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Huile mondiale

Nouvelles approches de la mesure de la densité et de la viscosité dans tout le spectre des applications pétrolières et gazières

Nouvelles approches de la mesure de la densité et de la viscosité dans tout le spectre des applications pétrolières et gazières

Les mesures de viscosité et de densité dans le secteur pétrolier et gazier sont parmi les opérations les plus essentielles, mais aussi les plus insaisissables. De l'exploration au forage en passant par la production et le transport, l'identité et les propriétés des fluides sont au cœur même de l'industrie.

Les instruments de laboratoire n'ont qu'une application limitée pour mesurer les propriétés des fluides dans des conditions de réservoir. Des pressions et des températures très élevées, des chocs et des vibrations, une disponibilité limitée de la puissance et surtout, des contraintes d'espace sévères nécessitent des approches novatrices et créatives pour mesurer la viscosité et la densité. Dans cet article, nous explorons à la fois la nécessité de mesures de viscosité et de densité en ligne, ainsi que la description de plusieurs nouveaux produits qui permettent des mesures en ligne dans certains des environnements les plus difficiles de l'industrie.

La connaissance fluide, c'est le pouvoir - le pouvoir d'exécuter des processus de manière sûre et économique. Et seules les propriétés - viscosité et densité - qui sont les plus difficiles à capturer dans des conditions de fond et industrielles peuvent être les plus pertinentes pour comprendre comment les fluides réagiront dans tout le spectre des conditions qui peuvent se produire dans votre processus.

Pourquoi la viscosité est importante

Lorsqu'un fluide circule dans un tuyau, la pression nécessaire pour le déplacer à un débit donné dépend de sa viscosité et des dimensions du tuyau. Plus la viscosité est élevée, plus il faut de pression pour pousser le fluide à travers le tuyau. Le débit est donné par l'équation de Poiseuille, où F est le débit, R est le rayon du tuyau, L est sa longueur, ∆P est la différence de pression entre les extrémités du tuyau et η est la viscosité du fluide.

Figure 1: Relation entre le débit et la viscosité.

Plus la viscosité est élevée, plus le débit est faible. Que vous pompiez de la boue de forage, du fluide de fracturation ou du pétrole brut à travers plusieurs kilomètres de tuyaux, de petits changements de viscosité peuvent avoir d'énormes conséquences sur l'équilibre de pression du système ainsi que sur la puissance nécessaire pour pomper le fluide.

Par exemple, pour pomper du brut lourd dans un pipeline, la pression de pompage peut être réduite en contrôlant sa viscosité. La réduction de la viscosité en chauffant l'huile ou en la diluant est coûteuse. Pour déterminer la quantité de chaleur ou de diluant à ajouter, il faut mesurer la viscosité réelle du brut dilué. En utilisant un viscosimètre en ligne et un contrôleur de rétroaction pour ajuster la température ou la quantité de diluant, un équilibre optimal peut être trouvé entre le coût supplémentaire de la réduction de viscosité et la viscosité souhaitée du produit.

Si le tuyau est vertical au lieu d'horizontal, la force de gravité sur le fluide s'ajoute à sa résistance à l'écoulement et modifie la perte de charge à travers le tuyau:

où ρ est la densité du fluide, ∆H est la hauteur verticale du tuyau et g est l'accélération de la pesanteur.

Techniquement, cette formule n'est correcte que pour l'écoulement laminaire de fluides newtoniens. Cependant, les relations générales donnent des estimations utilisables dans de nombreux cas où ces conditions ne sont pas remplies.

Figure 2: Relation entre la perte de charge et la densité.

Connaître la densité du fluide est crucial pour maintenir l'équilibre de pression dans un puits. Et comme le poids réel du fluide est utilisé pour calculer la valeur du produit, une mesure précise de la densité est un facteur essentiel du transfert de propriété.

 

L'importance de la mesure des propriétés des fluides en ligne

Malgré l'importance de la densité et de la viscosité dans tous les aspects des opérations en amont et en aval, elles sont notoirement difficiles à mesurer dans les conditions extrêmes rencontrées dans l'industrie pétrolière et gazière. Les méthodes de laboratoire traditionnelles impliquaient des instruments délicats et coûteux qui ne pouvaient être utilisés que sur des échantillons prélevés sur le terrain.

Mais un opérateur essayant de contrôler la consistance de la boue lors d'une opération de forage a besoin d'une mesure en ligne immédiate afin de pouvoir optimiser les paramètres de forage à la volée. Un rapport de laboratoire remis quelques heures après le prélèvement de l'échantillon n'a qu'une valeur limitée, car il reflète les conditions passées plutôt que réelles.

