JPH04506408A - 砂検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 砂検出器 本発明は、液体及び／又はガス（気体）の流れ内で研磨性材料の量を計測する方 法に関するものである。この方法は、例えば、油及び／又はガスの生産井戸内で の砂の生産割合を監視するのに利用されている。

油及びガスの生産にはしばしば砂が含まれている。生産井戸に対して、砂制御用 システムを有しない砂岩用タンク内では、１〜１０００μｍの直径をもつ２５ｐ ｐｍ以上の石英粒子が生産されるだろう、砂制御システムを適用した場合には、 直径Ｏ〜１００μｍで約２５ｐｐｍの粒子の砂が生産されるだろう、砂は、生産 装置を激しく侵食するばかりでなく、装置内で大量に蓄積されて、結果的に生産 が停止してしまう、もし、砂の生産を確実に測定できるとするなら、生産側合を 調整することができ、砂による侵食や蓄積に伴う問題を減らすことができる。従 って、砂生産のない最大生産速度を確立させることも可能である。これを達成す るためには、小さな粒子（砂利バックに対応する）又は十分なサイズの粒子によ る低い／中程度の砂生産速度を監視することが必要である。監視は、個々の井戸 で行うのが好ましい、また、流特表平４−５０６４０８　（２） 体流れ内での研磨性材料による汚染の危険性がある場合、連続した監視が必要で ある場合に様々に適応させることができる。

流体井戸内での砂の量を検出又は監視するために、今までに様々なシステムが利 用又は提案されてきた。砂によって引き起こされる研磨を決定するために、流体 流れ内で適応させる一つのシステムとしては、侵食測定子がある。砂は、流体流 れ内は設けられた侵食測定子、例えば、薄い中空壁からなる測定子を、侵食する 。その侵食の結果、流体流れと基準点との間の圧力差により警報が発せれる。前 記測定子は、圧力差が検出される前に、かなりの時閉的遅延を有しており、この ことは、所定の砂生産速度の流体流れ内での砂の量の連続した監視を不可能とし ている。

測定子としては、既知の様々な音響用測定子があるが、この測定子は、パイプ壁 の外側に取付けられるか又はパイプの内側に設けられる。前記測定子は、ガス流 れ又は液体流れ内での砂の生産を検出することができる。砂のノイズと他のノイ ズとを区別する能力は、断続的な流れ又は環状及び／又は霧状の流れにおいては 十分ではない。

音響測定子の校正は、実際の生産のパラメータで、そして、砂の注入によって行 わなければならない、そこで、生産速度又は他のノイズ源が変化した場合は、校 正を変える必要があるであろう。

小さな粒子（直径Ｏ〜０．５ｍｍ）の音響エネルギは、粒子のノイズと流れのノ イズとの区別するにはあまりにも小さすぎる。音響測定子の一例は、ノルウェー 国特許第１４０，８３８号に開示されている。

また、米国特許第３，６７８，２７３号には、研磨性流れによって引き起こされ る侵食を計測するための方法が開示されている。放射性材料で被覆された検出器 は、流体流れ、例えば、触媒粒子を含むオイルスラリー内に位置決めされる。検 出器は、研磨性流によって引き起こされる厚さ減少に起因する放射性被覆からの 放射によって活性化される。検出器は、パイプの外側で、制御ユニット及び監視 ユニットに接触して配置されている。この発明は液体又は気体の流れ内での粒子 の検出を開示し、検出器は均一な流れ内に位置づけられている。従って、流れ内 の粒子濃度は、この発明によって算出することができる。検出器は、流れ内に取 付けられていると共に、流れを遮るだろう、検出器は、小さな粒子を検出するこ とができない、なぜなら、これら粒子は、流れに追従し、障害物を迂回するから である。従って、検出器は、砂の分布を予測できない高圧の炭化水素パイプ内で 利用することができない、また、その精度及び、粒子量がいかにして計測された かについては、述べられていない、この方法は、研磨粒子の均一な分布や計算を 必要としている。

