BRPI0720335A2

BRPI0720335A2 - "sistema para monitoramento de tubulação e garantia de fluxo e método para monitoramento de tubulação e garantia de fluxo"

Info

Publication number: BRPI0720335A2
Application number: BRPI0720335-7A
Authority: BR
Inventors: Songming Huang; De Chizelle Yan Kuhn
Original assignee: Prad Res & Dev Ltd
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2013-12-31
Also published as: US8360635B2; WO2008084181A1; US20080163692A1

Description

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"SISTEMA PARA MONITORAMENTO DE TUBULAÇÃO E GARANTIA DE FLUXO E MÉTODO PARA MONITORAMENTO DE TUBULAÇÃO E GARANTIA DE FLUXO".

Histórico da Invenção Configurações da presente invenção provêem um sistema e método para prover análise de fluxo, e/ou monitoramento de condições de tubo e/ou garantia de fluxo, em tubulações usadas para hidrocarbonetos, usando pelo menos uma sonda de sensor térmico, na qual pelo menos uma sonda de sensor térmico pode ser usada em conexão com outros sensores para administrar o processo de sensoreamento e/ou fundir dados para determinar com precisão as propriedades do fluxo e/ou condições de tubulação. Como exemplo, mas não com efeito limitante, em uma configuração da presente invenção, uma rede de sensores não-invasivos, incluindo pelo menos uma sonda de sensor térmico, provê dados fundidos com outros dados a partir de outros tipos de sensor para determinar fluxo e propriedades da tubulação. O monitoramento de condição de tubo e o monitoramento de condição de fluxo e garantia de fluxo são importantes em sistemas de produção para poços de petróleo e gás, particularmente sistemas submarinos com tubulações longas, usadas para transportar hidrocarbonetos e/ou similares. Nestes sistemas e tubulações, incrustações podem se formar em parte ou em toda a tubulação ou dutos de produção, etc.. ao longo da vida do poço ou da tubulação de transporte. Estas incrustações constituem a causa principal de problemas de garantia de fluxo. O termo "incrustação" é usado aqui com referência a vários tipos de depósitos orgânicos ou minerais na parede do tubo, tal como asfalto, ceras, hidratos, etc.. Depósitos de cera e asfalto provocados pelo efeito de resfriamento da água do mar podem ser a preocupação principal em sistemas submarinos. Incrustações minerais podem ser associadas a tubulações de produção e similares, provocadas pela penetração da água durante operação. Estratégias correntes de inibição e remediação de incrustações podem apenas se basear em análise laboratorial de fluidos recuperados a partir de sistemas de produção e tubulação de transporte. As informações providas a partir destas análises têm valor limitado, porque uma análise laboratorial não contribui para o entendimento pleno e supervisão em tempo real. Ademais, no caso de uma supervisão de remediação, os sistemas de análise de tubulação e fluxo estático, diferentemente de uma análise em tempo real, não provêem informações de retorno em relação ao efeito do tratamento de remediação. Isto implica na redução de produtividade por sub- tratamento ou em custos indevidos por sobre-tratamento. A corrosão nas tubulações constitui um aspecto importante em sistemas de produção e transporte. Por exemplo, se ocorrer uma erosão produzida por areia, por exemplo, durante a produção de óleo ou gás, há uma possibilidade efetiva de serem provocados danos por areia a qualquer revestimento anticorrosão aplicado à parte interna dos tubos e/ou dutos de sistemas de produção ou transporte de óleo. Ademais, uma corrosão mais significativa na tubulação precisa e deve ser detectada e reparada a tempo, para impedir que ocorra um acidente que provoquem danos ambientais, tal como um vazamento, que pode vir assumir proporções dramáticas em ambientes submarinos e/ou remotos. Outras aplicações de análise de fluxo, monitoramento de tubulação e garantia de fluxo incluem a detecção de condições abnormaxs durante produção e transporte de hidrocarbonetos. Por exemplo,

tf

em sistemas de produção de gás, líquidos podem se acumular e produzir uma condição de bolsão, que sobrecarrega o sistema. Um sistema de alarme antecipado, que provê um alarme ou similar com respeito à chegada de bolsões, pode indicar medidas de controle em tempo real, que devem ser tomadas a tempo para impedir a sobrecarga do sistema. Um sistema de monitoramento, em tempo real, em tubulações submarinas pode detectar eventos, tal como uma penetração de água, muito antes de o efeito dos chegar na facilidade de superfície.

A Patente U.S. N0 6.758.100 (Patente Λ100) descreve um medidor de fluxo multifásico ultrasonico de fixar baseado em medição Doppler (pulsante) de gama com porta. Na Patente '100, os dados Doppler são usados para produzir velocidade de fluxo e frações de fase. A descrição da Patente Λ100 está incorporada nesta por referência.

A Patente U.S. N0 6.75.043 (Patente Λ043) descreve um medidor de fluxo multifásico de fixar não-invasivo baseado no princípio de medição de impedância acústica. A identificação das fases líquido e gás dentro do tubo na Patente Λ043 é obtida medindo a impedância acústica do material em contato com a parede do tubo, e a medição de velocidade é conseguida correlacionando sinais de impedância a partir de duas medições separadas de uma distância conhecida na direção axial do tubo. A descrição da Patente '043 está incorporada nesta por referência. 2 0 Sumário da Invenção

Configurações da presente invenção provêem um sistema e método para prover análise de fluxo e monitoramento de tubulação e garantia de fluxo de modo confiável e preciso. Mais especificamente, mas não com efeito limitante, os sistemas e métodos da presente invenção provêem o uso de pelo menos uma sonda de sensor térmico para prover análise de fluxo, monitoramento de tubulação e garantia de fluxo. Em uma configuração da invenção, pelo menos uma sonda de sensor térmico pode ser usada em rede com pelo menos um outro sensor, que pode ser outra sonda de sensor térmico ou outro tipo de sensor, para produzir o mapeamento de perfil térmico através de uma seção de tubulação, e de uma mistura que passa na tubulação para determinar as propriedades de fluxo da mistura e monitorar e/ou medir deposição e corrosão na tubulação.

Em certas configurações da invenção, descrevem-se métodos e sistemas usando múltiplos sensores de diversas modalidades, incluindo processadores de fusão de dados, para prover monitoramento de tubulação e garantia de fluxo, tais configurações podendo prover, de modo confiável, sistemas de monitoramento de fluxo e/ou garantia de fluxo para detectar condições abnormais e prover monitoramento de fluxo e garantia de fluxo para uma gama muito mais ampla de regimes de fluxo. Em certos aspectos, os múltiplos sensores de modalidades diversas podem compreender sensores Doppler, sensores de sonda térmica, e/ou sensores de impedância acústica. Em uma configuração da invenção, múltiplos sensores de modalidades diversas podem ser configurados com um processador de fusão de dados. As medições realizadas por esta configuração podem ser distribuídas no espaço e tempo e pertencerem a modalidades diversas. As medições a partir dos múltiplos sensores de modalidades diversas, que podem ser independentes ou intercorrelacionados, podem ser combinadas em uma unidade de fusão de dados, onde podem ser obtidos os parâmetros requeridos, tal como razão de fluxo, frações de fase, regime de fluxo, parâmetros de bolsão, conteúdo de água, espessura, tipo de incrustação, status de corrosão, etc..

Em certos aspectos a atualização e/ou análises, em tempo real, podem prover taxa de formação de incrustação, taxa de aumento de conteúdo de água, etc.. Configurações da presente invenção podem prover a fusão de dados a partir de multisensor, provendo um sistema de monitoramento mais confiável, e reduzindo a possibilidade de ocorrer ambos, falso alarme e perda de detecção.

Ademais, outros aspectos e vantagens da presente invenção deverão ser apreciados com referência a porções da especificação, incluindo desenhos e reivindicações. Aspectos adicionais e vantagens adicionais da mesma, assim como sua estrutura e operação nas várias configurações, serão descritas em detalhes em conexão com os desenhos anexos. Descrição Resumida dos Desenhos

Nas figuras, os componentes e/ou aspectos similares recebem o mesmo marcador de referência. Ademais, vários componentes de um mesmo tipo poderão ser distinguidos pela presença de um traço que segue o marcador de referência, e um segundo marcador que o distingue dentre os componentes similares. Se apenas o primeiro marcador de referência for usado na extensão, isto dá a entender que a descrição será aplicável a qualquer componente similar com mesmo marcador de referência, independente do segundo marcador de referência.

A presente invenção agora será descrita, apenas para efeito de exemplo, fazendo referência aos desenhos anexos, nos quais:

A figura IA ilustra uma sonda térmica não-invasiva para uso em um sistema de garantia de fluxo, de acordo com uma configuração da presente invenção;

A figura IB ilustra uma pluralidade de sondas térmicas não-invasivas acoplada a uma tubulação para misturas de hidrocarbonetos para uso em um sistema de garantia de fluxo, de acordo com uma configuração da invenção; A figura IC ilustra um modelo de condução térmica simplificado (unidimensional), que despreza a difusão de calor em direções diferentes da perpendicular a um filme em uma parede de tubo, que pode ser usado para descrever aproximadamente a operação da sonda de sensor térmico; A figura, ID ilustra os resultados do método de sonda térmica de acordo com uma configuração da presente invenção, aplicada a uma seção horizontal de tubo de aço inoxidável de 4 polegadas;

A figura IE mostra uma sonda de sensor térmico alternativa, de acordo com uma configuração da presente invenção;

A figura 2A ilustra uma vista em seção parcial de um tubo acoplado a um sensor Doppler, de modo não-invasivo, de acordo com uma configuração da presente invenção; β A figura 2Β mostra uma ilustração esquemática de uma seção vertical, através de um sensor Doppler, de acordo com uma configuração da presente invenção; A figura 3A provê uma ilustração esquemática de um sensor de espessura de incrustação, compreendendo uma configuração de processamento e medição Doppler ultrasonico de gama com porta, acoplado a uma tubulação, de acordo com uma configuração da presente invenção; A figura 3B ilustra análise e geração de perfil Doppler, de acordo com uma configuração da presente invenção;

A figura 4A mostra um sensor orientado

circunfereneialmente, com base em ondas transversais de propagação circunferencial, para análise de transmissão de uma tubulação e/ou análise de fluxo na tubulação, de acordo com uma configuração da presente invenção;

A figura 4B mostra um sensor orientado

circunf erenci a lment e, com base em ondas de Lamb de propagação circunferencial, para análise de transmissão de uma tubulação e/ou análise de fluxo na tubulação, de acordo com uma configuração da presente invenção;

A figura 4C mostra canais de medição ultrasonica de fixar para garantia de fluxo com base nos princípios de modos de onda de vazamento, de acordo com uma configuração da presente invenção;

A figura 5A ilustra uma configuração de um sistema de monitoramento de tubulação e garantia de fluxo compreendendo múltiplos sensores, de acordo com uma configuração da presente invenção;

A figura 5B ilustra sinais de série de tempos de energia Doppler de espessura medida (até três perfis) e sinais de velocidade (três perfis inferiores) para três transceptores montados próximos à base (perfis esquerdos), centro (perfil central), e topo (perfis direitos) de um tubo, de acordo com uma configuração da presente invenção; A figura 5C ilustra uma comparação de um perfil Doppler medido com um perfil Doppler armazenado/ de referência, de acordo com uma configuração da presente invenção; A figura 5D ilustra como um dado de entrada para um processo de fusão de dado de segundo nível pode ser mapeado, para produzir determinações de saída, de acordo com uma configuração da presente invenção; e A figura 6 ilustra sensores de sistema de monitoramento de tubulação e/ou garantia de fluxo configurados em uma rede de monitoramento distribuída em uma tubulação para prover um suprimento de energia elétrica para os sensores e comunicação entre os sensores e as unidades de processamento de dado, de acordo com uma configuração da presente invenção. Descrição Detalhada da Invenção

Configurações da presente invenção provêem sistemas e métodos confiáveis e precisos para análise de fluxo, monitoramento de tubulação e/ou garantia de fluxo. Mais especificamente, mas não com efeito limitante, os sistemas e métodos da invenção provêem a utilização de perfis térmicos através de uma seção de tubulação e um fluido na seção de tubulação e/ou saídas de sensores não-térmicos para determinar características de fluxo e monitorar e/ou medir a deposição e corrosão de uma tubulação configurada para hidrocarbonetos. Em outras configurações da invenção, sensores de sonda térmica podem ser usados para monitorar a formação de incrustação e corrosão da seção de uma tubulação. E ainda, em configurações adicionais da presente invenção, provêem-se combinações de sensores Doppler, sensores térmicos, e sensores de impedância acústica com saídas a partir de um ou mais dos sensores usados para controlar um ou mais sensores para determinar o monitoramento de tubulação e/ou garantia de fluxo.

