Измерения вязкости и плотности в нефтегазовом секторе являются одними из самых важных, но также и самых труднодостижимых операций. От геологоразведки и бурения до добычи и транспортировки - идентичность и свойства флюидов являются жизненной силой отрасли.

Лабораторные инструменты имеют ограниченное применение для измерения свойств флюидов в пластовых условиях. Очень высокие давления и температуры, удары и вибрация, ограниченная мощность и, прежде всего, жесткие ограничения пространства требуют новых и творческих подходов к измерению вязкости и плотности. В этой статье мы исследуем необходимость линейных измерений вязкости и плотности, а также описываем несколько новых продуктов, которые позволяют проводить линейные измерения в некоторых из самых сложных промышленных сред.

Знания о текучести - это сила - сила для безопасного и экономичного выполнения процессов. И именно те свойства - вязкость и плотность, которые труднее всего уловить в скважинных и промышленных условиях, могут быть наиболее важными для понимания того, как флюиды будут реагировать во всем спектре условий, которые могут возникнуть в вашем технологическом процессе.

Почему вязкость имеет значение

Когда жидкость течет по трубе, давление, необходимое для ее перемещения с заданной скоростью, зависит от ее вязкости и размеров трубы. Чем выше вязкость, тем большее давление требуется для проталкивания жидкости по трубе. Скорость потока задается уравнением Пуазейля, где F - скорость потока, R - радиус трубы, L - ее длина, ∆P - разница давлений между концами трубы, а η - вязкость жидкости.

Рисунок 1: Зависимость расхода от вязкости.

Чем выше вязкость, тем меньше расход. Прокачиваете ли вы буровой раствор, жидкость для гидроразрыва пласта или сырую нефть через несколько километров трубы, небольшие изменения вязкости могут иметь огромные последствия для баланса давления в системе, а также мощности, необходимой для перекачивания жидкости.

Например, чтобы перекачивать тяжелую нефть по трубопроводу, давление перекачки можно снизить, контролируя ее вязкость. Снижение вязкости путем нагревания или разбавления масла дорого. Чтобы определить, сколько тепла или разбавителя нужно добавить, необходимо измерить фактическую вязкость разбавленной нефти. Используя встроенный вискозиметр и контроллер с обратной связью для регулировки температуры или количества разбавителя, можно достичь оптимального баланса между дополнительными затратами на снижение вязкости и желаемой вязкостью продукта.

Если труба расположена вертикально, а не горизонтально, сила тяжести, действующая на жидкость, добавляется к ее гидравлическому сопротивлению и изменяет падение давления в трубе:

где ρ - плотность жидкости, ∆H - высота трубы по вертикали, а g - ускорение свободного падения.

Технически эта формула верна только для ламинарного течения ньютоновских жидкостей. Однако общие соотношения дают полезные оценки во многих случаях, когда эти условия не выполняются.

Рисунок 2: Зависимость падения давления от плотности.

Знание плотности жидкости имеет решающее значение для поддержания баланса давления в скважине. А поскольку для расчета стоимости продукта используется фактический вес жидкости, точное измерение плотности является важным фактором при коммерческом учете.

Важность линейного измерения свойств жидкости

Несмотря на важность плотности и вязкости во всех аспектах операций по добыче и переработке, их, как известно, трудно измерить в экстремальных условиях нефтегазовой промышленности. Традиционные лабораторные методы включают в себя деликатные и дорогие инструменты, которые можно использовать только для проб, взятых в полевых условиях.

Но оператору, пытающемуся контролировать консистенцию бурового раствора во время операции бурения, требуется немедленное поточное измерение, чтобы иметь возможность оптимизировать параметры бурения на лету. Лабораторный отчет, доставленный через несколько часов после взятия пробы, имеет лишь ограниченную ценность, поскольку он отражает прошлые, а не реальные условия.

