تُعدّ قياسات اللزوجة والكثافة في قطاع النفط والغاز من أهم العمليات، ولكنها في الوقت نفسه من أكثرها تعقيداً. فمن الاستكشاف إلى الحفر إلى الإنتاج إلى النقل، تُشكّل هوية وخصائص السوائل شريان الحياة لهذه الصناعة.

لا تُستخدم أجهزة المختبر إلا بشكل محدود لقياس خصائص السوائل في ظروف الخزانات. فالضغوط ودرجات الحرارة المرتفعة للغاية، والصدمات والاهتزازات، ومحدودية الطاقة المتاحة، وقبل كل شيء، ضيق المساحة، كلها عوامل تستدعي ابتكار أساليب جديدة ومبتكرة لقياس اللزوجة والكثافة. في هذه المقالة، نستكشف ضرورة قياس اللزوجة والكثافة أثناء التشغيل، كما نستعرض العديد من المنتجات الجديدة التي تُتيح إجراء هذه القياسات في بعض أصعب بيئات الصناعة.

المعرفة بالسوائل قوةٌ تمكّن من إدارة العمليات بأمان وكفاءة اقتصادية. إن خصائص مثل اللزوجة والكثافة، التي يصعب قياسها بدقة في ظروف الآبار والظروف الصناعية، هي الأكثر أهمية لفهم كيفية تفاعل السوائل في ظل مختلف الظروف التي قد تحدث في عملياتك.

لماذا تُعدّ اللزوجة مهمة؟

عندما يتدفق سائل عبر أنبوب، يعتمد الضغط اللازم لتحريكه بمعدل معين على لزوجته وأبعاد الأنبوب. فكلما زادت اللزوجة، زاد الضغط اللازم لدفع السائل عبر الأنبوب. يُعطى معدل التدفق بمعادلة بوازوي، حيث F هو معدل التدفق، وR هو نصف قطر الأنبوب، وL هو طوله، و∆P هو فرق الضغط بين طرفي الأنبوب، وη هي لزوجة السائل.

الشكل 1: العلاقة بين معدل التدفق واللزوجة.

كلما زادت اللزوجة، انخفض معدل التدفق. سواء كنت تضخ طين الحفر أو سائل التكسير الهيدروليكي أو النفط الخام عبر عدة كيلومترات من الأنابيب، فإن التغيرات الطفيفة في اللزوجة يمكن أن يكون لها عواقب وخيمة على توازن الضغط في النظام، فضلاً عن الطاقة اللازمة لضخ السائل.

على سبيل المثال، لضخ النفط الخام الثقيل عبر خط أنابيب، يمكن تقليل ضغط الضخ بالتحكم في لزوجته. يُعدّ تقليل اللزوجة بتسخين النفط أو تخفيفه مكلفًا. لتحديد كمية الحرارة أو المُخفِّف اللازمة، يجب قياس اللزوجة الفعلية للنفط الخام المُخفَّف. باستخدام مقياس لزوجة مُدمج ووحدة تحكم تغذية راجعة لضبط درجة الحرارة أو كمية المُخفِّف، يُمكن تحقيق توازن مثالي بين التكلفة الإضافية لتقليل اللزوجة واللزوجة المطلوبة للمنتج.

إذا كان الأنبوب عموديًا بدلاً من أفقي، فإن قوة الجاذبية على السائل تُضاف إلى مقاومة تدفقه وتُعدّل انخفاض الضغط عبر الأنبوب:

حيث ρ هي كثافة السائل، و∆H هو الارتفاع الرأسي للأنبوب، وg هو تسارع الجاذبية.

من الناحية الفنية، هذه الصيغة صحيحة فقط في حالة التدفق الصفائحي للسوائل النيوتونية. ومع ذلك، فإن العلاقات العامة تعطي تقديرات قابلة للاستخدام في العديد من الحالات التي لا تتحقق فيها هذه الشروط.

الشكل 2: العلاقة بين انخفاض الضغط والكثافة.

يُعدّ معرفة كثافة السائل أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على توازن الضغط في البئر. ونظرًا لاستخدام الوزن الفعلي للسائل في حساب قيمة المنتج، فإنّ قياس الكثافة بدقة يُعدّ عاملًا أساسيًا في نقل الملكية.

