이 논문은 높은 정확도와 해상도로 형성 유체의 특성을 측정하는 새로운 밀도 및 점도 센서를 설명합니다. 밀도 (p), 음속, 굴절률, 흡수 스펙트럼 및 열전도 도와 같은 다른 유체 매개 변수와 조합 된 동적 점도 (ri)는 샘플 유체의 포괄적 인 특성을 제공합니다. 저장소 투과성 예측은 저수지의 생산 잠재력을 예측하는 데 중요합니다. 다양한 다운 홀 샘플링 툴을 사용하여 포메이션에서 수행 된 이동성 측정은 포메이션 유체의 정확한 in-situ 점도가 알려진 경우 포메이션의 투과성을 계산하는 데 사용될 수 있습니다.

샘플 유체는 다양한 분자량 탄화수소, 염수, 유성 또는 수성 진흙 여과 액 및 기체의 임의의 조합 일 수있다. 유체는 전형적으로 0.5 내지 4 cP (mPa.s) 범위의 점도를 갖지만 중유에서 40 cP만큼 높을 수있다. 유체 밀도는 0.2 ~ 1.5 g / cc입니다. 또한, 유체는 또한 전도성 일 수 있고, 부분적으로 비 뉴턴 특성을 가질 수있다.

다운 홀 형성 샘플 및 분석 도구에 센서를 사용할 수 있으려면 10 % 이상의 정확도로 정확도가 큰 동적 범위를 가져야합니다. 또한 최대 175 ° C의 온도 및 25kpsi를 초과하는 압력에서 측정 할 수 있어야합니다.

이 백서에서는 이러한 모든 요구 사항을 충족시킬 수있는 새로운 센서에 대해 설명합니다. 공진 주파수와 댐핑이 액침되는 유체의 점도와 밀도에 대해 정확한 값을 산출하는 구동 식 공진기입니다. 이 센서는 다운 홀 로깅에서 발생하는 온도, 압력 및 드릴링 진동을 견딜 수 있도록 매우 정확하고 충분히 견고하도록 설계되었습니다. 점도는 0.1cP 미만의 유체의 경우 1cP 이내, 10cP 이상의 모든 점도의 경우 1 % 이내로 측정됩니다. 밀도 측정은 0.01g / cc보다 정확합니다. 이 센서는 유선 및 드릴 중 로깅 (LWD) 도구 모두에 사용할 수 있습니다.

이 논문은 센서의 측정 원리와 고온 고압 테스트를 제시합니다. 새로운 센서로 수행 된 점도 및 유체 밀도의 실험실 측정은 형성 샘플링 도구에 의해 수집 된 다운 홀 유체의 전형적인 다양한 교정 유체에 대해 표시됩니다.

유선 및 LWD 형성 평가 서비스를 위해 점도 및 밀도의 현장 측정을위한 다양한 센서가 구현되었습니다. 2008 년 Baker Hughes는 RMSE로 6 ~ 0.01 g / cc 범위의 유체 밀도를 측정하는 압전 튜닝 포크 (piezoelectric tuning fork) [1.5]를 발표했습니다.

0.015cP 미만의 점도에 대해 ± 30 g / cc; 및 0.03cP 내지 30cP의 점도에 대해 RMSE ± 200 g / cc. 이 센서의 점도 측정 범위는 RMSE ± 0.2 cP 또는 30 % (둘 중 큰 것)에서 0.1 ~ 10 cP이며 RMSE ± 30 %에서 200 ~ 20 cP입니다.

이 센서는 처음에는 유선 애플리케이션 용으로 개발되었지만 2010 년에는 LWD 도구에 적합했습니다. 동시에 Baker Hughes는 Viscoteers Inc.와 협력하여 매우 까다로운 드릴링 환경에 맞는 새로운 센서 기술 개발을 시작했으며, 이전 모델의 측정 기능을 충족하고 초과했습니다.

새로운 센서는 매우 정밀한 비틀림 공진기 [3]로 센서가 잠긴 유체의 밀도와 점도에 따라 특성 (공진 주파수 및 댐핑)을 변경합니다. (Fig. 1).

공진기는 감지 챔버 외부의 전기 코일과 공진기의 타인 헤드에 내장 된 자석 사이의 자기 결합에 의해 무선으로 여기되고 감지됩니다 [3]Fig. 2). 공진기는 고강도, 내식성 및 특성이 우수한 금속으로 만들어져 고온 및 주변 압력 하에서 특성이 안정적으로 유지됩니다. 이 구성은 고압 유체 측으로의 전기 피드 스루를 피하며, 이는 압력 장벽을 가로 지르는 전기 연결이 필요한 센서의 악명 높은 고장 원인입니다. 공진기는 전적으로 금속으로 만들어 졌기 때문에 센서는 매우 견고하며 다운 홀 드릴링 조건에서 열악한 환경에 적합합니다.

