Questo documento descrive un nuovo sensore di densità e viscosità che misura le proprietà dei fluidi di formazione con elevata precisione e risoluzione. La viscosità dinamica (ri) in combinazione con altri parametri del fluido come densità (p), velocità del suono, indice di rifrazione, spettri di assorbimento e conducibilità termica forniscono una caratterizzazione completa del fluido campione. Stimare la permeabilità alla formazione è fondamentale per prevedere il potenziale di produzione del giacimento. Le misurazioni della mobilità eseguite sulla formazione utilizzando vari strumenti di campionamento del pozzo possono essere utilizzate per calcolare la permeabilità della formazione quando è nota la viscosità in situ accurata dei fluidi di formazione.

Il fluido campione può essere una qualsiasi combinazione di vari idrocarburi a peso molecolare, salamoia, filtrati di fango e gas a base di olio o acqua. e i fluidi hanno tipicamente una viscosità nell'intervallo da 0.5 a 4 cP (mPa.s) ma possono essere alti fino a 40 cP in oli pesanti. La densità del fluido può variare da 0.2 a 1.5 g / cc. Inoltre, anche i fluidi possono essere conduttivi e possono avere proprietà parzialmente non newtoniane.

Affinché un sensore sia utilizzabile in un campione di formazione di fondo pozzo e in uno strumento di analisi, deve quindi avere un ampio intervallo dinamico con una precisione migliore del 10% della lettura. Deve inoltre essere in grado di misurare a temperature fino a 175 ° C e pressioni superiori a 25 kpsi.

In questo documento viene descritto un nuovo sensore in grado di soddisfare tutti questi requisiti. È un risuonatore meccanico azionato la cui frequenza di risonanza e smorzamento producono valori precisi per la viscosità e la densità di un fluido in cui è immerso. Il sensore è stato progettato per essere altamente preciso e sufficientemente robusto per resistere alla temperatura, alla pressione e alle vibrazioni di perforazione riscontrate nella registrazione del fondo pozzo. La viscosità viene misurata entro 0.1 cP per fluidi inferiori a 1 cP e il 10% per tutte le viscosità superiori a 1 cP. Le misurazioni della densità sono accurate con una precisione superiore a 0.01 g / cc. Il sensore può essere utilizzato sia per gli strumenti di cablaggio che per la registrazione durante la perforazione (LWD).

Il documento presenta i principi di misurazione del sensore e i test di qualificazione per alta temperatura e alta pressione. Le misurazioni di laboratorio della viscosità e della densità del fluido condotte con il nuovo sensore sono mostrate per una varietà di fluidi di calibrazione tipici dei fluidi di fondo pozzo raccolti dagli strumenti di campionamento della formazione.

Sono stati implementati vari sensori per la misurazione in situ della viscosità e della densità per i servizi di valutazione della formazione di reti cablate e LWD. Nel 2008 Baker Hughes ha introdotto un diapason piezoelettrico [6] che misura la densità del fluido nell'intervallo da 0.01 a 1.5 g / cc con un RMSE

± 0.015 g / cc per viscosità inferiori a 30 cP; e RMSE ± 0.03 g / cc per viscosità tra 30cP e 200cP. L'intervallo di misurazione della viscosità per questo sensore è compreso tra 0.2 e 30 cP con un RMSE ± 0.1 cP o 10% (a seconda di quale sia maggiore) e tra 30 e 200 cP con un RMSE ± 20%.

Questo sensore è stato sviluppato inizialmente per applicazioni wireline, ma nel 2010 è stato adattato per gli strumenti LWD. Allo stesso tempo, Baker Hughes, in collaborazione con Viscoteers Inc., ha iniziato a sviluppare una nuova tecnologia di sensori su misura per l'ambiente di perforazione molto esigente, soddisfacendo e superando le capacità di misurazione del suo predecessore.

