Viscositeits- en dichtheidsmetingen in de olie- en gassector behoren tot de meest essentiële, maar ook meest ongrijpbare operaties. Van exploratie tot boren tot productie tot transport, de identiteit en de eigenschappen van vloeistoffen zijn de levensader van de industrie.

Laboratoriuminstrumenten hebben slechts een beperkte toepassing voor het meten van vloeistofeigenschappen onder reservoiromstandigheden. Zeer hoge drukken en temperaturen, schokken en trillingen, beperkte beschikbaarheid van energie en vooral ernstige ruimtebeperkingen vragen om nieuwe en creatieve benaderingen voor het meten van viscositeit en dichtheid. In dit artikel onderzoeken we zowel de noodzaak van inline viscositeits- en dichtheidsmetingen, en beschrijven we verschillende nieuwe producten die inline metingen mogelijk maken in enkele van de meest uitdagende omgevingen in de branche.

Vloeiende kennis is macht - de kracht om processen veilig en economisch uit te voeren. En juist die eigenschappen - viscositeit en dichtheid - die het moeilijkst te vangen zijn onder boorgat- en industriële omstandigheden, kunnen het meest relevant zijn om te begrijpen hoe vloeistoffen zullen reageren onder het hele spectrum van omstandigheden die zich in uw proces kunnen voordoen.

Waarom viscositeit ertoe doet

Wanneer een vloeistof door een buis stroomt, is de druk die nodig is om het met een bepaalde snelheid te verplaatsen, afhankelijk van de viscositeit en de afmetingen van de buis. Hoe hoger de viscositeit, hoe meer druk er nodig is om de vloeistof door de buis te duwen. De stroomsnelheid wordt gegeven door de vergelijking van Poiseuille, waarbij F de stroomsnelheid is, R de straal van de buis, L de lengte, ∆P het drukverschil tussen de uiteinden van de buis en η de viscositeit van de vloeistof.

Figuur 1: relatie tussen stroomsnelheid en viscositeit.

Hoe hoger de viscositeit, hoe lager het debiet. Of u nu boorspoeling, frackvloeistof of ruwe olie door meerdere kilometers leiding pompt, kleine veranderingen in viscositeit kunnen grote gevolgen hebben voor de drukbalans van het systeem en voor het vermogen dat nodig is om de vloeistof te pompen.

Om bijvoorbeeld zware ruwe olie door een pijpleiding te pompen, kan de pompdruk worden verlaagd door de viscositeit ervan te regelen. Viscositeitsverlaging door de olie te verwarmen of te verdunnen is duur. Om te bepalen hoeveel warmte of verdunningsmiddel moet worden toegevoegd, moet de werkelijke viscositeit van de verdunde ruwe olie worden gemeten. Door een inline viscositeitsmeter en een feedbackregelaar te gebruiken om de temperatuur of hoeveelheid verdunningsmiddel aan te passen, kan een optimale balans worden gevonden tussen de extra kosten van viscositeitsverlaging en de gewenste viscositeit van het product.

Als de buis verticaal is in plaats van horizontaal, wordt de zwaartekracht op de vloeistof opgeteld bij de stromingsweerstand en wordt de drukval over de buis gewijzigd:

waar ρ de dichtheid van de vloeistof is, ∆H de verticale hoogte van de buis en g de versnelling van de zwaartekracht.

Technisch gezien is deze formule alleen correct voor laminaire stroming van Newtoniaanse vloeistoffen. De algemene relaties geven echter in veel gevallen bruikbare schattingen wanneer niet aan deze voorwaarden wordt voldaan.

Figuur 2: relatie tussen drukval en dichtheid.

Het kennen van de dichtheid van de vloeistof is cruciaal om de drukbalans in een put te behouden. En aangezien het werkelijke gewicht van de vloeistof wordt gebruikt om de waarde van het product te berekenen, is nauwkeurige dichtheidsmeting een essentiële factor bij de overdracht van bewaring.

