DE69532768T2

DE69532768T2 - Verfahren zur bestimmung des durchflusses eines fluids

Info

Publication number: DE69532768T2
Application number: DE1995632768
Authority: DE
Inventors: Jon Steinar Gudmundsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-09
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2015-11-10
Also published as: AU703826B2; MX9703437A; DE69532768D1; DK0805959T3; RU2160888C2; US5741978A; EP0805959A1; ATE262675T1; NO944264L; WO1996015427A1; AU3883995A; NO944264D0; NO300437B1; BR9509724A; EP0805959B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungsrate in einer Fluidströmung, insbesondere in einer Zweiphasenströmung mit Öl/Wasser/Gas aus einem Offshore-Produktionsbohrloch.
Hintergrund
Das Messen von Mehrphasenströmungen in Ölbohrlöchern und Pipelines einschließlich verschiedener anderer Strömungssysteme ist ein erstes ungelöstes Problem in der Erdöl-Industrie. Eine vollständige Messung einer Mehrphasenströmung in z.B. einem Ölbohrloch beinhaltet die drei Phasen Gas, Öl und Wasser.
Bei Messungen von Gas/Flüssigkeit muß man die mittlere Strömungsrate der Zusammensetzung bestimmen und die Dichte. Dann kann die gesamte Strömungsrate bestimmt werden.
Im allgemeinen ist es praktischer, mittels der bekannten Messmethoden für Gas/Flüssigkeit die Dichte der Zusammensetzung zu messen als ihre Strömungsgeschwindigkeit. Entsprechend diesen Methoden wird wird die Dichte normalerweise mittels eines Gammastrahlen-Nleßgerätes erhalten. In der Entwicklung befindliche Verfahren zum Messen von Mehrphasen und Gas/Flüssigkeit nutzen die Messung des Wasseranteils im Wesentlichen gegründet auf dielektrische Eigenschaften der Kohlenwasserstoff/Wasserzusammensetzung.
In einer Mehrphasen-Kohlenwasserstoff/Wasserzusammensetzung, bei der die Mehrphasen-Gesamtdichte mittels eines Gammastrahlen-Meßgerätes und des Wasseranteils erhalten worden ist, können der Öl-Anteil und der Wasser-Anteil geschätzt werden. Das Gerät zum Messen des Wasser-Anteils weist gewöhnlich eine einfache und robuste Konstruktion auf und kann deshalb in Offshore-Produktionsplattformen implementiert und möglicherweise bei Installationen unterhalb des Meeresspiegels benutzt werden.
Gammastrahlen-Meßgeräte sind jedoch teuer und können nicht mit geringem Kostenaufwand modifiziert werden, um sie in die Lage zu versetzen, unter den rauen, auf Offshore-Produktionsplattformen existierenden Bedingungen und bei Installationen unter dem Meeresspiegel verläßlich genutzt zu werden für gewerbliche Messungen von Fluiden in Bohrlöchern oder in Pipelines. Überdies erfordert die radioaktive Gammastrahlenquelle strenge Sicherheitsregeln.
Es sind kapazitive Verfahren entwickelt worden, um die durch ein Rohr fließenden Mengen an Kohlenwasserstoffen und Wasser zu identifizieren. Dieses Verfahren ist jedoch empfindlich für Wasser, z.B. mißt das Verfahren die Menge des Wasserflusses, wobei der restliche Fluss von Kohlenwasserstoffen gebildet ist. Dieses Verfahren kann jedoch nicht unterscheiden zwischen flüssigen Kohlenwasserstoffen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen. Das kapazitive Verfahren wird auch durch das Gas/Flüssigkeits-Verhältnis beeinflußt, welches im Hinblick auf ein unabhängiges Meßergebnis für einen Gas/Flüssigkeitsanteil eine Korrektur der Meßergebnisse erfordert, die z.B. von einem Gammastrahlen-Meßgerät zur Verfügung gestellt werden.