本発明の目的は、炭化水素用井戸内での生産速度を連続して監視するための改良 方法を提供している。ここで重要なことは、システムを計算することなく、生産 された砂の全質量を見積ることができる。また、本発明の目的は、低い粒子速度 でも感知し、測定子の感度を、適切な制御に対して必要な限界まで調整すること ができる正確なシステムを提供することにある。このシステムは、２段階の流れ に耐えると共に、小さな粒子を検出しなければならない。

上記目的は、後述される方法及び本発明により達成され、本発明は、請求の範囲 のよって特徴づけられている。

本発明によって、校正システムなしに、生産流内の研磨性材料に含まれる粒子の 未知の量及び分布を検出する方法が達成される。数個の測定子は、活性化される と共に、パイプの外側の検出器に向けて放射能を放射する。

各監視用測定子は、−の検出器に対してのみ信号を放射する。測定子は、長手方 法及び周方向に互いに所定距離をもって位置決めされている。測定子は、流れに 対して角度α、この場合２０°くαく６０°で位置決めされている。いかなる信 号処理を行うことなく、放射被覆したものの厚みが０．１％だけ減少した場合、 前記測定子は、流体流れが粒子を含んでいると記録されるだろう、被覆の厚さが ０．２５％だけ減少した場合、粒子濃度は決定される。

測定子に衝突する粒子の量Ｍｇは、以下の関係により決定される。

Ｍｇ＝ＥｘＡ／ＫｘＦｘＶ””（ｋｇ）ここで、Ｅ＝測定子の厚み減少量（ｍｍ ）Ａ＝パイプの断面積 に＝活性化された材料に対する材料定数Ｆは、流体密度とタンク内での固体粒子 の平均直径Ｄｐ　（ｍｍ）との関数で以下のように表される。

Ｆ＝Ｄｐ／ＢＸρ０５ ここで、Ｂ＝全ガス／液体比に対する定数ρ＝流体密度（ｋｇ／ｍ’） ■＝流速（ｍ　／　ｓ　） 本発明は、図面を参照して以下、詳細に説明する。

図１は、試験装置を示す図である。

図２は、検出器及び分析器を含む試験装置の断面図である。

図３は、６　ｍ　／　ｓの流速において、試験片の角度関数に対する侵食速度を 示すグラフである。

図４は、３　ｍ　／　ｓの流速で、流れに対する試験片の角度と侵食速度との関 係を示すグラフである。

図５Ａは、６　ｍ　／　ｓの流速で、試験片から試験用パイプの中心線までの距 離と侵食速度との関係を示すグラフである。

ｒ！！１５Ｂは、４．５　ｍ　／　ｓの流速をもって、図５Ａと同様な試験を行 った結果を示すグラフである。

図６は、３個の測定子の適切な配置を示す図である。

図７Ａは砂濃度と侵食速度との関係を示すグラフである。

図７Ｂは、流速と侵食速度との相関関係を示すグラフである。

ｒｆ！１８は、炭化水素の流れ内で石英粒子に対する流速と鋼に対する侵食速度 との関係を示すグラフである。

図９は、２時間当たりにおける２３００ｐｐｍの流れ内での材料損失を示すグラ フである。

図１０は、６時間当たりにおける４００ｐｐｍの流れ内での材料損失を示すグラ フである。

砂検出器は、放射性材料損失の測定を基準にしている。

放射能技術による材料損失の測定は、試験片内で放射性同位元素を形成する中性 子または他の高エネルギ粒子をもつ照射試験片に基づいている。放射性同位元素 は、放射能を放出すると同時に新たな物質に変えられる。放射能の強さは、計測 することができると共に、試験片内の材料の量に正比例している。試験片が腐食 又は侵食し、材料損失に起因して、放射能の強さは減少するので、腐食又は侵食 をかなり正確に計測することができる。

材料損失の計測に利用される試験片は、薄膜活性又は中性子活性によって放射化 される０両方の場合、試験片は、材料中で、放射性同位元素を形成している高エ ネルギ粒子を放射する。形成された実際の同位元素の量はｌｐｐｍ以下である。

