APARATO Y MÉTODO PARA EVALUACIÓN DE FLUIDO DE SERVICIOS DE
POZO USANDO RAYOS X
ANTECEDENTES Esta exposición se relaciona con un aparato y método para evaluar fluidos encontrados en un contexto de servicios de pozo usando rayos X. Más específicamente, esta exposición se relaciona con un sistema para usar rayos X para determinar la densidad y fracciones de fase de un fluido de servicios de pozo tales como un fluido de fracturación, suspensión de cemento, una mezcla de lodo de perforación y detritos, y cualquier otro fluido que pueda encontrarse. Estas mediciones generalmente se toman arriba de la tierra usando un generador de rayos X y6 un detector de radiación de medición con el fluido de interés estando alojado en un tubo. Adicionalmente, un segundo detector de radiación de referencia se puede usar que detecta una señal filtrada del generador de rayos X y controla un voltaje de aceleración y una corriente de haz del generador de rayos X. Es común en la recuperación de hidrocarburos de formaciones subterráneas fracturar la formación que contiene hidrocarburo para proporcionar canales de flujo a través de los cuales el fluido deseado se puede obtener. En dichas operaciones, un fluido de fracturación se inyecta hacia un
pozo de sondeo que penetra la formación subterránea y es forzado contra los estratos de formación mediante presión. Los estratos de formación o roca es forzada a agrietarse o fracturarse, y un propulsor se coloca en la fractura mediante movimiento de un fluido viscoso que contiene propulsor hacia la grieta de la roca. La fractura resultante, con propulsor en su lugar, proporciona flujo mejorado del fluido recuperable, es decir, petróleo, gas, o agua, hacia el pozo de sondeo. Los fluidos de fracturación frecuentemente comprenden una solución acuosa espesada o gelificada que tiene suspendidas en la misma partículas de propulsor que son substancialmente insolubles en los fluidos de la formación. Las partículas de propulsor llevadas por el fluido de fracturación permanecen en la fractura creada, abriendo por impulso de esta manera la fractura cuando la presión de fracturación se libera y el pozo se pone en producción. Los materiales propulsores apropiados incluyen arenas (silicio, cerámica, resina), cáscaras de nuez, bauxita sinterizada, cuentas de vidrio, sales, o materiales similares. La fractura impulsada proporciona un canal de flujo mayor al pozo de sondeo a través del cual puede fluir una cantidad aumentada de hidrocarburos.
En la industria, es deseable supervisar la calidad del fluido dentro del sistema. Esto incluye supervisar la concentración de partículas dentro del fluido. Los métodos actuales para controlar la calidad de la adición de partículas incluyen: pesado de lote antes y después de trabajo, medición mecánica durante la adición de partículas, o mediciones radioactivas de las suspensiones de fluido durante las operaciones. El pesado de lote proporciona control de calidad del producto total acumulativo usado, pero no proporciona control de calidad durante las operaciones en vuelo para programas previamente diseñados que varían el régimen y cuyas partículas se añaden durante diferentes fases de la inyección . La medición mecánica involucra medir el régimen al que la partícula se añade y el régimen del fluido antes de la adición (régimen limpio) y luego usando estos regímenes para calcular la concentración de partículas de la suspensión. El cálculo para concentración se basa en el conocimiento de la densidad del fluido y el material en partículas. Sin embargo, la medición mecánica es propensa a deslizamiento e imprecisiones debido a las eficiencias del sistema mecánico que se está empleando. La calidad de la medición por lo tanto
es limitada. La densidad de fluidos de fracturación se ha determinado usando sistemas radioactivos también. Específicamente, los densitómetros de rayos gamma se están usando actualmente en el campo petrolero para controlar el equilibrio de masa de propulsor en trabajos de fracturación. La medición básica es la atenuación de Cesio (Cs137) 662 keV gamma-rayos mediante el fluido de fracturación. Con calibración y procesamiento de datos apropiados, el error de equilibrio de masa de propulsor está en la escala de 1-2%. Este tipo de sistema toma una sola medición del flujo de radiación que llega al detector y determina una densidad de esta medición. Mientras que este tipo de sistema puede proporcionar un resultado preciso, hay desventajas al uso de una fuente química tal como Cs147 en mediciones en el campo. Cualquier fuente radioactiva lleva riesgo elevado y requerimientos de operación estrictos. Estos intereses de operación con fuentes químicas han conducido a un deseo de utilizar una fuente de radiación más segura. Aún cuando las fuentes químicas introducen algunas dificultades, también tienen algunas ventajas significativas. Específicamente, la degradación de su radiación de salida durante el tiempo es
