บทความนี้อธิบายถึงความหนาแน่นแบบใหม่และเซ็นเซอร์ความหนืดที่วัดคุณสมบัติของของเหลวที่ก่อตัวด้วยความแม่นยำและความละเอียดสูง ความหนืดไดนามิก (ri) ร่วมกับพารามิเตอร์ของเหลวอื่น ๆ เช่นความหนาแน่น (p), ความเร็วของเสียง, ดัชนีการหักเหของแสง, สเปกตรัมการดูดกลืนและการนำความร้อนให้คุณสมบัติที่ครอบคลุมของของเหลวตัวอย่าง การประมาณค่าการซึมผ่านของการก่อตัวเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำนายศักยภาพการผลิตของอ่างเก็บน้ำ การวัดการเคลื่อนไหวที่ดำเนินการกับการก่อตัวโดยใช้เครื่องมือการสุ่มตัวอย่าง downhole ต่าง ๆ สามารถใช้ในการคำนวณการซึมผ่านของการก่อตัวเมื่อทราบความหนืดในแหล่งกำเนิดที่แม่นยำของของเหลวการก่อตัว

ตัวอย่างของเหลวนั้นอาจเป็นการรวมกันของสารไฮโดรคาร์บอนน้ำหนักโมเลกุลต่างๆน้ำเกลือน้ำกรองหรือโคลนจากน้ำมันและก๊าซ และของเหลวมักจะมีความหนืดในช่วง 0.5 ถึง 4 cP (mPa.s) แต่อาจสูงถึง 40 cP ในน้ำมันหนัก ความหนาแน่นของของไหลอยู่ในช่วง 0.2 ถึง 1.5 g / cc นอกจากนี้ของเหลวยังอาจนำไฟฟ้าและพวกเขาสามารถมีคุณสมบัติบางส่วนที่ไม่ใช่ของนิวตัน

เพื่อให้เซ็นเซอร์สามารถใช้งานได้ในตัวอย่างการเกิดรูและเครื่องมือในการวิเคราะห์ดังนั้นจึงต้องมีช่วงไดอะมิกขนาดใหญ่ที่มีความแม่นยำดีกว่าการอ่าน 10% จะต้องสามารถวัดที่อุณหภูมิสูงถึง 175 ° C และแรงดันเกิน 25 kpsi

ในบทความนี้มีการอธิบายเซ็นเซอร์ใหม่ที่สามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ทั้งหมด เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางกลที่ขับเคลื่อนด้วยความถี่เรโซแนนและการหน่วงทำให้ได้ค่าที่แม่นยำสำหรับความหนืดและความหนาแน่นของของเหลวที่มันแช่อยู่ เซ็นเซอร์ถูกออกแบบมาให้มีความแม่นยำสูงและทนทานเพียงพอต่อการทนต่ออุณหภูมิความดันและการสั่นสะเทือนที่พบในการบันทึกลงในรู ความหนืดนั้นวัดได้ภายใน 0.1 cP สำหรับของเหลวที่น้อยกว่า 1 cP และ 10% สำหรับความหนืดทั้งหมดที่สูงกว่า 1 cP การวัดความหนาแน่นนั้นแม่นยำกว่า 0.01 g / cc เซ็นเซอร์สามารถใช้กับทั้งเครื่องมือแบบมีสายและการบันทึกขณะที่เจาะ (LWD)

กระดาษนำเสนอหลักการวัดของเซ็นเซอร์และการทดสอบคุณสมบัติอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง การตรวจวัดความหนืดและความหนาแน่นของของเหลวในห้องปฏิบัติการจะถูกแสดงด้วยเซ็นเซอร์ใหม่สำหรับของเหลวการสอบเทียบที่หลากหลายซึ่งเป็นแบบทั่วไปของของเหลวในหลุมที่เก็บรวบรวมโดยเครื่องมือสร้างตัวอย่าง

เซ็นเซอร์ต่าง ๆ สำหรับการตรวจวัดความหนืดและความหนาแน่นในแหล่งกำเนิดถูกนำมาใช้สำหรับการประเมินการให้บริการแบบมีสายและ LWD ในปี 2008 เบเคอร์ฮิวจ์สแนะนำส้อมจูน piezoelectric [6] ซึ่งวัดความหนาแน่นของของเหลวในช่วง 0.01 ถึง 1.5 g / cc ด้วย RMSE