Het belang van inline meting van vloeistofeigenschappen

Ondanks het belang van dichtheid en viscositeit in alle aspecten van up- en downstream-operaties, zijn ze notoir moeilijk te meten onder de extreme omstandigheden in de olie- en gasindustrie. Traditionele laboratoriummethoden maakten gebruik van delicate, dure instrumenten die alleen konden worden gebruikt op monsters uit veldoperaties.

Maar een operator die de consistentie van boorspoeling probeert te controleren tijdens een booroperatie, heeft een onmiddellijke, inline meting nodig om de boorparameters direct te kunnen optimaliseren. Een laboratoriumrapport dat uren na het nemen van het monster wordt afgeleverd, heeft slechts een beperkte waarde, aangezien het eerder het verleden weergeeft dan de werkelijke omstandigheden.

Bij fracking-operaties is de dichtheid van het grootste belang om te bepalen of de concentratie van het steunmiddel op het beoogde niveau ligt. Een inline dichtheidsmeting is cruciaal, want bij fracken gebeuren er dingen snel. Evenzo is bij het cementeren het kennen van de dichtheid van het cement essentieel om een ​​goede drukbalans te behouden. Weten wat de dichtheid van het vloeibare cement was een paar uur voordat het hard werd, is van weinig waarde voor de operator. Voor het doen van dichtheidsmetingen bij hoge pompdrukken zijn nucleaire absorptie-instrumenten ongeveer de enige optie. Maar de toegenomen kosten voor naleving en behandeling van nucleaire bronnen zijn een enorme last voor de industrie geworden.

Een van de meest uitdagende toepassingen voor het inline meten van vloeistofeigenschappen is ook de meest waardevolle. Het is de evaluatie van formatievloeistoffen tijdens het boren.

Formation fluid evaluatie - van de boor tot het PVT-laboratorium en daarbuiten

Evaluatie van formatievloeistof raakt de basis van de olie- en gasindustrie. Weten welke vloeistoffen aanwezig zijn en hoe ze zich zullen gedragen tijdens extractie en transport, is essentieel voor veilig en economisch boren, voltooien en produceren.

Monsters van formatievloeistof worden traditioneel verkregen door middel van draadgebonden gereedschappen. Hun verzameling vereist het optrekken van de boorkolom, het plaatsen van een draadgereedschap, het verzamelen van monsters die vervolgens naar het laboratorium worden gestuurd, gevolgd door het opnieuw inbrengen van de boorkolom. Om de integriteit van de monsters te behouden, is het noodzakelijk om ze onder reservoiromstandigheden van temperatuur en druk te houden wanneer ze naar de oppervlakte worden gebracht, een technisch uitdagend en duur proces.

De ontwikkeling van geavanceerde sensortechnologie en hogetemperatuurelektronica maakt het praktisch om viscositeits- en dichtheidssensoren op te nemen in draadgebonden gereedschappen. Een voorbeeld is het Baker Hughes Reservoir Characterization Instrument (RCI) met In-Situ Fluids eXplorer (IFX) -service. Het IFX-draadlijninstrument omvat een dichtheid-viscositeitssensor gebaseerd op een piëzo-elektrische stemvorkresonator – een van de belangrijkste technologieklassen die zeer geschikt is voor inline dichtheids- en viscositeitsmonitoring.oring.

Tegelijkertijd ontwikkelde Baker Hughes zijn FASTrak-logging tijdens boorservice (LWD) die vloeistofanalyse en bemonstering tijdens een booroperatie mogelijk maakte zonder de noodzaak om deze te onderbreken voor vastleggen via een kabel. Dit systeem omvatte het piëzo-elektrische meetsysteem voor viscositeit en dichtheid van de IFX-tool.

In 2010 nam Baker Hughes contact op Rheonics, Inc. (voorheen Viscoteers, Inc.) om een ​​alternatief te ontwikkelen voor de zeer kwetsbare piëzo-elektrische stemvork die werd gebruikt in het FASTrak-systeem. Het resultaat was de Rheonics DV-2000, een torsiestemvorkresonator die uiteindelijk de basis vormde voor een uitgebreide familie van inline dichtheids-viscositeitssensoren die nu een breed scala aan toepassingen in de olie- en gassector bestrijken.