При проведении операций по гидроразрыву решающее значение имеет плотность, чтобы определить, соответствует ли концентрация проппанта целевой. Прямое измерение плотности имеет решающее значение, потому что при гидроразрыве быстро. Аналогичным образом, при цементировании важно знать плотность цемента для поддержания надлежащего баланса давления. Знание, какой была плотность жидкого цемента за пару часов до его схватывания, не имеет большого значения для оператора. Для измерения плотности при высоких давлениях накачки приборы для ядерной абсорбции - почти единственный вариант. Но повышенная стоимость соблюдения требований и обращения с ядерными источниками стала огромным бременем для отрасли.

Одно из самых сложных приложений для линейного измерения свойств жидкости также является наиболее ценным. Это оценка пластовых флюидов во время бурения.

Оценка пластового флюида - от бурового долота до лаборатории PVT и не только

Оценка пластового флюида затрагивает фундамент нефтегазовой отрасли. Знание того, какие жидкости присутствуют и как они будут вести себя во время добычи и транспортировки, необходимо для безопасного и экономичного бурения, заканчивания и добычи.

Образцы пластового флюида традиционно берутся с помощью инструментов на кабеле. Их сбор требует подтягивания бурильной колонны, размещения инструмента на кабеле, сбора образцов, которые затем отправляются в лабораторию, с последующим повторным вводом бурильной колонны. Чтобы сохранить целостность образцов, необходимо выдерживать их в пластовых условиях температуры и давления по мере их выхода на поверхность - технически сложный и дорогостоящий процесс.

Развитие передовых сенсорных технологий и высокотемпературной электроники делает практичным включение датчиков вязкости и плотности в канатные инструменты. Примером может служить прибор для определения характеристик пласта (RCI) компании Baker Hughes с сервисом In-Situ Fluids eXplorer (IFX). Кабельный инструмент IFX включает в себя датчик плотности-вязкости на основе пьезоэлектрического камертонного резонатора – один из основных классов технологий, который хорошо подходит для линейного мониторинга плотности и вязкости.oring.

В то же время компания Baker Hughes разрабатывала сервис FASTrak для каротажа во время бурения (LWD), который позволял проводить анализ жидкости и отбор проб во время операции бурения без необходимости прерывать ее для каротажа на кабеле. Эта система включала пьезоэлектрическую систему измерения вязкости-плотности от прибора IFX.

В 2010 году компания Baker Hughes связалась с Rheonics(ранее Viscoteers, Inc.) для разработки альтернативы очень хрупкому пьезоэлектрическому камертону, который использовался в системе FASTrak. Результатом стал Rheonics DV-2000, крутильный камертон-резонатор, который в конечном итоге лег в основу расширенного семейства линейных датчиков плотности и вязкости, которые теперь охватывают широкий спектр применений в нефтегазовом секторе.

Ассоциация Rheonics ДВ-2000 и его детище

Поучительно внимательно рассмотреть Rheonics DV-2000, поскольку он иллюстрирует подход к контролю плотности-вязкости.oring это одновременно общая концепция и универсальная в своей реализации.

Ассоциация Rheonics ДВ-2000 представляет собой вибрационный датчик, резонансные характеристики которого изменяются за счет взаимодействия с жидкостью.

DV-2000 состоит из двух связанных крутильных резонаторов, которые вместе составляют крутильный камертон, показанный ниже рядом с типичной установкой в ​​модуле LWD:

Рисунок 3: Резонатор DV в модуле анализа жидкости LWD.

Резонатор погружается в тестируемую жидкость. Зубья содержат постоянные магниты, которые приводятся в действие и воспринимаются при крутильных колебаниях катушками, расположенными вне камеры с жидкостью под давлением, в которой находится резонатор.

Уплощенные зубцы взаимодействуют с жидкостью двумя различными способами, когда они вибрируют при кручении. Они сдвигают жидкость, что вызывает передачу энергии от зубьев к жидкости за счет сил вязкости. И они вытесняют жидкость, что вызывает массовую нагрузку на зубья, пропорциональную плотности жидкости.

Когда DV-2000 управляется синусоидальной волной, ее амплитуда достигает максимума на резонансной частоте. Чем больше энергии он теряет в жидкости из-за сил вязкости, тем более плоским и широким будет его резонансный пик. Точно так же, когда резонатор загружен плотной жидкостью, его резонансная частота уменьшается на величину, зависящую от плотности жидкости.