Es sind Techniken entwickelt worden, die Mikrowellen nutzen. Mikrowellen werden von Wasser absorbiert, und, wie bei dem Kapazitäts-Meßgerät, wird angenommen, daß der Rest des Mediums Kohlenwasserstoff ist. Die Mikrowellen-Technik (und das kapazitive Verfahren) werden ebenfalls durch das Gas/Flüssigkeits-Verhältnis beeinflußt. Deshalb ist Kalibrierung erforderlich. Andererseits ist es möglich, die Mikrowellen-Technik in gegenseitiger Wechselbeziehung zu nutzen, aber wegen des gro0en Umfanges der Meßtechnik sind nur besondere Merkmale des Mehrphasen-Flusses in großem Maßstab identifizierbar.
Während das kapazitive Verfahren und die Mikrowellen-Technik im allgemeinen dasselbe Anwendungsgebiet haben, haben sie auch dieselben Begrenzungen.
In Verbindung mit Forschungsaktivitäten und Entwicklung gewerblicher Aktivitäten besteht die Vorgehensweise bei der Meßausrüstung aus zwei Meßgeräten: einem Gammastrahlen-Meßgerät und einem Kapazitäts- oder Mikrowellen-Meßgerät, deren eines das Gas/Flüssigkeits-Verhältnis zur Verfügung stellt und deren anderes die Wassermenge. Verfahren dieser Art sind jedoch begrenzt auf enge Gas/Flüssigkeits-Anteile, bestimmte Fluss-Regime oder andere bestimmte Bedingungen. Diese Verfahren können deshalb keine verläßlichen Meßwerte der Strömungsgeschwindigkeit über einen weiten Bereich von Bedingungen in Mehrphasen-Systemen zur Verfügung stellen.
Ein alternatives Meßverfahren für die Anwendung bei Mehrphasen-Systemen ist im NO Patent Nr. 174643 beschrieben. Dieses Patent beschreibt ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und der Menge oder des Massen-Verhältnisses zwischen verschiedenen Phasen in Rohren und Bohrlöchern, in denen das fließende Medium mehrere Phasen aufweist, insbesondere Zweiphasen-Systeme des Erdgas- und Öl-Typs. Ein innerhalb des Rohres oder Bohrloches oder benachbart zu diesem angeordneter Druckimpuls-Generator produziert einen niederfrequenten Druckimpuls (<100 Hz), der sich sowohl stromauf als auch stromab durch das fließende Medium ausbreitet. Der Druckimpuls wird von zwei Druckwandlern aufgezeichnet, die sich stromauf bzw. stromab des Druckimpuls-Generators und in einer bekannten Entfernung vom Druckimpuls-Generator befinden.
Indem man eine Zeitunterschieds-Basis zwischen der Druckimpuls-Ausbreitungszeit durch das Medium vom Druckimpuls-Generator zu den betreffenden Druckwandlern nutzt, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums berechnet werden. Das Massen-Verhältnis zwischen verschiedenen Phasen kann durch Subtrahieren der absoluten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums von der gemessenen Ausbreitungs-Geschwindigkeit bestimmt werden und durch dann erfolgendes Vergleichen der wirklichen Ausbreitungs-Geschwindigkeit mit theoretischen oder empirischen Daten. Der niederfrequente Druckimpuls wird in weit geringerem Ausmaß absorbiert als Impulse, die eine höhere Frequenz haben, was eine im wesentlichen genaue Massen-Messung einer Zweiphasen-Strömung ermöglicht.
Die US 3,523,454 beschreibt ein Durchfluss-Meßgerät, das ein Untersuchungsrohr im Fließstrom aufweist mit einem Ventil an einem Ende des Rohres, das periodisch geschlossen wird, den Fluß absperrt und dadurch eine Stoßwelle erzeugt. Die mit der Stoßwelle in Verbindung stehende Änderung des Druckes, die eine Funktion der Massenfluß-Rate ist, wird von einem Wandler wahrgenommen, der ein zur Massenfluß-Rate proportionales elektrisches Signal zur Verfügung stellt.
Ziel
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen der Strömungsrate in einer Fluidströmung zur Verfügung zu stellen, insbesondere Zweiphasenströmungen in Öl-Bohrlöchern und angeschlossenen Pipelines durch Anwendung eines Minimums von Meß-Ausrüstung.