estable permitiéndoles proporcionar una señal de radiación altamente predecible. Un generador de radiación eléctrica aliviaría algunos de estos intereses, pero la mayoría de los generadores de fotón eléctrico (tales como generadores de rayos X) están sujetos a intereses tales como voltaje y fluctuación de corriente de haz. Si estas fluctuaciones se pueden controlar, esto proporcionaría una fuente de radiación altamente deseable. Además de medir la densidad del fluido de fracturación, también es útil medir propiedades de otros fluidos utilizados en el campo petrolero. Por ejemplo, cuando la producción en un pozo llega a un cierre, es necesario llenar el pozo con una suspensión de cemento para estabilizar las fracturas restantes que rodean al pozo. Es deseable usar la misma herramienta usada para determinación de densidad de fluido de fracturación para determinar las fracciones de fase de agua y cemento en la suspensión de cemento. Los sistemas del ramo anterior para determinación fracción de fase también han utilizado fuentes químicas que pueden ser no deseables debido a las razones arriba detalladas. Consecuentemente, se ha identificado una necesidad de una herramienta que se pueda usar para determinar propiedades de cualquier fluido encontrado en el contexto de
servicios de pozo. Un ejemplo especifico es medir la densidad del fluido de fracturación empleando un generador de fotones eléctrico tal como un generador de rayos X. Este generador debe ser estable durante el tiempo con sus parámetros estrechamente controlados para asegurar mediciones precisas independientemente de condiciones cambiantes. Adicionalmente, se desea usar el mismo sistema para determinar las fracciones de fase de cemento y agua en una suspensión de cemento o las características de cualquier otro fluido de servicios de pozo que se puedan encontrar. BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN En consecuencia de los antecedentes arriba discutidos, y otros factores que se conocen en el campo de determinación de densidad de fluido de fracturación, los solicitantes reconocieron una necesidad de un aparato y método para determinar las propiedades de fluidos recogidos en un ambiente de servicios de pozo. Los solicitantes reconocieron que un generador de rayos X con un voltaje de aceleración cuidadosamente controlado y corriente de haz se podían usar junto con uno o más detectores de radiación para proporcionar una medida confiable de las características de un huésped de fluidos. Una modalidad comprende un método y aparato para
determinar la densidad de un fluido de fracturación . En un aspecto, un generador de rayos X proporciona entrada de radiación que es atenuada por un fluido de fracturación en un tubo. La radiación atenuada se mide y se determina una densidad del fluido de fracturación. Adicionalmente, la salida de radiación por el generador de rayos X se puede filtrar para producir una región de energía elevada y una región de baja energía, este espectro siendo introducido a un detector de radiación. La salida de este detector de radiación se usa para controlar el voltaje de aceleración y corriente de haz del generador de rayos X. Otra modalidad de la presente invención permite la determinación de las fracciones de fase de agua y cemento en suspensión de cemento. Nuevamente, la radiación se introduce a un tubo a través del cual la suspensión de cemento está pasando; las lecturas de un detector de radiación se usan para calcular las fracciones de fase. La presente invención es útil en cualquier fluido encontrado y no está limitada a los dos ejemplos específicos detallados en la presente. LOS DIBUJOS Los dibujos que se acompañan ilustran modalidades de la presente invención y son una parte de la
