このペーパーでは、高精度と解像度で地層流体の特性を測定する新しい密度および粘度センサーについて説明します。 動的粘度（ri）を、密度（p）、音速、屈折率、吸収スペクトル、熱伝導率などの他の流体パラメーターと組み合わせることで、サンプル流体の包括的な特性を提供します。 地層の透過性を推定することは、貯水池の生産ポテンシャルを予測するために重要です。 地層流体の正確な現場粘度がわかっている場合、さまざまなダウンホールサンプリングツールを使用して地層で実行される移動度測定を使用して、地層の浸透率を計算できます。

サンプル流体は、さまざまな分子量の炭化水素、ブライン、油または水ベースの泥のろ液およびガスの任意の組み合わせであってもよい。 また、流体の粘度は通常、0.5〜4 cP（mPa.s）の範囲ですが、重油では40 cPにもなることがあります。 流体密度の範囲は、0.2〜1.5 g / ccです。 加えて、流体は導電性であってもよく、それらは部分的に非ニュートン特性を有する可能性があります。

したがって、ダウンホール形成サンプルおよび分析ツールでセンサーを使用するには、読み取りの10％を超える精度で大きなダイナミックレンジが必要です。 また、175°Cまでの温度と25 kpsiを超える圧力で測定できる必要があります。

このペーパーでは、これらすべての要件を満たすことができる新しいセンサーについて説明します。 これは、駆動される機械的共振器であり、その共振周波数と減衰により、流体が浸されている流体の粘度と密度の正確な値が得られます。 センサーは、高精度で十分に堅牢で、ダウンホール検層で発生する温度、圧力、掘削振動に耐えるように設計されています。 粘度は、0.1 cP未満の流体の場合は1 cP以内、10 cPを超えるすべての粘度の場合は1％以内と測定されます。密度測定は、0.01 g / ccを超える精度で行われます。 センサーは、ワイヤーラインと掘削中のロギング（LWD）ツールの両方に使用できます。

このペーパーでは、センサーの測定原理と、高温高圧の認定試験について説明します。 新しいセンサーで実施された粘度と流体密度の実験室での測定は、地層サンプリングツールによって収集されたダウンホール流体に典型的なさまざまなキャリブレーション流体について示されています。

ワイヤーラインおよびLWDフォーメーション評価サービスのために、粘度と密度をその場で測定するためのさまざまなセンサーが実装されています。 2008年、ベイカーヒューズは、6〜0.01 g / ccの範囲の流体密度をRMSEで測定する圧電音叉[1.5]を発表しました。

0.015cP未満の粘度では±30 g / cc。 RMSE±0.03 g / cc、粘度は30cPから200cPの間。 このセンサーの粘度測定範囲は、RMSE±0.2 cPまたは30％（どちらか大きい方）で0.1〜10 cPであり、RMSE±30％で200〜20 cPです。

このセンサーは、最初は有線アプリケーション用に開発されましたが、2010年にはLWDツール用に適応されました。 同時に、ベイカーヒューズはViscoteers Inc.と協力して、非常に厳しい掘削環境に合わせて調整された新しいセンサー技術の開発を開始し、前任者の測定能力を満たし、それを超えました。

新しいセンサーは高精度のねじり共振器[3]であり、センサーが浸されている流体の密度と粘度に応じて、その特性（共振周波数と減衰）が変化します。 （（図1).

共振器は、センシングチャンバーの外側の電気コイルと共振器のタインヘッドに埋め込まれた磁石との間の磁気結合によって無線で励起および検出されます[3]（図2）。 共振器は、高強度、高耐食性、および十分に特徴付けられた金属で作られ、その特性は高温および高周囲圧力下でも安定したままです。 この構成により、圧力バリアを介した電気接続を必要とするセンサーの故障の悪名高い原因である高圧流体側への電気フィードスルーが回避されます。 共振器はすべて金属でできているため、センサーは非常に頑丈であり、ダウンホール掘削条件での過酷な環境に適しています。

図1。 振幅と位相の共振器応答曲線は、減衰の異なる20013つの流体に浸されたセンサーの共振周波数を示します。 Good-bread et al、XNUMXのグラフィック

共振器は、センシングチャンバーの外側の電気コイルと共振器のタインヘッドに埋め込まれた磁石との間の磁気結合によって無線で励起および検出されます[3]（図2）。 共振器は、高強度、高耐食性、および十分に特徴付けられた金属で作られ、その特性は、高温および高周囲圧力下でも安定したままです。 この構成により、圧力バリアを介した電気接続を必要とするセンサーの故障の悪名高い原因である高圧流体側への電気フィードスルーが回避されます。 共振器は完全に金属でできているため、センサーは非常に頑丈で、ダウンホール掘削条件の過酷な環境に適しています。