Erfindung
Dieses Ziel wird erreicht mit einem Verfahren entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1. Weitere nützliche Merkmale gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Entsprechend der Erfindung kann man den Massenfluß von Gas und Flüssigkeit repräsentierende Werte erhalten, indem man ein temporäres, aber vollständiges Abschalten der Fluidströmung mittels eines relativ schnellen Absperrventils durchführt und die Änderungen des Fluiddruckes mittels wenigstens eines Drucksensors aufzeichnet, der sich unmittelbar stromauf des des Absperrventils befindet. Wie unten näher beschrieben, werden die aufgezeichneten Drucksignale an eine Verarbeitungseinheit übertragen, die die erforderlichen Berechnungen durchführt.
Auf diese Weise ist es möglich, Werte für die Strömungsrate zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Absperren der Fluidströmung mithilfe nur eines Drucksensors und einer angeschlossenen Verarbeitungseinheit zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Worten mittels eines Minimums an zusätzlicher Ausrüstung. Hierbei wird angenommen, daß die Fluiddichte und die spezifische akustische Schall-Geschwindigkeit bekannt sind. Wenn die spezifische akustische Geschwindigkeit und die Dichte nicht bekant sind, kann mit zwei zusätzlichen Drucksensoren ein gleichzeitiges Messen dieser Parameter durchgeführt werden, von denen sich einer (Referenz-Sensor) umittelbar stromab des Absperrventils befindet und der zweite sich in einer bekannten Entfernung stromab des Referenz-Sensors befindet.
Bei Messungen von Mehrphasenströmungen ist das vorliegende Verfahren am besten geeignet zum Messen relativ stabiler und homogener Strömungen, wie diese in Öl-Bohrlöchern in der Nordsee zu finden sind, und in Systemen, in denen kurzes, temporäres Abschalten der Fluidströmung zulässig ist.
Zum Zwecke der Beschreibung und der Auslegung der Erfindung wird mit einem Beispiel mit einer unterseeischen Quelle fortgefahren. Der Fachmann wird jedoch, gegründet auf sein/ihr Wissen und die vorliegende Beschreibung, leicht erkennen, daß das Meßverfahren ohne irgendwelche wesentlichen Änderungen bei anderen Mehrphasenströmungen genutzt werden kann
Definition
Der Ausdruck "schnell schließendes Ventil" bedeutet ein Absperrventil, das innerhalb einer kurzen Zeitspanne, z.B. innerhalb von weniger als 10 Sekunden schließt. Bei der Messung einer Mehrphasenströmung aus einem Öl-Produktionsbohrloch kann das hydraulisch betätigte Flügelventil genutzt werden, das sich am Bohrlochkopf befindet. Übliche Flügelventile können innerhalb von weniger als 5 Sekunden schließen. Der Ausdruck schnell schließend bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, daß er die spezialisierten Schnellschließventile umfaßt, die in Mehrphasen-Laboratorien in Gebrauch sind und die innerhalb einer Sekunde oder weniger schließen. Dies gestattet die Anwendung existierender Ausrüstung.
Der Ausdruck "Drucksensor" bedeutet in diesem Zusammenhang einen Druckwandler, der während eines Zeitraumes im Bereich einiger zehn Sekunden eine relativ große Anzahl von Druckmessungen des Fluiddruckes pro Zeiteinheit ermöglicht. In den meisten Fällen wird ein Drucksensor zufriedenstellend sein, der 100 Messungen pro Sekunde durchführt. Das Wichtigste ist, daß der Sensor eine genügend große Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit liefert, um den Druckverlauf mit genügend Grad an Genauigkeit zu reproduzieren oder zu übersetzen.
Beschreibung der Figuren.
1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen des Massenflusses in einer Mehrphasenströmung aus einem Öl-Bohrloch, für die die spezifische akustische Geschwindigkeit des Mediums einschließlich seiner Dichte bekannt sind.
2 ist ein Diagramm, das den allgemeinen Druckverlauf während des Absperrens eines Ventiles darstellt.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Anordnung nach 1, um zusätzlich die spezifische akustische Geschwindigkeit des Mediums zu bestimmen.
4 zeigt schematisch eine alternative Anwendung des vorliegenden Verfahrens in Verbindung mit dem NO Patent Nr. 174643.
5 zeigt eine alternative Anordnung, um das vorliegende Verfahren zu praktizieren.
6 ist eine graphische Darstellung des Druckverlaufes als eine Funktion der Zeit entsprechend dem Beispiel.
