BR112016025600B1 - Método para a medição da viscosidade de fluido não newtoniano para medição em linha e controle do processo, sistema utilizado para preparar uma pasta fluida, e aparelho utilizado para preparar e definir um fluido de furo de poço - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA A MEDIÇÃO DA VISCOSIDADE DE FLUIDO NÃO NEWTONIANO PARA MEDIÇÃO EM LINHA E CONTROLE DO PROCESSO, SISTEMA UTILIZADO PARA PREPARAR UMA PASTA FLUIDA, E APARELHO UTILIZADO PARA PREPARAR E CARACTERIZAR UM FLUIDO DE FURO DE POÇO É aqui revelado um método para a medição da viscosidade do fluido não newtoniano para medição em linha e controle do processo. O processo envolve a mistura de aditivos a um fluido base para formar o fluido não newtoniano. O fluido não newtoniano é alimentado a um dispositivo de medição da viscosidade em linha para obter uma medição reológica. A adição dos aditivos ao fluido de base, em seguida, é ajustada com base na medição reológica. Um sistema para realizar a mesma é também divulgado.

Description

FUNDAMENTOS

[0001] Os hidrocarbonetos (petróleo, gás natural, etc.) são obtidos a partir de uma formação geológica subterrânea (ou seja, um "reservatório") através da perfuração de um poço que penetra a formação que contém os hidrocarbonetos. O poço proporciona um percurso de escoamento parcial para o hidrocarboneto alcançar a superfície. A produção dos hidrocarbonetos (viagens dos hidrocarbonetos desde a formação até ao furo do poço e, finalmente, para a superfície) ocorre quando um caminho de fluxo suficientemente desimpedido a partir da formação para o furo do poço está presente.

[0002] A fraturamento hidráulico, também referida como fracking, é uma ferramenta essencial para melhorar a produtividade do poço que se estende através da criação ou fraturas ou canais a partir do furo de poço para o reservatório. Bombeamento de grânulos de sustentação, ou propantes, durante o fraturamento hidráulico de formações de terra contendo petróleo e gás pode aumentar as capacidades de produção de hidrocarbonetos da formação da terra. A fraturamento hidráulico injeta um fluido viscoso numa formação de terra e óleo de sustentação por gás sob alta pressão, o que resulta na criação ou crescimento de fraturas no interior da formação de terra. Estas fraturas servir como condutas para o fluxo de hidrocarbonetos presos dentro da formação para o furo do poço. Para manter as fraturas abertas e capazes de suportar o fluxo de hidrocarbonetos para o furo do poço, os propantes são entregues às fraturas no interior da formação de um fluido de transporte e preenchem a fratura com um pacote de propantes que é suficientemente forte para resistir ao fecho da fratura devido à pressão da formação e também é permeável ao fluxo dos fluidos no interior da formação.

[0003] A maioria dos fluidos de fratura contêm um polímero hidrofílico, dissolvido num solvente, tal como água. Os polímeros solúveis em água mais frequentemente utilizados são derivados de polissacáridos, guar e goma de guar. Um elevado nível de viscosidade de um polímero hidrófilo é alcançado quando o polímero é adequadamente hidratado.

[0004] Em geral, a hidratação de um polímero é realizada em tanques de hidratação com grandes volumes que aceitam uma mistura de gel de fase de polímero e água, de modo a produzir um fluido hidratado como parte de uma preparação contínua de fluidos de fraturamento. Esses reservatórios de hidratação têm-se focado principalmente no mecanismo mecânico de movimento ou pá baseado processos que envolvem partes móveis, bem como cavalos de potência para produzir as forças de corte que aumentam a taxa de hidratação do polímero hidratável e estabelecem a viscosidade do fluido hidratado desejado na saída do tanque de hidratação da mistura. Vários métodos têm sido propostos para reduzir o tamanho do tanque de hidratação para aumentar a taxa de hidratação de um gel durante o seu tempo de residência no tanque de hidratação.

SUMÁRIO

[0005] Este resumo é fornecido para introduzir uma variedade de conceitos que são adicionalmente descritos a seguir na descrição detalhada. Este resumo não se destina a identificar características chave ou essenciais da matéria reivindicada, nem se destina a ser utilizado como uma ajuda na limitação do âmbito do objeto reivindicado.

[0006] De acordo com uma ou mais formas de realização aqui descritas está um método para a medição da viscosidade de fluido não newtoniano para a medição e o controle do processo em linha, incluindo, a adição de aditivos a um fluido de base para formar o fluido não newtoniano, que alimenta o fluido não newtoniano a um dispositivo de medição de viscosidade em linha, medindo a viscosidade do fluido não newtoniano para obter uma medição reológica, e ajustar a adição dos aditivos ao fluido de base com base na medição reológica.

[0007] De acordo com outras formas de realização aqui descritas está um sistema útil para a preparação de uma pasta fluida, o sistema incluindo um aditivo e um fluido de base, uma fonte de fluido de base, um alimentador de fornecimento de aditivos, um misturador que mistura de aditivo e de base de fluido para formar uma pasta fluida, um em dispositivo de medição da viscosidade em linha para medir a viscosidade da pasta fluida, um sistema de controle para regular a taxa de adição do aditivo, e uma bomba para bombear a pasta fluida em sistemas a jusante.

[0008] Outros aspectos e vantagens do objeto reivindicado serão evidentes a partir da descrição seguinte e das reivindicações anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0009] FIG. 1 ilustra um diagrama de processo simplificado de acordo com uma ou mais formas de realização aqui divulgadas.

[00010] FIG. 2 ilustra um diagrama de processo simplificado de acordo com uma ou mais formas de realização aqui divulgadas.

[00011] FIG. 3 ilustra um diagrama de processo simplificado de um local de fratura de acordo com uma ou mais formas de realização aqui divulgadas.

