DE60212037T2 - Einzelrohr-Bohrloch-Dichtemessgerät - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Geräte und Verfahren für das Messen der Flüssigkeitsdichte und anderer Flüssigkeitseigenschaften in einem Flüssigkeitsstrom, wobei Flüssigkeit eine beliebige Flüssigkeit, ein Gas, oder eine Mischung derselben einschließlich solcher bedeuten soll, welche Feststoffe beinhalten. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein hochakkurates Dichte- und Viskositätsmeßgerät, welches sich für die Anwendung in hochtemperaturigen, Hochdruck- und Hochschockumgebungen wie zum Beispiel solchen eignet, die in Bohrlöchern angetroffen werden können.
  • Es gibt bei industriellen Prozessen und bei der Kontrolle und des Handhabens von fliessenden Flüssigkeiten viele Situationen, in welchen die Dichte der sich bewegenden Flüssigkeit akkurat festgestellt werden muß. Eine bestimmte Anwendung liegt in der Identifizierung von Reservoirflüssigkeiten, welche in einem Bohrloch fliessen. Wasser koexistiert oft mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen und Rohöl in einigen gemeinsamen geologischen Formationen. Als solche wird eine Mischung von Wasser, gasförmigen Kohlenwasserstoffen, und flüssigen Kohlenwasserstoffen oft von einem fördernden Bohrloch produziert, und die Mischung wird letztendlich an einem stromabwärtigen Standort getrennt. Es ist oft wünschenswert, die Menge von Öl festzustellen, welche in einem aus einer Formation ausfliessenden Strom produziert wird. Um die Menge von aus einer Formation extrahiertem Rohöl akkurat festzustellen, kann ein „Nettoölcomputer" angewendet werden, um die Menge von Rohöl festzustellen. Der „Nettoölcomputer" stellt das Gesamtvolumen der Fließrate des Fließstroms fest und errechnet den Ölprozentwert des Fließstroms (basiert auf Dichtemessungen), um die Nettomenge von Öl festzustellen, welche aus der Formation ausfließt. Angesichts der großen Mengen von Rohöl, welche normalerweise gehandhabt werden, können irgendwelche kleinen Ungenauigkeiten während des Messens der Dichte sich über eine relativ kurze Zeitspanne hinweg nachteilig anhäufen und sich in einen großen Fehler während der Gesamtvolumenmessung verwandeln.
  • Eine andere bestimmte Anwendung für Dichtemessungen ist das Festellen der Massenfließrate eines flüssigen Mediums. Die Massenfließrate kann als ein Produkt einer Flüssigkeitsdichte (mittels eines Dichtemessers festgestellt) und einer Volumenfließrate der Flüssigkeit (mittels eines volumetrischen Durchflußmessers gemessen) errechnet werden. Es sind zur Zeit Massendurchflußmesser erhältlich, welche solche Typen wie den Coriolis Massendurchflußmesser und Thermalsonden-Massendurchflußmesser einschliessen. Obwohl diese Typen von Massendurchflußmessern während der Massendurchflußmessung von niedrig viskosen Flüssigkeiten ausgezeichnet funktionieren, arbeiten dieselben schlecht während des Messens des Durchflusses von hoch viskosen Flüssigkeiten, da die Viskosität der Flüssigkeit Fehler bei der Datenaufzeichnung für die Massendurchflußrate einführt. Eine der vielversprechendsten Methoden für das Messen der Massendurchflußrate ist das Kombinieren eines akkuraten Dichtemessers mit einen verläßlichen volumetrischen Durchflußmesser. Diese Kombination ist besonders effektiv für das Messen von Massendurchflußraten von hoch viskosen Flüssigkeiten oder Mischungen aus Flüssigkeit und Gas.
  • Coriolis Massendurchflußmesser sind ein Typ von Durchflußmesser, welcher für das Messen der Dichte einer unbekannten Prozeßflüssigkeit angewendet werden kann. US-Anmeldung 4,491,025 offenbart, dass ein Coriolis-Meßgerät zwei parallele Schutzrohre beinhalten kann, von welchen ein jedes normalerweise aus einem U-förmigen Durchflußrohr besteht. Jedes Durchflußrohr wird so betrieben, dass dasselbe um eine Achse herum oszilliert. Wenn Prozeßflüssigkeit durch ein jedes der oszillierenden Durchflußrohre fließt, produziert die Bewegung der Flüssigkeit reaktionäre Coriolis-Kräfte, welche senkrecht zu der Ebene der Winkelgeschwindigkeit in dem Rohr orientiert sind. Diese reaktionären Coriolis-Kräfte verursachen ein Drehen eines jeden Rohrs um eine Torsionsachse, welche für U-förmige Rohre für deren Biegeachse normal ist. Der Nettoeffekt ist eine leichte Verformung und Deflektion des Schutzrohrs proportional zu der Massendurchflußrate der Flüssigkeit. Diese Verformung wird normalerweise als ein kleiner Unterschied zwischen der Deflektion an den Einlaßenden der Schutzrohre im Vergleich mit der Deflektion an den Auslaßenden gemessen. Beide Rohre werden gegenüber liegend betrieben; so dass jedes Rohr sich wie eine getrennte Zinke einer Stimmgabel verhält und auf diese Weise mögliche unerwünschte Schwingungen aufhebt, die sonst die Coriolis-Kräfte verdecken könnten.
  • Die Resonanzfrequenz, auf welcher ein jedes Durchflußrohr oszilliert, hängt von dessen Gesamtmasse ab, d.h. der Masse des leeren Rohrs selber plus der Masse der durch dasselbe fliessenden Flüssigkeit. Insoweit, dass die Gesamtmasse variieren wird, wenn die Dichte der durch das Rohr fliessenden Flüssigkeit variiert, wird die Resonanzfrequenz auch mit jeder Dichteänderung variieren.
  • US-Anmeldung 4,491,009 offenbart, dass die Dichte einer unbekannten, durch ein oszillierendes Durchflußrohr fliessenden Flüssigkeit proportional zu dem Quadrat der Periode ist, mit welcher das Rohr resoniert. Obwohl der in Reusch geoffenbarte Kreis sehr wohl akkurate Dichtemessungen liefern kann, weist derselbe leider mehrere Nachteile auf. Erstens sind für bestimmte Anwendungen Dichtemessungen bis auf eine Genauigkeit von einem Teil pro 10.000 erforderlich. Eine Genauigkeit dieser Größenordnung ist mittels eines Analogkreises allgemein nur erhältlich, wenn höchst präzise Analogkomponenten angewendet werden. Solche Komponenten sind ziemlich teuer. Zweitens kann der in dieser Anmeldung geoffenbarte Analogkreis nicht unabhängig kalibriert werden, um sich ändernde Charakteristiken der elektrischen Komponenten wie zum Beispiel Offset, Drift, Alterung und ähnliche auszugleichen. Insbesondere wird dieser Kreis auf einer „konzentrierten" Basis kalibriert, d.h. durch ein anfängliches Hindurchführen einer bekannten Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser, durch das Meßgerät, und dem darauffolgenden Nachstellen des Kreises, um den korrekten Dichtewert an der Ausgabe anzuzeigen. Dieser Prozeß gleicht mögliche Fehler aus, welche zum Zeitpunkt der Kalibration auftreten und entweder auf physische Fehler während des Messens der Dichte mit Hilfe eines Coriolis Massendurchflußmessers oder auf Fehler zurückverfolgt werden können, welche durch sich ändernde Charakteristiken der elektrischen Komponenten selber erzeugt werden. Leider werden sich die Komponentencharakteristiken danach mit der Zeit ändern, nachdem der Kreis auf diese Weise kalibriert worden ist, und auf diese Weise Fehler in die Dichtemeßwerte einführen, welche von dem Kreis erzeugt werden. Dies wird letztendlich wiederum eine komplette Neukalibration erforderlich machen.
