石油和天然气领域的粘度和密度测量是最重要但也是最难以捉摸的操作之一。 从勘探到钻井再到生产再到运输，流体的特性和性质是该行业的命脉。

实验室仪器仅在有限的条件下用于测量储层条件下的流体性质。 极高的压力和温度，冲击和振动，有限的动力供应，尤其是严格的空间限制，要求采用新颖和创新的方法来测量粘度和密度。 在本文中，我们探讨了在线粘度和密度测量的必要性，并介绍了一些新产品，这些新产品可以在一些行业最具挑战性的环境中进行在线测量。

流体知识就是力量–安全，经济地运行流程的力量。 在井下和工业条件下最难捕获的那些特性-粘度和密度-与了解流体在过程中可能发生的整个条件范围内如何反应最相关。

为什么粘度很重要

当流体流过管道时，以给定速率移动流体所需的压力取决于其粘度和管道尺寸。 粘度越高，推动流体通过管道所需的压力就越大。 流速由Poiseuille方程给出，其中F是流速，R是管道的半径，L是管道的长度，∆P是管道末端之间的压差，η是流体的粘度。

图1：流速与粘度的关系。

粘度越高，流速越低。 无论您是通过数千米的管道泵送钻井泥浆，压裂液还是原油，粘度的微小变化都可能对系统的压力平衡以及泵送流体所需的功率产生巨大影响。

例如，为了通过管道泵送重质原油，可以通过控制其粘度来降低泵送压力。 通过加热或稀释油来降低粘度是昂贵的。 要确定要添加多少热量或稀释剂，需要测量稀释后的原油的实际粘度。 通过使用在线粘度计和反馈控制器来调节稀释剂的温度或量，可以在降低粘度的附加成本和所需产品粘度之间达到最佳平衡。

如果管道是垂直的而不是水平的，则流体上的重力会增加其流动阻力，并改变管道上的压降：

其中ρ是流体的密度，∆H是管道的垂直高度，g是重力加速度。

从技术上讲，该公式仅对牛顿流体的层流正确。 但是，在许多不满足这些条件的情况下，一般关系会给出可用的估计。

图2：压降与密度的关系。

知道流体的密度对于维持井中的压力平衡至关重要。 并且由于使用流体的实际重量来计算产品的价值，因此准确的密度测量是贸易交接中的重要因素。

在线流体性质测量的重要性

尽管密度和粘度在上下游操作的各个方面都很重要，但是众所周知，在石油和天然气工业中发现的极端条件下，它们很难测量。 传统的实验室方法涉及精致，昂贵的仪器，这些仪器只能用于从现场操作中采集的样品。

但是，在钻井作业期间试图控制泥浆稠度的操作人员需要立即进行在线测量，以便能够实时优化钻井参数。 取样后数小时交付的实验室报告的价值有限，因为它反映的是过去而不是实际情况。

在压裂作业中，密度至关重要，以确定支撑剂的浓度是否在目标范围内。 在线密度测量至关重要，因为在压裂过程中会发生事情 来迅速。 同样，在固井中，了解固井的密度对于保持适当的压力平衡至关重要。 知道胶凝剂在凝固前几个小时的密度是什么，对操作员来说意义不大。 为了在高抽气压力下进行密度测量，核吸收仪是唯一的选择。 但是合规和核源处理成本的增加已成为该行业的巨大负担。

在线流体性质测量中最具挑战性的应用之一也是最有价值的。 它是在钻井过程中对地层流体的评估。

地层流体评估–从钻头到PVT实验室及其他

评价地层流体触及石油和天然气工业的基础。 知道存在哪些流体以及它们在提取和运输过程中的行为，对于安全，经济地钻探，完井和生产至关重要。

传统上，地层流体样品是通过电缆工具获得的。 他们的收集需要拉起钻柱，放置电缆工具，收集样品，然后将其发送到实验室，然后重新插入钻柱。 为了保持样品的完整性，有必要在将它们带到地面时将其保持在温度和压力的储层条件下，这在技术上是有挑战性且昂贵的过程。

先进传感器技术和高温电子设备的发展使得在电缆工具中包含粘度和密度传感器变得可行。 一个例子是带有 In-Situ Fluids eXplorer (IFX) 服务的 Baker Hughes 油藏表征仪器 (RCI)。 IFX 有线工具包括基于压电音叉谐振器的密度粘度传感器 - 非常适合在线密度和粘度监测的主要技术类别之一oring.