[00012] FIG. 4 ilustra um diagrama de processo simplificado de um local de perfuração de acordo com uma ou mais formas de realização aqui divulgadas.

[00013] FIG. 5 ilustra um dispositivo de medição de tipo turbina tesla viscosidade de acordo com uma ou mais formas de realização aqui divulgadas.

[00014] As FIGs. 6A, 6B, e 6C ilustram um dispositivo de medição de viscosidade tipo medidor de vazão Coriolis de acordo com uma ou mais formas de realização aqui divulgadas.

[00015] FIG. 7 ilustra um diagrama de processo simplificado de acordo com uma ou mais formas de realização aqui divulgadas.

[00016] FIG. 8 ilustra um bocal em cascata de acordo com uma ou mais formas de realização aqui divulgadas.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00017] Referência será feita agora em detalhe às formas de realização da presente invenção, cujos exemplos estão ilustrados nos desenhos anexos. Nos desenhos e na descrição que se segue, os mesmos números de referência são utilizados para designar elementos semelhantes, onde for mais conveniente. Faz-se observar que a descrição que se segue não se destina a mostrar todos os exemplos de forma exaustiva, mas é meramente exemplar.

[00018] Geralmente, as concretizações aqui descritas referem- se a métodos em-linha de medição e de controle das propriedades reológicas de um fluido, em particular fluidos não newtonianos. Mais especificamente, formas de realização aqui descritas referem-se à medição em linha da viscosidade de uma suspensão de fratura, assim como a métodos de controlar o processo de forma a efetuar a viscosidade da pasta fluida em tempo real. Assim, em uma ou mais formas de realização, o sistema de controle pode controlar a formação de gel para a pasta fluida com base em medições de viscosidade da pasta fluida que sai do sistema como uma pasta fluida do poço fratura a ser bombeado ao longo do furo.

[00019] De acordo com uma ou mais formas de realização aqui descritas, o atual processo relaciona-se com a utilização de viscosímetro em-linha para fornecer respostas de maneira a permitir o controle do processo de um fluido de tratamento. Viscosidade não é convencionalmente medida de uma forma em linha na indústria de serviços dos campos petrolíferos. Descreve-se aqui um processo para várias técnicas em linha, em tempo real, de controle de processo automatizado na indústria de serviços do campo petrolífero usando uma medição da viscosidade em-linha do fluido de tratamento.

[00020] Fluidos de tratamento, de acordo com uma ou mais formas de realização aqui descritas, podem ser utilizados em uma variedade de tratamentos subterrâneos, incluindo, mas não se limitando a, tratamentos de estimulação, perfuração, e tratamentos de controle de areia. Tal como aqui utilizado, o termo "tratamento" ou "tratar", refere-se a qualquer operação subterrânea que utiliza um fluido em conjunto com uma função desejada e/ou para uma finalidade desejada. O termo "tratamento" ou "tratar", não implica qualquer ação especial por parte do fluido ou de qualquer componente particular do mesmo. Exemplos de fluidos de tratamento incluem cimento ou espaçadores para aplicações de cimentação, pasta fluida para aplicações de perfuração ou gel à base de guar para aplicações de fraturamento hidráulico. Mais especificamente, o fluido de tratamento pode ser cimento de pasta fluida composta de água, cimento (classe G, Classe A, etc.), um dispersante, um agente anti-espuma, agente retardador e um agente anti-sedimentação. O sistema de fluido espaçador pode ser utilizado para remover a pasta fluida de um poço ou de outra forma dois tipos distintos de fluidos a ser circulado através do poço e pode incluir, por exemplo, um polímero de hidratação, bem como um agente de ponderação para a densidade desejada a ser atingida. No que diz respeito fluidos de fraturamento, o fluido pode ser um gel à base de guar, géis à base de poliacrilamida, géis reticulados de borato e/ou sistemas de fluidos à base de carboximetilcelulose (CMC). O fluido de perfuração pode ser ou à base de óleo (incluindo emulsões invertidas) e pode conter, por exemplo, agentes gelificantes, agentes de ponderação (tais como sais de bário), etc. Em cada um destes sistemas de fluidos, os fluidos são geralmente misturados à base de água em um local do poço antes de ser bombeado no fundo do poço. Por exemplo, referindo as Figs. 3 e 4, um local de fratura e um local de perfuração, respectivamente, são apresentados e discutidos abaixo. Em cada um destes locais, aditivos (líquidos, sólidos ou gases) são geralmente misturados em um fluido de base, mas também podem incluir a formação de uma solução concentrada no ou afastado do local que é subsequentemente diluída no local, antes de ser bombeada no fundo do poço.

[00021] Cada um dos líquidos acima descritos pode ser caracterizado como não-newtoniano. Isto é, enquanto que a viscosidade do fluido newtoniano permanecerá constante, independentemente da tensão colocada sobre ele, a viscosidade de um fluido não newtoniano é dependente da taxa de cisalhamento e pode também ser dependente do tempo. Entre os fluidos de tratamento descritos acima, algumas das classes de fluidos não newtonianos que podem ser utilizados de acordo com a presente invenção incluem fluidos tixotrópicos (tais como xantano contendo fluidos) e fluidos de adelgaçamento ao cisalhamento (tal como fraturar fluidos), enquanto que vários modelos (plástico de Bingham, lei de potência, lei de potência de rendimento) têm sido desenvolvidos para descrever a reologia de vários fluidos de perfuração. A dependência da taxa de cisalhamento destes fluidos não-Newtonianos fez medição em linha da sua viscosidade progressiva desafiadora.

