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Petróleo Mundial

Novas abordagens para medição de densidade e viscosidade em todo o espectro de aplicações de petróleo e gás

Novas abordagens para medição de densidade e viscosidade em todo o espectro de aplicações de petróleo e gás

As medições de viscosidade e densidade no setor de petróleo e gás estão entre as mais essenciais, mas também as mais elusivas das operações. Da exploração à perfuração, da produção ao transporte, a identidade e as propriedades dos fluidos são a força vital da indústria.

Os instrumentos de laboratório têm aplicação limitada para medir propriedades de fluidos em condições de reservatório. Pressões e temperaturas muito altas, choque e vibração, disponibilidade limitada de energia e, acima de tudo, severas restrições de espaço exigem abordagens inovadoras e criativas para medição de viscosidade e densidade. Neste artigo, exploramos a necessidade de medições em linha de viscosidade e densidade, bem como descrevemos vários novos produtos que permitem medições em linha em alguns dos ambientes mais desafiadores da indústria.

Conhecimento fluido é poder - o poder de executar processos com segurança e economia. E apenas aquelas propriedades - viscosidade e densidade - que são mais difíceis de capturar em condições industriais e de fundo de poço podem ser as mais relevantes para entender como os fluidos irão reagir sob todo o espectro de condições que podem ocorrer em seu processo.

Por que a viscosidade é importante

Quando um fluido flui por um tubo, a pressão necessária para movê-lo a uma determinada taxa depende de sua viscosidade e das dimensões do tubo. Quanto maior a viscosidade, mais pressão é necessária para empurrar o fluido através do tubo. A vazão é dada pela equação de Poiseuille, onde F é a vazão, R é o raio do tubo, L é seu comprimento, ∆P é a diferença de pressão entre as pontas do tubo e η é a viscosidade do fluido.

Figura 1: Relação da taxa de fluxo com a viscosidade.

Quanto maior a viscosidade, menor a taxa de fluxo. Esteja você bombeando lama de perfuração, fluido de fraturamento hidráulico ou petróleo bruto por vários quilômetros de tubulação, pequenas mudanças na viscosidade podem ter consequências enormes para o equilíbrio de pressão do sistema, bem como a energia necessária para bombear o fluido.

Por exemplo, para bombear petróleo pesado por meio de uma tubulação, a pressão de bombeamento pode ser reduzida controlando sua viscosidade. A redução da viscosidade por aquecimento ou diluição do óleo é cara. Para determinar quanto calor ou diluente adicionar, é necessário medir a viscosidade real do petróleo bruto diluído. Ao usar um viscosímetro em linha e um controlador de feedback para ajustar a temperatura ou quantidade de diluente, um equilíbrio ideal pode ser alcançado entre o custo adicional de redução da viscosidade e a viscosidade desejada do produto.

Se o tubo for vertical em vez de horizontal, a atração da gravidade sobre o fluido é adicionada à sua resistência ao fluxo e modifica a queda de pressão no tubo:

onde ρ é a densidade do fluido, ∆H é a altura vertical do tubo e g é a aceleração da gravidade.

Tecnicamente, esta fórmula é correta apenas para fluxo laminar de fluidos newtonianos. No entanto, as relações gerais fornecem estimativas utilizáveis ​​em muitos casos em que essas condições não são atendidas.

Figura 2: Relação da queda de pressão com a densidade.

Saber a densidade do fluido é crucial para manter o equilíbrio da pressão em um poço. E como o peso real do fluido é usado para calcular o valor do produto, a medição precisa da densidade é um fator essencial na transferência de custódia.

 

A importância da medição das propriedades do fluido em linha

Apesar da importância da densidade e da viscosidade em todos os aspectos das operações upstream e downstream, elas são notoriamente difíceis de medir sob as condições extremas encontradas na indústria de petróleo e gás. Os métodos laboratoriais tradicionais envolviam instrumentos delicados e caros que só podiam ser usados ​​em amostras colhidas em operações de campo.

Mas um operador que tenta controlar a consistência da lama durante uma operação de perfuração precisa de uma medição imediata em linha para ser capaz de otimizar os parâmetros de perfuração em tempo real. Um relatório de laboratório entregue horas após a coleta da amostra tem um valor limitado, uma vez que reflete o passado, e não as condições reais.

