In diesem Artikel wird ein neuartiger Dichte- und Viskositätssensor beschrieben, der die Eigenschaften von Formationsflüssigkeiten mit hoher Genauigkeit und Auflösung misst. Die dynamische Viskosität (ri) in Kombination mit anderen Fluidparametern wie Dichte (p), Schallgeschwindigkeit, Brechungsindex, Absorptionsspektren und Wärmeleitfähigkeit liefert eine umfassende Charakterisierung der Probenflüssigkeit. Die Schätzung der Formationspermeabilität ist entscheidend für die Vorhersage des Produktionspotentials des Reservoirs. Mobilitätsmessungen, die an der Formation unter Verwendung verschiedener Probenahmewerkzeuge im Bohrloch durchgeführt wurden, können verwendet werden, um die Permeabilität der Formation zu berechnen, wenn eine genaue In-situ-Viskosität der Formationsflüssigkeiten bekannt ist.

Die Probenflüssigkeit kann eine beliebige Kombination verschiedener Kohlenwasserstoffe mit Molekulargewicht, Salzlösung, Schlammfiltrat auf Öl- oder Wasserbasis und Gasen sein. und die Flüssigkeiten haben typischerweise eine Viskosität im Bereich von 0.5 bis 4 cP (mPa · s), können jedoch in Schwerölen bis zu 40 cP betragen. Die Flüssigkeitsdichte kann zwischen 0.2 und 1.5 g / cm³ liegen. Darüber hinaus können die Flüssigkeiten auch leitfähig sein und teilweise nicht-Newtonsche Eigenschaften aufweisen.

Damit ein Sensor in einer Bohrlochformationsprobe und einem Analysewerkzeug verwendet werden kann, muss er einen großen dyamischen Bereich mit einer Genauigkeit von mehr als 10% des Messwerts aufweisen. Es muss auch bei Temperaturen bis zu 175 ° C und Drücken über 25 kpsi messen können.

In diesem Dokument wird ein neuer Sensor beschrieben, der alle diese Anforderungen erfüllen kann. Es ist ein angetriebener mechanischer Resonator, dessen Resonanzfrequenz und Dämpfung genaue Werte für die Viskosität und Dichte eines Fluids ergeben, in das es eingetaucht ist. Der Sensor wurde so konstruiert, dass er sowohl hochgenau als auch robust genug ist, um den Temperatur-, Druck- und Bohrvibrationen standzuhalten, die bei der Bohrlocherfassung auftreten. Die Viskosität wird für Flüssigkeiten unter 0.1 cP auf 1 cP und für alle Viskositäten über 10 cP auf 1% gemessen. Dichtemessungen sind auf besser als 0.01 g / cc genau. Der Sensor kann sowohl für drahtgebundene als auch für Protokollierungswerkzeuge (LWD) verwendet werden.

Das Papier präsentiert die Messprinzipien des Sensors sowie Hochtemperatur- und Hochdruckqualifizierungstests. Die mit dem neuen Sensor durchgeführten Labormessungen der Viskosität und Flüssigkeitsdichte werden für eine Vielzahl von Kalibrierungsflüssigkeiten gezeigt, die typisch für Bohrlochflüssigkeiten sind, die mit Formationsprobenahmewerkzeugen gesammelt wurden.

Verschiedene Sensoren zur In-situ-Messung von Viskosität und Dichte wurden für drahtgebundene und LWD-Formationsbewertungsdienste implementiert. 2008 führte Baker Hughes eine piezoelektrische Stimmgabel [6] ein, die mit einem RMSE die Flüssigkeitsdichte im Bereich von 0.01 bis 1.5 g / cm³ misst

± 0.015 g / cm³ für Viskositäten unter 30 cP; und RMSE ± 0.03 g / cm³ für Viskositäten zwischen 30 cP und 200 cP. Der Viskositätsmessbereich für diesen Sensor beträgt 0.2 bis 30 cP bei einem RMSE ± 0.1 cP oder 10% (je nachdem, welcher Wert größer ist) und zwischen 30 und 200 cP bei einem RMSE ± 20%.

Dieser Sensor wurde ursprünglich für drahtgebundene Anwendungen entwickelt, 2010 jedoch für LWD-Werkzeuge angepasst. Gleichzeitig begann Baker Hughes in Zusammenarbeit mit Viscoteers Inc. mit der Entwicklung einer neuen Sensortechnologie, die auf die anspruchsvollen Bohrumgebungen zugeschnitten ist und die Messfähigkeiten seines Vorgängers erfüllt und übertrifft.