材料の性質は変化しない、中性子活性は、高い浸透深さをもった中性子を前提と し、この照射の大部分は材料を貫通する。活性パターンは、はぼ一定の活性レベ ルを有している。従って、照射強さの損失が、試験片の重量損失を直接的に表し ているので、データを解析するのが比較的簡単である。活性化された場合、検出 器の到達するに十分なγ線のエネルギをもつ同位元素を形成することが重要であ る。また、数年間に亙る連続した腐食／侵食測定に対する半減期をもった同位元 素を利用することが重要である。

鋼が中性子活性された場合、はぼ全ての鋼は僅かなコバルトを含むので、適切な 同位元素コバルト６０（”Ｃ０）が形成される。コバルト６０は、γ線のエネル ギ（１，１７ＭｅＶ及び１．３２ＭｅＶ）を有し、半減期は５．２７年である。

これは比教的長い半減期をもつ、試験片の変化やプロセス機器への貫通を行うこ となく、２０〜２５年の問、プロセス機器上で腐食／侵食測定を可能にしている 。

しかしながら、実験中は、環状に型抜きされた厚さ１１０μｍのインコネル６０ ０鋼のフォリオを利用し、照射状態で同位元素クロム５１（”Ｃｒ）及びコバル ト６０（′００）を主として放出する。クロム５１は半減期が短く、低いγ線の エネルギ（０，３２ＭｅＶ）を有している。

実験は、図１に示される試験装置により行われた。この装置において、鋼製の試 験セクション１．可変容量型ポンプ２．可変供給速度型砂供給器３．砂や水を溜 めるに必要なタンク４を備えている。試験期簡の最初の部分において、砂を、再 び循環することなく、連続して供給した。砂の粒子は中程度で約０．５０ｍｍで あった。流速は、１〜５　ｍ　／　ｓに規制され、砂の流れは、１〜３０，００ ０ｐｐｍに規制されている。試験において使用された砂の最大濃度は、５，４０ ０ｐ　ｐ　ｍであった。

試験片５は、図面に示されるように位置決めした。試験片は、３種票のサイズの もを利用した。バイブロの端部に活性化フオリオが位置決めされ、試験片が流れ に対して角度２０°で垂直パイプ１内に位置決めされ、前記活性化フオリオはパ イプの中央に配置された０種々の配置場所が、符号Ｉ　、　ＩＩ、　ＩＩＩとし て図面に示されている。

試験片５は、活性化表面と流れ方向との間の角度を調整でき、パイプ内で押した り引張ったりできる可動型アクセルに取り付けられている。検出器は図１におい て符号７で示されている。

図２は、図１に示された試験部分の拡大断面図である。

流体流れは、パイプ１を通過する。活性化試験片５は回転自在で且つ可動自在な アーム８に取付けられている。

検出器７は、パイプから約ＩＱｃｍ離れて位置決めされている。パイプからの距 離が増すにつれて強いエネルギ源を必要とする。なぜなら、照射強さは、距離の ２乗に反比例するからである。もし必要なら、試験片と検出器との間に、コンク リート製カバー絶縁体等を利用して、パイプ壁を厚くすることもできる。しかし 、試験片と検出器との間の材料は、一定でなければならず、しかも、時間を過ぎ て交換してはならない０表面からのガンマ−線の放射は、放射された時のＮａＩ 結晶放射光としてシンチレーション検出器によって拾われる。前記光のエネルギ 帯は、試験片の表面からの放射能強さの特定の情報を提供している。

検出器７は前置増幅器９に連結され、鉛製カバー１０によって保護されている。

実験の大部分は、互いに６０特表平４−５０６４０８　（４） Ｃｍ離して位置決めされた２つの可動型試験片で行われた。

工程に対して任意の状態を得るために幾つかの試験を流体流れに対する試験片の 角度の影響を調べるための試験を行った。可動型試験片を利用した。図３は、流 速６　ｍ　／　ｓ　、砂濃度５，１１００ｐｐ及び２，３００ｐｐｍで、試験片 の角度と侵食速度との関係を示している。

流れに対して、測定子は角度Ｏ〜９０°の間で変えられ、測定子の位置を、パイ プの中央にする０図３に示されるように、角度が４５°まで高められた時、侵食 速度の増加が終了し、そこから減少して９０°で最小を迎える。

