تُعدّ خصائص النقل، وخاصة اللزوجة، بالغة الأهمية في إنتاج النفط من الناحيتين التشغيلية والاقتصادية. ونظرًا لأن ثنائي ميثيل الإيثر (DME) مُركّب قطبي، لم يكن من الواضح أن خصائص نقل نظام ثنائي ميثيل الإيثر والماء/المحلول الملحي ستتبع الاتجاهات وقواعد المزج المتوقعة (أي سلوك غازات الألكان مع المحاليل المائية).

استنادًا إلى التحليل العرضي الذي أُجري، يُعتقد أن محلول ثنائي ميثيل الإيثر المضاف إليه محلول ملحي يتميز بلزوجة أعلى من المحلول الملحي النقي، ما لم تكن هناك عوامل أخرى. وقد أكدت قياسات اللزوجة الأولية هذه الفرضية (الشكل 3). لذا، يلزم إجراء دراسة معمقة لهذا الارتفاع غير المتوقع في اللزوجة مقارنةً بالماء. مع ذلك، لا توجد حاليًا أي أداة حسابية معروفة قادرة على التنبؤ بهذا السلوك وتمثيله بدقة.

الشكل 3 - قياسات اللزوجة الأولية لإلقاء نظرة سريعة على لزوجة نظام DME-المحلول الملحي عند 20 درجة مئوية (البيانات الأولية: لم يتم إجراء أي تصحيحات للضغط ودرجة الحرارة، كما هو موضح في اتجاه ضغط الماء).

لشرح ملاحظاتنا في المختبر وسدّ هذه الفجوة في سياق البيانات الأساسية اللازمة لشرح وتصميم التجارب المختبرية، ولتمكيننا من الحصول على تنبؤات أكثر موثوقية على مختلف المقاييس، صممنا برنامجًا تجريبيًا شاملًا لمعالجة هذه المسألة، ولتطوير صيغة أو قاعدة خلط لرصد الاتجاهات، يمكن استخدامها في تحديد متطلبات وصف السوائل لمحاكيات المكامن أو غيرها من الأدوات للتنبؤ بلزوجة وكثافة محلول ثنائي ميثيل الإيثر الملحي. ولتحقيق ذلك، اتبعنا الخطوات التالية.

1. قياس اللزوجة والكثافة لمحلول DME-DI، بدءًا من الماء النقي وحتى حد ذوبان DME عند درجات حرارة وضغوط مختلفة؛
2. قم بتطوير قاعدة خلط اللزوجة للتنبؤ بخصائص الخليط باستخدام خصائص ثنائي ميثيل الإيثر النقي والماء (المحلول الملحي)؛

تم قياس كثافة ولزوجة خليط ثنائي ميثيل الإيثر والماء منزوع الأيونات (المحلول الملحي) باستخدام Rheonics طبيب بيطري [5يُظهر هذا الجهاز ميزة واضحة في قياس لزوجة الأنظمة المائية مقارنةً بمقياس اللزوجة الكهرومغناطيسي، حيث يمكنه قياس الكثافة واللزوجة في آنٍ واحد. بالإضافة إلى ذلك، Rheonics يمكن لجهاز DVM إجراء قياسات مباشرة لكل من الكثافة واللزوجة عند ضغوط عملية تصل إلى 30,000 رطل لكل بوصة مربعة (2000 بار) ونطاقات درجات حرارة من -20 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية مع وقت استجابة يبلغ حوالي ثانية واحدة لكل قراءة.

وحدة DVM هي وحدة مدمجة لقياس لزوجة وكثافة ودرجة حرارة السائل المتدفق عبرها. تعتمد هذه الوحدة على مستشعر الكثافة واللزوجة الخاص بوحدة DVM. تحتوي الوحدة على قناة تدفق بقطر داخلي 12 مم. يُركّب المستشعر بالتوازي مع مسار تدفق السائل، مما يزيل أي مناطق راكدة في التدفق. تحتوي الوحدة القياسية على وصلات Swagelok قابلة للاستبدال بوصلات ملولبة مناسبة أخرى. يقلل مانع تسرب التفلون من احتمالية تسرب السائل إلى لولب الوصلة. يُركّب مستشعر DVM بواسطة برغي ملولب ليسهل فكه للتنظيف والاستبدال. يتميز بتصميم بسيط وصغير الحجم ومتين (انظر الشكل 4).

