DE69727143T2

DE69727143T2 - Verbesserte ringförmige strömungsüberwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69727143T2
Application number: DE69727143T
Authority: DE
Inventors: Calderhead Joseph ALLAN
Original assignee: Expro North Sea Ltd
Current assignee: Expro North Sea Ltd
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2017-09-03
Also published as: NO331230B1; AU4124097A; NO991017L; WO1998010249A1; GB9618344D0; EP0923710B1; DK0923710T3; CA2264030A1; NO991017D0; NO335944B1; BR9711983A; EP0923710A1; AU728383B2; NO20111062L; DE69727143D1; US6314821B1; CA2264030C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchflußüberwachungsvorrichtung zum Überwachen der Durchflußgeschwindigkeit eines Fluids in Rohren. Insbesondere beschäftigt sich die Erfindung mit einer Durchflußüberwachungsvorrichtung, in der es keine sich bewegenden Teile gibt und die auf dem Venturi-Prinzip beruht. Die Erfindung betrifft ebenfalls das Überwachen der Durchflußgeschwindigkeit von Kohlenwasserstofferzeugnissen durch die Untertage-Rohrleitung, welche die Erzeugnisse von einer Untertage-Kohlenwasserstofflagerstätte befördert, und betrifft ebenfalls Einpreßbohrungen. Außerdem betrifft die Erfindung das Messen der Untertage-Krustendicke. Es wird sich von selbst verstehen, daß die Kohlenwasserstofferzeugnisse in einem Einzelphasenstrom oder einem Mehrphasenstrom vorliegen können und ein Erdöl-Erdgas-Wasser-Gemisch oder ein feuchtes oder trockenes Gasgemisch sein können.
Die ebenfalls noch nicht verbeschiedene PCT-Patentveröffentlichung Nr. WO97/25594 des Anmelders legt eine ringförmige Durchflußmeßvorrichtung und ein Verfahren offen, das dadurch erreicht wird, daß ein Drosselkörpereinsatz in die Bohrung oder eine Röhre eines Rohrs eingebracht wird, wobei ein Drosselkörpereinsatz so angeordnet wird, daß eine ringförmige Strömungsbahn um den Einsatz erzeugt wird. Bei einer bevorzugten Anordnung hat der Drosselkörpereinsatz ein vorderes, aufwärts gelegenes, Ende, das zwischen einer ersten und einer zweiten Drucküberwachungsstation angeordnet wird, wodurch die Drücke, die an diesen Stationen gemessen werden, benutzt werden können, um nach einer bekannten, etablierten Methodologie die Durchflußgeschwindigkeit zu berechnen. Der Drosselkörpereinsatz wird mittig und in Axialrichtung in der Bohrung angeordnet, und zwischen dem Drosselkörpereinsatz und der Röhrenbohrungswand werden ringförmige Durchflußgeschwindigkeiten erzeugt, wodurch die Erfordernis von Dichtungen beseitigt wird. Bei dieser Anordnung kann der Drosselkörpereinsatz dauerhaft oder an einem Drahtseil rückholbar sein. Außerdem wird mit dieser Anordnung bei einem Ausführungsbeispiel offengelegt, daß der mittige Drosselkörpereinsatz so modifiziert werden kann, daß er Druckmesser trägt, so daß das gesamte Durchflußüberwachungswerkzeug mit dem Mittelteil, der entsprechende Elektronik und Speichermeßgeräte enthält, an einem Drahtseil rückholbar sein könnte.
Ein häufiges Problem bei Ölfeld-Förderoperationen ist die Ablagerung von festen Krusten unter Tage. Solche Krusten schließen zum Beispiel Kalziumkarbonat und Kalziumsulfat ein. Unter geeigneten Bedingungen haften diese Krusten an den Fördersteigrohr- und Futterrohrsträngen, die Förderfluids ausgesetzt sind. Diese Ablagerungen zeigen eine beträchtliche Festigkeit und überziehen häufig den Förderstrang vollständig, wodurch sie den Innendurchmesser für den Durchfluß verringern. Alle dem Fluid ausgesetzten Bauteile, einschließlich des Untertage-Durchflußmeßgeräts, sind für Krustenbildung anfällig. In den meisten Fällen ist das Vorhandensein von Untertage-Krusten unbekannt, obwohl es aus Berechnungen der Krustenbildung vermutet werden kann. Eine genaue Kenntnis der Krustendicke kann daher nicht in Erfahrung gebracht werden. Die gemessene Durchflußgeschwindigkeit ist sehr empfindlich für Krustenablagerung, da sie proportional zum Quadrat des Durchmessers des Rohrs ist, und dementsprechend wird eine solche Krustenablagerung zu großen Durchflußgeschwindigkeitsfehlern führen. Vorhandene Durchfluß-Meßvorrichtungen bieten weder einen Hinweis auf die Krustendicke noch auf durch Krustenablagerung verursachte Durchflußgeschwindigkeitsfehler.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Durchflußgeschwindigkeit bereitzustellen, die wenigstens einen der mit der zuvor erwähnten Vorrichtung verbundenen Nachteile vermeiden oder mindern.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Durchflußgeschwindigkeit bereitzustellen, welche die Durchflußmeßgerätegenauigkeit durch Berechnen der Krustendicke und Berücksichtigen der Krustendicke beim Berechnen der Durchflußgeschwindigkeitsmessung verbessern.