Der neue Sensor ist ein hochpräziser Torsionsresonator [3], der seine Eigenschaften - Resonanzfrequenz und Dämpfung - in Abhängigkeit von der Dichte und Viskosität der Flüssigkeit ändert, in die der Sensor eingetaucht ist. (Abb.. 1).

Der Resonator wird drahtlos angeregt und durch magnetische Kopplung zwischen elektrischen Spulen außerhalb der Sensorkammer und Magneten, die in die Zinkenköpfe des Resonators eingebettet sind, erfasst [3] (Abb.. 2). Der Resonator besteht aus hochfestem, hochkorrosionsbeständigem und gut charakterisiertem Metall, dessen Eigenschaften bei hoher Temperatur und hohem Umgebungsdruck stabil bleiben. Diese Konfiguration vermeidet elektrische Durchführungen zur Hochdruckfluidseite, die eine berüchtigte Fehlerquelle bei Sensoren darstellen, die elektrische Verbindungen über die Druckbarriere erfordern. Da der Resonator vollständig aus Metall besteht, ist der Sensor äußerst robust und für die raue Umgebung unter Bohrbedingungen im Bohrloch geeignet.

Abb 1. Amplituden- und Phasenresonator-Antwortkurven richten sich nach der Resonanzfrequenz des Sensors, der in zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dämpfung eingetaucht ist. Grafik von Goodbread et al., 20013.

Der Resonator wird drahtlos angeregt und durch magnetische Kopplung zwischen elektrischen Spulen außerhalb der Sensorkammer und Magneten, die in die Zinkenköpfe des Resonators eingebettet sind, erfasst [3] (Abb.. 2). Der Resonator besteht aus hochfestem, hochkorrosionsbeständigem und gut charakterisiertem Metall, dessen Eigenschaften bei hoher Temperatur und hohem Umgebungsdruck stabil bleiben. Diese Konfiguration vermeidet elektrische Durchführungen zur Hochdruckfluidseite, die eine berüchtigte Fehlerquelle bei Sensoren darstellen, die elektrische Verbindungen über die Druckbarriere erfordern. Da der Resonator vollständig aus Metall besteht, ist der Sensor äußerst robust und für die raue Umgebung unter Bohrbedingungen im Bohrloch geeignet.

Der mechanische Oszillator hat einen hohen Q-Faktor, der Voraussetzung für einen großen Dynamikbereich der Dämpfungsmessungen ist.

Die beiden vom Sensor gemessenen Werte, Resonanzfrequenz und Dämpfung, werden mit Werten der Viskosität und Dichte mittels eines mathematischen Modells korreliert, wie dies durch eine empirische Kalibrierungskurve für jeden Sensor möglich ist. Beide Methoden liefern äußerst genaue und wiederholbare Ergebnisse (siehe Sensorspezifikation). Da die empirische Kalibrierungsmethode jedoch weniger rechenintensiv und weniger anfällig für Änderungen der Sensorform ist, ist sie die bevorzugte Methode.

Der Resonator wird durch Spulen angeregt, die von einem Wechselstrom angetrieben werden, dessen Frequenz je nach Messung variiert. Die Reaktion des Sensors wird durch zusätzliche Wicklungen an den Spulen erfasst. Die gesamte Viskositäts- und Dichtemessung dauert etwa 1 s, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren Technologien darstellt, da sie durchgeführt werden kann, während der Druck während der Absenkzeit der Pumpe konstant ist.

Abb.. 2. Viskositäts-Dichte-Sensor gekoppeltes Torsionsresonator-Konzept. Grafik von Goodbread et al., 20013.

Der Sensor (Abb. 3) widersteht nicht nur extrem hohem Druck und extremer Temperatur (im Labor bei 2000 bar und 200 ° C getestet), sondern ist auch immun gegen Schäden durch Stöße bis zu 750 g und kontinuierliche Vibrationen bis zu 30 g.

Abb.. 3. Design des Viskositäts-Dichtesensormoduls

Der Sensor wird von einem Phasenregelkreis gesteuert, der seine Resonanzfrequenz verfolgt und überwacht, um die Flüssigkeitsdichte zu messen. Durch periodisches Ändern der Phasenbeziehung zwischen der Erregung und der Reaktion des Sensors kann die Dämpfung des Resonators bestimmt werden, aus der die Viskosität geschätzt werden kann, wie in gezeigt Abb 4.