 

أهمية قياس خصائص السوائل المضمنة

على الرغم من أهمية الكثافة واللزوجة في جميع جوانب عمليات التكرير والاستخراج، إلا أنه من الصعب للغاية قياسهما في ظل الظروف القاسية السائدة في صناعة النفط والغاز. كانت الطرق المختبرية التقليدية تتطلب أجهزة دقيقة ومكلفة لا يمكن استخدامها إلا مع العينات المأخوذة من مواقع العمليات الميدانية.

لكن المشغل الذي يحاول التحكم في قوام الطين أثناء عملية الحفر يحتاج إلى قياس فوري أثناء العملية ليتمكن من تحسين معايير الحفر بشكل فوري. أما تقرير المختبر الذي يُسلّم بعد ساعات من أخذ العينة فقيمته محدودة، لأنه يعكس الظروف السابقة لا الحالية.

في عمليات التكسير الهيدروليكي، تُعد الكثافة عاملاً بالغ الأهمية لتحديد ما إذا كان تركيز عامل الدعم مناسبًا. ويُعد قياس الكثافة أثناء العملية أمرًا بالغ الأهمية، لأن الأمور قد تتغير أثناء التكسير الهيدروليكي. بسرعةوبالمثل، في عملية التثبيت، يُعدّ معرفة كثافة الأسمنت أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على توازن الضغط المناسب. ولا تُفيد معرفة كثافة الأسمنت السائل قبل بضع ساعات من تصلبه المشغل كثيرًا. ولإجراء قياسات الكثافة عند ضغوط الضخ العالية، تُعتبر أجهزة الامتصاص النووي الخيار الوحيد تقريبًا. إلا أن ارتفاع تكلفة الامتثال والتعامل مع المصادر النووية قد شكّل عبئًا هائلًا على الصناعة.

يُعدّ تقييم سوائل التكوين أثناء الحفر أحد أكثر التطبيقات تحديًا لقياس خصائص السوائل في خط الإنتاج، ولكنه أيضًا الأكثر قيمة.

تقييم سوائل التكوين - من لقمة الحفر إلى مختبر PVT وما بعده

يُعدّ تقييم سوائل التكوينات الجيولوجية ركيزة أساسية في صناعة النفط والغاز. فمعرفة أنواع السوائل الموجودة وكيفية تصرفها أثناء الاستخراج والنقل أمرٌ بالغ الأهمية لضمان عمليات حفر وإكمال وإنتاج آمنة واقتصادية.

تُجمع عينات سوائل التكوين عادةً باستخدام أدوات الحفر السلكية. تتطلب عملية جمعها سحب أنبوب الحفر، ووضع أداة الحفر السلكية، وجمع العينات التي تُرسل بعد ذلك إلى المختبر، ثم إعادة إدخال أنبوب الحفر. وللحفاظ على سلامة العينات، من الضروري حفظها في ظروف المكمن من حيث درجة الحرارة والضغط أثناء استخراجها إلى السطح، وهي عملية معقدة تقنيًا ومكلفة.

بفضل تطوير تقنيات الاستشعار المتقدمة والإلكترونيات عالية الحرارة، أصبح من الممكن عمليًا تضمين مستشعرات اللزوجة والكثافة في أدوات الحفر السلكية. ومن الأمثلة على ذلك جهاز توصيف المكامن (RCI) من شركة بيكر هيوز المزود بخدمة مستكشف السوائل في الموقع (IFX). تتضمن أداة الحفر السلكية IFX مستشعرًا للكثافة واللزوجة يعتمد على رنان شوكة رنانة كهرضغطية، وهو أحد أهم أنواع التقنيات الملائمة تمامًا لمراقبة الكثافة واللزوجة أثناء الحفر.

في الوقت نفسه، كانت شركة بيكر هيوز تُطوّر خدمة تسجيل البيانات أثناء الحفر (FASTrak) التي تُمكّن من تحليل السوائل وأخذ العينات أثناء عملية الحفر دون الحاجة إلى إيقافها لتسجيل البيانات السلكية. وقد دمج هذا النظام نظام قياس اللزوجة والكثافة الكهروإجهادي من أداة IFX.

في عام 2010، اتصلت شركة بيكر هيوز بـ Rheonicsقامت شركة (المعروفة سابقًا باسم Viscoteers, Inc.) بتطوير بديل للشوكة الرنانة الكهروإجهادية الهشة للغاية التي كانت تُستخدم في نظام FASTrak. وكانت النتيجة هي Rheonics DV-2000، وهو رنان شوكة رنانة التوائية شكل في النهاية الأساس لعائلة موسعة من أجهزة استشعار الكثافة واللزوجة المدمجة التي تغطي الآن مجموعة واسعة من التطبيقات في قطاع النفط والغاز.