  • Ein beispielhafter Dichtemesser wird in EP-A-1254352 geoffenbart. Diese Offenbarung bietet ein Meßgerät für das Feststellen von Flüssigkeitseigenschaften mittels Schwingungsfrequenzen eines Probehohlraums und eines Referenzhohlraums. Bei einer Ausführungsform umfasst das Meßgerät ein Probedurchflußrohr, ein Referenzdurchflußrohr, Schwingungsquellen und an den Rohren montierte Detektoren, und ein Meßmodul. Das Probedurchflußrohr empfängt einen Durchfluß von Probeflüssigkeit zur Charakterisierung. Das Referenzdurchflußrohr ist mit einer Referenzflüssigkeit mit gut charakterisierten Eigenschaften gefüllt. Das Referenzdurchflußrohr kann auf den gleichen Druck balanciert sein wie die Probe. Das Meßmodul verwendet die Schwingungsquellen, um Schwingungen in beiden Rohren zu erzeugen. Das Meßmodul kombiniert die Signale von den Schwingungsdetektoren an den Rohren, um Eigenschaften der Probeflüssigkeit wie zum Beispiel die Dichte, Viskosität, Verdichtungsfähigkeit, Wasserfraktion, und Blasengröße festzustellen. Das Meßmodul kann weiter bestimmte Durchflußmuster wie zum Beispiel einen Slug-Durchfluß feststellen.
  • Für das Feststellen der Probeflüssigkeitsdichte mißt das Meßmodul den Unterschied zwischen den Resonanzfrequenzen des Probedurchflußrohrs und des Referenzdurchflußrohrs. Die Dichte kann dann mit Hilfe einer Formel errechnet werden. Andere Flüssigkeitseigenschaften können mit Hilfe der Resonanzspitzenamplitude, der Spitzenbreite und/oder der Spitzenform des Proberohrs festgestellt werden. Variationen der Dichtemessungen können angewendet werden, um mehrere Phasenflüssigkeitsflüsse aufzuspüren und zu charakterisieren. Die Anwendung eines Referenzrohrs in dem geoffenbarten Meßgerät verbessert die Genauigkeit und Verläßlichkeit des Meßgeräts über eine Reihe von Temperaturen, Drucken, und Schockbeschleunigungen wie zum Beispiel solche, welche in einem Bohrloch angetroffen werden können, ganz wesentlich.
  • Die meisten der oben beschriebenen Dichtemesser verwenden sehr empfindliche elektrische Empfänger für das Umwandeln der Schwingung des Durchflußrohrs in ein elektrisches Signal, welches dann zu nützlichen Informationen verarbeitet werden kann. Der Bedarf für verbesserte Genauigkeit bei der Tieflochdurchflußauswertung hat zu der Entwicklung von Empfängern mit gesteigerter Empfindlichkeit geführt. Aufgrund der beschränkten Anzahl von Hüllen, welche für Tieflochanwendungen erhältlich sind, wird der Sender oft in der Nähe des Empfängers positioniert. Es wird angenommen, dass diese Nähe zwischen dem Sender und dem Empfänger Störungen zwischen den beiden Komponenten verursacht, welche wahrscheinlich ein Resultat der Interaktion zwischen den magnetischen Feldern der Komponenten sind. Dies ist natürlich besonders für den Empfänger Besorgnis erregend, da mögliche Störungen das Signal verzerren und Schwierigkeiten während der akkuraten Erkennung der Schwingungsreaktion des Durchflußrohrs verursachen können. Um die Effekte dieses Problems zu minimieren verwenden viele der Verfahren des aktuellen Stands der Technik mehrere Durchflußrohre, um einen Referenzpunkt für das Ausgleichen dieser externen Störungen bereitzustellen.
  • Ein Instrument und ein Verfahren gemäß der Präambel der beiliegenden unabhängigen Ansprüche werden in dem Dokument US 5,497,665 des aktuellen Stands der Technik geoffenbart.
  • Fachleute auf diesem Gebiet werden aus dem Vorhergehenden erkennen, dass ein Bedarf für einen hochakkuraten Dichtemesser besteht, welcher unter den hochtemperaturigen Druck- und Schock- und Schwingungsbedingungen betrieben werden kann, welche in einem Bohrloch angetroffen werden können; welcher relativ kostengünstige Komponenten verwendet; welcher im wesentlichen mögliche Fehler korrigiert, welche durch die sich ändernden Charakteristiken einer beliebigen der elektrischen Komponenten verursacht werden; und welcher die mit den Effekten von Temperatur und Druck auf das System assoziierten Fehler effektiv korrigiert.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bietet ein Instrument wie das in dem beiliegenden unabhängigen Anspruch 1 beschriebene. Ein weitere neuartige und vorteilhafte Eigenschaften umfassendes Instrument wird wie beschrieben in einem der beiliegenden abhängigen Ansprüche 2 bis 6 geboten.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung bietet ein Verfahren wie das in dem beiliegenden unabhängigen Anspruch 7 beschriebene. Ein weitere neuartige und vorteilhafte Eigenschaften umfassendes Verfahren wird in einem der beiliegenden abhängigen Ansprüche 8 bis 11 beschrieben.
  • Meßgeräte für das Feststellen von Flüssigkeitseigenschaften aus Schwingungsamplituden eines Probehohlraums werden weiter unten eingehender beschrieben. Ein beschriebenes Meßgerät umfasst ein Probedurchflußrohr, eine Schwingungsquelle, einen Schwingungsdetektor, und ein Meßmodul. Die Schwingungsquelle und der Schwingungsdetektor sind auf eine solche Weise angeordnet, dass sie jegliche Störung in dem gemessenen Signal minimieren. Das Probedurchflußrohr empfängt einen Durchfluß von Probeflüssigkeit für die Charakterisierung. Das Meßmodul verwendet die Schwingungsquelle für das Erzeugen von Schwingungen innerhalb des Rohrs. Das Meßmodul analysiert das gemessene Signal von dem Schwingungsdetektor an dem Rohr, um Eigenschaften der Probeflüssigkeit wie zum Beispiel die Dichte, Viskosität, Druckfestigkeit, Wasserfraktion; und die Blasengöße festzustellen. Das Meßmodul kann weiter bestimmte Durchflußmuster wie zum Beispiel einen Slug-Durchfluß feststellen.
  • Um die Probeflüssigkeitsdichte festzustellen identifiziert das Meßmodul die Resonanzfrequenz des Probedurchflußrohrs. Die Dichte kann dann mit Hilfe einer Formel errechnet werden, welche die Temperatur- und Druckreaktion des Systems ausgleicht. Das Meßgerät ist vorzugsweise so kalibriert, dass das Gerät Temperatur- und Druckvariationen in dem Bohrloch ausgleichen kann. Andere Flüssigkeitseigenschaften können auch mit Hilfe der Resonanzspitzenamplitude, der Spitzenbreite und/oder der Spitzenform des Proberohrs festgestellt werden. Eine Variation der Dichtemessung kann für das Aufspüren und Charakterisieren von mehreren Phasenflüssigkeitsflüssen angewendet werden. Es wird erwartet, dass die Anwendung der vorliegenden Erfindung die Genauigkeit und Verläßlichkeit des Meßgeräts über eine Reihe von Temperatur-, Druck-, und Schockbeschleunigungen wie zum Beispiel solche wesentlich verbessern wird, welche in einem Bohrloch angetroffen werden können.
  • Ein hierin weiter unten auch beschriebenes Instrument umfasst: genau ein Rohr, welches eine Probeflüssigkeit mit einer Dichte empfängt; ein festes Druckgehäuse, welches das genannte Rohr umschliesst und einen ringförmigen Raum zwischen dem genannten Rohr und dem genannten Druckgehäuse formt; eine an dem genannten Rohr befestigte Schwingungsquelle; genau einen an dem genannten Rohr befestigten Schwingungsdetektor; und ein elektrisch mit der genannten Schwingungsquelle und dem genannten Schwingungsdetektor gekoppeltes Meßmodul, wobei das Meßmodul konfiguriert ist, um mit Hilfe einer Resonanzfrequenz des Rohrs eine Dichte der Probeflüssigkeit festzustellen, wobei der genannte Schwingungsdetektor umfasst: einen ersten an dem genannten Rohr montierten Magnet, wobei der genannte erste Magnet ein erstes magnetisches Feld aufweist; einen zweiten an dem genannten ersten Magnet montierten Magnet, wobei der genannte zweite Magnet ein zweites magnetisches Feld aufweist, welches dem genannten ersten magnetischen Feld entgegen gesetzt ist; eine erste Spulenwicklung, welche an dem genannten Druckgehäuse montiert ist; und eine zweite Spulenwicklung, welche an dem genannten Druckgehäuse neben der genannten ersten Spule montiert ist.
