Este artigo descreve um novo sensor de densidade e viscosidade que mede propriedades de fluidos de formação com alta precisão e resolução. A viscosidade dinâmica (ri) em combinação com outros parâmetros do fluido, como densidade (p), velocidade do som, índice de refração, espectro de absorção e condutividade térmica, fornece uma caracterização abrangente do fluido da amostra. A estimativa da permeabilidade da formação é crítica para prever o potencial de produção do reservatório. As medições de mobilidade realizadas na formação usando várias ferramentas de amostragem de fundo de poço podem ser usadas para calcular a permeabilidade da formação quando a viscosidade in situ precisa dos fluidos da formação é conhecida.

O fluido de amostra pode ser qualquer combinação de vários hidrocarbonetos de peso molecular, salmoura, filtrado de lama à base de óleo ou água e gases. e os fluidos têm tipicamente uma viscosidade na faixa de 0.5 a 4 cP (mPa.s), mas podem ser tão altos quanto 40 cP em óleos pesados. A densidade do fluido pode variar de 0.2 a 1.5 g / cc. Além disso, os fluidos também podem ser condutores e podem ter propriedades parcialmente não newtonianas.

Para que um sensor possa ser usado em uma ferramenta de análise e amostra de formação de fundo de poço, ele deve, portanto, ter uma grande faixa diâmica com precisão melhor que 10% da leitura. Também deve ser capaz de medir em temperaturas de até 175 ° C e pressões superiores a 25 kpsi.

Neste artigo, é descrito um novo sensor que pode atender a todos esses requisitos. É um ressonador mecânico acionado cuja frequência e amortecimento ressonantes produzem valores precisos para a viscosidade e densidade de um fluido no qual está imerso. O sensor foi projetado para ser altamente preciso e suficientemente robusto para suportar as vibrações de temperatura, pressão e perfuração encontradas na extração de madeira no fundo do poço. A viscosidade é medida dentro de 0.1 cP para fluidos menores que 1 cP e 10% para todas as viscosidades acima de 1 cP. As medições de densidade são precisas melhor que 0.01 g / cc. O sensor pode ser usado para ferramentas de cabo de aço e perfilagem durante a perfuração (LWD).

O artigo apresenta os princípios de medição do sensor e testes de qualificação de alta temperatura e alta pressão. As medições laboratoriais de viscosidade e densidade de fluidos realizadas com o novo sensor são mostradas para uma variedade de fluidos de calibração típicos de fluidos de fundo de poço coletados por ferramentas de amostragem de formação.

Vários sensores para medição in situ de viscosidade e densidade foram implementados para serviços de avaliação de formação de cabo e LWD. Em 2008, a Baker Hughes introduziu um diapasão piezoelétrico [6] que mede a densidade do fluido na faixa de 0.01 a 1.5 g / cc com um RMSE

± 0.015 g / cc para viscosidades inferiores a 30 cP; e RMSE ± 0.03 g / cc para viscosidades entre 30cP e 200cP. A faixa de medição de viscosidade desse sensor é de 0.2 a 30 cP com um RMSE ± 0.1 cP ou 10% (o que for maior) e entre 30 e 200 cP com um RMSE ± 20%.

Este sensor foi desenvolvido inicialmente para aplicações de cabo de aço, mas, em 2010, foi adaptado para ferramentas LWD. Ao mesmo tempo, a Baker Hughes, em cooperação com a Viscoteers Inc., começou a desenvolver uma nova tecnologia de sensores adaptada ao ambiente de perfuração altamente exigente, atendendo e excedendo as capacidades de medição de seu antecessor.

O novo sensor é um ressonador torcional de alta precisão [3] que muda suas características - frequência ressonante e amortecimento - dependendo da densidade e viscosidade do fluido no qual o sensor está imerso. (FIG. 1).

O ressonador é excitado e detectado sem fio pelo acoplamento magnético entre as bobinas elétricas do lado de fora da câmara de detecção e os ímãs incorporados nas cabeças de dentes do ressonador [3] (FIG. 2) O ressonador é feito de metal de alta resistência, alta resistência à corrosão e bem caracterizado, cujas propriedades permanecem estáveis ​​sob alta temperatura e alta pressão ambiente. Essa configuração evita passagens elétricas para o lado do fluido de alta pressão, que são uma fonte notória de falha em sensores que exigem conexões elétricas através da barreira de pressão. Como o ressonador é feito inteiramente de metal, o sensor é extremamente robusto e adequado para o ambiente hostil em condições de perfuração de fundo de poço.

Fig 1. As curvas de resposta do ressonador de amplitude e fase determinam a frequência de ressonância do sensor imerso em dois fluidos com amortecimento diferente. Gráfico de Good-pão et al, 20013.

