Mud logging: i trasmettitori di pressione devono fornire le massime prestazioni

Mud logging: i trasmettitori di pressione devono fornire le massime prestazioni

Con il temine “mud logging”si indicano i metodi analitici eseguiti sul fluido di perforazione durante le trivellazioni. In questo ambito servono trasmettitori di pressione ad alte prestazioni e, soprattutto, resistenti.

Il termine è costituito dalle parole inglesi “mud” (fango) e “logging” (rilevamento) e già offre una buona, seppure incompleta definizione del processo coinvolto: i mud logger – conosciuti anche con il nome di specialisti di surface logging – vengono incaricati dalle aziende di perforazione per fornire registrazioni dettagliate sul foro di trivellazione. I mud logger analizzano le informazioni che vengono portate in superficie durante la perforazione ed è per questo che molte aziende utilizzano anche il termine “servizi di surface logging”. Il fango di perforazione è la componente più importante del mud logging, poiché porta le informazioni dalla profondità del foro fino alla superficie, dove poi si procede ad analizzare i detriti di perforazione (detti “cutting”) contenuti nel fluido di perforazione circolante. 

Le analisi creano un protocollo dipendente dalla profondità per la determinazione della profondità degli idrocarburi, l’identificazione della litologia del foro e il monitoraggio del gas naturale che penetra nel fango di perforazione durante le trivellazioni. Ulteriori scopi del mud logging sono la determinazione della pressione interstiziale e della porosità, nonché la determinazione della permeabilità della formazione perforata, la raccolta, il monitoraggio e la valutazione degli idrocarburi, la valutazione della producibilità delle formazioni di idrocarburi e, infine, la registrazione dei parametri di perforazione. Questi dati sono importanti per garantire lo svolgimento di operazioni di trivellazione sicure e ottimizzate dal punto di vista economico. 

Il mud logging avviene in tempo reale in laboratori mobili allestiti sul sito di perforazione. I dati in tempo reale vengono utilizzati direttamente per il controllo della foratura. I servizi di mud logging vengono generalmente realizzati da specialisti incaricati dall’azienda di perforazione. La STS mette a disposizione i trasmettitori di pressione ad alcuni di questi offerenti di servizi di mud logging. 

Sensori di pressione nei processi di foratura: la resistenza è la chiave 

Per monitorare il processo di foratura, i mud logger installano diversi sensori sulla trivellatrice. Riuscire ad individuare anche le minime perdite nella pressione di perforazione richiede un’elevata precisione. Inoltre, il rilevamento deve avvenire senza ritardi per evitare rischi e costi legati alle irregolarità. 

I siti di perforazione sono ambienti ostili e come tali possono richiedere molto dai sensori impiegati. I due principali fattori sotto questo punto di vista sono il fango stesso e le vibrazioni che si generano durante le operazioni di perforazione. 

Immagine 1: Trasmettitore di pressione per applicazione Mud Logging

Per resistere a queste difficili condizioni, la STS fornisce alle aziende che offrono servizi di surface logging il trasmettitore di pressione ATM/ECO/EX realizzato con uno speciale corpo esterno. Il trasmettitore di pressione certificato ATEX è ottimizzato per campi di alta pressione. Le vibrazioni che si verificano durante le operazioni di perforazione influenzano principalmente il punto di contatto con il collegamento di processo. La STS ha risolto il problema con una doppia saldatura del collegamento. Inoltre, il corpo in acciaio inossidabile è più spesso rispetto al modello standard (26,5 mm). Oltre ai campi di alta pressione e alle forti vibrazioni, il fango di perforazione pone un’altra problematica, potendo intasare il canale di pressione. Per evitare che si intasi, abbiamo realizzato il canale leggermente più ampio (10 mm). Normalmente un canale di pressione più largo può compromettere la membrana di pressione. Tuttavia, poiché con le applicazioni di questo tipo sono presenti per lo più pressioni statiche, questo non rappresenta un problema.

Mud Pulse Telemetry: trasmettere i dati MWD con i sensori di pressione

Mud Pulse Telemetry: trasmettere i dati MWD con i sensori di pressione

Per trasmettere i dati idraulici servono sensori di pressione che siano sensibili e, allo stesso tempo, in grado di resistere alle alte pressioni. Questo vale soprattutto per le applicazioni MWD (dall’inglese “Measurement While Drilling”).

