DE69108686T2 - System zum Überwachen des Wassergehalts. - Google Patents

System zum Überwachen des Wassergehalts.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Überwachungsgeräte für den Wassergehalt, d.h. auf Überwachungsgeräte zur Bereitstellung eines Signals, das für den prozentualen Wassergehalt in einem Fluidstrom repräsentativ ist.
  • Die vorliegende Erfindung, wie sie in Anspruch 1 festgelegt ist stellt ein Überwachungsgerät für den (prozentualen) Wassergehalt bereit, welches einen Absetztank beinhaltet, in dem eine Fluidmenge aus einer Ölförderbohrung angesammelt wird. Das Fluid wird als Fluidstrom nach einer vorbestiinmten Zeitspanne nach der Ansammlung des Fluids in dem Absetztank abgezogen, so daß sich das angesammelte Fluid in drei Phasen trennen kann: freies Wasser, eine zusammenhängende Wasserphase und eine zusammenhängende Ölphase. Der Strömungsdurchsatz des Fluidstroms wird gemessen, und es wird ein entsprechendes Strömungsmengensignal wie auch ein Temperatursignal bereitgestellt, das für eine erfaßte Temperatur des Fluidstroms repräsentativ ist. Das Überwachungsgerät für den Wassergehalt umfaßt eine Anzahl von Elektroden in Kontakt mit dem Fluid. Eine Einspeiseelektronik, die an wenigstens eine der Elektroden angeschlossen ist, liefert eine Speisespannung und einen Speisestrom in den Fluidstrom und stellt auch Signale bereit, die für die Speisespannung, den Speisestrom und den Phasenwinkel zwischen der Speisespannung und dem Speisestrom repräsentativ sind. Eine Spannung in dem Fluidstrom wird gemessen und es wird ein gemessenes Spannungssignal bereitgestellt. Ein Rechner bestimmt den Wassergehalt des Erdölstroms gemäß dem Temperatursignal, den Signalen für die Speisespannung, den elektrischen Phasenwinkel und den Speisestrom sowie für die gemessene Spannung.
  • Vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen festgelegt.
  • Die Ziele und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen zwei Ausführungsformen beispielhaft beschrieben sind. Es ist selbstverständlich, daß die Zeichnungen lediglich Erläuterungszwecken dienen.
  • Fig. 1 zeigt gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen des Wassergehalts.
  • Fig. 2 ist ein Flußdiagramm der Arbeitsweise der Überwachungsvorrichtung für den Wassergehalt gemäß Fig. 1.
  • Fig. 3 ist ein teilweises, vereinfachtes Blockdiagramm und ein teilweises, schematisches Diagrainm einer Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Wassergehaltsmeßgeräts.
  • Fig. 4 ist ein teilweises, vereinfachtes Blockdiagramm und ein teilweises, schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Wassergehaltsmeßgeräts.