Рисунок 4: Расширение резонансного пика за счет вязкого демпфирования (повышенная вязкость) и смещение резонансного пика из-за массовой нагрузки (повышенная плотность).

Ширину резонансного пика можно использовать для определения вязкости жидкости, а сдвиг его резонансной частоты можно использовать для определения плотности жидкости. Вместе с Rheonics В электронном пакете DVM датчик может измерять плотность и вязкость при температуре до 500°F и давлении до 30,000 XNUMX фунтов на квадратный дюйм.

Характеристики плотности и вязкости DV-2000 приведены в следующей таблице:

Результаты испытаний, проведенных в компании Baker Hughes, показаны на следующем рисунке.hartс. Первые два показывают точность измерений вязкости для ряда жидкостей, охватывающих заданный диапазон вязкостей и плотностей. Третий показывает точность измерений плотности. Две строки в каждом chart показать верхнюю и нижнюю границы допустимых погрешностей для обоих измерений.

Таблица 1. Технические характеристики Rheonics Датчик ДВ-2000.

Рисунок 5: Точность датчика вязкости (слева) и плотности (справа) для различных жидкостей.

Линейные приборы для измерения плотности – вязкости на основе Rheonics DV-2000

Превосходная точность, повторяемость и надежность DV-2000 позволили использовать его в двух встроенных приборах DV, более подходящих для встроенных и технологических приложений.

Ассоциация Rheonics ДВМ представляет собой ДВ-2000, смонтированный в титановом блоке с входной и выходной арматурой высокого давления. Фактический объем измерения составляет около 0.7 см.³. Он работает при давлении до 30,000 500 фунтов на квадратный дюйм и температуре до 2000 ° F. Его характеристики точности и дальности действия аналогичны характеристикам DV-XNUMX, указанным выше, но его потенциал намного превышает характеристики. Основные приложения Rheonics DVM занимается PVT-анализом проб живой нефти, при котором необходимо работать с очень небольшими количествами материала, сохраняя их в пластовых условиях по температуре и давлению. Предыдущие измерения требовали отдельных приборов для измерения плотности и вязкости, что требовало значительно больших объемов проб, а также громоздких систем транспортировки жидкости.

DVM также использовался для измерения плотности и вязкости жидкого и газообразного CO.₂ в экспериментах по заводнению керна с точностью, намного превышающей целевую спецификацию, указанную выше.

Второй инструмент, основанный на DVM, — это Rheonics DVP, который был разработан как универсальный линейный датчик для использования в резервуарах, трубопроводах и реакторах. Его характеристики диапазона и точности такие же, как у DVM, но с более низким номинальным давлением — 10,000 XNUMX фунтов на квадратный дюйм. DVP предназначен для приложений, включающих мониторинг нескольких станций.oring жидкостей в трубопроводах, оптимизация насосов на основе вязкости, коммерческий учет и линейный мониторинг плотности при высоком давленииoring. DVP является одним из немногих неядерных приборов, способных выполнять точные поточные измерения плотности при давлениях в диапазоне 10,000 XNUMX фунтов на квадратный дюйм и, как таковой, открывает множество новых областей применения, которые ранее были охвачены косвенными методами, такими как передача ультразвука или измерение дифференциального давления в вертикальный столб жидкости.

Тематические исследования: Rheonics DVM в анализе живой нефти и установках заводнения керна

Измерения плотности и вязкости живых проб масла в AsphWax, Inc.

Ассоциация Rheonics DVM идеально подходит для измерения свойств проб живого масла благодаря небольшому объему пробы, широкому диапазону измерения вязкости без прерывания процесса измерения для перенастройки оборудования, а также способности одновременно измерять плотность и вязкость на одном и том же оборудовании. образец. Поскольку конкурирующие системы используют два отдельных прибора для измерения плотности и вязкости, они требуют большего объема пробы и вызывают сложности при переносе проб живой нефти. На следующем рисунке показан Rheonics DVM установлен на резервуаре для проб живого масла внутри печи. Компактный размер и простота подключения позволяют устанавливать его непосредственно на контейнере для проб живого масла.[1]. Пробный запуск гептана при 46.8 ° C и давлении 341 бар дал следующие значения по сравнению со стандартными справочными значениями:

Данные измерений DVM любезно предоставлены Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

Настольные 2: Измеренная точность Rheonics DVM.