Con le applicazioni MWD i dati vengono rilevati durante le operazioni di scavo. Il sistema MWD è diventato un’applicazione standard soprattutto per il “directional drilling offshore”. La raccolta dei dati in tempo reale è essenziale affinché l’operatore della trivella possa guidare lo strumento nel punto giusto. A tale scopo sulla testa della trivella vengono installati diversi sensori che servono a fornire in tempo reale informazioni sull’area di perforazione. I sensori utilizzati sono sensori di inclinazione, temperatura, ultrasuoni e radiazioni. Tutti questi diversi sensori sono collegati tra loro in modo fisico o digitale e sono connessi ad una unità logica che trasforma le informazioni in cifre binarie. I dati raccolti dal foro di perforazione vengono quindi trasmessi in superficie tramite Mud Pulse Telemetry (telemeria a impulsi di fango). Oltre a servire per controllare e guidare le operazioni di scavo, questi dati vengono utilizzati anche per altri aspetti, tra cui: 

  • informazioni sulle condizioni della punta della trivella
  • registrazione della natura geologica degli strati di terra penetrati
  • realizzazione di statistiche di rendimento per indentificare eventuali miglioramenti
  • analisi dei rischi per le future trivellazioni

Il Mud Pulse Telemetry è un sistema binario di trasmissione di codifica utilizzato con i liquidi. Questo sistema si basa su una valvola che fa variare la pressione del fango di perforazione all’interno della stringa di perforazione, convertendo le registrazioni dei sensori installati sulla testa della trivella in impulsi di pressione. Attraverso il fango di perforazione queste pulsazioni raggiungono la superficie esterna. In superficie, gli impulsi di pressione vengono misurati da un trasmettitore di pressione e trasformati in segnale elettrico. Questo segnale viene poi trasmesso a uno strumento di lettura che lo digitalizza. Grazie ai computer è possibile così ricostruire le informazioni trasmesse. 

La STS mette a disposizione degli utenti del directional drilling offshore i trasmettitori di pressione analogici utilizzati nel Mud Pulse Telemetry. I requisiti che devono avere questi sensori sono elevati: devono essere estremamente sensibili per poter registrare in modo affidabile anche le minime differenze di pressione.Allo stesso tempo, devono resistere a pressioni fino a 1000 bar, dal momento in cui,a profondità molto basse, per azionare la testa della trivella occorrono pressioni molto elevate. Anche i sensori di pressione impiegati in superficie nel Mud Pulse Telemetry sono esposti a tali forze.

Immagine 1: trasmettitore di pressione analogico per l’impiego nel Mud Pulse Telemetry

Oltre all’elevata sensibilità sono richiesti anche tempi di reazione molto veloci al fine di garantire una buona comunicazione dei dati in tempo reale. Inoltre, lo strumento di misura dovrebbe essere il più possibile a basso rumore per escludere al massimo risultati di misurazione falsati. Nelle operazioni di trivellazione soprattutto le polpe da fango causano la maggior parte dei segnali rumore. Anche la trivellazione in sé è una fonte di interferenze. Per questo motivo, i sensori analogici con un segnale di uscita 4 … 20 mA, rappresentano la migliore soluzione per il Mud Pulse Telemetry.

Soluzione innovativa per misurare la pressione nella produzione di Biogas

Soluzione innovativa per misurare la pressione nella produzione di Biogas

L’analisi microbiologica è una parte importante del processo di produzione di biogas. In ciò vengono utilizzati trasmettitori combinati di pressione e temperatura della STS.

L’Istituto di Agraria e Zootecnia Institut für Landtechnik und Tierhaltung del Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (Istituto Nazionale per l’Agricoltura della Baviera) studia, tra le altre cose, l’influsso delle sostanze attivanti o tossiche sul processo di produzione di biogas. Al contrario dei processi continuativi a flussi continui in una centrale a biogas tali ricerche potenziali vengono condotte in procedimenti batch discontinui. Per queste ricerche è stato sviluppato appositamente un mini sistema batch installato su trasmettitori combinati di pressione e temperatura della STS.

Misurazione dell’attività microbica

Al fine di garantire un controllo affidabile della temperatura, indispensabile in tali ricerche per via del fondamentale significato per l’attività microbica, il mini sistema batch viene immerso in un bagno d’acqua. All’interno sono disponibili 33 stazioni di misurazione, così che si testino dieci varianti e una prova campionein modo parallelo e, statisticamente parlando, significativo. La misurazione dell’attività microbica avviene indirettamente tramite la continua determinazione della produzione di biogas con l’aiuto dei trasmettitori di pressione ATM/N della STS.

Per poter poi determinare la produzione di metano, si analizza periodicamente la composizione del gas ad un gascromatografo. I trasmettitori ATM/N, dopo l’aggiunta di 100 ml di contenuto fermentatore in bottiglie SchottDuran da 300ml, sono in grado di registrare l’aumento esatto della pressione risultante dalla produzione di biogas. In questo modo è possibile ottenere sia una valutazione statistica precisa e un calcolo dell’aggiunta delle sostanze nel processo della produzione di biogas, sia un confronto tra varianti.