De Rheonics DV-2000 en zijn nakomelingen

Het is leerzaam om eens nader te kijken naar de Rheonics DV-2000, omdat het een benadering van dichtheid-viscositeitsmeting illustreertoring dat zowel algemeen van concept is als veelzijdig in de implementatie ervan.

De Rheonics DV-2000 is een trillingssensor waarvan de resonantiekarakteristieken worden aangepast door de interactie met de vloeistof.

De DV-2000 bestaat uit twee gekoppelde torsieresonatoren die samen een torsie-stemvork vormen, hieronder weergegeven naast een typische installatie in een LWD-module:

Figuur 3: DV-resonator in LWD-vloeistofanalysemodule.

De resonator wordt ondergedompeld in de te testen vloeistof. De tanden bevatten permanente magneten, die worden aangedreven en waargenomen in torsietrillingen door spoelen die buiten de onder druk staande vloeistofkamer worden geplaatst die de resonator bevat.

De afgeplatte tanden reageren op twee verschillende manieren met de vloeistof wanneer ze in torsie trillen. Ze schuiven de vloeistof af, wat zorgt voor overdracht van energie van de tanden naar de vloeistof door middel van stroperige krachten. En ze verplaatsen de vloeistof, waardoor de tanden massaal worden belast in verhouding tot de dichtheid van de vloeistof.

Wanneer de DV-2000 wordt aangedreven door een sinusgolf, piekt zijn amplitude bij zijn resonantiefrequentie. Hoe meer energie het door stroperige krachten aan de vloeistof verliest, hoe vlakker en breder de resonantiepiek zal zijn. Evenzo, wanneer de resonator wordt belast door een dicht fluïdum, neemt de resonantiefrequentie af met een hoeveelheid die afhankelijk is van de dichtheid van het fluïdum.

Figuur 4: Verbreding van resonantiepiek door viskeuze demping (verhoogde viscositeit) en verschuiving van resonantiepiek door massabelasting (verhoogde dichtheid).

De breedte van de resonantiepiek kan worden gebruikt om de viscositeit van de vloeistof af te leiden, en de verschuiving van de resonantiefrequentie kan worden gebruikt om de dichtheid van de vloeistof af te leiden. Samen met de Rheonics DVM's elektronicapakket, de sensor, kan de dichtheid en viscositeit meten bij temperaturen tot 500 ° F en drukken tot 30,000 PSI.

De DV-2000 specificaties voor dichtheid en viscositeit worden weergegeven in de volgende tabel:

De resultaten van tests uitgevoerd bij Baker Hughes worden weergegeven in de volgende chartS. De eerste twee tonen de nauwkeurigheid van viscositeitsmetingen voor een reeks vloeistoffen die het gespecificeerde bereik van viscositeiten en dichtheden bestrijken. De derde toont de nauwkeurigheid van de dichtheidsmetingen. De twee lijnen in elke chart toon de boven- en ondergrens van de toegestane fouten voor beide metingen.

Tabel 1: Prestatiespecificatie voor Rheonics DV-2000-sensor.

Figuur 5: Viscositeit (links) en dichtheidsnauwkeurigheid (rechts) van de sensor voor verschillende vloeistoffen.

Inline dichtheid – viscositeitsinstrumenten gebaseerd op de Rheonics DV-2000

De uitstekende nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en robuustheid van de DV-2000 hebben geleid tot de integratie in twee inline DV-instrumenten die geschikter zijn voor inline- en procestoepassingen.