  • Die genannte erste Spulenwicklung und die genannte zweite Spulenwicklung können Symmetrieachsen aufweisen, welche auf die Symmetrieachsen der genannten ersten und zweiten Magnete ausgerichtet sind.
  • Eine zwischen den genannten Spulenwicklungen definierte Ebene kann auf eine Ebene ausgerichtet sein, welche zwischen den genannten ersten und zweiten Magneten definiert ist.
  • Die genannten Spulenwicklungen können in Phase einander entgegen gesetzt sein, um die von externen magnetischen Feldern erzeugte Spannung zu minimieren.
  • Ein Gerät für das Feststellen der Resonanzfrequenz eines Rohrs wird auch weiter unten beschrieben und umfasst: einen Schwingungsgenerator, umfassend: einen an dem Rohr befestigten ersten magnetischen Kern; und eine an einem festen Gehäuse befestigte erste Spulenwicklung; und einen Schwingungsdetektor, umfassend: einen an dem Rohr befestigten zweiten magnetischen Kern; und eine zweite an dem festen Gehäuse befestigte Spulenwicklung, wobei der genannte zweite magnetische Kern einen ersten Magnet und einen zweiten Magnet umfasst, welche so angeordnet sind, dass deren Symmetrieachsen aufeinander ausgerichtet sind und deren magnetische Felder sich gegenseitig abstoßen, wobei die genannte zweite Spulenwicklung zwei Ende-an-Ende montierte Spulenwicklungen mit aufeinander ausgerichteten und elektrisch in Reihe angeschlossenen Syminetrieachsen umfasst, und wobei eine durch den Schnittpunkt des ersten Magnets und des zweiten Magnets definierte Ebene auf eine Ebene ausgerichtet ist, welche durch den Schnittpunkt der beiden Spulenwicklungen definiert wird.
  • Weiter wird unten ein Verfahren für das Charakterisieren einer Flüssigkeit beschrieben, welches umfasst: das Empfangen einer Probeflüssigkeit in einen Probehohlraum, welcher aus einem Probehohlraummaterial konstruiert ist; das Feststellen einer Resonanzfrequenz des Probehohlraums; das Errechnen einer Flüssigkeitsdichte mit Hilfe der Resonanzfrequenz und das Ausgleichen für die wirklichen Bedingungen der Probeflüssigkeit im Vergleich zu Bedingungen, unter welchen der Probehohlraum kalibriert wurde.
  • Die Flüssigkeitsdichte (ρ) kann mit Hilfe der folgenden Gleichung festgestellt werden: ρ = A/f2n – B;wobei A und B Koeffizienten sind, welche von der Geometrie und Zusammensetzung des Probehohlraums festgestellt werden, und wobei fn die natürliche Frequenz des Probehohlraums ist.
  • Die Flüssigkeitsdichte (ρf) kann mit Hilfe der folgenden Gleichung festgestellt werden:
    Figure 00070001
    wobei T die Temperatur, P der Druck, A und B Koeffizienten sind, welche von der Geometrie und Zusammensetzung des genannten Probehohlraums bestimmt werden, q eine thermale Abhängigkeit von dem genannten Probehohlraum ist, k eine Druckabhängigkeit von dem genannten Probehohlraum ist, und f die Resonanzfrequenz des genannte Probehohlraums ist.
  • Die Koeffizienten A und B können wie folgt korrespondieren:
    Figure 00070002
    Figure 00080001
    wobei E ein Elastizitätsmodulus des Probehohlraummaterials ist; g ist eine Erdbeschleunigungskonstante; do ist ein Außendurchmesser des Probehohlraums; A ist eine Schwingungskonstante, di ist ein Innendurchmesser des Probehohlraums; l ist eine Länge des Probehohlraums; und pt ist eine Dichte des Probehohlraummaterials.
  • Die Koeffizienten A und B können wie folgt repräsentiert werden:
    Figure 00080002
    wobei E ein Elastizitätsmodulus des Probehohlraummaterials ist; g ist eine Erdbeschleunigungskonstante; do ist ein Außendurchmesser des Probehohlraums, A ist eine Schwingungskonstante, di ist ein Innendurchmesser des Probehohlraums; l ist eine Länge des Probehohlraums; und ρt ist eine Dichte des Probehohlraummaterials.
  • Die Koeffizienten A und B können als eine Funktion von Temperatur und Druck variieren.
  • Die Werte von A und B bei Probetemperatur- und Druck können mit Hilfe der Werte von A und B festgestellt werden, welche für Kalibrationstemperatur- und Druck festgestellt wurden.
  • Ein Verfahren für das Charakterisieren einer Flüssigkeit wird auch weiter unten beschrieben und umfasst: das Empfangen einer Flüssigkeitsprobe einer ersten Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur und einem ersten Druck in ein Proberohr eines Meßgeräts; das Feststellen einer ersten Resonanzfrequenz des Proberohrs; das Empfangen einer Flüssigkeitsprobe einer zweiten Flüssigkeit mit einer ersten Temperatur und einem ersten Druck in das Proberohr des Meßgeräts; das Feststellen einer zweiten Resonanzfrequenz des Proberohrs; das Empfangen einer Flüssigkeitsprobe einer dritten Flüssigkeit mit einer zweiten Temperatur und einem zweiten Druck in das Proberohr des Meßgeräts; das Feststellen einer dritten Resonanzfrequenz des Proberohrs; und das Errechnen einer Dichte der dritten Flüssigkeit mit Hilfe der dritten Resonanzfrequenz, und das Ausgleichen für mögliche Unterschiede zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur, und dem ersten Druck und dem zweiten Druck.
  • Weiter wird unten ein Instrument beschrieben, welches umfasst: nicht mehr als ein Rohr, welches eine Probeflüssigkeit mit einer Dichte empfängt; ein festes Druckgehäuse, welches das genannte Rohr umschliesst und einen ringförmigen Bereich zwischen dem genannten Rohr und dem genannten Druckgehäuse formt; eine an dem genannten Rohr befestigte Schwingungsquelle; nicht mehr als einen an dem genannten Rohr befestigten Schwingungsdetektor; und ein elektrisch mit der genannten Schwingungsquelle und dem genannten Schwingungsdetektor gekoppeltes Meßmodul, wobei das Meßmodul konfiguriert ist, um eine Dichte der Probeflüssigkeit mit Hilfe einer Resonanzfrequenz des Rohrs festzustellen.
  • Der Schwingungsdetektor kann umfassen: einen an dem genannten Rohr montierten ersten Magnet, wobei der erste Magnet ein erstes magnetisches Feld umfasst: einen an dem genannten ersten Magnet montierten zweiten Magnet, wobei der genannte zweite Magnet ein zweites magnetisches Feld aufweist, welches dem ersten magnetischen Feld entgegen gesetzt ist; eine an dem genannten Druckgehäuse montierte erste Spulenwicklung; und eine an dem genannten Druckgehäuse neben der genannten ersten Spule montierte zweite Spulenwicklung.
  • Wir beziehen uns nun auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:
  • 1 einen Dichtemesser für die Anwendung während eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 einen Dichtemesser für die Anwendung während eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3 eine Ausführungsform eines Dichtemessers mit den Empfänger- und Senderanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3A ein elektrisches Schaltbild darstellt, welches eine Ausführungsform der Empfängeranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 ein beispielhaftes Meßmodul darstellt;
  • 5 eine Kurve einer beispielhaften Resonanzspitze darstellt;
  • 6 ein Verfahren für das adaptive Verfolgen einer Resonanzfrequenz darstellt;
  • 7 eine Kurve einer gemessenen Dichte als eine Zeitfunktion darstellt; und
  • 8 ein Verfahren für das Messen einer Resonanzspitzenfrequenz, Amplitude, und Breite darstellt.