Detaillierte Beschreibung
Das Verfahren gründet sich auf den Fluid-Druckcharakteristiken als einer Funktion der Zeit innerhalb eines Zeitraumes unmittelbar vor dem Absperren bis zu einem ausgewählten Zeitpunkt nach dem völligen oder kompletten Absperren der Fluidströmung.
1 zeigt eine vereinfachte Anordnung zur Bestimmung von Massenfluss in einem unterseeischen Öl-Bohrloch, in dem sich ein Drucksensor 17 unmittelbar stromauf des Flügelverntils 13 des Bohrloches befindet. Die sich auf dem Meeresboden 14 befindende Bohrkopf-Ventilanordnung ist schematisch mit 11 dargestellt. Die Ventilanordnung 11 wird als geöffnet angenommen.
Der gesamte Druckanstieg beim Absperren von Öl- und Gas-Bohrlöchern kann als eine Summe der folgenden Elemente ausgedrückt werden: Druckverlust verursacht durch Druck-Stoß (hiernach bezeichnet als Druckwelle), Reibungsverlust und hydrostatischer Druckverlust: Δp = Δpa + Δpf + Δpg (1)
Beim Absperren von Öl- und Gas-Bohrlöchern innerhalb eines kurzen Zeitraumes (wenige Sekunden) werden alle wesentlichen Druckverlustelemente als statischer Druck unter dem Absperrventil verfügbar. Der Druckanstieg geschieht allmählich mit der Zeit und mit unterschiedlichen gegenseitigen Charakteristiken, und das vorliegende Verfahren nutzt diese Charakteristiken zur Bestimmung der Strömungsrate der Mehrphasen-Strömung.
Beim Absperren des Flügelventils 13 wird unter (stromauf) dem Ventil ein Druckstoß oder eine Druckwelle beobachtet, gemessen durch den Drucksensor 17 in 1, der bzw. die präsent ist, bis das Ventil völlig geschlossen ist. Wenn das Ventil sofort schließt, wird ein momentaner Druckanstieg am Ventil beobachtet werden. Dieser Effekt ist bekannt als der "water hammer effect" (vgl. G.Z. Watters "Analysis and Control of Unsteady Flow in pipelines", Butterworths, 1984 og J.A. Fox "Transient Flow in Pipes, Open Channels and Sewers", Ellis Horwood Ltd.,1989): Δpa = p · a · Δu (2)wobei p = die Fluid-Dichte, a = die akustische Geschwindigkeit des Mediums und Δu = die Änderung der Fluidströmungs-Geschwindigkeit ist. Wenn das Ventil vollständig geschlossen ist, korrespondiert Δu mit der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums unmittelbar vor dem Schließen des Ventils.
Praktisch gleichzeitig mit dem beginnenden Schließen des Ventils wird es wegen Reibungsverlust einen allmählichen Druckanstieg unter dem Absperrventil 13 geben, gemessen am Drucksensor 17. Dieser Druckanstieg verläuft im allgemeinen linear mit der Zeit und findet auch statt, nachdem das Ventil geschlossen worden ist, vorausgesetzt, daß das Ventil eine lineare Schließ-Charakteristik zeigt. In realen Systemen wird man jedoch Wechselbeziehungen im Hinblick auf auf die Ventil-Charakteristik anstellen müssen. Der Druckbeitrag des Reibungsverlustes kann wie folgt ausgedrückt werden:
wobei f der Rohr-Reibungsfaktor ist, L die fragliche Rohrlänge ist, d der Rohrdurchmesser ist, p die Dichte des Mediums ist und u die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ist.
Da u in der Gleichung 3 und Δu in der Gleichung 2 gleich sind, kann die Dichte p in Gleichung 3 substituiert werden für die Dichte nach Gleichung 2:
Diese Gleichung bildet die Grundlage für die Bestimmung des Mehrphasen-Flusses unmittelbar vor dem Absperren des Ventils. Der Reibungsfaktor f ist bekannt und der Rohrdurchmesser d ist bekannt, ebenso wie die akustische Geschwindigkeit des Mediums, die auf andere Weise gemessen werden kann wie unten weiter detailliert beschrieben, und der Druckwellendruck Δp_a wird gefunden durch Messen der Druckänderung von dem Augenblick an, wenn das Ventil mit dem Schließen beginnt bis zu dem Augenblick, wenn das Ventil vollständig geschlossen ist. Der Druckbeitrag der die fragliche Rohrlänge L einschließenden Reibung wird wie folgt bestimmt.