De Rheonics DVM is een DV-2000 gemonteerd in een titanium blok met hogedruk in- en uitlaatfittingen. Het werkelijke meetvolume bedraagt ​​ongeveer 0.7 cm³. Het werkt bij drukken tot 30,000 PSI en temperaturen tot 500 ° F. De nauwkeurigheids- en bereikspecificaties zijn vergelijkbaar met die van de DV-2000 zoals hierboven vermeld, maar het potentieel overtreft de specificaties ruimschoots. Belangrijkste toepassingen van de Rheonics DVM heeft zich beziggehouden met PVT-analyse van levende oliemonsters, waarbij het noodzakelijk is om met zeer kleine hoeveelheden materiaal te werken terwijl ze onder reservoiromstandigheden van temperatuur en druk worden gehouden. Bij eerdere metingen waren afzonderlijke instrumenten nodig voor het meten van de dichtheid en de viscositeit, waardoor aanzienlijk grotere monstervolumes nodig waren, evenals omslachtige vloeistofoverdrachtsystemen.

De DVM is ook gebruikt voor het meten van de dichtheid en viscositeit van zowel vloeibaar als gasvormig CO₂ in kernoverstromingsexperimenten met nauwkeurigheden die de bovengenoemde doelspecificatie ver overtreffen.

Een tweede instrument gebaseerd op de DVM is de Rheonics DVP, ontworpen als een veelzijdige inline-sensor voor gebruik in tanks, pijpleidingen en reactoren. De specificaties voor bereik en nauwkeurigheid zijn dezelfde als die voor de DVM, maar met een lagere druk van 10,000 PSI. De DVP is gericht op toepassingen waarbij monitoring van meerdere stations betrokken isoring van vloeistoffen in pijpleidingen, op viscositeit gebaseerde pompoptimalisatie, overdracht van bewaring en hogedruk-inline-dichtheidsmonitoringoring. De DVP is een van de weinige niet-nucleaire instrumenten die in staat zijn tot nauwkeurige inline-dichtheidsmetingen bij drukken in het bereik van 10,000 PSI, en opent als zodanig veel nieuwe toepassingsgebieden die voorheen gedekt werden door indirecte methoden zoals ultrasone transmissie of differentiële drukmetingen over de hele wereld. een verticale vloeistofkolom.

Casestudies: de Rheonics DVM in live-olieanalyse en kernoverstromingsinstallaties

Dichtheids- en viscositeitsmetingen op levende oliemonsters bij AsphWax, Inc.

De Rheonics DVM is bij uitstek geschikt voor het meten van de eigenschappen van levende oliemonsters vanwege het kleine monstervolume, het brede scala aan viscositeitsmetingen zonder een meetrun te onderbreken om de hardware opnieuw te configureren, en de mogelijkheid om de dichtheid en viscositeit tegelijkertijd op dezelfde te meten. steekproef. Omdat concurrerende systemen twee afzonderlijke instrumenten gebruiken om de dichtheid en viscositeit te meten, hebben ze een groter monstervolume nodig en veroorzaken ze complicaties bij de overdracht van de levende oliemonsters. De volgende afbeelding toont een Rheonics DVM geïnstalleerd op een tank met levende oliemonsters in een oven. Dankzij het compacte formaat en de eenvoudige aansluiting kan deze rechtstreeks op de monstercontainer met levende olie worden gemonteerd[1]. Een proefrit met heptaan bij 46.8 ° C en 341 bar druk leverde de volgende waarden op, vergeleken met standaard referentiewaarden:

DVM-meetgegevens beschikbaar gesteld door Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

tafel 2: Gemeten nauwkeurigheid van Rheonics DVM.

Figuur 6: Rheonics DVM-module.