  • Die Produktion eines Ölfeldes wird in Barrels Öl pro Tag (BOPD) und Barrels Wasser pro Tag (BWPD) ausgedrückt. Diese Zahlen werden durch die Messung der Strömungsmenge und des Wassergehalts bestimmt. Es sind zahlreiche handelsübliche Strömungsmeßgeräte verfügbar, die zufriedenstellende Strömungswerte erbringen. Es ist auch eine Anzahl von handelsüblichen Wassergehaltsmeßgeräten verfügbar. Die meisten dieser Meßgeräte sind allerdings nur für solche Einsatzfälle ausgelegt, wenn die Öl/Wassermischung eine kontinuierliche Ölphase bildet, d.h. wenn jegliches vorhandene Wasser innerhalb des Öls suspendiert ist. Diese Meßgeräte arbeiten als reine Kapazitanzmessung und funktionieren nur dann richtig, wenn ein nicht leitender (hohe Impedanz) Weg zwischen den Meßelektroden existiert. In Emulsionen mit einer zusammenhängenden Wasser- Phase besteht ein leitender Weg über die Sonde, der im wesentlichen die Kapazitanzmessung "kurzschließt". Dieser Kurzschlußeffekt ist sehr empfindlich gegenüber Salzgehalts- und Temperaturänderungen und macht standardmäßige Kapazitanzsonden beim Betrieb mit einer zusammenhängenden Wasserphase unbrauchbar, wenn nur eine geringe Menge Salz vorhanden ist. Die vorliegende Erfindung ist kostengünstig und kann über den gesamten Bereich von 0 bis 100 % Wassergehalt betrieben werden, selbst wenn hohe Salzgehalte im Wasser und schwere Ölemulsionen auftreten.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine im Test befindliche Bohrung 3 dargestellt, die einen Förderstrom über die Leitung 14 an den Absetztank 10 abgibt. Nachdem eine vorbestimmte Menge des Förderstroms 10 in den Absetztank 10 gelangt ist, wird eine weitere Füllung des Absetztanks 10 gestoppt. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne trennt sich das Fluid im Absetztank 10 teilweise, um freies Wasser am Boden des Tanks 10 bilden; darüber besteht eine Emulsion mit zusammenhängender Wasserphase, und schließlich ist das Fluid oben im Tank 10 eine Emulsion mit einer zusammenhängenden Ölphase. Nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, pumpt eine Pumpe 20, die durch die AWT-Verfahrenssteuerung 21 gesteuert wird, das Fluid vom Boden des Tanks 10 durch ein Strömungsmeßgerät 25 und dann durch ein Wassergehaltsmeßgerät (Wassergehaltsüberwachungsgerät) 30, wonach das Fluid schließlich an das Fördersystem abgegeben wird, all dies über eine Leitung 23.
  • Das Wassergehaltsmeßgerät 30 gibt fünf Signale an eine Prozeßeinrichtung 22 ab: Die Speisepannung Vi, den Speisestrom Ii, den Phasenwinkel PH, die erfaßte Spannung Vs, und die Temperatur T. Nachfolgend wird im einzelnen beschrieben, wie diese Signale erhalten werden und wie sie verwendet werden.
  • Das Fluid, das anfangs vom Boden des Tanks 10 abgepumpt wird, ist praktisch immer Wasser. Das Wassergehaltssystem nach der vorliegenden Erfindung mißt die Impedanz des Wassers (Z Wasser) und speichert diesen Wert. Wenn die Emulsion mit zusammenhängender Wasserphase durch das Wassergehaltsmeßgerät 30 zu strömen beginnt, steigt die Impedanz (Z Emulsion). Die Division von Z Emulsion durch Z Wasser ergibt Z Verhältnis, das proportional zum prozentualen Wassergehalt der Emulsion mit zusammenhängender Wasserphase ist. Wenn die Emulsion zur zusammenhängenden Ölphase übergeht, steigt der elektrische Phasenwinkel zwischen Vi und I sehr stark an. Dieser Anstieg wird dazu verwendet, das Meßverfahren zu einer umgekehrten Beziehung zwischen der Speiseimpedanz und dem prozentualen Wassergehalt umzuändern. Die vorliegende Erfindung kann ohne Verlust an Genauigkeit zwischen zusammenhängender Öl- und Wasserphase vor- und zurückschalten. In dem Falle, daß sich kein freies Wasser im Tank 10 befinden sollte, wird ein Defaultwert für Z Wasser zugeordnet, der für Bohrungen mit geringem Wassergehalt typisch ist.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 2, die ein Ablaufdiagramm ist, stellt der Block 50 die Pumpe 20 dar, die durch das Pumpensignal eingeschaltet wird. Das Pumpensignal wird verwendet, um alle Koeffizienten von Werten auf einen Anfangswert zu setzen, die für alle Berechnung benötigt werden, wie durch Block 51 dargestellt, der mit "Initialisieren" bezeichnet ist. Die folgenden Werte werden auf einen Anfangswert gesetzt: die Koeffizienten A, B, C, D und E der Gleichung für die zusammenhängende Wasserphase; die Koeffizienten F, G und H der Gleichung für die zusammenhänge Ölphase; die Konstante KA für die erfaßte lmpedanz; die Koeffizienten AA, BB für die Temperaturkurve und der Anfangswert für die Wasserimpedanz SWINIT.