機械的発振器は、高いQ係数を持っています。これは、減衰測定の広いダイナミックレンジの前提条件です。

センサーによって測定されたXNUMXつの値、共振周波数と減衰は、各センサーに対して作成された経験的な校正曲線のように、数学モデルによって粘度と密度の値に関連付けられます。 どちらの方法も非常に正確で再現性のある結果を提供します（センサーの仕様を参照）。ただし、経験的なキャリブレーション方法は計算コストが低く、センサーの形状の変動の影響を受けにくいため、推奨される方法です。

共振器は、測定に必要な周波数で変化するAC電流によって駆動されるコイルによって励起されます。 センサーの応答は、コイルの追加の巻線によって感知されます。 全体の粘度と密度の測定には約1秒かかります。これは、ポンプのドローダウン期間に圧力が一定の状態で実行できるため、以前の技術よりも大幅に改善されています。

図2。 粘性密度センサーとねじれ共振器の概念を組み合わせたもの。 Goodbread et al、20013によるグラフィック。

センサー（図3） 非常に高い圧力と温度（2000 barおよび200°Cでラボでテスト済み）に耐えるだけでなく、最大750 gの衝撃や30 gまでの連続振動による損傷にも耐性があります。

図3。 粘度密度センサーモジュールの設計

センサーは、流体密度を測定するために、その共振周波数を追跡および監視するフェーズロックループによって制御されます。 励起とセンサーの応答の間の位相関係を定期的に変更することにより、粘度を推定できる共振器の減衰を、次のように決定できます。 図4.

図4。 流体の減衰を計算するための位相シフト法。 Goodbread et al、20013のグラフィック.

仕様は、製造されたセンサーのテストされた特性に対して検証されました。 センサーは、さまざまな分子量の炭化水素、ブライン、油または水ベースの泥ろ液およびガスの任意の組み合わせのサンプル流体を測定できます。

センサーの大きなダイナミックレンジは、その仕様を標準の工業用流体密度および粘度測定システムの仕様と比較することで評価できます。

テーブル1。 密度粘度センサーの仕様

センサーは、ダウンホールで遭遇した流体の粘度と密度の範囲をカバーするために、いくつかの選択された流体を使用して、さまざまな圧力と温度でテストされました。

テスト結果は、必要な範囲の流体での測定の精度と精度を検証します。 使用した液体は次のとおりです。

• 水2リットルあたりXNUMX molのNaCl濃度のブライン、
• N-ドデカン
• 粘度標準オイルCannon®S-20、N-2、N-10、N-35、N-75、S-6。

これらの流体は、次の理由で選択されました。

1. それらの特性の正確な参照値が利用可能です
2. 粘度と密度の範囲はセンサーの範囲を含みます
3. それらの物理的特性は、ダウンホールに遭遇する流体の代表的なサンプルを提供します（つまり、水と油のベース、導電性および非導電性流体）

図5 は、異なる流体に対してセンサーで達成された密度測定範囲と精度を示しています。

図5。 ブライン（2mol / l）、N-ドデカン、キャノンS-6、N-2、N-10、N-3、N-75、およびクロロホルムの測定密度。 黒と赤の実線は、センサー仕様で規定されている最大許容値と最小許容値を表しています。

図6 & 7 仕様のほとんどの範囲をカバーするさまざまな流体に対して、センサーで達成される粘度測定範囲と精度を示します。

図6。 ブライン（2mol / l）、N-ドデカン、キャノンS-6、N-2、N-10、N-35、N-75の上限で測定された粘度。 黒と赤の実線は、センサー仕様で規定された最大および最小許容値を表します。

図 7。 より低い範囲のブライン（2mol / l）、N-ドデカン、Cannon S-6、N-2、N-10、N-35およびN-75で測定された粘度。 黒と赤の実線は、センサー仕様で規定されている最大許容値と最小許容値を表しています。

N-ドデカンは、高圧（1900 bar）および高温（200°C）まで正確な参照が利用できるため、詳細なテストに選択されました。

図8 & 9 圧力の変化（1〜1500 bar）に対する粘度測定の動作を示します。 値は、測定値の5％未満の誤差で基準粘度に従います。 各圧力温度条件で、50の測定ポイントが取得されます（図9).