استخدم Rheonics دي في-2000 ونسله

من المفيد إلقاء نظرة فاحصة على Rheonics DV-2000، لأنه يوضح نهجًا لمراقبة الكثافة واللزوجة يكون عامًا في المفهوم ومتعدد الاستخدامات في تنفيذه.

استخدم Rheonics DV-2000 هو مستشعر اهتزازي يتم تعديل خصائصه الرنينية من خلال تفاعله مع السائل.

يتكون جهاز DV-2000 من رنينين التوائيين متصلين معًا، يشكلان معًا شوكة رنانة التوائية، كما هو موضح أدناه بجانب تركيب نموذجي في وحدة LWD:

الشكل 3: رنان DV في وحدة تحليل السوائل LWD.

 

يُغمر الرنان في السائل قيد الاختبار. تحتوي أسنانه على مغناطيسات دائمة، يتم تحريكها واستشعارها في اهتزاز دوراني بواسطة ملفات موضوعة خارج حجرة السائل المضغوط التي تحتوي على الرنان.

تتفاعل الأسنان المسطحة مع السائل بطريقتين مختلفتين عند اهتزازها بالالتواء. فهي تقص السائل، مما يؤدي إلى انتقال الطاقة من الأسنان إلى السائل عبر قوى اللزوجة. كما أنها تزيح السائل، مما يؤدي إلى تحميل كتلة الأسنان بما يتناسب مع كثافة السائل.

عندما يُشغَّل جهاز DV-2000 بموجة جيبية، تبلغ سعته ذروتها عند تردده الرنيني. وكلما زادت الطاقة التي يفقدها للسائل بفعل قوى اللزوجة، كلما أصبح تردده الرنيني أكثر استواءً واتساعًا. وبالمثل، عندما يُحمَّل الرنان بسائل كثيف، ينخفض ​​تردده الرنيني بمقدار يعتمد على كثافة السائل.

الشكل 4: اتساع ذروة الرنين من خلال التخميد اللزج (زيادة اللزوجة) وانزياح ذروة الرنين من خلال تحميل الكتلة (زيادة الكثافة).

 

يمكن استخدام عرض ذروة الرنين لاستنتاج لزوجة السائل، ويمكن استخدام انزياح تردد الرنين لاستنتاج كثافة السائل. بالإضافة إلى Rheonics بفضل حزمة الإلكترونيات الخاصة بجهاز DVM، يمكن للمستشعر قياس الكثافة واللزوجة عند درجات حرارة تصل إلى 500 درجة فهرنهايت وضغوط تصل إلى 30,000 رطل لكل بوصة مربعة.

يتم عرض مواصفات الكثافة واللزوجة لـ DV-2000 في الجدول التالي:

تُعرض نتائج الاختبارات التي أُجريت في شركة بيكر هيوز في المخططات التالية. يُظهر المخططان الأولان دقة قياسات اللزوجة لمجموعة من السوائل التي تغطي النطاق المحدد للزوجة والكثافة. أما المخطط الثالث فيُظهر دقة قياسات الكثافة. ويُبين الخطان في كل مخطط الحدين الأعلى والأدنى للخطأ المسموح به لكلا القياسين.

الجدول 1: مواصفات الأداء لـ Rheonics مستشعر DV-2000.

الشكل 5: دقة قياس اللزوجة (يسار) والكثافة (يمين) للمستشعر لسوائل مختلفة.

أجهزة قياس الكثافة واللزوجة المدمجة تعتمد على Rheonics DV-2000

أدت الدقة الممتازة والتكرارية والمتانة لجهاز DV-2000 إلى دمجه في جهازين من أجهزة DV المدمجة التي تناسب التطبيقات المدمجة وتطبيقات العمليات بشكل أفضل.