Il nuovo sensore è un risonatore torsionale [3] ad alta precisione che cambia le sue caratteristiche - frequenza di risonanza e smorzamento - a seconda della densità e della viscosità del fluido in cui è immerso il sensore. (Fig. 1).

Il risuonatore viene eccitato e rilevato in modalità wireless mediante accoppiamento magnetico tra bobine elettriche all'esterno della camera di rilevamento e magneti incorporati nelle teste dei denti del risonatore [3] (Fig. 2). Il risonatore è realizzato in metallo ad alta resistenza, altamente resistente alla corrosione e ben caratterizzato, le cui proprietà rimangono stabili ad alta temperatura e alta pressione ambientale. Questa configurazione evita passaggi elettrici verso il lato fluido ad alta pressione, che sono una nota fonte di guasto nei sensori che richiedono connessioni elettriche attraverso la barriera di pressione. Poiché il risuonatore è interamente in metallo, il sensore è estremamente robusto e adatto per l'ambiente duro in condizioni di perforazione del fondo.

Fig 1. Le curve di risposta del risonatore di ampiezza e fase innescano la frequenza di risonanza del sensore immerso in due fluidi con diverso smorzamento. Grafica da Good-bread et al, 20013.

Il risuonatore viene eccitato e rilevato in modalità wireless mediante accoppiamento magnetico tra bobine elettriche all'esterno della camera di rilevamento e magneti incorporati nelle teste dei denti del risonatore [3] (Fig. 2). Il risonatore è realizzato in metallo ad alta resistenza, altamente resistente alla corrosione e ben caratterizzato, le cui proprietà rimangono stabili ad alta temperatura e alta pressione ambientale. Questa configurazione evita passaggi elettrici verso il lato fluido ad alta pressione, che sono una nota fonte di guasto nei sensori che richiedono connessioni elettriche attraverso la barriera di pressione. Poiché il risuonatore è interamente in metallo, il sensore è estremamente robusto e adatto all'ambiente difficile in condizioni di perforazione del fondo.

L'oscillatore meccanico ha un elevato fattore Q, che è un prerequisito per un'ampia gamma dinamica delle misure di smorzamento.

I due valori misurati dal sensore, la frequenza di risonanza e lo smorzamento, sono correlati ai valori di viscosità e densità per mezzo di un modello matematico come wekk come da una curva di calibrazione empirica costruita per ciascun sensore. Entrambi i metodi forniscono risultati estremamente precisi e ripetibili (vedere le specifiche del sensore), ma poiché il metodo di calibrazione empirica è meno costoso dal punto di vista computazionale ed è meno suscettibile alle variazioni nella forma del sensore, è il metodo preferito.

Il risonatore è eccitato da bobine azionate da una corrente alternata che varia in frequenza a seconda della misura richiesta. La risposta del sensore viene rilevata da avvolgimenti aggiuntivi sulle bobine. L'intera misurazione della viscosità e della densità richiede circa 1 secondo, il che rappresenta un miglioramento significativo rispetto alle tecnologie precedenti, poiché può essere eseguita mentre la pressione è costante nel periodo di trascinamento della pompa.

Fig. 2. Sensore di viscosità-densità accoppiato concetto di resistenza torsionale. Grafica da Goodbread et al, 20013.

Il sensore (Fig. 3) non solo resiste a pressioni e temperature estremamente elevate (testato in laboratorio a 2000 bar e 200 ° C), ma è anche immune ai danni causati da urti fino a 750 g e vibrazioni continue a 30 g.

Fig. 3. Design del modulo sensore di densità-viscosità

Il sensore è controllato da un circuito ad aggancio di fase che traccia e monitora la sua frequenza di risonanza al fine di misurare la densità del fluido. Modificando periodicamente la relazione di fase tra l'eccitazione e la risposta del sensore, lo smorzamento del risonatore, dal quale può essere stimata la viscosità, può essere determinato come mostrato in Fig 4.

Fig. 4. Metodo di spostamento di fase per calcolare lo smorzamento di un fluido. Grafica da Goodbread et al, 20013.