Sensori combinati con ampio campo d’utilizzo

Il vantaggio principale dei sensori combinati per la pressione e la temperatura è il rilevamento di entrambe le variabili del processo con un solo connettore di pressione. Il sensore di temperatura si trova nel mezzo e offre un campo di misurazione compreso tra  – 25 … + 50 °C. Tutti i collegamenti sono saldati e rispettano il grado di protezione IP68. Questo ha il vantaggio di poter impiegare i sensori, oltre che nell’industria, anche per applicazioni nelle industrie alimentare e farmaceutica. Altre tipiche applicazioni dei trasmettitori sono da ricercarsi nell’ingegneria impiantistica e meccanica, nelle tecnologie di controllo e calibrazione, nelle tecnologie di processo, nell’ingegneria ambientale così come in quella navale. Inoltre, nell’ambito industriale degli impianti a biogas i sensori vengono impiegati per determinare il livello di riempimento nei fermentatori.

I seguenti parametri contraddistinguono il sensore di pressione: intervalli di misura da 0 … 50 mbar fino a 0 … 25 bar,alta dinamica e precisione(< 0,1 % FS), adeguamenti meccanici ed elettrici agli utilizzi dei clienti sulla base del sistema di costruzione a blocchi del fornitore. Su richiesta sono disponibili anche versioni a sicurezza intrinseca. Grazie a queste caratteristiche tecniche i sensori di pressione sono adatti a diversi settori di impiego nella tecnica di misurazione e nell’attrezzatura di banchi di prova o di sistemi di calibrazione.

Pubblicazione originale:   INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2014

Rete gas a bassa pressione sotto controllo con la misurazione continua della pressione

Rete gas a bassa pressione sotto controllo con la misurazione continua della pressione

Il monitor di processi autonomo dell’azienda AIRVALVE, interconnesso ai sensori di pressione della STS, controlla i punti nevralgici della rete gas della SWK Netze GmbH. Ciò permette sicurezza di pianificazione a fronte di un piccolo sforzo di implementazione.

Per calibrare il suo programma sulla rete di tubazioni, la SWK Netze GmbH effettua numerose misurazioni nella rete gas a bassa pressione. A tal scopo, nell’ambito del progetto “Controllo della rete gas a bassa pressione”, devono essere effettuate misurazioni continue della pressione in quindici punti nevralgici. Accanto alle aspettative di valori di misurazioni più precisi possibili, per la realizzazione del progetto è stato altrettanto decisivo che gli strumenti di misurazione funzionassero in modo affidabile per un lungo periodo di tempo e, contemporaneamente, disponessero di una potenza di segnale sufficientemente elevata, in modo da riuscire a trasmettere regolarmente i valori misurati anche in installazioni sotterranee. Per ridurre al minimo indispensabile gli interventi strutturali e in sotterraneo, bisognava misurare la pressione nelle tubature di ventilazione già esistenti. Per questo l’apparecchiatura di misurazione è stata installata in tombini con chiusini DIN3583 dotati di dispositivo di blocco, misura 3. 

Per adempiere a questo compito la scelta è ricaduta sul monitor di processo,modello LS-42, dell’azienda AIRVALVE. Test accurati, avevano precedentemente dimostrato che i prodotti che fanno parte della serie dei monitor di processo sono gli unici a disporre di un’antenna integrata di elevata potenza che, persino nei tombini, assicura una trasmissione del segnale priva di interferenze. 

Stabilità a lungo termine e facilità d’uso  sono i fattori chiave 

Inoltre, grazie ad una batteria ad alta efficienza sostituibile, lo strumento di misurazione funziona in modo indipendente dalla rete elettrica e telefonica per un periodo di 10 anni e più. Il monitor di processo, facile da installare e configurabile da remoto, assicura una trasmissione sicura dei dati rilevati grazie alla scelta libera della scheda SIM o alla rete multipla con tunnel VPN privato (vedi immagine 1 sulla struttura di un monitor di processi). Per questi motivi è maggiormente adatto per impianti lontani o di difficile accesso, che devono essere monitorati per un lungo periodo di tempo in modo affidabile e senza costosi lavori di manutenzione.

Immagine 1: struttura del monitor di processi (fonte: AIRVALVE)

Naturalmente, i requisiti di durata e prestazioni del prodotto riguardano anche i sensori utilizzati per la misurazione della pressione. AIRVAVLE ha scelto il trasmettitore di pressione ATM.ECO/N della STS. Questo sensore da 100 mbar viene alimentato dalla batteria sostituibile del monitor di processi, dispone di una resistente struttura in acciaio inossidabile e, in un intervallo di temperatura che va da -5 fino a 50°C, fornisce risultati accurati con un errore totale di ≤ ± 0.70%. In termini di stabilità a lungo termine l’ATM.ECO/N registra< 0.5%.