especificación. Junto con la siguiente descripción, los dibujos demuestran y explican los principios de la presente invención . La Figura 1 es una vista esquemática del contexto operacional en el que el presente aparato y método se pueden usar con ventaja; La Figura 2 es una representación gráfica de una salida de espectro de energía de radiación por un generador de rayos X; La Figura 3 es una representación esquemática de una modalidad de la presente invención; La Figura 4 es una representación esquemática de otra modalidad de la presente invención que comprende un detector de referencia; La Figura 5 es una representación esquemática de otra modalidad de la presente invención que comprende un detector de referencia y una ventana en la pared del tubo; La Figura 6 es una representación gráfica de un espectro de radiación filtrado usado en el control de un generador de rayos X; La Figura 7 es una representación esquemática de una modalidad de un tubo de rayos X; La Figura 8 es una representación esquemática de un
detector de radiación que se puede usar; La Figura 9 es una representación esquemática de la estructura general de una modalidad de la invención; La Figura 10 es una esquemática detallada de una modalidad de la invención operable para sujetarse a un tubo. DESCRIPCIÓN DETALLADA Haciendo ahora referencia a los dibujos y particularmente a la Figura 1 en donde los mismos números indican partes semejantes, se muestra una ilustración esquemática de un contexto 100 operacional de la presente invención. Esta figura muestra un ejemplo de una aplicación de la invención para determinar la densidad de fluidos de fracturación . La invención es aplicable a cualesquiera fluidos de servicios de pozo y esta se está describiendo como un ejemplo. Como se describe arriba, el fluido de fracturación generalmente comprende un fluido que se está mezclando con un propulsor sólido. La fuente 102 de propulsor suministra material sólido mientras que la fuente 104 de fluido proporciona la base fluida para el fluido de fracturación. El propulsor y el fluido se mezclan en el punto 110 para convertirse en fluido de fracturación. En una modalidad, un dispositivo para determinar la densidad del fluido de fracturación se sujeta al tubo. Las
esposas 114 están conectadas por el mecanismo 116 de conexión. No ilustrada está una articulación opuesta u otro mecanismo de conexión que permite que el dispositivo se abra y coloque sobre o separe del tubo. El generador 112 de rayos X crea radiación que se pasa a través del tubo asi como sus contenidos. La señal de radiación resultante se mide mediante el detector 118 de radiación de medición. La salida de radiación del generador 112 de rayos X se mide mediante el detector 120 de radiación de referencia. La información de estos detectores luego se usa para determinar la densidad del fluido de fracturación y, si se usa un detector de radiación de referencia opcional, para controlar el voltaje de aceleración y corriente de haz del generador 112 de rayos X. Algunos ejemplos de escenarios en los que esta invención es ventajosa incluyen supervisión permanente, prueba móvil, prueba de laboratorio, y optimización de elevación artificial. Aquellos de experiencia ordinaria en el ramo reconocerán que estos son meramente ejemplos de posibles usos y los ejemplos anteriores no son exhaustivos. Físicas de Rayos X Los tubos de rayos X producen rayos X acelerando electrones hacia una meta o blanco a través de una diferencia de voltaje positivo elevada entre el blanco y la fuente de
electrones. El blanco es suficientemente grueso para detener todos los electrones incidentes. En la escala de energía de interés, los dos mecanismos que contribuyen a la producción de fotones de rayos X en el proceso de detener los electros son fluorescencia de rayos X y radiación fotónica de frenado electromagnético . La radiación de fluorescencia de rayos X es el espectro de rayos X característico producido después de la expulsión de un electrón desde un átomo. Los electrones incidentes con energías cinéticas mayores que la energía de enlace de electrones en un átomo de blanco pueden transferir algo (Efecto de Compton) o todo (Efecto Fotoeléctrico) de la energía cinética incidente a uno o más de los electrones ligados en los átomos de blanco expulsando de esta manera el electrón del átomo. Si un electrón es expulsado de la coraza atómica más interna (Coraza-K) , entonces se producen rayos X K, L, M y otros característicos. Los rayos X K se desprenden cuando un electrón se inserta desde una coraza de nivel superior hacia la Coraza-K y son la radiación de fluorescencia más energética desprendida por un átomo. Si un electrón es expulsado desde una coraza externa (L, M, etc.) entonces ese tipo de rayos X se genera. En la mayoría de los casos los