Le specifiche sono state verificate rispetto alle proprietà testate dei sensori fabbricati. Il sensore è in grado di misurare fluidi campione di qualsiasi combinazione di vari idrocarburi a peso molecolare, salamoia, filtrati e gas di fango a base di olio o acqua.

L'enorme gamma dinamica del sensore può essere apprezzata confrontando le sue specifiche con quelle dei sistemi industriali standard di misurazione della densità e viscosità del fluido.

Tabella 1. Specifiche del sensore di viscosità di densità

Il sensore è stato testato a varie pressioni e temperature con diversi fluidi selezionati per coprire la gamma di viscosità e densità dei fluidi riscontrati nel fondo pozzo.

I risultati del test verificano l'accuratezza e la precisione della misurazione nell'intervallo richiesto di fluidi. I fluidi utilizzati erano:

• Salamoia con una concentrazione di 2 mol di NaCl per litro d'acqua,
• N-dodecano
• Olio standard di viscosità Cannon® S-20, N-2, N- 10, N-35, N-75, S-6.

Questi fluidi sono stati scelti perché:

1. Sono disponibili valori di riferimento accurati per le loro proprietà
2. la loro gamma di viscosità e densità comprende la gamma del sensore
3. le loro proprietà fisiche forniscono un campione rappresentativo dei fluidi che incontrano il fondo pozzo (es. acqua e olio base, fluidi conduttivi e non conduttivi)

Fig. 5 mostra la gamma di misurazione della densità e la precisione raggiunta con il sensore per diversi fluidi.

Fig. 5. Densità misurata di salamoia (2 mol / l), N-dodecano, cannone S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 e cloroformio. Le linee nere e rosse continue rappresentano i valori massimi e minimi consentiti prescritti dalle specifiche del sensore.

Fig. 6 ed 7 mostra la gamma di misurazione della viscosità e la precisione raggiunta con il sensore per diversi fluidi che coprono la maggior parte della gamma delle specifiche.

Fig. 6. Viscosità misurata nell'intervallo superiore di salamoia (2mol / l), N-dodecano, Cannone S-6, N-2, N-10, N-35 e N-75. Le linee nere e rosse continue rappresentano i valori massimo e minimo consentito dalle specifiche del sensore.

Fig. 7. Viscosità misurata nell'intervallo inferiore di salamoia (2mol / l), N-dodecano, Cannone S-6, N-2, N-10, N-35 e N-75. Le linee nere e rosse continue rappresentano i valori massimi e minimi consentiti prescritti dalle specifiche del sensore.

L'N-dodecano è stato selezionato per prove dettagliate a causa della disponibilità della disponibilità di un riferimento accurato fino alle alte pressioni (1900 bar) e alle alte temperature (200 ° C).

Fig. 8 ed 9 mostra il comportamento di misurazione della viscosità rispetto alle variazioni di pressione (da 1 a 1500 bar). I valori seguono la viscosità di riferimento con un errore inferiore al 5% delle letture. Ad ogni condizione di pressione-temperatura, vengono presi 50 punti di misurazione (Fig. 9).

Fig. 9 fornisce una visualizzazione grafica dell'errore assoluto (distanza dalla linea 0) e della precisione (variazione della nuvola di punti per ciascuna misurazione temperatura-pressione), che è migliore dello 0.5% della lettura.

Fig. 8. Viscosità N-dodecano a 50 ° C tra 1 e 1,500 bar. Valori di riferimento da Caudwell et al, 2008.

Fig. 9. Errori misurati con viscosità N-dodecano (rispetto al riferimento) a 50 ° C, tra 1 e 1,500 bar. Valori di riferimento da Caudwell et al, 2008.

Fig. 10 ed 11 mostra il comportamento della misurazione della densità rispetto alle variazioni di pressione (da 1 a 1,500 bar). La densità misurata comprende una precisione migliore di +/- 0.003 g / cc.