Wenn das Ventil 13 mit dem Schließen beginnt, wird sich ein Druckimpuls in beiden Richtungen vom Ventil ausbreiten, z.B. stromauf und stromab. Ein sich stromauf in einem Öl-Bohrloch (in das Bohrloch hinab) ausbreitender Druckimpuls wird zu erkennen sein an der Fluid-Schallgeschwindigkeit, z.B. an seiner akustischen Geschwindigkeit. Wenn die akustische Geschwindigkeit 200 m/s beträgt, breitet sich der Druckimpuls 200 Meter in der Sekunde aus. Der sich mit einer akustischen Geschwindigkeit in das Bohrloch hinunter bewegende Druckimpuls wird die Strömung unterbrechen und die Reibungsverluste verfügbar machen. Dies geschieht allmählich während der Bewegung des Impulses entlang des Rohres, und zu einem willkürlichen Zeitpunkt während der Bewegung wird die Ventil-Absperrung den Druckbeitrag der Reibung bei einer Rohrlänge L vom Absperrventil am Absperrventil erscheinen (gemessen durch den Drucksensor 17) nach einer Zeit t und bewirkt dort einen Druckanstieg:
wobei a die akustische Geschwindigkeit der Zusammensetzung ist. Durch Ersetzen von L in der Gleichung 4 durch ta/2 für L in Gleichung 5 wird die Fluidströmungs-Geschwindigkeit zu
wobei Δp*_f der Reibungsverlustbeitrag ist, gemessen im Augenblick t*. Die Strömungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung wird gefunden mittels der obigen Gleichung 6 und Messung von Δp*_f in einem Zeitabstand t*, nachdem das Ventil geschlossen ist, mittels der Gleichung 6. Vorausgesetzt, daß die Dichte der Zusammensetzung bekannt ist, kann der Massenfluss G der Zusammensetzung entsprechend der folgenden Gleichung gefunden werden: G = p · u (7)
2 stellt das Grundprinzip der Ausführung oder des Verhaltens der Druckänderung dar, die beim Absperren eines Öl-Bohrloches auftritt, in dem der Druckverlauf p als eine Funktion der Zeit t gezeigt ist, gemessen durch z.B. den Drucksensor 17 in 1. Wie aus 2 zu erkennen ist, beginnt das Ventil das Schließen zur Zeit t₁, und die Druckanstiege im wesentlichen linear mit einer ersten Neigung oder Ableitung bis zum Augenblick t₂, zu welchem das Ventil vollständig geschlossen worden ist. Die Druckdifferenz zwischen den Zeiten t₂ und t₁ repräsentieren den Druckwellendruck Δp_a einschließlich des Reibungsverlustbeitrages während desselben Zeitraumes. Nach der Zeit t₂ wird der Druckanstieg vom Beitrag des Reibungsverlustes Δp_f allein repräsentiert, der im Zeitpunkt t* gemessen wird und eine Neigung oder Ableitung dp_f/dt hat, die unterschiedlich ist zu der Ableitung dp_a/dt innerhalb des Zeitraumes von t₁ bis t₂. Im Augenblick t₃ hat sich im wesentlichen der gesamte Reibungsverlust (Δp_f) in statischen Druck umgewandelt. In Öl-Bohrlöchern wird es jedoch einen allmählichen Druckanstieg über die Zeit geben, der durch den hydrostatischen Beitrag der Formation verursacht wird.
