Dit artikel beschrijft een nieuwe sensor voor dichtheid en viscositeit die eigenschappen van formatiefluïda meet met een hoge nauwkeurigheid en resolutie. Dynamische viscositeit (ri) in combinatie met andere vloeistofparameters zoals dichtheid (p), geluidssnelheid, brekingsindex, absorptiespectra en thermische geleidbaarheid zorgen voor een uitgebreide karakterisering van de monstervloeistof. Het schatten van de permeabiliteit van de formatie is van cruciaal belang voor het voorspellen van het productiepotentieel van het reservoir. Mobiliteitsmetingen die op de formatie zijn uitgevoerd met behulp van verschillende instrumenten voor bemonstering in het boorgat, kunnen worden gebruikt om de permeabiliteit van de formatie te berekenen wanneer nauwkeurige in-situ viscositeit van de formatiefluïda bekend is.

De monstervloeistof kan elke combinatie zijn van verschillende koolwaterstoffen met molecuulgewicht, pekel, op olie of water gebaseerd slibfiltraat en gassen. en de vloeistoffen hebben typisch een viscositeit in het bereik van 0.5 tot 4 cP (mPa.s) maar kunnen in zware oliën wel 40 cP bedragen. De vloeistofdichtheid kan variëren van 0.2 tot 1.5 g / cc. Bovendien kunnen de vloeistoffen ook geleidend zijn en kunnen ze gedeeltelijk niet-Newtoniaanse eigenschappen hebben.

Om een ​​sensor bruikbaar te maken in een boorgatvormingsmonster en analysetool, moet deze daarom een ​​groot dyamisch bereik hebben met een nauwkeurigheid beter dan 10% van de aflezing. Het moet ook kunnen meten bij temperaturen tot 175 ° C en drukken hoger dan 25 kpsi.

In dit artikel wordt een nieuwe sensor beschreven die aan al deze eisen kan voldoen. Het is een aangedreven mechanische resonator waarvan de resonantiefrequentie en demping nauwkeurige waarden opleveren voor de viscositeit en dichtheid van een vloeistof waarin het is ondergedompeld. De sensor is ontworpen om zowel zeer nauwkeurig als voldoende robuust te zijn om de temperatuur, druk en boortrillingen te weerstaan ​​die worden aangetroffen bij het loggen van boorputten. De viscositeit wordt gemeten tot op 0.1 cP voor vloeistoffen van minder dan 1 cP en 10% voor alle viscositeiten van meer dan 1 cP. Dichtheidsmetingen zijn nauwkeurig tot beter dan 0.01 g / cc. De sensor kan worden gebruikt voor zowel draadgebonden als logging-while-boring (LWD) gereedschappen.

Het artikel presenteert de meetprincipes van de sensor en kwalificatietests bij hoge temperatuur en hoge druk. De laboratoriummetingen van viscositeit en vloeistofdichtheid die met de nieuwe sensor zijn uitgevoerd, worden getoond voor een verscheidenheid aan kalibratievloeistoffen die typisch zijn voor vloeistoffen in de boorput die worden verzameld door formatiebemonsteringstools.

Er zijn verschillende sensoren voor in-situ meting van viscositeit en dichtheid geïmplementeerd voor evaluatie van draadlijn- en LWD-formatie. In 2008 introduceerde Baker Hughes een piëzo-elektrische stemvork [6] die de vloeistofdichtheid meet in het bereik van 0.01 tot 1.5 g / cc met een RMSE

± 0.015 g / cc voor viscositeiten lager dan 30 cP; en RMSE ± 0.03 g / cc voor viscositeiten tussen 30 cP en 200 cP. Het viscositeitsmeetbereik voor deze sensor is 0.2 tot 30 cP met een RMSE ± 0.1 cP of 10% (welke groter is) en tussen 30 en 200 cP met een RMSE ± 20%.

Deze sensor is in eerste instantie ontwikkeld voor draadgebonden toepassingen, maar is in 2010 aangepast voor LWD-tools. Tegelijkertijd begon Baker Hughes in samenwerking met Viscoteers Inc. met het ontwikkelen van een nieuwe sensortechnologie op maat gemaakt voor de veeleisende booromgeving, die de meetmogelijkheden van zijn voorganger overtreft en overtreft.