A figura IA ilustra uma sonda térmica não-invasiva para um sistema de garantia de fluxo, de acordo com uma configuração da invenção. A figura IB ilustra uma pluralidade de sondas térmicas não-invasivas para um sistema de garantia de fluxo de tubulações para fluir mistura de hidrocarbonetos, de acordo com uma configuração da presente invenção.

Na configuração ilustrada da presente invenção, a sonda de sensor térmico 100 pode compreender aquecedor/ resfriador 110, e corpo de sonda metálica 115. A energia elétrica de uma fonte 111 pode ser usada para operar o aquecedor/ resfriador 110. Em uma configuração da presente invenção, uma dada energia de aquecimento/ resfriamento pode ser aplicada ao aquecedor/ resfriador 110, que pode ser usado para transferência de calor. Na outra extremidade da sonda de sensor térmico 100, uma ponta sensora 120 pode ser colocada em contato com a parede do tubo. A temperatura (T2) da extremidade do aquecedor/ resfriador 110 da sonda de sensor térmico 100 pode depender principalmente do nivel de energia aplicado. A temperatura (Tl) na ponta sensora 120 pode ser sensível ao fluxo de calor entre a sonda de sensor térmico 100 e um tubo 123, incluindo a parede do tubo.

Em certas configurações, uma isolação térmica 127 pode ser aplicada ao tubo 123 e à sonda de sensor térmico 123 para fazer o fluxo de calor a partir do sonda de sensor térmico 100 para o tubo 123 proporcional à diferença de temperatura ΔΤ= ATx-AT2. A diferença de temperatura pode ser medida, em uma configuração, com um termopar 130 e um termopar de fonte 130 e termopar de parede de tubo 135. Independente do efeito de temperatura de fluido (Tf, ) , a temperatura da mistura na tubulação ΔΤ, que, em certos aspectos, é medida com uma sonda térmica antes de a energia lhe ser aplicada, ΔΤ ou o fluxo de calor depende da condição de fluxo e das propriedades dos fluidos no tubo 123.

Mais especificamente, dado o valor Tf, Δ T depende da condutividade térmica do fluido, assim como dos números de Prandtl e Reynolds do fluxo de fluido. Havendo incrustações na parede do tubo 125, ΔΤ indica o tipo de fluido, i.e. água, óleo, gás, conquanto se conheçam velocidade do fluxo e regime de fluxo, mas havendo incrustações, de acordo com configuração da invenção, ΔT pode ser processado, desde que conhecidas características da incrustação, tal como espessura, tipo, etc., para determinar as propriedades do fluido, em virtude de o efeito de convecção do fluido sobre o tubo 123 na parede de tubo aquecido 125 ser afetado pela incrustação. Ademais, em algumas configurações da presente invenção, se conhecendo o fluxo no tubo 123, ΔΤ pode ser processado para prover determinações com respeito a incrustações na parede de tubo 125. Como representado na figura 1B, em uma configuração da presente invenção, pelo menos um, mas preferivelmente um número de sondas pode ser montado em diferentes posições angulares no tubo que conduz um fluxo multifásico de mistura contendo hidrocarbonetos. A ponta de cada sonda de sensor térmico 10 pode contatar a parede do tubo 125. Em certos aspectos da presente invenção, um gel/ pasta condutiva de calor pode ser aplicado entre as superfícies de contato para minimizar a perda de transferência de calor entre a sonda de sensor térmico 100 e a parede de tubo 125. A sonda de sensor térmico 100 pode ser feita a partir de um material de boa condutividade, tal como aço, bronze, alumínio, etc. Materiais de condutividade térmica muito alta, tal como prata, não podem ser usados em algumas configurações, em virtude de a queda de temperatura através de uma sonda de sensor térmico de prata ou similar pode ser muito pequena para uma medição precisa.

Em uma configuração, a sonda de sensor térmico 100 pode ter a forma de haste com seção transversal circular, retangular, quadrada, ou outros formatos. A superfície de contato da sonda de sensor térmico 100 deve ter a mesma curvatura do tubo 123, para prover um bom contato. Em certos aspectos, a extensão de contato na direção circunferencial do tubo 123 Lc (não mostrado) pode variar de poucos milímetros a poucos centímetros, dependendo do tamanho do tubo e resolução requerida para obter medições. Para fluxos horizontais, a extensão de contato ao longo da direção axial de tubo 123 La (não mostrado) , pode não ser critica. Em certos aspectos, pode ser usado de um a poucos centímetros. Para uma sonda de seção retangular, a área de contato será dada por:

Ac= Lc.La (1)

A extensão da sonda de sensor térmico 100 pode ser selecionada de acordo com o material do corpo de sonda, do material da parede de tubo e da sensibilidade de medição requerida.

Um furo pode ser provido em uma extremidade da sonda de sensor térmico 100 para permitir incorporar o aquecedor/ resfriador 110 à sonda de sensor térmico 100. Quando ligado, o calor no aquecedor/ resfriador 110 se propaga ao longo do corpo de sonda metálico 115 e chega na parede do tubo 125, onde continua a fluir pela parede do tubo para o fluido no tubo 123. Quando a sonda de sensor térmico 100 estiver completamente isolada termicamente do ambiente, o fluxo de calor através da parede de tubo/ sonda pode ser determinado, medindo a queda de temperatura entre dois pontos ao longo do eixo geométrico da sonda, como dado pela equação: Q= (T2-T1)/ R21 (2)

onde R2I é a resistência térmica entre dois pontos de medição, que é definido por:

R21= L21/ (kAc) (3)

onde L21 é o espaço entre os pontos de medição, k a condutividade térmica do material da sonda, e Ac a área de seção transversal.

Em certos aspectos, a medição é feita entre um ponto próximo à porta da sonda e outro ponto logo abaixo do aquecedor/ resfriador 110. Dois termopares, como discutido acima, podem ser utilizados nesta medição.

Em uma configuração da presente invenção, a sonda de sensor térmico 100 pode ser usada para identificação de fase. Assumindo que, na maior parte das aplicações, o fluxo é mais ou menos turbulento, e, portanto, o processo de transferência de calor para o sistema mostrado das figuras IA e IB se caracteriza por um processo de convecção forçado. Para este processo, pode se assumir que há uma camada limítrofe estacionária de fluido entre a superfície interna da parede de tubo 123 e o corpo do fluido que flui no tubo. Por causa de o fluido fluir além da sonda de sensor térmico 100 em um breve espaço de tempo, a temperatura do fluido se mantém constante, a despeito do efeito de aquecimento a partir da sonda de sensor térmico 100. Em certos aspectos, o calor da sonda de sensor térmico 100 pode ser transferido para o fluido por condução através da camada fina limítrofe de fluido.

A figura IC ilustra um modelo de condução térmica simplificado (unidimensional) que despreza a difusão de calor em direções diferentes daquela perpendicular ao filme e à parede de tubo 125. O modelo pode ser usado para descrever a operação da sonda de sensor térmico 100, como descrito acima. O modelo simplificado ilustrado descreve o fluxo de calor a partir de um aquecedor 137 através de uma porção de haste do sensor 138, através de uma parede de tubo 139, através de um filme 140 na parede de tubo 139 para o fluido 141 que flui no tubo, usando resistências térmicas e as correspondentes quedas de calor associadas a cada etapa do fluxo de calor. A expressão abaixo resulta de acordo com este modelo simplificado: (T2-Tf) (R2+RP+Rf)= (T2-Ti)/R2I (4)

onde, Tf é a temperatura do corpo de fluido, Rp a resistência térmica da parede de tubo, e Rf a resistência térmica do filme fino limítrofe. A equação (13) pode prover o relacionamento básico entre uma resistência térmica desconhecida Rf e a diferença de temperatura ΔΤ= (T2-Ti) . Para conseguir uma operação estável de uma configuração da invenção, a energia de aquecimento pode ser regulada pelo Ioop de controle de temperatura de retorno, que pode ser configurada de dois modos diferentes - modo de temperatura constante e modo de fluxo de aquecimento constante. No modo de temperatura constante, a temperatura em um dos pontos de medição de temperatura, i.e. a temperatura logo abaixo do. aquecedor, pode ser a meta de controle. Neste modo, qualquer variação de valor de temperatura pré-ajustado pode ser corrigida pelo Ioop de controle de retorno. Neste modo, a Equação (4) pode ser rearranjada para:

Rf= R2I(T2-Tf)/ ΔΤ- (Rp+R2i) (5)

onde, T2 é pré-ajustado, e Tf, R2I, Rp são conhecidos. Por conseguinte, o R2I desconhecido pode ser determinado medindo ΔΤ, que representa a perda de calor a partir da sonda pelo efeito de resfriamento do fluido. Em aspectos alternativos, a energia elétrica consumida pelo elemento aquecedor é medida e vinculada à perda de calor.

No modo de fluxo de calor constante, a diferença de temperatura ΔΤ = T2-Ti pode ser uma variável controlada. Pelo fato de R2I ser constante, a constante ΔT se refere a um fluxo de calor constante para o tubo 123. Assim, a equação (13) pode ser reescrita como:

Rf= (T1-Tf)/Q-Rp (6)

onde Q= (AT/R2i) é pré-ajustado e Tf e Rp conhecidos. Por conseguinte, pode se determinar Rf desconhecido, em uma configuração da presente invenção, medindo Tx. A seleção do modo de controle pode depender da aplicação da sonda de sensor térmico 10. Em certas aplicações, o modo de fluxo de calor constante pode prover uma medição mais sensível para identificação de fase, onde o modo de temperatura constante pode prover implementação direta.

Após determinar a resistência térmica do filme limítrofe a partir da temperatura T1 ou fluxo de calor ΔΤ, em certas configurações da presente invenção, parâmetros relativos a um fluxo adicional, tal como velocidade da mistura, condutividade térmica da mistura, etc. podem ser determinados com a sonda de sensor térmico 100. A última determinação se fazendo necessária para identificar diferentes fases na mistura de fluxo.

A resistência do filme limítrofe pode ser definida como abaixo:

Rf= x/ (kA) (7)

ou

Rf= 1/ (hA) (8)

onde χ é a espessura do filme, A a seção transversal da área de condução, k a condutividade térmica, e h= k/x definido como o coeficiente de transferência térmica. 0 coeficiente pode ser expresso usando números adimensionais Nu, também conhecido como número de Nusset, como na equação abaixo:

h = kNu/ D (9)

onde D é o diâmetro do tubo 123.