Dans les opérations de fracturation, la densité est essentielle pour déterminer si la concentration d'agent de soutènement est conforme à la cible. Une mesure de densité en ligne est cruciale, car dans la fracturation, des choses se produisent vite. De même, lors de la cimentation, la connaissance de la densité du ciment est essentielle pour maintenir un bon équilibre de pression. Savoir quelle était la densité du ciment fluide quelques heures avant sa prise est de peu de valeur pour l'opérateur. Pour effectuer des mesures de densité à des pressions de pompage élevées, les instruments d'absorption nucléaire sont à peu près la seule option. Mais l'augmentation des coûts de conformité et de traitement des sources nucléaires est devenue un fardeau énorme pour l'industrie.

L'une des applications les plus difficiles pour la mesure des propriétés des fluides en ligne est également la plus précieuse. C'est l'évaluation des fluides de formation pendant le forage.

Évaluation du fluide de formation - du foret au laboratoire PVT et au-delà

L'évaluation du fluide de formation touche les fondements de l'industrie pétrolière et gazière. Savoir quels fluides sont présents et comment ils se comporteront pendant l'extraction et le transport est essentiel pour un forage, une complétion et une production sûrs et économiques.

Les échantillons de fluide de formation sont traditionnellement obtenus au moyen d'outils filaires. Leur collecte nécessite de remonter le train de tiges, de placer un outil filaire, de prélever des échantillons qui sont ensuite envoyés au laboratoire, puis de réinsérer le train de tiges. Afin de préserver l'intégrité des échantillons, il est nécessaire de les maintenir dans des conditions de réservoir de température et de pression lors de leur remontée à la surface, un processus techniquement difficile et coûteux.

Le développement d'une technologie de capteur avancée et d'une électronique haute température rend pratique l'intégration de capteurs de viscosité et de densité dans les outils filaires. Un exemple est le Baker Hughes Reservoir Characterization Instrument (RCI) with In-Situ Fluids eXplorer (IFX) service. L'outil filaire IFX comprend un capteur de densité-viscosité basé sur un résonateur piézoélectrique à diapason - l'une des principales classes de technologie bien adaptée à la surveillance en ligne de la densité et de la viscosité.

Parallèlement, Baker Hughes développait son service de diagraphie FASTrak pendant le forage (LWD) qui permettait l'analyse et l'échantillonnage des fluides pendant une opération de forage sans qu'il soit nécessaire de l'interrompre pour la diagraphie par câble. Ce système intégrait le système piézoélectrique de mesure de viscosité-densité de l'outil IFX.

En 2010, Baker Hughes a contacté Rheonics, Inc. (anciennement Viscoteers, Inc.) pour développer une alternative au très fragile diapason piézoélectrique utilisé dans le système FASTrak. Le résultat a été le Rheonics DV-2000, un résonateur à diapason de torsion qui a finalement formé la base d'une famille étendue de capteurs de densité en ligne - des capteurs de viscosité qui couvrent désormais une large gamme d'applications dans le secteur pétrolier et gazier.

Le Rheonics DV-2000 et sa progéniture

Il est instructif de regarder de plus près le Rheonics DV-2000, car il illustre une approche de la surveillance densité-viscosité qui est à la fois générale dans son concept et polyvalente dans sa mise en œuvre.

Le Rheonics DV-2000 est un capteur vibratoire dont les caractéristiques de résonance sont modifiées par son interaction avec le fluide.

Le DV-2000 se compose de deux résonateurs de torsion couplés qui, ensemble, forment un diapason de torsion, illustré ci-dessous à côté d'une installation typique dans un module LWD:

Figure 3: Résonateur DV dans le module d'analyse de fluide LWD.

 

Le résonateur est immergé dans le fluide testé. Les dents contiennent des aimants permanents, qui sont entraînés et détectés en vibration de torsion par des bobines placées à l'extérieur de la chambre à fluide sous pression qui contient le résonateur.

Les dents aplaties interagissent avec le fluide de deux manières différentes lorsqu'elles vibrent en torsion. Ils cisaillent le fluide, ce qui provoque le transfert d'énergie des dents vers le fluide par des forces visqueuses. Et ils déplacent le fluide, ce qui provoque une charge massique des dents proportionnelle à la densité du fluide.

Lorsque le DV-2000 est entraîné par une onde sinusoïdale, son amplitude culmine à sa fréquence de résonance. Plus il perd d'énergie pour le fluide à cause des forces visqueuses, plus plat et plus large sera son pic de résonance. De même, lorsque le résonateur est chargé par un fluide dense, sa fréquence de résonance diminue d'une quantité dépendant de la densité du fluide.

Figure 4: Élargissement du pic de résonance par amortissement visqueux (augmentation de la viscosité) et déplacement du pic de résonance par chargement de masse (densité accrue).