[00022] Tal como descrito acima, é desejada a medição da viscosidade em-linha para controle do processo a ser usado na fratura, cimentação e perfuração. Atualmente, não existe nenhum processo viável para a medição da viscometria em linha. Em cimentação e perfuração, a densidade e reologia são duas características importantes do fluido que está a ser bombeado para dentro do poço. No entanto, há casos em que a densidade do fluido é difícil de medir, incluindo pasta fluidas de cimento de baixa densidade (partículas a menos de 2 g/cm3), sistemas de espuma de cimento, e sistemas de cimento carregado de fibras. Em tais casos, a reologia do fluido pode ser usada para controlar o processo de mistura. A maioria destes fluidos pode ser aproximada para um fluido de plástico de Bingham, que é caracterizada por um ponto de cedência e a viscosidade plástica. A viscosidade plástica pode ser medida utilizando o no viscosímetro em linha imediatamente a jusante do dispositivo de mistura e de medição pode ser usado para controlar o processo de mistura para obter uma viscosidade alvo. Com uma combinação de densidade, que pode ou não pode ser medida pelo viscosímetro em linha, e reologia, especificamente a viscosidade, um processo pode ser controlado com precisão através da mistura de barro, cimento ou espaçador em tempo real.

[00023] O processo pode ser controlado de várias maneiras. Por exemplo, escolhendo uma viscosidade alvo, que pode variar em função do tipo de fluido a ser utilizado, a medição das quantidades de aditivos para o sistema de mistura, que podem ser de diferentes formas (líquida, sólidos e gás), pode ser ajustada no real tempo através de uma malha do controle de resposta de alta velocidade. Viscosidades alvo podem estar dentro de uma gama de, por exemplo, 1 -. 10,000cP Em alternativa, através da monitorização da viscosidade, uma medida de quão bem o líquido é misturado pode ser obtida e passos de correção para ajustar a energia de mistura podem ser realizados, tais como o aumento ou diminuindo a velocidade de mistura. Neste caso, a medição da densidade por si só pode ser insuficiente. Além disso, por meio do monitoramento de viscosidade, eventos como variações indesejáveis em misturas de razão seca, ou fora de especificação de fluidos de base, tais como baixos níveis de pH, podem ser detectados e desencadear ações necessárias, tais como alarmes ou sequências de paragem.

[00024] Além disso, o controle do processo com base na densidade, por si só, como uma resposta pode não ser capaz de detectar a presença de ar/gás finamente arrastado na pasta fluida. Uma vez que a medição de teor de matéria seca é com base numa densidade alvo, na presença de gás finamente arrastado, mais teor de matéria seca terá de ser adicionado para compensar a falta de densidade do ar arrastado, eficazmente mascarando a presença de gás indesejada. Num tal cenário, a viscosidade aumenta com a presença de bolhas finamente arrastadas, o que pode desencadear ações de processos necessários, tais como a adição ou o aumento de aditivos, ou utilizando meios mecânicos para remover o ar arrastado. Como descrito acima, a viscosidade é a medição obtida preferida para a caracterização reológica de um fluido.

[00025] Fazendo agora referência às figuras, é mostrado na FIG. 1 um diagrama de processo simplificado. Um alimentador de alimentação de aditivo 10 alimenta um aditivo (o qual pode, opcionalmente, ser uma solução concentrada ou sólido) para o misturador 30, onde o aditivo é misturado com um fluido de base (água, óleo, etc.) fornecida através da linha de fluxo 22 a partir da fonte 20 de fluido. O aditivo é misturado com o fluido de base para formar um fluido misto 32, que pode ser um fluido não newtoniano. Dependendo do tipo de aplicação, o fluido misturado pode ser um fluido de perfuração, um fluido de cimentação, um fluido espaçador, uma suspensão de fratura, etc. Em várias formas de realização, o fluido 32 pode ser misturado por pseudo plasticidade, mas outros tipos de fluidos não-newtonianos são também possíveis. O fluido misturado 32 pode então ser alimentado a um dispositivo de medição da viscosidade em linha 40. A viscosidade do fluido não- newtoniano pode ser medida para se obter uma medição reológica e produzir um efluente medido 42. A quantidade de aditivo a ser alimentado a partir do alimentador 10 para o misturador 30 pode ser ajustada com base na medição reológica através da linha de controle do processo 46.

[00026] Em geral, o viscosímetro em linha deve ser colocado o mais próximo ao misturador quanto possível para o controle de processo adequado. Esta colocação pode evitar perdas de linha e problemas de latência. Além disso, em relação ao dispositivo de medição no viscosímetro em linha, uma bomba de deslocamento positivo pode ser acoplada a montante com o instrumento para manter a taxa de fluxo através do dispositivo de medição. Em geral, a taxa de fluxo irá corresponder com a velocidade de cisalhamento do fluido. A queda de pressão a partir da descarga da bomba para a extremidade da conduta de recolha pode também ser afetada pelas condições no final da linha, e consequentemente a viscosidade medida pode ser enviesada. Por exemplo, se o dispositivo de medição da viscosidade em linha estiver entre o misturador e uma bomba a jusante, as taxas de fluxo podem variar, afetando as condições de contorno da medição de viscosidade. Em tal caso, pode ser necessário para a bomba de deslocamento positivo que alimenta o dispositivo de medição de viscosidade retirar uma amostra em separado a partir do misturador, em oposição ao circuito de fluxo do processo e, em seguida, reciclar a amostra de volta para dentro do misturador. Um tal caso é ilustrado na FIG. 2. Como ilustrado, o fluido misturado 32 é alimentado ao dispositivo de medição da viscosidade em linha 40 e a medição de efluentes 42 é reciclada de volta para o misturador 30. Este circuito fechado de recirculação pode ser aberto para a atmosfera para assegurar que a resistência ao fluxo será puramente o cisalhamento contra as paredes do tubo. Além disso, um segundo fluido 38 passa ao lado do dispositivo de medição da viscosidade em linha 40 e é alimentado diretamente à bomba 50 e alimentado no fundo do poço, ou a outros sistemas a jusante, através da linha de fluxo 52.

