工学使用新型井下传感器建立一个分析模型来确定井液的流变特性

1、J. Rondon, DeGolyer ， Mac Naughton, M.A. Barrufet ，G. Falcone 著 严坤译摘要：在油层流体特性中，测量井下地层流体的实际粘度是非常必要的。本文探讨了一种新型的井下粘度传感器，该传感器可以实时测量井下流动的的流体粘度。测量结果可以来自在裸眼井的油层流体采样，或者用流体垂直面来描绘油层特征的方法，这种方法优于传统抽样法。这样能对油层有更好的了解，从而更好地对油层建模分析，设施规划和生产优化。一个已校准的井下传感器测量流体的标准为1到28厘泊粘度，温度范围为100到160华氏摄氏度。传感器的粘度读数是根据Brookfield粘度计的独立测量

2、结果。在这一工作之后，本文使用了一种广义的数学模型来描述与牛顿和非牛顿流体传感器的性能。该模型描绘了作为一个从幂律流变模型描述函数的参数和设备的几何传感器的响应。先前收集的实验数据表明预测实际操作条件下传感器证明了该模型的有效性。该模型可用于计算最佳的尺寸来制作自定义应用的设备。介绍：测量随钻工具用来捕获井下流层的关键信息，同时钻井。但是流体的粘度测量，这是以流体在表面采集样品的分析为主，可能因为流变特性并不充分代表在井下条件下流体性质而预测有误。显然，首选方法是直接测量流体粘度，由于初始设计已预计各种恶劣困难的环境，所以即使井下条件复杂，依然可以准确测量。以往的工作验证了一个标准装置，可作为

3、传感器来测量井下流体粘度。本文重点研究的一个基本的模型开发传感器的响应，例如，它有可能通过测量流速变化准确地预测流体经过设备长度的压力下降，或流量对应的测量压降。这些测量结果与器件的几何结构相结合，可以用来表征工具对牛顿和非牛顿（幂次定律）流体的响应。更重要的应用将是这种模式作为一种设计工具来构建不同的几何形状，微调特定应用的设备。粘度传感器描述：该装置的物理原理是测量在一个区域里的水流流态为层差压。该方法可在其现场实际条件下，通过设备和测量入口和出口之间的压力差。确定一个包括流动的流体流的储层流体粘度。流体因为锥形原理强行通过一个狭窄通路的圆形域。见装配图1。样品的内针是安装在一个弹簧和已知

4、载荷上。如果过流面积由大于最窄处的固体堵塞，压差增加。当压力超过弹簧上的载荷，内针被迫向下移动，径向打开缺口清除固体颗粒。这个在几何学是合理的，因为它允许一定程度的自行清理防止沿环形通道固体沉积。一旦弹簧过载，零件将不能原样回复，随后测量结果会有误差，需要对设备重新校准。这个设备的完整描述是由Proett等人提供的。图1：层流粘度传感器结构模型图2：显示设备的几何结构，以及用于对数学模型的压降特性对比流量的关系的一些关键术语。图2：传感器和层流粘性几何坐标间隙设计就是这样，内针表面和套管之间的环形区域不变：这意味着设备中流速不变。设备内外半径应选取为变量。这些变量是孔径角，外壳的初始半径ro

5、(0），设备中流线半径rfl.，外壳表面的半径ro。而且该环形通道长宽比K定义为K取决于设计变量的特定值，当 = 0，很显然，几何上看是一个同心圆筒环。外壳的初始半径，r0与流线的半径rfl，设计应该依据一变量，该变量是依照压降和流速实现目标反应，而且变量也决定了内针和外壳的大小以及完整的工艺路线。在按Rondon实验室测试的样机有它的尺寸适合的电缆地层测试器。很明显r0大于rfl.因此rfl应小于套管的初始内半径。压降由环形圆锥几何近似表达面临的难题是建立一个通过同轴曲面环形空间流间距的幂次流体，源于在环形域中的完全粘性流体方程建立的环形锥形几何压降。大量工业应用采用锥形罩，例如，燃油喷射器

6、中，挤压机模头和模具，流体圆锥形内表面之间形成狭窄的间距流动。图3显示了在同一轴线三个锥面之间的环形通道类型,在（a），环形空间两锥之间形成一个共同的顶点和不同的开启角度。在（b），环形空间两锥，没有共同顶点但锥形角相等。最后，在（C）,环形空间两锥无共同顶点且锥形角不等。这些图形清晰的说明，圆锥的顶点的位置和开启角度，如a间隙增大的环形通道，如图b间隙不变，或如图c间隙减小。图3，锥形之间的环形空间(a)顶点相同锥形角不同（b）顶点不同锥形角相同（c）顶点不同锥形角也不同有建议模拟流体层流环形通道等锥形锥面之间的环形空间的流体流动解析方法。在这项工作中使用的传感器的原型的几何形状类似于图3（

