DE602004007391T2

DE602004007391T2 - Probenentnahmegerät

Info

Publication number: DE602004007391T2
Application number: DE602004007391T
Authority: DE
Inventors: Paul Guieze; David Macwilliam; Kostas Kotzakoulakis
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: RU2372602C2; EP1645863A1; ATE366412T1; ES2290649T3; DE602004007391D1; WO2006037565A1; RU2007116972A; US20110061475A1; EP1645863B1; US8109158B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Nehmen einer Probe einer einzelnen Phase aus einem Mehrphasenfluidgemisch.
Eine besondere Anwendung der Erfindung bezieht sich auf das Nehmen von Proben der verschiedenen Phasen eines Mehrphasenfluidgemisches aus einem Kohlenwasserstoffbohrloch. Ein solches Mehrphasenfluidgemisch enthält typischerweise drei Phasen: eine wasserhaltige Phase, eine flüssige Kohlenwasserstoffphase und eine gasförmige Kohlenwasserstoffphase.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Nachdem ein Kohlenwasserstoffbohrloch gebohrt und sicher gemacht worden ist, werden im Allgemeinen verschiedene Tätigkeiten ausgeführt:

– Bohrlochtesttätigkeiten (die dazu dienen, die verschiedenen Komponenten des aus dem Bohrloch ausströmenden Ausflusses zu charakterisieren und die Förderfähigkeiten des Bohrlochs abzuschätzen) und anschließend
– eine Bohrlochfördertätigkeit, solange das geförderte Öl hinsichtlich der Qualität, des Durchflusses usw. zufrieden stellend ist.

Während dieser Tätigkeiten verändert sich die Zusammensetzung des Ausflusses. Der Ausfluss, der anfänglich gesammelt wird, ist im Wesentlichen aus Wasser gebildet. Anschließend nimmt der Prozentsatz von wasserhaltigem Rückstand allmählich ab, wobei sich die Zusammensetzung des Ausflusses mit Öl und Gas anreichert. Folglich ist der Ausfluss ein Mehrphasenfluidgemisch. Außerdem kann das Mehrphasenfluidgemisch komplexe Strömungsregimes wie beispielsweise Nebel, Blase, Schwall, Wirbelströmungen usw. im Bohrloch oder in den Fließlinien besitzen.
Während der Test- und Fördertätigkeiten ist ein wichtiges Anliegen, die verschiedenen Phasen, die das Mehrphasenfluidgemisch bilden, so genau wie möglich zu identifizieren und/oder zu analysieren. Ein vorbereitender Schritt ist das Erlangen einer repräsentativen Probe des aus dem Kohlenwasserstoff bohrloch herausströmenden Mehrphasenfluidgemisches. Systeme des Standes der Technik, die in den Patenten US 6,182,505 und US 6,212,948 offenbart sind, beziehen sich auf solche Probennahmevorrichtungen.
Zum Nehmen einer Probe einer Phase aus einem Mehrphasenfluidgemisch ist bekannt, das Rohr, in dem das Mehrphasenfluidgemisch strömt, mit Schwerkraftfallen (unteren und oberen Fallen), die mit einem geeigneten Abzug zum Sammeln einer bestimmten Phase gekoppelt sind, zu versehen. Die Darstellung der durch die Schwerkraftfallen gesammelten Phasen ist fragwürdig, weil die Phasen in den Schwerkraftfallen nicht ständig aufgefrischt werden. Außerdem sammelt die untere Falle sämtliche schweren Phasen wie etwa Flüssigkeiten (Öl, Wasser) und Feststoffe. Diese Feststoffe verstopfen häufig den Abzug, was eine weitere Probennahme verhindert, wobei dann, wenn die Strömung der schwersten Flüssigkeit (Wasser) stark ist, es sehr schwierig ist, das leichtere (Öl) abzuziehen, da die Geschwindigkeit der Akkumulation höher als jene des Abziehens sein könnte.
Es ist auch bekannt, dem Rohr, in dem das Mehrphasenfluidgemisch strömt, eine Einzelprobe (Probennahmezylinder) zu entnehmen, die Probe aufzufrischen und die Phase später in einem Labor zu trennen. Das Aufbereiten von Proben in einem Labor besteht darin, dem Rohr eine solche Temperatur und einen solchen Druck aufzudrücken, dass das ursprüngliche thermodynamische Gleichgewicht und dadurch die ursprünglichen Fluidphasenzusammensetzungen erreicht werden. Die stabilisierten Phasen werden danach getrennt und in mehrere Zellen für die physikalisch-chemischen Messungen übertragen. Dieses Verfahren ermöglicht keine Steuerung des entnommenen Volumens einer jeden Phase, was zu einer unzureichenden Menge einer gegebenen Phase für die Messungen nach der Probennahme führen könnte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung ist es, einer Probennahmevorrichtung vorzuschlagen, die zumindest einen der Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Gemäß der Erfindung ist die Probennahmevorrichtung eine aktive Probennahmevorrichtung, die aus einem Mehrphasenfluidgemisch, das in ein Hauptrohr strömt, eine repräsentative Probe einer ausgewählten Phase nimmt, ohne ihre Zusammensetzung und ihren Zustand zu verändern. Die Probennahmevorrichtung entnimmt strömenden Fluiden an einer ausgewählten Rohrposition eine Probe, sammelt die Probe in einer Kammer mit veränderlichem Volumen und reichert die Probe in einer gegebenen Phase an, indem sie die unerwünschten Phasen in einem iterativen Prozess in das Hauptrohr zurückfüllt. Die Probennahmevorrichtung umfasst einen Phasendetektor zum Erfassen des Typs von entnommenem und aus der Kammer ausgestoßenem Fluid und einen Volumenmesswertdetektor zum Erfassen des Volumens der Kammer,
Die Probennahmevorrichtung ermöglicht das Entnehmen eines bedeutsamen und steuerbaren Volumens einer ausgewählten Phase für die weitere Analyse.