 

الشكل 4—Rheonics نموذج DVM المدمج 

استخدم Rheonics يقيس جهاز قياس اللزوجة الديناميكي (DVM) اللزوجة والكثافة باستخدام رنان التواء، حيث يُغمر أحد طرفيه في السائل قيد الاختبار. كلما زادت لزوجة السائل، زاد التخميد الميكانيكي للرنان. ومن خلال قياس التخميد، يمكن حساب حاصل ضرب اللزوجة والكثافة. Rheonicsخوارزميات خاصة. أظهرت دراستنا الأولية أن الخوارزمية التي قدمها المورد لم تأخذ في الحسبان تأثير الضغط ودرجة الحرارة على الجهاز. وقد وظّف المورد هذه المعلومات لتحسين خوارزمياته، مما أدى إلى عامل تصحيح أكثر اتساقًا. كلما زادت كثافة السائل، انخفض تردد الرنين. وتؤدي زيادة كثافة السائل إلى زيادة الحمل الكتلي على الرنان. يتم تحفيز الرنان واستشعاره بواسطة محول كهرومغناطيسي مثبت في جسم المستشعر.

يتم قياس التخميد بواسطة إلكترونيات الاستشعار والتقييم ويتم الحصول على قراءات مستقرة وعالية الدقة وقابلة للتكرار بناءً على تقنية الحلقة المقفلة الطورية ذات البوابة الخاصة [6].

لتحويل القياسات الأولية إلى قياسات أكثر دقة من الناحية الفيزيائية، كان من الضروري استخدام معايير تصحيح خاصة بالجهاز المستخدم. وقد وفرت الشركة المصنعة هذه المعايير لكل من اللزوجة والكثافة.

لزوجة وكثافة الماء منزوع الأيونات عند درجة حرارة 35 درجة مئوية

 أُجريت عمليات معايرة أولية قبل إجراء القياسات الكاملة على محاليل ثنائي ميثيل الإيثر والماء. من المهم معايرة النظام باستخدام سائل معروف لتقييم دقة القياس. ولهذا السبب، تم اختيار الماء منزوع الأيونات لهذا الغرض لسببين:

1. تتوفر لزوجة الماء منزوع الأيونات عند نطاق واسع من الضغوط ودرجات الحرارة التي تشمل مجال اهتمامنا في قياس الضغط والحرارة؛
2. يركز هذا البحث بشكل كبير على المحاليل المائية، مما يجعل الماء مرشحًا مثاليًا لمعايرة

أُجريت تجارب المعايرة عند درجة حرارة 35 درجة مئوية، وقورنت النتائج ببيانات المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) عند نفس درجة الحرارة. يوضح الشكلان 5 و6 توافقًا جيدًا بين بيانات اللزوجة والكثافة المقاسة وبيانات المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا.

الشكل 5 - لزوجة الماء منزوع الأيونات عند 35 درجة مئوية.

 

الشكل 6 - كثافة الماء منزوع الأيونات عند 35 درجة مئوية.

كثافة مخاليط ثنائي ميثيل الإيثر/الماء منزوع الأيونات

استنادًا إلى المصفوفة التجريبية في الجدول 2، تم قياس كثافة سلسلة من مخاليط ثنائي ميثيل الإيثر والماء منزوع الأيونات. تعرض الجداول من 3 إلى 5 البيانات التجريبية عند ثلاث درجات حرارة مختلفة في شكل جدولي.

الجدول 3 - كثافة محاليل الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر عند 35 درجة مئوية.

الضغط	التّركيز
رطل	0% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	10% ثنائي ميثيل الإيثر	14% ثنائي ميثيل الإيثر
400	0.9967	0.9835	0.9656	0.9442	0.9188
725	0.9976	0.9844	0.9665	0.9452	0.9198
1450	0.9997	0.9863	0.9684	0.9472	0.9220
2175	1.0017	0.9882	0.9702	0.9492	0.9243
3000	1.0038	0.9903	0.9723	0.9514	0.9268
4000	1.0065	0.9930	0.9749	0.9540	0.9297
5000	1.0092	0.9955	0.9781	0.9567	0.9326
6000	1.0119	0.9981	0.9800	0.9592	0.9354
7000	1.0145	1.0007	0.9825	0.9618	0.9382
8000	1.0171	1.0032	0.9850	0.9644	0.9410
9000	1.0197	1.0058	0.9874	0.9669	0.9437
10000	1.0224	1.0083	0.9900	0.9695	0.9464
11000	1.0249	1.0108	0.9924	0.9720	0.9491

 

 الجدول 4 - كثافة محاليل الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر عند 50 درجة مئوية.