Рисунок 6: Rheonics ДВМ-модуль.

Применение Rheonics Вискозиметр DVM2000 для определения реологических свойств эмульсий в нефтяных пластах

В передовых методах повышения нефтеотдачи используется система, в которой две несмешивающиеся жидкости эмульгируются. Пенный EOR включает в себя образование газо-водных эмульсий, стабилизированных поверхностно-активными веществами, в пласте для контроля подвижности вытесняющего газа с низкой вязкостью (N₂, легкие углеводороды, CO₂ и т. д.) и тем самым повысить эффективность развертки. В химических методах увеличения нефтеотдачи, таких как заводнение из ASP (щелочного поверхностно-активного полимера), процесс добычи нефти регулируется образованием микроэмульсии из нефти и воды, вызванной поверхностно-активными веществами, которая затем вытесняется заводнением вязкого рассола, вызванным полимером. Оба метода направлены на оптимизацию реологических свойств в пластовых условиях с минимальным добавлением химикатов. Лабораторная характеристика реологического поведения состава в пластовых условиях может занять от нескольких дней до месяцев, что делает быстрый скрининг составов довольно сложной задачей. Наиболее важные и наименее контролируемые факторы - это свойства пористой среды. Эти свойства могут изменяться во время эксперимента, что делает практически невозможным прямое измерение реологических свойств.

Ассоциация Rheonics DVM-2000 может одновременно измерять плотность и вязкость таких химических составов в пластовых условиях за несколько часов, что делает этап ограничения скорости временной шкалой химических взаимодействий в процессе. Наши клиенты используют DV-2000 в своих устройствах для заводнения керна, чтобы ускорить разработку продукта за счет точных реологических измерений в пластовых условиях.

Возможность одновременного измерения плотности и вязкости также дает важную информацию о текстуре эмульсии. Однородная измеренная плотность и стабильная вязкость указывают на стабильную эмульсию с однородно дисперсными фазами. С другой стороны, если текстура неоднородна, как при снарядном течении, качественно это проявляется в сильных колебаниях указанной плотности и вязкости. Такая информация является квинтэссенцией разработки и внедрения методов повышения нефтеотдачи. Схема типичной проточной установки с использованием Rheonics На следующем рисунке показана установка DVM-2000, где две несмешивающиеся жидкости (одна из которых обычно представляет собой раствор поверхностно-активного вещества в рассоле) одновременно прокачиваются через поточный смеситель, Rheonics ДВМ-2000 мониторoring система и система заводнения активной зоны последовательно.

Рисунок 7: Настройка основного потока с встроенным модулем DVM.

Перспективы линейных измерений резонансной плотности и вязкости

Датчики резонансных свойств жидкости типов, предлагаемых фирмой Rheonics, Inc. расширяют границы измерений, которые считались возможными только с помощью приборов лабораторного класса. Помимо упомянутых выше применений, эти датчики также используются для измерения отложений парафинов и асфальтенов. RheonicsБазовая технология может быть оптимизирована для измерения не только отложений, но и коррозии в режиме реального времени, что позволяет целенаправленно дозировать химическую обработку в полевых условиях.

Треть Rheonics Датчик SRV способен измерять вязкость в очень широком диапазоне: от менее 1 сП до 50,000 XNUMX сП. Это высокостабильный прибор управления технологическим процессом, предназначенный для использования в производстве и дозировании даже дисперсий, суспензий и других нетипичных жидкостей. В настоящее время он используется для точного контроля вязкости неньютоновской суспензии при нанесении дорогостоящих покрытий. Его также можно использовать для мониторинга и контроля вязкости жидкостей в трубах и трубопроводах, включая системы сжигания бункерного топлива для судовых двигателей, а также трубопроводную транспортировку нагретой или разбавленной тяжелой сырой нефти.