Dies wird in einem Aspekt der Erfindung durch das Einbringen eines Drosselkörpereinsatzes in die Bohrung einer Röhre oder eines Rohrs erreicht, wobei der Drosselkörpereinsatz so angeordnet wird, daß eine ringförmige Strömungsbahn um den Einsatz erzeugt wird, und der Drosselkörpereinsatz wenigstens zwei wesentlich koaxiale Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern hat, wobei ausreichende Drucküberwachungsstationen bereitgestellt werden, um die Berechnung von wenigstens zwei Druckgefällen zu ermöglichen. Dies kann durch das Bereitstellen von drei Meßgeräten für den absoluten Druck, die an drei geeigneten Stellen in der Bohrung eines Trägers angeordnet werden können, oder durch die Verwendung von zwei mit den Überwachungsstationen verbundenen Differenzsensoren umgesetzt werden, um Druckgefälle von den drei Bohrungen zu berechnen. Die drei Drucküberwachungsbohrungen und zwei Differenzdrucksensoren können innerhalb des Drosselkörpereinsatzes angeordnet werden, wobei der Drucksensor in entsprechenden koaxialen Abschnitten angeordnet wird.
Wenn drei Drucksensoren verwendet werden, kann ein drittes Druckgefälle berechnet werden, obwohl dies bei der Berechnung nicht erforderlich ist. Redundanz kann ebenfalls durch Bereitstellen von mehr als zwei Differenzdrucksensoren erreicht werden. Unter Anwendung einer standardmäßigen Fluidmechanikanalyse wird ein mathematisches Modell abgeleitet, das aus den drei Druckmessungen (nicht differentiell) in einer Krustenbildungsumgebung die Gesamt-Durchflußgeschwindigkeit berechnet. Ein Wert der Krustendicke ist ein Nebenprodukt der Berechnung, und dies wird als die Grundlage für einen Untertage-Krustenindikator verwendet.
In der Abwesenheit einer Krustenablagerung oder, wenn Krustendicke bekannt ist und als konstant angenommen wird, dann gewährleistet die zuvor erwähnte Auslegung im Fall eines Meßgerätausfalls eine Sicherung der Durchflußgeschwindigkeit. Obwohl die Krustendicke nicht allgemein bekannt ist, ist die Dicke von diesem Werkzeug vor dem Meßgerätausfall erhältlich und kann dann nach dem Ausfall verwendet werden, um genauere Durchflußgeschwindigkeiten zu erzeugen. Es ist möglich, das zukünftige Ablagerungsverhalten als eine Annäherung auf der Grundlage von vor dem Ausfall gesammelten Daten zu extrapolieren.
Eine Lösung für das zuvor erwähnte Problem wird ebenfalls nach einem anderen Aspekt der Erfindung erreicht, bei dem ein mehrfacher Venturimesser verwendet wird, um die Krustenablagerung zu berechnen. In diesem Fall hat der mehrfache Venturimesser einen ersten Halsdrosselabschnitt mit einem ersten Durchmesser, der zu einer zweiten, koaxialen, Halsdrossel mit einem zweiten Durchmesser, kleiner als der erste Durchmesser, führt. Zwei Druckmeßstationen werden in der Hauptbohrung und in den Bereichen gegenüber dem ersten und dem zweiten Durchmesser angeordnet, und ein drittes Meßgerät wird ebenfalls in dem Durchflußmeßgerät angeordnet, entweder in einem konvergierenden Abschnitt oder in einer dritten, koaxialen, Abschnittsbohrung, wodurch drei Messungen des absoluten Drucks (die verwendet werden können, um Druckgefälle zu berechnen) oder, durch Koppeln von zwei Differenzdrucksensoren an die drei Stationen, zwei Differenzdruckmessungen gewährleistet werden. Mit dieser Anordnung und aus den Differenzdrücken ist es möglich, nicht nur die Durchflußgeschwindigkeit zu berechnen, sondern unter Verwendung des gleichen mathematischen Modells, wie es oben beschrieben wird, die Krustendicke zu berücksichtigen.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen der Fluid-Durchflußgeschwindigkeit durch eine Röhre bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen einer ersten, einer zweiten und einer dritten Drucküberwachungsstation, in Axialrichtung mit Zwischenraum längs der Röhre angeordnet, wobei die erste, die zweite und die dritte Drucküberwachungsstation das Messen des Drucks an denselben ermöglichen, Anordnen eines Fluidstrom-Drosselkörpereinsatzes innerhalb der Röhrenbohrung, wobei der Fluidstrom-Drosselkörpereinsatz einen ersten wesentlich zylindrischen Abschnitt und einen zweiten wesentlich zylindrischen Abschnitt hat, wobei der erste und der zweite zylindrische Abschnitt dafür geeignet sind, derart in den Bohrungen angeordnet zu werden, daß die Abschnitte parallel sind und sich der erste Abschnitt an einem ersten Bohrungsdurchmesser befindet und sich der zweite Abschnitt an einem zweiten Bohrungsdurchmesser befindet, wenn das vordere Ende des Drosselkörpereinsatzes zwischen der ersten und der zweiten Drucküberwachungsstation angeordnet wird, und, wenn sich der Einsatz an dieser Stelle befindet, der erste zylindrische Abschnitt wesentlich gegenüber dem zweiten Drucksensor angeordnet wird und der zweite zylindrische Abschnitt wesentlich gegenüber der dritten Drucküberwachungsstation angeordnet wird, was durch den Drosselkörpereinsatz in der Nähe der zweiten und der dritten Drucküberwachungsstation eine ringförmige Strömung erzeugt, um an denselben einen Venturi-Effekt zu gewährleisten, und Messen von Drücken an der ersten, der zweiten und der dritten Drucküberwachungsstation, um wenigstens zwei Druckgefälle zur Verwendung beim Bestimmen der Durchflußgeschwindigkeit des Fluids und zum Bestimmen der Dicke einer im Innern der Trägerbohrung angeordneten Kruste abzuleiten.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Durchflußmeßgerät zum Messen der Fluid-Durchflußgeschwindigkeit in einer Röhre bereitgestellt, wobei das Durchflußmeßgerät folgendes umfaßt:
einen Durchflußmeßgerät-Abschnitt der Röhre zum Koppeln an aufwärts und abwärts gelegene Röhrenabschnitte, wobei der Durchflußmeßgerät-Abschnitt der Röhre eine erste, eine zweite und eine dritte Drucküberwachungsstation hat, in Axialrichtung mit Zwischenraum längs der Röhre in der Wand der Röhre angeordnet,
einen Drosselkörpereinsatz, dafür geeignet, in der Röhrenbohrung positioniert zu werden, wobei der Einsatz ein vorderes Ende hat, das, wenn der Einsatz positioniert wird, zwischen der ersten und der zweiten Druckmeßstation angeordnet wird, wobei der Einsatz einen ersten wesentlich zylindrischen Bohrungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten wesentlich zylindrischen Bohrungsabschnitt mit einem zweiten Durchmesser, größer als der erste Durchmesser, hat, wobei die Anordnung derart ist, daß bei Anwendung der Einsatz so geformt wird, daß er ein Divergieren des zum vorderen Ende hin fließenden Fluids um den Drosselkörper in einer ringförmigen Strömungsbahn bewirkt, durch einen ersten, durch den Durchmesser des ersten wesentlich zylindrischen Abschnitts an der Röhrenbohrung definierten, ringförmigen Bereich und durch einen zweiten, durch den zweiten Durchmesser und die ringförmige Bohrung definierten, ringförmigen Bereich, wobei der erste zylindrische Abschnitt wesentlich gegenüber der zweiten Überwachungsstation angeordnet wird und der zweite zylindrische Abschnitt wesentlich gegenüber der dritten Drucküberwachungsstation angeordnet wird, wodurch durch den Einsatz ein Venturi-Effekt erzeugt wird, wodurch Druckmessungsdaten von der ersten, der zweiten und der dritten Drucküberwachungsstation verwendet werden, um wenigstens zwei Druckgefälle abzuleiten, aus denen die Fluid-Durchflußgeschwindigkeiten in der Röhre und die Dicke einer Kruste an der Innenbohrung der Röhre berechnet werden können.
Vorzugsweise kann der Drosselkörper an einem Drahtseil zurückgeholt werden. Als Alternative dazu wird der Drosselkörpereinsatz innerhalb der Röhrenbohrung befestigt.
Ebenfalls vorzugsweise wird der Drosselkörpereinsatz an einen abwärts gelegenen Träger gekoppelt, der durch Arretiermittel an der Röhrenwand befestigt werden kann. Es wird sich von selbst verstehen, daß die Form des Drosselkörpereinsatzes variiert werden kann, solange die Kombination der Form und der Röhrenbohrung zu einem Durchflußmeßgerät führt, welches das Venturi-Prinzip integriert.
Drei Druckmeßstationen können Meßgeräte für den absoluten Druck einschließen, aus denen Differenzdrücke berechnet werden können, oder die Stationen können mit wenigstens zwei Differenzdruckmeßgeräten gekoppelt werden. Als Alternative dazu können die Druckmeßstationen an weitere Differenzdrucksensoren gekoppelt werden, wenn ein Redundanzelement erforderlich ist.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Durchflußmeßvorrichtung zum Messen der Fluid-Durchflußgeschwindigkeit in einer Röhre bereitgestellt, wobei die Durchflußmeßvorrichtung folgendes umfaßt:
einen röhrenförmigen Kanal mit einem ersten Bohrungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser,
einen, durch einen ersten Übergangsabschnitt an den Abschnitt mit dem ersten Durchmesser gekoppelten, ersten Venturi-Halsabschnitt, wobei der erste Venturi-Halsabschnitt einen kleineren Durchmesser hat als der Abschnitt mit dem ersten Durchmesser, einen, durch einen zweiten Übergangsabschnitt an den ersten Venturi-Halsabschnitt gekoppelten, zweiten Venturi-Halsabschnitt, wobei der zweite Venturi-Halsabschnitt einen kleineren Durchmesser hat als der erste Venturi-Halsabschnitt,
einen dritten Übergangsabschnitt, der den zweiten Venturi-Halsabschnitt an einen zweiten Bohrungsabschnitt mit einem größeren Durchmesser koppelt,
eine erste, eine zweite und eine dritte Druckmeßstation, angeordnet in der röhrenförmigen Bohrung, wobei die erste Druckmeßstation in der Bohrung mit dem ersten Durchmesser angeordnet wird, die zweite Druckmeßstation gegenüber dem ersten Venturi-Halsabschnitt angeordnet wird und die dritte Druckmeßstation gegenüber dem zweiten Venturi-Halsabschnitt angeordnet wird, wobei die erste, die zweite und die dritte Druckmeßstation verwendet werden, um wenigstens zwei Druckgefällewerte zur Verwendung beim Bestimmen der Durchflußgeschwindigkeit des Fluids durch das Durchflußmeßgerät und zum Bestimmen der Dicke einer in der Röhrenbohrung angeordneten Kruste bereitzustellen.
Vorteilhafterweise können in der Durchflußmeßvorrichtung weitere Meßstationen zur weiteren Drucküberwachung angeordnet werden, um ein gesteigertes Redundanzelement zu gewährleisten, um im Fall eines Drucksensorausfalls eine Messung der Durchflußgeschwindigkeit zu gewährleisten.
Alle oben definierten Durchflußmeßgeräte funktionieren nach dem Venturi-Prinzip. Hinsichtlich der Durchflußmeßgeräte, die den Drosselkörpereinsatz verwenden, wird der Einsatz mittig und in Axialrichtung in der Bohrung angeordnet, und zwischen dem Drosselkörpereinsatz und der Röhrenbohrungswand werden ringförmige Durchflußgeschwindigkeiten erzeugt, wodurch die Erfordernis von Dichtungen beseitigt wird. Ein weitere Vorzug dieser Ausführungsbeispiele ist, daß der Drosselkörpereinsatz an einem Drahtseil rückholbar sein kann, falls er auf einer zeitweiligen oder dauerhaften Grundlage verwendet wird. Der Drosselkörpereinsatz kann derart in der Bohrung ausgerichtet werden, daß sich das vordere Ende entweder aufwärts oder abwärts befindet.