Die Probennahmevorrichtung ermöglicht das Halten der Probe unter Linienflussbedingungen (Druck und Temperatur) während des gesamten Probennahmeprozesses, um eine auf die Zusammensetzung bezogene Veränderung wegen Stoffübergangs zu verhindern.
Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Probennahmevorrichtung zum Nehmen einer Probe eines in einer ausgewählten Phase angereicherten Fluids aus einem Mehrphasenfluidgemisch, das in ein Hauptrohr strömt, wobei das Mehrphasenfluidgemisch wenigstens die ausgewählte Phase und eine andere Phase enthält, wobei die Vorrichtung umfasst:

– eine Probennahmeanordnung zum Nehmen einer Fluidprobe des Mehrphasenfluidgemisches, das in das Hauptrohr strömt,
– eine Probennahmekammer mit veränderlichem Volumen zum Sammeln der Fluidprobe des Mehrphasenfluidgemisches und zum Absetzenlassen durch Schwerkraft der Fluidprobe in dem in der ausgewählten Phase angereicherten Fluid und in wenigstens einem in einer weiteren Phase angereicherten Fluid und
– einen Ventilverteiler, der die Probennahmeanordnung mit der Probenkammer koppelt, um die Fluidprobe in der Probenkammer zu bewegen und um das in der ausgewählten Phase angereicherte Fluid zu einem Probenauslass zu bewegen und um das in der weiteren Phase angereicherte Fluid zurück zu dem Hauptrohr zu bewegen.

Die Probennahmevorrichtung umfasst ferner eine Temperatursteueranordnung zum Halten der Probenkammer und des Ventilverteilers auf der Temperatur des Mehrphasenfluidgemisches im Hauptrohr. Die Temperatursteueranordnung kann einen Wärmeisolator, eine Heizvorrichtung und einen Temperaturregulator umfassen.
Die Probennahmeanordnung kann ein Probennahmerohr umfassen, das so beschaffen ist, dass es mit dem Hauptrohr gekoppelt werden kann, wobei das Probennahmerohr wenigstens eine Probennahmesonde enthält. Die Probenkammer umfasst einen oberen Anschluss und einen unteren Anschluss. Der Ventilverteiler koppelt die Probennahmesonde mit der Kammer und besitzt einen Probenauslass, um das in der ausgewählten Phase angereicherte Fluid bereitzustellen. Er umfasst wenigstens ein Sondenventil, das die Probennahmesonde mit einem Phasendetektor koppelt, ein oberes Anschluss-Ventil, das den Phasendetektor mit dem oberen Anschluss koppelt, ein unteres Anschluss-Ventil, das den Phasendetektor mit dem unteren Anschluss koppelt, und ein Auslassventil, das den Phasendetektor mit dem Probenauslass koppelt.
Der Phasendetektor ist beispielsweise ein optischer Phasendetektor Die Probenkammer kann einen Kolben enthalten, der in der Probenkammer durch einen Kolbenaktuator aufwärts und rückwärts bewegt werden kann. Das veränderliche Volumen ist durch die Position des Kolbens in der Probenkammer definiert. Der Kolben ist von der Wand der Probenkammer durch einen Ringraum getrennt, der ein in der Kammer vorhandenes Fluid nach unten zum unteren Anschluss strömen lässt.
Das Probennahmerohr kann eine untere, eine mittlere und eine obere Probennahmesonde umfassen, die in einem unteren Abschnitt, einem mittleren Abschnitt bzw. einem oberen Abschnitt des Probennahmerohrs positioniert sind.
Die obere, die mittlere und die untere Probennahmesonde sind der Strömung des Mehrphasenfluidgemisches zugewandt.
Das Probennahmerohr kann ferner eine Gasprobennahmesonde aufweisen, die entweder in dem mittleren Abschnitt des Probennahmerohrs oder in dem oberen Abschnitt des Probennahmerohr und in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der unteren, der mittleren und der oberen Probennahmesonde positioniert ist. Das Probennahmerohr kann eine Probennahmesonde mit einer einstellbaren Position in dem Probennahmerohr aufweisen.
Die Probennahmevorrichtung kann ferner einen Sensor zum Messen des Probenkammervolumens (beispielsweise durch Messen der Position des Kolbens in der Probenkammer) umfassen.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Probennahmeverfahren zum Nehmen einer Probe eines in einer ausgewählten Phase angereicherten Fluids aus einem Mehrphasenfluidgemisch, das in einem Hauptrohr strömt, wobei in das Hauptrohr eine Probennahmevorrichtung gemäß der Erfindung eingesetzt ist. Das Probennahmeverfahren umfasst:

– einen ersten Schritt, der die Schritte des Nehmens einer Fluidprobe des Mehrphasenfluidgemisches durch Koppeln einer Probennahmesonde mit der Probennahmekammer und durch Erhöhen des Volumens der Kammer und des Absetzenlassens durch Schwerkraft der Fluidprobe in der Probenkammer in das in der ausgewählten Phase angereicherte Fluid und in wenigstens ein Fluid, das in einer unerwünschten Phase angereichert ist, umfasst,
– einen zweiten Schritt, der die Schritte des Spülens des Fluids, das in wenigstens einer unerwünschten Phase angereichert ist, zurück zum Hauptrohr durch Koppeln der Probenkammer mit einer Probennahmesonde und durch Verringern des Volumens der Kammer umfasst,
– Wiederholen des ersten und des zweiten Schrittes, um eine gegebene Menge des in der ausgewählten Phase angereicherten Fluids in der Probenkammer zu erhalten, und
– einen dritten Schritt, der den Schritt des Ausstoßens des in der ausgewählten Phase angereicherten Fluids aus der Kammer durch Koppeln der

Kammer mit dem Auslass und durch Verringern des Volumens der Kammer umfasst.