± 0.015 g / cc สำหรับความหนืดต่ำกว่า 30cP; และ RMSE ± 0.03 g / cc สำหรับความหนืดระหว่าง 30cP และ 200cP ช่วงการวัดความหนืดสำหรับเซ็นเซอร์นี้คือ 0.2 ถึง 30 cP พร้อม RMSE ± 0.1 cP หรือ 10% (แล้วแต่จำนวนใดจะสูงกว่า) และระหว่าง 30 และ 200 cP พร้อม RMSE ± 20%

เซ็นเซอร์นี้ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกสำหรับการใช้งานแบบมีสาย แต่ในปี 2010 ได้รับการดัดแปลงสำหรับเครื่องมือ LWD ในขณะเดียวกัน Baker Hughes ร่วมมือกับ Viscoteers Inc. เริ่มพัฒนาเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ใหม่ที่ปรับให้เหมาะกับสภาพแวดล้อมการเจาะที่ต้องการการประชุมและเกินขีดความสามารถในการวัดของรุ่นก่อน

เซ็นเซอร์ใหม่นี้เป็นเครื่องสะท้อนเสียงแบบบิดที่มีความแม่นยำสูง [3] ซึ่งจะเปลี่ยนลักษณะของมัน - ความถี่เรโซแนนซ์และการทำให้หมาด - ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและความหนืดของของเหลวที่เซ็นเซอร์แช่อยู่ (มะเดื่อ. 1).

เครื่องสะท้อนความรู้สึกตื่นเต้นและสัมผัสแบบไร้สายโดยการเชื่อมต่อแม่เหล็กระหว่างขดลวดไฟฟ้าด้านนอกห้องตรวจจับและแม่เหล็กที่ฝังอยู่ในหัวซี่ของเครื่องสะท้อน [3] (มะเดื่อ. 2) ตัวสะท้อนความร้อนทำจากโลหะที่มีความแข็งแรงสูงทนต่อการกัดกร่อนสูงและมีคุณสมบัติเด่นซึ่งมีคุณสมบัติคงที่ภายใต้อุณหภูมิสูงและความดันบรรยากาศสูง การกำหนดค่านี้หลีกเลี่ยงการป้อนผ่านทางไฟฟ้าไปยังด้านของเหลวแรงดันสูงซึ่งเป็นสาเหตุของความล้มเหลวในการเซ็นเซอร์ที่ต้องการการเชื่อมต่อไฟฟ้าข้ามสิ่งกีดขวางความดัน เนื่องจากตัวเรโซเนเตอร์ทำจากโลหะทั้งหมดเซนเซอร์จึงมีความทนทานอย่างยิ่งและเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในสภาพการขุดเจาะรู

1 รูป. ความกว้างของเฟสและการตอบสนองของตัวสะท้อนเฟสจะจัดเรียงความถี่เรโซแนนซ์ของเซ็นเซอร์ที่จุ่มลงในของเหลวสองชนิดที่มีการหน่วงที่ต่างกัน กราฟิกจาก Good- bread et al, 20013

เครื่องสะท้อนความรู้สึกตื่นเต้นและสัมผัสแบบไร้สายโดยการเชื่อมต่อแม่เหล็กระหว่างขดลวดไฟฟ้าด้านนอกห้องตรวจจับและแม่เหล็กที่ฝังอยู่ในหัวซี่ของเครื่องสะท้อน [3] (มะเดื่อ. 2) ตัวสะท้อนความร้อนทำจากโลหะที่มีความแข็งแรงสูงทนต่อการกัดกร่อนสูงและมีคุณสมบัติดีซึ่งมีคุณสมบัติคงที่ภายใต้อุณหภูมิสูงและความดันบรรยากาศสูง การกำหนดค่านี้หลีกเลี่ยงการป้อนผ่านทางไฟฟ้าไปยังด้านของเหลวแรงดันสูงซึ่งเป็นสาเหตุของความล้มเหลวในการเซ็นเซอร์ที่ต้องการการเชื่อมต่อไฟฟ้าข้ามสิ่งกีดขวางความดัน เนื่องจากตัวสั่นสะเทือนทำจากโลหะทั้งหมดเซ็นเซอร์จึงมีความทนทานสูงและเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในสภาพการขุดเจาะหลุม

oscillator เชิงกลมีปัจจัย Q สูงซึ่งเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับช่วงไดนามิกขนาดใหญ่ของการวัดการหน่วง

