تصف هذه الورقة البحثية مستشعرًا جديدًا للكثافة واللزوجة، يقيس خصائص سوائل التكوين بدقة ووضوح عاليتين. توفر اللزوجة الديناميكية (ri)، بالإضافة إلى معايير أخرى للسائل كالكثافة (p) وسرعة الصوت ومعامل الانكسار وأطياف الامتصاص والتوصيل الحراري، توصيفًا شاملًا لسائل العينة. يُعد تقدير نفاذية التكوين أمرًا بالغ الأهمية للتنبؤ بإمكانية إنتاج المكمن. ويمكن استخدام قياسات الحركة التي تُجرى على التكوين باستخدام أدوات أخذ العينات المختلفة في قاع البئر لحساب نفاذية التكوين عند معرفة اللزوجة الدقيقة لسوائل التكوين في الموقع.

قد يكون سائل العينة أي مزيج من الهيدروكربونات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة، والمحلول الملحي، ومرشح الطين الزيتي أو المائي، والغازات. وتتراوح لزوجة هذه السوائل عادةً بين 0.5 و4 سنتي بواز (مللي باسكال.ثانية)، ولكنها قد تصل إلى 40 سنتي بواز في الزيوت الثقيلة. وتتراوح كثافة السائل بين 0.2 و1.5 غ/سم³. إضافةً إلى ذلك، قد تكون هذه السوائل موصلة للكهرباء، وقد تمتلك خصائص غير نيوتونية جزئيًا.

لكي يكون المستشعر قابلاً للاستخدام في أداة أخذ عينات وتحليل التكوينات الجيولوجية في قاع البئر، يجب أن يتمتع بنطاق ديناميكي واسع ودقة أفضل من 10% من القراءة. كما يجب أن يكون قادراً على القياس عند درجات حرارة تصل إلى 175 درجة مئوية وضغوط تتجاوز 25 كيلوباسكال.

تصف هذه الورقة البحثية مستشعرًا جديدًا يلبي جميع هذه المتطلبات. وهو عبارة عن رنان ميكانيكي مُحفَّز، حيث يُتيح تردده الرنيني ومعامل التخميد فيه قياسات دقيقة للزوجة والكثافة للسائل المغمور فيه. صُمِّم المستشعر ليكون عالي الدقة ومتينًا بما يكفي لتحمُّل درجات الحرارة والضغط واهتزازات الحفر التي تُصادف في عمليات تسجيل البيانات في قاع البئر. تُقاس اللزوجة بدقة تصل إلى 0.1 سنتي بواز للسوائل التي تقل لزوجتها عن 1 سنتي بواز، وبدقة تصل إلى 10% لجميع اللزوجات التي تزيد عن 1 سنتي بواز. أما قياسات الكثافة، فتكون دقتها أفضل من 0.01 غ/سم³. يُمكن استخدام هذا المستشعر مع كلٍّ من أدوات التسجيل السلكي وأدوات التسجيل أثناء الحفر.

تُقدّم هذه الورقة مبادئ قياس المستشعر واختبارات التأهيل في درجات الحرارة والضغوط العالية. كما تُعرض قياسات اللزوجة وكثافة السوائل التي أُجريت في المختبر باستخدام المستشعر الجديد، وذلك لمجموعة متنوعة من سوائل المعايرة التي تُعدّ نموذجية لسوائل الآبار التي يتم جمعها بواسطة أدوات أخذ عينات التكوينات.

تم استخدام العديد من أجهزة الاستشعار لقياس اللزوجة والكثافة في الموقع لخدمات تقييم التكوينات باستخدام الأسلاك والقياس أثناء الحفر. في عام 2008، قدمت شركة بيكر هيوز شوكة رنانة كهرضغطية [6] تقيس كثافة السوائل في نطاق يتراوح بين 0.01 و1.5 غ/سم³ مع متوسط ​​خطأ تربيعي متوسط ​​(RMSE).

± 0.015 غ/سم³ للزوجة الأقل من 30 سنتي بواز؛ و RMSE ± 0.03 غ/سم³ للزوجة بين 30 و200 سنتي بواز. يتراوح نطاق قياس اللزوجة لهذا المستشعر من 0.2 إلى 30 سنتي بواز مع RMSE ± 0.1 سنتي بواز أو 10% (أيهما أكبر)، وبين 30 و200 سنتي بواز مع RMSE ± 20%.

طُوّر هذا المستشعر في البداية لتطبيقات الحفر السلكي، ولكن في عام 2010 جرى تعديله ليناسب أدوات الحفر أثناء التشغيل. وفي الوقت نفسه، بدأت شركة بيكر هيوز بالتعاون مع شركة فيسكوتيرز بتطوير تقنية استشعار جديدة مصممة خصيصًا لبيئة الحفر شديدة التطلب، لتضاهي بل وتتجاوز قدرات القياس الخاصة بالجيل السابق.