Ebenfalls vorzugsweise wird der Drosselkörpereinsatz an einen Drosselkörperträger gekoppelt, der durch Arretiermittel in der Form von Ansätzen, die mit den Aussparungen in der Röhrenwand ineinandergreifen, an den Röhrenwänden arretiert wird. Vorzugsweise hat der Drosselkörper drei parallele zylindrische Oberflächen mit unterschiedlichen Durchmessern, mit einer Druckmeßstation in jeder zylindrischen Oberfläche, und der Drosselkörper ist hohl, um Differenzdrucksensoren zum Koppeln an die Druckmeßstationen und einen Speicher zum Speichern der gemessenen Druckgefälle aufzunehmen. In dieser Konfiguration kann die gesamte Durchflußmeßbaugruppe an einem Drahtseil eingefahren werden, es ist nicht erforderlich, Drucksensoren in der Röhrenwand anzuordnen.
Mit dem in der Bohrung zentrierten Einsatz sind die jeweiligen Ringspalte in der Nähe der jeweiligen Druckmeßstationen von gleichbleibender Größe, ob sie sich im Drosselkörpereinsatz oder in der Röhrenwand befinden.
Der Drosselkörpereinsatz wird durch einen röhrenförmigen Verbinder an die Arretiermittel gekoppelt, der in demselben eine Vielzahl von Öffnungen hat, durch die das Fluid strömen kann, wobei der Träger offen ist, so daß es eine minimale Einschränkung des Flusses durch den Träger gibt.
Im Fall des doppelten Venturimessers kann dieser an einem Drahtseil rückholbar oder einsetzbar sein. Es wird zu erkennen sein, daß die Druckmeßstationen bei einem Ausführungsbeispiel in der Röhrenwand angeordnet werden. Es wird jedoch ebenfalls zu erkennen sein, daß Druckmeßstationen in dem ersten, dem zweiten und dem dritten zylindrischen Halsabschnitt angeordnet werden können, die ebenfalls wenigstens zwei Differenzdrucksensoren und einen Speicher zum Aufzeichnen der Differenzdrücke enthalten können, so daß die gesamte Vorrichtung an einem Drahtseil abgesenkt und unter Verwendung von einziehbaren Ansätzen auf eine ähnliche Weise wie der Drosselkörpereinsatz positioniert werden kann.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein Querschnitt durch ein Durchflußmeßgerät nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, eingebaut in eine Röhre, ist,
2 eine perspektivische Ansicht des Einsatzes in der Rohrbohrung von 1 ist, welche die Struktur des Trägers und die Strömungsbahnen durch den Träger zeigt,
3 ein Durchflußmeßgerät mit drei am Drosselkörpereinsatz angeordneten Drucksensoranschlüssen ist, nützlich zum Verständnis des Hintergrunds der Erfindung,
4 eine graphische Darstellung der berechneten Durchflußgeschwindigkeit und Krustendicke mit dem in 1 gezeigten Rechner-Durchflußmeßgerät ist,
5 ein Ausführungsbeispiel eines alternativen Aspekts der vorliegenden Erfindung, verwendet zum Bestimmen der Krustendicke und auf der Grundlage eines doppelten Venturimessers, ist,
6 ein zu dem in 5 gezeigten Durchflußmeßgerät alternatives Ausführungsbeispiel, mit drei in den jeweiligen parallelen Abschnitten des Durchflußmeßgeräts angeordneten Drucksensoranschlüssen, ist.
Es wird zuerst Bezug genommen auf 1 der Zeichnungen, die eine Querschnittsansicht durch ein, allgemein durch die Referenzzahl 10 angezeigtes, Durchflußmeßgerät ist, das aus einem Teil einer Rohrleitungsröhre 12 besteht, der drei längs der Wand der Röhre 12 in Axialrichtung mit Zwischenraum angeordnete Druckmeßstationen P1, P2 und P3 hat. Die Röhre 12 wird an angrenzende Rohrabschnitte (im Interesse der Klarheit nicht gezeigt) gekoppelt. Innerhalb der Röhre 12 wird ein, allgemein durch die Referenzzahl 14 angezeigter, Drosselkörpereinsatz angeordnet. Der Drosselkörpereinsatz 14 besteht aus einem zentrierten, allgemein röhrenförmigen Abschnitt 16, der durch einen Zwischenabschnitt 18 mit einem Drosselkörperträger oder einer Arretierung, allgemein durch die Referenzzahl 20 angezeigt, verbunden wird. Der Träger 20 wird mit Hilfe von Arretieransätzen 22, die mit Aussparungen 24 in der Röhrenbohrung 12 ineinandergreifen, innerhalb der Bohrung 12 positioniert. Der Drosselkörperabschnitt 16 wird mit Hilfe von, allgemein durch die Referenzzahl 26 angezeigten, Zentrierknöpfen, die zwischen dem Träger 20 und der Innenfläche 21 der Röhre angeordnet werden, innerhalb der Röhrenbohrung zentriert. 2 zeigt, daß der Träger 20 allgemein zylindrisch ist, wobei ein Querträger 28, den Zwischenabschnitt 18 trägt, um an beiden Seiten des Zwischenabschnitts 18 Fluidstrom-Durchgänge 30 und 32 zu definieren. Der Zwischenabschnitt 18 ist ebenfalls hohl und hat Öffnungen 34, so daß das Fluid in den Träger strömen kann, wo es sich mit dem Fluid verbindet, das durch die Durchgänge 30 und 32 strömt.