  • Nach Block 51 kommt Block 53, der mit "weiter" bezeichnet ist, was bedeutet, daß die Verfahrensvorrichtung 22 zum nächsten Schritt voranschreitet, welches der Block 55 ist. Der Block 55, der mit "Daten erfassen" bezeichnet ist, stellt die Erfassung der Datensignale Vi, Ii, PH, Vs und Temperatur dar. Block 59 ist der nächste Schritt, in dem Mittelwerte der erfaßten Daten berechnet werden. Als nächstes kommt Block 62, in dem die Frage gestellt wird: Ist die Anzahl von Proben gleich 10? Wenn die Antwort nein ist, geht das System zurück zum "weiter"-Block, wobei wiederum Messungen gemacht werden und die Berechnung weitergeht, bis zehn Proben gesammelt und gemittelt worden sind, wobei der Block 62 an diesem Punkt eine positive Antwort an Block 63 abgibt, welcher die Frage stellt "Ist der Phasenwinkel größer als 80º?" Wenn PH größer als 80 ist, besteht das Fluid aus einer zusammenhängenden Ölphase, und Block 88 wird verwendet, um die Injektionsimpedanz Zi zu berechnen, und Block 90 berechnet den Wassergehalt unter Verwendung der Gleichung:
  • 1. WC = F+G (Zi) + H (Zi)²
  • Wenn PH kleiner als 80 ist, bezeichnet der Block 65 die erfaßte Impedanz als:
  • 2. Zs = (Vs/Ii) x KA
  • Zs wird dann für Temperaturveränderungen unter Verwendung der Gleichungen
  • 3. Zscpr = Zs + KB x Zs x (DEGC - 40)
  • 4. DEGC = AA + BB x Temp
  • korrigiert. Diese Schritte werden durch Block 67 mit der Bezeichnung "Temperaturkorrektur von Zs" dargestellt. Nach Block 67 kommt Block 72, der feststellt: wenn das korrigierte Zs kleiner ist als Z Wasser, setze Z Wasser gleich dem korrigierten Wert von Zs. Dieses Verfahren legt die Wasserimpedanz Z Wasser als niedrigsten Wert für die Impedanzmessung fest. Wenn der korrigierte Wert für Zs größer ist als Z Wasser, wird der Wert von Z Wasser nicht verändert, und der nächste Schritt wird durch Block 75 dargestellt, der mit "Impedanzverhältnis Zrat berechnen" bezeichnet ist. Zrat ist gleich Zscor/Z Wasser. Schließlich wird der Wert von Zrat, wie in Block 78 dargestellt, zur Berechnung des Wasseranteils in dem Fluid mit der zusammenhängenden Wasserphase gemäß der folgenden Gleichung 5 verwendet:
  • 5. WC = A+B(Zrat) + C(Zrat)² + D(Zrat)³ + E(Zrat)&sup4;
  • Dieser berechnete Wert WC wird durch die Verfahrensvorrichtung 22 in Form des Signals WC an die AWT-Verfahrenssteuerung 21 abgegeben.
  • Block 83 fragt ab, ob die Pumpe noch eingeschaltet ist. Wenn dies der Fall ist, geht der Prozessor zurück zum Block 53, wo eine neue Messung beginnt. Wenn die Pumpe ausgeschaltet ist, wird der Meßvorgang angehalten (Block 95).