Em operações de fraturamento hidráulico, a densidade é muito importante para determinar se a concentração de propante está no alvo. Uma medição de densidade em linha é crucial, porque no fracking, as coisas acontecem rápido. Da mesma forma, na cimentação, conhecer a densidade do cimento é essencial para manter um equilíbrio de pressão adequado. Saber qual era a densidade do cimento fluido algumas horas antes de endurecer tem pouco valor para o operador. Para fazer medições de densidade em altas pressões de bombeamento, os instrumentos de absorção nuclear são praticamente a única opção. Mas o aumento do custo de conformidade e manuseio de fontes nucleares se tornou um fardo enorme para a indústria.

Uma das aplicações mais desafiadoras para medição de propriedades de fluidos em linha também é a mais valiosa. É a avaliação de fluidos de formação durante a perfuração.

Avaliação do fluido de formação - da broca para o laboratório PVT e além

A avaliação do fluido de formação atinge a base da indústria de petróleo e gás. Saber quais fluidos estão presentes e como eles se comportarão durante a extração e transporte é essencial para uma perfuração, completação e produção seguras e econômicas.

Amostras de fluido de formação são tradicionalmente obtidas por meio de ferramentas de cabo de aço. Sua coleta requer puxar a coluna de perfuração, colocar uma ferramenta de cabo de aço, coletar amostras que são enviadas para o laboratório, seguido pela reinserção da coluna de perfuração. Para preservar a integridade das amostras, é necessário mantê-las em condições de reservatório de temperatura e pressão à medida que são trazidas à superfície, um processo tecnicamente desafiador e caro.

O desenvolvimento de tecnologia avançada de sensores e eletrônicos de alta temperatura torna prática a inclusão de sensores de viscosidade e densidade em ferramentas wireline. Um exemplo é o instrumento de caracterização de reservatórios Baker Hughes (RCI) com serviço In-Situ Fluids eXplorer (IFX). A ferramenta wireline IFX inclui um sensor de densidade-viscosidade baseado em um ressonador piezoelétrico de diapasão - uma das principais classes de tecnologia que é adequada para monitoramento de densidade e viscosidade em linhaoring.

Ao mesmo tempo, a Baker Hughes estava desenvolvendo seu serviço de perfilagem FASTrak durante a perfuração (LWD) que permitia a análise e amostragem de fluidos durante uma operação de perfuração sem a necessidade de interrompê-la para perfilagem wireline. Este sistema incorporou o sistema piezoelétrico de medição de viscosidade-densidade da ferramenta IFX.

Em 2010, a Baker Hughes contatou Rheonics(anteriormente Viscoteers, Inc.) para desenvolver uma alternativa ao muito frágil diapasão piezoelétrico usado no sistema FASTrak. O resultado foi o Rheonics DV-2000, um ressonador diapasão de torção que eventualmente formou a base para uma extensa família de sensores de densidade e viscosidade em linha que agora cobrem uma ampla gama de aplicações no setor de petróleo e gás.

A Rheonics DV-2000 e seus descendentes

É instrutivo olhar mais de perto Rheonics DV-2000, porque ilustra uma abordagem para monitoramento de densidade-viscosidadeoring que é ao mesmo tempo geral em conceito e versátil em sua implementação.

A Rheonics O DV-2000 é um sensor vibracional que tem suas características ressonantes modificadas pela sua interação com o fluido.

O DV-2000 consiste em dois ressonadores de torção acoplados que, juntos, formam um diapasão de torção, mostrado abaixo ao lado de uma instalação típica em um módulo LWD:

Figura 3: Ressonador DV no módulo de análise de fluido LWD.

 

O ressonador está imerso no fluido em teste. Os dentes contêm ímãs permanentes, que são acionados e detectados em vibração de torção por bobinas que são colocadas fora da câmara de fluido pressurizado que contém o ressonador.

Os dentes achatados interagem com o fluido de duas maneiras diferentes quando vibram em torção. Eles cortam o fluido, o que causa a transferência de energia dos dentes para o fluido por meio de forças viscosas. E eles deslocam o fluido, o que causa um carregamento de massa dos dentes proporcional à densidade do fluido.

Quando o DV-2000 é impulsionado por uma onda senoidal, sua amplitude atinge o pico em sua frequência de ressonância. Quanto mais energia ele perde para o fluido por meio de forças viscosas, mais plano e amplo será seu pico ressonante. Da mesma forma, quando o ressonador é carregado por um fluido denso, sua frequência ressonante diminui em uma quantidade dependente da densidade do fluido.

Figura 4: Alargamento do pico de ressonância por meio do amortecimento viscoso (aumento da viscosidade) e deslocamento do pico de ressonância por meio do carregamento de massa (aumento da densidade).