ค่าสองค่าที่วัดได้โดยเซ็นเซอร์ความถี่การสะท้อนและการหน่วงนั้นมีความสัมพันธ์กับค่าความหนืดและความหนาแน่นโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เป็น wekk เหมือนกับเส้นโค้งการสอบเทียบเชิงประจักษ์ที่สร้างขึ้นสำหรับเซ็นเซอร์แต่ละตัว ทั้งสองวิธีให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำและทำซ้ำได้อย่างมาก (ดูข้อมูลจำเพาะของเซ็นเซอร์) แต่เนื่องจากวิธีการสอบเทียบเชิงประจักษ์นั้นมีราคาที่คำนวณได้น้อยกว่าและมีความอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงในรูปร่างของเซ็นเซอร์จึงเป็นวิธีที่ต้องการ

เครื่อง resonator รู้สึกตื่นเต้นกับคอยส์ที่ขับเคลื่อนด้วยกระแส AC ที่ความถี่แตกต่างกันไปตามการวัดที่ต้องการ การตอบสนองของเซ็นเซอร์จะถูกตรวจจับโดยขดลวดเพิ่มเติมในขดลวด การวัดความหนืดและความหนาแน่นทั้งหมดใช้เวลาประมาณ 1 วินาทีซึ่งเป็นการปรับปรุงที่สำคัญเหนือเทคโนโลยีก่อนหน้านี้เพราะสามารถทำได้ในขณะที่ความดันคงที่ในช่วงเวลาที่ดึงลงของปั๊ม

มะเดื่อ. 2. เซ็นเซอร์ความหนืด - ความหนาแน่นควบคู่ไปกับแนวคิดรีแอคเตอร์แรงบิด กราฟิกจาก Goodbread et al, 20013

เซ็นเซอร์ (รูปที่ 3) ไม่เพียงทนต่อแรงดันและอุณหภูมิที่สูงมาก (ห้องปฏิบัติการทดสอบที่ 2000 บาร์และ 200 ° C) แต่ยังมีภูมิคุ้มกันต่อความเสียหายจากแรงกระแทกสูงถึง 750 กรัมและการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องถึง 30 กรัม

มะเดื่อ. 3. การออกแบบโมดูลเซ็นเซอร์ความหนาแน่น - ความหนืด

เซ็นเซอร์ถูกควบคุมโดยลูปล็อกเฟสที่ติดตามและตรวจสอบความถี่เรโซแนนซ์เพื่อวัดความหนาแน่นของของเหลว โดยการเปลี่ยนความสัมพันธ์ของเฟสเป็นระยะ ๆ ระหว่างการกระตุ้นและการตอบสนองของเซ็นเซอร์ทำให้การลดทอนของตัวสะท้อนความร้อนซึ่งสามารถประมาณความหนืดตามที่แสดงใน 4 รูป.

มะเดื่อ. 4. วิธีการเปลี่ยนเฟสเพื่อคำนวณการหน่วงของของเหลว กราฟิกจาก Goodbread et al, 20013.

ข้อมูลจำเพาะถูกตรวจสอบกับความเหมาะสมของเซนเซอร์ที่ผลิต เซ็นเซอร์มีความสามารถในการวัดของเหลวตัวอย่างของการรวมกันของไฮโดรคาร์บอนน้ำหนักโมเลกุลต่างๆ, น้ำเกลือ, กรองโคลนหรือน้ำมันตามน้ำหรือก๊าซ

ช่วงไดนามิกที่กว้างใหญ่ของเซ็นเซอร์สามารถชื่นชมได้โดยการเปรียบเทียบคุณสมบัติกับความหนาแน่นของของเหลวในระบบมาตรฐานและระบบการวัดความหนืด

1 ตาราง. ข้อมูลจำเพาะของเซ็นเซอร์ความหนืดความหนาแน่น

เซ็นเซอร์ถูกทดสอบที่ความดันและอุณหภูมิที่หลากหลายด้วยของเหลวที่เลือกไว้หลายแบบเพื่อครอบคลุมความหนืดและช่วงความหนาแน่นของของเหลวที่พบในรู

ผลการทดสอบตรวจสอบความถูกต้องและแม่นยำของการวัดในช่วงที่ต้องการของไหล ของเหลวที่ใช้คือ:

• น้ำเกลือที่มี NaCl เข้มข้น 2 โมลต่อลิตรของน้ำ
• เอ็น - โดเดแคน
• น้ำมันมาตรฐานความหนืดแคนนอน® S-20, N-2, N- 10, N-35, N-75, S-6

ของเหลวเหล่านี้ถูกเลือกเพราะ:

1. มีค่าอ้างอิงที่ถูกต้องสำหรับคุณสมบัติของพวกเขา
2. ช่วงความหนืดและความหนาแน่นครอบคลุมช่วงของเซ็นเซอร์
3. คุณสมบัติทางกายภาพของมันให้ตัวอย่างที่เป็นตัวแทนของของเหลวที่พบกับ downhole (เช่นน้ำและฐานน้ำมันน้ำมันนำไฟฟ้าและไม่เป็นของเหลว