  • Unter Bezugnahme auf 1 umfasst hier ein Gerät für das Messen der Dichte und Viskosität einer fliessenden Flüssigkeit allgemein ein festes Gehäuse 102, zwei Trennwände 104, ein einziges Durchflußrohr 108, eine einzige Schwingungsquelle 110, einen einzigen Schwingungsdetektor 112, und ein Meßmodul 106. Das feste Gehäuse 102 umgibt und schützt ein Volumen 103, durch welches das Durchflußrohr 108 läuft, und reduziert die Reaktion auf Schwingungen, welche nicht mit bestimmten Schwingungsmoden des Durchflußrohrs 108 assoziiert sind. Die Trennwände 104 dichten das Volumen ab und sichern das Durchflußrohr 108 innerhalb desselben Volumens ab. Das Volumen 103 beinhaltet vorzugsweise Luft, ein Vakuum, oder ein relativ inertes Gas wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon. Wenn Gase angewendet werden, befinden sich diese vorzugsweise unter atmosphärischem Druck, wenn das Gerät sich auf Zimmertemperatur befindet.
  • Das feste Gehäuse 102, die Trennwände 104, und das Durchflußrohr 108 sind vorzugsweise aus einem Material in einer Konfiguration gefertigt, welche einem Druck von mehr als 20.000 psi (Pfund pro Quadratzoll) bei Temperaturen von 250°C oder mehr widerstehen kann. Zwei Beispiele von geeigneten Materialen sind Titan und Hastalaoy-HA276C. Die Trennwände 104 und das Durchflußrohr 108 werden vorzugsweise aus dem gleichen Stück Material konstruiert, wobei die Trennwände 104 aus Regionen mit größeren Durchmessern an beiden Enden des Rohrs 108 bestehen. Alternativ kann das Durchflußrohr 108 an die Trennwände 104 geschweißt, oder anderweitig befestigt werden. Das Durchflußrohr 108 kann auch mit O-Ringen oder anderen Typen von elastomerischen Vorrichtungen an dem festen Gehäuse 102 befestigt werden. Das feste Gehäuse 102, die Trennwände 104, und das Durchflußrohr 108 werden vorzugsweise aus dem gleichen Material konstruiert, um thermal induzierten Stress zu mildern, wenn das System sich in Thermogleichgewicht befindet.
  • Das Durchflußrohr 108 ist vorzugsweise gerade, da dies mögliche Tendenzen für ein Plugging und Erosion durch Materiale reduziert, welche durch das Durchflußrohr 108 fliessen. Es wird jedoch anerkannt, dass gebogene Rohre verschiedener Form einschließlich von „U"-förmigen Rohren größere Meßempfindlichkeiten bieten können. Erwogene Ausmaße für das in 1 dargestellte Gerät werden in Tabelle 1 aufgeführt: TABELLE 1
    Figure 00110001
  • Es sollte jedoch beachtet werden, dass auch andere Ausmaße angewendet werden können.
  • Wie oben beschrieben sind eine Schwingungsquelle 110 und ein Schwingungsdetektor 112 an dem Durchflußrohr 108 befestigt. Die Schwingungsquelle 110 und der Schwingungsdetektor 112 können wie in 1 Seite bei Seite positioniert sein, oder alternativ auf gegenüber liegenden Seiten des Durchflußrohrs 108 an einem Punkt positioniert sein, welcher wie in 2 und 3 halbwegs zwischen den Trennwänden 104 liegt. Andere Quellen-/Detektorkonfigurationen können auch in Betracht gezogen werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird hier ein Gerät illustriert, welches ein Durchflußrohr 108, zwei mit dem Gehäuse 102 verbundene Ringkernspulen 120, 124, und zwei Eisenstangen 122, 126 umfasst, welche mit dem Durchflußrohr 108 verbunden sind. Die Spulen 120, 124 können auch einen Eisenkern umfassen, um einen effektiveren Electromagnet zu formen. Eine Spule 120 ist mit Hilfe von elektrischen Kabeln 128 mit einem Sender (nicht dargestellt) verbunden. Das Auferlegen eines Wechselstroms auf die Spule 120 übt eine elektromagnetische Kraft auf die Stange 122 aus, was die Stange 122 dazu veranlaßt, linear zu übersetzen und auf diese Weise eine Schwingung an das Rohr 108 abzugeben. Die andere Spule 124 ist mit Hilfe von Kabeln 130 mit einem Empfänger (nicht dargestellt) verbunden. Die Schwingung in dem Rohr 108 bewegt die Stange 126 innerhalb der Spule 124, und erzeugt daher eine Spannung, welche an den Kabeln 130 entstehen kann, und welche von dem Empfänger überwacht wird.
  • Die oben beschriebene Konfiguration hat den Vorteil, dass dieselbe die leichtesten Eisenstangen 122, 126 verwendet und dennoch eine größere Empfindlichkeit gegenüber von Dichteänderungen liefert als vergleichbare Anwendungen mit schweren Stangen. Die Nachteile bestehen daraus, dass mehr Strom erforderlich ist, um das Rohr anzutreiben, und dass der Empfänger nicht so effektiv ist wie erwünscht. Wie oben beschrieben kann die Effektivität des Empfängers aufgrund von Störung beschränkt sein, welche durch die Interaktion der magnetischen Felder des Senders und des Empfängers erzeugt wird.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird hier eine effektivere Schwingungsquelle 132 dargestellt, welche einen an dem Durchflußrohr 108 befestigten Magnet 134 umfasst, und eine einzige an dem Gehäuse 102 befestigte Spulenwicklung 136. Die Spule 136 ist mit Hilfe von Kabeln 138 mit einem Sender (nicht dargestellt) verbunden. Die Spule 136 ist in Richtung der äußersten Kante des Magnets 134 montiert (dies ist aus der Zeichnung aus Veranschaulichungsgründen übertrieben dargestellt). Der präzise Montageort der Spule 136 wird thermodynamisch durch Maximieren der Schwingungskraft bestimmt, welche an das Durchflußrohr 108 abgegeben wird. Das Auferlegen eines Wechselstroms auf die Spule 136 erzeugt eine resultierende elektromagnetische Kraft, welche das Durchflußrohr 108 schwingen läßt.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf 3 ist hier die bevorzugte Ausführungsform des Schwingungsdetektors dargestellt, welcher zwei an dem schwingenden Durchflußrohr 108 befestigte Magnete 138, 140 umfasst, und eine an dem Gehäuse 102 befestigte Doppelspulenwicklung 142. Die Doppelspule 142 ist mit Hilfe von Kabeln 144 mit einem Empfänger (nicht dargestellt) verbunden. Die Symmetrieachsen der Magnete 138, 140 und der Doppelspule 142 sind aufeinander ausgerichtet und die Magnete 138, 140 sind so angeordnet, dass deren magnetische Felder sich gegenseitig abstoßen. Die Doppelspule 142 ist vorzugsweise aus zwei identischen Spulen zusammengesetzt, welche Ende-an-Ende mit den in Reihe ausgerichteten und elektrisch verbundenen Symmetrieachsen montiert sind. Ein Schaltplan der Doppelspule 142 ist in 3A dargestellt. Die durch die Schnittstelle der Magnete 138, 140 definierte Ebene 145 ist auf die durch die Schnittstelle der sich gegenüber liegenden Spulenwicklungen der Doppelspule 142 definierte Ebene 148 wie in 3 dargestellt ausgerichtet. Die Spulen sind so miteinander verbunden, dass dieselben sich auf eine solche Weise in Phase befinden, dass an den Kabeln 144 minimale oder keine Spannung erzeugt wird, wenn die Spulen in ein gleichmäßiges magnetisches Feld platziert werden (wie zum Beispiel das, welches durch den Stromfluß in die nahegelegene Schwingungsquelle induziert wird). Die Spulen reagieren jedoch auf Bewegungen des sich gegenüber liegenden Magnetpaares. Das Auferlegen einer Schwingung auf das Durchflußrohr 108 erzeugt eine Spannung, welche an den Kabeln 144 der Doppelspule 142 entstehen kann.
  • Die einzigartige Anordnung der Schwingungsdetektormagneten 138, 140 bewirkt ein Minimieren des von dem Schwingungsdetektor erzeugten magnetischen Felds sowohl wie den Effekt des von der Schwingungsquelle erzeugten magnetischen Felds. Der Endeffekt dieser Anordnung ist eine Reduktion der Störung, welche von dem Schwingungssensor in dem Signal produziert wird, was wiederum ein genaueres und verläßlicheres Feststellen von Variationen in der Schwingung des Durchflußrohrs 108 ermöglicht.