 

A largura do pico ressonante pode ser usada para derivar a viscosidade do fluido, e a mudança de sua frequência ressonante pode ser usada para derivar a densidade do fluido. Junto com o Rheonics Pacote eletrônico do DVM, o sensor pode medir densidade e viscosidade em temperaturas de até 500°F e pressões de até 30,000 PSI.

As especificações de densidade e viscosidade DV-2000 são mostradas na seguinte tabela:

Os resultados dos testes realizados na Baker Hughes são mostrados a seguir.hartS. Os dois primeiros mostram a precisão das medições de viscosidade para uma série de fluidos que cobrem a faixa especificada de viscosidades e densidades. O terceiro mostra a precisão das medições de densidade. As duas linhas em cada chart mostre os limites superior e inferior dos erros permitidos para ambas as medições.

Tabela 1: Especificação de desempenho para Rheonics Sensor DV-2000.

Figura 5: Precisão da viscosidade (esquerda) e densidade (direita) do sensor para diferentes fluidos.

Densidade em linha – instrumentos de viscosidade baseados no Rheonics DV-2000

A excelente precisão, repetibilidade e robustez do DV-2000 levaram à sua incorporação em dois instrumentos DV em linha mais adequados para aplicações em linha e de processo.

A Rheonics DVM é um DV-2000 montado em um bloco de titânio com conexões de entrada e saída de alta pressão. Seu volume de medição real é de cerca de 0.7 cm3. Ele opera em pressões de até 30,000 PSI e temperaturas de até 500 °F. Suas especificações de precisão e alcance são semelhantes às do DV-2000 fornecidas acima, mas seu potencial excede em muito as especificações. Principais aplicações do Rheonics A DVM tem atuado na análise PVT de amostras de petróleo vivo, nas quais é necessário trabalhar com quantidades muito pequenas de material, mantendo-as sob condições de temperatura e pressão do reservatório. Medições anteriores exigiram instrumentos separados para medir densidade e viscosidade, exigindo volumes de amostra consideravelmente maiores, bem como sistemas de transferência de fluidos complicados.

O DVM também tem sido usado para medir a densidade e a viscosidade de CO líquido e gasoso2 em experimentos de inundação de núcleo com precisões que excedem em muito a especificação alvo dada acima.

Um segundo instrumento baseado no DVM é o Rheonics DVP, que foi projetado como um sensor em linha versátil para uso em tanques, tubulações e reatores. Suas especificações de alcance e precisão são as mesmas do DVM, mas com uma classificação de pressão inferior de 10,000 PSI. O DVP é voltado para aplicações que envolvem monitores multiestaçãooring de fluidos em tubulações, otimização de bomba baseada em viscosidade, transferência de custódia e monitoramento de densidade em linha de alta pressãooring. O DVP é um dos únicos instrumentos não nucleares capazes de medições precisas de densidade em linha em pressões na faixa de 10,000 PSI e, como tal, abre muitas novas áreas de aplicação que eram anteriormente cobertas por métodos indiretos, como transmissão de ultrassom ou medições de pressão diferencial através de uma coluna vertical de fluido.

Estudos de caso: o Rheonics DVM em análise de petróleo em tempo real e instalações de inundação central

Medições de densidade e viscosidade em amostras de óleo vivo na AsphWax, Inc.

A Rheonics O DVM é ideal para medição das propriedades de amostras de petróleo vivo devido ao seu pequeno volume de amostra, sua ampla faixa de medição de viscosidade sem interromper uma execução de medição para reconfigurar o hardware e sua capacidade de medir densidade e viscosidade simultaneamente no mesmo amostra. Como os sistemas concorrentes utilizam dois instrumentos separados para medir a densidade e a viscosidade, eles exigem um volume de amostra maior e causam complicações na transferência das amostras de óleo vivo. A figura a seguir mostra um Rheonics DVM instalado em um tanque de amostras de óleo vivo dentro de um forno. Seu tamanho compacto e simplicidade de conexão permitem que seja montado diretamente no recipiente de amostra de óleo vivo[1]. Um ensaio de heptano a 46.8 ° C e 341 bar de pressão produziu os seguintes valores, em comparação com os valores de referência padrão:

Dados de medição DVM cortesia de Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

mesa 2: Precisão medida de Rheonics DVM.

 

Figura 6: Rheonics Módulo DVM.