Para um processo de resfriamento por convecção forçada em tubos, o número de Nusset pode ser expresso por: Nu = 0.023.ReO,8PrO33 (10)

onde

Re = DVp/ μ (11)

e Re é o número Reynolds, e

Pr=Cpp/ k (12)

e Pr é o número Prandtl.

Combinando as Equações (9), (10), (11) e (12) resulta:

h= 0, 023Cf D-°'2V°<8 (13) onde Cf é o coeficiente referente à propriedade de fluido, dado por: Cf= k0'67 p°'8Cp0'33 /μ0'47 (14)

Tipicamente, para água em condições padrão, Cf é cerca de 70785, e para querosene cerca de 14031, que é menor de um fator de cinco. Para gás (metano) , o valor é pelo menos 10 vezes mais baixo que de petróleo. A Equação (13) mostra que o coeficiente de transferência de calor é principalmente função da velocidade e das propriedades físicas do fluido no tubo 123. Depois de determinar h através da equação (5) ou (6) e equação (8), para determinar o valor de Cf na equação (13), a velocidade V do fluxo deve ser determinada a partir de um medidor de fluxo a partir de um outro sensor em uma configuração da invenção usando múltiplos sensores, tal como um sensor Doppler. Ao contrário, para determinar V na equação (13), é preciso conhecer Cf. No entanto, para medição de retenção em um fluxo horizontal estratifiçado, um contraste distinguivel em h entre as fases, ao invés de um conhecimento preciso do valor real, freqüentemente é suficiente para um mapeamento básico de transferência de calor. No caso de um fluxo de óleo/ água horizontal, a diferença relativamente pequena de velocidade causada pela divisão entre as fases líquidas deve ser mais que compensada pela grande diferença dos valores Cf (cinco vezes) para mostrar uma diferença significativa no valor de h.

Em uma configuração da presente invenção, pode ser provido o mapeamento de transferência de calor, colocando um número de sondas de sensor térmico 100 em diferentes posições angulares na circunferência do tubo 123 como mostrado na figura IB. A energia de aquecimento de cada sonda de sensor térmico 100 pode ser regulada individualmente. Desde que tenha sido escolhido o modo de temperatura constante, a diferença de temperatura ΔΤ em cada sonda de sensor térmico 100 pode ser medida, que representa o calor transferido para tubo/ fluido daquela sonda de sensor térmico 100. Os valores de perda de calor ou Δ T podem ser projetados sobre as correspondente posições de medição, i.e. alturas correspondentes ao longo do diâmetro vertical. Se a distribuição de fase for estratifiçada, o mapa de perda de calor deve prover uma estimativa de retenção de fase. A figura ID ilustra resultados de um método de sonda térmica, de acordo com uma configuração da invenção, aplicada a uma seção de tubo horizontal de aço inoxidável de 4 polegadas. Dentro do tubo passa um fluxo es t ratificado de água, óleo, gás com a mesma taxa de m/hora para cada fase. Os ATs medidos em diferentes posições são mostrados em gráfico, com referencia às alturas de interface observadas no tubo (interfaces de óleo, água, gás borbulhantes e ligeiramente flutuantes e, portanto, são mostradas por uma banda ao invés de uma simples linha reta). Há uma diferença de 3,5°C em ΔΤ, entre as regiões de óleo e água, e uma diferença ainda maior entre as regiões de óleo e gás. A partir da ilustração pode se observar que se as medições forem feitas em mais posições, para melhorar a resolução espacial, o perfil de perda de calor pode ser usado para calcular retenção de água, óleo, e gás.

A figura IE mostra uma sonda de sensor térmico alternativa de acordo com uma configuração da invenção. Na figura 1C, um ou dois aquecedores externos 150a e/ou aquecedor externo 150b que, por exemplo, podem compreender capas de aquecedores elétricos, aquecedores de liquido quente, e similares, podem ser montados para aquecer uma seção ou diversas seções do tubo para uma dada temperatura. 0 perfil de distribuição de temperatura pode ser produzido na superfície do tubo a montante ou a jusante desta seção aquecida, em conseqüência de o fluxo de fluido 160 resfriar a parede de tubo condutora de calor, que atua como guia de energia térmica, para permitir a propagação de calor ao longo da direção axial do tubo, enquanto progressivamente vai perdendo calor para o fluido. O arranjo de sensor de temperatura 170, i.e. um arranjo de termopares ou similares instalado quer a montante ou a jusante dos aquecedores externos 150a, ou entre os aquecedores externos 150a e 150b, se dois destes aquecedores forem usados, é usado para medir a distribuição de temperatura em torno de circunferência do tubo. A distribuição de temperatura obtida desta forma pode ser usada para medir retenção de fase.

A figura 2A ilustra uma vista em seção parcial através de um tubo acoplado, de modo não-invasivo, a um sensor Doppler, de acordo com uma configuração da invenção. Em uma configuração da presente invenção, um sensor Doppler 210 pode ser afixado a um tubo 212 (mostrado em seção vertical) , onde o tubo 212 pode compreender uma seção de tubulação para fluir uma mistura de fluxo. 0 sensor Doppler 210 pode compreender uma sonda 214, que pode compreender um transceptor (não mostrado) e um conector 216 que pode ser conectado em uso a um equipamento de processamento de sinal. Em certos aspectos, uma face inferior 220 da sonda 214 pode ter uma ranhura 222 usinada em sua porção central 224. A curvatura da ranhura 222 pode ser selecionada de modo complementar à curvatura da superfície externa do tubo 212. Assim, a porção central 224 pode engatar o tubo, quando o sensor Doppler 210 for afixado ao tubo 212. Esta configuração pode garantir que uma quantidade de energia suficiente seja transmitida da sonda 214 para a parede de tubo 212. Este sensor Doppler 210 pode ser aplicável a tubos horizontais que conduzem um fluxo de fluido multifásico e, em certas circunstâncias, a tubos verticais que conduzem um fluxo multifásico. 0 sensor Doppler 210 pode consistir de pelo menos uma sonda transdutor ultrasonico de banda estreita, que pode ser montado na superfície externa de um tubo que conduz fluxo, e pode incluir um bloco absorvente de som, que pode ser montado na frente da sonda, para atenuar reflexões de energia indesejáveis na parede de tubo. Meramente para efeito de exemplo, a sonda de transdutor pode emitir sinais de pulso em uma faixa de freqüência de 100 kHz a 10 MHz. Assim, surtos breves de energia de banda estreita podem ser emitidos para o fluxo, e ecos podem ser recebidos com um deslocamento de freqüência provocado pelos refletores móveis, como limite de fase na mistura multifásica que passa no tubo 212, de acordo com o efeito Doppler. 0 deslocamento de freqüência observado para o sinal refletido, pode prover a medição de velocidade média, e a energia associada ao sinal Doppler também pode ser calculada para ajudar a separar diferentes fases no fluxo.

O deslocamento de freqüência Doppler e sinais de energia a partir de diferentes ângulos de visão em torno da circunferência do tubo 212 podem ser obtidos movendo o sensor Doppler 210 seqüencialmente a diferentes posições angulares, ou montando sensores Doppler 210 nestas posições e obtendo dados de um multiplexador. As informações de deslocamento de freqüência e energia Doppler e nestas posições podem ser combinadas através de um processamento de sinal adequado para produzir retenção de liquido e taxa de fluxo de liquido. A velocidade do gás pode resultar da velocidade de bolsões de liquido, que se tratam de áreas, onde a seção inteira do tubo é preenchida com liquido, e a velocidade dos bolsões de liquido, por sua vez, é obtida por uma correlação cruzada de energia Doppler a partir de pelo menos duas sondas, cuja distância de separação é conhecida, dispostas na direção do fluxo.

0 sensor Doppler 210 pode ser usado para monitorar fluxos de duas fases, para monitorar superfície da produção de líquido de poços de gás, e para medição de líquido e gás em poços de petróleo. Para poços produtores de três componentes, onde a água forma uma camada estratificada em direção ao fundo do tubo, a retenção de água pode ser medido combinando perfis Doppler de gama com porta a partir de diferentes ângulos de visão usando tomografia. Assim, um medidor de fluxo de três fases pode ser formado a partir do sensor Doppler 210. Um medidor de fluxo de fixar não-invasivo para tubulações industriais oferece muitas vantagens, podendo ser aplicável a testes periódicos ou ser instalado de modo permanente, uma vez que não há disprupção para o processo industrial/ produtivo durante monitoramento do fluxo, e nem implicar em interrupções para manutenção, mesmo quando o medidor for instalado de modo permanente. 0 medidor de fluxo também pode ser um equipamento compacto e leve, uma vez que o duto de liquido não faz parte do medidor.

A figura 2B mostra uma ilustração esquemática de uma seção vertical através de um sensor Doppler, de acordo com uma configuração da presente invenção. Como ilustrado na figura 2B, o sensor Doppler 210 pode compreender um cristal transceptor 230, alojamento 232, e conector 234. O cristal transdutor 230 pode ser montado em uma cunha de sonda angulada 236, que pode ser feita a partir de um material duro, por exemplo, "black Perspex" ou similar, que pode prover uma trajetória de transmissão ultrasonica do cristal 230 para uma face de contato 242, que pode ser disposta de modo a contatar uma superfície de tubo, quando o sensor Doppler 210 estiver em uso. Uma camada de equiparar impedância 24 4 pode ser usada entre o cristal 230 e a haste de trajetória de transmissão 236 para melhorar o acoplamento de energia. O diâmetro da haste de trajetória de transmissão de 236 pode ser ligeiramente maior que do disco de cristal 230. Meramente para efeito de exemplo, podem ser usadas faixas entre 10 e 25 mm, dependendo da freqüência para a qual o disco 30 foi designado a operar, sendo que a extensão de trajetória de transmissão dentro da sonda, b, para tais faixas é da ordem de IOs de milímetros. O espaço entre a haste de trajetória de transmissão 236 e o alojamento 232 pode ser preenchido com um material fono-absorvente 250 e 240, tal como epóxi, borracha carregada com sólidos, tal como partículas metálicas. Uma superfície interna 252 da parte frontal do alojamento de sonda 232 pode ser configurada para ser altamente difusora para minimizar reflexão especular. Meramente para efeito de exemplo, a parte frontal do alojamento da sonda 232 pode ser configurada em forma de dente de serra. Em certos aspectos, para estreitar a largura de banda do sinal transmitido a partir do transceptor 230 e aumentar a sensibilidade do transceptor quando recebe sinais refletidos e/ou similares, nenhum material amortecedor pode ser aplicado à região 246 atrás do cristal 230.

O material fono-absorvente 250, usado em certas configurações da invenção, pode ser usado, porque nos tubos metálicos há uma grande disparidade entre a impedância acústica do material da parede de tubo e aquela do liquido no tubo. Nestes casos, apenas uma pequena fração da energia passa para o liquido, cada vez que o sinal ultrasonico atinge a interface entre o liquido e a parede de tubo. Uma porção muito maior de energia é refletida pelos dois lados da parede, formando uma trajetória em zig-zag na direção axial, e entrementes esta energia intraparedes também se difunde circunferencialmente, a medida que avança. As reflexões múltiplas descritas acima resultam em múltiplos pontos e em múltiplas entradas de energia atrasadas para o liquido, sendo que a etapa de atraso é determinada pelo tempo de percurso de onda entre dois pontos sucessivos de entrada. Este padrão de propagação de onda complica a interpretação das medições Doppler do sensor Doppler 10. Assim, um eco recebido em um canal de porta de gama atrasada pode ser provocado quer por um refletor em uma profundidade maior ou por um refletor mais raso, mas mais afastado ao longo da direção axial, não havendo como saber, em qual caso não é possível medir o perfil Doppler através do fluido.