استخدم Rheonics جهاز قياس حجم الدم الرقمي (DVM) هو جهاز DV-2000 مثبت في كتلة من التيتانيوم مزودة بوصلات دخول وخروج عالية الضغط. يبلغ حجم القياس الفعلي حوالي 0.7 سم مكعب.³يعمل الجهاز عند ضغوط تصل إلى 30,000 رطل لكل بوصة مربعة ودرجات حرارة تصل إلى 500 درجة فهرنهايت. تتشابه دقة الجهاز ونطاقه مع مواصفات جهاز DV-2000 المذكورة أعلاه، لكن إمكانياته تتجاوز هذه المواصفات بكثير. تشمل التطبيقات الرئيسية لـ Rheonics تُجري شركة DVM تحليلات PVT لعينات النفط الحية، حيث يتطلب الأمر التعامل مع كميات ضئيلة جدًا من المواد مع الحفاظ عليها ضمن ظروف الخزان من حيث درجة الحرارة والضغط. وقد استلزمت القياسات السابقة أجهزة منفصلة لقياس الكثافة واللزوجة، مما استدعى أحجام عينات أكبر بكثير، بالإضافة إلى أنظمة نقل سوائل معقدة.

كما تم استخدام جهاز قياس الكثافة الرقمي لقياس كثافة ولزوجة كل من ثاني أكسيد الكربون السائل والغازي.₂ في تجارب الفيضان الأساسية بدقة تتجاوز بكثير المواصفات المستهدفة المذكورة أعلاه.

أداة ثانية تعتمد على جهاز DVM هي Rheonics صُمم جهاز DVP ليكون مستشعرًا متعدد الاستخدامات يُركّب مباشرةً في الخزانات وخطوط الأنابيب والمفاعلات. يتميز بنطاق ودقة قياس مماثلة لجهاز DVM، ولكنه يتحمل ضغطًا أقل يصل إلى 10,000 رطل لكل بوصة مربعة. يُناسب جهاز DVP تطبيقاتٍ مثل مراقبة السوائل في خطوط الأنابيب من عدة محطات، وتحسين أداء المضخات بناءً على اللزوجة، ونقل الملكية، ومراقبة الكثافة داخل خط الأنابيب تحت ضغط عالٍ. يُعدّ DVP من الأجهزة غير النووية القليلة القادرة على قياس الكثافة بدقة داخل خط الأنابيب عند ضغوط تصل إلى 10,000 رطل لكل بوصة مربعة، مما يفتح آفاقًا جديدةً لتطبيقاتٍ كانت تُغطّى سابقًا بطرق غير مباشرة، مثل قياسات الموجات فوق الصوتية أو قياسات فرق الضغط عبر عمود رأسي من السائل.

دراسات الحالة: Rheonics DVM في تحليل النفط الحي وتركيبات إغراق اللب

قياسات الكثافة واللزوجة على عينات الزيت الحية في شركة AsphWax, Inc.

استخدم Rheonics يُعدّ جهاز قياس اللزوجة الديناميكي (DVM) مثاليًا لقياس خصائص عينات الزيت الخام نظرًا لصغر حجم العينة، ونطاق قياس اللزوجة الواسع الذي يوفره دون الحاجة إلى إيقاف عملية القياس لإعادة ضبط الجهاز، وقدرته على قياس الكثافة واللزوجة في آنٍ واحد على العينة نفسها. أما الأنظمة المنافسة، فتستخدم جهازين منفصلين لقياس الكثافة واللزوجة، مما يتطلب حجم عينة أكبر ويُسبب تعقيدات في نقل عينات الزيت الخام. يوضح الشكل التالي... Rheonics تم تركيب جهاز قياس حجم العينة (DVM) في خزان عينة الزيت الحي داخل فرن. يسمح حجمه الصغير وسهولة توصيله بتركيبه مباشرة على حاوية عينة الزيت الحي.[1]أظهرت تجربة تشغيلية للهيبتان عند درجة حرارة 46.8 درجة مئوية وضغط 341 بار القيم التالية، مقارنة بالقيم المرجعية القياسية:

بيانات قياس DVM مقدمة من ستراتوس جيروليس، أسفواكس، إنك.

طاولات  2: دقة القياس لـ Rheonics DVM.

 

الرقم 6: Rheonics وحدة قياس الفولتية الرقمية.