7、c），锥体间距变大。如图3(a)和（b）所示，Vatistas（1998）和Ulev（1998年，2001年）开发的分析解决方案。但到了作者的所知有专门为这项工作所使用的传感器几何发展没有解析法。图4显示了轴向同心环形通道流动压力原理图，其中ro和ri分别是外部和内部半径。这些是圆柱体的运动方程并建立一个如图的圆柱体坐标系（r,z）。流体不可压缩.流动是旋转对称的（没有在方向的变化）该流程是在稳定状态条件（时间无关）是等温流（无温度的变化）气瓶足够长，使最终的影响可以忽略不计流动的是层流考虑到现场的液体和它们在短期停留时间的测量设备一次性，触变现象可以忽略不计。这些模型的关键假设是，必须获得层

8、流的有意义的流变数据。同心环管流提供层流到湍流的常规准则。Viloria（2006）报告了一套完整的表达，以确定在不同的同心环状流流变模型雷诺数。在这项工作中，雷诺数计算作为长宽比幂函数和指数n来估计，这样的流速流在层制度允许的范围。图4轴向距离ro代表点的剪应力，rz等于零,沿设备长度的速度Vz最大。图4 - 轴流在同心环形通道变量是通过求解下面的公式得到，其中S是N倒数（n为的非牛顿流体幂次指数），由于是宽高比系数，沿z轴的值的变化。图5中提到，不同纵宽比和s的值是Eq5的近似解。图5 Eq5的解：高宽比为，是同心环形通道中流动幂律指数n的倒数。由于间距减小，增加，为近常数无论s何值。这种

9、极限的情况如图6所示。根据四个不同n值k随变化。可以看出，随着增加，越接近。一旦已经确定，可以计算出速度分布及其积分提供了体积流量Q。图6 由Eq4根据同心环形通道中流动高宽比，和幂律指数，n计算。一个幂律流体轴向层流在同心环施加压力梯度下，二者皆一定。首先由Frederickson和Bird（1958年）模拟。然而，s只适用于整数的价值观，显然是这个方法的作用有限。Hanks and Larsen (1979)通过压降对比解决了这个问题，在幂次定律中n取任意值。根据该方法，给定的流量压力梯度。其中，K为牛顿流体的稠度指数，（n=1），它等于流体的粘度。通过这种方法必须先预算来计算压降。值。对

10、于牛顿流体（n=1），它可以比较Eq.6与一个在同心环形几何牛顿流体表达式的结果。对于s = n = 1时，计算方法是因此，计算因为=ri/ro,，计算Eq.11是相同的表达，为作为一个在同心环形通道功能牛顿流体压降流量文献中找到。然而，该原型器件几何结构有一个沿设备长度缩小差距锥形环形通道。圆锥环状区域被表示为一个直径增加平行环形。计算截面平均尺寸和独立切割段压降；然后统计总压降。Prasanth and Shenoy (1992)深化该方法，使用润滑近似法在非共同顶点锥形环通道的幂律流动近似求解。在这种情况下，总压降可以被描述为：在那里Pi为各切割段的压降，每个切割段长度Li压力梯度如下：

11、每个区段的长度是采取沿外圆锥面的长度。利用几何关系它可以写成，整合了设备的长度，为了计算压降使用上述近似方法，。由于是宽高比系数，（如Eq.5表示），沿z轴的变化，计算。不过，既然这个几何长宽比比设备的整个长度的，该解决方案可以考虑进一步简化了狭窄空间，并假设，Rondon（2008年）从狭槽近似的结果对比，从这些有限元模拟，并报告说近似。通过集成的传感器沿长度的压降，在的情况下，结合分析上述不定积分，这个表达式的集合可以用来解析计算出给定传感器几何压降。平均剪切率，计算公式为：当：内壁轴向距离（y = 0，平均剪切率表示w）。如果长度英寸表示，在短时间为-1，流量Q,加仑/分钟和一致性指数K

12、,磅/平方英尺，在适当转换，表现粘度，app可以计算为：使用三维分析前一组的单位, 压力梯度（P/ L）的磅/升并使用适当的转换因素，沿设备（在Eq.19积分上限）可以表示为长度压力降：对流体流变特性以这个模型为例在实践中，该装置是可使用辅助设备通过短距离流速变化测量压降。根据Eq.23，估计是有可能通过采取对数的流变参数，K和n：通过流变定律，如图 ln P 与 lnQ对比应产生一条直线。该线斜率为n,同时垂直轴截距（b）规定K为如下要确定k时，有必要先计算孔fslot,下面的例子说明。通过一个0.1的黄原胶溶液流试验，当传感器的读数是8，角为3，r fl为0.11，并且ro为0.2183，