[00027] Fazendo de novo referência à FIG. 1, uma porção do efluente medido 42 pode ser alimentada à bomba 50 e alimentado ao fundo do poço, ou a outros sistemas a jusante, através da linha de fluxo 52. Além disso, uma segunda porção do efluente medido 42 pode ser reciclada através da linha de fluxo 44 para a linha de fluxo de fluido 22, onde é alimentada de volta para o misturador 30 para reciclagem e de diluição. O fluido em que está sendo alimentado a partir da fonte 20 de fluido pode ser a uma taxa pré-selecionada. A taxa seria selecionada para satisfazer o volume necessário para as operações necessárias de fundo de poço, ou por outros sistemas a jusante. Uma taxa de fluxo tal pode também ser baseada na necessidade e na capacidade de recuperação de fluido bombeado ao longo do furo, tal como a recuperação de fluidos de perfuração. Além disso, a taxa de fluxo pode ser selecionada de tal modo que a pressão do poço é mantida. Por exemplo, a taxa de fluxo de fluido alimentada a partir da fonte de fluido 20 pode estar no gama de 0,01 - 120bpm para fraturar fluidos ou para fluidos de perfuração.

[00028] A viscosidade do fluido misturado 32 pode corresponder a um fluido não Newtowniano e estar na gama de entre 1 - 10.000cP a taxas de corte de 150 - 600s-1. Para manter esta viscosidade, o dispositivo de medição da viscosidade em linha 40 pode enviar um sinal através da linha de controle de processo 46 ao alimentador de aditivo 10. Em resposta ao sinal, a taxa de alimentação do aditivo pode ser ajustada por um aumento ou uma diminuição na quantidade de aditivo a ser alimentado ao misturador 30. Por exemplo, a solução de concentração pode ser alimentada a uma taxa na gama de entre 0,001 - 50bpm.

[00029] Em várias formas de realização, é utilizado o sistema de controle (não mostrado) que tem a capacidade de controlar a viscosidade do fluido a um valor óptimo com base nas especificações de trabalho desejado (taxa de pasta fluida ao longo do furo e a concentração de uma suspensão de fratura, por exemplo). Especificamente, o sistema de controle é configurado para fornecer uma certa quantidade de aditivo para dentro do misturador com fluido de base, e para diluir o aditivo com o fluido base para se obter a viscosidade da pasta fluida predefinida. Vários elementos ao longo do processo, tais como a quantidade do aditivo adicionado para produzir a pasta fluida, o tempo de residência no tanque de mistura, ou hidratação (quando um polímero hidratável está presente como um dos aditivos), e o processo de diluição no misturador pode afetar a viscosidade do fluido final. Por conseguinte, estes elementos podem ser cuidadosamente controlados para valores óptimos específicos.

[00030] Referindo-nos agora à FIG. 3, um local de fraturamento é mostrado. No local de fraturamento 200, um fluido de fratura ou suspensão é bombeado a partir de uma superfície 118 de um poço 120 para um poço 122 durante uma operação de fratura. O local de fratura 200 inclui uma pluralidade de tanques de água 221, que alimentam de água para uma máquina de fazer gel 223. A máquina de fazer gel 223 combina a água dos tanques de 221 com um agente gelificante para formar um gel. O gel é então opcionalmente enviado para um misturador 225, onde é misturado com um propantes a partir de um alimentador propantes 227 para formar um fluido de fratura. O agente de gelificação aumenta a viscosidade do fluido de fratura e permite que o propante seja suspenso no fluido de fratura. Ele pode também atuar como um agente de redução de atrito para permitir taxas mais elevadas de bombeamento com menos pressão de atrito.

[00031] O fluido de fratura é então bombeado a baixa pressão a partir do misturador para uma pluralidade de bombas de êmbolo 201, como mostrado pelas linhas a cheio 212.Cada bomba de êmbolo 201 recebe o fluido de fratura, a uma pressão baixa e descarrega-o para um tubo de distribuição comum 210 a uma pressão elevada, como mostrado pelas linhas tracejadas 214. O coletor 210, em seguida, direciona o fluido de fratura ao poço 122 como mostrado pela linha sólida 215. Como mostrado, um sistema de controle computadorizado 229 pode ser empregue para dirigir todo o local de fratura 200 para a duração da operação de fratura. Em uma ou mais formas de realização, o viscosímetro em linha da presente invenção pode ser incorporado em uma linha de escoamento de fluido a jusante da máquina de gel 223, que pode incluir, antes ou depois de misturador 225.

[00032] Em algumas formas de realização, o sistema presentemente descrito pode ser de unidades independentes que são sondados com um reboque de processo (tal como os que contêm fabricante de gel 223, um misturador 225, bombas de êmbolo 201) que podem ser implantadas em um local para cada operação de campos petrolíferos, em que elas são usadas. Um sistema de medição da viscosidade em particular pode ser conectado de forma diferente ao reboque do processo para trabalhos diferentes. O sistema de medição de viscosidade pode ser fornecido sob a forma de um pacote de equipamento montado de um reboque padrão para facilidade de transporte por um trator.

[00033] Como mostrado na FIG. 3, um local de perfuração 100 é previsto para a perfuração de um poço em uma formação de barro 102 para explorar os recursos naturais, como o petróleo. O sistema de perfuração110 inclui uma torre 120, um conjunto de coluna de perfuração 130, um sistema de circulação de fluido 140, e uma unidade de controle 185.A torre 120 é construída sobre um piso de torre 121 colocado no chão. A torre 120 suporta o conjunto de coluna de perfuração 130 que é inserido num furo de poço 101 e realiza uma operação de perfuração.

[00034] O conjunto de coluna de perfuração 130 inclui uma coluna de perfuração 131, um conjunto de orifício inferior 132, e um sistema de acionamento 133. Durante uma operação de perfuração do poço 101, o tubo de perfuração 131 é rodado pelo sistema de acionamento 133, e esta rotação é transmitida através do conjunto de orifício inferior 132 da broca 134.