Während des Probennahmevorgangs wird die Probennahmevorrichtung auf der Temperatur des in ein Hauptrohr strömenden Mehrphasenfluidgemisches gehalten. Außerdem werden die Phasen des Fluids, das in die und aus der Probenkammer strömt, überwacht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Beispielen veranschaulicht, wobei sie nicht auf die begleitenden Figuren begrenzt ist, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente angeben:
1 ist eine schematische Ansicht eines Kohlenwasserstoffbohrlochs und einer Bohrlochausrüstung, die eine Probennahmevorrichtung umfasst;
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Nehmen einer Probe einer einzelnen Phase aus einem Mehrphasenfluidgemisch gemäß der Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt schematisch einen Kohlenwasserstoffbohrturm OR. Von einem Bohrlochkopf WH strömt ein Ausfluss E aus dem Bohrloch. Der Bohrlochkopf WH ist über ein Hauptrohr FL mit verschiedenen Bohrlocheinrichtungen OE verbunden. Die Bohrlocheinrichtungen können irgendwelche herkömmlichen Bohrlochtest- oder Bohrlochfördereinrichtungen umfassen, die nicht näher beschrieben werden. Das Hauptrohr FL enthält eine Probennahmevorrichtung 1 zum Nehmen einer Probe eines in einer ausgewählten Phase angereicherten Fluids aus dem durch ein Mehrphasenfluidgemisch gebildeten Ausfluss E. Die Probennahmevorrichtung liefert ein entnommenes Fluid SF entweder an einen geeigneten Analysator ANA für die Feldanalyse oder in eine Probennahmeflasche SB für eine nachträgliche Analyse durch ein Labor LAB.
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Nehmen einer Probe einer einzelnen Phase aus einem Mehrphasenfluidgemisch gemäß der Erfindung.
Die Probennahmevorrichtung 1 umfasst ein Probennahmerohr 2, eine Probenkammer 3 mit veränderlichem Volumen, einen Ventilverteiler 4 und eine Temperatursteueranordnung 6.
Das Probennahmerohr 2 ist so beschaffen, dass es beispielsweise durch herkömmliche Flansche/Nippel und Verbindungsmittel mit dem Hauptrohr FL gekoppelt werden kann. Das Probennahmerohr 2 enthält vier Probennahmesonden: eine Gasprobennahmesonde SP1, eine untere Probennahmesonde SP2, eine mittlere Probennahmesonde SP3 und eine obere Probennahmesonde SP4.
Die untere Probennahmesonde SP2 ist in einem unteren Abschnitt des Probennahmerohrs 2 positioniert. Die mittlere Probennahmesonde SP3 ist in einem mittleren Abschnitt des Rohrs positioniert. Die obere Probennahmesonde SP4 ist in einem oberen Abschnitt des Rohrs positioniert. Die obere, die mittlere und die untere Probennahmesonde sind der Strömung des Mehrphasenfluidgemisches FF zugewandt (d. h., dass die Probennahmespitzen der oberen, der mittleren und der unteren Probennahmesonde stromaufwärts gerichtet sind).
Die Gasprobennahmesonde SP1 ist in dem mittleren Abschnitt des Rohrs und in der Strömungsrichtung des Mehrphasenfluidgemisches FF, nämlich in einer in Bezug auf die obere, die mittlere und die untere Probennahmesonde entgegengesetzten Richtung positioniert (d. h., dass die Probennahmespitze der Gasprobennahmesonde stromabwärts gerichtet ist).
Die Probennahmesonden SP1, SP2, SP3 und SP4 ermöglichen eine Probennahme an verschiedenen Positionen und in verschiedenen Richtungen im Hauptrohr. Insbesondere ermöglicht diese Positionierung das Einfangen einer vorherrschenden Phase des in das Hauptrohr 2 strömenden Mehrphasenfluidgemisches FF in Abhängigkeit von ihrer Qualität (Gas, Flüssigkeit) und von den Strömungsregimes (Nebel, Blase, Schwall, Wirbelströmungen usw.). Zum Einfangen einer vorherrschenden Phase kann durch einen integrierten Ventilverteiler eine der Probennahmesonden ausgewählt werden, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Die Form des Probennahmerohrs und die Position der Probennahmesonden SP1, SP2 und SP3 auf derselben vertikalen Linie, wie sie in 2 gezeigt ist, sind nicht einschränkend. Alternativ kann das Probennahmerohr andere Formen und eine andere Konfiguration, als jene, die in 2 gezeigt ist, besitzen; es kann beispielsweise ein Rohrabschnitt sein, der eine T-Form, Winkelstücke usw. besitzt. Außerdem können die Position der Probennahmesonden sowie deren Anzahl in Abhängigkeit von den Fluidströmungseigenschaften variieren. Insbesondere hängen die Fluidströmungseigenschaften von der Position des Probennahmepunktes nach einem Kniestück oder einer Geraden des Hauptrohrs usw. ab. Eine solche Konfiguration des Hauptrohrs kann erwartet werden, und folglich kann die Position der Probennahmesonde an die Konfiguration angepasst werden. Folglich können die Probennahmesonden SP1, SP2, SP3 und SP4 entsprechend verschiedenen Orten, Winkeln und Richtungen in Bezug auf die Fluidströmungsrichtung in dem Hauptrohr positioniert sein.