  • Es sollte beachtet werden, dass die Schwingungsquellen und Schwingungsdetektoren vorzugsweise in der Nähe eines Schwingungsbauchs (Punkt der maximalen Verdrängung von der Gleichgewichtsposition) des Schwingungsmodus montiert sind, welchen sie erregen und überwachen sollen. Es ist beabsichtigt, dass mehr als ein Schwingungsmodus angewendet werden kann (d.h. die Schwingungsquelle kann zwischen mehreren Frequenzen schalten, um Informationen von harmonischen Frequenzen mit einer höheren Resonanz zu erhalten). Die Schwingungsquellen und -detektoren sind vorzugsweise so positioniert, dass sie sich in der Nähe von Schwingungsbäuchen für jeden der interessanten Schwingungsmoden befinden.
  • Die Standorte der Knotenpunkte (Punkte mit null Schwingungsamplitude) und Schwingungsbäuche werden von der Wellenlänge des Schwingungsmodus und von der Montage des Rohrs 108 bestimmt. Die Frequenz f und die Wellenlänge λ hängen von der mittels der Gleichung v = fλ errechneten Schallgeschwindigkeit ν in dem Material ab.
  • Unter Bezugnahme auf 4 umfasst hier eine Ausführungsform des Meßmoduls allgemein einen digitalen Signalprozessor 402, einen Spannung/Frequenz-Wandler 404, einen Stromtreiber 406, einen Filter/Verstärker 408, einen Amplitudendetektor 410, und einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 412. Der digitale Signalprozessor 402 kann mittels eines Systemkontrollers 414 konfiguriert und kontrolliert werden, welcher in Reaktion auf Aktionen des Benutzers an der Benutzerschnittstelle 416 betrieben wird. Der Systemkontroller 414 zeichnet vorzugsweise auch Messungen von dem digitalen Signalprozessor 402 auf und liefert diese an die Benutzerschnittstelle 416 für Anzeige an den Benutzer.
  • Der digitale Signalprozessor 402 führt vorzugsweise einen Satz von Softwareanweisungen durch, welche in dem ROM 412 gespeichert sind. Normalerweise werden vom Software-Programmierer Konfigurationsparameter bereitgestellt, so dass einige Aspekte des Betriebs des digitalen Signalprozessors von dem Benutzer mittels der Schnittstelle 416 und dem Systemkontroller 414 maßgeschneidert werden können. Vorzugsweise veranlaßt der Satz von Software-Anweisungen den digitalen Signalprozessor 402 dazu, Dichtemessungen gemäß einem oder mehreren der weiter unten eingehender beschriebenen Verfahren durchzuführen.
  • Der digitale Signalprozessor umfasst vorzugsweise Digital-Analog- (D/A) und Alanog-Digital- (A/D) Wandlerschaltungen für das Erzeugen und Empfangen von Analogsignalen an Off-Chip-Komponenten. Allgemein werden die meisten On-Chip-Verfahren von dem digitalen Prozessor mit digitalen Signalen durchgeführt.
  • Aufgrund des Durchführens einer der weiter unten eingehender beschriebenen Verfahren liefert der digitale Signalprozessor 402 ein Spannungssignal an den Spannung/Frequenz-Wandler 404. Der Spannung/Frequenz-Wandler 404 produziert ein Frequenzsignal mit einer Frequenz, welche proportional zu der Eingabespannung ist. Der Spannungstreiber 406 empfängt dieses Frequenzsignal und verstärkt dasselbe, um die Schwingungsquelle 110 zu treiben. Die Schwingungsquelle 110 verursacht das Schwingen des Durchflußrohrs, und diese Schwingungen werden von dem Schwingungsdetektor 112 aufgespürt. Ein Filter/Verstärker 408 empfängt das Detektionssignal von dem Schwingungsdetektor 112 und filtert und verstärkt das Detektionssignal, bevor derselbe das Detektionssignal an den Amplitudendetektor 410 weiterleitet. Der Filter/Verstärker 408 dient dazu, den Schwingungsdetektor 112 von dem Amplitudendetektor 410 zu isolieren, um den Amplitudendetektor 410 daran zu hindern, den Schwingungsdetektor 112 elektrisch aufzuladen und auf diese Weise die Detektionsempfindlichkeit negativ zu beeinflussen. Der Amplitudendetektor 410 produziert ein Spannungssignal, welches für die Amplitude des Detektionssignals indikaktiv ist. Der digitale Signalprozessor 402 mißt dieses Spannungssignal und ist daher dazu in der Lage, eine Schwingungsamplitude für die gewählte Schwingungsfrequenz festzustellen.
  • Das Meßmodul nutzt die Schwingungsquelle 110 und den Schwingungsdetektor 112 dazu, die Resonanzfrequenzen des Durchflußrohrs 108 zu orten und zu charakterisieren. Mehrere verschiedene Verfahren werden in Betracht gezogen. Bei einem ersten Verfahren veranlaßt das Meßmodul die Schwingungsquelle 110 dazu, eine Frequenz-„Durchsicht" des interessanten Bereichs durchzuführen und die Amplitudenwerte von dem Schwingungsdetektor 112 als eine Funktion der Frequenz aufzuzeichnen. Wie in 5 dargestellt wird eine Kurve der Schwingungsamplitude im Vergleich mit der Frequenz eine Spitze an der Resonanzfrequenz f0 zeigen. Die Resonanzfrequenz kann in eine Dichtemessung umgewandelt werden, und die Form der Spitze kann weitere Informationen wie zum Beispiel die Viskosität und Multiphaseninformationen liefern.
  • Bei einem zweiten Verfahren verfolgt das Meßmodul adaptiv die Resonanzfrequenz mit Hilfe einer Feedback-Kontrolltechnik. Eine Implementierung dieses Verfahrens ist in 6 dargestellt. Eine anfängliche Schrittgröße für das Ändern der Frequenz wird in Block 502 gewählt. Diese Schrittgröße kann positiv oder negativ sein, um die Frequenz jeweils zu steigern oder zu reduzieren. In Block 504 wird die Schwingungsquelle aktiviert und eine anfängliche Amplitudenmessung wird durchgeführt. In Block 506 wird die Schwingungsfrequenz um eine Menge nachgestellt, welche von der Schrittgröße bestimmt wird. In Block 508 wird eine Messung der Amplitude auf der neuen Frequenz durchgeführt, und mit Hilfe derselben kann dann die Derivative eingeschätzt werden. Die Derivative kann als die Änderung in der Amplitude geteilt durch die Änderung in der Frequenz eingeschätzt werden, obwohl die Einschätzung vorzugsweise ein Filtern einschliessen sollte, um den Effekt von Meßgeräusch zu reduzieren. Mit dieser geschätzten Derivative können ein Abstand von und eine Richtung zur Resonanzspitze eingeschätzt werden. Wenn die Derivative zum Beispiel groß und positiv ist, wird nach Ansicht von 5 klar, dass die Stromfrequenz kleiner ist als die Resonanzfrequenz, dass die Resonanzfrequenz aber in der Nähe liegt. Für kleine Derivativen wird die Stromfrequenz ganz in der Nähe der Resonanzfrequenz liegen, wenn das Zeichen der Derivative sich regelmäßig ändert. Für kleine negative Derivative ohne jegliche Zeichen von Änderung zwischen Wiederholungen ist die Stromfrequenz viel höher als die Resonanzfrequenz. Wieder mit Bezugnahme auf 6 werden diese Informationen dazu angewendet, die Schrittgröße in Block 510 nachzustellen, und der digitale Signalprozessor 402 kehrt zu Block 506 zurück. Dieses Verfahren kann für das Bereitstellen einer schnellen Meßreaktion auf sich ändernde Flüssigkeitsdichten am besten funktionieren.