[00035] O sistema de circulação de fluido 140 inclui uma bomba de fluido 141, um poço de pasta fluida 142, uma linha de alimentação 143, e uma linha de retorno 144.O sistema de circulação de fluido 140 circula um fluido do poço através do conjunto de coluna de perfuração 130 e para dentro do poço 101.Especificamente, a bomba de fluido 141 bombeia fluido de furo de poço, que está reservado no poço de pasta fluida 142, através da linha de alimentação 143 e, em seguida, o fluido de furo de poço é injetado na coluna de perfuração 131. O fluido do poço injetado na coluna de perfuração 131 é então descarregado a partir da broca de perfuração 134 para a parte inferior do furo do poço 101 e retorna ao tanque de pasta fluida 142 através da linha de retorno 144.

[00036] Quando se está a fazer a perfuração de um poço 101, os fluidos que saem da broca 134 e circulam através do poço 101 podem formar um bolo de filtro fino, de baixa permeabilidade para selar formações permeáveis 102 penetradas pela ponta 134. Estes fluidos também podem ser constituídos por polímeros sintéticos ou biopolímeros (tais como para aumentar as propriedades reológicas (por exemplo viscosidade plástica, valor do ponto de rendimento, de resistência do gel) da pasta fluida de perfuração), argilas, diluentes poliméricos, floculantes, e colóides orgânicos adicionados à mesma, para se obter a viscosidade e as propriedades de filtração requeridas. Os minerais pesados, como o bário ou carbonato, podem também ser adicionados para aumentar a densidade. Tais aditivos são adicionados ao fluido através do funil de alimentação 145 e podem ser medidos pela válvula de medição 182. Enquanto a tremonha de alimentação 145 é apresentada como a adição de aditivos diretamente na pasta fluida de poço 142, imaginou-se que um ou mais misturadores, tanques, etc., podem ser utilizados para a formulação e de mistura do fluido.

[00037] A unidade de controle 85 monitoriza as propriedades e as condições dos fluidos do poço 101 e o sistema de circulação de fluido 140, incluindo a viscosidade do fluido medido em linha de acordo com a presente divulgação. A unidade de controle 185 inclui, por exemplo, uma unidade de processamento central (CPU), uma memória só de leitura (na sigla em inglês para Reading Only Memory, ROM), uma memória de acesso aleatório (na sigla em inglês para Random Access Memory, RAM), portas de entrada/saída, memória e semelhantes. A unidade de controle 185 está ligada eletricamente ao sistema de acionamento 133, à bomba de fluido 141, à válvula de estrangulamento 183, à válvula de medição 182, bem como ao viscosímetro em linha (não mostrado), a qual pode residir dentro da linha de alimentação 143 ou entre pasta fluida de poço 142 e a bomba 141. Após a medição da viscosidade do fluido em linha, a unidade de controle pode ajustar um ou mais de válvula de medição 182, a válvula de estrangulamento 183, a bomba 141, ou um misturador (não mostrado).

[00038] A fim de assegurar que o processo de viscosímetro em linha presentemente descrito produz, resultados válidos utilizáveis, as medições em linha podem ser correlacionadas com um dispositivo laboratorial de linha de base. Qualquer desvio pode ser calculado, e as correções apropriadas para o processo podem ser realizadas. Estas correções podem incluir a taxa de adição de aditivos ou alterações na taxa de adição do fluido base. O fluido pode ser medido, monitorado e controlado pela sua viscosidade a uma taxa de cisalhamento e temperatura especificadas. Por exemplo, a taxa de cisalhamento pode ser especificada para estar na gama compreendida entre 150 - 600 s -1e a temperatura pode estar na gama de entre 40 - 120 ° F (4,4 - 48,9°C). Além disso, pode não ser necessário caracterizar o fluido não newtoniano em várias taxas de corte, tais como, por exemplo, utilizando o reômetro VISCOLINE (fabricado pela Krohne, Inc).O processo presentemente descrito permite simplesmente o controle do processo com base no sinal de retorno a uma velocidade de corte e temperatura predeterminadas.

[00039] Para a correlação com um dispositivo laboratorial de linha de base, um viscosímetro Fann35 pode ser utilizado para o medidor correlacionado. Por exemplo, pode-se executar um teste de controle de fluido, através do processo descrito acima, com uma curva de viscosidade Fann35 conhecida como função de cisalhamento a uma temperatura fixa. O fluido de teste de controle pode ser alimentado através do processo com caudais diferentes em um circuito de amostragem fixo. A medição da viscosidade é feita utilizando o processo descrito acima, e a medição é correlacionada e/ou comparação da curva de viscosidade do Fann35 para o fluido de teste de controle de processo e a pasta fluida. Qualquer discrepância nas medições pode então ser calculada e tida em conta no ciclo de controle do processo.

[00040] Qualquer viscosímetro adequado pode ser empregue para permitir que o processo em linha acima descrito para a caracterização reológica e controle do processo. Por exemplo, exemplos de um tal dispositivo podem incluir uma turbina Tesla, ilustrada na FIG. 5. Para este tipo de dispositivo de medição de viscosidade em linha, uma taxa de fluxo de fluido é definida por uma bomba de deslocamento positivo. A pasta fluida é bombeada para dentro da entrada da turbina e a energia é gerada dentro da turbina. A potência e rpm, o que corresponde à taxa de cisalhamento da suspensão, da turbina pode então ser correlacionada com o caudal e a viscosidade de uma curva Fann35 conhecido para a suspensão tal como descrito acima. A turbina Tesla pode ser feita suficientemente pequena para caber em reboques existentes e tem uma alta precisão, repetível. Se desejado, duas ou mais turbinas Tesla podem ser instaladas em série para obter uma viscosidade média através de múltiplas quedas de pressão.

