w linii jest również najbardziej wartościowa. Jest to ocena płynów formacyjnych podczas wiercenia.

Ocena płynu formującego - od wiertła po laboratorium PVT i nie tylko

Ocena płynu formacyjnego dotyka podstaw przemysłu naftowo-gazowego. Wiedza o tym, jakie płyny są obecne i jak będą się zachowywać podczas wydobywania i transportu, jest niezbędna do bezpiecznego i ekonomicznego wiercenia, kompletacji i produkcji.

Próbki płynu formacyjnego tradycyjnie uzyskuje się za pomocą narzędzi przewodowych. Ich pobranie wymaga podciągnięcia przewodu wiertniczego, umieszczenia narzędzia przewodowego, pobrania próbek, które są następnie wysyłane do laboratorium, a następnie ponownego włożenia przewodu wiertniczego. Aby zachować integralność próbek, konieczne jest utrzymywanie ich w warunkach złożowych, takich jak temperatura i ciśnienie, gdy są one wyprowadzane na powierzchnię, co jest technicznie trudnym i kosztownym procesem.

Rozwój zaawansowanej technologii czujników i elektroniki wysokotemperaturowej umożliwia praktyczne włączenie czujników lepkości i gęstości do narzędzi przewodowych. Przykładem jest przyrząd do charakteryzacji zbiorników Baker Hughes (RCI) z usługą In-Situ Fluids eXplorer (IFX). Narzędzie przewodowe IFX zawiera czujnik gęstości i lepkości oparty na piezoelektrycznym rezonatorze kamertonowym – jest to jedna z podstawowych klas technologii, która dobrze nadaje się do bezpośredniego monitorowania gęstości i lepkościoring.

W tym samym czasie Baker Hughes rozwijał usługę logowania FASTrak podczas wiercenia (LWD), która umożliwia analizę płynu i pobieranie próbek podczas operacji wiercenia bez konieczności przerywania jej w celu rejestracji przewodowej. System ten zawierał piezoelektryczny system pomiaru lepkości i gęstości z narzędzia IFX.

W 2010 roku skontaktował się z nim Baker Hughes Rheonics, Inc. (dawniej Viscoteers, Inc.) w celu opracowania alternatywy dla bardzo delikatnego piezoelektrycznego kamertonu, który był stosowany w systemie FASTrak. Rezultatem był Rheonics DV-2000, rezonator kamertonowy, który ostatecznie stał się podstawą rozszerzonej rodziny wbudowanych czujników gęstości – lepkości, które obecnie obejmują szeroki zakres zastosowań w sektorze naftowym i gazowym.

Połączenia Rheonics DV-2000 i jego potomstwo

Pouczające jest przyjrzenie się bliżej Rheonics DV-2000, ponieważ ilustruje podejście do monitu gęstości i lepkościoring ma to zarówno ogólną koncepcję, jak i wszechstronne zastosowanie.

Połączenia Rheonics DV-2000 to czujnik wibracyjny, którego charakterystyka rezonansowa jest modyfikowana w wyniku interakcji z cieczą.

DV-2000 składa się z dwóch sprzężonych rezonatorów skrętnych, które razem tworzą skrętny kamerton, pokazany poniżej obok typowej instalacji w module LWD:

Rysunek 3: Rezonator DV w module analizy płynu LWD.

 

Rezonator zanurza się w badanym płynie. Zęby zawierają magnesy trwałe, które są napędzane i wyczuwane w drganiach skrętnych przez cewki umieszczone na zewnątrz komory płynu pod ciśnieniem zawierającej rezonator.

Spłaszczone zęby oddziałują z płynem na dwa różne sposoby, gdy wibrują podczas skręcania. Ścinają płyn, co powoduje przenoszenie energii z palców do płynu poprzez siły lepkości. I wypierają płyn, co powoduje masowe obciążenie zębów proporcjonalnie do gęstości płynu.