Wie oben erwähnt, wird Δp_a durch Messung des Druckanstiegs gefunden, der während der Zeitdauer auftritt, während der das Ventil geschlossen wird, oder durch nachträgliches Analysieren der Druckänderungs-Ableitung und Substituieren des anfänglichen Fluiddruckes vom absoluten Druck, wenn die Druckänderungs-Ableitung sich ändert, z.B. wenn der Beitrag des Reibungsverlustes beginnt anzuwachsen. Wie oben erwähnt wird der Druck auch ansteigen als ein Resultat von schon freigegebenem Reibungsverlust zur Zeit t₁, und Δp_a muß in Beziehung gesetzt werden im Hinblick auf diesen Beitrag. Dieser Beitrag ist normalerweise wesentlich geringer als freigegebener Reibungsverlust nach der Zeit t₂. Nachdem das Ventil geschlossen ist, wird ein Augenblick t* ausgewählt, und es wird der Beitrag des Reibungsdruckverlustes dp_f/dt bestimmt. Dieser Wert für die Druckänderung zur Zeit t* wird in die obige Gleichung 6 eingesetzt zusammen mit f, t*, d und Δp_a, nachdem Δp_a im Hinblick auf den Reibungsverlustbeitrag korrigiert worden ist: Δp_a = Δp_a (gemessen) – Δp_f(t2–t1), wobei Δp_a der gemessene Druckanstieg des Reibungsdruckes ist, berechnet für den Zeitraum t₁ bis t₂. Der Beitrag des Reibungsverlustes ist im Vergleich gering, und das gemessene Δp_a ist oft wesentlich, um den Massenfluss der Zusammensetzung zu bestimmen.
Unbekannte akustische Geschwindigkeit und Dichte
Wie oben erwähnt, müssen Dichte und Geschwindigkeit für unstabile oder unbekannte Mehrphasen-Zusammensetzungen durch gleichzeitige Messungen bestimmt werden. Wie in 3 dargestellt, kann dies geschehen durch Verwendung von zwei zusätzlichen Drucksensoren 35 und 36, von denen sich einer unmittelbar stromab des Absperrventils 33 befindet, während sich der zweite Sensor 36 in einer bekannten Entfernung stromab vom Referenz-Sensor 35 befindet, z.B. in einer Entfernung von 20 Metern. Durch Messen der Ausbreitungszeit t für einen charakteristischen Druckimpuls vom Referenz-Sensor 35 zum Sensor 36 stromab über eine Entfernung L wird die akustische Schall-Geschwindigkeit a der Zusammensetzung gefunden:
Das gemessene a' ist die Summe der fluid-spezifischen akustischen Geschwindigkeit a und der Fluidströmungs-Geschwindigkeit u. In typischen Mehrphasen-Strömungen aus z.B. einem Öl-Bohrloch wird die Strömungs-Geschwindigkeit der Zusammensetzung im Bereich 1-10 m/s liegen, wogegen die spezifische akustische Geschwindigkeit ungefähr 200 m/s ist. Bei einer Strömungs-Geschwindigkeit von 10 m/s kann die Strömungs-Geschwindigkeit gefunden werden durch einsetzen von a' anstelle von a in die Gleichung 6 mit einem maximalen Fehler-Faktor von 5%. Der Reibungsfaktor f ist auch eine Funktion der Strömungs-Geschwindigkeit u der Zusammensetzung, da sich aber der Reibungsfaktor f unbedeutend ändert mit Änderungen der Strömungs-Geschwindigkeit u der Zusammensetzung, und da u weit geringer ist als a, kann die Reibung als konstant angenommen werden, und die berechnete Stromungs-Geschwindigkeit u entsprechend Gleichung 6 wird dann sehr nahe bei den tatsächlichen Werten liegen. Die Genauigkeit des berechneten u kann z.B. verbessert werden mittels Durchführung einer wiederholten Iteration mit den Gleichungen 6 und 8, oder durch Korrelation nach Maßgabe akustischer Modelle im Hinblick auf die physikalischen Eigenschaften der Zusammensetzung.
Wenn die spezifische akustische Geschwindigkeit a und die Strömungs-Geschwindigkeit u der Zusammensetzung entsprechend Gleichung 6 bestimmt worden sind, kann die Dichte der Zusammensetzung aus obiger Gleichung 2 bestimmt werden, und folglich der Massenfluß der Zusammensetzung.
Die Entfernung L zwischen dem Referenz-Sensor und dem Meß-Sensor wird im allgemeinen ausgewählt unter Berücksichtigung der spezifischen akustischen Charakteristiken der Zusammensetzung und der Genauigkeit der Meß-Ausrüstung, z.B. wie viele Registrierungen die Ausrüstung pro Zeiteinheit durchführen kann. Je niedriger die Probenfrequenz, umso länger muß die Entfernung L sein. Andererseits, je höher die Probenfrequenz, umso kürzer braucht die Entfernung L zu sein. Eine typische Entfernung L für zur Messung in Öl-Bohrlöchern wird innerhalb des Bereiches von 20 bis 50 Metern liegen.