Fig. 10. Densità di N-dodecano a 50 ° C tra 1 e 1,500 bar. Valori di riferimento da Caudwell et al, 2008.

Fig. 11. Errori misurati con densità di N-dodecano (rispetto al riferimento) a 50 ° C, tra 1 e 1,500 bar. Valori di riferimento da Caudwell et al, 2008.

La precisione minima calcolata dalle ultime due grafiche è migliore dello 0.1% della lettura.

Il nuovo sensore di densità e viscosità, progettato per l'ambiente LWD esigente, ha funzionato meglio delle specifiche target durante i test di laboratorio. Il risultato ottenuto per i tre fluidi presentati in questo documento verifica che:

• Il sensore non mostra alcun bias di misurazione con variazioni di pressione e
• La precisione del sensore per tutti i fluidi presentati nella carta è migliore di +/- 0.001 g / cc per densità e migliore di +/- 1% per viscosità.
• L'accuratezza della densità del sensore in tutti i test eseguiti è migliore di 0.01 g / cc. La precisione della viscosità è migliore del 10% della lettura per viscosità superiori a 1 mPa.s e migliori di 0.1 mPa.s per viscosità inferiori a 1 mPa.s.
• Il sensore non presenta alcun danno o cambiamento nel comportamento di misurazione dopo i test di shock e vibrazioni secondo le specifiche.
• Il sensore produce misurazioni stabili durante e dopo tutti i cicli di temperatura e pressione
• Non ci sono prove di danni meccanici o alla corrosione del sensore dopo tutto il sensore dopo tutte le prove.
• Il nuovo sensore è abbastanza robusto per resistere alle difficili condizioni ambientali dell'LWD e dei servizi di linea, fornendo viscosità e densità con l'accuratezza e la precisione necessarie per uno strumento di analisi della valutazione della formazione di pozzi.
• Il sensore funziona bene con fluidi conduttivi (salamoia) o non conduttivi, non mostrando alcun segno di influenza durante il test su fluidi conduttivi.

1. Caudwell Derek R., Trusler JP Martin, Vesovic Velisa, Wakeham William A., 2004, La viscosità e la densità di n-Dodecane e n-Octadecane a pressioni fino a 200 MPa e temperature fino a 473 K., International Journal of Thermophysics 08 / del 2004.
2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013, Il campionamento mentre la perforazione va dove non è possibile Wireline: casi di studio che illustrano le misurazioni della qualità del cavo negli sfidanti ambienti del pozzo trivellato, SPE-164293.
3. Goodbread Joe, Juerg Dual, Viscoteers Inc, 2013, Viscosimetro a risuonatore torsionale accoppiato, EP2596328 A2.
4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H. e Correia Robert J., 1981, Tabelle della viscosità dinamica e cinematica delle soluzioni acquose di NaCl nell'intervallo di temperatura 20-150 ° C e nell'intervallo di pressione 1-35 MPa, Phys. Chem. Ref. Dati, vol. 10, n. 1 1981.
5. Lundstrum Robbi, Goodwin Antony RH, Hsu Kai, Frels Michael, Caudwell Derek R., Trusler JP Marinin e Marsh Kenneth N., 2005, Misura della viscosità e della densità di due fluidi di riferimento, con viscosità nominale a T = 298 K e p = 0.1 MPa di (16 e 29) mPa.s, a temperature comprese tra (298 e 393) K e pressioni inferiori a 55 MPa, J. Chem. Ing. Dati 2005, 50, 1377-1388.
6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc, 2007, Metodo e apparato per la caratterizzazione del fluido di fondo pozzo mediante risonatori meccanici a flessione, brevetti USA 7,162,918 B2.
7. Rogers PSZ e Pitzer Kenneth S., 1982, Proprietà volumetriche delle soluzioni acquose di cloruro di sodio, J. Phys. Chem. Ref. Dati, vol. 11, n. 1 1982.

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