Vorteilhafterweise sind auf Grund dessen, dass die Probennahmesonden stetig in dem Hauptrohr positioniert sind und kein bewegliches Teil betreffen, das Probennahmerohr und die Probennahmesonden unabhängig von den Strömungseigenschaften (Strömungsregime, Druck, Temperatur, Zusammensetzung usw.) des Mehrphasenfluidgemisches im Hinblick auf Lecks und Festsitzprobleme sehr zuverlässig.
Die Probenkammer 3 mit veränderlichem Volumen weist einen oberen Anschluss 3A und einen unteren Anschluss 3B auf. Die Probenkammer 3 enthält ferner einen Kolben 7A. Der Kolben kann sich in der Kammer bewegen, so dass das veränderliche Volumen durch die Position des Kolbens 7A in der Probenkammer 3 definiert ist. Die Kolbengröße und die Kolbenposition in der Kammer bilden einen Ringraum 9, der dem Fluid das Eindringen in die Kammer oder das Verlassen der Kammer durch den unteren Anschluss 3B ermöglicht. Die Kammer ist durch eine Dichtung 7B gegen den Kolben abgedichtet. Vorteilhafterweise ist der untere Anschluss auf Kolbendichtungshöhe angeordnet, die der tiefste Punkt ist, an dem das in der Kammer vorhandene Fluid (z. B. eine schwere flüssige Phase) gesammelt werden kann.
Der Kolben 7A wird durch einen Kolbenaktuator 7D der Probennahmevorrichtung betätigt. Der Kolbenaktuator 7D kann eine hydraulische Antriebsanordnung sein, die einen hydraulischen Aktuator zum Bewegen des Kolbens in der Kammer und eine gespannte Feder zum Herausschieben des Kolbens aus der Kammer umfasst. Alternativ kann der Probenkammerkolben (je nach verfügbarer Energie) durch irgendeinen anderen herkömmlichen mechanischen Antrieb betätigt werden.
Die Probennahmevorrichtung enthält ferner einen Sensor (nicht gezeigt) zum Messen des Volumens (Hubraumvolumens) der Probenkammer. Der Sensor, beispielsweise eine Codiereinrichtung, misst die Position des Kolbens in der Probenkammer. Der Wert dieses Volumens kann für das Ablesen von einem mechanischen Mittel (Noniusskala) und/oder einem digitalen Mittel (Anzeigeeinrichtung) verfügbar sein.
Die Probenkammer mit dem Kolben ist zu einer Hochdruckspritze ähnlich und ermöglicht das Ansaugen des durch die Probennahmesonde entnommenen Fluids in die Kammer und das Ausspülen von diesem aus der Kammer. Die Kammer wirkt als Schwerkrafttrenneinrichtung für das entnommene Fluid.
Bei einer speziellen Anwendung auf die Ölfelddienstindustrie ist das Kohlenwasserstoff-Fluidgemisch, das in das Hauptrohr strömt, ein Gemisch, das typischerweise drei Phasen umfasst: eine wasserhaltige Phase (Wasserphase – in Wirklichkeit eine wasserangereicherte Phase), eine flüssige Kohlenwasserstoffphase (Ölphase – in Wirklichkeit eine ölangereicherte Phase) und eine gasförmige Kohlenwasserstoffphase (Gasphase). Das entnommene Fluid (ein Kohlenwasserstoff-Fluidgemisch), das in die Kammer eindringt, trennt sich durch Schwerkraft in eine Flüssigkeitsschicht und eine Gasschicht GE. Die Flüssigkeitsschicht ist durch eine wasserangereicherte Phase WE (Wasser mit gelösten Gasen, Salzen und einer Verunreinigung, nämlich Öl) und eine ölangereicherte Phase OE (Öl mit gelösten Gasen und einer Verunreinigung, nämlich Wasser) gebildet. Die Flüssigkeitsschicht kann ferner eine Emulsionsschicht zwischen der wasserangereicherten Schicht und der ölangereicherten Schicht umfassen. Die Dicke der Emulsionsschicht hängt von den relativen physikalischen und chemischen Eigenschaften (z. B. Dichte, Grenzflächenspannung usw.) der Öl- und Wasserphasen ab.
Das durch eine der Probennahmesonden entnommene Fluid kann entweder durch den oberen Anschluss 3A oder durch den unteren Anschluss 3B in die Kammer angesaugt werden. Vorzugsweise wird das Fluid durch den oberen Anschluss 3A angesaugt.
Das Fluid in der Kammer kann entweder durch den oberen Anschluss 3A oder durch den unteren Anschluss 3B aus der Kammer herausgespült werden. Vorzugsweise werden die leichteren Phasen (die Gasphase, jedoch auch die ölangereicherte Phase) aus dem oberen Anschluss 3A herausgespült, während die schwereren Phasen (die wasserangereicherte, jedoch auch die ölangereicherte Phase) aus dem unteren Anschluss 3B herausgespült werden. Zum Zurückspülen der unerwünschten Phase in das Hauptrohr FL kann jede Probennahmesonde SP1, SP2, SP3 und SP4 verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann die Kammer so gestaltet sein, dass das Totvolumen minimiert ist.