المستشعر الجديد عبارة عن رنان التواء عالي الدقة [3] يغير خصائصه - تردد الرنين والتخميد - تبعًا لكثافة ولزوجة السائل الذي يُغمر فيه المستشعر.الشكل 1).

يتم تحفيز الرنان واستشعاره لاسلكيًا عن طريق الاقتران المغناطيسي بين الملفات الكهربائية خارج حجرة الاستشعار والمغناطيسات المدمجة في رؤوس شوكات الرنان [3] (الشكل 2يتكون الرنان من معدن عالي المتانة، مقاوم للتآكل بدرجة كبيرة، وموصوف بدقة، حيث تبقى خصائصه ثابتة في درجات الحرارة والضغط المحيط المرتفعين. يمنع هذا التصميم وجود وصلات كهربائية إلى جانب السائل ذي الضغط العالي، والتي تُعدّ مصدرًا رئيسيًا للأعطال في أجهزة الاستشعار التي تتطلب توصيلات كهربائية عبر حاجز الضغط. ولأن الرنان مصنوع بالكامل من المعدن، فإن المستشعر يتمتع بمتانة فائقة، ما يجعله مناسبًا للبيئات القاسية في ظروف الحفر تحت السطحية.

التين 1منحنيات استجابة الرنان للسعة والطور حول تردد الرنين للمستشعر المغمور في سائلين مختلفين في التخميد. الرسم البياني مأخوذ من Good- bread et al, 20013.

يتم تحفيز الرنان واستشعاره لاسلكيًا عن طريق الاقتران المغناطيسي بين الملفات الكهربائية خارج حجرة الاستشعار والمغناطيسات المدمجة في رؤوس شوكات الرنان [3] (الشكل 2يتكون الرنان من معدن عالي المتانة، مقاوم للتآكل بدرجة كبيرة، وموصوف بدقة، حيث تبقى خصائصه ثابتة في درجات الحرارة والضغط المحيط العاليين. يمنع هذا التصميم وجود وصلات كهربائية إلى جانب السائل عالي الضغط، والتي تُعدّ مصدرًا رئيسيًا للأعطال في أجهزة الاستشعار التي تتطلب توصيلات كهربائية عبر حاجز الضغط. ولأن الرنان مصنوع بالكامل من المعدن، فإن المستشعر يتمتع بمتانة فائقة، ما يجعله مناسبًا تمامًا للبيئات القاسية في ظروف الحفر تحت السطحية.

يتميز المذبذب الميكانيكي بمعامل جودة عالٍ، وهو شرط أساسي لنطاق ديناميكي كبير لقياسات التخميد.

ترتبط القيمتان اللتان يقيسهما المستشعر، وهما تردد الرنين والتخميد، بقيم اللزوجة والكثافة من خلال نموذج رياضي، وكذلك من خلال منحنى معايرة تجريبي مُصمم خصيصًا لكل مستشعر. توفر كلتا الطريقتين نتائج دقيقة للغاية وقابلة للتكرار (انظر مواصفات المستشعر)، ولكن نظرًا لأن طريقة المعايرة التجريبية أقل تكلفة حسابية وأقل تأثرًا بتغير شكل المستشعر، فهي الطريقة المُفضلة.

يُثار الرنان بواسطة ملفات تعمل بتيار متردد يتغير تردده حسب متطلبات القياس. ويتم استشعار استجابة المستشعر بواسطة لفات إضافية على هذه الملفات. تستغرق عملية قياس اللزوجة والكثافة بأكملها حوالي ثانية واحدة، وهو تحسن ملحوظ مقارنةً بالتقنيات السابقة، إذ يمكن إجراؤها أثناء ثبات الضغط خلال فترة انخفاض ضغط المضخة.

الشكل 2مفهوم الرنان الالتوائي المقترن بمستشعر اللزوجة والكثافة. رسم بياني من غودبريد وآخرون، 20013.

المستشعر (الشكل. 3) لا يتحمل فقط الضغط العالي للغاية ودرجة الحرارة العالية (تم اختباره في المختبر عند 2000 بار و200 درجة مئوية)، ولكنه أيضًا محصن ضد التلف الناتج عن الصدمات التي تصل إلى 750 جرامًا، والاهتزاز المستمر حتى 30 جرامًا.

الشكل 3تصميم وحدة استشعار اللزوجة والكثافة

يتم التحكم في المستشعر بواسطة حلقة قفل الطور التي تتعقب وتراقب تردد رنينه لقياس كثافة السائل. ومن خلال تغيير علاقة الطور بشكل دوري بين الإثارة واستجابة المستشعر، يمكن تحديد تخميد الرنان، الذي يمكن من خلاله تقدير اللزوجة، كما هو موضح في التين 4.