O ressonador é excitado e detectado sem fio pelo acoplamento magnético entre as bobinas elétricas do lado de fora da câmara de detecção e os ímãs incorporados nas cabeças de dentes do ressonador [3] (FIG. 2) O ressonador é feito de metal de alta resistência, alta resistência à corrosão e bem caracterizado, cujas propriedades permanecem estáveis ​​sob alta temperatura e alta pressão ambiente. Essa configuração evita passagens elétricas para o lado do fluido de alta pressão, que são uma fonte notória de falha em sensores que exigem conexões elétricas através da barreira de pressão. Como o ressonador é feito inteiramente de metal, o sensor é extremamente robusto e adequado para o ambiente hostil em condições de perfuração de fundo de poço.

O oscilador mecânico possui um alto fator Q, que é um pré-requisito para uma grande faixa dinâmica das medições de amortecimento.

Os dois valores medidos pelo sensor, frequência de ressonância e amortecimento, estão correlacionados aos valores de viscosidade e densidade por meio de um modelo matemático wekk e por uma curva de calibração empírica construída para cada sensor. Ambos os métodos fornecem resultados extremamente precisos e repetíveis (consulte a especificação do sensor), mas como o método de calibração empírica é menos oneroso em termos computacionais e menos suscetível a variações na forma do sensor, é o método preferido.

O ressonador é excitado por bobinas acionadas por uma corrente CA que varia em frequência conforme a medição exige. A resposta do sensor é detectada por enrolamentos adicionais nas bobinas. Toda a medição de viscosidade e densidade leva cerca de 1s, o que é uma melhoria significativa em relação às tecnologias anteriores, porque pode ser realizada enquanto a pressão é constante no período de extração da bomba.

FIG. 2. Conceito de sensor de torção acoplado ao sensor de viscosidade-densidade. Gráfico de Goodbread et al, 20013.

O sensor (Fig. 3) não apenas suporta pressão e temperatura extremamente altas (testadas em laboratório a 2000 bar e 200 ° C), mas também é imune a danos por choques de até 750 g e vibração contínua a 30g.

FIG. 3. Projeto do módulo do sensor de viscosidade-densidade

O sensor é controlado por um loop bloqueado de fase que rastreia e monitora sua frequência ressonante para medir a densidade do fluido. Alterando periodicamente a relação de fase entre a excitação e a resposta do sensor, o amortecimento do ressonador, a partir do qual a viscosidade pode ser estimada, pode ser determinado como mostrado em Fig 4.

FIG. 4. Método de mudança de fase para calcular o amortecimento de um fluido. Gráfico de Goodbread et al, 20013.

As especificações foram verificadas em relação às propriedades testadas dos sensores fabricados. O sensor é capaz de medir fluidos de amostra de qualquer combinação de vários hidrocarbonetos de peso molecular, salmoura, filtrado de lama à base de óleo ou água e gases.

A enorme faixa dinâmica do sensor pode ser apreciada comparando suas especificações com as dos sistemas padrão de medição de densidade e viscosidade de fluidos industriais.

tabela 1. Especificações do sensor de viscosidade de densidade

O sensor foi testado em várias pressões e temperaturas com vários fluidos selecionados para cobrir a faixa de viscosidade e densidade de fluidos encontrados no fundo do poço.

Os resultados do teste verificam a exatidão e precisão da medição na faixa necessária de fluidos. Os fluidos utilizados foram:

• Salmoura com uma concentração de 2 mol de NaCl por litro de água,
• N-dodecano
• Óleo padrão de viscosidade Cannon® S-20, N-2, N-10, N-35, N-75, S-6.

Esses fluidos foram escolhidos porque:

1. Valores de referência precisos para suas propriedades estão disponíveis
2. sua faixa de viscosidade e densidade abrange a faixa do sensor
3. suas propriedades físicas fornecem uma amostra representativa dos fluidos encontrados no fundo de poço (ou seja, base de água e óleo, fluidos condutivos e não condutivos)

FIG. 5 mostra a faixa de medição de densidade e a precisão alcançada com o sensor para diferentes fluidos.

FIG. 5. Densidade medida de salmoura (2mol / l), N-dodecano, Canhão S-6, N-2, N-10, N-3, N-75 e clorofórmio. As linhas pretas e vermelhas sólidas representam os valores máximos e mínimos permitidos prescritos pelas especificações do sensor.

FIG. 6 e 7 mostre a faixa de medição da viscosidade e a precisão alcançada com o sensor para diferentes fluidos, cobrindo a maior parte da faixa das especificações.

FIG. 6. Viscosidade medida na faixa superior de salmoura (2mol / l), N-dodecano, Canhão S-6, N-2, N-10, N-35 e N-75. As linhas pretas e vermelhas sólidas representam os valores máximos e mínimos permitidos prescritos pelas especificações do sensor.

FIG. 7. Viscosidade medida na faixa mais baixa de salmoura (2mol / l), N-dodecano, Canhão S-6, N-2, N-10, N-35 e N-75. As linhas pretas e vermelhas sólidas representam os valores máximos e mínimos permitidos prescritos pelas especificações do sensor.