มะเดื่อ. 5 แสดงช่วงการวัดความหนาแน่นและความแม่นยำที่ทำได้จากเซ็นเซอร์สำหรับของเหลวต่าง ๆ

มะเดื่อ. 5. วัดความหนาแน่นของน้ำเกลือ (2mol / l), N-dodecane, Cannon S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 และคลอโรฟอร์ม เส้นทึบดำและแดงแสดงค่าสูงสุดและต่ำสุดที่อนุญาตตามค่าที่กำหนดโดยข้อกำหนดของเซ็นเซอร์

มะเดื่อ. 6 และ 7 แสดงช่วงการวัดความหนืดและความแม่นยำที่ทำได้ด้วยเซ็นเซอร์สำหรับของเหลวต่าง ๆ ซึ่งครอบคลุมช่วงคุณสมบัติส่วนใหญ่

มะเดื่อ. 6. ความหนืดที่วัดได้ในช่วงบนของน้ำเกลือ (2mol / l), N-dodecane, Cannon S-6, N-2, N-10, N-35 และ N-75 เส้นทึบสีดำและสีแดงแสดงค่าสูงสุดและต่ำสุดที่อนุญาตตามค่าที่กำหนดโดยข้อมูลจำเพาะของเซ็นเซอร์

มะเดื่อ. 7 ความหนืดที่วัดได้ในช่วงต่ำของน้ำเกลือ (2mol / l), N-dodecane, แคนนอน S-6, N-2, N-10, N-35 และ N-75 เส้นทึบดำและแดงแสดงค่าสูงสุดและต่ำสุดที่อนุญาตตามค่าที่กำหนดโดยข้อกำหนดของเซ็นเซอร์

N-dodecane ได้รับเลือกสำหรับการทดสอบอย่างละเอียดเนื่องจากความพร้อมใช้งานของการอ้างอิงที่แม่นยำถึงความดันสูง (1900 บาร์) และอุณหภูมิสูง (200 ° C)

มะเดื่อ. 8 และ 9 แสดงพฤติกรรมการวัดความหนืดที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของความดัน (1 ถึง 1500 บาร์) ค่าเป็นไปตามความหนืดอ้างอิงโดยมีข้อผิดพลาดต่ำกว่า 5% ของค่าที่อ่าน ในแต่ละสภาวะความดันอุณหภูมิจะมีการวัด 50 จุด (มะเดื่อ. 9).

มะเดื่อ. 9 ให้การแสดงผลกราฟิกของข้อผิดพลาดสัมบูรณ์ (ระยะห่างจาก 0 บรรทัด) และความแม่นยำ (ความแปรปรวนของเมฆของจุดสำหรับการวัดความดันอุณหภูมิแต่ละครั้ง) ซึ่งดีกว่า 0.5% ของการอ่าน

มะเดื่อ. 8 ความหนืด N-dodecane ที่ 50 ° C ระหว่าง 1 ถึง 1,500 บาร์ ค่าอ้างอิงจาก Caudwell และคณะ, 2008

มะเดื่อ 9. ข้อผิดพลาดที่วัดความหนืด N-dodecane (พร้อมรี - สเป็คอ้างอิง) ที่ 50 ° C ระหว่าง 1 ถึง 1,500 บาร์ ค่าอ้างอิงจาก Caudwell และคณะ, 2008

มะเดื่อ. 10 และ 11 แสดงพฤติกรรมการวัดความหนาแน่นตามการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน (1 to1,500bar) ความหนาแน่นที่วัดได้นั้นประกอบด้วยความแม่นยำมากกว่า +/- 0.003 g / cc

มะเดื่อ. 10 ความหนาแน่น N-dodecane ที่ 50 ° C ระหว่าง 1 ถึง 1,500 บาร์ ค่าอ้างอิงจาก Caudwell และคณะ, 2008

มะเดื่อ. 11 ข้อผิดพลาดที่วัดความหนาแน่น N-dodecane (พร้อมรี - สเป็คอ้างอิง) ที่ 50 ° C ระหว่าง 1 ถึง 1,500 บาร์ ค่าอ้างอิงจาก Caudwell และคณะ, 2008