Toepassing van Rheonics DVM2000 viscometer voor het afleiden van reologische eigenschappen van emulsies in oliereservoirs

Geavanceerde EOR-technieken gebruiken een systeem waarin twee niet-mengbare vloeistoffen worden geëmulgeerd. Foam EOR omvat het genereren van met oppervlakte-actieve stof gestabiliseerde gas-wateremulsies in het reservoir om de mobiliteit van de lage viscositeit van het verdringende gas (N₂, lichte koolwaterstoffen, CO₂ enz.) en verhogen zo de sweep-efficiëntie. Bij chemische EOR-methoden zoals ASP (alkali surfactant polymer) overstroming, wordt het olieterugwinningsproces beheerst door de door oppervlakte-actieve stof geïnduceerde vorming van een micro-emulsie van olie en water die vervolgens wordt verdreven met een door polymeer geïnduceerde stroperige pekel. Beide methoden zijn gericht op het optimaliseren van de reologische eigenschappen bij reservoiromstandigheden met minimale chemische toevoeging. Het kan dagen tot maanden duren voor een laboratoriumkarakterisering van het reologische gedrag van een formulering in reservoiromstandigheden, waardoor een snelle screening van formuleringen een behoorlijke uitdaging is. De belangrijkste en minst controleerbare factoren zijn de eigenschappen van het poreuze medium. Deze eigenschappen kunnen tijdens het experiment veranderen, waardoor directe meting van reologische eigenschappen bijna onmogelijk wordt.

De Rheonics DVM-2000 kan binnen een paar uur tegelijkertijd de dichtheid en viscositeit van dergelijke chemische formuleringen meten onder reservoiromstandigheden, waardoor de snelheidsbepalende stap de tijdschaal wordt van de chemische interacties in het proces. Onze klanten gebruiken de DV-2000 in hun overstromingsapparatuur om de productontwikkeling te versnellen door middel van nauwkeurige reologische metingen bij reservoiromstandigheden.

De mogelijkheid om tegelijkertijd de dichtheid en de viscositeit te meten, levert ook essentiële informatie op over de textuur van de emulsie. Een uniform gemeten dichtheid en stabiele viscositeit duiden op een stabiele emulsie met homogeen verspreide fasen. Aan de andere kant, als de textuur inhomogeen is, zoals bij slug-stroming, wordt dit kwalitatief aangetoond door sterke fluctuaties van de aangegeven dichtheid en viscositeit. Dergelijke informatie is essentieel voor het ontwerp en de implementatie van EOR-methoden. Een schema van een typische doorstroomopstelling met behulp van de Rheonics De DVM-2000-eenheid wordt weergegeven in de volgende afbeelding, waarbij twee niet-mengbare vloeistoffen (waarvan er één doorgaans een formulering van oppervlakteactieve stoffen in pekel is) gelijktijdig door een inline-menger worden gepompt, een Rheonics DVM-2000 monitororing systeem en een kernoverstromingssysteem in serie.

Figuur 7: Core flood setup met een inline DVM-module.

De vooruitzichten voor inline resonantiedichtheid en viscositeitsmetingen

Resonante vloeistofeigenschappensensoren van de typen aangeboden door Rheonics, Inc. verlegt de grenzen van metingen waarvan men dacht dat ze alleen mogelijk waren met instrumenten van laboratoriumkwaliteit. Naast bovengenoemde toepassingen zijn deze sensoren ook gebruikt om de afzetting van was en asfaltenen te meten. Rheonics'De basistechnologie kan worden geoptimaliseerd om niet alleen de depositie, maar ook corrosie in realtime te meten, waardoor gerichte dosering van chemische behandelingen onder veldomstandigheden mogelijk wordt.

Een derde Rheonics sensor, de SRV, kan de viscositeit over een zeer breed bereik meten, van minder dan 1 cP tot 50,000 cP. Het is een zeer stabiel procescontrole-instrument voor gebruik bij productie- en doseeractiviteiten, zelfs met dispersies, slurries en andere atypische vloeistoffen. Het wordt momenteel gebruikt om de viscositeit van een niet-Newtoniaanse slurry nauwkeurig te regelen in een hoogwaardige coatingtoepassing. Het kan ook worden gebruikt voor het bewaken en controleren van de viscositeit van vloeistoffen in leidingen en pijpleidingen, inclusief bunkeroliebrandersystemen voor scheepsmotoren, en pijpleidingtransport van verwarmde of verdunde zware ruwe olie.