Fig 1. 진폭과 위상 공진기 응답 곡선은 서로 다른 댐핑을 갖는 두 유체에 들어있는 센서의 공명 주파수를 조절합니다. Good- 빵 등의 그래픽, 20013.

공진기는 감지 챔버 외부의 전기 코일과 공진기의 타인 헤드에 내장 된 자석 사이의 자기 결합에 의해 무선으로 여기되고 감지됩니다 [3]Fig. 2). 공진기는 고강도, 내식성 및 특성이 우수한 금속으로 만들어져 고온 및 대기압에서도 특성이 안정적으로 유지됩니다. 이 구성은 고압 유체 측으로의 전기 피드 스루를 피하며, 이는 압력 장벽을 가로 지르는 전기 연결이 필요한 센서의 악명 높은 고장 원인입니다. 공진기는 전적으로 금속으로 만들어 졌기 때문에 센서는 매우 견고하며 다운 홀 드릴링 조건에서 열악한 환경에 적합합니다.

기계식 발진기는 높은 Q 계수를 가지며 이는 댐핑 측정의 넓은 동적 범위를위한 전제 조건입니다.

센서에 의해 측정 된 공명 주파수 및 댐핑의 두 값은 각각의 센서에 대해 구축 된 경험적 교정 곡선에 의한 wekk와 같은 수학적 모델에 의해 점도 및 밀도의 값과 상관된다. 두 방법 모두 매우 정확하고 반복 가능한 결과를 제공하지만 (센서 사양 참조) 경험적 보정 방법은 계산 비용이 적게 들고 센서 모양의 변화에 ​​덜 민감하기 때문에 선호되는 방법입니다.

공진기는 측정에 따라 주파수가 변하는 AC 전류에 의해 구동되는 코일에 의해 여기됩니다. 센서의 응답은 코일의 추가 권선에 의해 감지됩니다. 전체 점도 및 밀도 측정은 약 1 초가 걸리며, 이는 펌프의 드로우 다운 기간 동안 압력이 일정하게 유지되는 동안 수행 될 수 있기 때문에 이전 기술에 비해 크게 개선되었습니다.

Fig. 2. 점도-밀도 센서와 비틀림 방지기 개념이 결합되었습니다. Goodbread 등의 그래픽, 20013.

센서 (그림 3) 극도로 높은 압력과 온도 (2000bar 및 200 ° C에서 테스트 된 실험실)를 견딜 수있을뿐만 아니라 최대 750g의 충격 및 30g까지의 지속적인 진동으로 인한 손상에도 영향을받지 않습니다.

Fig. 3. 점도 밀도 센서 모듈 설계

센서는 유체 밀도를 측정하기 위해 공진 주파수를 추적하고 모니터링하는 위상 고정 루프로 제어됩니다. 여기와 센서의 응답 사이의 위상 관계를 주기적으로 변경함으로써, 공명기를 추정 할 수있는 공진기의 댐핑은 다음과 같이 결정될 수있다. Fig 4.

Fig. 4. 유체의 감쇠를 계산하는 위상 편이 방법. Goodbread 등의 그래픽, 20013.

사양은 테스트 된 제조 된 센서의 특성과 비교하여 검증되었습니다. 센서는 다양한 분자량의 탄화수소, 소금물, 유성 또는 수성 진흙 여과 액 및 가스의 모든 조합의 샘플 유체를 측정 할 수 있습니다.

센서의 방대한 동적 범위는 표준 산업 유체 밀도 및 점도 측정 시스템의 사양과 비교하여 평가할 수 있습니다.

표 1. 밀도 점도 센서 사양

다운 홀에서 발생하는 유체의 점도 및 밀도 범위를 커버하기 위해 센서를 여러 선택된 유체로 다양한 압력 및 온도에서 테스트했습니다.

테스트 결과는 필요한 유체 범위에서 측정의 정확성과 정밀도를 검증합니다. 사용 된 유체는 다음과 같습니다.

• 물 2 리터당 XNUMX 몰의 NaCl 농도의 소금물
• N- 도데 칸
• 점도 표준 오일 Cannon® S-20, N-2, N-10, N-35, N-75, S-6.

이 유체는 다음과 같은 이유로 선택되었습니다.

1. 속성에 대한 정확한 참조 값을 사용할 수 있습니다
2. 점도 및 밀도의 범위는 센서의 범위를 포함
3. 물리적 특성은 다운 홀과 만나는 유체의 대표적인 샘플을 제공합니다 (예 : 물 및 오일베이스, 전도성 및 비전 도성 유체).

Fig. 5 다양한 유체에 대한 센서로 달성 된 밀도 측정 범위 및 정확도를 보여줍니다.