Aplicação de Rheonics Viscosímetro DVM2000 na inferência de propriedades reológicas de emulsões em reservatórios de petróleo

As técnicas EOR avançadas usam um sistema em que dois fluidos imiscíveis são emulsificados. A espuma EOR envolve a geração de emulsões de gás-água estabilizadas com surfactante no reservatório para controlar a mobilidade da baixa viscosidade do gás de deslocamento (N2, hidrocarbonetos leves, CO2 etc.) e assim aumentar a eficiência da varredura. Em métodos químicos EOR como inundação de ASP (polímero surfactante alcalino), o processo de recuperação de óleo é governado pela formação induzida por surfactante de uma microemulsão de óleo e água que é então perseguida com uma inundação de salmoura viscosa induzida por polímero. Ambos os métodos buscam otimizar as propriedades reológicas em condições de reservatório com adição química mínima. Pode levar de dias a meses para uma caracterização laboratorial do comportamento reológico de uma formulação em condições de reservatório, tornando a triagem rápida de formulações bastante desafiadora. Os fatores mais importantes e menos controláveis ​​são as propriedades do meio poroso. Essas propriedades podem mudar durante o experimento, tornando a medição direta das propriedades reológicas quase impossível.

A Rheonics O DVM-2000 pode medir simultaneamente a densidade e a viscosidade de tais formulações químicas nas condições do reservatório em poucas horas, tornando a etapa limitante da taxa a escala de tempo das interações químicas no processo. Nossos clientes estão empregando o DV-2000 em seus principais aparelhos de inundação para acelerar o desenvolvimento de produtos através de medições reológicas precisas nas condições do reservatório.

A capacidade de medir simultaneamente a densidade e a viscosidade também fornece informações essenciais sobre a textura da emulsão. Uma densidade medida uniforme e uma viscosidade estável indicam uma emulsão estável com fases dispersas homogeneamente. Por outro lado, se a textura não for homogênea, como no escoamento em golfadas, isso é demonstrado qualitativamente pela forte flutuação da densidade e viscosidade indicadas. Essas informações são essenciais para o projeto e implementação de métodos EOR. Um esquema de uma configuração de fluxo típica usando o Rheonics A unidade DVM-2000 é mostrada na figura a seguir, onde dois fluidos imiscíveis (um dos quais é tipicamente uma formulação de surfactante em salmoura) são bombeados simultaneamente através de um misturador em linha, um Rheonics Monitor DVM-2000oring sistema e um sistema central de inundação em série.

Figura 7: Configuração de inundação de núcleo com um módulo DVM em linha.

 

O Outlook para medições de densidade e viscosidade ressonantes em linha

Sensores de propriedades de fluidos ressonantes dos tipos oferecidos por Rheonicsestão ampliando os limites das medições consideradas possíveis apenas com instrumentos de nível laboratorial. Além das aplicações mencionadas acima, esses sensores também têm sido utilizados para medir a deposição de ceras e asfaltenos. RheonicsA tecnologia básica pode ser otimizada para medir não apenas a deposição, mas também a corrosão em tempo real, permitindo a dosagem direcionada de tratamentos químicos sob condições de campo.

Um terceiro Rheonics O sensor, o SRV, é capaz de medir a viscosidade em uma faixa muito ampla, de menos de 1 cP até 50,000 cP. É um instrumento de controle de processo altamente estável para uso em operações de fabricação e dosagem, mesmo com dispersões, lamas e outros fluidos atípicos. Atualmente está sendo usado para controlar com precisão a viscosidade de uma pasta não newtoniana em uma aplicação de revestimento de alto valor. Ele também pode ser usado para monitorar e controlar a viscosidade de fluidos em tubulações e oleodutos, incluindo sistemas de queimadores de óleo para motores marítimos e transporte por oleodutos de petróleo bruto pesado aquecido ou diluído.

Referências

1. https://www.bakerhughes.com/integrated-well-services/integrated-well-construction/evaluation/wireline-openhole-logging/fluid-characterization-and-testing
2. https://www.onepetro.org/conference-paper/SPWLA-2014-GGGG
3. Goodbread, J., B. Ochoa e T. Kruspe, "Um novo sensor para medição de viscosidade e densidade de fluido para aplicações de perfuração de poços de petróleo", Proceedings of ITG / GMA Symposium, 2014, pp 1-6.
4. Dados de medição DVM cortesia de Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

Visão geral

Revista focada na indústria petrolífera – WorldOil publica um artigo cobrindo o Rheonics'Novas abordagens para medições de densidade e viscosidade de fluidos em linha. O artigo discute a tecnologia e os princípios de trabalho com foco especial na avaliação de fluidos de formação e na utilidade de Rheonics dispositivos de medição de densidade-viscosidade em linha para inferir as propriedades reológicas.

World Oil - recurso do site
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