rayos X L y M son tan bajos en energía que no pueden penetrar la ventana del tubo de rayos X. A fin de expulsar estos electrones de Coraza-K, una entrada de más de 80 kV se requiere en el caso de un blanco de oro (Au) debido a su energía de enlace. Otro tipo de radiación es la radiación fotónica de frenado electromagnético. Este se produce durante la desaceleración de un electrón en un campo eléctrico fuerte. Un electrón energético que entra a un blanco sólido encuentra campos eléctricos fuertes debido a los otros electrones presentes en el blanco. El electrón incidente se desacelera hasta que ha perdido toda su energía cinética. Un espectro de energía de fotones continua se produce cuando se suma sobre muchos electrones desacelerados. La energía de fotón máxima es igual a la energía cinética total del electrón energético. La energía de fotón mínima en el espectro de radiación fotónica de frenado electromagnético es aquella de fotones justamente capaces de penetrar el material de ventana del tubo de rayos X. La eficiencia de convertir la energía cinética de los electrones acelerados en la producción de fotones es una función del voltaje de aceleración. La energía media por fotón de rayos X aumenta a medida que aumenta el voltaje de
aceleración de electrones. Un espectro de radiación fotónica de frenado electromagnético se puede alterar usando un filtro y cambiando (1) la composición del filtro, (2) el espesor del filtro, y (3) el voltaje de operación del tubo de rayos X. Una modalidad descrita en la presente utiliza un solo filtro para crear crestas de energía bajas y altas del mismo espectro de radiación fotónica de frenado electromagnético. Específicamente, un filtro se usa para proporcionar un solo espectro medido mediante un detector de radiación de referencia con una cresta de baja energía y una creta de energía elevada. La Figura 2 muestra un espectro 206 de radiación fotónica de frenado electromagnético que se puede emplear en la presente invención. El eje 202 de ordenada representa la energía medida en keV. El eje 204 de abscisa es el régimen de cuenta o el número de fotones por segundo por keV que son incidentes en un detector de radiación. Esta radiación de entrada se filtra como se describe arriba. Densitómetro de Fluido de Fracturación Un ejemplo de un uso para la invención en un ambiente de servicios de pozo es determinar la densidad de un fluido de fracturación. La densidad de un material se puede
obtener midiendo la atenuación de radiación pasada a través de ese material. Además, si el fluido es un fluido de dos fases, la misma medición se puede usar para determinar las fracciones de fase del fluido. En el caso de la mayoría de fluidos de servicios de pozo, en una modalidad, la radiación debe pasar a través de una pared de pozo, el fluido, y otra pared de tubo antes de ser medida por un detector de radiación. Debido a esto, una señal de radiación de energía relativamente elevada se usa. Específicamente, los tubos se hacen generalmente de acero (en gran parte consistiendo de hierro) que tiene un coeficiente de atenuación de masa que es casi independiente de energía superior a 200 keV. Consecuentemente, fotones de 200 JeV penetran las paredes de un tubo de hierro casi tan fácilmente como los rayos gamma de 662 keV emitidos de un Cesio (127Cs) o los rayos gamma de 1332 keV de Cobalto (60Co) . Esto beneficia al sistema debido a que la señal de 200 keV de un generador de rayos X puede ser más efectivamente protegida haciendo al sistema más estable y eliminando las desventajas de usar una fuente de radiación química. Aún cuando proporcionan un número de ventajas, a diferencia de fuentes químicas, todos los generadores de rayos X son susceptibles a degradación de funcionamiento a