  • Bei einem dritten Verfahren verwendet das Meßmodul eine Wiederholungstechnik, um nach der maximalen Amplitude zu suchen, wenn die Frequenz diskret variiert wird. Ein beliebiger der gut bekannten Suchalgorithmen für Minima und Maxima kann angewendet werden. Ein illustratives Beispiel wird nun beschrieben, wobei jedoch berücksichtigt werden sollte, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Einzelheiten beschränkt ist. Grundsätzlich verwendet das beispielhafte Suchverfahren ein Vorwärts/Rückwärts-Suchverfahren, bei welchem das Meßmodul von einem Halbamplitudenpunkt über die Spitze zu dem anderen Halbamplitudenpunkt über die Schwingungsquellenfrequenz und wieder zurück gleitet. Eine Implementierung dieses Verfahrens ist in 8 dargestellt. In Block 602 wird eine Schwingung mit einer anfänglichen (Mindest-) Frequenz induziert. In Block 604 wird die Schwingungsamplitude auf der anfänglichen Stromschwingungsfrequenz gemessen und als ein Grenzwert eingestellt. In Block 606 wird die Frequenz um einen vorbestimmten Wert gesteigert, und in Block 608 wird die Amplitude auf der neuen Frequenz gemessen. Block 610 vergleicht die gemessene Amplitude mit dem Grenzwert, und wenn die Amplitude größer ist, wird der Grenzwert der gemessenen Amplitude in Block 612 gleichend eingestellt. Die Blöcke 606-612 werden wiederholt, bis die gemessene Amplitude unter den Grenzwert abfällt. Zu diesem Zeitpunkt repräsentiert der Grenzwert die maximale gemessene Amplitude, welche an der Resonanzspitze aufgetreten ist. Die Amplitude und die Frequenz werden in Block 614 aufgezeichnet. Die Frequenz steigt und die Amplitudenmessungen werden in den Blöcken 616 und 618 fortgesetzt, und Block 620 vergleicht die Amplitudenmessungen mit der Hälfte der gemessenen Resonanzfrequenz. Die Blöcke 616-620 werden wiederholt, bis die Amplitudenmessung unter die Hälfte der Resonanzspitzenamplitude abfällt, zu welchem Zeitpunkt die Halbamplitudenfrequenz in Block 622 aufgezeichnet wird. Die Blöcke 624-642 duplizieren den Betrieb der korrespondierenden Blöcke 602-622 mit der Ausnahme, dass die Frequenzüberwachung über der Resonanzspitze in die gegenüber liegende Richtung auftritt. Für jede Spitzenüberschreitung zeichnet das Meßmodul die Resonanzamplitude und die Frequenz auf, und zeichnet dann die darauffolgende Halbamplitudenfrequenz auf. Mit diesen Informationen können die Spitzenbreite und Asymmetrie bestimmt werden, und die Flüssigkeitsdichte, Viskosität, und Multiphaseninformationen können errechnet werden.
  • Mathematische Verfahren
  • Die folgenden Notationen werdrn für die Resonanzfrequenzderivation angewendet:
    • A
    Schwingungssystemkonstante (22,4 feststehende Enden, 22,4 freie Enden, 4,52 Ausleger an einem Ende)
    A
    Kalibrationskoeffiziente (lbf//Zoll3 -sect)
    B
    Kalibrationskoeffiziente (lbf/Zoll3)
    fn
    natürliche Frequenz (Hz)
    ρ
    Periode der natürlichen Frequenz (sec)
    ρ
    Flüssigkeitsdichte (lbf/Zoll3)
    ρt
    Rohrmaterialdichte (lbf/Zoll3)
    μ
    Systemmasse pro Einheitslänge (lbf-sec2/Zoll2)
    μf
    Flüssigkeitsmasse pro Einheitslänge (lbf-sec2/Zoll2)
    μt
    Rohrmasse pro Einheitslänge (lbf-sec2/Zoll2)
    do
    Rohraußendurehmesser (Zoll)
    di
    Rohrinnendurchmesser (Zoll)
    l
    Rohrlänge (Zoll)
    E
    Rohrelastizitätsmodulus (psi)
    l
    Bereichsträgheitsmoment des Rohrquerschnitts (Zoll4)
    g
    Erdbeschleunigungskonstante (386,4 Zoll/sect)
    q(T)
    Thermalreaktion des Systems
    k(T,P)
    Druckreaktion des Systems
    T
    Temperatur des Systems (°C)
    P
    Druck der Flüssigkeit im Rohr (psi)
  • Die natürliche Frequenz des Rohrs kann wie folgt errechnet werden (siehe Seite 1-14, Shock and Vibration Handbook, McGraw Hi11, NY, 1976):
    Figure 00170001
  • A wird von der Geometrie des Systems bestimmt und beträgt 22,4 für den ersten Schwingungsmodulus in einem Rohr mit feststehenden Enden oder freien Enden. Das Bereichsträgheitsmoment eines Rohrs (l) wird wie folgt errechnet:
    Figure 00170002
  • Die Masse pro Einheitslänge μ besteht aus dem Gewicht des Rohrs und dem Gewicht der Flüssigkeit geteilt durch die Länge des Rohrs und die Erdbeschleunigungskonstante (g = 386,4 Zoll/sec2):
    Figure 00170003
    Figure 00180001
  • Ein Ersetzen der Gleichungen 2 und 5 durch Gleichung 1 ergibt eine Schätzung der natürlichen Frequenz:
    Figure 00180002
  • Das Ausrechnen von Gleichung 6 für die Dichte ergibt:
    Figure 00180003
  • Gleichung 7 kann mit Hilfe der Koeffizienten A & B ausgedrückt werden: ρ = A/f2n – B (8)wobei die Koeffizienten A & B von den Materialeigenschaften und der Geometrie des Rohrs bestimmt werden:
    Figure 00180004
    Figure 00190001
  • Wie anhand der oben aufgeführten Gleichungen deutlich wird, wird die natürliche Frequenz des Systems von der Dichte der Flüssigkeit, welche in dem Rohr eingeschlossen ist, und von den Ausmaßen des Rohrs und dem Elastizitätsmodulus des Rohrmaterials bestimmt. Vorausgesetzt, dass das Rohr mit Bezug auf Größenänderungen aufgrund von Temperatur und Druck nicht eingeschränkt ist, können diese Änderungen durch Anwenden von Thermalausdehnungs- und Dickwandrohrdruckkorrekturen auf die räumlichen Ausmaße errechnet werden. Formeln für die räumliche Variation von Rohrteilen werden in einer Reihe von Texten beschrieben, von welchen die bekanntesten Roark's Formulas for Stress and Strain sind.
  • Auch von den Temperaturänderungen des Systems betroffen ist der Elastizitätsmodulus (E) des Rohrmaterials. In 1958 führte L.F. Vosteen Tests durch, bei welchen der Elastizitätsmodulus als eine Funktion von Temperatur für eine Reihe von Materialen einschließlich Titanlegierungen gemessen wurde.
  • Die in den Gleichungen 9 und 10 weiter oben ausgedrückten räumlichen Variablen sowohl wie der Elastizitätsmodulus können daher als von der Temperatur und den Koeffizienten A und B abhängige Funktionen wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure 00190002
  • In der Praxis können die Koeffizienten A und B durch Anwenden einer Kalibrationskurve geschätzt werden. Wenn zwei Flüssigkeiten mit bekannter Dichte wie zum Beispiel Wasser und Luft unter identischen Temperatur- (Tcal) und Druckbedingungen (Pcal) angewendet werden, können Werte für A und B mit Hilfe der Gleichung 8 errechnet, und die Resonanzfrequenz des Systems mit den beiden bekannten Flüssigkeiten gemessen werden. Wenn die Gleichungen 11 und 12 für alle Temperaturen und Drucke verallgemeinert, und A und B angesichts der Kalibrationsparameter ausgedrückt werden, ergibt dies:
    Figure 00200001
  • Die Thermalabhängigkeit (q(T)) und die Druckabhängigkeit (k(T,P)) des Systems werden auch thermodynamisch ausgedrückt und als eine lineare Funktion der Temperatur und des Drucks des Systems realisiert. Ein halbthermodynamisches Modell des Systems erlaubt das Errechnen der Frequenz als eine Funktion von Temperatur, Druck, und Dichte.