図４においては、流速を３　ｍ　／　ｓに減少させた際の侵食速度を示している 。この試験の結果、５０°の時に最大侵食速度が起こり、その後、９０”で最小 を迎えるまで減少し、この最小値は、流速が６　ｍ　／　ｓの時に試験結果以下 のレベルであることが判明した。破線は、計算値である。

Ｋ１ユ 幾つかの試験において、砂の分布を検証するために、流れ方向を横切る方向にお ける前後の方向に、試験片を移動させた０図５Ａは、流速６ｍ　／　ｓ　、角度 ４５°、砂濃度５．１００ｐ　ｐ　ｍ及び砂粒子サイズ５００μｍをもって試験 片■から得られた結果を示している０図５Ａのグラフは、パイプ内で不均一な分 布が行われていることを示している。入口長さは２．５ｍである０図５Ｂでは、 前述の［Ｎ５Ａと同じ試験を行ったが、流速４．５ｍ／ｓ。

砂濃度２．ＯＯＯｐｐｍ及び試験片Ｉ、ＩＩの対して角度４５°、６０°をもっ て行った。試験片■における砂分布は、パイプ内の中心軸線に対して不均一であ った。試験片ＩＩにおける砂分布は、より均一に分布されていた。

このことにより、試験片ＩＩから上流側に６０ｃｍ離間させて設けられた試験片 Ｉが、更に均質な砂／水流内に置かれていることが分かる。

図１のような試験片の配置に対して、Ｔ字状の／ｆイブの端部から１ｃｍの高さ に取付けられた試験片の侵食は、試験片ＩＩＩの６０％であった。壁に取付けら れた試験片■！■は試験片■の７５％の侵食を有している。このことにより、パ イプの中心に砂が気中していることが分かる。

炭化水素流内の砂分布及び流体流れのパターンは、しばしば予想の付かないこと がある。また、流れ）（ターンの変化は、パイプ内での砂の生産や分布を変えて しまう。

従って、砂の流れ全体を監視するためには、１個以上の試験片が必要となる０図 ６Ａ、Ｂは、）（イブ１内での３個の試験片５の最適な配置の例を示している。

この配置は、液体又は気体で占められていた流れに対して最適である。試験片５ 及び検出器７は、図６ＡのＩ　、　ＩＩ、　ＩＩＩで示す３つの異なる高さに配 置されている。異なる検出器間の間隔は、一つの試験片が一つの検出器に適切に 信号を送ることができる間隔であり、例えば、検出器間を０．５〜１ｍにすると 適切である。この試験は、試験片の位置が、前述した流れ内での全粒子量を整合 させることを示している。しかしながら、不均一な流れをカバーして検出するた めに、流れの中央に１つの試験片、流れの側部に１以上の試験片を必要とする。

試験片は、流れに対して４５°の角度をもって取付けられている。

Ｋ監ｌ 流れ内での砂濃度の影響を決定する試験を行った０図７Ａは、流れに対して試験 片の角度を４５°、６０°とし、流速が６ｍ／ｓの場合における、砂濃度と侵食 速度との関係を示している。砂の粒子サイズはＱ、５ｍｍである。グラフに示す ように、侵食速度と砂濃度との間は直線的な関係にある。試験結果のばらつきは 、様々な一連の試験から得られた値に起因している。破線は、計算値を示してい る。

Ｋ監Ａ 侵食速度における流速の影響を決定した。このことは、図７Ｂに示されている。

この試聴は、流れに対して４５°で配置された試験片、砂濃度２．ＯＯＯｐｐｍ 、粒子サイズ５００μｍをもって行った。流速が増加した場合、パイプのセクシ ョンを通過する際の砂濃度は、比例的に増加する。流速３　ｍ　／　ｓ及び４． ５ｍ／ｓで計測された侵食速度は、試験片を通過する際に９５　ｋ　ｇ　／　ｈ の砂流量を呈するように修正が施された。侵食速度は、流速に関して指数関数的 に増加する。流れを、２．３倍の流速に高めた場合（このことは、気体流内での 砂に対しては比較的普通のことである）、破線曲線は、計算により得られた侵食 速度を示している。

