Эта статья описывает новый датчик плотности и вязкости, который измеряет свойства пластовых флюидов с высокой точностью и разрешением. Динамическая вязкость (ri) в сочетании с другими параметрами жидкости, такими как плотность (p), скорость звука, показатель преломления, спектры поглощения и теплопроводность, обеспечивают всестороннюю характеристику жидкости образца. Оценка проницаемости пласта имеет решающее значение для прогнозирования продуктивного потенциала коллектора. Измерения подвижности, проводимые на пласте с использованием различных скважинных пробоотборных инструментов, можно использовать для расчета проницаемости пласта, когда известна точная вязкость на месте пластовых флюидов.

Жидкость для пробы может представлять собой любую комбинацию углеводородов с различной молекулярной массой, рассола, фильтрата бурового раствора на масляной или водной основе и газов. и жидкости обычно имеют вязкость в диапазоне от 0.5 до 4 сП (мПа · с), но могут достигать 40 сП в тяжелых маслах. Плотность жидкости может составлять от 0.2 до 1.5 г / куб. Кроме того, жидкости также могут быть проводящими, и они могут иметь частично неньютоновские свойства.

Чтобы датчик можно было использовать в пробоотборном и аналитическом инструменте, находящемся в скважине, он должен иметь большой диапазон диам. С точностью лучше 10% от показаний. Он также должен быть способен измерять при температуре до 175 ° C и давлении, превышающем 25 kpsi.

В этой статье описан новый датчик, который может удовлетворить все эти требования. Это механический приводной резонатор, резонансная частота и демпфирование которого дают точные значения вязкости и плотности жидкости, в которую она погружена. Датчик был спроектирован так, чтобы быть как высокоточным, так и достаточно надежным, чтобы выдерживать температуру, давление и вибрации при бурении, возникающие при каротаже в скважине. Вязкость измеряется с точностью до 0.1 сП для жидкостей менее 1 сП и 10% для всех вязкостей выше 1 сП. Измерения плотности с точностью до 0.01 г / см XNUMX. Датчик можно использовать как для проводного, так и для каротажного бурения (LWD).

В статье представлены принципы измерения датчика, а также квалификационные испытания при высокой температуре и высоком давлении. Лабораторные измерения вязкости и плотности флюидов, проведенные с новым датчиком, показаны для различных калибровочных флюидов, которые являются типичными для скважинных флюидов, собранных инструментами для отбора проб пласта.

Различные датчики для измерения вязкости и плотности на месте были внедрены для услуг по оценке пластов на кабеле и LWD. В 2008 году Бейкер Хьюз представил пьезоэлектрический камертон [6], который измеряет плотность жидкости в диапазоне от 0.01 до 1.5 г / куб.см с RMSE

± 0.015 г / см30 для вязкостей ниже 0.03 сП; и RMSE ± 30 г / см 200 для вязкостей от 0.2 сП до 30 сП. Диапазон измерения вязкости для этого датчика составляет от 0.1 до 10 сП при RMSE ± 30 сП или 200% (в зависимости от того, что больше) и от 20 до XNUMX сП при RMSE ± XNUMX%.

Этот датчик был изначально разработан для проводной связи, но в 2010 году был адаптирован для инструментов LWD. В то же время Baker Hughes в сотрудничестве с Viscoteers Inc. начали разработку новой сенсорной технологии, адаптированной для очень требовательных условий бурения, которые соответствуют и превосходят возможности измерений своего предшественника.

Новый датчик представляет собой высокоточный крутильный резонатор [3], который меняет свои характеристики - резонансную частоту и демпфирование - в зависимости от плотности и вязкости жидкости, в которую погружен датчик. (Рис 1).

Резонатор возбуждается и воспринимается беспроводным способом посредством магнитной связи между электрическими катушками вне измерительной камеры и магнитами, встроенными в головки зубьев резонатора [3] (Рис 2). Резонатор изготовлен из высокопрочного, очень стойкого к коррозии и хорошо характеризуемого металла, свойства которого остаются стабильными при высокой температуре и высоком давлении окружающей среды. Эта конфигурация позволяет избежать электрических проходов на сторону жидкости под высоким давлением, которая является печально известным источником неисправности датчиков, требующих электрических соединений через барьер давления. Поскольку резонатор полностью изготовлен из металла, датчик чрезвычайно прочен и подходит для суровых условий в условиях бурения на забое скважины.

рис 1, Кривые амплитудного и фазового отклика резонатора по резонансной частоте датчика, погруженного в две жидкости с различным демпфированием. Графика из Good-bread и др., 20013.