الشكل 4طريقة إزاحة الطور لحساب تخميد المائع. رسم بياني من غودبريد وآخرون، 20013.

تم التحقق من المواصفات بمقارنتها بالخصائص المختبرة لأجهزة الاستشعار المصنعة. يستطيع جهاز الاستشعار قياس عينات السوائل التي تحتوي على أي مزيج من الهيدروكربونات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة، والمحلول الملحي، ومرشحات الطين الزيتية أو المائية، والغازات.

يمكن تقدير النطاق الديناميكي الهائل للمستشعر من خلال مقارنة مواصفاته بمواصفات أنظمة قياس كثافة ولزوجة السوائل الصناعية القياسية.

الجدول 1مواصفات مستشعر الكثافة واللزوجة

تم اختبار المستشعر عند ضغوط ودرجات حرارة مختلفة مع العديد من السوائل المختارة لتغطية نطاق اللزوجة والكثافة للسوائل التي يتم مواجهتها في قاع البئر.

تؤكد نتائج الاختبار دقة ووضوح القياس ضمن النطاق المطلوب من السوائل. وكانت السوائل المستخدمة هي:

• محلول ملحي بتركيز 2 مول من كلوريد الصوديوم لكل لتر من الماء،
• ن-دوديكان
• زيت قياسي للزوجة Cannon® S-20، N-2، N-10، N-35، N-75، S-6.

تم اختيار هذه السوائل للأسباب التالية:

1. تتوفر قيم مرجعية دقيقة لخصائصها
2. يشمل نطاق لزوجتها وكثافتها نطاق المستشعر
3. توفر خصائصها الفيزيائية عينة تمثيلية للسوائل التي يتم مواجهتها في قاع البئر (أي السوائل ذات الأساس المائي والزيتي، والسوائل الموصلة وغير الموصلة).

الشكل 5 يوضح نطاق قياس الكثافة والدقة التي تم تحقيقها باستخدام المستشعر لسوائل مختلفة.

الشكل 5تم قياس كثافة المحلول الملحي (2 مول/لتر)، وN-دوديكان، وCannon S-6، وN-2، وN-10، وN-3، وN-75، والكلوروفورم. يمثل الخطان الأسود والأحمر المتصلان القيمتين القصوى والدنيا المسموح بهما وفقًا لمواصفات المستشعر.

الشكل 6 و 7 يوضح نطاق قياس اللزوجة والدقة التي تم تحقيقها باستخدام المستشعر لسوائل مختلفة تغطي معظم نطاق المواصفات.

الشكل 6تم قياس اللزوجة في النطاق العلوي للمحلول الملحي (2 مول/لتر)، وN-دوديكان، وCannon S-6، وN-2، وN-10، وN-35، وN-75. يمثل الخطان الأسود والأحمر المتصلان القيم القصوى والدنيا المسموح بها وفقًا لمواصفات المستشعر.

التين. 7. تم قياس اللزوجة في النطاق الأدنى من المحلول الملحي (2 مول/لتر)، وN-دوديكان، وCannon S-6، وN-2، وN-10، وN-35، وN-75. يمثل الخطان الأسود والأحمر المتصلان القيم القصوى والدنيا المسموح بها والمحددة بمواصفات المستشعر.

تم اختيار N-دوديكان لإجراء اختبارات مفصلة نظرًا لتوافر مرجع دقيق حتى الضغوط العالية (1900 بار) ودرجات الحرارة العالية (200 درجة مئوية).

الشكل 8 و 9 يوضح الشكل سلوك قياس اللزوجة بالنسبة لتغيرات الضغط (من 1 إلى 1500 بار). تتبع القيم اللزوجة المرجعية بخطأ أقل من 5% من القراءات. عند كل حالة من حالات الضغط ودرجة الحرارة، يتم أخذ 50 نقطة قياس.الشكل 9).

الشكل 9 يوفر عرضًا بيانيًا للخطأ المطلق (المسافة من خط الصفر) والدقة (تغير سحابة النقاط لكل قياسات درجة الحرارة والضغط)، وهو أفضل من 0.5٪ من القراءة.

التين. 8. لزوجة N-دوديكان عند 50 درجة مئوية بين 1 و1,500 بار. القيم المرجعية من كودويل وآخرون، 2008.

تين 9. أخطاء قياس لزوجة N-دوديكان (بالنسبة إلى القيمة المرجعية) عند 50 درجة مئوية، بين 1 و1,500 بار. القيم المرجعية مأخوذة من Caudwell et al، 2008.

الشكل 10 و 11 يوضح الشكل سلوك قياس الكثافة بالنسبة لتغيرات الضغط (من 1 إلى 1,500 بار). تتميز الكثافة المقاسة بدقة أفضل من ± 0.003 غ/سم³.