A utilização, em uma configuração da presente invenção, de um bloco fono-absorvente acoplado ao transdutor 30 pode superar este problema. 0 bloco pode ser feito moldando uma mistura de epóxi com pó de tungstênio e configurando uma face de contato para ajustar o sensor Doppler 10 à curvatura do tubo. Pode ser usada pelo menos uma mistura com relação de volume 50:50 para prover uma alta impedância acústica - em torno de 20 Mrayls - que é muito mais próxima à impedância do material da parede do tubo (45 Mrayls para o aço) que do liquido (1,5 Mrayls para água). Equiparando as impedâncias, pode ser absorvida pelo menos 70% da energia a partir do sensor Doppler 10, cada vez que uma onda a partir do sensor Doppler 10 encontra a interface de bloco e tubo. Em certos casos, também pode ser provida uma mistura de epóxi com pó de tungstênio para atenuar sinais ultrasonicos.

A dimensão do bloco na direção axial χ (não mostrada) pode pelo menos cobrir uma largura de feixe na parede de tubo (que se relaciona à extensão de contato axial L da sonda e ângulo divergente do feixe no tubo). Em certos aspectos, pode ser usada uma configuração com x> 3L. Em certos aspectos, a extensão de contato circunferencial do bloco com o tubo, w, pode ser duas vezes a extensão da sonda de transdutor. Em aspectos da presente invenção, a altura do bloco pode ser da ordem de pelo menos 10' de milímetro e contribuir para atenuação de energia em seu interior. Pode ser aplicado um gel de acoplamento ultrasonico, tal como um gel de acoplamento de ondas transversais, entre a face de contato entre bloco e tubo e o bloco, e em alguns aspectos, o bloco pode ser pressionado contra a parede de tubo por meios de pressão, tal como presilhas mecânicas, para garantir um bom acoplamento.

A figura 3A provê ilustração esquemática de sensor de espessura de incrustação que compreende uma configuração de processamento e medição Doppler ultrasonico com porta de gama acoplada a tubulação, de acordo com uma configuração da presente invenção. Na configuração da figura 3A, uma sonda de sensor ultrasonico pode ser afixada no tubo metálico que conduz fluido, com a face sensora pressionada firmemente contra a parede de tubo 331. Para um tubo horizontal, podem ser montadas mais que uma sonda em diferentes posições circunferenciais no tubo, quando forem diferentes os depósitos nestes locais. Em certos aspectos, pelo menos uma sonda pode ser montada tão próxima quanto possível da base do tubo, onde, quando uma mistura multifásica estiver fluindo através do tubo, a fase líquida da mistura pode estar sempre em contato com a parede de tubo 331. A sonda de sensor pode ser uma sonda Doppler ultrasonica compreendendo um cristal cerâmico piezo-elétrico 343, bloco de interface de tubo

-j

342, alojamento de sonda 342, material absorvente/ difusor de som 341, uma pluralidade de cabos conectores 346, alojamento de sonda 345, e conector elétrico de inserir 344. Para aplicações submarinas profundas e similares, o alojamento de sonda 315 pode ser configurado de modo a resistir à pressão.

Em certos aspectos, para minimizar o efeito de múltiplas reflexões dentro da parede de tubo 331, pode ser usado um bloco fono-absorvente opcional 347 que pode ter a impedância equiparada àquela do material da parede de tubo 331. A sonda pode ser uma sonda angulada, na qual o ângulo incidente αχ de um feixe ultrasonico para a parede do tubo pode ser ajustado para um certo valor, de modo que apenas uma onda transversal seja gerada na parede de tubo 331, de acordo com a lei de refração:

sen ai/ Ci = Sena2/ C2 (15) onde Ci e ai são respectivamente velocidade de onda e ângulo incidente no bloco de interface 342, que, em certos aspectos, pode se tratar de um material plástico, e C2 e a2 são respectivamente velocidade e ângulo da onda refratada na parede de tubo 331. Em certos aspectos, o ângulo a2 pode se encontrar na faixa entre 38 graus e 70 graus. Nestes aspectos, a onda refratada na parede de tubo 331, quando a parede de tubo 331 for de aço, pode ser uma onda transversal, com um valor de C2 = 3230 m/s.

Em certos aspectos, para se conseguir uma banda de freqüência estreita, deve haver apenas gás/ ar na parte de trás do elemento piezo-elétrico, e nenhum material amortecedor. 0 tamanho do elemento piezo-elétrico pode ser determinado de acordo com a freqüência de interrogação requerida. Em uma configuração invenção, podem ser usadas faixas de freqüência de 0,5 a 20 MHz. Freqüências mais altas resultam em resoluções maiores de medição de espessura. Em certos aspectos, podem ser usadas faixas de freqüência de 2 a 10 MHz, dependendo dos requisitos da aplicação. Um cabo elétrico 337 pode ser usado para conectar a sonda de sensor ultrasonica à unidade eletrônica 338. A unidade eletrônica 338 pode ser usada para operar a sonda de sensor ultrasônico no modo pulso-eco.

Em uma configuração da presente invenção, um ou mais sensores/ sondas Doppler podem ser posicionados em torno ou ao longo de uma seção de tubulação, e as saídas destes um ou mais sensores/ sondas Doppler podem ser processadas para prover a detecção de incrustação na parede da seção do tubo. A partir desta detecção, pode se estimar a manutenção de tubo e/ou garantia de fluxo. 0 processador pode representar as saídas de detecção de incrustação, armazenar as saídas em uma memória, operar um sistema de controle de incrustação, transmitir os dados de incrustação processados para

outro processador, etc.

Em uma configuração da presente invenção, em um ciclo de operação, a unidade eletrônica 338 pode aplicar um pulso elétrico de banda estreita, que pode consistir de diversos ciclos de onda senoidal e, em certos aspectos, pode ser da ordem de 2 a 8 ciclos, para o elemento de cristal piezo-elétrico, que, por sua vez, pode gerar um pulso eletrônico de banda estreita. Uma banda de freqüência estreita da energia emitida pode, em certos aspectos, prover a detecção do deslocamento de freqüência mais facilmente devido ao efeito Doppler. Na configuração descrita, a energia ultrasonica 335 é transmitida através do bloco de interface de tubo 342, da parede de tubo 331, e da camada de incrustação 332, para um fluido 333. Um eco 336 da energia ultrasonica 335 pode ser gerada sempre que a energia ultrasônica 335 encontre interfaces entre impedâncias acústicas diferentes. Algumas destas interfaces pode ser estacionária, tal como entre a parede de tubo 331 e a camada de incrustação 332, e entre a camada de incrustação 332 e o fluido 333. Outras interfaces podem ser dinâmicas, tal como partículas sólidas, gotas de líquido, bolhas de ar, etc. que viajam com o fluido 333 através da zona que está sendo analisada pelas sondas/ sensores Doppler. Apenas refletores móveis, tal como aqueles entranhados no fluido 333, produzem um deslocamento de freqüência Doppler para os correspondentes ecos. Ecos de interfaces estacionárias contêm apenas a energia na freqüência de emissão fe, em virtude de a falta de deslocamento de freqüência Doppler formar interfaces estáticas.

Depois de emitir o pulso de energia ultrasônica 335, o componente eletrônico de interface 348 pode passar para o modo de eco-gravação. Em outras configurações, podem ser usados dispositivos de eco-gravação, que podem ser posicionados em diferentes localizações e/ou orientações com respeito ao componente eletrônico de interface 348 que produz o pulso. Ecos ultrasonicos, no intervalo de tempo selecionado que corresponde ao tempo de percurso de volta do pulso-eco na faixa de profundidade selecionada, podem ser gravados pelo componente eletrônico de interface 348. Em certas configurações, uma faixa de profundidade pode ser selecionada, de modo a cobrir não apenas a espessura máxima da camada de incrustação que se deseja medir, mas também do depósito estacionário e fluido móvel, de modo a não ser muito maior que o necessário, com o propósito de detectar incrustação, e evitar uma desnecessária sobrecarga de manuseio de dados para o sistema de processamento de sinal. Em algumas configurações, usando dimensões de tubo, leituras anteriores de profundidade de incrustação, etc., sensores/ sondas Doppler podem ser configurados de modo a prover uma faixa de profundidade que cubra toda ou parte da espessura da parede de tubo interna, da espessura da incrustação mais pelo menos uma faixa da ordem de milímetros a IOs de milímetro no fluido que flui. 0 componente eletrônico de interface 348 podem repetir o ciclo de pulso-eco em uma freqüência de repetição de pulso selecionada fprf para prover uma análise periódica ou contínua de incrustação. Em algumas configurações da presente invenção, um certo número de ciclos pulso-eco pode ser provido após um pré-determinado período de tempo. Em outras configurações, um processador que pode estar localizado na superfície, em uma localização de controle, etc. pode controlar a ciclagem pulso-eco para controlar o processo de detecção de incrustação. Em certos aspectos, o controle da detecção de incrustação pode ser combinado com o tratamento de remoção/ inibição da incrustação da tubulação, seção de tubulação, etc..

A figura 3B ilustra a geração e análise de perfil Doppler de acordo com uma configuração da presente invenção. Uma forma de banda de domínio de tempo 360 ilustra uma voltagem que pode ser aplicada por um elemento piezo- elétrico durante um ciclo pulso-eco inteiro. Para detectar a incrustação, pode ser selecionada uma janela de detecção/ interrogação 363 a partir da parte interna da parede de tubo interna a poucos centímetros do furo de tubo. Em uma configuração, para monitorar corrosão, assim como formação de incrustação, a janela deve começar a partir de uma posição dentro da parede de tubo. 0 sinal de domínio de tempo na janela de detecção é dividido em um número de pequenos intervalos de tempo - que são chamados "portas de gama". 0 sinal de eco em cada porta pode ser analisado separadamente. Em uma configuração da presente invenção, uma análise espectral pode ser feita e uma filtragem apropriada pode ser aplicada para separar a energia cuja freqüência foi deslocada por efeito Doppler, a partir da freqüência de emissão original. A combinação de resultados do processamento de todas portas de gama pode produzir um dos seguintes perfis:

• perfil de velocidade de fluxo - onde a velocidade na iésima gama de porta é produzida a partir de:

Vi= c Af

2cos6 fe (16)

onde c é a velocidade do som, θ o ângulo entre o feixe ultrasônico e a direção do fluxo, fe a freqüência de emissão, e Af o deslocamento médio de freqüência Doppler.

• perfil de energia Doppler - onde a área sob o espectro deslocado de freqüência é obtida por integração, resultando a energia Doppler para uma dada "gama de porta".