  • Koeffizienten für die Wassergehaltsgleichung bei zusammenhängender Wasserphase werden empirisch bestimmt, indem Werte von Zrat aufgezeichnet werden, wenn Fluidproben genommen werden. Die Proben werden dann analysiert, um den tatsächlichen prozentualen Wassergehalt zu bestimmen. Der Verlauf des Wassergehalts WC gegenüber Zrat wird dann mit Hilfe einer Computersoftware zur Kurvenanpassung aufgestellt. Diese Software kann die aufgezeichneten Punkte mit einer Kurve verbinden und die Koeffizienten der sich ergebenden Polynomkurve ausgeben. Daten werden für mehrere unterschiedliche Salzgehalte des Wassers aufgenommen, und es wird eine Kurve bestimmt, die zu allen Datenpunkten am besten paßt. Die Koeffizienten von dieser Kurve werden dann in der Polynomgleichung für die zusammenhängende Wasserphase verwendet.
  • Koeffizienten für die Wassergehaltsgleichung bei zusammenhängender Ölphase werden auf ähnliche Weise bestimmt, indem gleichzeitig Werte für die Injektionsimpedanz Zi aufgezeichnet werden und Wassergehaltsproben genommen werden, wenn bekannt ist, daß die Emulsion eine zusammenhängende Ölphase hat. Eine Kurvenanpassung für die Daten von WC gegenüber Zi wird dann aus dem Kurvenanpassungsprogramm erhalten, und es werden die Koeffizienten bestimmt. Diese Koeffizienten werden dann in die Gleichung 1 für WC bei zusammenhängender Ölphase eingesetzt.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Wassergehaltsmeßgerät 30 wie in Fig. 3 gezeigt angeordnet. Die Testzelle 100 hat ein Gehäuse 101 mit Rohren 103 zur Anpassung an die Strömungsleitung. Das Gehäuse 101 hat einen quadratischen Querschnitt für die Fluidströmung. Die Adapter 103 für die Strömungsleitung ermöglichen eine Verbindung des Gehäuses 100 mit der Leitung 23. Die Testzelle 100 besitzt weiterhin drei Elektroden 104, 105 und 106, die in einem Isolator 108 gehalten sind, um einen Erfassungkörper 110 mit Endkappen 119 zu bilden. Die Erregungselektronik 125 ist zwischen Erde 118 und der Elektrode 104 angeschlossen.
  • Die Erregungselektronik (Stromquelle) 125 weist einen Oszillator auf, der eine Speise-Wechselspannung zwischen einer Elektrode 104 und Erde 118 bereitstellt, wodurch das Fließen eines Speisestroms innerhalb des Fluids bewirkt wird. Obwohl die Speisespannung in der vorliegenden Erfindung bei wesentlich geringeren Frequenzen oder bei höheren Frequenzen liegen kann, liegt ein bevorzugter Frequenzbereich zwischen 1 MHz bis 50 Mhz. Ebenfalls innerhalb der Erregungselektronik 125 befindet sich ein Schaltkreis, der die Signale Vi und Ii bereitstellt, die der Speisepannung und dem Speisestrom entsprechen. Das an die Elektrode 104 abgegebene Speisesignal erzeugt ein elektrisches Feld innerhalb des Fluids. Die Elektroden 105 und 106 sind elektrisch verbunden mit einer Erfassungselektronik 130, die die über den Elektroden 105 und 106 abgenommene Spannung erfaßt und ein entsprechendes Signal Vs bereitstellt. Ein Temperatursensor 137 erfaßt die Temperatur des in dem Gehäuse 23 strömenden Fluids und stellt ein entsprechendes Temperatursignal T bereit.
  • Das Wassergehaltsmeßgerät 30 weist weiterhin einen Phasenwinkelgenerator auf, um ein Signal PH zu erzeugen, das für den Phasenwinkel zwischen der Speisespannung und dem Speisestrom repräsentativ ist.
  • Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 4, ist dort eine weitere Ausführungsform eines Wassergehaltsmeßgeräts 30 dargestellt, die einen nicht eindringenden Aufbau aufweist. Dies bedeutet, daß die nachfolgend erläuterten Elektroden nicht in den Weg der Fluidströmung eindringen. Wie dargestellt, ist eine Testzelle 150 fluchtend mit der Leitung 23 verbunden. Obwohl die tatsächlichen Anschlußteile nicht dargestellt sind, sind selbstverständlich bei der Testzelle 150 Mittel vorhanden, um fluchtend mit der Leitung 23 verbunden zu werden.
  • Die Testzelle 150 kann im Grunde aus Metall bestehen, wenn nichts anderes gesagt ist. In dieser Hinsicht beinhaltet die Testzelle 150 vier Elektroden 152, 154, 156 und 157, die so gehalten sind, daß sie fluchtend mit der Innenfläche der Leitung 23 liegen. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind die Elektroden 152 bis 157 kreisförmig aufgebaut und befinden sich in Kontakt mit dem Fluid, welches durch das Meßgerät hindurch geht. Die Elektroden 152 bis 157 sind von einem Metallkörper 160 der Testzelle 150 durch Abstandselemente 165 bis 171 aus Polytetrafluoroethylen (Teflon) getrennt, die konzentrisch innerhalb eines Teflonkörpers 180 liegen, der in einem Metallzylinder 185 angeordnet ist. Weiterhin hat der Zylinder 185 Öffnungen 190, der die elektrischen Verbindungen von 152 und 154 mit der Erregungselektronik 125 ermöglicht und auch die Verbindungen der Elektroden 156 und 157 mit der Erfassungselektronik 130 ermöglichen. Weiterhin befinden sich O-Ringe 195 zwischen jeder Zwischenfläche eines Isolatorrings und einer Elektrode und einem isolierenden Abstandsteil und dem Metallkörper 160.
  • Die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform stimmt mit der ersten Ausführungsform überein mit dem Unterschied, daß der Speisestrom zwischen den Elektroden 152 und 154 ein elektrisches Feld erzeugt, welches parallel zur Fluidströmung ist statt senkrecht dazu wie in der ersten Ausführungsform.
  • Die Temperatur wird durch einen Temperatursensor 137 erfaßt, wie er vorstehend für die andere Ausführungsform beschrieben ist.

Claims (10)

1. System zum Überwachen des Wassergehalts, umfassend:
einen Speicher (10) zum Sammeln einer Fluidmenge von einer Förderbohrung, um zu ermöglichen, daß sich das Pluid wenig stens teilweise in drei Phasen trennt: freies Wasser, eine zusammenhängende Wasserphase und eine zusammenhängende Ölphase;
eine Auslaßeinrichtung (20), um das Fluid zu veranlassen, als ein Strom aus dem Speicher (10) nach einer vorbestimmten Zeitspanne zur Ermöglichung der Trennung auszuströmen;
ein Temperatursensor (137), um die Temperatur des Fluidstroms zu erfassen und ein dafür repräsentatives Temperatursignal (T) bereitzustellen; und
ein Überwachungsgerät (30) für den Wassergehalt (30), umfassend:
eine Anzahl von Elektroden (104-106; 152-157), die dem Fluidstrom ausgesetzt sind,
eine Stromquelle (125), die angeschlossen ist, um eine Wechselspannung und einen Wechselstrom an die Elektrode (104; 152, 154) zum Einspeisen in den Strom und zum Liefern von für die Speisespannung und den Speisestrom (Vi; Ii) repräsentativen Signalen bereitzustellen,
einen Phasenwinkelgenerator zum Liefern eines für den Phasenwinkel zwischen der Speisespannung und dem Speisestrom repräsentativen Signals (PH), einen an eine andere der Elektroden (105, 106; 156, 157) angeschlossenen Spannungssensor (130) zum Liefern eines für die erfaßte Spannung repräsentativen Signals (Vs), und