التين. 10. كثافة N-دوديكان عند 50 درجة مئوية بين 1 و1,500 بار. القيم المرجعية من كودويل وآخرون، 2008.

التين. 11. أخطاء قياس كثافة N-دوديكان (بالنسبة إلى القيمة المرجعية) عند 50 درجة مئوية، بين 1 و1,500 بار. القيم المرجعية مأخوذة من Caudwell et al، 2008.

إن الحد الأدنى للدقة المحسوبة من الرسمين البيانيين الأخيرين أفضل من 0.1% من القراءة.

أظهر مستشعر الكثافة واللزوجة الجديد، المصمم خصيصًا لبيئة الحفر أثناء العمل الصعبة، أداءً أفضل من المواصفات المستهدفة خلال الاختبارات المعملية. وتؤكد النتائج التي تم الحصول عليها للسوائل الثلاثة المذكورة في هذه الورقة البحثية ما يلي:

• لا يُظهر المستشعر أي تحيز في القياس مع تغيرات الضغط و
• إن دقة المستشعر لجميع السوائل المعروضة في الورقة البحثية أفضل من +/- 0.001 جم/سم مكعب للكثافة وأفضل من +/- 1% للزوجة.
• دقة قياس الكثافة للمستشعر في جميع الاختبارات التي أُجريت أفضل من 0.01 غ/سم مكعب. أما دقة قياس اللزوجة فهي أفضل من 10% من القراءة للزوجة التي تزيد عن 1 ملي باسكال.ثانية، وأفضل من 0.1 ملي باسكال.ثانية للزوجة التي تقل عن 1 ملي باسكال.ثانية.
• لم يُظهر المستشعر أي تلف أو تغييرات في سلوك القياس بعد اختبار الصدمات والاهتزازات وفقًا للمواصفات.
• يُنتج المستشعر قياسات مستقرة أثناء وبعد جميع دورات درجة الحرارة والضغط
• لم تظهر أي أدلة على وجود تلف ميكانيكي أو تآكل في المستشعر بعد كل الاختبارات.
• يتميز المستشعر الجديد بمتانته الكافية لتحمل الظروف البيئية القاسية لخدمات LWD وخدمات الأسلاك، مما يوفر اللزوجة والكثافة بالدقة والضبط اللازمين لأداة تحليل تقييم التكوينات في قاع البئر.
• يعمل المستشعر بشكل جيد في السوائل الموصلة (المحلول الملحي) أو غير الموصلة، ولا يظهر أي علامة على التأثير عند الاختبار في السوائل الموصلة.

1. Caudwell Derek R. , Trusler JP Martin , Vesovic Velisa , Wakeham William A., 2004, The Viscosity and Density of n-Dodecane and n-Octadecane at Pressures up to 200MPa and Temperatures up to 473 K., International Journal of Thermophysics 08/2004.
2. Galvan Sanchez Francisco, Baker Hughes, 2013, أخذ العينات أثناء الحفر يصل إلى حيث لا يمكن الوصول إلى الأسلاك: دراسات حالة توضح قياسات جودة الأسلاك في بيئات حفر صعبة، SPE-164293.
3. جودبريد جو، يورج ديوال، فيسكوتيرز إنك، 2013، مقياس لزوجة الرنان الالتوائي المزدوج، EP2596328 A2.
4. Kestin Joseph, Khalifa Ezzat H., and Correia Robert J., 1981, Tables of the Dynamic and Kinematic Viscosity of aweous NaCl in the temperature range 20-150°C and pressure range 1-35 MPa, Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 10, No.1 1981.
5. لوندستروم روبي، جودوين أنتوني آر إتش، هسو كاي، فريلز مايكل، كودويل ديريك آر، تروسلر جيه بي مارتن، ومارش كينيث إن، 2005، قياس لزوجة وكثافة سائلين مرجعيين، بلزوجة اسمية عند درجة حرارة T= 298 كلفن وضغط p=0.1 ميجا باسكال تبلغ (16 و29) ملي باسكال.ثانية، عند درجات حرارة تتراوح بين (298 و393) كلفن وضغوط أقل من 55 ميجا باسكال، مجلة بيانات الهندسة الكيميائية 2005، 50، 1377 – 1388.
6. روكو ديفوجيو، أرنولد والكو، بول بيرجرين، بيكر هيوز إنك، 2007، طريقة وجهاز لتوصيف السوائل في قاع البئر باستخدام الرنانات الميكانيكية المرنة، براءات الاختراع الأمريكية 7,162,918 B2.
7. Rogers PSZ و Pitzer Kenneth S.، 1982، الخصائص الحجمية لمحاليل كلوريد الصوديوم المائية، J. Phys. Chem. Ref. Data، المجلد 11، العدد 1 1982.

للاطلاع على المزيد حول حلولنا لقطاع الطاقة، يرجى زيارة صفحة الحلول.