الضغط	التّركيز
رطل	0% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	10% ثنائي ميثيل الإيثر	14% ثنائي ميثيل الإيثر
400	0.9905	0.9769	0.9575	0.9348	0.9099
725	0.9914	0.9777	0.9581	0.9358	0.9108
1450	0.9933	0.9796	0.9603	0.9380	0.9134
2175	0.9953	0.9815	0.9622	0.9401	0.9159
3000	0.9975	0.9837	0.9644	0.9425	0.9186
4000	1.0001	0.9862	0.9669	0.9454	0.9218
5000	1.0027	0.9888	0.9695	0.9482	0.9249
6000	1.0054	0.9914	0.9721	0.9509	0.9281
7000	1.0079	0.9940	0.9747	0.9536	0.9310
8000	1.0105	0.9965	0.9772	0.9564	0.9339
9000	1.0131	0.9990	0.9797	0.9591	0.9368
10000	1.0157	1.0016	0.9823	0.9617	0.9397
11000	1.0182	1.0040	0.9848	0.9644	0.9425

 

الجدول 5 - كثافة محاليل الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر عند 70 درجة مئوية.

الضغط	التّركيز
رطل	0% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	10% ثنائي ميثيل الإيثر	14% ثنائي ميثيل الإيثر
400	0.9800	0.9656	0.9443	0.9217	0.8936
725	0.9809	0.9665	0.9452	0.9228	0.8965
1450	0.9828	0.9686	0.9474	0.9251	0.9003
2175	0.9848	0.9705	0.9494	0.9274	0.9031
3000	0.9870	0.9724	0.9517	0.9300	0.9060
4000	0.9896	0.9751	0.9545	0.9330	0.9094
5000	0.9923	0.9777	0.9572	0.9360	0.9125
6000	0.9950	0.9804	0.9599	0.9390	0.9156
7000	0.9975	0.9830	0.9626	0.9419	0.9187
8000	1.0001	0.9856	0.9652	0.9448	0.9217
9000	1.0027	0.9881	0.9679	0.9476	0.9247
10000	1.0053	0.9907	0.9705	0.9503	0.9276
11000	1.0078	0.9932	0.9731	0.9531	0.9305

 

يوضح الشكل 8 منحنى امتزاز مختار لكثافة محلول الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر. وكما هو متوقع، تزداد الكثافة مع ازدياد الضغط، وتقل مع ازدياد تركيز ثنائي ميثيل الإيثر. أما الشكل 9 فيوضح سلوك كثافة محلول الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر (بتركيز 5 مول% من ثنائي ميثيل الإيثر) عند درجات حرارة مختلفة، حيث تقل الكثافة مع ارتفاع درجة الحرارة.

الشكل 8 - كثافة محاليل الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر عند 35 درجة مئوية.

 

الشكل 9 - كثافة محلول الماء منزوع الأيونات / 5 مول % DME عند درجات حرارة مختلفة.

لزوجة خليط ثنائي ميثيل الإيثر/الماء منزوع الأيونات

وبالمثل، تم قياس لزوجة ثنائي ميثيل الإيثر/الماء منزوع الأيونات عند التركيزات والظروف المماثلة. يعرض الجدولان 6 و8 البيانات المقاسة في شكل جدولي.

 

الجدول 6 - لزوجة محاليل الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر عند 35 درجة مئوية.

الضغط	التّركيز
رطل	0% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	10% ثنائي ميثيل الإيثر	14% ثنائي ميثيل الإيثر
400	0.7350	0.8342	0.9346	1.0062	1.0010
725	0.7377	0.8344	0.9405	1.0132	1.0066
1450	0.7388	0.8361	0.9432	1.0231	1.0123
2175	0.7380	0.8387	0.9439	1.0301	1.0189
3000	0.7372	0.8412	0.9577	1.0384	1.0247
4000	0.7358	0.8439	0.9575	1.0488	1.0390
5000	0.7346	0.8457	0.9613	1.0570	1.0508
6000	0.7339	0.8498	0.9538	1.0612	1.0637
7000	0.7336	0.8520	0.9557	1.0658	1.0739
8000	0.7308	0.8535	0.9637	1.0663	1.0811
9000	0.7297	0.8551	0.9652	1.0772	1.0927
10000	0.7284	0.8527	0.9669	1.0857	1.1002
11000	0.7310	0.8519	0.9670	1.0943	1.1124

 

 

الجدول 7 - لزوجة محاليل الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر عند 50 درجة مئوية.