[00041] Um outro tal dispositivo de medição da viscosidade em linha pode ser um medidor de fluxo de Coriolis, ilustrado na FIG. 6A. Medidores de fluxo de Coriolis, tal como o medidor de fluxo tipo Coriolis Promass fabricado pela Endress+Hauser, usam o movimento de torção de um único tubo de medição linear 2 e um pêndulo para medir a viscosidade do fluido. Tal como ilustrado na FIG. 6B, o movimento de translação (a) do tubo de medição 2, usado para medir a densidade e de fluxo de massa do fluido, e o movimento de torção (c) do tubo de medição, e o movimento de torção (b) do pêndulo 1 são usados para calcular viscosidade. A FIG. 6C ilustra como a taxa de cisalhamento de fluidos afeta o movimento de torção do tubo de medição. Este método de medição pode fornecer resultados precisos e repetíveis para fluidos newtonianos. Para fluidos não newtonianos, cálculos de viscosidade podem ser repetidos, mas a precisão é afetada negativamente por variações taxas de cisalhamento. Estas variações de precisão podem ser caracterizadas por comparação com uma curva Fann35 conhecida e, em seguida, o controle do processo pode ser ajustado em conformidade como descrito acima.

[00042] Utilizando um medidor de fluxo de Coriolis, a viscosidade também pode ser medida com precisão em uma de várias maneiras. Por exemplo, em uma ou mais formas de realização, momentaneamente (por exemplo, a partir de cerca de 2 a cerca de 60 segundos) a redução da taxa de fluxo do fluido não newtoniano a zero pode remover o cisalhamento induzido pelo movimento de paralelo de fluido em relação ao eixo do tubo de medição. Tal técnica pode também ser referida como pulsação. A "pulsação"do fluido não newtoniano, por conseguinte, pode permitir o controle do processo repetindo as medições de viscosidade em intervalos de tempo determinados, permitindo uma nova amostra do fluido medido. Outra forma de parar o fluxo dentro do tubo interior de medição seria desviar o fluxo para um canal paralelo ao tomar a medição da viscosidade sobre o tubo interior. Isto permite a entrega de líquido sem interrupção, mantendo as capacidades de medição de viscosidade.

[00043] Em uma ou mais outras formas de realização, alterando a frequência de oscilação de torção (a partir de cerca de 1 Hz a cerca de 10.000 Hz) poderia se alterar a velocidade de cisalhamento do fluido e, por conseguinte, os cálculos a viscosidade a diferentes taxas de corte. A alteração da frequência pode ser feita alterando a frequência do mecanismo de excitação que pode ser controlado eletronicamente. Isto pode ser feito alterando a frequência da corrente de entrada que permite a oscilação do campo magnético utilizado para fazer vibrar o tubo. Medição da viscosidade dos fluidos não newtonianos em várias frequências poderia permitir a completa caracterização reológica do fluido. Tal como aqui utilizado, o termo "caracterização reológica completa" significa que pontos de dados suficientes foram obtidos para estabelecer a relação que relaciona a viscosidade e a velocidade de corte. No caso de um fluido de lei de potência, 2 pontos de dados são suficientes (ou seja, em duas frequências diferentes), mas um número maior de pontos de dados permite uma melhor caracterização do fluido através da melhoria da montagem dos pontos de dados para o comportamento teórico.

[00044] Em uma ou mais outras formas de realização, a oscilação de torsão pode criar variações de taxa de corte na secção transversal do tubo, criando ruído nos cálculos de viscosidade. No entanto, a rotação do tubo de medição reto em torno do seu eixo longitudinal poderia reduzir variações da taxa de cisalhamento. Tal procedimento pode precisar de ser realizada (1) em fluxo zero ou (2) com um pêndulo ligado ao tubo de medição que equilibra as forças e permite medições de fluxo de massa simultâneas. Este método poderia implementar uma técnica de tensão controlada.

[00045] Qualquer dispositivo adequado pode ser empregue para permitir o processo de controle acima descrito. Por exemplo, exemplos de especificações de um tal dispositivo podem incluir um dispositivo com a funcionalidade capaz de proporcionar uma medição de ponto contínua (viscosidade a velocidade de corte pré-determinada a partir de 1 s-1a 1000 s-1,tais como, por exemplo, 171 s-1, à temperatura ambiente (25 °C)) para um fluido de processo (que talvez um fluido newtoniano ou não newtoniano).A precisão pode ser medida contra medidas de viscosidade predeterminadas tomadas pelo viscosímetro Fann35 (viscosímetro de bancada).O viscosímetro em linha deve ter uma precisão de, pelo menos, dentro de cerca de 4%, tal como, por exemplo, desde cerca de 1% a cerca de 4% das medições de viscosímetro Fann35. Além disso, o dispositivo deve ser o mais compacto possível para integração em equipamentos de superfície, o dispositivo deve ser robusto para aplicações de campo, mas não precisa ser à prova de explosão, e o dispositivo deve fornecer dados de viscosidade por meio de analógico (sinal de 4-20 mA) e ou sinais/digitais.

[00046] Referindo-nos agora à FIG. 7, uma forma de realização de um aparelho para a medição em linha da viscosidade é mostrada. Como mostrado, o aparelho 710 compreende um misturador estático 712. Todo o líquido proveniente de um tubo principal de fornecimento 716 passa pelo seu interior e retorna imediatamente para o tubo principal 716 a seguir. No entanto, pode-se também desviar apenas uma parte do fluido através do aparelho 710 a partir do tubo principal 716 ou simplesmente retirar fluido de um reservatório (não mostrado) para análise. O fluido na tubagem principal 716 pode ser um efluente a partir de um misturador (não mostrado), onde um aditivo e um fluido de base a partir de um alimentador de abastecimento de aditivo e um fornecimento do fluido de base, respectivamente, são misturados (não mostrado).