図9 絶対誤差（0ラインからの距離）と精度（各温度-圧力測定の点群の変動）のグラフ表示を提供します。これは読み取り値の0.5％より優れています。

図 8。 50°CでのN-ドデカン粘度1〜1,500 bar。 Caudwell et al、2008の参照値。

イチジク 9. 50℃、1〜1,500 barでのN-ドデカン粘度測定誤差（参照に関して）。 Caudwell et al、2008の参照値。

図10 & 11 圧力の変化（1〜1,500bar）に対する密度測定の動作を示します。 測定された密度は、+ /-0.003 g / ccを超える精度を備えています。

図 10。 50°Cで1〜1,500 barのN-ドデカン密度。 Caudwell et al、2008の参照値。

図 11。 N-ドデカン密度測定誤差（参照に関して）、50°C、1〜1,500 bar。 Caudwell et al、2008の参照値。

最後の0.1つのグラフィックスから計算された最小精度は、読み取り値のXNUMX％より優れています。

要求の厳しいLWD環境用に設計された新しい密度および粘度センサーは、ラボテスト中に目標の仕様よりも優れた性能を発揮しました。 このホワイトペーパーで示したXNUMXつの流体について得られた結果は、次のことを証明します。

• センサーは圧力の変化に伴う測定バイアスを示さず、
• 紙に記載されているすべての流体のセンサーの精度は、密度の場合は+/- 0.001 g / ccより高く、粘度の場合は+/- 1％より優れています。
• 実行されたすべてのテストにおけるセンサーの密度精度は、0.01 g / ccより優れています。 粘度の精度は、10 mPa.sより大きい粘度の場合は読み取り値の1％よりも高く、0.1 mPa.s未満の粘度の場合は1 mPa.sよりも優れています。
• センサーは、仕様に準拠した衝撃および振動試験の後、損傷や測定動作の変化を示しません。
• センサーは、すべての温度および圧力サイクル中およびその後に安定した測定値を生成します
• すべてのテストの後、すべてのセンサーの後にセンサーへの機械的または腐食による損傷の形跡はありませんでした。
• 新しいセンサーは、LWDおよび有線サービスの過酷な環境条件に耐えるのに十分頑丈であり、粘度と密度をダウンホール形成評価分析ツールに必要な精度と精度で提供します。
• センサーは、導電性（ブライン）または非導電性流体で良好に機能し、導電性流体でのテスト時に影響の兆候を示しません。

1. Caudwell Derek R.、Trusler JP Martin、Vesovic Velisa、Wakeham William A.、2004、最高200MPaの圧力および最高473Kの温度におけるn-ドデカンおよびn-オクタデカンの粘度と密度、International Journal of Thermophysics 08 / 2004年
2. Galvan Sanchez Francisco、Baker Hughes、2013年、掘削がワイヤーラインでは実現できない場所でのサンプリング：挑戦的なボアホール環境でのワイヤーライン品質測定を示すケーススタディ、SPE-164293。
3. Goodbread Joe、Juerg Dual、Viscoteers Inc、2013、結合ねじり共振器粘度計、EP2596328 A2。
4. Kestin Joseph、Khalifa Ezzat H.、およびCorreia Robert J.、1981、温度範囲20〜150°Cおよび圧力範囲1〜35 MPaにおけるNaCl水溶液の動的および動的粘度の表、物理。 Chem。 参照 データ、Vol。 10、No.1 1981。
5. Lundstrum Robbi、Goodwin Antony RH、Hsu Kai、Flesl Michael、Caudwell Derek R.、Trusler JP Martin、およびMarsh Kenneth N.、2005年、298つの参照流体の粘度と密度の測定、T = 0.1 Kでの公称粘度およびｐ ＝ ０．１ＭＰａ（１６および２９）ｍＰａ．ｓ、（２９８と３９３）Ｋの間の温度および５５ＭＰａ未満の圧力で、Ｊ．Ｃｈｅｍ。 工学 データ16、29、298〜393。
6. Rocco DiFoggio、Arnold Walkow、Paul Bergren、Baker Hughes Inc、2007、曲げ機械共振器を使用したダウンホール流体特性評価の方法と装置、米国特許第7,162,918 B2。
7. Rogers PSZ、およびPitzer Kenneth S.、1982、塩化ナトリウム水溶液の体積特性、J。Phys。 Chem。 参照 データ、Vol。 11、No.1 1982。

エネルギー業界向けのソリューションの詳細については、ソリューションのページをご覧ください。