De nieuwe sensor is een zeer nauwkeurige torsieresonator [3] die zijn karakteristieken - resonantiefrequentie en demping - verandert afhankelijk van de dichtheid en viscositeit van de vloeistof waarin de sensor is ondergedompeld. (Fig 1).

De resonator wordt draadloos opgewonden en gedetecteerd door magnetische koppeling tussen elektrische spoelen buiten de detectiekamer en magneten ingebed in de tandkoppen van de resonator [3] (Fig 2). De resonator is gemaakt van zeer sterk, zeer corrosiebestendig en goed gekarakteriseerd metaal, waarvan de eigenschappen stabiel blijven bij hoge temperatuur en hoge omgevingsdruk. Deze configuratie vermijdt elektrische doorvoeren naar de hogedrukvloeistofzijde, die een beruchte storingsbron zijn bij sensoren die elektrische verbindingen over de drukbarrière vereisen. Omdat de resonator volledig van metaal is gemaakt, is de sensor extreem robuust en geschikt voor de ruwe omgeving in boorgatomstandigheden.

Fig 1. Amplitude- en fase-resonator-responscurven bepalen de resonantiefrequentie van de sensor ondergedompeld in twee vloeistoffen met verschillende demping. Afbeelding van Good-bread et al., 20013.

De resonator wordt draadloos opgewonden en gedetecteerd door magnetische koppeling tussen elektrische spoelen buiten de detectiekamer en magneten ingebed in de tandkoppen van de resonator [3] (Fig 2). De resonator is gemaakt van zeer sterk, zeer corrosiebestendig en goed gekarakteriseerd metaal, waarvan de eigenschappen stabiel blijven bij hoge temperaturen en hoge omgevingsdruk. Deze configuratie vermijdt elektrische doorvoeren naar de hogedrukvloeistofzijde, die een beruchte storingsbron zijn bij sensoren die elektrische verbindingen over de drukbarrière vereisen. Omdat de resonator volledig van metaal is gemaakt, is de sensor extreem robuust en geschikt voor de ruwe omgeving bij boorgatomstandigheden.

De mechanische oscillator heeft een hoge Q-factor, wat een voorwaarde is voor een groot dynamisch bereik van de dempingsmetingen.

De twee door de sensor gemeten waarden, resonantiefrequentie en demping, zijn gecorreleerd met waarden van viscositeit en dichtheid door middel van een wiskundig model als wekk en door een empirische kalibratiecurve die voor elke sensor is gebouwd. Beide methoden bieden uiterst nauwkeurige en herhaalbare resultaten (zie sensorspecificatie), maar omdat de empirische kalibratiemethode minder computationeel duur is en minder vatbaar voor variatie in de sensorvorm, is dit de voorkeursmethode.

De resonator wordt bekrachtigd door spoelen die worden aangedreven door een wisselstroom die in frequentie varieert naargelang de meting dit vereist. De respons van de sensor wordt waargenomen door extra wikkelingen op de spoelen. De gehele meting van viscositeit en dichtheid duurt ongeveer 1 seconde, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van eerdere technologieën, omdat deze kan worden uitgevoerd terwijl de druk constant is tijdens de uitloopperiode van de pomp.

Fig 2. Viscositeitsdichtheidssensor gekoppeld torsie-resonatorconcept. Afbeelding van Goodbread et al, 20013.

De sensor (Afb. 3) is niet alleen bestand tegen extreem hoge druk en temperatuur (laboratorium getest bij 2000 bar en 200 ° C), maar is ook immuun voor schade door schokken tot 750 g en continue trillingen tot 30 g.

Fig 3. Viscositeit-dichtheid sensormodule ontwerp

De sensor wordt bestuurd door een fasevergrendelde lus die de resonantiefrequentie volgt en bewaakt om de vloeistofdichtheid te meten. Door periodiek de faserelatie tussen de excitatie en de respons van de sensor te veranderen, kan de demping van de resonator, waaruit de viscositeit kan worden geschat, worden bepaald zoals getoond in Fig 4.