través del tiempo. Debido a esta razón, en una modalidad, un detector de radiación de referencia se usa para controlar la corriente de haz y el voltaje de aceleración del generador de rayos X. La densidad de un material se puede determinar analizando la atenuación de rayos X pasados a través del material. La medición inicial que se va a encontrar no es la densidad de masa, p, que será el producto eventual, sino el índice de densidad de electrones, pe, del material. El índice de densidad de electrones está relacionado con la densidad de masa mediante la definición
2 Z P. =——P
La atenuación de un haz de rayos X de energía E, intensidad I0(E), que pasa a través de un espesor ' de material con una densidad 'pe' se puede escribir
/<£) = /„(£ ;
en donde cualquier interacción de los fotones que atraviesan el material atenúa al haz. Aquí, m(E) es el coeficiente de atenuación de masa del material. Es importante observar que este coeficiente de atenuación de masa es variable dependiendo del tipo de fluido que está presente. Para
encontrar el valor, la prueba de calibración frecuentemente se realiza o, alternativamente, se hace una serie de cálculos basados en la química conocida del fluido que está presente. 1(E) en la ecuación anterior no incluye la detección de fotones creados después de la absorción fotoeléctrica o múltiples fotones dispersos. En el caso de la mayoría de los fluidos de servicios de pozo, los coeficientes de atenuación de masa de cada fase serán conocidos. Sin embargo, si es necesario, estos valores se pueden encontrar mediante cálculos o pruebas de calibración usando este sistema. Volviendo a la figura 3, se muestra una modalidad de la invención. En esta modalidad, el generador 302 de rayos X crea un espectro como el mostrado en la figura 2. Esta radiación se pasa a través de una pared del tubo 306. Un fluido de servicios de pozo fluye a través del interior 305 del tubo 306. La radiación luego pasa a través del fluido de servicios de pozo y a través de la pared opuesta del tubo 306. La señal de radiación resultante se mide mediante el detector 308 de radiación. La salida del detector 308 de radiación luego se pasa a lo largo de la línea 317 a la unidad 318 de análisis. La unidad 318 de análisis utiliza la salida del detector 308 de radiación para determinar la densidad del fluido de servicios de pozo como se detalla
abaj o . La Figura 4 muestra otra modalidad de la invención. En esta modalidad, el generador 402 de rayos X crea un espectro como el mostrado en la figura 2. Esta radiación se pasa a través de una pared del tubo 404. El fluido de servicios de pozo fluye a través del interior 405 del tubo 404. La radiación pasa a través del fluido de servicios de pozo y a través de la pared opuesta del tubo 404. La señal de radiación resultante se mide mediante el detector 408 de radiación de medición. La salida del detector 408 de radiación luego se pasa opcionalmente a una unidad 412 de análisis . Además del detector 408 de radiación de medición, el detector 410 de radiación de referencia mide la salida del generador 402 de rayos X directamente. El propósito de este detector 410 de referencia es controlar la corriente de haz y el voltaje de aceleración del generador 402 de rayos X. Las unidades 412 y 418 de análisis, conectadas mediante la linea 417, reciben las señales de salida de los detectores de radiación y realizan los cálculos descritos en la presente. A fin de controlar correctamente estos valores, la señal de radiación se debe filtrar mediante el mecanismo 406 de filtro. Cualquier material de Z elevado se puede usar para
filtrar el espectro de radiación de entrada y producir el espectro de cresta doble que se desea. En una modalidad, el filtro es oro (Au) y produce el espectro mostrado en la figura 6, otros materiales posibles incluyen, pero no están limitados a, plomo (Pb) , tungsteno (W) , bismuto (Bi) , y mercurio (Hg) . En esta figura, el eje 602 de abscisa representa la energía medida en keV. El eje 604 de ordenada es el régimen de cuenta o el número de fotones por segundo por keV que son incidentes en un detector de radiación. El trazo 608 representa una región de baja energía de la señal, el trazo 610 representa una región de alta energía de la señal. El detector de radiación de referencia guarda la radiación hacia dos ventanas, una ventana de energía elevada con todas las cuentes a una energía superior que el punto 606 y una ventana de baja energía con todas las cuentas a una energía inferior al punto 606. La cuenta de energía elevada se refiere como IRH mientras que la cuenta de baja energía se refiere como IRL. Como se mencionó arriba, las cuentas en el detector de radiación de referencia se usan para controlar el voltaje de aceleración y corriente de haz del generador 402 de rayos X. Esto es necesario debido a que cualquier generador de rayos X está sujeto a fluctuaciones eléctricas que podrían