Abb.. 4. Phasenverschiebungsmethode zur Berechnung der Dämpfung eines Fluids. Grafik von Goodbread et al., 20013.

Die Spezifikationen wurden anhand der getesteten Eigenschaften der hergestellten Sensoren überprüft. Der Sensor ist in der Lage, Probenflüssigkeiten einer beliebigen Kombination von Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlichem Molekulargewicht, Salzlösung, Schlammfiltrat und Gasen auf Öl- oder Wasserbasis zu messen.

Der enorme Dynamikbereich des Sensors kann durch den Vergleich seiner Spezifikationen mit denen herkömmlicher industrieller Systeme zur Messung der Flüssigkeitsdichte und -viskosität erkannt werden.

Tabelle 1. Spezifikationen des Dichteviskositätssensors

Der Sensor wurde bei verschiedenen Drücken und Temperaturen mit mehreren ausgewählten Flüssigkeiten getestet, um den Viskositäts- und Dichtebereich der im Bohrloch angetroffenen Flüssigkeiten abzudecken.

Die Testergebnisse bestätigen die Genauigkeit und Präzision der Messung im erforderlichen Flüssigkeitsbereich. Die verwendeten Flüssigkeiten waren:

• Salzlösung mit einer Konzentration von 2 Mol NaCl pro Liter Wasser,
• N-Dodecan
• Viskositätsstandardöl Cannon® S-20, N-2, N-10, N-35, N-75, S-6.

Diese Flüssigkeiten wurden ausgewählt, weil:

1. Genaue Referenzwerte für ihre Eigenschaften sind verfügbar
2. Ihr Bereich der Viskosität und Dichte umfasst den Bereich des Sensors
3. Ihre physikalischen Eigenschaften liefern eine repräsentative Probe der Flüssigkeiten, die im Bohrloch angetroffen werden (dh Wasser- und Ölbasis, leitende und nicht leitende Flüssigkeiten).

Abb.. 5 zeigt den Dichtemessbereich und die Genauigkeit, die mit dem Sensor für verschiedene Flüssigkeiten erreicht wurden.

Abb.. 5. Gemessene Dichte von Salzlösung (2 mol / l), N-Dodecan, Kanone S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 und Chloroform. Die durchgezogenen schwarzen und roten Linien stellen die maximalen und minimalen Zulassungswerte dar, die in den Sensorspezifikationen vorgeschrieben sind.

Abb.. 6 und 7 Zeigen Sie den mit dem Sensor erzielten Viskositätsmessbereich und die Genauigkeit für verschiedene Flüssigkeiten an, die den größten Teil des Bereichs der Spezifikationen abdecken.

Abb.. 6. Gemessene Viskosität im oberen Bereich von Salzlösung (2 mol / l), N-Dodecan, Kanone S-6, N-2, N-10, N-35 und N-75. Die durchgezogenen schwarzen und roten Linien stellen die maximalen und minimalen Zulassungswerte dar, die in den Sensorspezifikationen vorgeschrieben sind.

Abb.. 7. Gemessene Viskosität im unteren Bereich von Salzlösung (2 mol / l), N-Dodecan, Kanone S-6, N-2, N-10, N-35 und N-75. Die durchgezogenen schwarzen und roten Linien stellen die maximalen und minimalen Zulassungswerte dar, die in den Sensorspezifikationen vorgeschrieben sind.

N-Dodecan wurde für detaillierte Tests ausgewählt, da eine genaue Referenz bis zu hohen Drücken (1900 bar) und hohen Temperaturen (200 ° C) verfügbar war.

Abb.. 8 und 9 zeigen das Viskositätsmessverhalten in Bezug auf Druckänderungen (1 bis 1500 bar). Die Werte folgen der Referenzviskosität mit einem Fehler von weniger als 5% der Messwerte. Bei jeder Druck-Temperatur-Bedingung werden 50 Messpunkte genommen (Abb.. 9).

Abb.. 9 bietet eine grafische Anzeige des absoluten Fehlers (Abstand von der 0-Linie) und der Genauigkeit (Variation der Punktwolke für jede Temperatur-Druck-Messung), die besser als 0.5% des Messwerts ist.

Abb.. 8. N-Dodecan-Viskosität bei 50 ° C zwischen 1 und 1,500 bar. Referenzwerte von Caudwell et al., 2008.