Kiedy DV-2000 jest napędzany falą sinusoidalną, jego amplituda osiąga szczyt przy częstotliwości rezonansowej. Im więcej energii traci na rzecz płynu przez siły lepkości, tym bardziej płaski i szerszy będzie jego szczyt rezonansowy. Podobnie, gdy rezonator jest obciążony gęstym płynem, jego częstotliwość rezonansowa zmniejsza się o wielkość zależną od gęstości płynu.

Rysunek 4: Poszerzenie piku rezonansu poprzez tłumienie lepkości (zwiększona lepkość) i przesunięcie piku rezonansu poprzez obciążenie masowe (zwiększona gęstość).

 

Szerokość piku rezonansowego można wykorzystać do obliczenia lepkości płynu, a przesunięcie jego częstotliwości rezonansowej można wykorzystać do obliczenia gęstości płynu. Razem z Rheonics Dzięki pakietowi elektroniki DVM czujnik może mierzyć gęstość i lepkość w temperaturach do 500°F i ciśnieniach do 30,000 XNUMX PSI.

Specyfikacje gęstości i lepkości DV-2000 przedstawiono w poniższej tabeli:

Wyniki testów przeprowadzonych w Baker Hughes przedstawiono w poniższej tabeli chartS. Pierwsze dwa pokazują dokładność pomiarów lepkości dla szeregu płynów, które obejmują określony zakres lepkości i gęstości. Trzecia pokazuje dokładność pomiarów gęstości. Dwie linie w każdym chart pokazać górną i dolną granicę błędów dopuszczalnych dla obu pomiarów.

Tabela 1: Specyfikacja wydajności dla Rheonics Czujnik DV-2000.

Rysunek 5: Dokładność lepkości (po lewej) i gęstości (po prawej) czujnika dla różnych płynów.

Gęstość inline – przyrządy lepkościowe oparte na Rheonics DV-2000

Doskonała dokładność, powtarzalność i solidność DV-2000 doprowadziły do ​​jego włączenia do dwóch wbudowanych przyrządów DV, lepiej przystosowanych do zastosowań liniowych i procesowych.

Połączenia Rheonics DVM to DV-2000 zamontowany w tytanowym bloku z wysokociśnieniowymi złączami wlotowymi i wylotowymi. Jego rzeczywista objętość pomiarowa wynosi około 0.7 cm3. Działa przy ciśnieniach do 30,000 500 PSI i temperaturach do 2000 ° F. Jego dokładność i specyfikacje zasięgu są podobne do specyfikacji DV-XNUMX podanych powyżej, ale jego potencjał znacznie przekracza specyfikacje. Główne zastosowania Rheonics DVM zajmowało się analizą PVT próbek świeżego oleju, w przypadku których konieczna jest praca z bardzo małymi ilościami materiału, przy jednoczesnym utrzymywaniu ich w warunkach temperatury i ciśnienia w zbiorniku. Poprzednie pomiary wymagały oddzielnych przyrządów do pomiaru gęstości i lepkości, co wymagało znacznie większych objętości próbek, a także uciążliwych systemów przenoszenia płynów.

DVM został również wykorzystany do pomiaru gęstości i lepkości zarówno ciekłego, jak i gazowego CO2 w podstawowych eksperymentach powodziowych z dokładnością znacznie przekraczającą podaną powyżej specyfikację docelową.

Drugim instrumentem opartym na DVM jest Rheonics DVP, który został zaprojektowany jako uniwersalny czujnik inline do stosowania w zbiornikach, rurociągach i reaktorach. Jego specyfikacje dotyczące zasięgu i dokładności są takie same jak w przypadku DVM, ale z niższym ciśnieniem znamionowym wynoszącym 10,000 XNUMX PSI. DVP jest przeznaczony do zastosowań obejmujących monitorowanie wielostanowiskoweoring płynów w rurociągach, optymalizacja pomp w oparciu o lepkość, transfer rozliczeniowy i wysokociśnieniowy monitoring gęstości w liniioring. DVP jest jednym z niewielu przyrządów niejądrowych zdolnych do dokładnych pomiarów gęstości w trybie inline przy ciśnieniach w zakresie 10,000 XNUMX PSI i jako taki otwiera wiele nowych obszarów zastosowań, które wcześniej były objęte metodami pośrednimi, takimi jak transmisja ultradźwiękowa lub pomiary różnicy ciśnień w poprzek pionowa kolumna płynu.