الضغط	التّركيز
رطل	0% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	10% ثنائي ميثيل الإيثر	14% ثنائي ميثيل الإيثر
400	0.5433	0.6181	0.6943	0.7121	0.7157
725	0.5441	0.6199	0.6948	0.7160	0.7073
1450	0.5471	0.6208	0.6973	0.7234	0.7111
2175	0.5481	0.6236	0.6969	0.7305	0.7237
3000	0.5499	0.6259	0.7005	0.7384	0.7329
4000	0.5520	0.6280	0.7071	0.7456	0.7444
5000	0.5552	0.6235	0.7045	0.7569	0.7531
6000	0.5557	0.6276	0.7074	0.7660	0.7602
7000	0.5579	0.6298	0.7092	0.7749	0.7715
8000	0.5607	0.6317	0.7128	0.7859	0.7756
9000	0.5612	0.6362	0.7175	0.7923	0.7852
10000	0.5630	0.6383	0.7198		0.7918
11000	0.5635	0.6376	0.7216	0.8038	0.8035

 

 

الجدول 8 - لزوجة محاليل الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر عند 70 درجة مئوية.

الضغط	التّركيز
رطل	0% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	10% ثنائي ميثيل الإيثر	14% ثنائي ميثيل الإيثر
400	0.4003	0.4422	0.4791	0.4783	0.5041
725	0.4016	0.4402	0.4812	0.4789	0.4962
1450	0.4029	0.4420	0.4828		0.4985
2175	0.4054	0.4437	0.4832	0.4859	0.5011
3000	0.4076	0.4451	0.4844	0.4898	0.5090
4000	0.4097	0.4468	0.4873	0.4952	0.5191
5000	0.4122	0.4494	0.4953	0.5003	0.5270
6000	0.4132	0.4522	0.4976	0.5068	0.5366
7000	0.4136	0.4517	0.5011	0.5137	0.5420
8000	0.4160	0.4540	0.5058	0.5206	0.5495
9000	0.4181	0.4551	0.5088	0.5259	0.5520
10000	0.4193	0.4561	0.5105	0.5330	0.5601
11000	0.4193	0.4564	0.5123	0.5351	0.5666

 

يوضح الشكل 10 أن لزوجة محاليل الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر تزداد قليلاً مع زيادة الضغط، كما تزداد مع زيادة تركيز ثنائي ميثيل الإيثر، وهو ما يخالف التوقعات. أما الشكل 11 فيوضح لزوجة محلول الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر بتركيز 5% مول من ثنائي ميثيل الإيثر عند درجات حرارة مختلفة؛ وكما هو متوقع، تنخفض لزوجة هذا المحلول مع ارتفاع درجة الحرارة.

الشكل 10 - لزوجة محاليل الماء منزوع الأيونات / 5 مول % DME عند 35 درجة مئوية.

الشكل 11 - لزوجة محلول الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر عند درجات حرارة مختلفة.

من أجل القدرة على التنبؤ بكثافة ولزوجة مجموعة واسعة من مخاليط الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر، تم تطوير علاقات في شكل قواعد خلط باستخدام مجموعة البيانات التجريبية المولدة وخصائص المكونات النقية.

في القسم التالي، وباستخدام التجارب التي تم إجراؤها، سنوضح نطاق الصلاحية والدقة للأدوات الارتباطية البسيطة التي قمنا بتطويرها لأنظمة Brine-DME.

التحقق من صحة معادلات الكثافة لمخاليط المحلول الملحي وثنائي ميثيل الإيثر

 

الجدول 14 - كثافة محلول ملحي/DME بنسبة 3% وزناً عند 35 درجة مئوية.

	الكثافة التجريبية (جم/سم مكعب)			الكثافة المحسوبة (جم/سم مكعب)			الخطأ النسبي (%)
رطل	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	8% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	8% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	8% ثنائي ميثيل الإيثر
400	1.0000	0.9832	0.9696	1.0006	0.9796	0.9612	-0.06	0.37	0.87
725	1.0008	0.9840	0.9703	1.0016	0.9811	0.9630	-0.08	0.30	0.75
1450	1.0026	0.9859	0.9721	1.0037	0.9840	0.9664	-0.11	0.19	0.59
2175	1.0045	0.9877	0.9741	1.0057	0.9865	0.9693	-0.13	0.13	0.49
3000	1.0066	0.9898	0.9762	1.0078	0.9889	0.9720	-0.12	0.09	0.43
4000	1.0091	0.9924	0.9788	1.0101	0.9916	0.9749	-0.11	0.08	0.40
5000	1.0116	0.9948	0.9813	1.0124	0.9939	0.9772	-0.08	0.09	0.42
6000	1.0141	0.9973	0.9839	1.0145	0.9960	0.9793	-0.04	0.13	0.47

 

الشكل 13 - كثافة محلول ملحي/ثنائي ميثيل الإيثر بنسبة 3% وزناً عند درجات حرارة مختلفة.