Tais perfis Doppler podem prover informações com respeito à região de fluxo e à região de depósito estacionário no tubo. Assim, a região com incrustação, tomada como exemplo, é mostrada por uma seção de pontos com velocidade zero. Similarmente em um perfil de energia Doppler, a região incrustada é representada por pontos com energia Doppler zero. Em uma configuração da invenção, um perfil de referência tomado quando da instalação do dispositivo de detecção pela primeira vez, ou um perfil tomado em um instante no tempo por outras técnicas de análise de incrustação, quando a seção era nova, pode ser comparado ao perfil corrente, para processar a formação de incrustação, espessura, etc. Em algumas configurações, para reduzir os efeitos de ruido, aumentar a precisão, etc., pode se tomar a média dos perfis Doppler produzidos a partir de um número de ciclos pulso-eco consecutivos para produzir um perfil. Em uma configuração da invenção, para monitorar o crescimento da camada de incrustação em tempo real, os perfis podem ser tomados freqüentemente,

periodicamente, continuamente, etc. e comparados com um perfil de referência ou perfil anterior, etc.. Em certos aspectos, sensores/ sondas Doppler de gama com porta provêem taxas de atualização maiores que 1 Hz. As figuras 4A e 4B ilustram dois exemplos de sensores circunferêncialmente orientados para serem usados em uma análise de transmissão de tubulação e/ou análise de fluxo na tubulação de acordo com uma configuração da invenção. A figura 4A mostra um sensor orientado

circunferencialmente, com base em ondas transversais, de propagação circunferencial, para análise de transmissão de tubulação e/ou análise de fluxo na tubulação, de acordo com uma configuração da invenção. A figura 4B mostra um sensor orientado

circunf erencialmente, com base em ondas de Lamb, de propagação circunferencial, para análise de transmissão de tubulação e/ou análise de fluxo na tubulação, de acordo com uma configuração da invenção. Nas figuras 4A e 4B, as seções transversais ilustradas são orientadas perpendicularmente ao eixo geométrico do tubo, para mostrar como a energia de onda é irradiada para a fase liquida do fluido. Nestes aspectos, acima da interface gás-líquido, a perda da energia para o fluido se torna desprezível.

0 caso de uma onda transversal de propagação circunferencial está mostrado na figura 4A. O transmissor e receptor de cada canal são montados em lados opostos do tubo. 0 ângulo de incidência α pode ser ajustado em 38°, e, daí, o receptor pode ser ajustado em -38°. O caso de uma onda de Lamb de propagação circunferencial está ilustrado na figura 4B. Os transmissor e receptor de cada canal são montados próximos, assim provendo uma volta quase completa de onda. 0 ângulo de incidência α pode ser ajustado em 70° e, daí, o receptor pode ser ajustado em -70°. Em geral, o ângulo de incidência é escolhido de modo que o ângulo de refração na parede de tubo seja maior que o ângulo critico e, daí, uma grande fração da energia transmitida pode ser convertida em ondas de Lamb.

O tipo de transmissor, i.e. de onda de Lamb, de compressão, ou transversal, e o ângulo de feixe incidente na parede de tubo, a, pode ser selecionado, de modo que diferentes modos de onda possam ser excitados na parede de tubo. Em certos aspectos, o valor de α pode variar de -90° passando por 0 até +90°, que permite geração/ detecção dos vários modos de onda de Lamb, de compressão, transversal, e diferentes direções de percurso (sentido horário ou anti-horário, ou mesmo ao longo da direção axial do tubo) de acordo com os diferentes requisitos de aplicação. A forma de onda de excitação pode ser pulso, surto de tom (curto), ou onda continua. Em muitos aspectos da invenção, o pulso é a forma de onda preferida usada para fácil detecção. Ambas figuras 4A e 4B ilustram como, quando o tubo estiver parcial ou plenamente preenchido com liquido, a maior parte dos modos de propagação de onda, denominadas ondas de vazamento, vaza uma quantidade de energia para a fase liquida, quando o percurso passa da seção da parede em contato com a fase liquida. Dai, as ondas, que se propagam, são atenuadas com a presença da fase liquida no tubo. Para diferentes modos de onda, as expressões que provêem a taxa de decaimento de energia no tubo (também chamada taxa de atenuação) podem ser diferentes e complexas. Para um dado modo de onda, no entanto, a taxa de atenuação é função da impedância acústica e da fração da fase liquida, que pode ser expressa por:

E= k.px (17)

onde β é o coeficiente de reflexão da interface entre o liquido e a parede de tubo, que é determinado pela impedância acústica do liquido, χ é função da retenção H que se refere à extensão da interface entre o liquido e a parede de tubo, através da qual a onda transversal passou, e k um coeficiente determinado pela geometria do tubo e do ângulo de incidência do feixe. Ambos β e k podem ser determinados por medições de calibração em um tubo, quer completamente cheio ou vazio. Com ambos parâmetros conhecidos, a saída do receptor pode ser diretamente convertida para a medida de χ e, portanto, para a medida da retenção H.

Para a onda de Lamb da figura 4B, que passa em torno de tubo em mais que um ciclo, o valor RMS da primeira chegada de onda no detector, Ei, deve ser maior que da segunda chegada, E2 um ciclo depois, por causa do efeito de atenuação. A razão E2ZEll que representa a taxa de atenuação, pode ser aproximadamente expressa por: E2ZE1= k.px (18)

A figura 4C mostra dois canais de medição ultrasônica de fixar para garantia de fluxo, com base nos princípios de modos de onda de vazamento, como descrito acima, de acordo com uma configuração da presente invenção. Em certos aspectos, os canais podem ser axialmente separados de uma distância da ordem de IOOs de milímetros, e usualmente em uma faixa de 1 a 10 vezes o diâmetro do tubo. Cada um dos canais consiste de transceptor 442 e 444 e um receptor 443 e 445, respectivamente. Em uma configuração, transmissor e receptor podem ser operados em uma gama em torno de 0,5 MHz.

Flutuações dinâmicas de atenuação de energia medidas pelos dois canais podem ser processados por um correlator cruzado 446 para produzir uma medição de "tempo de voo". A separação conhecida entre transmissores e receptores e o atraso de tempo medido podem ser processados através da seguinte equação, para calcular a velocidade do fluxo da mistura na tubulação: Vf= d/τ (19)

onde d é a separação entre transmissores e receptores e τ o atraso de tempo medido.

Esta velocidade medida V.L pode ser interpretada usando modelos de fluxo apropriados para produzir velocidade homogênea ou de mistura do fluxo Vh. Modelos de fluxo apropriados são bem conhecidos na técnica. Exemplos destes modelos podem ser encontrados em A. E. Dukler e M.G. Hubbard, "A model for gas liquid slug flow in horizontal and near horizontal tubes" 14 IND. ENG. CHEM. FUNDAM. pp. 337-347 (1975) e M.K. Nicholson, K. Aziz e G.A. Gregory, "Intermittent two phase flow in horizontal pipes: predictive models" 56 CAN. J CHEM. ENG. pp. 653-663 (1978), quais conteúdos estão incorporados por referência a esta em sua integralidade. Um sensor Doppler 447, que, em certos aspectos, pode ser uma sonda de onda transversal angulada, pode ser montado no lado da base do tubo. Em algumas aplicações de uma configuração da presente invenção pode ser vantajoso adicionar uma segunda sonda Doppler no lado de cima do tubo. Os deslocamentos de freqüência Doppler produzidos por bolhas de gás e partículas sólidas na fase líquida podem prover informações com respeito à velocidade da fase líquida Vi.

Em uma configuração da presente invenção, taxas de fluxo de fases individuais podem resultar das três medições discutidas acima usando as seguintes equações: Qi = AH1V1 (20) e (20)

Qg = A (Vh - H1 V1) (21)

onde A é a área transversal do furo do tubo. Em uma configuração uma alternativa, os dois parâmetros medidos V1 e H1 pode ser combinados com um modelo de deslizamento para dar Q1 e Qg. 0 modelo de deslizamento provê uma diferença de velocidade Vs entre líquido e gás e, portanto, permite que a velocidade do gás Vg seja determinada com a seguinte equação:

Vg = Vs + Vi (22)

onde Vs é a diferença de velocidade.

A taxa de fluxo para o fluxo de gás então será determinada substituindo a equação (20) por:

Qg = A(I-Hl)Vg (23)

A figura 5A ilustra uma configuração de um sistema de monitoramento de tubulação e garantia de fluxo compreendendo múltiplos sensores, de acordo com uma configuração da presente invenção. Na configuração ilustrada, os dados podem ser adquiridos por múltiplos sensores não-invasivos 601a a 601e. Cada um destes sensores não-invasivos pode operar em diferentes modalidades. Meramente para efeito de exemplo, em certos aspectos, sensores Doppler ultrasônicos de gama com porta 601a ou uma pluralidade de sensores Doppler ultrasônicos de gama com porta 601Δ pode ser usada para determinar propriedades de incrustação e/ou propriedades de fluxo no sistema de monitoramento de tubulação e garantia de fluxo de acordo com uma configuração da invenção. Em outro exemplo, um sensor de sonda térmica não-invasiva 601b ou uma pluralidade de sensores de sonda térmica invasiva 601b pode ser usada para determinar propriedades de incrustação e/ou fluxo no sistema de monitoramento de tubulação/ garantia de fluxo configuração da invenção. Em outro exemplo, um sensor de impedância acústica 601c ou uma pluralidade de sensores de impedância acústicos 601c que pode compreender um sensor tipo pulso-eco ou sensores 601c-pe e/ou um sensor tipo onda de Lamb ou sensores 601c-lw - podem ser usados para sensorear propriedades de fluxo e/ou incrustações no sistema de monitoramento de tubulação/ garantia de fluxo, de acordo com uma configuração da invenção. Em ainda outros exemplos, uma combinação de um ou mais sensores do pelo menos um de cada um dos diferentes sensores pode ser configurada em um sistema de monitoramento de tubulação/ garantia de fluxo, de acordo com uma configuração da

s

invenção corrente.

A operação e processamento das saidas destes sensores de acordo com configurações da invenção foram descritas acima. Em diferentes configurações da presente invenção diferentes combinações de sensores invasivos 601 podem ser usadas. Meramente para efeito de exemplo, em algumas configurações, apenas uma pluralidade de sensores não- invasivos 601a pode ser usada em outras configurações, os sensores não-invasivos 601a podem ser usados em combinação com sensores não-invasivos 601b, etc.. Na figura 5A, um tubo mais ou menos horizontal 600 é mostrado conduzindo um fluxo multifásico gás/ liquido 603. 0 sistema multisensor, de acordo com uma configuração da presente invenção, pode consistir de pelo menos um sensor Doppler ultrasônico de gama com porta. Em certos aspectos, uma pluralidade de sensores Doppler ultrasônicos de gama com porta podem ser afixados a diferentes posições circunferenciais no tubo externo. Para um tubo horizontal, um ou mais sensores Doppler ultrasônicos de gama com porta podem ser posicionados próximos a porções de base, centro, e topo da circunferência externa do tubo. Em uma configuração, em adição aos sensores Doppler ultrasônicos de gama com porta, pelo menos um sensor de impedância acústica pode ser afixado à seção de tubulação. Em certos aspectos, uma pluralidade de sensores de impedância acústica pode ser acoplada à tubulação em vários locais em torno da circunferência do tubo. Os sensores de impedância acústica podem ser dispostos em diferentes posições circunferenciais no tubo externo. Em um tubo horizontal, os sensores de impedância acústica podem ser dispostos em torno da superfície externa do tubo nas mesmas alturas circunferenciais que da sonda Doppler vizinha. Em certas configurações, os sensores de impedância acústica podem ser configurados para prover uma diversidade no modo de medições de impedância. Meramente para efeito de exemplo, a impedância acústica pode ser medida com duas freqüências, uma primeira impedância acústica medida em uma primeira freqüência e uma segunda impedância acústica medida com o sensor de impedância acústica operando em um modo de onda de Lamb. Em configurações adicionais da presente invenção, o sistema de monitoramento de tubo/ garantia de fluxo pode incluir pelo menos um sensor de sonda térmica não- invasiva. Os sensores de sonda não-invasiva podem ser usados em combinação com sensores Doppler ultrasônicos de gama com porta e/ou sensores de impedância acústica. Em configurações que usam a pluralidade de sensores de sonda não-invasiva, os sensores podem ser afixados em diferentes posições no tubo externo. Em certos aspectos, para um monitoramento de tubo e/ou garantia de fluxo de um tubo horizontal, os sensores de sonda térmica não-invasiva podem ser dispostos na mesma altura circunferencial de sensores transceptores Doppler ultrasônicos de gama com porta e/ou sensores de impedância acústica. Os sensores mencionados acima são não-limitantes e, em outras configurações, tipos adicionais de sensores com base em outros princípios de medição, quer invasivos ou não-invasivos, podem ser adicionados a uma estrutura de sistema aberta. Meramente para efeito de exemplo, medidores de fluxo invasivos ou não-invasivos, medidores de densidade invasivos ou não-invasivos, sistemas de amostragem invasivos ou não-invasivos, e/ou similares podem ser usados com um ou mais dos sensores das configurações de sensor discutidas acima. Em certos aspectos da invenção, uma pluralidade de sensores transceptores Doppler ultrasônicos de gama com porta pode ser afixada à seção de tubo e posicionada no tubo para prover a geração de uma onda transversal na parede de tubo 602. 0 ângulo de posicionamento, em certos aspectos, pode ser um ângulo incidente de 15° a 85°, onde o ângulo incidente perpendicular é zero grau. 0 transceptor pode compreender um transdutor de banda estreita e pode ter, por exemplo, uma freqüência central dentro de uma faixa de 1 a 10 MHz. Em uma configuração, medições Doppler ultrasônicas de gama de porta, a partir da correspondente sonda de transceptor Doppler ultrasônica de gama com porta em cada posição, podem ser feitas conectando o correspondente transceptor ao componente Doppler pulsante e processador de sinal através de um multiplexador 605.