تطبيق Rheonics مقياس اللزوجة DVM2000 في استنتاج الخصائص الريولوجية للمستحلبات في خزانات النفط

تستخدم تقنيات استخلاص النفط المعزز المتقدمة نظامًا يتم فيه استحلاب سائلين غير قابلين للامتزاج. تتضمن تقنية استخلاص النفط المعزز بالرغوة توليد مستحلبات غاز-ماء مستقرة بمواد فعالة سطحية في المكمن للتحكم في حركة الغاز المزاح منخفض اللزوجة (N2).₂الهيدروكربونات الخفيفة، أول أكسيد الكربون₂ إلخ.) وبالتالي زيادة كفاءة المسح. في طرق الاستخلاص المعزز للنفط كيميائيًا، مثل حقن البوليمر القلوي السطحي (ASP)، تخضع عملية استخلاص النفط لتكوين مستحلب دقيق من النفط والماء بفعل المادة السطحية، والذي يتبعه حقن محلول ملحي لزج بفعل البوليمر. تسعى كلتا الطريقتين إلى تحسين الخصائص الريولوجية في ظروف المكمن بأقل قدر من الإضافات الكيميائية. قد يستغرق توصيف السلوك الريولوجي للتركيبة في ظروف المكمن في المختبر من أيام إلى شهور، مما يجعل الفحص السريع للتركيبات أمرًا بالغ الصعوبة. تُعد خصائص الوسط المسامي أهم العوامل وأقلها قابلية للتحكم. قد تتغير هذه الخصائص أثناء التجربة، مما يجعل القياس المباشر للخصائص الريولوجية شبه مستحيل.

استخدم Rheonics يستطيع جهاز DVM-2000 قياس كثافة ولزوجة هذه التركيبات الكيميائية في ظروف الخزان خلال ساعات قليلة، مما يجعل عامل الوقت المحدد للتفاعلات الكيميائية في العملية هو العامل الحاسم. يستخدم عملاؤنا جهاز DV-2000 في أجهزة حقن اللب لديهم لتسريع تطوير المنتجات من خلال قياسات ريولوجية دقيقة في ظروف الخزان.

تُتيح القدرة على قياس الكثافة واللزوجة في آنٍ واحد معلوماتٍ أساسيةً حول بنية المستحلب. فالكثافة المُقاسة المنتظمة واللزوجة الثابتة تدلان على مستحلب مستقر ذي أطوار مُشتتة بشكل متجانس. من ناحية أخرى، إذا كانت البنية غير متجانسة، كما هو الحال في التدفق الفقاعي، فيظهر ذلك نوعيًا من خلال تذبذب كبير في الكثافة واللزوجة المُشار إليهما. تُعد هذه المعلومات جوهريةً لتصميم وتنفيذ طرق استخلاص النفط المُعزز. رسم تخطيطي لإعداد نموذجي للتدفق باستخدام Rheonics تظهر وحدة DVM-2000 في الشكل التالي، حيث يتم ضخ سائلين غير قابلين للامتزاج (أحدهما عادةً ما يكون تركيبة من المواد الخافضة للتوتر السطحي في محلول ملحي) في وقت واحد عبر خلاط خطي، Rheonics نظام مراقبة DVM-2000 ونظام إغراق أساسي متصلان على التوالي.

الشكل 7: إعداد غمر النواة مع وحدة DVM مضمنة.

 

آفاق قياسات الكثافة واللزوجة الرنانة المباشرة

أجهزة استشعار خصائص السوائل الرنانة من الأنواع التي تقدمها شركة Rheonicsتُوسّع شركة [اسم الشركة] آفاق القياسات التي كان يُعتقد أنها ممكنة فقط باستخدام أجهزة المختبرات. وإلى جانب التطبيقات المذكورة أعلاه، استُخدمت هذه المجسات أيضًا لقياس ترسب الشموع والأسفلتين. Rheonicsيمكن تحسين التكنولوجيا الأساسية لقياس ليس فقط الترسيب، ولكن أيضًا التآكل في الوقت الحقيقي، مما يسمح بالجرعات المستهدفة للمعالجات الكيميائية في ظل ظروف الحقل.

الثالث Rheonics يتميز مستشعر SRV بقدرته على قياس اللزوجة ضمن نطاق واسع جدًا، من أقل من 1 سنتي بواز إلى 50,000 سنتي بواز. وهو أداة تحكم عالية الاستقرار تُستخدم في عمليات التصنيع والجرعات، حتى مع المواد المشتتة والمعلقات والسوائل غير التقليدية الأخرى. ويُستخدم حاليًا للتحكم بدقة في لزوجة معلق غير نيوتوني في تطبيقات الطلاء عالية القيمة. كما يُمكن استخدامه لمراقبة والتحكم في لزوجة السوائل في الأنابيب، بما في ذلك أنظمة حرق زيت الوقود لمحركات السفن، ونقل النفط الخام الثقيل المسخن أو المخفف عبر خطوط الأنابيب.