Fig. 5. 염수 (2mol / l), N- 도데 칸, 캐논 S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 및 클로로포름의 밀도 측정. 검은 색과 빨간색 실선은 센서 사양에서 규정 한 최대 및 최소 허용 값을 나타냅니다.

Fig. 6 과 7 사양 범위의 대부분을 포괄하는 다양한 유체에 대해 센서로 달성 한 점도 측정 범위 및 정확도를 보여줍니다.

Fig. 6. 염수 (2mol / l), N- 도데 칸, 캐논 S-6, N-2, N-10, N-35 및 N-75의 상위 범위에서 측정 된 점도. 검은 색과 빨간색 실선은 센서 사양에 규정 된 최대 및 최소 허용 값을 나타냅니다.

그림. 7. 낮은 범위의 소금물 (2mol / l), N- 도데 칸, 캐논 S-6, N-2, N-10, N-35 및 N-75에서 측정 된 점도. 검은 색과 빨간색 실선은 센서 사양에서 규정 한 최대 및 최소 허용 값을 나타냅니다.

N- 도데 칸은 고압 (1900 bar) 및 고온 (200 ° C)까지 정확한 참조가 가능하므로 상세 테스트를 위해 선정되었습니다.

Fig. 8 과 9 압력 변화 (1 ~ 1500 bar)에 대한 점도 측정 동작을 보여줍니다. 값은 판독 값의 5 %보다 낮은 오차로 기준 점도를 따릅니다. 각 압력 온도 조건에서 50 개의 측정 포인트가 취해집니다 (Fig. 9).

Fig. 9 판독 값의 0 %보다 우수한 절대 오차 (0.5 라인으로부터의 거리)와 정밀도 (각 온도-압력 측정에 대한 점 구름의 변화)를 그래픽으로 표시합니다.

그림. 8. 50 ℃에서 1 내지 1,500 bar의 N- 도데 칸 점도. Caudwell et al, 2008의 참고 값.

그림. 9. 50 ℃에서 1 내지 1,500 bar에서 N- 도데 칸 점도 측정 오차 (기준에 따라). Caudwell et al, 2008의 참고 값.

Fig. 10 과 11 압력 변화 (1 ~ 1,500bar)에 대한 밀도 측정 동작을 보여줍니다. 측정 된 밀도는 +/- 0.003 g / cc보다 우수한 정확도를 포함한다.

그림. 10. 50 내지 1 bar의 1,500 ℃에서 N- 도데 칸 밀도. Caudwell et al, 2008의 참고 값.

그림. 11. 50 ° C에서 1 ~ 1,500 bar 사이에서 N- 도데 칸 밀도 측정 오차 (참조와 관련하여). Caudwell et al, 2008의 참고 값.

마지막 두 그래픽에서 계산 된 최소 정밀도는 판독 값의 0.1 %보다 낫습니다.

까다로운 LWD 환경을 위해 설계된 새로운 밀도 및 점도 센서는 실험실 테스트 동안 목표 사양보다 더 나은 성능을 보였습니다. 이 백서에 제시된 세 가지 유체에 대해 얻은 결과는 다음을 확인합니다.

• 센서는 압력 변화에 따른 측정 바이어스를 나타내지 않으며
• 논문에 제시된 모든 유체에 대한 센서의 정밀도는 밀도의 경우 +/- 0.001 g / cc보다 높고 점도의 경우 +/- 1 %보다 낫습니다.
• 수행 된 모든 테스트에서 센서의 밀도 정확도는 0.01 g / cc보다 낫습니다. 10mPa.s보다 큰 점도의 경우 점도 정확도는 판독 값의 1 %보다 높고 0.1mPa.s보다 낮은 점도의 경우 1mPa.s보다 낫습니다.
• 센서는 충격 및 진동 테스트 후 사양에 대한 손상이나 측정 동작의 변화를 나타내지 않습니다.
• 센서는 모든 온도 및 압력 사이클 동안 및 후에 안정적인 측정을 생성합니다
• 모든 테스트 후 모든 센서 후에 센서에 기계적 또는 부식 손상의 증거는 없었습니다.
• 새로운 센서는 LWD 및 유선 서비스의 열악한 환경 조건을 견딜 수있을 정도로 견고하여 다운 홀 형성 평가 분석 도구에 필요한 정확성과 정밀성을 가진 점도와 밀도를 제공합니다.
• 센서는 전도성 (염수) 또는 비전 도성 유체에서 잘 작동하므로 전도성 유체에서 테스트 할 때 영향을주지 않습니다.

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6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc, 2007, 굽힘 기계 공진기를 이용한 다운 홀 유체 특성화 방법 및 장치, 미국 특허 7,162,918 B2.
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