einen an den Temperatursensor (137), die Stromquelle (125), den Phasenwinkelgenerator und den Spannungssensor (130) angeschlossenen Signalprozessor (22), um ein für den Wassergehalt repräsentatives Signal gemäß dem Temperatursignal (T), dem Speisespannungssignal (Vi), dem Speisestromsignal (Ii), dem Phasenwinkelsignal (PH) und dem erfaßten Spannungssignal (Vs) bereitzustellen.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (22) die Speiseimpedanz (Zi) gemäß dem Speisespannungssignal (Vi) und dem Speisestromsignal (Ii) ableiten kann, und das Wassergehaltssignal (WC) bereitstellt, wenn sich das Fluid in der zusammenhängenden Ölphase befindet, gemäß der Gleichung:
WC = F + G (Zi) + H (Zi)²,
wobei F, G und H empirisch bestimmte Koeffizienten sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (22) die erfaßte Impedanz (Zs) gernäß dem erfaßten Spannungssignal (Vs) und dem Speisestromsignal (Ii) bestimmen kann, die erfaßte Impedanz gemäß dem Temperatursignal (T) korrigieren kann (Zscor), und das Impedanzverhältnis (Zrat) bestimmen kann, entsprechend der Gleichung:
Zrat = (Zscor)/(Zwtr),
wobei Zwtr die lmpedanz von freiem Wasser ist und erfaßt oder vorbestimmt sein kann.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (22) das Wassergehaltssignal (WC) bereitstellen kann, wenn sich das Fluid in der zusammenhängenden Wasserphase befindet, gemäß der Gleichung:
WC = A + B (Zrat)+C (Zrat)² + D (Zrat)³ + E (Zrat)&sup4;,
wobei A, B, C, D und E Koeffizienten sind.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (22) auf das Phasenwinkelsignal (PH) anspricht, um zu bestimmen, daß sich das Fluid in der zusammenhängenden Ölphase befindet, wenn das Phasenwinkelsignal größer als ein vorbestimmter Wert ist, und daß es sich in der zusammenhängenden Wasserphase befindet, wenn das Phasenwinkelsignal unterhalb dieses vorbestimmten Werts ist.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Strömungsdurchsatzsensor (25), um ein für den Strömungsdurchsatz des Stroms aus dem Speicher (10) repräsentatives Signal bereitzustellen, wobei der Signalprozessor (22) auf das Strömungsdurchsatzsignal und das Wassergehaltssignal (WC) anspricht, um den Gesamtwassergehalt des im Speicher (10) gesammelten Fluids zu bestimmen.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (125) die Wechselspannung bei einer Frequenz im Bereich von 1 MHz bis 50 MHz liefern kann.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das überwachungsgerät (30) für den Wassergehalt eine Prüfzelle (100) aufweist, die in einer Fluidströmungsleitung aus der Auslaßeinrichtung (20) angeschlossen ist, wobei die Elektroden (104-106; 152-157) innerhalb der Prüfzelle angebracht sind.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (125) mit einem ersten Paar Elektroden (152, 154) verbunden ist, um zu bewirken, daß der Speisestrom von einer zur anderen Elektrode des ersten Paars durch den Fluidstrom fließt, wobei der Spannungssensor (130) an ein zweites Paar der Elektroden (156, 157) angeschlossen ist, die einen Abstand zu dem ersten Paar aufweisen, um die Spannung in der Strömung zwischen den Elektroden des zweiten Paars zu erfassen.
10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (125) an eine erste der Elektroden (104) und an Erde (118) angeschlossen ist, um den Speisestrom von der ersten Elektrode durch die Fluidströmung zur Erde fließen zu lassen, wobei der Spannungssensor (130) an die zweite und dritte Elektrode (105, 106) angeschlossen ist, die einen Abstand von der ersten Elektrode und von Erde aufweisen, um die Spannung in der Strömung zwischen der zweiten und dritten Elektrode zu erfassen.
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