ocasionar error en el cálculo de densidad resultante. La IRH e IRL son ambas proporcionales el número de electrones que pegan en el blanco en cualquier momento dado. Adicionalmente, la
relación de es proporcional al voltaje de aceleración del generador de rayos X Vx_rayo. Viendo a la figura 6, si el voltaje del generador de rayos X disminuyó a través del tiempo, el espectro se desplazaría algo a la izquierda. Esto ocasionaría que menos electrones se coloquen en la ventana de
energía elevada y que la relación ' disminuiría. Esta modalidad evita este problema supervisando esta relación, posiblemente en la unidad 412, y alterando el voltaje de aceleración del generador 402 de rayos X para mantener un espectro consistente. Además, es importante controlar cuidadosamente la salida de corriente de haz por el generador de rayos X. Esta se puede también controlar usando el detector de referencia. El detector de referencia cuenta el número de fotones incidentes en la región de energía elevada y la región de baja energía. La salida del detector de referencia se puede usar ya sea supervisando una de estas cuentas o la suma de las dos cuentas. La salida del detector de referencia se usa
para controlar al generador de rayos X y asegurar una corriente de haz constante. Otra modalidad que usan un detector de referencia se muestra en la figura 5. En esta modalidad, un filtro 504 se coloca en la salida del generador 502 de rayos X para producir una señal como aquella mostrada en la figura 6. La señal se pasa a través de una ventana en el tubo 506, a través del fluido de servicios de pozo en el interior 505 del tubo 506, y fuera a través de otra ventana en el tubo 506. La radiación de salida se mide mediante el detector 508 de radiación de medición. La señal de radiación filtrada también se mide mediante el detector 510 de radiación de referencia para controlar el voltaje de aceleración y la corriente de haz del generador 502 de rayos X como se describe arriba. Las unidades 512 y 518 de análisis, conectadas mediante la linea 517, reciben las señales de salida de los detectores de radiación y realizan los cálculos descritos en la presente. Esta modalidad es útil cuando se determinan las fracciones de fase de un fluido que tiene tres fases. El método para esto se puede encontrar en la Solicitud de Patente de EÜA Número 11/425,285 cedida a Schlumberger Technology Corporation. La Figura 7 muestra un ejemplo de un tubo 700 de rayos X que se puede usar. Nótese que cualquier tubo de rayos
X se puede usar siempre que el voltaje de aceleración y la corriente de haz se puedan controlar. El elemento 702 es un cátodo que es operable para liberar electrones en respuesta a exposición a calor. La introducción de una pequeña corriente calienta al cátodo 702 y ocasiona que libere electrones. La rejilla 704 es operable para mover electrones liberados del cátodo 702 hacia la sección 706 de aceleración de electrones. En una modalidad, esta rejilla 704 está hecha de níquel (Ni) . La sección 706 de aceleración acelera electrones hacia el blanco 708. En una modalidad, este blanco es oro (Au) . Después del choque con el blanco 706, el tubo 700 genera rayos X apropiados para uso en la presente invención. Los detectores 308, 408, 410, 508, y 510 de radiación pueden ser cualquier tipo de detector de radiación que es capaz de supervisar radiación incidente y producir una señal de salida correspondiente a esa radiación. Generalmente, el tipo de detector de radiación usado comprende un material de cintilación puesto en interfaz con un fotocátodo y multiplicador de electrones. Un ejemplo de un detector de radiación que se puede usar se describe en la Solicitud de Patente de EUA Número 09/753,859 cedida a Schlumberger Technology Corporation. Este detector de radiación se ilustra en la figura 8. El detector 800 de