Studia przypadków: Rheonics DVM w analizie oleju na żywo i instalacjach zalewowych rdzenia

Pomiary gęstości i lepkości na żywych próbkach oleju w AsphWax, Inc.

Połączenia Rheonics DVM idealnie nadaje się do pomiaru właściwości próbek świeżego oleju ze względu na małą objętość próbki, szeroki zakres pomiaru lepkości bez przerywania cyklu pomiarowego w celu ponownej konfiguracji sprzętu oraz możliwość jednoczesnego pomiaru gęstości i lepkości w tym samym próbka. Ponieważ konkurencyjne systemy wykorzystują dwa oddzielne przyrządy do pomiaru gęstości i lepkości, wymagają one większej objętości próbki i powodują komplikacje w przenoszeniu próbek świeżego oleju. Poniższy rysunek przedstawia a Rheonics DVM zainstalowany na zbiorniku próbki oleju żywego wewnątrz pieca. Kompaktowe wymiary i prostota podłączenia pozwalają na montaż bezpośrednio na pojemniku na próbkę oleju pod napięciem[1]. Próbne uruchomienie heptanu w 46.8 ° C i ciśnieniu 341 barów dało następujące wartości w porównaniu ze standardowymi wartościami odniesienia:

Dane pomiarowe DVM dzięki uprzejmości Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

Stół 2: Zmierzona dokładność Rheonics DVM.

 

Rysunek 6: Rheonics Moduł DVM.

Zastosowanie Rheonics Wiskozymetr DVM2000 do wyznaczania właściwości reologicznych emulsji w złożach ropy naftowej

Zaawansowane techniki EOR wykorzystują system, w którym dwa niemieszalne płyny są emulgowane. Pianka EOR polega na wytwarzaniu stabilizowanych surfaktantem emulsji gaz-woda w złożu w celu kontrolowania mobilności niskiej lepkości gazu wypierającego (N2, lekkie węglowodory, CO2 itp.), a tym samym zwiększyć wydajność zamiatania. W chemicznych metodach EOR, takich jak zalewanie ASP (alkalicznym środkiem powierzchniowo czynnym), proces odzyskiwania oleju jest regulowany przez indukowane przez środek powierzchniowo czynne tworzenie mikroemulsji oleju i wody, która jest następnie przepuszczana przez polewanie lepką solanką indukowaną polimerem. Obie metody mają na celu optymalizację właściwości reologicznych w warunkach złożowych przy minimalnym dodatku chemicznym. Laboratoryjna charakterystyka zachowania reologicznego formulacji w warunkach złożowych może zająć dni lub miesiące, co utrudnia szybkie badanie przesiewowe formulacji. Najważniejszymi i najmniej dającymi się kontrolować czynnikami są właściwości porowatego medium. Właściwości te mogą ulec zmianie w trakcie eksperymentu, co sprawia, że ​​bezpośredni pomiar właściwości reologicznych jest prawie niemożliwy.

Połączenia Rheonics DVM-2000 może jednocześnie mierzyć gęstość i lepkość takich preparatów chemicznych w warunkach zbiornikowych w ciągu kilku godzin, dzięki czemu etap ograniczający szybkość staje się skalą czasową interakcji chemicznych w procesie. Nasi klienci wykorzystują DV-2000 w swoich aparatach do zalewania rdzenia, aby przyspieszyć rozwój produktu poprzez dokładne pomiary reologiczne w warunkach zbiornikowych.

Możliwość jednoczesnego pomiaru gęstości i lepkości dostarcza również istotnych informacji o teksturze emulsji. Jednolita zmierzona gęstość i stabilna lepkość wskazują na stabilną emulsję z jednorodnie zdyspergowanymi fazami. Z drugiej strony, jeśli tekstura jest niejednorodna, jak w przypadku przepływu ślimaka, objawia się to jakościowo silnymi wahaniami wskazanej gęstości i lepkości. Informacje takie są niezbędne do projektowania i wdrażania metod EOR. Schemat typowego przepływu przez konfigurację przy użyciu Rheonics Urządzenie DVM-2000 pokazano na poniższym rysunku, gdzie dwa niemieszające się płyny (z których jeden jest zazwyczaj preparatem środka powierzchniowo czynnego w solance) są pompowane jednocześnie przez wbudowany mieszalnik, Rheonics Monitor DVM-2000oring i system zalewania rdzenia połączone szeregowo.