ความแม่นยำขั้นต่ำที่คำนวณได้จากกราฟิกสองตัวสุดท้ายนั้นดีกว่า 0.1% ของการอ่าน

เซ็นเซอร์ความหนาแน่นและความหนืดใหม่ออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อม LWD ที่ต้องการประสิทธิภาพดีกว่าข้อกำหนดเป้าหมายในระหว่างการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ผลลัพธ์ที่ได้สำหรับของเหลวทั้งสามที่นำเสนอในบทความนี้ตรวจสอบว่า:

• เซ็นเซอร์ไม่แสดงอคติการวัดใด ๆ กับการเปลี่ยนแปลงของความดันและ
• ความแม่นยำของเซ็นเซอร์สำหรับของเหลวทั้งหมดที่แสดงในกระดาษดีกว่า +/- 0.001 g / cc สำหรับความหนาแน่นและดีกว่า +/- 1% สำหรับความหนืด
• ความหนาแน่นของเซ็นเซอร์ในทุกการทดสอบทำได้ดีกว่า 0.01 g / cc ความแม่นยำของความหนืดดีกว่า 10% ของค่าความหนืดที่อ่านมากกว่า 1 mPa.s และดีกว่า 0.1 mPa.s สำหรับความหนืดต่ำกว่า 1 mPa.s
• เซ็นเซอร์ไม่แสดงความเสียหายหรือการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการวัดหลังจากการทดสอบแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนตามข้อกำหนด
• เซ็นเซอร์สร้างการวัดที่มั่นคงในระหว่างและหลังจากอุณหภูมิและความดันหมุนเวียน
• ไม่มีหลักฐานของความเสียหายทางกลหรือการกัดกร่อนต่อเซ็นเซอร์หลังจากเซ็นเซอร์ทั้งหมดหลังจากการทดสอบทั้งหมด
• เซ็นเซอร์ใหม่มีความแข็งแกร่งเพียงพอที่จะทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของบริการ LWD และสายไฟให้ความหนืดและความหนาแน่นด้วยความแม่นยำและความแม่นยำที่จำเป็นสำหรับเครื่องมือวิเคราะห์การประเมินการเกิดหลุม
• เซ็นเซอร์ทำงานได้ดีในของเหลวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (น้ำเกลือ) หรือที่ไม่นำไฟฟ้าซึ่งไม่แสดงสัญญาณของการมีอิทธิพลเมื่อทำการทดสอบในของเหลวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

1. Caudwell Derek R. , Trusler JP Martin, Vesovic Velisa, Wakeham William A. , 2004, ความหนืดและความหนาแน่นของ n-Dodecane และ n-Octadecane ที่ความดันสูงสุด 200MPa และอุณหภูมิสูงถึง 473 K 08
2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013, การสุ่มตัวอย่างในขณะที่การขุดเจาะไปตามที่ Wireline ไม่สามารถ: กรณีศึกษาแสดงให้เห็นการวัดคุณภาพ Wireline ในสภาพแวดล้อมของหลุมเจาะที่ท้าทาย, SPE-164293
3. Goodbread Joe, Juerg Dual, Viscoteers Inc, 2013, viscometer resonator torsional แบบทวีคูณ, EP2596328 A2
4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H. , และ Correia Robert J. , 1981, ตารางการมองเห็นแบบไดนามิกและ Kinematic ของสารละลาย NaCl ที่เป็นน้ำในช่วงอุณหภูมิ 20-150 ° C และช่วงความดัน 1-35 MPa, Phys Chem อ้าง ข้อมูล, ฉบับที่ 10, No.1 1981
5. Lundstrum Robbi, Goodwin Antony RH, Hsu Kai, Frels Michael, Caudwell Derek R. , Trusler JP Mar- tin และ Marsh Kenneth N. , 2005, การวัดความหนืดและความหนาแน่นของของเหลวอ้างอิงสองค่าที่มีความหนืดเล็กน้อยที่ T = 298 K และ p = 0.1 MPa ของ (16 และ 29) mPa.s ที่อุณหภูมิระหว่าง (298 และ 393) K และแรงดันต่ำกว่า 55MPa, J. Chem เอ็ง ข้อมูลปี 2005, 50, 1377 - 1388
6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc, 2007, วิธีการและเครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์สมบัติของของเหลวในหลุมโดยใช้ resonators แบบดัดโค้งเชิงสิทธิบัตรสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 7,162,918 B2
7. Rogers PSZ และ Pitzer Kenneth S. , 1982, คุณสมบัติปริมาตรของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ในน้ำ, J. Phys. Chem อ้าง ข้อมูล, ฉบับที่ 11, ฉบับที่ 1 1982

หากต้องการสำรวจเพิ่มเติมเกี่ยวกับโซลูชันของเราสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานโปรดไปที่หน้าโซลูชัน