測定子に対する厚みの変化と粒子の濃度との間の関係を見い出すために、発明者 は、３相の流れ（気体／液体／砂の流れ）において、種々の試験を行った。この 結果は、重量損失を計測することにより、そして、固定型超音波測定子を利用す ることによって得られた。様々な品質の鋼や鋼粒子及び種々の環境内での粒子サ イズに対して、流速と侵食速度との関係を調査してきた試験結果を文獣として記 録してきた。侵食は、粒子の形状や硬さに依存している。記録された資料から、 油／ガス井戸内で生産される砂と等しいサイズの分布をもつ半角の石英砂によっ て引き起こされる鋼上の侵食に対して、１７のデータが選ばれた１図８において 、前記データがグラフ上にプロットされ、流速の関数に対する侵食速度を示して いる。

この結果を検証すると、厚みの変化と砂濃度との間に特異な関係がある。また、 放射表面に衝突した固体粒子（砂等）の量Ｍｇは、以下のように表される。

Ｍｇ＝ＥｘＡ／ＫｘＦｘｖ””（ｋｇ）ここで、Ｅ＝測定子の厚み減少量（ｍｍ ＞Ａ＝パイプの断面積 に＝活性化された材料に対する材料定数Ｆは、流体密度とタンク内での固体粒子 の平均直径Ｄｐ　（ｍｍ）との関数で以下のように表される。

Ｆ　＝　Ｄ　ｐ　／　Ｂ　Ｘρ０・５ ここで、Ｂ＝全ガス／液体比に対する定数ρ＝流体密度（ｋｇ／ｍ’） ■＝流速（ｍ／ｓ） 計算値は、図４及び図７で破線で示されている。

砂濃度は：流れ内の測定子に対する材料損失を記録することによって計算するこ とができる。

図９は、流れに対する２３００ｐｐｍの砂濃度で、２時間当たりの材料損失を示 している。試験片は、流体流れに対して４５°の角度を有し、その材料損失は、 １゜０５％であった。このことは、図面に明瞭に示されている。６時間当たりで の４００ｐｐｍの添加は、図１０に明瞭に示されている。この場合の材料損失は 、０．５％であった。６時間内の０．２％の材料損失は、肉眼でみることができ る。装置の感度は、いかなるデータが抽出され且つ分析されているかに依存して いる。試験後、データを記録及び分析した場合、０．１％の材料損失を計測する ことができる。図９，１０に与えられたデータは分析されていないが、更に精巧 な総計量を利用することにより、分析されたデータの精度を向上させることがで き、砂速度を検出する前の時間的遅れを更に減少させることができる。

信号を分析することなく、砂生産の信頼できる示度は試験片の０．１％の厚み減 少を呈し、金砂濃度は、厚み減少の０．２５％であると確認された。信号分析に よって、これに対応する値は、０．０５％及び０．１％である。システムに対す る精度は、活性化試験片の厚みを変えることにより変化させることができ、例え ば、非常に薄い試験片は、高レベルの精度を与える。試験片に対して望まれる寿 命に応じて、そして、粒子容量に関する早い応答性の重要度に対応して、様々な 厚みの試験片を利用することができる。

以下の方法で、ガス用井戸又は油用井戸内での砂生産を検出できる。

匠丞ユ ガンマ線の放射源としてのコバルト付きの金試験片を用いた。厚みは、Ｑ、１ｍ ｍで、この試験片は、流れに対して４５°で取付けられている０表１では、ガス 用井戸に対する流れ状態が示されている。

表１−ガス用井戸 最初の年の生産　最後の年の生産 可能な砂生産　２８　９ （ｋｇ／日） 可能な細粒生産　１３７　４２ （ｋｇ／日） 井戸ヘッド速度　１１　２１ （ｍ／ｓ） 計測された砂土産量　２．３（３ｋｇ）　１．４（０，８ｋｇ）（数時間当たり ） 計算された粒子生産量　８．３（７ｋｇ）　３．５（１，３ｋｇ）（数時間当た り） ガス用井戸内の速度は高い、井戸へ・７ドの激し塾４侵食の危険に起因して、砂 濃度が低い場合にのみ許容できる。