  • Figure 00200002
  • Mit diesem Modell kann man die Flüssigkeitsdichte durch Messen der Resonanzfrequenz bei einer beliebigen Temperatur und einem beliebigen Druck bestimmen:
    Figure 00200003
  • Mit den oben beschriebenen Gleichungen und einem wie oben konstruierten Dichtemesser kann eine unbekannte Flüssigkeit charakterisiert werden. Der erste Schritt ist das Feststellen der Resonanzfrequenz des Systems mit einer Probe einer Flüssigkeit mit einer bekannten Dichte bei einer kontrollieren Temperatur und einem kontrollierten Druck. Der zweite Schritt ist das Feststellen der Resonanzfrequenz des Systems mit einer Probe einer zweiten Flüssigkeit mit einer bekannten Dichte bei der gleichen kontrollierten Temperatur und dem gleichen kontrollieren Druck. Mit diesen zwei festgestellten Resonanzfrequenzen können die Kalibrationskoeffizienten A und B festgestellt werden. Wenn die Kalibrationskoeffiziente errechnet worden sind, kann der Probehohlraum bei einer bekannten Temperatur und einem bekannten Druck mit einer unbekannten Flüssigkeit gefüllt werden. Die Resonanzfrequenz des Probehohlraums kann dann festgestellt, und die Dichte der Flüssigkeit errechnet werden.
  • Anwendungen
  • 7 zeigt ein Beispiel von Dichtemessungen, welche gemäß des geoffenbarten Verfahrens als eine Funktion von Zeit angefertigt wurden. Anfänglich füllt sich das Probedurchflußrohr mit Öl, und die Dichtemessung stellt sich schnell auf eine spezifische Dichte von 0,80 ein. Wenn ein mischbares Gas in den Fließstrom injiziert wird, empfängt das Proberohr einen Multiphasen-Fließstrom, und die Dichtemessung zeigt eine wesentliche Meßwertvariation. Wenn sich der Fließstrom in hauptsächlich Gas verwandelt, formt das Öl eine sich allmählich verdünnende Beschichtung auf der Wand des Rohrs, und die Dichtemessung stellt sich gleichmäßig auf 0,33 ein. Es wurde beobachtet, dass die Dichtemessung in der Multiphasen-Fließregion eine Varianz aufweist, welche für das Aufspüren einer Gegenwart von mehreren Phasen angewendet werden kann.
  • In der fließenden Flüssigkeit vorhandene(s) Luft oder Gas beeinflußt die Messungen des Dichtemesser. Ein gut eingemischtes oder in die Flüssigkeit eingeschlossenes Gas kann einfach ein wenig mehr Treibkraft fordern, um das Schwingen des Rohrs aufrecht zu erhalten. Ausbrechendes Gas, welches Blasen in der Flüssigkeit formt, wird aufgrund des Dämpfens des Schwingungsrohrs die Amplitude der Schwingungen reduzieren. Kleine Blasenfraktionen werden aufgrund örtlicher Variationen in der Systemdichte Variationen in den Signalen verursachen, und einen Stromverlust in der Flüssigkeit. Das Resultat ist ein variables Signal, dessen Hülle mit den Dichten der individuellen Phasen korrespondiert. In energiebeschränkten Systemen können größere Fraktionen das Schwingen des Rohrs ganz verhindern, wenn die von der Flüssigkeit absorbierte Energie die erhältliche überschreitet. Trotzdem können von dem Durchflußmesser in vielen Fällen Slug-Fluß Bedingungen festgestellt werden, da sich diese als periodische Änderungen der Meßwertcharakteristiken wie zum Beispiel der Treibkraft, der gemessenen Dichte, oder der Amplitude verwirklichen. Aufgrund der Fähigkeit, Blasen aufzuspüren, kann der geoffenbarte Dichtemesser dazu angewendet werden, den Blasenpunktdruck festzustellen. Wenn der Druck auf die Probeflüssigkeit variiert wird, werden sich unter dem Blasenpunktdruck Blasen formen und werden von dem geoffenbarten Gerät aufgespürt.
  • Wenn während eines Tieflochprobeentnahmeevents eine Probeflüssigkeit ununterbrochen durch das Rohr fließt wird sich die Flüssigkeit von einem Bohrschlamm in Schlammfiltrat und Kuchenfragmente, und dann in hauptsächlich Filtrat verwandeln, und dann in Reservoirflüssigkeit (Gas, Öl, oder Wasser). Wenn ein distinktiver Multiphasenfluß durch das Rohr fließt, wird die Sensorausgabe innerhalb eines Bereichs oszillieren, welcher durch die individuellen Phasendichten eingeschränkt wird. Wenn das System fein homogenisiert ist, wird die berichtete Dichte beinahe die Raummasse der Flüssigkeit erreichen. Um das Aufspüren der Raummassenflüssigkeitsdichte zu verbessern, können die geoffenbarten Meßgeräte konfiguriert werden, um höhere Fließraten durch das Rohr zu verwenden, und auf diese Weise eine statistisch bedeutungsvollere Probedichte zu erzielen. So kann die Fließrate der Probe durch das Gerät reguliert werden, um die Detektion von mehreren Phasen zu verbessern (durch Reduzieren der Fließrate), oder um die Raummassendichtebestimmung zu verbessern (durch Steigern der Fließrate). Wenn die Durchflußbedingungen manipuliert werden, um Phasenablagerung und Agglomeratbildung zu erlauben (unterbrochener Durchfluß oder Slipstream-Durchfluß mit niedrigen Fließraten), kann das schwingende Rohrsystem konfiguriert werden, um mehrere Phasen unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen genaustens aufzuspüren. Die Flüssigkeitsprobe kann stillstehend in der Probekammer gehalten werden, oder kann durch die Probekammer hindurch fliessen.
  • Spitzenformen innerhalb des Frequenzspektrums können – Signaturen liefern, welche das Aufspüren von Gasblasen, Öl-/Wassermischungen, und Schlammfiltratpartikeln erlauben. Diese Signaturen können mit Hilfe von neuralen Netz-, d.h. „Schablonenanpaßungs-„ Techniken identifiziert werden, oder eine parametrische Kurvenanpaßung kann bevorzugt werden. Durch Anwendung dieser Techniken kann es möglich sein, mit Hilfe dieser Spitzenformen eine Wasserfraktion festzustellen. Die Spitzenformen können auch andere Flüssigkeitseigenschaften wie zum Beispiel Druckfestigkeit und Viskosität ergeben. Der für das Aufrechterhalten der Schwingung erforderliche Strom kann auch als ein Anzeichen bestimmter Flüssigkeitseigenschaften dienen.
  • Außerdem kann die Resonanzfrequenz (oder der Frequenzunterschied) mit der gemessenen Amplitude des Schwingungssignals kombiniert werden, um die Probeflüssigkeitsviskosität zu errechnen. Die Dichte und eine zweite Flüssigkeitseigenschaft (d.h. die Viskosität) kann daher mit Hilfe der Resonanzfrequenz und einer oder beiden der Halbamplitudenfrequenzen errechnet werden. Letztendlich kann die Schwingungsfrequenz des Proberohrs variiert werden, um die Spitzenform der Frequenzreaktion des Proberohrs festzustellen, und die Spitzenform kann für das Bestimmen der Probeflüssigkeitseigenschaften verwendet werden.
  • Das geoffenbarte Instrument kann konfiguriert werden, um Flüssigkeitstypen (d.h. Flüssigkeiten können anhand ihrer Dichte charakterisiert werden), mehrere Phasen, Phasenänderungen, und weitere Flüssigkeitseigenschaften wie zum Beispiel die Viskosität und Druckfestigkeit festzustellen. Das Rohr kann konfiguriert werden, um besonders empfindlich gegenüber von Änderungen in der Probedichte und den Phasen zu sein. Die Durchflußrohre können zum Beispiel zu einer Reihe von unterschiedlich gebogenen Konfigurationen geformt werden, welche eine größere Verdrängung und Frequenzempfindlichkeit bieten. Andere Erregungsquellen können auch angewendet werden. Anstelle einer Schwingungsquelle mit variabler Frequenz können die Rohre auch geschlagen oder gerüttelt werden, um Schwingung zu erzeugen. Die Frequenzen und die Hülle der absterbenden Schwingung werden ähnliche Flüssigkeitsinformationen liefern, und können zusätzliche Informationen bezüglich der aktuellen bevorzugten variablen Frequenzschwingungsquelle liefern.
  • Die geoffenbarten Geräte können schnell und genau Meßwerte bezüglich der Tieflochdichte und Druckgradiente liefern. Die Gradientinformationen dürften besonders für das Bestimmen von Reservoirbedingungen an Standorten wertvoll sein, welche von der direkten Umgebung des Bohrlochs entfernt liegen. Insbesondere können die Gradienteninformationen eine Identifizierung von Flüssigkeiten ermöglichen, welche in dem Reservoir und an dem/den Standort(en) des Flüssigkeitskontakts enthalten sind. Tabelle 2 zeigt beispielhafte Gradiente, welche von Reservoirflüssigkeiten in einer Formation resultieren.