Wie aus 1 und 2 zu ersehen ist, besteht der röhrenförmige Drosselkörperabschnitt 16 aus einem verjüngten vorderen Ende 35, das an einen ersten zylindrischen Abschnitt 36 mit einem Durchmesser von 1,6 Zoll gekoppelt wird, dessen Oberfläche koaxial mit der Bohrung der Röhre 12 ist. Über einen divergierenden Übergangsabschnitt 38 wird der zylindrische Abschnitt 36 derart mit einem zweiten zylindrischen Abschnitt 40 mit einem zweiten Durchmesser (1,7 Zoll), größer als der Durchmesser des Abschnitts 36, verbunden, daß die zylindrischen Oberflächen eine zweite Oberfläche erzeugen, die koaxial mit der Röhrenbohrung 12 ist. Der zylindrische Abschnitt 40 wird über einen konvergierenden Abschnitt 42 an den Zwischenabschnitt 18 gekoppelt.
Wie es am besten in 1 zu sehen ist, werden drei Drucküberwachungsstationen P1, P2 und P3 derart in der Röhre 12 angeordnet, daß die Station P1 aufwärts vom vorderen Ende 35 liegt, wenn der Träger in der Röhre befestigt wird, die Druckmeßstation P2 gegenüber dem ersten zylindrischen oder parallelen Abschnitt 36 angeordnet wird und die dritte Druckmeßstation P3 gegenüber dem zweiten zylindrischen Abschnitt 40 angeordnet wird.
Bei Anwendung, wenn Fluid durch das Rohr abwärts strömt, wie es in 1 und 2 gezeigt wird, strömt das Fluid zuerst an der Druckmeßstation P1 vorbei, die den absoluten Bohrungsdruck P1 mißt. Danach wird der Fluidstrom durch das vordere Ende am ersten zylindrischen Abschnitt 36 vorbei und durch einen durch den zylindrischen Abschnitt 36 und die Röhrenbohrung 12 definierten Ringspalt umgeleitet. Die Druckmeßstation P2 mißt den absoluten Druck in diesem Ringspaltbereich. Danach strömt das Fluid am divergierenden Übergangsabschnitt 38 vorbei und wird gezwungen, am zylindrischen Abschnitt 40 mit dem größeren Durchmesser vorbeizuströmen, der eine verringerte ringförmige Fläche zwischen diesem Abschnitt und der Röhrenbohrung 12 definiert. Die dritte Druckmeßstation P3 mißt den absoluten Druck in diesem ringförmigen Bereich. Folglich werden drei Druckmessungen vorgenommen, und von diesen drei Meßstationen für den absoluten Druck können nach der im folgenden definierten Formel die Durchflußgeschwindigkeit und die Krustendicke berechnet werden.
Unter Bezugnahme auf 1 erfordert die theoretische Grundlage für die Berechnung der Gesamtströmungsgeschwindigkeit (q) und der Krustendicke (δ_s) die Messung von zwei Druckgefällen. Dies kann unter Verwendung der drei Meßgeräte für den absoluten Druck, wie beschrieben, oder durch die Verwendung von zwei Differenzdruckmeßgeräten erreicht werden. Die unten dargelegte Analyse setzt die Verwendung von drei Meßgeräten für den absoluten Druck voraus. Unter Verwendung der Druckmessungen werden die Druckgefälle (ΔP) zwischen P1, P2 und P3 berechnet: ΔP12 = P1 – P2 Pfund/Quadratzoll ΔP23 = P2 – P3 Pfund/Quadratzoll
Es wird ein Wert für die Krustendicke (δ) geschätzt: δs = 0,01 Zoll
Die tatsächlichen Durchmesser der Röhre an den Orten der Sensoren P1, P2 und P3, nämlich D1, D2 bzw. D3, werden aus den maschinell hergestellten Durchmessern und der angenommenen Krustendicke berechnet: D1 = Dm1 – 2δs Fuß D2 = Dm2 – 2δs Fuß D3 = Dm3 – 2δs Fuß
Die tatsächlichen Durchmesser des Einsatzes d1, d2, d3 werden aus den maschinell hergestellten Durchmessern und der angenommenen Krustendicke berechnet: d1 = 0 Fuß d2 = dm2 + 2δs Fuß d3 = dm3 + 2δs Fuß
Zur Verwendung in der Venturi-Gleichung werden die entsprechenden hydraulischen Durchmesser berechnet: De1 = (D1 2 – d1 2) Fuß De2 = (D2 2 – d2 2)0,5 Fuß De3 = (D3 2 – d3 2)0,5 Fuß
Zur Verwendung in der Venturi-Gleichung werden danach die entsprechenden hydraulischen Oberflächen berechnet: Ae1 = π/4 De1 2 ft2 Ae2 = π/4 De2 2 ft2 Ae3 = π/4 De3 2 ft2
Zur Verwendung in der Venturi-Gleichung wird das Verhältnis β berechnet: β2 = De2/De1 β3 = De3/De2
Mit dieser Information wird unter Verwendung der Venturi-Gleichung die Durchflußgeschwindigkeit (q) zwischen den Orten 1, 2 berechnet:
Ähnlich wird die Durchflußgeschwindigkeit (q) zwischen den Orten 2, 3 berechnet aus:
Falls q₁₂ = q₂₃, dann ist der angenommene Wert der Krustendicke δ_s richtig. Falls q₁₂ nicht gleich q₂₃ ist, gehen wir zurück und geben einen anderen Wert für δ_s ein. Dies wird wiederholt, bis q₁₂ = q₂₃ Folglich ist zu sehen, daß dies ein iteratives Verfahren ist, das erst beendet wird, wenn q₁₂ = q₂₃. Wenn dies geschieht, wird angenommen, daß die letzte ausgewählte Krustendicke der richtige Wert ist. Die Druckmessungen, die unter Tage ausgeführt werden, können unter Tage gespeichert werden, zum anschließenden Abrufen und Verarbeiten, um die Durchflußgeschwindigkeit und die Krustendicke bereitzustellen, wie es beschrieben wird.