Der Ventilverteiler 4 koppelt die Probennahmesonden SP1, SP2, SP3 und SP4 mit der Probenkammer 3. Der Ventilverteiler stellt sowohl die hydraulische als auch die mechanische Verbindung zwischen den Sonden und der Kammer sicher.
Der Ventilverteiler 4 weist einen Probenauslass 5 auf, der ein mit einer einzelnen Phase angereichertes Fluid an einen geeigneten Analysator zur direkten Analyse des Fluids oder an einen Versandzylinder oder eine Versandflasche zur nachträglichen Analyse in einem Labor liefert.
Der Ventilverteiler 4 umfasst außerdem einen Phasendetektor 8 zum Bestimmen des Typs des von den Probennahmesonden zur Kammer und umgekehrt oder von der Kammer zu dem Auslass strömenden Fluids. Vorteilhafterweise ist der Phasendetektor ein optischer Phasendetektor. Die Sonde mit optischem Phasendetektor ist so in den Ventilverteiler gesetzt, dass sämtliche Fluide, die in die und aus der Kammer strömen, erfasst werden.
Der Ventilverteiler 4 umfasst wenigstens ein Sondenventil V1, V2, V3, V4, ein oberes Anschluss-Ventil V5, ein unteres Anschluss-Ventil V6 und ein Auslass-Ventil V7.
Die vier Sondenventile V1, V2, V3, V4 koppeln die Gasprobennahmesonde SP1, die untere Probennahmesonde SP2, die mittlere Probennahmesonde SP3 und die obere Probennahmesonde SP4 mit dem Phasendetektor 8.
Das obere Anschluss-Ventil V5 koppelt den Phasendetektor 8 mit dem oberen Anschluss 3A der Kammer 3.
Das untere Anschluss-Ventil V6 koppelt den Phasendetektor mit dem unteren Anschluss 3B der Kammer 3.
Das Auslass-Ventil V7 koppelt den Phasendetektor 8 mit dem Probenauslass 5.
Der Ventilverteiler 4 ermöglicht die Probennahmesondenauswahl, die Probenkammerverbindung (oben oder unten) und die Probenauslassaktivierung.
Der Ventilverteiler 4 ermöglicht das Ausspülen des als Probe entnommenen Fluids aus der Kammer entweder zu dem Hauptrohr über die Probennahmesonden SP1, SP2, SP3 oder SP4 oder zu dem Probenauslass 5 zur Weiterverwendung (zur direkten Analyse oder zu dem Versandzylinder).
Es sei angemerkt, dass der Ventilverteiler 4 manuell durch eine Bedienungsperson in Abhängigkeit von der durch den Phasendetektor gelieferten Angabe oder automatisch oder halbautomatisch durch eine Steueranordnung (nicht gezeigt) betätigt werden kann. Diese Steueranordnung kann die verschiedenen Ventile öffnen und schließen und die Kolbenverschiebung entsprechend den von dem Phasendetektor ausgeführten Messungen und der programmierten Phase, die vorherrschend entnommen werden soll, zu steuern.
Die Probennahmevorrichtung 1 umfasst ferner eine Temperatursteueranordnung 6 zum Halten der Probenkammer 3 und des Ventilverteilers 4 auf der Temperatur des in das Hauptrohr FL strömenden Mehrphasenfluidgemisches FF. Die Temperatursteueranordnung 6 enthält einen Wärmeisolator (nicht gezeigt). Der Wärmeisolator ermöglicht dem Ventilverteiler und der Probenkammer das Ausnutzen der durch das entnommene Fluid geleiteten Wärme über die verschiedenen Verbindungen.
Die Temperatursteueranordnung kann außerdem eine Heizvorrichtung und einen Temperaturregulator (nicht gezeigt) umfassen. Diese Alternative kann im Fall eines zu großen Temperaturgradienten zwischen dem Hauptrohr und der Probenkammer infolge einer unzureichenden Wärmeleitung Anwendung finden.
Außerdem können sowohl der Kolben 7A als auch der Kolbenaktuator 7D durch einen Kolbenwärmeisolator thermisch von der Kammer isoliert sein. Vorteilhafterweise ist der Isolator eine Dichtung aus einem speziellen Material Die Temperatursteueranordnung kann das Probenfluid auf derselben Temperatur wie das in das Hauptrohr strömende Mehrphasenfluidgemisch halten und somit durch thermodynamische Gesetze bestimmte Stoffübergänge zwischen den verschiedenen Phasen vermeiden.
Vorteilhafterweise sind alle benetzten Teile der Probennahmevorrichtung aus einer zweckmäßigen Legierung gefertigt, um für die beste chemische Beständigkeit und Inertanz sowie die beste mechanische Festigkeit zu sorgen. Der maximale Betriebsdruck und die maximale Temperatur hängen von der Anwendung ab; z. B. arbeitet die Probennahmevorrichtung bei einer Ölfeldindustrieanwendung bei einem Druck von bis zu 700 bar und einer Temperatur von bis zu 150°C.
Die hier beschriebene Probennahmevorrichtung arbeitet wie folgt.
Nachdem die Probennahmevorrichtung mit einem Hauptrohr eines Kohlenwasserstoffbohrlochs verbunden worden ist, erfolgt ein Probennahmevorgang gemäß einem ersten Schritt. Zu Beginn befinden sich alle Ventile im geschlossenen Zustand. Der Probennahmevorgang entnimmt dem in das Hauptrohr strömenden Mehrphasenfluidgemisch vorherrschend eine in einer ausgewählten Phase angereicherte Fluidprobe. In Abhängigkeit von der ausgewählten Phase, von der eine Probe genommen werden soll, wird eine bestimmte Probennahmesonde unter den vier Probennahmesonden SP1, SP2, SP3 und SP4 ausgewählt. Die Auswahl einer Probennahmesonde wird von dem Ventilverteiler 4 vorgenommen.