O N-dodecano foi selecionado para testes detalhados devido à disponibilidade de referências precisas até altas pressões (1900 bar) e altas temperaturas (200 ° C).

FIG. 8 e 9 mostra o comportamento da medição da viscosidade em relação às mudanças de pressão (1 a 1500 bar). Os valores seguem a viscosidade de referência com um erro menor que 5% das leituras. Em cada condição pressão-temperatura, são obtidos 50 pontos de medição (FIG. 9).

FIG. 9 fornece uma exibição gráfica do erro absoluto (distância da linha 0) e da precisão (variação da nuvem de pontos para cada medição de temperatura e pressão), que é melhor que 0.5% da leitura.

FIG. 8. Viscosidade de N-dodecano a 50 ° C entre 1 e 1,500 bar. Valores de referência de Caudwell et al, 2008.

Figo 9. Erros medidos pela viscosidade do N-dodecano (com referência à referência) a 50 ° C, entre 1 e 1,500 bar. Valores de referência de Caudwell et al, 2008.

FIG. 10 e 11 mostre o comportamento da medição da densidade em relação às mudanças de pressão (1 a 1,500 bar). A densidade medida compreende uma precisão melhor que +/- 0.003 g / cc.

FIG. 10. Densidade de N-dodecano a 50 ° C entre 1 e 1,500 bar. Valores de referência de Caudwell et al, 2008.

FIG. 11. Erros medidos pela densidade de N-dodecano (com referência à referência) a 50 ° C, entre 1 e 1,500 bar. Valores de referência de Caudwell et al, 2008.

A precisão mínima calculada dos dois últimos gráficos é melhor que 0.1% da leitura.

O novo sensor de densidade e viscosidade, projetado para o exigente ambiente LWD, teve um desempenho melhor do que as especificações desejadas durante os testes de laboratório. O resultado obtido para os três fluidos apresentados neste artigo verifica que:

• O sensor não mostra nenhum viés de medição com alterações na pressão e
• A precisão do sensor para todos os fluidos apresentados no papel é melhor que +/- 0.001 g / cc para densidade e melhor que +/- 1% para viscosidade.
• A precisão da densidade do sensor em todos os testes realizados é melhor que 0.01 g / cc. A precisão da viscosidade é melhor que 10% da leitura para viscosidades maiores que 1 mPa.s e melhor que 0.1 mPa.s para viscosidades menores que 1 mPa.s.
• O sensor não exibe nenhum dano ou alteração no comportamento da medição após o teste de choque e vibração conforme as especificações.
• O sensor produz medições estáveis ​​durante e após todo ciclo de temperatura e pressão
• Não houve evidência de danos mecânicos ou de corrosão no sensor após todos os testes após todos os testes.
• O novo sensor é robusto o suficiente para suportar as condições adversas do ambiente dos serviços LWD e de linha de arame, fornecendo viscosidades e densidades com a exatidão e precisão necessárias para uma ferramenta de análise de avaliação de formação de fundo de poço.
• O sensor tem bom desempenho em fluidos condutivos (salmoura) ou não condutivos, não mostrando sinais de influência ao testar em fluidos condutivos.

1. Caudwell Derek R., Trusler JP Martin, Vesovic Velisa, Wakeham William A., 2004, A viscosidade e densidade de n-Dodecane e n-Octadecane em pressões de até 200MPa e temperaturas de até 473 K., International Journal of Thermophysics 08 / 2004.
2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013, Amostragem durante a perfuração vai aonde os cabos não podem: estudos de caso ilustrando medições de qualidade de cabos em ambientes desafiadores de poço, SPE-164293.
3. Goodbread Joe, Juerg Dual, Viscoteers Inc, 2013, Viscosímetro de ressonador de torção acoplado, EP2596328 A2.
4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H. e Correia Robert J., 1981, Tabelas da viscosidade dinâmica e cinemática de soluções aquosas de NaCl na faixa de temperatura 20-150 ° C e na faixa de pressão 1-35 MPa, Phys. Chem. Ref. Data, vol. 10, No.1 1981.
5. Lundstrum Robbi, Goodwin Antony RH, Hsu Kai, Frels Michael, Caudwell Derek R., Trusler JP Martin e Marsh Kenneth N., 2005, Medição da viscosidade e densidade de dois fluidos de referência, com viscosidade nominal em T = 298 K e p = 0.1 MPa de (16 e 29) mPa.s, a temperaturas entre (298 e 393) K e pressões abaixo de 55MPa, J. Chem. Eng. Dados 2005, 50, 1377 - 1388.
6. Rocco DiFoggio, Arnold Walkow, Paul Bergren, Baker Hughes Inc, 2007, Método e aparelho para caracterização de fluidos de fundo de poço usando ressonadores mecânicos de flexão, Patentes dos EUA 7,162,918 B2.
7. Rogers PSZ e Pitzer Kenneth S., 1982, Propriedades volumétricas de soluções aquosas de cloreto de sódio, J. Phys. Chem. Ref. Data, vol. 11, No.1 1982.

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