Rysunek 7: Konfiguracja Core Flood z wbudowanym modułem DVM.

 

Perspektywa pomiarów gęstości rezonansu liniowego i lepkości

Czujniki właściwości płynu rezonansowego typów oferowanych przez Rheonics, Inc. przesuwają granice pomiarów, które uważa się za możliwe jedynie przy użyciu przyrządów laboratoryjnych. Poza zastosowaniami wymienionymi powyżej, czujniki te są również wykorzystywane do pomiaru osadzania się wosków i asfaltenów. RheonicsPodstawową technologię można zoptymalizować pod kątem pomiaru nie tylko osadzania się, ale także korozji w czasie rzeczywistym, umożliwiając ukierunkowane dozowanie zabiegów chemicznych w warunkach polowych.

Trzeci Rheonics Czujnik SRV jest w stanie mierzyć lepkość w bardzo szerokim zakresie, od mniej niż 1 cP do 50,000 XNUMX cP. Jest to wysoce stabilny przyrząd do kontroli procesu do stosowania w operacjach produkcyjnych i dozowania, nawet w przypadku dyspersji, zawiesin i innych nietypowych płynów. Obecnie stosuje się go do dokładnej kontroli lepkości zawiesiny nienewtonowskiej w zastosowaniach powłokowych o wysokiej wartości. Można go również stosować do monitorowania i kontroli lepkości płynów w rurach i rurociągach, w tym w systemach palników olejowych bunkrowych do silników okrętowych oraz do transportu rurociągowego podgrzanej lub rozcieńczonej ciężkiej ropy naftowej.

Referencje

1. https://www.bakerhughes.com/integrated-well-services/integrated-well-construction/evaluation/wireline-openhole-logging/fluid-characterization-and-testing
2. https://www.onepetro.org/conference-paper/SPWLA-2014-GGGG
3. Goodbread, J., B. Ochoa i T. Kruspe, „Nowy czujnik do pomiaru lepkości i gęstości cieczy w zastosowaniach wiertniczych”, Proceedings of ITG / GMA Symposium, 2014, str. 1-6.
4. Dane pomiarowe DVM dzięki uprzejmości Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

Przegląd

Magazyn branżowy poświęcony branży naftowej – WorldOil publikuje artykuł opisujący RheonicsNowe podejście do pomiarów gęstości i lepkości płynów na linii produkcyjnej. W artykule omówiono technologię i zasady działania ze szczególnym uwzględnieniem oceny płynu złożowego i jego użyteczności Rheonics urządzenia do pomiaru gęstości i lepkości na linii produkcyjnej w zakresie wnioskowania o właściwościach reologicznych.

World Oil - funkcja strony internetowej
Pobierz publikację

Powiązane uwagi dotyczące aplikacji

Pomiary DV w otworach w narzędziach LWD, MWD, Wireline

Pomiary DV w otworach w narzędziach LWD, MWD, Wireline

Inżynieria czujników wycinania otworów w kołnierzach wiertniczych symuluje rewolucję w pozyskiwaniu drewna i wierceniu. LWD, MWD i tradycyjne przewodowe systemy pobierania próbek płynów zapewniają wiertarce kompleksowe informacje w czasie rzeczywistym i umożliwiają geologowi badanie formacji…

Czytaj więcej
Lepkość gęstości do badań PVT

Lepkość gęstości do badań PVT

Analiza PVT jest przeprowadzana w celu powiązania produkcji powierzchniowej z podziemnym wydobyciem ze złoża ropy i symulacji tego, co ma miejsce w złożu podczas produkcji. Dane PVT mają daleko idące zastosowania w inżynierii zbiorników, od szacowania rezerw po planowanie powierzchni…

Czytaj więcej
Szukaj