radiación comprende una ventana 802 óptica y un alojamiento 804 de ventaja fijado, un cilindro 808 primario que tiene una ventana 806 de entrada de radiación fijado, un cristal 807 de cintilación y una placa 810 de cierre. La ventana 802 óptica típicamente se hará de una placa de vidrio o zafiro. El alojamiento externo del detector usualmente se hará de una aleación de sello de vidrio tal como Kovar. Este tipo de detector es ventajoso debido a que corrige su función con temperaturas y condiciones cambiantes. Esto asegura que una lectura constante se pueda obtener en cualquier ambiente de traba o . La figura 9 muestra la disposición física general del densitómetro de fluido de fracturación . El tubo 901 transporta fluido 906 de fracturación y puede ser un tubo de prueba o un tubo de producción insertando o removiendo activamente el fluido de servicios de pozo hacia una perforación. El generador 902 de rayos X emite la señal 904 de radiación a través de la primera pared del tubo 901, el fluido de fracturación, y la segunda pared del tubo 901. La señal de radiación resultante se mide mediante el detector 908 de radiación de medición. El detector 910 de radiación de referencia mide la salida del generador 910 de rayos X para controlar su voltaje de aceleración y corriente de haz como
se describe arriba. La figura 10 es una esquemática detallada de una modalidad de la invención. El fluido 1004 de servicios de pozo fluye a través del tubo 1003. La invención se fija al tubo 1003 a través del alojamiento 1001 de sujeción que está conectado en los puntos 1002 de mecanismo de conexión. En una modalidad, este mecanismo de conexión es un perno del tipo que asegura la abrazadera en ambos lados. El generador 1005 de rayos X comprende el tubo 1006 de rayos X y hardware asociado. Las pestañas 1010 ciegas encierran el tubo de rayos X y aseguran que la radiación no se libere. Absorbedores 1008 de choque amortiguan la vibración encontrada por el tubo de rayos X. La tapa 1014 de tungsteno proporciona protección. El detector 1016 de radiación de referencia mide la salida del tubo 1006 de rayos X mientras que el detector 1018 de radiación de medición mide la radiación que ha pasado a través del tubo 1003 y el fluido 1004 de fracturación . La densidad de una mezcla, pmezcia de dos materiales inmiscibles, el sólido S con densidad ps y el liquido L, con densidad pL y el liquido con densidad pL, se proporciona por
P~ = Ps ¦ Á ¦ i. (' = Ps ¦ Á -· Pi 0 ? )
En donde fs es la fracción de volumen VS/VT del sólido, y fL es la fracción de volumen VL/VT del liquido, en donde VT = Vs
+ VL. Las suspensiones de propulsor se especifican mediante la concentración de propulsor Pc, la masa del propulsor sólido añadido a un volumen determinado del fluido. Pc puede representarse por
P M - ¿ -A
Usando esto, la densidad de la mezcla se puede escribir en términos de la concentración de propulsor
Pc + Ps Las unidades convencionales para la concentración de propulsor son libras de propulsor por galón de fluido mientras que la densidad generalmente se expresa en masa por volumen unitario (gm/ml) . La ecuación anterior se puede alterar para considerar estas unidades como sigue
???, > I
y de manera similar
\l 8.3-4·/.·,·/, P. v, i - A
proporcionando de esta manera la densidad de la mezcla. Determinación de Fracción de Fase de Suspensión de Cemento
Otro uso para la presente invención es la determinación de la fracción de fase de un fluido de servicios de pozo de dos fases. A fin de determinar las fracciones de fase de los componentes de una muestra de dos fases, tal como suspensión de cemento, se toman mediciones de atenuación usando la presente invención. La medición corresponde a la siguiente ecuación
en donde IM es el número de cuentas detectadas por un
detector de radiación de medición, " es el número de cuentas cuando la radiación se pasa a través de la celda de muestra vacia, d es el diámetro de la celda de muestra, ai es la fracción de fase de fluido del primer constituyente fluido tal como propulsor, y a2 es la fracción de fase de fluido del segundo constituyente, tal como agua. Estas fracciones son desconocidas y son el objeto de interés. Esta ecuación se puede resolver para proporcionar la siguiente
En este punto, hay una sola ecuación con dos desconocidos, de modo que se necesita una ecuación adicional para resolver las fracciones de fluido. Los fluidos de muestra comprenden dos
fases, así que también se sabe que
t , , = I .