In den obigen Formeln wird die folgende Nomenklatur verwendet:
Tiefgestellte Indizes
Griechische Buchstaben
Nachdem nun die theoretische Grundlage für die obige Berechnung der Gesamtdurchflußgeschwindigkeit (q) und der Krustendicke (δ) vorliegt, und unter Bezugnahme auf 2 wird zu sehen sein, daß sich die Durchflußgeschwindigkeit am Zwischenabschnitt 18 vorbei durch die Durchgänge 30 und 32 und ebenfalls durch die Öffnungen 34 im Zwischenabschnitt 18 fortsetzt. Es wird zu erkennen sein, daß der Drosselkörper 14 einen doppelten Venturi-Effekt erzeugt, erstens im ringförmigen Bereich zwischen dem zylindrischen Abschnitt 36, was durch den Druck P2 gemessen wird, und zweitens im ringförmigen Bereich am zylindrischen Abschnitt 40, was durch den Druckmeßsensor P3 gemessen wird.
Es wird zu erkennen sein, daß die drei Druckmeßstationen mit zwei Differenzdrucksensoren verwendet werden können, um zwei Differenzdrücke zu berechnen, wie es im folgenden unter Bezugnahme auf das in 3 gezeigte Durchflußmeßgerät beschrieben wird, die ein Durchflußmeßgerät ähnlich dem in 1 und 2 gezeigten abbildet, außer daß das Durchflußmeßgerät vollständig an einem Drahtseil rückholbar ist. In diesem Fall werden Druckmeßstationen oder -anschlüsse P1, P2 und P3 in den zylindrischen Abschnitten 36, 38 bzw. 40 angeordnet, und die Ausgänge der Anschlüsse P1, P2 und P3 werden an Differenzdrucksensoren 43, 45 in den elektronischen Schaltungen 46 (gezeigt im unterbrochenen Umriß) gekoppelt. Die Differenzdrucksensoren 43, 45 speichern Differenzdrücke zwischen den Sensoren P1, P2 (Δ₁₂) bzw. zwischen den Sensoren P2, P3 (Δ₂₃). Die Schaltungen 46 enthalten einen Speicher 47, der die Differenzdrucksignale zu verschiedenen Zeiten während des Durchflußüberwachungsvorgangs speichert und der die Informationen verarbeitet, um, wie es oben beschrieben wird, die Krustendicke zu berechnen. Der Speicher 47 ist ausreichend, um die Signale über einen wünschbaren Meßzeitraum aufzuzeichnen, und danach kann der Durchflußmeßgeräteinsatz 14 an einem Drahtseil an die Oberfläche zurückgeholt und abgefragt werden, bevor er für weitere Durchflußmeßbedingungen erneut verwendet wird. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, daß es weder notwendig ist, eine Röhre mit Druckmeßsensoren an ihrem Platz zu konstruieren, noch, diese Sensoren mit der Oberfläche zu koppeln. Die gesamte Anordnung kann an einem Drahtseil eingefahren werden, was besonders für DST-Anwendungen geeignet ist.
Es wird angenommen, daß das Meßgerät mit der in 1 und 2 gezeigten Durchflußmesser-Struktur, für eine Fluiddichte von 3,75 kg/m³ (60 Pfund/Kubikfuß) das Differenzdruckprofil erzeugt, wie es in Tabelle 1 unten angezeigt wird (1 Pfund/Quadratzoll = 145 MPa):
TABELLE 1
Die berechneten Profile von Durchflußgeschwindigkeit (q) und Krustendicke (δ_s) werden in 4 gezeigt. Die Durchflußgeschwindigkeit (q) in Barrel/Tag steht in der linken vertikalen Achse, und die Krustendicke (δ) in Zoll steht in der rechten vertikalen Achse. Die unterbrochene Linie (a) stellt die Ausgabe eines normalen Durchflußmeßgeräts dar, das nur eine einzelne Druckdifferenzmessung bereitstellt. Diese berechneten Werte können als fehlerhaft betrachtet werden, weil das Vorhandensein einer Kruste nicht berücksichtigt wird. Die obere durchgehende Linie (b) zeigt die wirkliche Durchflußgeschwindigkeit an, die von dem in 1 bis 3 gezeigten modifizierten ringförmigen Durchflußmesser berechnet wird, wobei Krustenablagerungen in der Berechnung berücksichtigt werden. Es ist zu sehen, daß es große Unterschiede zwischen den zwei Durchflußgeschwindigkeitsmessungen gibt. Auf der unteren durchgehenden Linie (c) wird die Krustendicke in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet. Es wird zu sehen sein, daß die Krustendicke in Zoll über eine Zahl von Jahren zunimmt.
Es wird nun Bezug genommen auf 5 und 6 der beigefügten Zeichnungen, die ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Durchflußmeßgeräts zum Bestimmen der Krustendicke und zum Messen der Durchflußgeschwindigkeit in der Leitung betreffen. Zuerst wird unter Bezugnahme auf 5 zu sehen sein, daß dies ein doppelter Venturimesser ist, allgemein angezeigt durch die Referenzzahl 50. In diesem Fall wird das Durchflußmeßgerät an die Röhre 12 gekoppelt. Das Durchflußmeßgerät 50 besteht aus zwei Venturi-Abschnitten: einem ersten Venturi-Halsabschnitt 52, der eine Bohrung mit einem ersten Durchmesser hat, der dann über einen konvergenten Abschnitt 54 an einen zweiten Venturi-Halsabschnitt gekoppelt wird, der allgemein durch die Referenzzahl 56 angezeigt wird und der eine Bohrung mit einem kleineren Durchmesser als der erste Venturi-Halsabschnitt hat. Der Halsabschnitt 56 divergiert über einen divergierenden Abschnitt 58 auf die volle Bohrungsgröße.