Meramente para efeito de exemplo, o multiplexador 605 pode ser primeiramente acoplado a sensores transceptores Doppler ultrasônicos de gama com porta na posição circunferencial mais inferior, e adquire os dados durante um período T, produzindo um número de perfis de velocidade Doppler M e um número de perfis de nível de energia M, por exemplo, onde M= 60 ou 600. Cada um destes perfis pode conter dados que correspondam a uma gama de profundidade, que começa dentro da parede de tubo 602 e termina a alguma distância no fluxo de mistura. Em certos aspectos, um componente eletrônico Doppler e pré- processador de sinal 610 podem processar cada ponto nos perfis de velocidade obtidos a partir da média de deslocamento de freqüência do sinal Doppler na correspondente porta de gama de profundidade. Cada ponto no perfil de nível de energia pode ser calculado a partir da área sob o espectro de freqüência do sinal Doppler na correspondente porta de gama. 0 perfil de energia é importante porque dá a concentração de refletores no fluxo e, portanto, a confiabilidade da estimativa de velocidade Doppler. Depois de terminar aquisição em um sensor transceptor Doppler ultrasônico de gama com porta, o multiplexador 605 então passa para o próximo, e as mesmas aquisições são executadas. Em aspectos da presente invenção, esta multiplexação/ escaneamento de sonda continua até serem adquiridos os dados da última sonda transceptor. Em alguns aspectos, este processo completo de escaneamento pode ser repetido em intervalos regulares de atualização. Em certas configurações, os dois tipos de perfil, especificamente velocidade e energia para cada sensor transceptor Doppler ultrasônico de gama com porta, podem ser providos como saídas 612-1 a 612-N para um processador de fusão de dados 620.

Como discutido acima, sensores de impedância acústica podem medir a atenuação de energia de um certo modo de onda na parede de tubo 602 e correlacionar esta atenuação com a impedância do material em contato com a parede. Em certas configurações da presente invenção, mais que um modelo de medição de impedância pode ser usado para prover um monitoramento de tubulação/ garantia de fluxo mais confiável e robusto. Meramente para efeito de exemplo, sensores de impedância acústica podem ser configurados para operar em um ou ambos modos de onda de compressão, pulso-eco, e onda de Lamb.

Em uma configuração da presente invenção, um monitor de impedância acústica 614 pode receber uma ou mais saidas a partir de um ou mais sensores de impedância. Similarmente, a unidade de medição térmica 616 pode receber uma ou mais saidas a partir de um ou mais sensores de sonda térmica não-invasiva. 0 monitor de impedância acústica 614, unidade de medição térmica 616, e/ou componente eletrônico Doppler e processador de sinal 610 podem prover versões processadas das saidas dos um ou mais sensores para o processador de fusão de dados 620. Assim, em algumas configurações da presente invenção, dados a partir de múltiplos sensores são primeiramente supridos para três pré-processadores que são chamados processadores de fusão de dados de primeiro nivel (monitor de impedância acústica 614, unidade de medição térmica 616, pré-processador de sinal e componente Doppler 610) para prepará-los para formas adequadas para processamento posterior no processador de fusão de dados 620. 0 pré-processador Doppler 610 pode transmitir para o processador de fusão de dados 620 velocidade e perfis de energia em tempo real das N sondas transistores, a partir da saida do processador de sinal Doppler. Processando estes dados Doppler com dados relacionados à localização de cada um dos diversos sensores, permite que a posição do sensor seja armazenada na memória 623, que pode ser um banco de dados ou similar, acoplado ao processador de fusão de dados 620, e que o processador de fusão de dados 620 produza velocidades de fluxo e sinais de retenção em tempo real para cada localização sensoreada. Em uma configuração da presente invenção, sinais de retenção e velocidade de fluxo para cada posição sensoreada em tempo real podem ser usados pelos três pré- processadores (monitor de impedância acústica 614, unidade de medição térmica 616 e/ou processador de sinal e componente eletrônico Doppler 610) para selecionar os períodos de tempo mais relevantes, em quais períodos pode se obter perfis Doppler mediados em tempo, impedância acústica, e dados de dissipação de calor. Em certos aspectos, o processador Doppler 610 pode produzir para cada posição de sensor Doppler perfis de velocidade mediada e as correspondentes condições/ regimes de fluxo nas quais os perfis são obtidos. Estes dados podem ser enviados para o processador de fusão de dados 620 para processamento adicional. 0 pré-processador Doppler 610 também pode prover resultados, tal como taxas de fluxo de líquido, fração de líquido/ gás, velocidade de líquido média, parâmetros de formação de bolsões (velocidade, extensão de bolsão de líquido etc.) e similares. 0 processador de fusão de dados 620 pode combinar diferentes dados de entrada, tais como mudanças de espessura de parede efetiva medidas pelo sistema Doppler multisonda, dados de regime de fluxo, posições de sensor, impedância acústica processada, e dados de dissipação térmica para determinar as condições do tubo e fluxo da mistura no tubo. Qualquer conhecimento a priori de fluxo ou dos fluidos obtido por outros meios, tal como propriedades de fluido de amostras, de histórico de produção (penetração de água), de dados geológicos, de modelos preditivos, etc., também pode ser armazenado na memória 633, e usado como entrada para o sistema de fusão de dados. Uma série de saídas 630 processada pelo processador de fusão de dados 620 pode incluir espessura de camada de incrustação no tubo, tipo de incrustação, grau de corrosão, propriedades do fluido que flui pelo tubo, tal como impedância acústica e condutividade térmica, e também o conteúdo de água estimado no líquido, todos acrescentados com os respectivos graus de confiança de detecção. A série de saídas 630 pode ser representada, OU transmitida para outros processadores, ou para um sistema que opera a tubulação, etc..

Em uma configuração da presente invenção, o pré- processador Doppler 610 pode tomar seqüências consecutivas de velocidades Doppler e perfis de energia para um número N de sensores transceptores Doppler ultrasônicos de gama com porta. Em diferentes aspectos da invenção, o pré-processador Doppler 610 pode executar os seguintes tipos de processamento:

Para cada sensor transceptor Doppler ultrasônico de gama com porta, a série de tempos de energia Doppler e/ou velocidade pode ser produzida. Assim, a energia Doppler e perfis de velocidade instantâneos podem ser obtidos em uma série de instantes ti, t2, . - - tn- Para um fluxo de bolsão horizontal, estes perfis variam significativamente nos diferentes instantes. Assim, o instante ti pode corresponder a uma seção de gás/ liquido estratifiçada de fluxo e tn a seção de bolsão de liquido que passa pelo sensor. Tomando a média de cada perfil instantâneo ao longo do eixo geométrico de profundidade, pode ser obtida a velocidade e/ou ponto de energia em cada instante, i.e. ti ou tn. Os diagramas abaixo mostram uma série de tempos típica de três sensores montados em diferentes posições circunferenciais em um tubo onde passa um fluxo de bolsão gás/ líquido.

A figura 5B ilustra uma série de tempo de sinais de velocidade (três perfis inferiores) e energia Doppler (três perfis superiores) de profundidade média para três transceptores montados próximos à base (perfis esquerdo), centro (perfis centrais), e topo (perfis direito) do tubo.

Com ajuda de dados com respeito a posição de sensor, o pré-processador Doppler 610 pode combinar perfis de todos sensores transceptores Doppler ultrasônicos de gama com porta para velocidade de fluxo de líquido, taxas de fluxo, fração de fase, parâmetros de bolsão, etc.. A velocidade/ extensão dos bolsões de líquido pode ser medida a partir de sinais como aqueles mostrados na série de tempos acima.

0 pré-processador Doppler 610 pode identificar regimes de fluxo a partir da assinatura da série de tempos mostrada acima. 0 pré-processador Doppler 610 também pode prover parâmetros descritivos para um regime de fluxo, tal como valor médio e variança da velocidade de liquido, concentração de refletores na fase liquida, fração de gás, etc..

0 pré-processador Doppler 610 pode produzir perfis novos de energia/ velocidade Doppler a partir de segmentos de série de tempos, como ilustrado acima. Este processamento sendo denominado "segmentação de sinal ou dado". Assim, as seções de bolsão podem ser identificadas na série de tempos mostrada acima, pelo fato de as seções de bolsão conterem uma concentração mais alta de refletores. Portanto, selecionando apenas perfis de velocidade Doppler adquiridas durante intervalos entre bolsões, tal como Ts para detecção de deposição e corrosão, a relação sinal: ruido da medição Doppler pode ser melhorada. Saliente-se que os perfis de saida produzidos pelos pré-processadores não se limitam necessariamente aos perfis de energia/ velocidade. Várias transformações de dados poderão ser aplicadas aos perfis originais para convertê-los em perfis com aspectos facilmente identificáveis, tal como pico, mostrando limites das zonas fluxo/ não-fluxo, onde podem ser usados métodos, tais como logaritmicos, derivadas, transformações de onda, por exemplo. Portanto, o termo "perfil" usado aqui, se refere, de modo amplo, à distribuição de um certo número de características com respeito à profundidade. 0 pré-processador Doppler 610 pode prover perfis de referência de atualização e medições correntes e históricas com respeito à espessura efetiva de parede. Um perfil de referência pode ser usado para medir a mudança relativa da zona de velocidade zero no perfil Doppler. Originariamente, a primeira referência pode ser obtida em uma primeira tomada de calibração, por exemplo, assim que o sistema de monitoramento é instalado, quando a condição da tubulação é considerada boa, quando a seção do tubo é avaliada, e o depósito de incrustação registrado. Qualquer mudança nas condições de tubo depois deste evento, quer causada por corrosão, deposição etc., pode ser calculada em uma configuração da invenção a partir da diferença entre o perfil correntemente medido e o perfil de referência. A figura 5C ilustra uma comparação de um perfil Doppler medido com um perfil Doppler de referência armazenado, de acordo com uma configuração. Como mostrado, a seção χ 650 entre um perfil Doppler medido 653 e um perfil Doppler de referência 656 pode prover a espessura do depósito de incrustação. Havendo corrosão, a seção de velocidade zero no perfil medido deve ser mais curta que aquela do perfil de referência 656, produzindo um valor negativo para seção χ 650. No entanto, os perfis de velocidade/energia, ou suas transformações, algumas vezes mudam o regime de fluxo. Assim, quando o fluxo se reduz, a seção de velocidade zero no perfil de velocidade Doppler aumenta, pelo fato de a concentração de refletores ser reduzida junto à parede do tubo. Para monitorar a deposição de sólidos, de modo confiável, um novo perfil de referência será produzido sempre que se detectar uma mudança significativa no regime de fluxo. Esta nova referência pode ser usada para detectar subseqüentes mudanças de espessura na parede do tubo. Em conseqüência, o pré-processador produz múltiplos perfis de referência, uma seqüência de espessuras de parede medidas se alteram com respeito às referências correntes e históricas. Este método de obter a mudança de espessura a partir de dois perfis obtidos em diferentes instantes constitui um exemplo de fusão de dados aplicado a medições diversificadas no domínio de tempo.