Um beispielsweise eine Probe zu entnehmen von:

– einem gasangereicherte Fluid, wird die Gasprobennahmesonde SP1 ausgewählt, indem das Gasprobennahmeventil V1 geöffnet wird,
– einem ölangereicherten Fluid, wird die mittlere Probennahmesonde SP3 oder/und die obere Probennahmesonde SP4 ausgewählt, indem das mittlere Probennahmeventil V3 und/oder das obere Probennahmeventil V4 geöffnet werden,
– einem wasserangereicherten Fluid, wird die untere Probennahmesonde SP2 ausgewählt, indem das untere Probennahmeventil V2 geöffnet wird.

Jedoch kann in Abhängigkeit vom Strömungsregime, das in dem Hauptrohr vorherrscht, und von der Konfiguration des Rohrs jede der der Strömung zugewandten Sonden SP2, SP3 und SP4 ausgewählt werden, um vorherrschend eine Probe einer gegebenen schweren Phase (wasserangereichertes Fluid oder ölangereichertes Fluid) zu entnehmen
Die an der Oberseite des Rohrs und entsprechend der Strömungsrichtung angeordnete Probennahmesonde SP1 wird verwendet, um vorherrschend Proben eines gasangereicherten Fluids zu nehmen. Durch den Unterschied der Dichten und daher der Trägheitskräfte zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas bedingt, entnimmt die Gasprobennahmesonde SP1 mehr Gas, da die Flüssigkeit nicht ohne Weiteres ihre Strömungsrichtung ändert.
Während dieses ersten Schrittes ist das obere Anschluss-Ventil V5 vorzugsweise ebenfalls geöffnet, um das entnommene Fluid über den oberen Anschluss 3A in die Kammer 3 strömen zu lassen. Alternativ kann das untere Anschluss-Ventil V6 geöffnet werden, um das entnommene Fluid über den unteren Anschluss 3A in die Kammer 3 strömen zu lassen. Alternativ können beide Anschluss-Ventile geöffnet werden, um das entnommene Fluid in die Kammer 3 strömen zu lassen.
Gleichzeitig wird der Kolben 7A rückwärts betätigt, um das entnommene Fluid in die Kammer zu saugen. Vorzugsweise wird der Kolben mit einer Geschwindigkeit betätigt, die einen niedrigen Differenzdruck zwischen dem Hauptrohr und der Kammer gewährleistet.
Folglich wird während des ersten Schrittes das entnommene Fluid bei minimalem Druckabfall von dem Hauptrohr zu der Probenkammer übertragen.
Während des ersten Schrittes wird der Phasendetektor verwendet, um den Typ der in die Probenkammer strömenden Fluidphase zu kontrollieren.
Gemäß einem zweiten Schritt wird das in der Kammer vorhandene entnommene Fluid in der ausgewählten Phase angereichert. Dies erfolgt durch Saugen des entnommenen Fluids in die Probenkammer und Zurückspülen der unerwünschten Phase zurück in das Hauptrohr.
Das in die Probenkammer gesaugte entnommene Fluid setzt sich infolge der Schwerkraft in einer Schicht nach unten ab. Vorzugsweise wird die Probennahmevorrichtung vertikal betrieben, um die Schwerkraftentmischung der verschiedenen Phasen zu verbessern. Insbesondere strömt die schwere Phase (z. B. das wasserangereicherte Fluid WE) durch den Ringraum 9 zwischen dem Kolben 7A und der Wand der Kammer 3 nach unten zu dem unteren Anschluss 3B, während die leichtere Phase (z. B. die gasangereicherte Phase GE und/oder die ölangereicherte Phase OE) nahe der Oberseite der Kammer bleibt.
Die unerwünschten Phasen werden in Abhängigkeit von ihrer relativen Dichte zu der ausgewählten Phase entweder über den oberen Anschluss 3A oder den unteren Anschluss 3B in das Hauptrohr zurückgespült. Der Spülvorgang erfolgt durch Bewegen des Kolbens 7A in der Kammer 3 nach oben und Öffnen des entsprechenden Anschluss-Ventils V5 oder V6. Die unerwünschte Phase wird durch einen der Probennahmeanschlüsse SP1, SP2, SP3 oder SP4 über ihre entsprechenden Ventile V1, V2, V3 oder V4 in das Hauptrohr FL gespült.
Diese Schritte können in einem iterativen Prozess wiederholt werden, um ein signifikantes oder hinreichendes Volumen der in einer ausgewählten Phase angereicherten Fluidprobe in der Kammer anzusammeln. Wiederum kann der Phasendetektor verwendet werden, um den Typ des die Probenkammer verlassenden Fluids zu erfassen und zu bestimmen, ob die Probenkammer vorherrschend mit der zu entnehmenden ausgewählten Phase gefüllt ist.
Im Allgemeinen ist das Entnehmen eines in einer gegebenen Phase angereicherten Fluids in einer Mehrphasenfluidgemischströmung wegen des weiten Bereichs von Strömungsregimes und Phasenverhältnissen, die angetroffen werden können, nicht möglich. Jedoch gibt es stets eine Position in der Fließlinie, an der eine Phase vorherrschend vorhanden ist. Somit kann eine gute Wahl der Probennahmesonde die Anzahl von Wiederholungen zum Anreichern des entnommenen Fluids mit einer gegebenen Phase verkleinern.