بشكل عام، تتنبأ قاعدة الخلط المقترحة للكثافة بكثافة الخليط بشكل جيد عند تركيزات DME المتوسطة إلى المنخفضة، وتقلل من تقديرها قليلاً عند تركيزات DME الأعلى (أي 8 مول %) بينما لا تزال الانحرافات ضمن الهوامش المتوقعة.

التحقق من صحة معادلات الكثافة لمخاليط المحلول الملحي وثنائي ميثيل الإيثر

 

الجدول 15 - لزوجة محلول ملحي من كلوريد الصوديوم بنسبة 3% وزناً / ثنائي ميثيل الإيثر عند 35 درجة مئوية.

الضغط	اللزوجة التجريبية (سنتي بواز)				اللزوجة المحسوبة (سنتي بواز)			خطأ نسبي
رطل	0% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	8% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	8% ثنائي ميثيل الإيثر	2% ثنائي ميثيل الإيثر	5% ثنائي ميثيل الإيثر	8% ثنائي ميثيل الإيثر
400	0.7537	0.8462	0.9535	1.0220	0.9209	0.9824	1.0392	-8.82	-3.03	-1.68
725	0.7650	0.8485	0.9563	1.0159	0.9217	0.9838	1.0413	-8.63	-2.87	-2.51
1450	0.7616	0.8332	0.9532	1.0201	0.9238	0.9869	1.0462	-10.87	-3.53	-2.55
2175	0.7641	0.8334	0.9516	1.0313	0.9257	0.9899	1.0507	-11.08	-4.02	-1.88
3000	0.7594	0.8388	0.9527	1.0235	0.9279	0.9931	1.0557	-10.62	-4.25	-3.15
4000	0.7553	0.8400	0.9410	1.0221	0.9304	0.9968	1.0613	-10.76	-5.93	-3.83
5000	0.7528	0.8439	0.9520	1.0330	0.9329	1.0006	1.0670	-10.54	-5.10	-3.29

 

الشكل 14 - لزوجة محلول ملحي من كلوريد الصوديوم بنسبة 3% وزناً / ثنائي ميثيل الإيثر عند درجات حرارة مختلفة.

يشير الشكل 14 إلى أن قواعد الخلط للزوجة تبالغ في تقدير اللزوجة عند 35 درجة مئوية، وعند 50 درجة مئوية و70 درجة مئوية، مع استمرار إظهار اتفاق جيد بشكل عام مع البيانات التجريبية.

منهجية منهجية باستخدام مقياس لزوجة أحدث (Rheonics تم تطوير جهاز قياس الفولتية التفاضلية (DVM) لأنظمة ثنائي ميثيل الإيثر المذابة في المحاليل المائية. بعد إجراء المعايرات الأولية واختبارات التحقق باستخدام مواد معروفة، مثل الماء،

1. تم قياس كثافة ولزوجة أنظمة الماء منزوع الأيونات/ثنائي ميثيل الإيثر، والمحلول الملحي/ثنائي ميثيل الإيثر على نطاق واسع عند درجات حرارة 35 و50 و70 درجة مئوية وضغوط مختلفة، بالإضافة إلى ثنائي ميثيل الإيثر.
2. بحسب علمنا، تُعدّ مجموعات قياسات اللزوجة والكثافة هذه الأولى من نوعها في الأدبيات العلمية. ويمكن استخدامها لتقييم و/أو تقليل مخاطر عمليات حقن الماء المعززة بثنائي ميثيل الإيثر (DEW) واستخدامات أخرى لثنائي ميثيل الإيثر تتجاوز الماء. ونحن نوفر هذه البيانات للنشر العلمي.
3. تم تطوير نوع قاعدة الخلط لحساب الكثافة واللزوجة لهذه الخلائط والتحقق من صحتها؛ تتوافق القيم المحسوبة بشكل جيد مع البيانات التجريبية وتشكل مجموعة بسيطة من الأدوات لتوليد قيم الكثافة واللزوجة المطلوبة لخلائط المحلول الملحي/ثنائي ميثيل الإيثر ضمن الظروف التي تم تقييمها لتطبيقات مختلفة مثل أجهزة المحاكاة.