同时，贝克休斯（Baker Hughes）正在开发其FASTrak随钻测井服务（LWD），该服务可在钻井作业期间进行流体分析和采样，而无需中断进行电缆测井。 该系统结合了IFX工具的压电粘度密度测量系统。

2010年，贝克休斯联系了 Rheonics, Inc.（原 Viscoteers, Inc.）开发一种替代品，以替代 FASTrak 系统中使用的非常脆弱的压电音叉。 结果是 Rheonics DV-2000 是一款扭转音叉谐振器，最终形成了一系列在线密度 - 粘度传感器的基础，该传感器现已涵盖石油和天然气领域的广泛应用。

Rheonics DV-2000 及其后代

仔细观察一下是有启发性的 Rheonics DV-2000，因为它说明了密度粘度监测方法oring 这在概念上既具有普遍性，又在实施上具有通用性。

Rheonics DV-2000 是一种振动传感器，其谐振特性通过与流体的相互作用而改变。

DV-2000由两个耦合的扭转谐振器组成，它们一起构成扭转音叉，如下图所示，在LWD模块中的典型安装旁边：

图3：LWD流体分析模块中的DV谐振器。

谐振器浸入被测流体中。 尖齿包含永久磁铁，这些永久磁铁由放置在装有谐振器的加压流体腔室外部的线圈驱动并感应扭转振动。

当扁平的尖齿在扭转中振动时，它们以两种不同的方式与流体相互作用。 它们剪切流体，这导致通过粘性力将能量从尖齿传递到流体。 而且它们会排挤流体，从而导致与流体密度成比例的尖齿的质量负载。

当DV-2000由正弦波驱动时，其振幅在其共振频率处达到峰值。 它通过粘性力损失给流体的能量越多，其共振峰就越平坦，越宽。 类似地，当谐振器被稠密的流体加载时，其谐振频率会降低一定量，具体取决于流体的密度。

图4：通过粘性阻尼（增加的粘度）使共振峰变宽，并且通过质量载荷（增加的密度）使共振峰移动。

共振峰的宽度可用于推导流体的粘度，并且其共振频率的偏移可用于推导流体的密度。 与 Rheonics 该传感器采用 DVM 电子封装，可在高达 500°F 的温度和高达 30,000 PSI 的压力下测量密度和粘度。

DV-2000密度和粘度规格如下表所示：

贝克休斯进行的测试结果如下所示：harts。 前两个显示了涵盖指定粘度和密度范围的一系列流体的粘度测量精度。 第三个显示密度测量的准确性。 每个c中的两行hart 显示两种测量的允许误差的上限和下限。

表 1：性能规格 Rheonics DV-2000 传感器。

图5：不同流体传感器的粘度（左）和密度（右）精度。

在线密度-粘度仪器基于 Rheonics DV-2000

DV-2000出色的准确性，可重复性和鲁棒性使它被合并到两台更适合在线和过程应用的在线DV仪器中。

Rheonics DVM 是安装在钛块内的 DV-2000，配有高压入口和出口配件。 其实际测量体积约为0.7厘米³。 它的工作压力高达 30,000 PSI，温度高达 500 °F。 其精度和范围规格与上面给出的 DV-2000 类似，但其潜力远远超出规格。 主要应用 Rheonics DVM 一直在对现场油样进行 PVT 分析，其中需要使用非常少量的材料，同时将它们保持在油藏的温度和压力条件下。 以前的测量需要单独的仪器来测量密度和粘度，需要明显更大的样品体积以及繁琐的流体传输系统。

DVM也已用于测量液态和气态CO的密度和粘度₂ 在核心洪水实验中，其精度远超过上述目标指标。

基于 DVM 的第二种仪器是 Rheonics DVP 被设计为多功能在线传感器，用于储罐、管道和反应器。 其量程和精度规格与 DVM 相同，但压力等级较低，为 10,000 PSI。 DVP 适用于涉及多站监控的应用oring 管道中的流体、基于粘度的泵优化、贸易交接和高压在线密度监测oring。 DVP 是唯一能够在 10,000 PSI 范围内的压力下进行精确在线密度测量的非核仪器之一，因此，开辟了许多以前由间接方法（例如超声波传输或压差测量）覆盖的新应用领域。垂直的流体柱。