A figura 5C mostra como certos aspectos podem ser providos, que determinam mudanças de espessura de parede, que podem ser devidas à formação de depósito, corrosão, e etc., comparando um perfil de velocidade Doppler correntemente medido ou um perfil Doppler transformado ou similares com um perfil de referência.

Em certos aspectos, os perfis Doppler e medições de espessura processados, com respeito a perfis de referência, quer correntes ou históricos, podem ser obtidos para todas (N) sondas transceptores. A série de tempos também pode ser usada para selecionar dados de impedância acústica e dados de sensor térmico respectivamente a partir do monitor de impedância acústica 614 e da unidade de medição térmica 616, que correspondem a diferentes seções de fluxo. Meramente para efeito de exemplo, para detecção do depósito de incrustação, pode ser processado o contraste entre a impedância acústica da incrustação e do fluido em contato com a parede. Em certos aspectos, onde o sensor de impedância é disposto sobre a parte superior de um tubo horizontal que conduz um fluxo de bolsão gás/ liquido, o dado medido corresponde à seção estratifiçada de gás que passa freqüentemente pela seção transversal do tubo pode ser selecionado para processamento, pelo fato de as seções de gás estratifiçado terem uma impedância acústica muito mais baixa que da incrustação e, portanto, a incrustação ser mais facilmente detectável com um fundo de gás. Em configurações da presente invenção, em um pré- processamento Doppler, pode ser feita uma atualização dinâmica de referências de medição para pré-processadores térmicos e pré-processadores de impedância. Assim, a medição de perda de calor pode ser fortemente influenciada pela velocidade de fluxo em conseqüência da convecção forçada pelo fluido. Portanto, se houver uma mudança significativa na velocidade da mistura no tubo, que pode ser determinada pelo sistema Doppler, então quando o pré-processador Doppler determina a mudança de velocidade ou ausência de mudança, e uma nova medição térmica de referência nova deve ser tomada. Variações de perda de calor relativas às referências novas e históricas, podem ser transmitidas para o segundo processador de fusão de dado de segundo nivel para subseqüente processamento.

Em uma configuração da presente invenção, o primeiro nivel de processamento de pré-processamento de fusão de dados de primeiro nivel pode gerar dados que podem ser diretamente usados para mostrar condições anormais em alguns regimes de fluxo. Por exemplo, para um fluxo quase horizontal de bolsão gás/ liquido, a mudança da parede efetiva de tubo, devido à deposição, corrosão, etc. pode ser mostrada por medições Doppler na posição ou em torno de posição de altura média do tubo - onde a grande interface gás-liquido flutuante pode produzir fortes sinais Doppler. No entanto, para alguns outros regimes de fluxo ou para detecção de alguns outros parâmetros, tal como, tipo de deposição, conteúdo de água no óleo, etc. pode ser feito o processamento de dados a partir de sensores Doppler, sensores de impedância e/ou sensores térmicos em um processador de fusão de dados de segundo nivel. Por exemplo, a combinação de dados a partir de sensores Doppler com medições a partir de outros tipos de sensores diferentes pode ser provida para corrigir erros de medição de espessura de incrustação ou similares, que podem ser devidos ao efeito da velocidade do som na camada de incrustação.

Em certos aspectos, alternativamente a implementar processamentos de fusão de dados de primeiro e segundo niveis no mesmo processador de hardware, o software de processamento de fusão de dados de segundo nivel pode ser implementado em um processador de hardware fisicamente separado ou remoto dos sensores, por exemplo, em um computador em um controle central. A primeira tarefa do processamento de segundo nivel pode ser determinar qual regime de fluxo ocorre dentro do tubo. Em uma configuração, este tipo de análise pode ser feito combinando parâmetros relacionados a fluxo produzidos pelo pré-processador Doppler com um conhecimento prévio do leiout de tubulação, i.e. um leiaut de tubo vertical na zona de sensoreamento, leiaut de tubo horizontal na zona de sensoreamento ou ângulo de inclinação do tubo na zona de sensoreamento. Em uma configuração da presente invenção, quando se determina um certo regime de fluxo, um certo processo de fusão, especifico para aquele regime, pode ser selecionado para processar os desejados parâmetros de saida. Desta forma, em uma configuração, o sistema de monitoramento de tubulação/ garantia de fluxo, de modo inteligente, pode deduzir, em tempo real, quando sensorear certas propriedades, dependendo do regime de fluxo no tubo. Por exemplo, um sensoreamento Doppler de espessura de depósito no tubo com sensores transceptores Doppler ultrasônicos de gama com porta não pode ser feito quando da detecção de um fluxo de gás de fase única ou um fluxo de mistura de velocidade zero ou muito lento.

Em uma configuração da presente invenção, o monitoramento de um tubo/ garantia de fluxo pode ser feito para um fluxo quase horizontal de gás/ liquido no tubo. As entradas para fusão de dados podem ser referentes a mudanças de espessura de parede nos depósitos da parede de tubo medida por múltiplos sensores transceptores Doppler - que podem compreender N entradas de N sensores transceptores Doppler ultrasônicos de gama com porta - as entradas a partir de η medições de impedância acústica e/ou medições térmicas a partir de m sondas térmicas, onde cada sensor individualmente pode ser disposto em torno da circunferência do tubo. Também podem ser disponíveis para fusão de dados os parâmetros relacionados a regime de fluxo, que podem ser determinados a partir de um ou mais conjuntos de sensores em uma fusão de dados inicial, que corresponde a cada posição de sensor, que pode incluir velocidade de fluxo, concentração de refletores, fase (de líquido ou gás) em contato com o tubo, etc..

A figura 5D ilustra como dados de entrada em um processo de fusão de dados de segundo nivel podem ser mapeados para produzir determinações, de acordo com uma configuração da presente invenção. Neste mapeamento e similares, os dados de posição de sensor e outros dados conhecidos com respeito à tubulação e propriedades de fluido podem ser entradas interessantes. No mapeamento de dados ilustrado na figura 5D, seis cenários principais são representados 660a, 660b, 660c, 660d, 660e, 660f, alguns deles sendo mutuamente exclusivos, conquanto alguns deles se sobrepondo - tal como corrosão 660a e penetração de água 660b. Em uma configuração da invenção, o processo de fusão de dados pode mapear as medições 665a a 665f a partir de um ou mais sensores 667a a 667f em um cenário espacial de seis cenários principais 660a, 660b, 660c, 660d, 660e, 660f, etc.. O mapeamento de cenário pode envolver a decisão de quais entradas são sintomas de cenário e o peso de um sintoma para o diagnóstico. Em certos aspectos, podem ser usadas correlações experimentais e teóricas entre sintoma e diagnóstico, e/ou vários métodos de interferência entre sintomas e diagnóstico - tal como interferência Bayesian interferência Kalmam, e/ou similares. Em certos aspectos, filtragem, teoria Dempster - Schafer, rede neural, lógica difusa (fuzzy logic), e mesmo uma escolha ponderada podem ajudar a prover uma determinação/ decisão/ estimativa para o processo de fusão de dados de segundo nivel. Na fusão de dados/ mapeamento de dados, mostrada acima, a fusão de dados por escolha ponderada, de acordo com uma configuração da presente invenção, a entrada de dados pode ser mapeada para o cenário de tubulação processado. Neste processo de fusão de dados, um vetor de coeficiente de ponderação é gerado para cada entrada de medição (sintoma). 0 número de elementos no vetor se equipara ao número de cenários. Por exemplo, ki é gerado pelo primeiro canal Doppler e tem seis elementos que correspondem aos seis cenários mostrados no mapeamento de dados acima. Os coeficientes de ponderação são determinados a partir de correlações entre sintoma e cenário, e podem ser obtidos experimentalmente ou por modelagem. Os coeficientes também são afetados por dados relacionados ao regime de fluido, dados de posição de sensor, assim como informações relevantes mostradas

-í

como "outros dados de conhecimento". Por exemplo, em certos aspectos da presente invenção, se a relação sinal: ruido no transceptor Doppler montado próximo a parte inferior da circunferência do tubo for fraco, então deve ser usado um valor de ponderação pequeno para tornar insignificante a influência desta medição não confiável.

Em uma configuração da presente invenção, pode ser feito um diagnóstico com respeito ao resultado do processo de escolha de ponderação de fusão de dados. Meramente para efeito de exemplo, se a perda de calor a partir dos sensores de sonda térmica localizados em torno do tubo se reduzir significativamente, e se a temperatura subir de modo significativo, isto dá uma forte indicação de haver incrustações orgânicas nas paredes. A evidência pode ser fortalecida ainda mais, por um aumento da espessura da parede observado pelos sensores Doppler e/ou por um pequeno aumento no valor de impedância, uma vez que no caso de incrustações minerais, a impedância resultante seria muito maior. Assim, a partir da fusão de dados das saídas a partir de uma pluralidade de sensores diferentes, provêem-se mais e melhores análises para condições de tubulação e/ou fluxo.

Em certas configurações da presente invenção, pode ser usado um processo de fusão de dados dinâmico, onde entradas e saídas do processador de fusão de dados de segundo nível podem ser atualizadas repetidamente. Meramente para efeito de exemplo, a confiabilidade/ capacidade/ precisão de propriedades de diagnóstico de depósitos na tubulação aumenta quando múltiplos sintomas de depósito, tal como, espessura da camada de depósito, impedância acústica causada pela camada de depósito, e/ou temperatura de parede de tubo aumenta com o tempo. Em um aspecto da presente invenção, os resultados de escolha para todos os cenários prováveis podem ser comparados no processo de fusão de dados de segundo nivel, e os cenários mais prováveis com respeito à condição de tubo e fluxo podem ser processados por uma unidade de decisão/ tendência associada ou incorporada a um processador de fusão de dados. O processador ou unidade de decisão/ tendência associado que recebe os dados, também prevê um subseqüente desenvolvimento de cenário, e sugere decisões para medidas remediadoras. A figura 6 ilustra sensores de um sistema de monitoramento de tubulação e/ou garantia de fluxo configurado em uma rede de monitoramento distribuída em uma tubulação para prover energia para os sensores e comunicação entre os sensores e unidades de processamento de dados de acordo com uma podem se localizar distantes da fonte de energia e centro de telemetria, uma conexão por cabo pode não ser disponível. A figura 6 mostra um arranjo de sensores distribuídos 700 energizados por sistemas de armazenamento de energia locais 710 e ligados em rede por links sem fio, que podem ser links acústicos. Em outros aspectos, pode ser usada uma tecnologia de rede sem fio, tal como links eletromagnéticos sem fio ou similares.