Feige. 9. N-Dodecan-Viskositäts-gemessene Fehler (in Bezug auf die Referenz) bei 50 ° C zwischen 1 und 1,500 bar. Referenzwerte von Caudwell et al., 2008.

Abb.. 10 und 11 zeigen das Dichtemessverhalten in Bezug auf Druckänderungen (1 bis 1,500 bar). Die gemessene Dichte umfasst eine Genauigkeit von besser als +/- 0.003 g / cm³.

Abb.. 10. N-Dodecan-Dichte bei 50 ° C zwischen 1 und 1,500 bar. Referenzwerte von Caudwell et al., 2008.

Abb.. 11. N-Dodecan-Dichtemessfehler (in Bezug auf die Referenz) bei 50 ° C zwischen 1 und 1,500 bar. Referenzwerte von Caudwell et al., 2008.

Die berechnete Mindestgenauigkeit aus den letzten beiden Grafiken ist besser als 0.1% des Messwerts.

Der neue Dichte- und Viskositätssensor, der für die anspruchsvolle LWD-Umgebung entwickelt wurde, schnitt bei Labortests besser ab als die Zielspezifikationen. Das Ergebnis für die drei in diesem Artikel vorgestellten Flüssigkeiten bestätigt Folgendes:

• Der Sensor zeigt keine Messvorspannung bei Druckänderungen und
• Die Präzision des Sensors für alle im Papier vorgestellten Flüssigkeiten ist besser als +/- 0.001 g / cm³ für die Dichte und besser als +/- 1% für die Viskosität.
• Die Dichtegenauigkeit des Sensors ist bei allen durchgeführten Tests besser als 0.01 g / cm³. Die Viskositätsgenauigkeit ist besser als 10% des Messwerts für Viskositäten größer als 1 mPa · s und besser als 0.1 mPa · s für Viskositäten kleiner als 1 mPa · s.
• Der Sensor zeigt nach Schock- und Vibrationstests gemäß den Spezifikationen keine Schäden oder Änderungen im Messverhalten.
• Der Sensor erzeugt während und nach allen Temperatur- und Druckzyklen stabile Messungen
• Nach allen Tests gab es keine Hinweise auf mechanische oder Korrosionsschäden am Sensor.
• Der neue Sensor ist robust genug, um den rauen Umgebungsbedingungen der LWD- und Drahtleitungsdienste standzuhalten, und bietet Viskositäten und Dichten mit der Genauigkeit und Präzision, die für ein Analysewerkzeug zur Bohrlochbildung erforderlich sind.
• Der Sensor funktioniert gut in leitenden (Sole) oder nicht leitenden Flüssigkeiten und zeigt keine Anzeichen von Einfluss beim Testen in leitenden Flüssigkeiten.

1. Caudwell Derek R., Trusler JP Martin, Vesovic Velisa, Wakeham William A., 2004, Viskosität und Dichte von n-Dodecan und n-Octadecan bei Drücken bis 200 MPa und Temperaturen bis 473 K., International Journal of Thermophysics 08 / 2004.
2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013, Probenahme während des Bohrens, wo Drahtseil nicht möglich ist: Fallstudien zur Veranschaulichung von Drahtleitungsqualitätsmessungen in herausfordernden Bohrlochumgebungen, SPE-164293.
3. Goodbread Joe, Jürg Dual, Viscoteers Inc, 2013, gekoppeltes Torsionsresonatorviskosimeter, EP2596328 A2.
4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H. und Correia Robert J., 1981, Tabellen der dynamischen und kinematischen Viskosität wässriger NaCl-Lösungen im Temperaturbereich von 20 bis 150 ° C und im Druckbereich von 1 bis 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 und Marsh Kenneth N., 2005, Messung der Viskosität und Dichte von zwei Referenzflüssigkeiten mit einer Nennviskosität bei T = 298 K. und p = 0.1 MPa von (16 und 29) mPa · s bei Temperaturen zwischen (298 und 393) K und Drücken unter 55 MPa, J. Chem. Eng. Data 2005, 50, 1377 & ndash; 1388.
6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc., 2007, Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung von Bohrlochflüssigkeiten unter Verwendung von Biegemechanik-Resonatoren, US-Patente 7,162,918 B2.
7. Rogers PSZ und Pitzer Kenneth S., 1982, Volumetrische Eigenschaften wässriger Natriumchloridlösungen, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 11, Nr. 1 1982.

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