案例研究： Rheonics 现场石油分析和岩心驱替装置中的 DVM

在AsphWax，Inc.对活油样品进行密度和粘度测量。

Rheonics DVM 非常适合测量现场油样的特性，因为它的样品体积小，粘度测量范围广，无需中断测量运行以重新配置硬件，并且能够在同一台计算机上同时测量密度和粘度。样本。 由于竞争系统使用两个独立的仪器来测量密度和粘度，因此它们需要更大的样本量，并导致现场油样转移的复杂性。 下图显示了一个 Rheonics DVM 安装在烘箱内的活油样本罐中。 其紧凑的尺寸和简单的连接使其可以直接安装在现场油样容器上[1]。 与标准参考值相比，庚烷在46.8°C和341 bar压力下的试运行得出以下值：

DVM测量数据由AsphWax，Inc.的Stratos Geroulis提供。

表 2：测量精度 Rheonics DVM.

图6： Rheonics DVM 模块。

应用 Rheonics DVM2000 粘度计用于推断油藏乳液的流变特性

先进的EOR技术使用其中两种不混溶的液体被乳化的系统。 泡沫EOR涉及在储层中生成表面活性剂稳定的气-水乳状液，以控制置换气低粘度（N₂，轻烃，CO₂ 等），从而提高扫描效率。 在诸如ASP（碱性表面活性剂聚合物）驱油的化学EOR方法中，采油过程受表面活性剂诱导的油和水微乳液形成的控制，然后再追随聚合物引起的粘性盐水驱油。 两种方法都试图以最小的化学添加量优化储层条件下的流变性。 在储层条件下对制剂的流变行为进行实验室表征可能需要数天至数月的时间，这使得对制剂的快速筛选非常困难。 最重要和最不可控制的因素是多孔介质的特性。 这些性质可能会在实验过程中发生变化，从而几乎无法直接测量流变性质。

Rheonics DVM-2000 可以在几个小时内同时测量油藏条件下此类化学制剂的密度和粘度，从而使速率限制步骤成为过程中化学相互作用的时间尺度。 我们的客户在其核心驱油设备中使用 DV-2000，通过在油藏条件下进行精确的流变测量来加速产品开发。

同时测量密度和粘度的能力还提供了有关乳液质地的重要信息。 均匀的测量密度和稳定的粘度表明具有均匀分散相的稳定乳液。 另一方面，如果结构不均匀，如在段塞流中，则通过指示密度和粘度的强烈波动来定性地表明这一点。 这些信息对于 EOR 方法的设计和实施至关重要。 使用的典型流程设置示意图 Rheonics DVM-2000 装置如下图所示，其中两种不混溶的流体（其中一种通常是盐水中的表面活性剂配方）同时泵送通过在线混合器， Rheonics DVM-2000监视器oring 系统和串联的核心驱油系统。

图7：带有嵌入式DVM模块的核心洪水设置。

在线共振密度和粘度测量的展望

提供的类型的谐振流体特性传感器 Rheonics, Inc. 正在突破被认为只有实验室级仪器才能实现的测量极限。 除了上述应用之外，这些传感器还用于测量蜡和沥青质的沉积。 Rheonics基本技术可以经过优化，不仅可以测量沉积，还可以实时测量腐蚀，从而可以在现场条件下进行化学处理的有针对性的剂量。

三分之一 Rheonics SRV 传感器能够测量很宽的粘度范围，从小于 1 cP 到高达 50,000 cP。 它是一种高度稳定的过程控制仪器，适用于制造和计量操作，甚至适用于分散液、浆料和其他非典型流体。 目前它被用于在高价值涂料应用中精确控制非牛顿浆料的粘度。 它还可用于监测和控制管道和管道中流体的粘度，包括船用发动机的船用油燃烧器系统以及加热或稀释的重质原油的管道运输。