Em várias configurações da invenção, podem ser usados vários sistemas de geração de energia, tais como sistemas baseados em pressão, fluxo de mistura, princípios termoelétricos, etc.. Em alguns aspectos, a energia pode ser transmitida ao longo de uma rede de sensores. Por exemplo, transdutores podem ser usados na rede e urn tipo de energia, tal como ondas de pressão, pode ser suprida ao transdutor para ser convertido ou encaminhado para o sensor. Um gerador termoelétrico pode ser usado para a rede, onde o gerador termoelétrico utiliza a significativa diferença de temperatura entre o fluido quente no tubo e a água fria do mar para gerar energia. A energia pode ser gerada por sistemas de geração de energia 710 e, eventualmente, armazenada em dispositivos apropriados, tal como supercapacitores, baterias, etc. para uso quando requerida.

Um link de transferência de dados, tal como um link de sonar acústico, pode ser usado para transmitir dados adquiridos. Quanto maior a distância de transmissão, maior será o dispêndio de energia. Assim, em certos aspectos, por exemplo, no caso de longas distâncias de transmissão, podem ser usados relês de Ioop curto, onde o sensor precisa transmitir dados à unidade relê/ sensor vizinha, que então os retransmite, acrescentados de seus próprios dados, ou com dados processados a partir de seus próprios dados e dos dados de sensor vizinho para a próxima unidade na linha, e dai em diante até um centro de processamento, disposto quer no leito do mar ou em uma plataforma ou embarcação na superfície. Na descrição acima, apenas para efeito de ilustração, vários métodos e/ou procedimentos foram descritos em uma certa ordem. Deve ser apreciado que em configurações alternativas, os métodos e procedimentos descritos acima poderiam ser realizados em ordem diferente daquela descrita. Também deve ser apreciado que os métodos descritos acima poderiam ser realizados por componentes de hardware e/ou configurados em seqüências de instruções executáveis por máquina, que poderiam ser usadas para fazer uma máquina, tal como um processador ou circuito lógico de construção específica, programados com instruções, realizar os métodos. Estas instruções executáveis por máquina podem ser armazenadas em uma ou mais mídias legíveis por máquina, tal como CD-ROMS ou outros tipos de discos ópticos, ROMs, RAMs, EPROMs, EEPROMs, cartões magnéticos ou ópticos, memória flash, ou outros tipos de mídia legível por máquina adequados para gravar instruções eletrônicas. Meramente para efeito de exemplo, algumas configurações da presente invenção provêem programas que podem ser executados em um ou mais computadores para executar os métodos e procedimentos descritos acima. Em configurações particulares da 5 presente invenção pode ser prevista uma pluralidade de componentes de software configurada para vários dispositivos de hardware. Alternativamente, os métodos poderiam ser realizados por uma combinação de hardware e software.

Portanto, conquanto descrições detalhadas de uma ou mais configurações da presente invenção tenham sido descritas, várias alternativas, modificações, e equivalentes serão aparentes àqueles habilitados na técnica sem fugir do espírito da presente invenção. Ademais, exceto onde 15 expressamente indicado, deve ser considerado que aspectos, dispositivos, e componentes de diferentes configurações poderiam ser substituídos e/ou combinados. Assim, a descrição acima não deve ser tomada em sentido limitante com respeito ao escopo da presente invenção, 20 que será definido apenas pelas reivindicações anexas.

Claims

1. Sistema para monitoramento de tubulação e garantia de fluxo, para uma tubulação para fluir uma mistura de fluxo contendo um ou mais hidrocarbonetos, caracterizado pelo fato de compreender: um sensor de sonda térmica acoplado a uma seção da tubulação e configurado para sensorear características térmicas da seção da tubulação; e um processador em comunicação de dados com um sensor de sonda térmica, e configurado para processar propriedades de um depósito na parede do tubo da seção de tubulação a partir das características térmicas.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sensor de sonda térmica compreender um aquecedor configurado para aquecer a sonda e uma ponta sensora configurada para contatar a parede do tubo.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a diferença de temperatura ser medida entre a extremidade aquecida da sonda e a ponta sensora.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender uma isolação acoplada ao sensor de sonda térmica e à seção da tubulação, e configurada para fazer o fluxo de calor a partir do sensor de sonda térmica na seção da tubulação proporcional à diferença de temperatura.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de as propriedades compreenderem espessura ou composição do depósito.

6.Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o processador determinar as propriedades a partir de resultados experimentais, modelação de computador, e análises anteriores de depósito.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um sensor Doppler acoplado à seção da tubulação e configurado para determinar características da mistura de fluxo.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um meio de processamento de sinal acoplado a um sensor Doppler e configurado para calcular taxas de fluxo de pelo menos duas fases na mistura de fluxo.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um processador de controle acoplado ao sensor Doppler e ao sensor de sonda térmica, e configurado para controlar operação do sensor de sonda térmica de acordo com as características da mistura de fluxo.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o processador de controle prover a operação do sensor de sonda térmica, quando a mistura de fluxo consistir de um de fluxo de fase gasosa, fluxo de fase líquida, e fluxo estacionário.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um sensor de impedância acústica acoplado à seção da tubulação, e configurado para determinar uma de características de mistura de fluxo, propriedades do depósito, e características de corrosão da seção da tubulação.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato adicionalmente compreender: um sensor de impedância acústica acoplado à seção da tubulação, e configurado para determinar uma de características de mistura de fluxo, propriedades do depósito, e características de corrosão da seção da tubulação.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um processador de fusão de dados acoplado a cada um de sensor de sonda térmica, sensor Doppler, e sensor de impedância acústica, e configurado para processar dados de saída de pelo menos dois de sensor de sonda térmica, sensor Doppler, e sensor de impedância acústica, para determinar uma de características de mistura de fluxo, propriedades do depósito e características de corrosão da seção da tubulação.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de o processador de fusão de dados processar dados de saída a partir de pelo menos 10 um de sensor de sonda térmica, sensor Doppler e sensor de impedância acústica, para controlar operação de pelo menos um de sensor Doppler e sensor de impedância acústica, para determinar as características da mistura de fluxo.

15. Sistema para monitoramento de tubulação e garantia de fluxo, para uma tubulação para fluir uma mistura de fluxo contendo um ou mais hidrocarbonetos, caracterizado pelo fato de compreender: uma rede de uma pluralidade de sensores de sonda térmica acoplada à tubulação, e configurada para sensorear características térmicas da tubulação; e um processador em comunicação de dados com a rede da pluralidade de sensores de sonda térmica, e configurado para processar as propriedades de um depósito em uma parede de tubo das seções da tubulação a partir das características térmicas.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: uma pluralidade de dispositivos de comunicação sem fio acoplada a uma ou mais da pluralidade de sensores de sonda térmica, e configurada para prover comunicação de dados entre a pluralidade de sensores de sonda térmica e o processador.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de a pluralidade de dispositivos de comunicação sem fio compreender um de link de sonar acústico e link sem fio.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de os dados serem comunicados ao longo da rede da pluralidade de sensores de sonda térmica a partir de um sensor para um sensor adjacente e para o processador.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: pelo menos um sistema de armazenamento de energia acoplado a pelo menos um sensor da pluralidade de sensores de sonda térmica, e configurado para gerar energia a ser provida para o pelo menos um sensor da pluralidade de sensores de sonda térmica.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o sistema de armazenamento de energia compreender um gerador termo-elétrico.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: uma pluralidade de sensores Doppler, sendo que a pluralidade de sensores Doppler é configurada para a rede da pluralidade de sensores de sonda térmica em comunicação de dados com o processador, e sendo que a pluralidade de sensores Doppler é acoplada à tubulação e configurada para sensorear pelo menos uma de características da mistura de fluxo, propriedades do depósito na parede do tubo, e propriedades de corrosão da parede do tubo.

22. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: uma pluralidade de sensores de impedância acústica, sendo que a pluralidade de sensores de impedância acústica é configurada para a rede da pluralidade de sensores de sonda térmica em comunicação de dados com o processador, e sendo que a pluralidade de sensores de impedância acústica é acoplada à tubulação e configurada para sensorear pelo menos uma de características de fluxo da mistura de fluxo, propriedades do depósito da parede do tubo, e propriedades de corrosão da parede do tubo.

23.Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: uma pluralidade de sensores de impedância acústica, sendo que a pluralidade de sensores de impedância acústica é configurada para a rede da pluralidade de sensores de sonda térmica e a pluralidade de sensores Doppler, em comunicação de dados com o processador, e sendo que a pluralidade de sensores de impedância acústica é acoplada à tubulação e configurada para sensorear pelo menos uma de características de fluxo da mistura de fluxo, propriedades de depósito na parede do tubo, e propriedades de corrosão da parede do tubo.

24. Sistema para monitoramento de tubulação e garantia de fluxo, para uma tubulação, para fluir uma mistura contendo um ou mais hidrocarbonetos, caracteri zado pelo fato de compreender: um sensor de sonda térmica acoplado à seção da tubulação, e configurado para sensorear características térmicas da seção da tubulação; e um processador em comunicação de dados com o sensor de sonda térmica e configurado para processar propriedades de um depósito em uma parede de tubo da seção da tubulação a partir das características térmicas.

25. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracteri zado pelo fato de compreender um aquecedor configurado para aquecer a sonda, e uma ponta sensora configurada para contatar a parede do tubo.

26. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de uma diferença de temperatura ser medida entre a extremidade aquecida da sonda e a ponta sensora.

27. Sistema, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender uma isolação acoplada ao sensor de sonda térmica e à seção da tubulação, e configurada para fazer que o fluxo de calor do sensor de sonda térmica para a seção da tubulação seja proporcional à diferença de temperatura.

28. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de as propriedades compreenderem espessura ou composição de depósito.

29.Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de o processador determinar as propriedades a partir de resultados experimentais, por modelação em computador e de análises anteriores de depósito.

30. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um sensor Doppler acoplado à seção da tubulação e configurado para determinar as características da mistura de fluxo.

31.Sistema, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: - um meio de processamento de sinal acoplado ao sensor Doppler e configurado para calcular as taxas de fluxo de pelo menos duas fases na mistura de fluxo.

32. Sistema, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um processador de controle acoplado ao sensor Doppler e ao sensor de sonda térmica e configurado para controlar operação do sensor de sonda térmica, de acordo com as características da mistura de fluxo.

33. Sistema de acordo com a reivindicação 32 caracterizado pelo fato de o processador de controle prover uma operação do sensor de sonda térmica, quando a mistura de fluxo é um de fluxo de fase gasosa, fluxo de fase líquida, e fluxo estacionário.

34. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender: um sensor de impedância acústica acoplado à seção da tubulação, e configurado para determinar uma de características de mistura de fluxo, propriedades de depósito, e propriedades de corrosão da seção da tubulação.

35. Método para monitoramento de tubulação e garantia de fluxo de uma tubulação, para fluir uma mistura de fluxo contendo um ou mais hidrocarbonetos, caracterizado pelo fato de compreender: - contatar, de modo não-invasivo, urna sonda metálica a uma seção da tubulação; aquecer a sonda metálica; medir o fluxo de calor com a sonda metálica na seção da tubulação; e - processar o fluxo de calor medido para determinar as propriedades do depósito em uma parede de tubo da seção da tubulação.

36. Método, de acordo com a reivindicação 35, caracteri zado pelo fato de a medição do fluxo de calor a partir da sonda metálica na seção da tubulação compreender medir a diferença de temperatura na porção da sonda metálica que está sendo aquecida e na porção da sonda metálica que contata a seção da tubulação.