  • TABELLE 2
    Figure 00240001
  • Das Feststellen von Flüssigkeitskontakten (Gas/Öl und Öl/Wasser) ist besonders wichtig für den Reservoiringenieur. Eine ununterbrochene vertikale Säule kann Zonen von Gas, Öl und Wasser beinhalten. Aktuelle Verfahren fordern das wiederholte Aufzeichnen des Reservoirdrucks als eine Funktion der wirklichen vertikalen Tiefe, bevor der Druckgradient (normalerweise in psi/Fuß) in jeder Zone errechnet werden kann. Ein Flüssigkeitskontakt wird durch den Schnittpunkt von Gradienten von zwei nebeneinander liegenden Zonen angezeigt (als eine Funktion der Tiefe). Traditionell sind zwei oder mehr Proben innerhalb einer Zone für das Feststellen des Druckgradienten erforderlich.
  • Der Druckgradient (Δp/Δh) bezieht sich auf die Dichte der Flüssigkeit in einer bestimmten Zone. Dies folgt aus dem Ausdruck für den Druck, welcher von einer hydrostatischen Säule mit einer Höhe h ausgeübt wird. P = ρ·g·h (17)wobei P den Druck repräsentiert, ρ die Dichte repräseniert, g die Erdbeschleunigungskonstante repräsentiert, und h die Höhe repräsentiert.
  • In einer bestimmten Zone mit Abraumdruck, welcher sich von dem einer ununterbrochenen Flüssigkeitssäule unterscheidet, kann die Dichte der Flüssigkeit durch Messen des Drucks auf zwei oder mehr Tiefen in der Zone festgestellt, und der Druckgradient wie folgt errechnet werden:
    Figure 00240002
  • Der Tieflochdichtemesser bestimmt jedoch direkt die Dichte der Flüssigkeit. Dies erlaubt eine Kontakteinschätzung mit nur einem Probepunkt pro Zone. Wenn mehrere Proben innerhalb einer Zone entnommen werden, wird sich die Datenqualität verbessern. Die Gradientenbestimmung kann dann auf Fehler überprüft werden, welche auftreten können. Ein hoher Grad von Vertrauen wird erreicht, wenn sowohl der Dichtemesser wie auch der klassisch bestimmte Gradient übereinstimmen.
  • Wenn der Gradient für jede Flüssigkeitszone festgestellt worden ist, können die Gradientschnittstellen nebeneinander liegender Zonen bestimmt werden. Die Kontakttiefe wird als die Gradientschnittstelle auf der wirklichen vertikalen Tiefe errechnet.
  • Zahlreiche Variationen und Modifizierungen werden Fachleuten auf diesem Gebiet erkennbar sein.

Claims (11)

  1. Ein Instrument, umfassend: ein Rohr (108), welches eine Probeflüssigkeit mit einer Dichte empfängt; ein festes Druckgehäuse (102), welches das genannte Rohr (108) umschließt und einen ringförmigen Bereich zwischen dem genannten Rohr (108) und dem genannten Druckgehäuse (102) formt; eine an dem genannten Rohr befestigte Schwingungsquelle (132); einen an dem genannten Rohr befestigten Schwingungsdetektor (138, 140, 142); und ein elektrisch mit der genannten Schwingungsquelle und dem genannten Schwingungsdetektor gekoppeltes Meßmodul, wobei das Meßmodul für das Feststellen einer Dichte der Probeflüssigkeit mittels einer Resonanzfrequenz des Rohrs konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Schwingungsdetektor umfasst: einen an dem genannten Rohr (108) montierten ersten Magneten (140), wobei der genannte erste Magnet ein erstes magnetischen Feld aufweist; einen an dem genannten ersten Magneten (140) montierten zweiten Magneten (138), wobei der genannte zweite Magnet ein zweites magnetisches Feld aufweist, welches dem ersten magnetischen Feld entgegengesetzt ist; eine an dem genannten Druckgehäuse montierte erste Spulenwicklung; und eine an dem genannten Druckgehäuse neben der genannten ersten Spulenwicklung montierte zweite Spulenwicklung.
  2. Ein Instrument nach Anspruch 1, wobei die genannte erste Spulenwicklung und die genannte zweite Spulenwicklung Symmetrieachsen aufweisen, welche auf die Syminetrieachsen der genannten ersten und zweiten Magneten (140, 138) ausgerichtet sind.
  3. Ein Instrument nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine zwischen den genannten Spulenwicklungen definierte Ebene (148) auf eine zwischen den ersten und zweiten Magneten definierte Ebene (146) ausgerichtet ist.
  4. Ein Instrument nach Anspruch 1, 2, oder 3, wobei die genannten Spulenwicklungen gegenüberliegend in Phase sind, um die von den externen magnetischen Feldern erzeugte Spannung zu minimieren.
  5. Ein Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwingungsquelle (132) umfasst: einen an dem Rohr befestigten dritten Magneten (134); und eine zweite Spulenwicklung (136), welche an dem festen Druckgehäuse befestigt ist.
  6. Ein Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das genannte Rohr (108) das einzige Rohr ist, welches eine Probeflüssigkeit empfängt; und der genannte Schwingungsdetektor (138, 140, 142) ist der einzige Schwingungsdetektor, welcher an dem genannten Rohr befestigt ist.
  7. Ein Verfahren für das Anwenden eines schwingungsresonanten Dichtemessers für das charakterisieren einer Flüssigkeit, wobei der schwingungsresonante Dichtemesser ein Instrument nach Anspruch 1 ist, und das Verfahren umfasst: das Kalibrieren des Dichtemessers durch Feststellen der schwingungsresonanten Frequenz des Rohrs (108) des Dichtemessers mit einer von zwei Flüssigkeiten bei einer einzigen kontrollierten Temperatur und einem Druck; wobei jede Flüssigkeit eine andere bekannte Dichte aufweist; das Empfangen einer Probeflüssigkeit mit einer unbekannten Dichte in das genannte Rohr (108) bei einer bekannten Temperatur und einem bekannten Druck; das Bestimmen einer schwingungsresonanten Frequenz des genannten Rohrs (108); gekennzeichnet durch das Berechnen der unbekannten Flüssigkeitsdichte mittels der schwingungsresonanten Frequenz und das Ausgleichen der bekannten Temperatur- und Druckbedingungen der Probeflüssigkeit gegenüber der kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen, unter welchen das genannte Rohr (108) kalibriert wurde; wobei das Ausgleichen von der Geometrie und der Zusammensetzung des genannten Rohrs (108) abhängt.
  8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Flüssigkeitsdichte (ρ) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird: ρ = A/f2n – B;wobei A und B Koeffiziente sind, welche von der Geometrie und Zusammensetzung des genannten Rohrs (108) bestimmt werden, und wobei fn die natürliche Frequenz des genannten Rohrs (108) ist.
  9. Ein Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Flüssigkeitsdichte (ρf) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird:
    Figure 00280001
    wobei T die Temperatur, P der Druck, A und B Koeffiziente sind, welche von der Geometrie und Zusammensetzung des genannten Rohrs (108) bestimmt werden, q eine thermale Abhängigkeit von dem genannten Rohr (108) ist, k eine Druckabhängigkeit von dem genannten Rohr (108) ist, und f die Resonanzfrequenz des genannten Rohrs (108) ist.
  10. Ein Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Koeffizienten A und B wie folgt repräsentiert werden:
    Figure 00280002
    wobei E ein Elastizitätsmodulus des Materials des genannten Rohrs (108) ist; g eine Erdbeschleunigungskonstante ist; do ein Außendurchmesser des genannten Rohrs (108) ist; A eine Schwingungskonstante ist; di ein Innendurchmesser des genannten Rohrs (108) ist; l eine Länge des genannten Rohrs (108) ist; und ρt eine Dichte des Materials des genannten Rohrs (108) ist.
  11. Ein Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Koeffizienten A und B als eine Funktion von Temperatur und Druck variieren, und die Werte von A und B bei Probetemperatur mittels der bei Kalbirationstemperatur- und Druck festgestellten Werte von A und B bestimmt werden.
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