Druckmeßstationen P1, P2 und P3 werden, wie es gezeigt wird, derart im Rohrabschnitt angeordnet, daß P1 in der vollen Bohrung vor dem Eingang des Durchflußmeßgeräts angeordnet wird, das Druckmeßzentrum P2 wird derart angeordnet, daß es Drücke im Venturi-Halsabschnitt 54 mißt, und ähnlich mißt P3 Drücke im Venturi-Halsabschnitt 56. Es wird sich von selbst verstehen, daß, wenn Fluid in der Richtung der Pfeile durch das Durchflußmeßgerät 50 strömt, die Drücke an den Druckmeßstationen P1, P2 und P3 verwendet werden, um zwei Druckgefälle zu berechnen, die wiederum verwendet werden, um nach der zuvor erwähnten Formel die Durchflußgeschwindigkeit und ebenfalls die Krustendicke zu berechnen. Dieses Durchflußmeßgerät kann ebenfalls an einem Drahtseil rückholbar sein.
Es wird nun Bezug genommen auf 6, das eine ähnliche Struktur wie den in 5 gezeigten Venturimesser zeigt, außer daß der Venturimesser in 6 vollkommen in sich abgeschlossen und an einem Drahtseil rückholbar ist und das Durchflußmeßgerät, wie es gezeigt wird, mit Hilfe von Ansätzen 60, die Aussparungen 62 in dem Rohrabschnitt in Eingriff nehmen, in der Röhre positioniert werden kann. In diesem Fall werden drei Druckmeßstationen oder -anschlüsse P1, P2 und P3 in den jeweiligen parallelen Halsabschnitten 52, 53 bzw. 54 mit unterschiedlichem Durchmesser angeordnet. Die Anschlüsse P1, P2 und P3 werden an Differenzdrucksensoren 64, 66 gekoppelt, wobei der Sensor 64 Δ₁₂ mißt und der Sensor 66 Δ₂₃ mißt. Die Ergebnisse können in einem Speicher 68 gespeichert werden und können anschließend, d. h., an der Oberfläche, verwendet werden, um die Durchflußgeschwindigkeit eines Fluids, das durch den Venturimesser oder die Rohrleitung strömt, und ebenfalls die Krustendicke zu berechnen, so daß ein entsprechender Ausgleich oder eine Berichtigung ausgeführt werden kann, um die wirkliche Durchflußgeschwindigkeit zu erhalten.
Es wird sich verstehen, daß an der hierin zuvor beschriebenen Vorrichtung verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel werden drei Druckmeßsensoren verwendet, um zwei Druckdifferenzmessungen zu erhalten, die in den Berechnungen verwendet werden. Es wird sich von selbst verstehen, daß die Durchflußgeschwindigkeit und die Krustendicke aus Messungen von vier oder mehr Druckmeßsensoren berechnet werden können und daß solche zusätzlichen Messungen ein Redundanzelement gewährleisten werden. Ein verringertes Redundanzelement (einfach) wird bereits mit den drei Meßstationen bereitgestellt. Es wird sich ebenfalls von selbst verstehen, daß die Anschlüsse bei den Ausführungsbeispielen nicht in parallelen Oberflächen angeordnet werden müssen, besonders bei der unter Bezugnahme auf 3 und 6 beschriebenen Struktur, obwohl die besten Ergebnisse erreicht werden, wenn solche Anschlüsse in parallelen Oberflächen mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet werden. Dies kann für alle Ausführungsbeispiele angewendet werden. Es wird sich ebenfalls von selbst verstehen, daß das Durchflußmeßgerät in einer zeitweiligen Situation, zum Beispiel bei DST-Anwendungen, verwendet werden kann, wenn ein Werkzeug an einem Drahtseil abgesenkt, Messungen vorgenommen und es zurückgeholt werden kann, und in diesem Fall ist es vorauszusehen, daß die in 3 und 6 offengelegten Ausführungsbeispiele besonders geeignet sind. Als Alternative dazu kann das verbesserte Durchflußmeßgerät in dauerhaften Überwachungssituationen verwendet werden. Selbst in dauerhaften Überwachungssituationen können die Durchflußmeßgeräte an einem Drahtseil rückholbar sein. In einem solchen Fall können elektronisch gespeicherte Daten von der Sonde induktiv zu Empfängern außerhalb der Röhre übertragen und die Signale durch ein Kabel zur Oberfläche übertragen werden.
Es wird sich ebenfalls verstehen, daß die zylindrischen Flächen nicht genau zylindrisch sein müssen, sie können sechseckig, achteckig oder dergleichen sein.
Das hierin zuvor beschriebene verbesserte Durchflußmeßgerät hat eine Zahl von Vorzügen gegenüber vorhandenen Durchflußmeßgeräten des bekannten technischen Stands. Erstens gibt es einen selbsttätigen Ausgleich für die Krustenablagerung innerhalb des Durchflußmeßgeräts, was eine verbesserte Meßgenauigkeit gewährleistet, drei Druckmeßstationen oder -anschlüsse ermöglichen eine Berechnung von wenigstens zwei Differenzdrücken, so daß es im Fall eines Meßgerätausfalls eine Sicherung der Durchflußgeschwindigkeitsmessung und der Krustendicke gibt, wodurch das Meßsystem mit Redundanz versehen wird. Ein weiterer Vorzug ist, daß das Durchflußmeßgerät verwendet werden kann, um eine Anzeige der Untertage-Kruste bereitzustellen. Ein Hauptvorzug der hierin zuvor definierten Erfindung besteht in der Verwendung der Ausführungsbeispiele mit an einem Drahtseil rückholbaren Werkzeugen.