 

La largeur du pic de résonance peut être utilisée pour dériver la viscosité du fluide, et le décalage de sa fréquence de résonance peut être utilisé pour dériver la densité du fluide. Avec le boîtier électronique du Rheonics DVM, le capteur peut mesurer la densité et la viscosité à des températures allant jusqu'à 500 ° F et à des pressions allant jusqu'à 30,000 XNUMX PSI.

Les spécifications de densité et de viscosité du DV-2000 sont indiquées dans le tableau suivant:

Les résultats des tests effectués à Baker Hughes sont présentés dans les graphiques suivants. Les deux premiers montrent la précision des mesures de viscosité pour une série de fluides qui couvrent la plage spécifiée de viscosités et de densités. Le troisième montre la précision des mesures de densité. Les deux lignes de chaque graphique indiquent les limites supérieure et inférieure des erreurs tolérées pour les deux mesures.

Tableau 1: Spécifications de performance du capteur Rheonics DV-2000.

Figure 5: Précision de la viscosité (à gauche) et de la densité (à droite) du capteur pour différents fluides.

Densité en ligne - instruments de viscosité basés sur le Rheonics DV-2000

L'excellente précision, la répétabilité et la robustesse du DV-2000 ont conduit à son intégration dans deux instruments DV en ligne plus adaptés aux applications en ligne et de processus.

Le Rheonics DVM est un DV-2000 monté dans un bloc de titane avec des raccords d'entrée et de sortie haute pression. Son volume de mesure réel est d'environ 0.7 cm3. Il fonctionne à des pressions allant jusqu'à 30,000 500 PSI et à des températures de 2000 ° F. Sa précision et ses spécifications de portée sont similaires à celles du DV-XNUMX comme indiqué ci-dessus, mais son potentiel dépasse de loin les spécifications. Les principales applications du Rheonics DVM ont été l'analyse PVT d'échantillons d'huile vive, dans laquelle il est nécessaire de travailler avec de très petites quantités de matériau tout en les conservant dans des conditions de température et de pression du réservoir. Les mesures précédentes nécessitaient des instruments séparés pour mesurer la densité et la viscosité, ce qui nécessitait des volumes d'échantillons sensiblement plus grands, ainsi que des systèmes de transfert de fluide encombrants.

Le DVM a également été utilisé pour mesurer la densité et la viscosité du CO liquide et gazeux2 dans des expériences d'inondation de cœur à des précisions qui dépassent de loin la spécification cible donnée ci-dessus.

Un deuxième instrument basé sur le DVM est le Rheonics DVP, qui a été conçu comme un capteur en ligne polyvalent pour une utilisation dans les réservoirs, les pipelines et les réacteurs. Ses spécifications de portée et de précision sont les mêmes que celles du DVM, mais avec une pression nominale inférieure de 10,000 10,000 PSI. Le DVP est destiné aux applications impliquant la surveillance multi-stations des fluides dans les pipelines, l'optimisation de la pompe basée sur la viscosité, le transfert commercial et la surveillance de la densité en ligne haute pression. Le DVP est l'un des seuls instruments non nucléaires capables de mesurer avec précision la densité en ligne à des pressions de l'ordre de XNUMX PSI, et en tant que tel, ouvre de nombreux nouveaux domaines d'application qui étaient auparavant couverts par des méthodes indirectes telles que la transmission par ultrasons ou les mesures de pression différentielle à travers une colonne verticale de fluide.

Études de cas: le DVM Rheonics dans l'analyse d'huile en direct et les installations de noyaux

Mesures de densité et de viscosité sur des échantillons d'huile vivants chez AsphWax, Inc.

Le Rheonics DVM est idéalement adapté à la mesure des propriétés d'échantillons d'huile en direct en raison de son petit volume d'échantillon, de sa large plage de mesure de viscosité sans interrompre un cycle de mesure pour reconfigurer le matériel et de sa capacité à mesurer simultanément le même échantillon. Parce que les systèmes concurrents utilisent deux instruments séparés pour mesurer la densité et la viscosité, ils nécessitent un plus grand volume d'échantillon et entraînent des complications dans le transfert des échantillons d'huile vivants. La figure suivante montre un DVM Rheonics installé dans un réservoir d'échantillons d'huile vive à l'intérieur d'un four. Sa taille compacte et sa simplicité de connexion lui permettent d'être monté directement sur le récipient d'échantillonnage d'huile sous tension(1). Un essai d'heptane à 46.8 ° C et 341 bars de pression a donné les valeurs suivantes, comparées aux valeurs de référence standard:

Données de mesure DVM fournies par Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

Tableau 2: Précision mesurée de Rheonics DVM.

 

Figure 6: Module DVM Rheonics.