Fig 4. Phase shift methode om de demping van een vloeistof te berekenen. Afbeelding van Goodbread et al, 20013.

De specificaties werden gecontroleerd aan de hand van de geteste eigenschappen van gefabriceerde sensoren. De sensor kan monstervloeistoffen meten van elke combinatie van verschillende koolwaterstoffen met molecuulgewicht, pekel, op olie of water gebaseerd slibfiltraat en gassen.

Het enorme dynamische bereik van de sensor kan worden gewaardeerd door de specificaties te vergelijken met die van standaard meetsystemen voor industriële vloeistofdichtheid en viscositeit.

Tabel 1. Specificaties van viscositeitssensor voor dichtheid

De sensor is getest bij verschillende drukken en temperaturen met verschillende geselecteerde vloeistoffen om het viscositeits- en dichtheidsbereik van vloeistoffen die zich in het boorgat bevinden te dekken.

De testresultaten verifiëren de nauwkeurigheid en precisie van de meting in het vereiste vloeistofbereik. De gebruikte vloeistoffen waren:

• Pekel met een concentratie van 2 mol NaCl per liter water,
• N-dodecaan
• Viscositeit standaard olie Cannon® S-20, N-2, N- 10, N-35, N-75, S-6.

Deze vloeistoffen zijn gekozen omdat:

1. Nauwkeurige referentiewaarden voor hun eigenschappen zijn beschikbaar
2. hun bereik van viscositeit en dichtheid omvat het bereik van de sensor
3. hun fysische eigenschappen verschaffen een representatief monster van de vloeistoffen die zich in het boorgat bevinden (dwz water- en oliebasis, geleidende en niet-geleidende vloeistoffen)

Fig 5 toont het meetbereik en de nauwkeurigheid van de dichtheid die met de sensor is bereikt voor verschillende vloeistoffen.

Fig 5. Gemeten dichtheid van pekel (2 mol / l), N-dodecaan, Cannon S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 en chloroform. De ononderbroken zwarte en rode lijnen vertegenwoordigen de maximale en minimale toegestane waarden die worden voorgeschreven door de sensorspecificaties.

Fig 6 en 7 tonen het meetbereik en de nauwkeurigheid van de viscositeit die met de sensor zijn bereikt voor verschillende vloeistoffen die het grootste deel van de specificaties bestrijken.

Fig 6. Gemeten viscositeit in het bovenste bereik van pekel (2 mol / l), N-dodecaan, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 en N-75. De ononderbroken zwarte en rode lijnen vertegenwoordigen de maximale en minimale toegestane waarden die worden voorgeschreven door de sensorspecificaties.

Fig. 7. Gemeten viscositeit in lager pekelbereik (2 mol / l), N-dodecaan, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 en N-75. De ononderbroken zwarte en rode lijnen vertegenwoordigen de maximale en minimale toegestane waarden die worden voorgeschreven door de sensorspecificaties.

N-dodecaan werd geselecteerd voor gedetailleerde testen vanwege de beschikbaarheid van de beschikbaarheid van nauwkeurige referentie tot hoge drukken (1900 bar) en hoge temperaturen (200 ° C).

Fig 8 en 9 het gedrag van de meting van de viscositeit weergeven met betrekking tot drukveranderingen (1 tot 1500 bar). De waarden volgen de referentieviscositeit met een fout kleiner dan 5% van de aflezingen. Bij elke druk-temperatuurconditie worden 50 meetpunten genomen (Fig 9).

Fig 9 geeft een grafische weergave van de absolute fout (afstand tot de 0-lijn) en de precisie (variatie van de puntenwolk voor elke temperatuur-drukmeting), die beter is dan 0.5% van de aflezing.

Fig. 8. Viscositeit N-dodecaan bij 50 ° C tussen 1 en 1,500 bar. Referentiewaarden van Caudwell et al, 2008.

Vijg 9. Viscositeit-gemeten fouten met N-dodecaan (met verwijzing naar referentie) bij 50 ° C, tussen 1 en 1,500 bar. Referentiewaarden van Caudwell et al, 2008.