Usando estas dos ecuaciones, las fracciones de fluido de los dos componentes que forman el fluido de servicios de pozo se pueden determinar basados en la radiación pasada a través de la muestra. La fracción de fase es especialmente importante en el caso de suspensión de cemento en donde es necesario obtener la relación correcta de agua a sólido. En algunos casos, una suspensión de cemento tendrá un gas inyectado en la misma creando una tercera fase que se debe determinar. Esto se puede hacer en una de dos formas. El primer método es hacer como arriba y determinar primero la fracción de fase de sólido y líquido antes de inyectar el gas. Una vez que el gas se ha inyectado, la misma medición se puede realizar sabiendo que una fase es la mezcla de sólido/líquido y la otra fase es el gas. Esto proporciona la cantidad relativa de cada fase y permite determinar para las tres fracciones de fase. Una alternativa a este método es usar la configuración mostrada en la figura 5. En esta configuración, una señal de radiación filtrada tal como aquella mostrada en la figura 6 se envía a través del fluido de tres fases de interés. El detector de radiación de medición toma una
medición en la región de energía elevada y la región de baja energía y guarda la radiación resultante en una cuenta de energía elevada y una cuenta de energía baja. La medición de alta energía corresponde a la siguiente ecuación
en donde IMH es el número de cuentas de energía elevada
detectadas por el detector de radiación de medición, es el número de cuentas de energía elevada cuando la radiación se pasa a través de la celda de muestra vacía, d es el diámetro de la celda de muestra, ai es la fracción de fase de fluido de una primera fase, OÍ2 es la fracción de fase de fluido de una segunda fase, y a3 es la fracción de fase de fluido de una tercera fase. Estas fracciones son desconocidas y son el objeto de interés. La medición de baja energía corresponde a la siguiente ecuación
en donde IML es el número de cuentas de baja energía
detectadas por un detector de radiación de medición e es el número de cuentas de baja energía cuando la radiación se pasa a través de la celda de muestra vacía. Ambas de estas
ecuaciones se pueden resolver para proporcionar la siguiente
TíoT
para la medición de energía elevada y
- µ.??a, 4 µ,??a, + µ?a
para la energía baja. Resolviendo para ambas las mediciones de energía elevada y baja energía, esto proporciona dos ecuaciones y tres desconocidos, de modo que se necesita una ecuación adicional para resolver las fracciones de fluido. Los fluidos de muestra comprenden tres fases, así que también se sabe que
<7, + a , Gr, - 1.
Usando estas tres ecuaciones, las fracciones de fluido de todas las tres fases se pueden determinar basados en la radiación pasada a través de la muestra. Un ejemplo es las fracciones de fase de agua, sólido, y gas en una suspensión de cemento. La aplicación de esta invención no está limitada a los fluidos específicamente enumerados arriba. Cualquier fluido encontrado en un ambiente de servicios de pozo puede ser evaluado de densidad y fracciones de fase usando las
estructuras y métodos descritos en la presente. La herramienta es poderosa debido a que utiliza una fuente segura de radiación y el altamente portátil permitiendo prueba temporal o permanente en el campo con un nivel bajo de riesgo. La descripción anterior se ha presentado solamente para ilustrar y describir la invención y algunos ejemplos de su implementación. No se pretende que sea exhaustiva ni que limite la invención a cualquier forma precisa descrita. Son posibles muchas modificaciones y variaciones y se verán por uno de experiencia ordinaria en el ramo en la luz de la descripción y dibujos anteriores. Los diversos aspectos fueron seleccionados y descritos a fin de explicar mejor los principios de la invención y sus aplicaciones prácticas. La descripción anterior se pretende que permita a otros expertos en el ramo utilizar mejor la invención en las diversas modalidades y aspectos y con diversas modificaciones como sean apropiadas para el uso particular contemplado. Se pretende que el alcance de la invención sea definido por las siguientes reivindicaciones; sin embargo, no se pretende que cualquier orden sea observado por la secuencia de pasos mencionados en las reivindicaciones de método a menos que se mencione
directamente un orden específico.