Application du viscosimètre Rheonics DVM2000 pour déduire les propriétés rhéologiques des émulsions dans les réservoirs d'huile

Les techniques EOR avancées utilisent un système dans lequel deux fluides non miscibles sont émulsionnés. La mousse EOR implique la génération d'émulsions gaz-eau stabilisées par un surfactant dans le réservoir pour contrôler la mobilité de la faible viscosité du gaz de déplacement (N2, hydrocarbures légers, CO2 etc.) et ainsi augmenter l'efficacité du balayage. Dans les méthodes chimiques EOR comme l'inondation ASP (polymère tensioactif alcalin), le processus de récupération d'huile est régi par la formation induite par un agent tensioactif d'une microémulsion d'huile et d'eau qui est ensuite chassée avec une inondation de saumure visqueuse induite par un polymère. Les deux méthodes visent à optimiser les propriétés rhéologiques dans les conditions du réservoir avec une addition chimique minimale. La caractérisation en laboratoire du comportement rhéologique d'une formulation dans des conditions de réservoir peut prendre des jours à des mois, ce qui rend le criblage rapide des formulations assez difficile. Les facteurs les plus importants et les moins contrôlables sont les propriétés du milieu poreux. Ces propriétés peuvent changer au cours de l'expérience, rendant la mesure directe des propriétés rhéologiques presque impossible.

Le Rheonics DVM-2000 peut mesurer simultanément la densité et la viscosité de telles formulations chimiques dans des conditions de réservoir en quelques heures, faisant de l'étape de limitation de vitesse l'échelle de temps des interactions chimiques dans le processus. Nos clients utilisent le DV-2000 dans leur appareil d'injection de base pour accélérer le développement de produits grâce à des mesures rhéologiques précises dans les conditions du réservoir.

La capacité de mesurer simultanément la densité et la viscosité fournit également des informations essentielles sur la texture de l'émulsion. Une densité mesurée uniforme et une viscosité stable indiquent une émulsion stable avec des phases dispersées de manière homogène. En revanche, si la texture est inhomogène, comme dans le slug flow, cela se traduit qualitativement par une forte fluctuation de la densité et de la viscosité indiquées. Ces informations sont essentielles à la conception et à la mise en œuvre des méthodes EOR. Un schéma d'une configuration d'écoulement typique utilisant l'unité Rheonics DVM-2000 est montré dans la figure suivante, où deux fluides non miscibles (dont l'un est généralement une formulation de surfactant dans de la saumure) sont pompés simultanément à travers un mélangeur en ligne, un Rheonics DVM- Système de surveillance 2000 et un système d'inondation de base en série.

Figure 7: Configuration de Core flood avec un module DVM en ligne.

 

Les perspectives pour les mesures de densité et de viscosité de résonance en ligne

Les capteurs de propriétés des fluides résonants des types proposés par Rheonics, Inc. repoussent les limites des mesures considérées comme possibles uniquement avec des instruments de laboratoire. Au-delà des applications mentionnées ci-dessus, ces capteurs ont également été utilisés pour mesurer les dépôts de cires et d'asphaltènes. La technologie de base de Rheonics peut être optimisée pour mesurer non seulement les dépôts, mais aussi la corrosion en temps réel, permettant un dosage ciblé des traitements chimiques dans des conditions de terrain.

Un troisième capteur Rheonics, le SRV, est capable de mesurer la viscosité sur une très large plage, de moins de 1 cP à 50,000 XNUMX cP. Il s'agit d'un instrument de contrôle de processus hautement stable destiné à être utilisé dans les opérations de fabrication et de dosage, même avec des dispersions, des boues et d'autres fluides atypiques. Il est actuellement utilisé pour contrôler avec précision la viscosité d'une suspension non newtonienne dans une application de revêtement de grande valeur. Il peut également être utilisé pour surveiller et contrôler la viscosité des fluides dans les tuyaux et les pipelines, y compris les systèmes de brûleurs à mazout de soute pour les moteurs marins et le transport par pipeline de pétrole brut lourd chauffé ou dilué.

Références

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 et T. Kruspe, «Un nouveau capteur pour la mesure de la viscosité et de la densité du fluide pour les applications de forage de puits de pétrole», Actes du symposium ITG / GMA, 2014, pp 1-6.
4. Données de mesure DVM fournies par Stratos Geroulis, AsphWax, Inc.

Aperçu

Magazine axé sur l'industrie pétrolière - WorldOil publie un article de fond couvrant les nouvelles approches de Rheonics pour les mesures en ligne de la densité et de la viscosité des fluides. L'article traite de la technologie et des principes de fonctionnement avec un accent particulier sur l'évaluation des fluides de formation, et l'utilité des dispositifs de mesure de densité-viscosité en ligne Rheonics pour déduire les propriétés rhéologiques.

World Oil - Fonctionnalité du site Web
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