Struttura del sistema di misura nella rete gas a bassa pressione

L’intero sistema di misura per il monitoraggio della rete gas a bassa pressione è stato installato nei tombini (vedi immagine 2).Utilizzando tubature di ventilazione già esistenti è stato possibile eseguire i lavori richiesti senza grandi spese. Per implementare la misurazione della pressione il tappo del tubo di ventilazione è stato sostituito da un riduttore (1). Il connettore di misura può essere chiuso su una valvola a sfera in acciaio inossidabile (2). Una calibrazione del sensore di pressione è resa possibile da un connettore Minimess (3). Il sensore di pressione (4) è collegato al monitor di processo della AIRVALVE (6) tramite una scatola di distribuzione per la compensazione della pressione (5). Il monitor di processo è a sua volta fissato al terreno tramite un sistema di aggancio (7).

Immagine 2: visione d’insieme del sistema di misura (fonte: AIRVALVE)

Le misurazioni vengono eseguite ogni 5 minuti. L’intervallo tra una misurazione e l’altra può essere scelto essenzialmente tra uno e 60 minuti. I valori misurati vengono trasmessi più volte al giorno al centro di controllo. La trasmissione dei valori può avvenire tramite scheda di rete multipla VPN protetta o scheda SIM con abbonamento. La comunicazione è possibile sia con centri di controllo via internet che con sistemi SCADA. Nell’esempio di applicazione presentato la SWK Netze GmbH ha scelto la centralizzazione dei dativi a internet “Web-LS” per gestire i dati rilevati attraverso server ad alta sicurezza.

Misura della densità nei misuratori di portata di gas

Misura della densità nei misuratori di portata di gas

Il consumo di gas viene calcolato sul volume di flusso mediante misuratori di portata di gas. Poiché la densità del gas e quindi anche il suo volume dipendono dalla pressione e della temperatura, la quantità misurata può variare a seconda della pressione o della temperatura che si verificano. È possibile descrivere la relazione tra il volume del gas, la pressione e la temperatura con la formula p · V/T=costante,  in cui p sta per pressione, V per volume e T per temperatura.

Se è relativamente facile regolare e monitorare la pressione alla quale il gas scorre attraverso i tubi, ciò non vale per la temperatura. Le differenze di densità che ne derivano influiscono sulla portata misurata. Ciò che può essere trascurabile per i normali consumatori date le quantità in comparazione ridotte, costituisce invece un importante fattore di costi per la grande utenza. 

Con la Measurement Instruments Directive (MID) è stata emanata una direttiva relativa agli strumenti di misura valida per l’Unione Europea allo scopo di stabilire una procedura di approvazione uniforme per tutti gli stati UE e qualche altro stato. Altri scopi della direttiva includono un unico test una tantum per l’approvazione dei dispositivi di misura, nonché un unico regolamento transnazionale per la verifica. Attraverso questo regolamento transnazionale stabilito si ricerca una qualità dei prodotti ancora maggiore e si assicurano pari condizioni di concorrenza. Il MID riguarda 10 tipologie di strumenti di misura nell’ambito della metrologia legale. I requisiti riguardanti i contatori di gas e i convertitori di volumi sono ripartiti nell’allegato MI-002. 

Per calcolare l’esatto volume di gas occorre tener conto della pressione e della temperatura e per farlo i contatori del gas devono essere dotati di appositi sensori. Al posto del volume va indicata la massa del gas, in quanto, considerando la densità variabile, è questo il dato più preciso. Per poterlo rilevare in modo corretto è necessario misurare la pressione e la temperatura e determinare così la densità. 

Elevata accuratezza grazie alla compensazione matematica 

Esistono due modi per collegare i sensori di pressione e di temperatura ai contatori di gas. Nella prima variante il sensore di pressione viene avvitato sul tubo che trasporta il gas e viene collegato al contatore tramite un cavo. Nella seconda variante il sensore viene installato direttamente nell’apparecchio (l’esempio specifico che segue descrive quest’ultima variante). 

I campi di pressione impiegati per il calcolo della quantità di gas sono solitamente compresi tra 0,8 e 3,5 bar (assoluto) o tra 2,5 fino a 10 bar (assoluto). Le esigenze di accuratezza sono elevatissime: è richiesto lo 0,2 percento del valore misurato a temperature che vanno da -20°C a 60°C. Con i sensori di pressione comuni, però, non è possibile raggiungere tale risultato. Per riuscirci bisogna ricorrere alla compensazione matematica. Per questo motivo la STS fornisce sensori di pressione e di temperatura non solo certificati, ma anche parametrizzati (coefficienti per la compensazione polinomiale).

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