Reine gasförmige Zusammensetzungen
Um Gasströmung in Bohrlöchern und Pipelines zu messen, ist es nur erforderlich, den Druckwellendruck Δp_a zu messen. Da Gas-Dichten und akustische Geschwindigkeiten im allgemeinen leicht zu bestimmen sind im Hinblick auf Druck, Temperatur und chemische Zusammensetzung, und natürlich vorausgesetzt, daß auch diese Parameter bekannt sind, kann der Massenfluß entsprechend obigen Gleichungen 2 und 7 bestimmt werden.
Alternative Anordnung
In Pipelines, die die Installation mehrerer Druck-Sensoren erlauben und wo die Charakteristiken der Zusammensetzung weniger vorhersehbar sind, mag es vorteilhaft sein, zwei Referenzdruck-Sensoren 47 und 45 (4) anzuwenden, die sich stromauf beziehungsweise stromab des Absperrventils 43 befinden, und zwei Meß-Sensoren 48 und 46 vorzusehen, die sich in bekannten Entfernungen stromauf beziehungsweise stromab der betreffenden Referenzdruck-Sensoren 47 und 45 befinden. Die Betriebsweise für diese Anordnung ist ähnlich der oben beschriebenen, mit der Ausnahme, daß die akustische Geschwindigkeit a der Zusammensetzung direkt gefunden werden kann durch Messen der Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Druckimpulses vom Absperrventil 43, gemessen bei 45 und 47, bis zu den betreffenden Meß-Sensoren 46 und 48.
wobei u_N die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Druckimpulses stromab ist und u_O die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Druckimpulses stromauf ist. Die Strömungsgeschwindigkeit u der Zusammensetzung wird gefunden mittels der Gleichung u = 0.5 · (u_N–u_O) oder durch Subtrahieren der spezifischen akustischen Geschwindigkeit a der Zusammensetzung von der gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeit u = u_N – a des Impulses, und die Dichte der Zusammensetzung kann direkt mit der obigen Gleichung 2 berechnet werden. Das Absperrventil 43 wird in diesem Fall den Druckimpuls-Generator ersetzen, der im NO Patent 174643 beschrieben ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform können, wie in 5 dargestellt, zwei Drucksensoren 57 und 58 angewendet werden. Beide Sensoren befinden sich stromauf des Bohrloch-Flügelventils 51 am Bohrkopf. Der Sensor 57 dient als ein Referenz-Sensor und befindet sich unmittelbar stromauf des Ventils 51, wogegen sich der Sensor 58 in einer bekannten Entfernung (a) vom Referenz-Sensor 57 befindet. Diese Anordnung wird im allgemeinen in einer der in 3 dargestellten Ausführungsform ähnlichen Weise arbeiten, jedoch mit dem Unterschied, daß der Referenz-Sensor 57 sowohl als Referenz zur Bestimmung der spezifischen akustischen Geschwindigkeit der Zusammensetzung als auch des Druckverlaufes am Absperrventil dient.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß die obige Beschreibung im Hinblick auf ein ideales homogenes Strömungsregime gilt, und mit einem eine lineare Charakteristik zeigenden Absperrventil. Jedoch werden Steuerventile nicht mit dem Drosseln der Strömung beginnen, bis das Ende des Schließzyklus erreicht ist, und der Beitrag des Druckverlustes wird, in der Schließphase des Ventils, zum Beispiel mit der Ventilcharakteristik variieren. Das Verfahren muß unter praktischen Umständen wegen derartiger Faktoren korrigiert werden.
Beispiel
Es sind praktische Versuche an einem Bohrloch in der Nordsee durchgeführt worden, um den Wert des Verfahrens zu überprüfen. Die Versuche wurden in Verbindung mit einem Druckaufbau-Test durchgeführt. Nach dem Rückzug der Kette ("string") wurde ein Quarzkristall-Meßgerät von Hewlett-Packard im Schmiernippel am Bohrkopf an einer Stelle zwischen dem Bohrkopfventil und dem Flügelventil befestigt, entsprechend der schematischen Darstellung in 1.