13、结果如图7所示:图7 0.1的黄原胶溶液压降和流速对比如图7从数据的最小平方得出a = n = 0.7448 , b = ,该几何图形，fslot= 649801，然后，代换这些数值与符合结果，艾哈迈德（2005年）报告。对这个数学模型，设备可以近似描述了槽流模型的响应图形，通过给定几何工具快速估算压降（图8）。图8标准曲线，以确定牛顿或剪切变稀流体（n= 1）压降图中的箭头说明了这些类型的曲线，根据幂次定律已知的流变学特性（N和K）和一个给定的压降可以用于任何流体流量估计。如图箭头所示：1 对于一个长为8的设备，= 3 定义双锥垂直线相交系统n（本例是0.6）2 左边的图上一点，水平线相交于

14、= 3 3 一条垂直线，从这点（蓝色标记）对图下方相交于一个单独的线上一点，其中n的所有曲线对比，流量收敛到一个唯一的值（右图）4 在这个图中的X轴显示出下降的压力范围的粘度指数，预计在左下图所示分开。这个例子提供的Q = 0.5加仑/分钟的DP /度。实际测定的几何因素到目前为止，它已被证明如何确定流变参数（k，n）的幂律流体使用的流量和压降，从给定的图获得的数据。另一方面，它可能是理响的设计工具获取流量对应于整个设备允许范围的压降。如前所述，通过几何计算双方的几何（角度和长度）和流体的幂律指数。我们的目标是转变一个表达式，使它易于使用这个复值函数，一个简单的计算器既能计算，也可用图表表示。

15、通过Eq.24一般形式：为传感系数和流体幂次定律的函数。为和几何变量。需要整体分析fslot (Eq.19).在行为的基础上，开发了一个功能，这样它再现了相同的因数。，最小二阶乘了计算的数据。表1显示了，N和L使用的范围。为了获得更好的预测，这些数据是由剪切变稀和剪切增稠液体得来。与此相关，回归系数和相关的吻合度，也表1所示。这些变量的范围适合在这项工作中所讨论的应用，一个从有限差分解的对比表明，角度小于12度，数值接近。长度和尺寸都符合实际预期。总结：一个广义的数学描述为牛顿或非牛顿流体幂律流变模型提供了依据。以前的实验结果为粘度监测工具使用的原型设计提供可行性。当12，这个孔流量近似于一个

16、双锥-环形几何系统流量传感器的特征描述，井下工具的典型孔径角将远低于这个上限。该模型的精确计算一个简化近似（Beta函数），可以模拟传感器的响应，并用图解法联系标准曲线，压降，流速，流体流变学等一系列幂律模型。这些可用于特定条件。（粘度范围，流量，允许的压降）。一个商业传感器的设计应考虑在流量和粘度预期范围的基础上进行优化。术语Ai=27式中的系数（i取0到3）fslot=变量定义（式19）k=幂律模型粘度指数（式23）L=设备长度n=幂次定律指数（式22）P=压力Q=流量r=半径Y=变量定义（式7）z=可变量希腊语=角度=函数定义（式27）=长宽比（ri/ro）=变量定义（式5）app=表面

17、粘度（式22）w=剪切率（式21）rz=剪切应力=粘度=差值标注fl=流线i=内o=外参考文献1Ahmed, J.R., H.S.黄原胶的流变性：浓度，温度和高压的作用食品科学技术杂志2005. 42(4): p. 4.2Chen, Z., et al.,水基钻井液流变使用泡沫流过旋转粘度计2005年油田化学国际研讨会；美国 德克萨斯 休斯顿3 流变测量学面临的挑战Rheologica学报 1990. 29: p. 519-522.4Fredrickson, A.G. and R.B. Bird环形通道中的非牛顿流体化学工业与工程1958. 50(3): p. 347-352.5Gucuyen

18、er I.H., M., T. 在同心环管道的塑性流体的流动状态石油科学与工程杂志 1996. 16: p. 45-60.6Hanks, R.W. and K.M. Larsen 同心环中非牛顿流体空流幂律化学工业工程 1979. 18(1): p. 33-35.7Kalotay,.P 在线粘度测量中的应用科里奥利质量流量计流量尺寸仪器分析 1994. 5(4): p. 303-3088Maglione, R., G. Robotti, and R. Romagnoli 现场泥浆流变特性 SPE杂志 2000. 5(4): p.377-386.9Mago, A., 适当的说明重油粘度和方法，以

19、评估最佳热油藏数值模拟蒸汽循环周期 石油钻采工程2006 德克萨斯A&M大学10Parnaby, J. and R.A. Worth 变速芯的电脑辅助系统设计 机械工程研究所 1974. 188(25).11Prasanth, N. and U.V. Shenoy 泊肃叶流的同轴圆柱间幂律流体高分子材料科学杂志 1992. 46(1992): p. 1189-119412Proett, M., M. Pelletier, W. Han, B. H. Storm, R. L. Schultz, and T. E. Ritter 流体粘度测定美国专利号6755079B1 2004.8.29 美国哈里伯顿能源服务公司13Rondon N. J. A, 测