Fig 10 en 11 het gedrag van de dichtheidsmeting weergeven met betrekking tot drukveranderingen (1 tot 1,500 bar). De gemeten dichtheid heeft een nauwkeurigheid van beter dan +/- 0.003 g / cc.

Fig. 10. N-dodecaandichtheid bij 50 ° C tussen 1 en 1,500 bar. Referentiewaarden van Caudwell et al, 2008.

Fig. 11. N-dodecaandichtheid gemeten fouten (met verwijzing naar referentie) bij 50 ° C, tussen 1 en 1,500 bar. Referentiewaarden van Caudwell et al, 2008.

De berekende minimale precisie van de laatste twee afbeeldingen is beter dan 0.1% van de aflezing.

De nieuwe sensor voor dichtheid en viscositeit, ontworpen voor de veeleisende LWD-omgeving, presteerde beter dan de doelspecificaties tijdens laboratoriumtests. Het verkregen resultaat voor de drie vloeistoffen in dit document bevestigt dat:

• De sensor vertoont geen meetvertekening bij veranderingen in druk en
• De precisie van de sensor voor alle vloeistoffen in het papier is beter dan +/- 0.001 g / cc voor dichtheid en beter dan +/- 1% voor viscositeit.
• De dichtheidsnauwkeurigheid van de sensor bij alle uitgevoerde tests is beter dan 0.01 g / cc. De viscositeitsnauwkeurigheid is beter dan 10% van de aflezing voor viscositeiten groter dan 1 mPa.s en beter dan 0.1 mPa.s voor viscositeiten lager dan 1 mPa.s.
• De sensor vertoont geen schade of veranderingen in het meetgedrag na schok- en vibratietests volgens specificaties.
• De sensor produceert stabiele metingen tijdens en na alle temperatuur- en drukcycli
• Er was geen bewijs van mechanische of corrosieschade aan de sensor na de sensor na alle tests.
• De nieuwe sensor is robuust genoeg om de zware omgevingscondities van de LWD en draadlijndiensten te weerstaan, en biedt viscositeiten en dichtheden met de nauwkeurigheid en precisie die nodig zijn voor een analyse-instrument voor de evaluatie van boorgatformaties.
• De sensor presteert goed in geleidende (pekel) of niet-geleidende vloeistoffen en vertoont geen tekenen van invloed bij het testen in geleidende vloeistoffen.

1. Caudwell Derek R., Trusler JP Martin, Vesovic Velisa, Wakeham William A., 2004, The Viscosity and Density of n-Dodecane and n-Octadecane at Pressures up to 200MPa and Temperatures up to 473 K., International Journal of Thermophysics 08 / 2004.
2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013, Sampling While Drilling Goes Where Wireline Can't: Case Studies Illustrating Wireline Quality Measurements in Challenging Borehole Environments, SPE-164293.
3. Goodbread Joe, Juerg Dual, Viscoteers Inc, 2013, gekoppelde torsieresonatorviscometer, EP2596328 A2.
4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H. en Correia Robert J., 1981, Tabellen van de dynamische en kinematische viscositeit van waterige NaCl-oplossingen in het temperatuurbereik 20-150 ° C en het drukbereik 1-35 MPa, Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 10, nr.1 1981.
5. Lundstrum Robbi, Goodwin Antony RH, Hsu Kai, Frels Michael, Caudwell Derek R., Trusler JP Marin en Marsh Kenneth N., 2005, Meting van viscositeit en dichtheid van twee referentievloeistoffen, met nominale viscositeit bij T = 298 K en p = 0.1 MPa van (16 en 29) mPa.s, bij temperaturen tussen (298 en 393) K en drukken onder 55 MPa, J. Chem. Eng. Gegevens 2005, 50, 1377 - 1388.
6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc, 2007, Methode en apparaat voor vloeistofkarakterisering in het boorgat met behulp van buigmechanische resonatoren, Amerikaanse octrooien 7,162,918 B2.
7. Rogers PSZ en Pitzer Kenneth S., 1982, Volumetrische eigenschappen van waterige natriumchloride-oplossingen, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 11, nr.1 1982.

Bezoek de pagina met oplossingen voor meer informatie over onze oplossingen voor de energie-industrie.