Mit dem Simulations-Programm PROSPER, das mit realen Druck- und Temperatur-Daten vom Abtrennungsschritt gefüttert wurde, wurden Referenzdaten zur Verfügung gestellt.
Mit dem Drucksensor wurde eine aufeinanderfolgende Registrierung des Bohrloch-Druckes für eine Dauer von ungefähr 3 Minuten durchgeführt von einer Null-Produktionsströmung, während das Flügelventil absperrte, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem ein stabiler Bohrloch-Druck erhalten wurde. Der Druckverlauf während des Versuches ist in 6 dargestellt. Wie aus 6 erkennbar ist, nahm der Druck um ungefähr 3.0 bar während 3.6 Sekunden zu – die erforderliche Zeit, um das Ventil zu schließen –, dieser Druck repräsentiert die Druckwelle Δp_a. Das vollständige Verschließen des Ventils geht aus dem Bruch in der Druckkurve zur Zeit B in 6 hervor, worauf die Druckzunahme allein durch den Beitrag des Reibungsverlustes Δp_f verusacht wurde. Der Druckverlust-Beitrag Δp_f zur gemessenen Druckwelle Δp_a ist der Einfachheit halber weggelassen. 6 zeigt ferner, daß der Druck im wesentlichen linear vom Zeitpunkt B bis zum Zeitpunkt C zunahm, zu welchem im wesentlichen alle Reibungsverluste als statischer Druck am Flügelventil verfügbar gemacht worden waren, z.B. innerhalb von ungefähr 25 Sekunden. Die verbleibende Druckzunahme nach dem Zeitpunkt C ist durch hydrostatischen Druck von der Formation verursacht. Die PROSPER-Simulation mit, unter anderen Parametern, einem Bohrkopf-Druck von 102,8 bar zeigt eine mittlere Dichte in der Region unter dem Bohrkopf von ungefähr 500 kg/m³, und mit der obigen Gleichung 2 wurde die Strömungsgeschwindigkeit der Zusammensetzung mit 3.0 m/s gefunden.
Die PROSPER-Simulation zeigte eine Strömungsgeschwindigkeit von 3.7 m/s, die als in guter Übereinstimmung mit der Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet werden kann, die mit dem vorliegenden Verfahren gemessen wurde.

Claims

Verfahren zum Messen der Strömungsrate in einer Fluidströmung (30), insbesondere einer Zweiphasenströmung mit Öl, Wasser und Gas von einem Offshore-Erschließungsbohrloch, mit den folgenden Schritten: Durchführung eines temporären, vorübergehenden Absperrens der Fluidströmung mittels eines Ventils (33), und Aufzeichnen des Fluiddrucks an einer Stelle (37) unmittelbar stromauf des Ventils (33) ab einem Zeitpunkt, an dem sich das Ventil zu schließen beginnt, bis zu einem ausgewählten Zeitpunkt, nachdem das Ventil vollständig geschlossen ist, und Öffnen des Ventils, um die Fluidströmung wiederherzustellen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner den folgenden Schritt umfasst: Bestimmen der Fluid-Massenströmungsmenge G entsprechend dem Verhältnis
wobei p = Fluiddichte, f = Reibungsfaktor, d = Rohrdurchmesser, t' = ein ausgewählter Zeitpunkt nach Schließen des Ventils Δp'_f = zur Zeit t' aufgezeichneter Reibungsverlust, und Δp'_a = (plötzlicher) Druckanstieg, der durch den aufgezeichneten Druckanstieg in dem Augenblick, wenn das Ventil vollständig geschlossen ist bzw. wird, dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Bestimmen der Geschwindigkeit einer akustischen Impulsausbreitung in dem Fluid durch Messen eines Drucks als Funktion der Zeit während des Absperrens des Ventils durch ein Referenz-Messmittel (35) und ein Messmittel (36), das sich in einem bekannten Abstand, stromab des Referenz-Messmittels (35) befindet, und Bestimmen der akustischen Impuls-Ausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend der Gleichung
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Bestimmen der Strömungsrate und der akustischen Impuls-Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem strömenden mehrphasigen Medium aus einem Erschließungsbohrloch durch ein Referenz-Messmittel (57), das sich unmittelbar stromauf des Absperrventils (51) befindet, und ein Messmittel (58), das sich in einem bekannten Abstand stromauf des Referenz-Messmittels (57) befindet.