Claims

Verfahren zum Überwachen der Fluid-Durchflußgeschwindigkeit durch eine Röhre (12), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen einer ersten (P1), einer zweiten (P2) und einer dritten (P3) Drucküberwachungsstation, in Axialrichtung mit Zwischenraum längs der Röhre (12) angeordnet, wobei die erste (P1), die zweite (P2) und die dritte (P3) Drucküberwachungsstation das Messen des Drucks an denselben ermöglichen, Anordnen eines Fluidstrom-Drosselkörpereinsatzes (14) innerhalb der Röhrenbohrung, wobei der Fluidstrom-Drosselkörpereinsatz (14) einen ersten wesentlich zylindrischen Abschnitt (36) und einen zweiten wesentlich zylindrischen Abschnitt (40) hat, wobei der erste und der zweite zylindrische Abschnitt (36, 40) dafür geeignet sind, derart in den Bohrungen angeordnet zu werden, daß die Abschnitte parallel sind und sich der erste Abschnitt (36) an einem ersten Bohrungsdurchmesser befindet und sich der zweite Abschnitt (40) an einem zweiten Bohrungsdurchmesser befindet, wenn das vordere Ende (35) des Drosselkörpereinsatzes (14) zwischen der ersten (P1) und der zweiten (P2) Drucküberwachungsstation angeordnet wird, und, wenn sich der Einsatz (14) an dieser Stelle befindet, der erste zylindrische Abschnitt (36) wesentlich gegenüber dem zweiten Drucksensor (P2) angeordnet wird und der zweite zylindrische Abschnitt (40) wesentlich gegenüber der dritten Drucküberwachungsstation (P3) angeordnet wird, was durch den Drosselkörpereinsatz (14) in der Nähe der zweiten (P2) und der dritten (P3) Drucküberwachungsstation eine ringförmige Strömung erzeugt, um an denselben einen Venturi-Effekt zu gewährleisten, und Messen von Drücken an der ersten (P1), der zweiten (P2) und der dritten (P3) Drucküberwachungsstation, um wenigstens zwei Druckgefälle zur Verwendung beim Bestimmen der Durchflußgeschwindigkeit des Fluids und zum Bestimmen der Dicke einer im Innern der Trägerbohrung angeordneten Kruste abzuleiten.
Durchflußmeßgerät (10) zum Messen der Fluid-Durchflußgeschwindigkeit in einer Röhre, wobei das Durchflußmeßgerät (10) folgendes umfaßt: einen Durchflußmeßgerät-Abschnitt der Röhre (12) zum Koppeln an aufwärts und abwärts gelegene Röhrenabschnitte, wobei der Durchflußmeßgerät-Abschnitt der Röhre (12) eine erste (P1), eine zweite (P2) und eine dritte (P3) Drucküberwachungsstation hat, in Axialrichtung mit Zwischenraum längs der Röhre (12) in der Wand der Röhre (12) angeordnet, einen Drosselkörpereinsatz (14), dafür geeignet, in der Röhrenbohrung positioniert zu werden, wobei der Einsatz (14) ein vorderes Ende (35) hat, das, wenn der Einsatz (14) positioniert wird, zwischen der ersten (P1) und der zweiten (P2) Druckmeßstation angeordnet wird, wobei der Einsatz (14) einen ersten wesentlich zylindrischen Bohrungsabschnitt (36) mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten wesentlich zylindrischen Bohrungsabschnitt (40) mit einem zweiten Durchmesser, größer als der erste Durchmesser, hat, wobei die Anordnung derart ist, daß bei Anwendung der Einsatz (14) so geformt wird, daß er ein Divergieren des zum vorderen Ende (35) hin fließenden Fluids um den Drosselkörper (14) in einer ringförmigen Strömungsbahn bewirkt, durch einen ersten, durch den Durchmesser des ersten wesentlich zylindrischen Abschnitts (36) an der Röhrenbohrung definierten, ringförmigen Bereich und durch einen zweiten, durch den zweiten Durchmesser und die ringförmige Bohrung definierten, ringförmigen Bereich, wobei der erste zylindrische Abschnitt (36) wesentlich gegenüber der zweiten Überwachungsstation (P2) angeordnet wird und der zweite zylindrische Abschnitt (40) wesentlich gegenüber der dritten Drucküberwachungsstation (P3) angeordnet wird, wodurch durch den Einsatz (14) ein Venturi-Effekt erzeugt wird, wodurch Druckmessungsdaten von der ersten (P1), der zweiten (P2) und der dritten (P3) Drucküberwachungsstation verwendet werden, um wenigstens zwei Druckgefälle abzuleiten, aus denen die Fluid-Durchflußgeschwindigkeiten in der Röhre (12) und die Dicke einer Kruste an der Innenbohrung der Röhre (12) berechnet werden können.
Durchflußmeßgerät (10) nach Anspruch 2, bei dem der Drosselkörper (14) an einem Drahtseil zurückgeholt werden kann.
Durchflußmeßgerät (10) nach Anspruch 2, bei dem der Drosselkörpereinsatz (14) innerhalb der Röhrenbohrung befestigt wird.
Durchflußmeßgerät (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Drosselkörpereinsatz (14) an einen abwärts gelegenen Träger gekoppelt wird, der durch die Arretiermittel (22) an der Röhrenwand befestigt werden kann.
Durchflußmeßgerät (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem drei Druckmeßstationen (P1, P2, P3) Meßgeräte für den absoluten Druck einschließen, aus denen Differenzdrücke berechnet werden.
Durchflußmeßgerät (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem drei Druckmeßstationen (P1, P2, P3) mit wenigstens zwei Differenzdruckmeßgeräten gekoppelt werden.
Durchflußmeßgerät (10) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem die Druckmeßstationen (P1, P2, P3) mit weiteren Differenzdrucksensoren gekoppelt werden, wenn ein Redundanzelement erforderlich ist.