従って、砂生産は、０．５〜２．５ｋｇの砂が生産された時にのみ検出される。

匠丞１ 例示１と同じタイプの試験片が、下記の表２に示された流れ状態をもって油生産 用井戸に使用された。

表２−泊用井戸 可能な砂生産　１３５１　（１３％クロム鋼）（ｋｇ／日） 現実の砂生産　７４２ （ｋｇ／日） 井戸ヘッド速度　３．９ （ｍ／ｓ） 計測された砂生産量　１．８　（９９ｋｇ）（時間当たり） 計算された粒子生産量　４．５　（４３０ｋｇ＞（時間当たり） 流速が３．９ｍ／ｓ（ガス・フラックスｍ３／ｓ／ｍ２）の井戸における砂生産 は、７６０ｋｇ／日であった。

この例において、生産速度及び気体／液体比は低いので、粒子エネルギに基づく 全ての検出システムに対して砂を検出することは困難である。しかしながら、本 発明に関する方法によって、２時間後に測定された砂の生産量は１００ｋｇであ ることが判明する。４．５時間後の全砂特表平４−５０６４０８　（６） 生産量を計算した結果、蓄積された砂生産量４３０ｋｇを得た。もし、更に精度 を必要とするなら、測定子を、工程の途中に設けられた圧力減少装置（チョーク ）内に取り付けてもよい。

前述した試験は、前記システムが校正とは無ｒｌＩｉ係であることを示している 。たとえ、本発明の方法が、主として、炭化水素流内での砂の検出に関して述べ られているとしても、研磨粒子の濃度の測定を重要視する場所なら、他のタイプ の流れ内で砂を検出する場合にも、本発明の方法は適している。また、直径がＯ 〜０．０５ｍｍのような小さな粒子を検出することもできる。測定子の感度も必 要に応じて調整することもできる。測定子が被覆された活性化測定素子に対する 厚みや材質を適切に選択することにより、油用井戸（低い砂粒子エネルギをもつ ）。

ガス用井戸（高い砂粒子エネルギをもつ）内での砂濃度の測定を、必要に応じた 精度で行うことができる。

ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ 角度 ＦＩＧ、５Ａ 中心からの距離（ｍｍ） ＦＩＧ、６Ａ ↑ ＦＩＧ、７Ａ 砂濃度（ρｐｍ） ＦＩＧ、７Ｂ ｖ（ｍ／ｓ） 厚さ％ 厚さ％

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．液体及び／又は気体流れにおける粒子材料の量を検出する方法において、 液体及び／又は気体流内の粒子の量Ｍｇは、流れ内に活性化測定子（５）を１個 又は数個設け、それらの工程装置の外側に前記測定子からの信号を検出する検出 器（７）を設け検出され、その際に、前記測定子の厚み（Ｅ）の減少が、記録さ れると共に粒子量の計算に利用されることを特徴とする流体内の粒子量検出方法 。
2. ２．円形ディスクとして形成された前記測定子を利用することを特徴とする請求 項１記載の流体内の粒子量検出方法。
3. ３．３個の前記測定子を、パイプ断面領域を横切るように設けることを特徴とす る請求項１記載の流体内の粒子量検出方法。
4. ４．前記測定子を、流れの方向に対する角皮αを２０°〜６０°をもって設ける ことを特徴とする請求項１記載の流体内の粒子量検出方法。
5. ５．前記角皮αを約４５°にすることを特徴とする請求項１記載の流体内の粒子 量検出方法。
6. ６．炭化水素の流れにおいて、測定子に衝突する固体粒子の量Ｍｇを、 Ｍｇ＝Ｅ×Ａ／Ｋ×Ｆ×Ｖ２．６２（ｋｇ）とし、ここで、Ｅは、測定子の厚み 減少量（ｍｍ），Ａは、パイプの断面積， Ｋは、活性化された材料に対する材料定数，Ｆは、流体密度とタンク内での固体 粒子の平均直径Ｄｐ（ｍｍ）との関数で、以下のものであり、 Ｆ＝Ｄｐ／Ｂ×ρ０．５ ここで、Ｂは、全ガス／液体比に対する定数，ρは、流体密度（ｋｇ／ｍ３）， Ｖは、流速（ｍ／ｓ）であることを特徴とする請求項１記載の流体内の粒子量検 出方法。