[00047] A maior parte dos misturadores estáticos podem ser classificadas em uma de duas categorias. A primeira categoria inclui aqueles em que a mistura ocorre por rotação num tubo. Estes misturadores estáticos são relativamente longos e a queda de pressão neles é baixa. A segunda classe compreende os misturadores estáticos em que a mistura ocorre por estiramento do fluido. Estes misturadores são curtos e a queda de pressão no seu interior é alta. Ambos os tipos podem ser usados, mas podem ser do primeiro tipo (mistura-se por rotação num tubo), em formas de realização particulares. O misturador estático pode ter limitações geométricas Ks e Kp específicas para o misturador, que dependem da geometria do misturador estático e podem ser obtidas através de um procedimento de calibragem antes de uma correlação de energia entre um modelo de fluido newtoniano e a energia de um fluido de lei não newtoniano. Tal calibração pode ser descrita na Patente Norte-Americana US 6.412.337.

[00048] As quedas de pressão através do misturador estático 712 são expressas como uma diferença de pressão por meio de sensores apropriados ou quaisquer outros meios adequados. A primeira célula 720 é montada sobre o aparelho 710 a montante da entrada do misturador estático 712 e, a segunda célula 722 é montada a jusante da saída do misturador estático 712.Estas células 720, 722 estão ligadas como um par por meio de um circuito de tubos rígidos 730, 732 que conduz a um transdutor de pressão diferencial 740. A primeira célula 720 está ligada a um primeiro lado do transdutor de pressão diferencial 740 por meio do primeiro tubo 730. A segunda célula 722 está ligada a um segundo lado do transdutor de pressão diferencial 740 por meio do segundo tubo 732.

[00049] Os tubos 730, 732 são cheios com um líquido substancialmente incompressível, tal como água ou etileno glicol. Cada célula 720, 722 compreende uma membrana deformável (não mostrada feita de material que é capaz de transmitir corretamente a pressão ao líquido incompressível e resistir à abrasão do fluido, tal como a borracha natural ou sintética.

[00050] A queda de pressão do fluido através do misturador estático 712 é medida pelo transdutor de pressão diferencial de 740, o qual inclui um terminal de saída 750 através do qual um correspondente diferencial de pressão P do sinal é enviado através dos fios 752. O terminal de saída 750, em seguida, caracteriza o cisalhamento do fluido e pode também calcular a viscosidade aparente, discutida em maior detalhe abaixo. Depois de o fluido ter sido caracterizado por cisalhamento e reologicamente, o fluido pode reciclado para o misturador a montante do misturador estático 712, alimentado para uma bomba a ser bombeado ao longo do furo em um poço, ou ambos.

[00051] O fluxo de fluido a ser testado a uma velocidade média de fluxo (V) num tubo tendo um determinado diâmetro (D). A velocidade média de fluxo (V) é expressa em termos de metros por segundo, ou o equivalente. Os valores da velocidade média de fluxo (V) e o diâmetro (D) são, de preferência aqueles do tubo principal no qual está instalado um aparelho de acordo com a presente forma de realização. O diâmetro (D), deve permanecer constante ao longo do percurso do fluido no aparelho, a fim de minimizar as perturbações que podem ser gerados no fluido.

[00052] Há duas formas principais de determinação da velocidade média de fluxo (V). A primeira é medir a velocidade média de fluxo (V) com um sensor apropriado. A segunda é calibrar a bomba de alimentação utilizada para mover o líquido. A bomba de alimentação é, ou a bomba do sistema de abastecimento à o qual o aparelho reológico está ligado ou é uma bomba adicional fornecida com a mesma.

[00053] Quando um fluido flui em um tubo, a velocidade de corte eficaz () está ligada à velocidade média de fluxo (V) do fluido por:

em que D é o diâmetro do tubo e KS é uma constante que depende da geometria do misturador, acima discutido. Os fluidos lei de energia são caracterizados pela seguinte relação:

onde representa a tensão, k é o índice de consistência, e n é o índice da lei de potência.

[00054] A Patente dos Estados Unidos Número 6.412.337 refere- se a um aparelho e um método para medição das propriedades reológicas de um fluido de lei de potência, requerendo a necessidade de dois misturadores estáticos e uma medição da queda de pressão através deles. Especificamente, Patente dos Estados Unidos Número 6.412.337 calcula k e n para a lei de potência fluidos de acordo com as seguintes equações:

[00055] Assim, essas equações utilizar um P1 e um P2.A equação para n requer apenas uma proporção de P2/ P1 e k exige, pelo menos, uma medição de P. Descreve-se aqui um processo para denotar empiricamente a relação das pressões diferenciais como uma constante para uma dada taxa de fluxo e um dado conjunto de fluidos. Ao fazer isso, pode ser possível alcançar a caracterização reológica desejada com apenas um único misturador estático.

[00056] A viscosidade aparente () pode ser calculado para um fluido de lei de energia com a seguinte equação, usando o:

[00057] em que KS'é a constante geométrica de um determinado local onde a viscosidade aparente vai ser medida. Por exemplo, se a viscosidade aparente () tiver que ser calculada no misturador estático, o valor de KS'é de KS. Se a viscosidade aparente () tiver de ser calculada de um tubo livre, o valor de KS'é de 8, que é um valor conhecido na arte.

[00058] Num tal processo, a fim de evitar a acumulação de fluido, pode ser usado um misturador estático maior. Em uma ou mais outras formas de realização, o uso de outros dispositivos para definição de cisalhamento para além do misturador estático também podem ser utilizados. Por exemplo, ilustrado na FIG. 8 está um exemplo de tal dispositivo alternativo; um bocal em cascata. Este tipo de bocal cria um diferencial de pressão ao longo do comprimento do bocal que pode ser utilizado para caracterizar as propriedades reológicas, como descrito acima. Em algumas formas de realização, um orifício ou venturi pode também ser utilizado para o mesmo fim.