Резонатор возбуждается и воспринимается беспроводным способом посредством магнитной связи между электрическими катушками вне измерительной камеры и магнитами, встроенными в головки зубьев резонатора [3] (Рис 2). Резонатор изготовлен из высокопрочного, высококоррозионно-стойкого и хорошо характеризуемого металла, свойства которого остаются стабильными при высокой температуре и высоком давлении окружающей среды. Эта конфигурация позволяет избежать электрических проходов на сторону жидкости под высоким давлением, которая является печально известным источником неисправности датчиков, требующих электрических соединений через барьер давления. Поскольку резонатор изготовлен полностью из металла, датчик чрезвычайно прочен и подходит для работы в суровых условиях в условиях бурения на забое скважины.

Механический генератор имеет высокий добротность, что является предпосылкой для большого динамического диапазона измерений демпфирования.

Два значения, измеряемые датчиком, резонансная частота и демпфирование, соотносятся со значениями вязкости и плотности посредством математической модели в виде недель, а также эмпирической калибровочной кривой, построенной для каждого датчика. Оба метода обеспечивают чрезвычайно точные и воспроизводимые результаты (см. Спецификацию датчика), но поскольку метод эмпирической калибровки менее затратен в вычислительном отношении и менее подвержен изменению формы датчика, он является предпочтительным методом.

Резонатор возбуждается катушками, приводимыми в действие переменным током, частота которого изменяется, как того требует измерение. Реакция датчика определяется дополнительными обмотками катушек. Полное измерение вязкости и плотности занимает около 1 с, что является значительным улучшением по сравнению с предыдущими технологиями, поскольку оно может быть выполнено при постоянном давлении в период спада насоса.

Рис 2, Датчик вязкостного сопротивления в сочетании с торсионным резонатором. Графика из Goodbread et al, 20013.

Датчик (Рис. 3) не только выдерживает очень высокое давление и температуру (лабораторные испытания при 2000 бар и 200 ° C), но также невосприимчив к повреждениям от ударов до 750 г и постоянной вибрации до 30 г.

Рис 3, Конструкция модуля датчика вязкости

Датчик управляется контуром фазовой синхронизации, который отслеживает и контролирует свою резонансную частоту для измерения плотности жидкости. Периодически изменяя фазовое соотношение между возбуждением и откликом датчика, можно определить демпфирование резонатора, по которому можно оценить вязкость, как показано в рис 4.

Рис 4, Метод фазового сдвига для расчета затухания жидкости. Графика из Goodbread и др., 20013.

Технические характеристики были проверены по проверенным свойствам изготовленных датчиков. Датчик способен измерять пробы жидкостей любой комбинации углеводородов различной молекулярной массы, рассола, фильтрата бурового раствора на масляной или водной основе и газов.

Огромный динамический диапазон датчика можно оценить, сравнив его технические характеристики со стандартными системами измерения плотности и вязкости промышленных жидкостей.

Таблица 1, Характеристики датчика плотности

Датчик был испытан при различных давлениях и температурах с несколькими выбранными жидкостями, чтобы покрыть диапазон вязкости и плотности жидкостей, встречающихся в скважине.

Результаты испытаний подтверждают точность и точность измерений в необходимом диапазоне жидкостей. Были использованы следующие жидкости:

• Рассол с концентрацией 2 моль NaCl на литр воды,
• N-додекана
• Стандарт вязкости масла Cannon® S-20, N-2, N-10, N-35, N-75, S-6.

Эти жидкости были выбраны потому что:

1. Точные справочные значения для их свойств доступны
2. их диапазон вязкости и плотности охватывает диапазон датчика
3. их физические свойства обеспечивают репрезентативную выборку жидкостей, встречающихся в скважине (то есть водной и нефтяной основы, проводящих и непроводящих жидкостей)

Рис 5 показывает диапазон измерения плотности и точность, достигнутую с помощью датчика для различных жидкостей.

Рис 5, Измеряли плотность рассола (2 моль / л), н-додекана, пушек S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 и хлороформа. Сплошные черные и красные линии представляют максимальные и минимальные допустимые значения, предписанные спецификациями датчика.

Рис 6 и 7 показать диапазон измерения вязкости и точность, достигнутую с помощью датчика для различных жидкостей, охватывающих большую часть диапазона спецификаций.

Рис 6, Измеряли вязкость в верхнем диапазоне рассола (2 моль / л), н-додекана, пушек С-6, Н-2, Н-10, Н-35 и Н-75. Сплошные черные и красные линии представляют максимальные и минимальные допустимые значения, предписанные спецификациями датчика.

Рис. 7. Измеренная вязкость в нижнем диапазоне рассола (2 моль / л), N-додекана, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 и N-75. Сплошные черные и красные линии представляют максимальные и минимальные допустимые значения, предписанные спецификациями датчика.

N-додекан был выбран для детального тестирования из-за наличия точного эталона вплоть до высоких давлений (1900 бар) и высоких температур (200 ° C).