Gemäß einem dritten Schritt, wird ein bekanntes Volumen der in einer ausgewählten Phase angereicherten Fluidprobe durch einen Auslass zu einer externen Anwendung bzw. Installation (z. B. einer Versandflasche, einer Analysevorrichtung) ausgestoßen. Dies erfolgt durch Öffnen des Auslass-Ventils V7 sowie des unteren Anschluss-Ventils V5 und/oder des oberen Anschluss-Ventils V6 und Bewegen des Kolbens 7A in der Kammer 3 nach oben. Der Phasendetektor kann verwendet werden, um den Typ des die Probenkammer verlassenden Fluids zu erfassen und zu bestätigen, das er der zu entnehmenden ausgewählten Phase entspricht.
Während dieser Schritte wird die Probe auf dem Druck und der Temperatur des Hauptrohrs gehalten. Dadurch können durch thermodynamische Gesetze bestimmte Stoffübergänge zwischen den verschiedenen Phasen vermieden werden.
Vorzugsweise wird während des gesamten Prozesses, während mehr als eine Phase in der Kammer (während des Probennahme- oder Ausspülprozesses) vorhanden ist, der Druck auf dem Hauptrohr-Druckwert gehalten, indem über eine Probennahmesonde eine Verbindung offen gelassen wird. Der Druck wird während der Übertragung eines in einer ausgewählten Phase entnommenen Fluids zu der Anwendung bzw. Installation durch manuelles oder automatisches Einstellen der Geschwindigkeit des Kolbens 7A und Öffnen des Auslass-Ventils V7 gesteuert.
Bei der im Vorstehenden beschriebenen Ausführungsform umfasst die Probennahmevorrichtung vier Probennahmesonden, um Proben der verschiedenen Phasen zu nehmen. Jedoch kann ein Fachmann dem oben beschriebenen Funktionsprinzip entnehmen, dass das Probennahmerohr weniger oder mehr Probennahmesonden, jedoch wenigstens eine Probennahmesonde enthalten kann. Insbesondere kann das Probennahmerohr als Alternative (nicht gezeigt) eine Probennahmesonde mit einstellbarer Höhenposition in dem Probennahmerohr enthalten. Die mit dem Phasendetektor gekoppelte Einzel-Probennahmesonde ermöglicht ihr Positionieren an einer geeigneten Position in dem Rohr, um vorherrschend ein in einer gegebenen Phase angereichertes Fluid auszuwählen.
Die Einzelsonde kann in Abhängigkeit von der Antwort des Phasendetektors aktiv durch einen hydraulisch oder mechanisch gesteuerten Aktuator in der gewünschten Phase positioniert werden.
Obwohl die Probennahmevorrichtung im Zusammenhang mit einem bestimmten Beispiel, das im Entnehmen eines bedeutungsvollen Probenvolumens von Wasser, Öl oder Gas, das in einem Hauptrohr nach einem Bohrlochkopf an die Oberfläche strömt, besteht, beschrieben wurde, kann sie augenscheinlich bei einer anderen Anwendung, beispielsweise bei einer unterseeischen Anwendung oder in einer Pipeline oder in Verbindung mit einem Mehrphasen-Durchflussmessgerät usw., verwendet werden.
Es ist eine besondere Anwendung der Erfindung, die sich auf die Ölfeldindustrie bezieht, beschrieben worden. Jedoch ist die Erfindung auch auf andere Industrietypen, wo es notwendig ist, eine bestimmte Phase eines in ein Hauptrohr strömenden Mehrphasenfluidgemisches zu analysieren, (z. B. die Nahrungsmittelindustrie, die chemische Industrie) anwendbar.
Die Zeichnungen und deren Beschreibung im Vorstehenden veranschaulichen die Erfindung, schränken diese jedoch nicht ein.
Ein Bezugszeichen in einem Anspruch soll nicht als den Anspruch einschränkend ausgelegt werden. Das Wort "umfassen" soll das Vorhandensein von Elementen, die sich von den in einem Anspruch aufgezählten Elementen unterscheiden, nicht ausschließen. Das Wort "ein", das einem Element vorausgeht, soll das Vorhandensein von mehreren solchen Elementen nicht ausschließen.

Claims

Probennahmevorrichtung (1) zum Nehmen einer Probe eines in einer ausgewählten Phase angereicherten Fluids aus einem Mehrphasenfluidgemisch (FF), das in ein Hauptrohr (FL) strömt, wobei das Mehrphasenfluidgemisch wenigstens die ausgewählte Phase und eine andere Phase enthält, wobei die Vorrichtung umfasst: – eine Probennahmeanordnung (2, SP1, SP2, SP3, SP4) zum Nehmen einer Fluidprobe des Mehrphasenfluidgemisches (FF), das in das Hauptrohr (FL) strömt, – eine Probenkammer (3) mit veränderlichem Volumen zum Sammeln der Fluidprobe des Mehrphasenfluidgemisches und zum Absetzenlassen durch Schwerkraft der Fluidprobe in dem in der ausgewählten Phase angereicherten Fluid und in wenigstens einem in einer weiteren Phase angereicherten Fluid und – einen Ventilverteiler (4), der die Probennahmeanordnung mit der Probenkammer (3) koppelt, um die Fluidprobe in der Probenkammer (3) zu bewegen und um das in der ausgewählten Phase angereicherte Fluid zu einem Probenauslass (5) zu bewegen und um das in der weiteren Phase angereicherte Fluid zurück zu dem Hauptrohr (FL) zu bewegen.
Probennahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Probennahmevorrichtung ferner eine Temperatursteueranordnung (6) zum Halten der Probenkammer (3) und des Ventilverteilers (4) auf der Temperatur des Mehrphasenfluidgemisches (FF) im Hauptrohr (FL) umfasst.
Probennahmevorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Temperatursteueranordnung (6) einen Wärmeisolator, eine Heizvorrichtung und einen Temperaturregulator umfasst.
Probennahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – die Probennahmeanordnung ein Probennahmerohr (2) umfasst, das so beschaffen ist, dass es mit dem Hauptrohr (FL) gekoppelt werden kann, wobei das Probennahmerohr wenigstens eine Probennahmesonde (SP1, SP2, SP3, SP4) enthält, – die Probenkammer (3) mit einem veränderlichen Volumen einen oberen Anschluss (3A) und einen unteren Anschluss (3B) umfasst und – der Ventilverteiler (4), der die Probennahmesonde mit der Kammer koppelt, einen Probenauslass (5) besitzt, um das in der ausgewählten Phase angereicherte Fluid bereitzustellen, und umfasst: – wenigstens ein Sondenventil (V1, V3, V3, V4), das die Probennahmesonde mit einem Phasendetektor (8) koppelt, – ein oberes Anschluss-Ventil (V5), das den Phasendetektor mit dem oberen Anschluss koppelt, – ein unteres Anschluss-Ventil (V6), das den Phasendetektor mit dem unteren Anschluss koppelt, und – ein Auslassventil (V7), das den Phasendetektor mit dem Probenauslass koppelt.
Probennahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Probenkammer einen Kolben (7A) enthält und die Probennahmevorrichtung ferner einen Kolbenaktuator (7D) umfasst, um den Kolben in der Probenkammer (3) zu verlagern, wobei das veränderliche Volumen durch die Position des Kolbens in der Probenkammer definiert ist.
Probennahmevorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Kolben (7A) von der Wand der Probenkammer (3) durch einen Ringraum (9) getrennt ist, der ein in der Kammer vorhandenes Fluid nach unten zum unteren Anschluss (3B) strömen lässt.
Probennahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Probennahmerohr (2) ferner umfasst: – eine untere Probennahmesonde (SP2), die in einem unteren Abschnitt des Probennahmerohrs positioniert ist, – eine mittlere Probennahmesonde (SP3), die in einem mittleren Abschnitt des Probennahmerohrs positioniert ist, – eine obere Probennahmesonde (SP4), die in einem oberen Abschnitt des Probennahmerohrs positioniert ist, und – wobei die obere, die mittlere und die untere Probennahmesonde der Strömung des Mehrphasenfluidgemisches zugewandt sind.
Probennahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Probennahmerohr (2) ferner eine Gasprobennahmesonde (SP1) aufweist, die in dem mittleren Abschnitt des Probennahmerohrs und in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der unteren, der mittleren und der oberen Probennahmesonde (SP2, SP3, SP4) positioniert ist.
Probennahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Probennahmerohr (2) ferner eine Gasprobennahmesonde (SP1) aufweist, die in dem oberen Abschnitt des Probennahmerohrs und in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der unteren, der mittleren und der oberen Probennahmesonde (SP2, SP3, SP4) positioniert ist.
Probennahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Probennahmerohr eine Probennahmesonde mit einer einstellbaren Position in dem Probennahmerohr aufweist.
Probennahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Phasendetektor (8) ein optischer Phasendetektor ist.
Probennahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Probennahmevorrichtung ferner einen Sensor zum Messen des Probenkammervolumens umfasst.
Probennahmevorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Sensor die Position des Kolbens in der Probenkammer misst.
Probennahmeverfahren zum Nehmen einer Probe eines in einer ausgewählten Phase angereicherten Fluids aus einem Mehrphasenfluidgemisch (FF), das in einem Hauptrohr (FL) strömt, wobei in das Hauptrohr eine Probennahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingesetzt ist, wobei das Probennahmeverfahren die folgenden Schritte umfasst: – einen ersten Schritt, der die Schritte des Nehmens einer Fluidprobe des Mehrphasenfluidgemisches durch Koppeln einer Probennahmesonde mit der Probennahmekammer und durch Erhöhen des Volumens der Kammer und des Absetzenlassens durch Schwerkraft der Fluidprobe in der Probenkammer in das in der ausgewählten Phase angereicherte Fluid und in wenigstens ein Fluid, das in einer unerwünschten Phase angereichert ist, umfasst, – einen zweiten Schritt, der die Schritte des Spülens des Fluids, das in wenigstens einer unerwünschten Phase angereichert ist, zurück zum Hauptrohr durch Koppeln der Probenkammer mit einer Probennahmesonde und durch Verringern des Volumens der Kammer umfasst, – Wiederholen des ersten und des zweiten Schrittes, um eine gegebene Menge des in der ausgewählten Phase angereicherten Fluids in der Probenkammer zu erhalten, und – einen dritten Schritt, der den Schritt des Ausstoßens des in der ausgewählten Phase angereicherten Fluids aus der Kammer durch Koppeln der Kammer mit dem Auslass und durch Verringern des Volumens der Kammer umfasst.
Probennahmeverfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Haltens der Probennahmevorrichtung auf der Temperatur des in ein Hauptrohr strömenden Mehrphasenfluidgemisches (FF) umfasst.
Probennahmeverfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Überwachens der Phasen des Fluids, das in die und aus der Probenkammer strömt, umfasst.