[00059] Embora os presentes ensinamentos tenham sido ilustrados com respeito a uma ou mais formas de realização, alterações e/ou modificações podem ser feitas aos exemplos ilustrados, sem afastamento do espírito e âmbito das reivindicações anexas. Além disso, enquanto uma característica particular dos presentes ensinamentos pode ter sido divulgada com respeito a apenas uma das várias implementações, tal característica pode ser combinada com uma ou mais outras características das outras implementações como pode ser desejado e vantajoso para qualquer determinado ou específico função. Além disso, na medida em que os termos "incluindo", "inclui", "tendo", "tem", "com", ou as suas variantes são utilizados quer na descrição pormenorizada e nas reivindicações, os termos destinam-se a ser inclusivos em um modo semelhante ao termo "compreendendo". Além disso, na discussão e reivindicações em anexo, o termo "cerca de" indica que o valor listado pode ser um pouco alterado, desde que a alteração não resulte na não conformidade do processo ou estrutura com a forma de realização ilustrada. Finalmente, "exemplar" indica que a descrição é utilizada como um exemplo, em vez de implicar que é um ideal.

[00060] Outras formas de realização dos presentes ensinamentos serão evidentes para os peritos na arte a partir da consideração da especificação e prática dos presentes ensinamentos aqui divulgados. Pretende-se que a especificação e os exemplos sejam considerados como apenas exemplificativos, com o verdadeiro âmbito e escopo dos presentes ensinamentos sendo indicado pelas seguintes reivindicações.

Claims (20)

1. Método para a medição da viscosidade de fluido não Newtoniano para medição em linha e controle do processo caracterizado por compreender: adicionar um ou mais aditivos a um fluido base para formar o fluido não Newtoniano; alimentar a totalidade do fluido não Newtoniano a um dispositivo de medição de viscosidade em linha; medir a viscosidade do fluido não Newtoniano para obter uma medição reológica e um efluente medido; ajustar a adição de um ou mais aditivos à base de fluido, em tempo real, com base na medição reológica; alimentar pelo menos uma porção do efluente medido a uma bomba; e bombear o efluente medido para um ou mais dos sistemas a jusante.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda reciclar uma segunda porção do efluente medido no misturador para diluir o efluente medido.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ajuste do aditivo é tanto um aumento como uma diminuição na quantidade de aditivo a ser adicionado ao fluido de base.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda alimentar o fluido de base no misturador a partir de uma fonte do fluido de base ou tanque de fornecimento.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido de base é alimentado no misturador a uma taxa selecionada.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido não Newtoniano tem pseudoplasticidade.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a viscosidade do fluido não Newtoniano está na faixa de entre 1 - 10.000cP.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma taxa de cisalhamento no dispositivo de medição de viscosidade é mantida a uma taxa de 150 - 600s-1.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma temperatura do fluído no dispositivo de medição de viscosidade é mantida em uma gama de 40 - 120 °F (4,4 - 48,9°C).

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que alimentar compreende alimentar a totalidade do fluido não Newtoniano diretamente para o dispositivo de medição de viscosidade em linha.

11. Sistema utilizado para preparar uma pasta fluida compreendendo um aditivo e um fluido de base caracterizado por compreender: uma fonte do fluido de base; um alimentador de alimentação aditivo; um misturador que mistura aditivo fornecido pela unidade de fornecimento de aditivo e fluido de base fornecida pelo fornecimento do fluido de base para formar uma pasta fluida; um dispositivo de medição de viscosidade em linha para medir a viscosidade da pasta fluida durante operação do sistema para medir um diferencial de pressão criado através de um dispositivo para definição de cisalhamento do dispositivo de medição de viscosidade em linha; um sistema de controle configurado para ajustar uma taxa da adição do aditivo, durante operação do sistema, em resposta à viscosidade medida da pasta fluida; e uma bomba para bombear a pasta fluida medida para sistemas a jusante, em que o dispositivo de medição de viscosidade em linha está localizado entre o misturador e a bomba.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma porção da pasta fluida que sai do dispositivo de medição da viscosidade em linha é reciclada para o misturador.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a viscosidade da pasta fluida está na faixa de entre 1 - 10.000cP.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a taxa de cisalhamento no dispositivo de medição de viscosidade é mantida a uma taxa de 150 - 600s -1.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que uma temperatura do fluido no dispositivo de medição de viscosidade é mantida na faixa de 40-120 ° F (4,4 - 48,9°C).

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a pasta fluida é um fluido não Newtoniano.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a pasta fluida tem pseudoplasticidade.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o tempo de residência do misturador é suficiente para permitir um ajustamento da viscosidade da pasta fluida com base na medição obtida a partir do dispositivo de medição de viscosidade em linha.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 18,caracterizado pelo fato de que o ajustamento da viscosidade da pasta fluida baseia-se, pelo menos, em uma curva de desempenho gerada pelo sistema de controle.

20. Aparelho utilizado para preparar e definir um fluido de furo de poço caracterizado por compreender: uma unidade de base de fornecimento de fluido configurada para o fornecimento de um fluido de base; um alimentador de alimentação de aditivo configurado para o fornecimento de um aditivo; um misturador configurado para misturar o aditivo e o fluido de base e formando um fluido do poço; uma bomba configurada para bombear o fluido de furo de poço para um local para baixo do poço; e um aparelho de medição de viscosidade em linha configurado para medir a viscosidade do fluido de furo de poço, durante operação do aparelho, o aparelho de medição de viscosidade em linha estando localizado entre o misturador e a bomba, o aparelho de medição de viscosidade em linha compreendendo: um dispositivo para definição de configurado para a criação de um diferencial de pressão a montante e a jusante do dispositivo para definição de cisalhamento; e uma pluralidade de transdutores configurados para medir o diferencial de dispositivo para definição de cisalhamento.

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