Рис 8 и 9 показать поведение измерения вязкости в отношении изменений давления (от 1 до 1500 бар). Значения соответствуют эталонной вязкости с погрешностью менее 5% от показаний. При каждом давлении и температуре берется 50 точек измерения, (Рис 9).

Рис 9 обеспечивает графическое отображение абсолютной погрешности (расстояние от линии 0) и точности (изменение облака точек для каждого измерения температуры-давления), которая лучше 0.5% от показания.

Рис. 8. Вязкость н-додекана при 50 ° С от 1 до 1,500 бар. Контрольные значения от Caudwell et al, 2008.

Рис. 9. Погрешности измерения вязкости N-додекана (по отношению к эталону) при 50 ° C, от 1 до 1,500 бар. Контрольные значения от Caudwell et al, 2008.

Рис 10 и 11 показать поведение измерения плотности относительно изменений давления (от 1 до 1,500 бар). Измеренная плотность имеет точность лучше +/- 0.003 г / куб.

Рис. 10. Плотность н-додекана при 50 ° С от 1 до 1,500 бар. Контрольные значения от Caudwell et al, 2008.

Рис. 11. Погрешности измерения плотности N-додекана (по отношению к эталону) при 50 ° C, от 1 до 1,500 бар. Контрольные значения от Caudwell et al, 2008.

Расчетная минимальная точность по двум последним графикам лучше 0.1% от показаний.

Новый датчик плотности и вязкости, разработанный для требовательных сред LWD, показал лучшие результаты, чем целевые характеристики в ходе лабораторных испытаний. Результат, полученный для трех жидкостей, представленных в этой статье, подтверждает, что:

• Датчик не показывает смещения измерений при изменении давления и
• Точность датчика для всех жидкостей, представленных в документе, лучше, чем +/- 0.001 г / см1 для плотности и лучше, чем +/- XNUMX% для вязкости.
• Точность плотности датчика во всех проведенных испытаниях лучше, чем 0.01 г / см 10. Точность вязкости составляет более 1% от показаний для вязкостей более 0.1 мПа · с и лучше 1 мПа · с для вязкостей менее XNUMX мПа · с.
• Датчик не имеет каких-либо повреждений или изменений в поведении измерений после испытаний на удар и вибрацию в соответствии со спецификациями.
• Датчик производит стабильные измерения во время и после всех циклов температуры и давления
• Не было никаких признаков механического или коррозионного повреждения датчика после всех испытаний датчика после всех испытаний.
• Новый датчик достаточно прочен, чтобы противостоять суровым условиям окружающей среды LWD и проводных служб, обеспечивая вязкость и плотность с точностью и точностью, необходимыми для инструмента анализа оценки пласта в скважине.
• Датчик хорошо работает в проводящих (рассол) или непроводящих жидкостях, не показывая никаких признаков влияния при тестировании в проводящих жидкостях.

1. Каудвелл Дерек Р., Труслер Дж. П. Мартин, Весович Велиса, Уэйкхем Уильям А., 2004, Вязкость и плотность н-додекана и н-октадекана при давлениях до 200 мПа и температурах до 473 К., Международный журнал теплофизики 08 / 2004.
2. Гальван Санчес Франциско, Бейкер Хьюз, 2013 г. Отбор проб при бурении там, где не может проводная связь: тематические исследования, иллюстрирующие измерения качества проводной связи в сложных условиях скважины, SPE-164293.
3. Goodbread Joe, Juerg Dual, Viscoteers Inc, 2013, Сопряженный торсионный резонаторный вискозиметр, EP2596328 A2.
4. Кестин Джозеф, Халифа Эззат Х. и Коррейа Роберт Дж., 1981 г. Таблицы динамической и кинематической вязкости водных растворов NaCl в интервале температур 20-150 ° С и интервале давлений 1-35 МПа, Phys. Химреагент Ссылка Data, Vol. 10, No.1 1981.
5. Lundstrum Robbi, Goodwin Antony RH, Hsu Kai, Frels Michael, Caudwell Derek R., Trusler JP Martin и Marsh Kenneth N., 2005, Измерение вязкости и плотности двух эталонных жидкостей с номинальной вязкостью при T = 298 K и p = 0.1 МПа (16 и 29) мПа · с при температурах (298 и 393) К и давлениях ниже 55 МПа, J. ​​Chem. Eng. Данные 2005, 50, 1377 - 1388.
6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc, 2007, Метод и устройство для определения характеристик скважинной жидкости с использованием механических изгибных резонаторов, Патенты США 7,162,918 B2.
7. Rogers PSZ и Pitzer Kenneth S., 1982, Объемные свойства водных растворов хлорида натрия, J. Phys. Химреагент Ссылка Data, Vol. 11, No.1 1982.

Чтобы узнать больше о наших решениях для энергетической отрасли, посетите страницу решений.