NO154146B - Apparat for pr¯vetakning av et fluidum som str¯mmer gjenno m en fluidumsstr¯mningsledning. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et apprat for å ta prøver av fluidumstrømmer som i det vesentlige svarer til sammensetningen av en beveget strøm.

Ved prøvetaking av strømmende olje i borehull er det ubetinget nødvendig med pålitelige og nøyaktige innretninger for prøvetaking for å bestemme samkonsentrasjonene, slik at egnede samreguleringsteknikker kan utøves hvis det skulle være nødven-dig. Betydelig sandproduksjon opptrer i nyoppdagede områder for råoljeproduksjon. En innretning for prøvetaking av frembragte fluider for nøyaktig og effektivt å bestemme mengden av sand som fremkommer har man for tiden ikke. Forå belyse prøvetak-ingsproblemet kan det anføres at mange oljebrønner produserer ved ekstremt høye hastigheter, f. eks. 795 - 4770 m 3 olje pr. dag. Dette kompliserer teknikken med innfanging av representative prøver fra den forbigående strøm, da det vil være upraktisk å oppdele hele strømmen med høy hastighet i tilstrekkelig korte tidsperioder til å oppnå prøver med en hensiktsmessig størrelse.

Å innsamle virkelige prøver av sand som er innfanget i et strømmende fluidum kan være vanskelig. Et problem er at en hvilken som helst forandring i de kinematiske betingelser for systemet vil bevirke at tyngre og lettere partikler i fluidumet vil strømme langs forskjellige baner i avhengighet av trykkfor-andringer som opptrer langs de forskjellige baner. Plassering av en prøvetakingsinnretning i strømmen er tilstrekkelig i seg selv til å frembringe forandringer i de kinematiske betingelser for systemet, slik at det blir vanskelig eller umulig å oppnå en virkelig og nøyaktig prøve av materialet som beveger seg langs strømmen.

Et annet problem i å oppnå representative prøver i et brønnfluidum som inneholder faste stoffer er at lagdannelse eller uregelmessig fordeling av de faste stoffer kan opptre i det kinematiske system, og følgelig vil en prøve av bare en del av strømmen ikke nødvendigvis være representativ for sammensetningen av strømmen.

Vanskeligheten med prøvetaking i en strøm, særlig en

som inneholder innfangede faste stoffer, såsom sand, med en ikke-isokinetisk prøvetakningsanordning, er blitt erkjent og forsøk er blitt gjort på å tilveiebringe isokinetiske systemer, se i denne forbindelse f.eks. U.S. patentene nr. 3473388 og 3921458. En prinsipiell ulempe ved disse isokinetiske prøvetakningsinnretninger er at utvendige pumpeanordninger og instrumenter er nødvendig for å tilveiebringe en isokinetisk prøvetaking.

Det foreligger således et behov for et forbedret apparat for isokinetisk prøvetaking av flytende dispersjoner, og dette behov er tilfredsstillet med et apparat som for prøvetaking av et fluidum strømmer gjennom en fluidumstrømningsledning, omfatter en prøvetakingsledning med innløpsåpning i fluidum-strømningsledningen på tvers av dennes akse og en utløps-åpning tilsluttet fluidumstrømningsledningen på nedstrømsiden av innløpsåpningen og en innretning for måling av sammensetningen av fluidum som strømmer gjennom prøvetakingsledningen, der apparatet er kjennetegnet ved at fluidumstrømnings-ledningen (10) mellom de to ledningenes tilslutningspunkter har større lengde og diameter enn prøvetakingsledningen for å tilveiebringe isokinetisk overføring av fluidum fra fluidum-strømningsledningen til prøvetakingsledningen.

Det oppnås dermed samme eller i det vesentlige samme gjennomsnitlige strømningshastighet ved innløpet til prøve-takingsledningen og ved punkter på oppstrømsiden av innløpet i den uforstyrrede strøm i ledningen. Dette strømningshastig-hetsforhold kan oppnås ved tilpasning av lengden og/eller diameteren av fluidumstrømningsledningen eller prøvetakings-ledningen mellom punktene hvor de to ledninger står i forbindelse med hverandre. Diameterinnstillingen kan gjennom-føres ved ethvert punkt langs lengden til ledningen. F.eks. kan diameteren for prøvetakingsledningen eller fluidumledningen eller fluidumledningen innstilles bare ved planet for prøvetakingen, og derfor behøver ikke diameteren til hver ledning være lik.

En praktisk innretning for å oppnå den isokinetiske prøvetaking, er å innstille lengden til en av ledningene uten forandring av diameteren til noen av ledningene. En annen teknikk er å forandre ruheten til en eller begge ledningene og derved forandre friksjonsfaktoren for ledningene.

En fordel ved foreliggende oppfinnelse er fraværet av en ytre pumpeinnretning for å oppnå et isokinetisk prøvetakings-system. En særlig vesentlig fordel er at den isokinetiske prø-vetaking opprettholdes over et bredt område av fluidumegenskaper og strømningsbetingelser uten at det er nødvendig å benytte

servomekaniske systemer.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere forklares ved' hjelp av utførelseseksempler"som er fremstilt på tegningen, som viser: fig. 1 et skjematisk riss av apparatet ifølge oppfinnelsen som viser en prøveledning som en shunt over en sløyfe i fluidumstrømningsledningen,

fig. 2 et skjematisk riss av en utførelse for foreliggende oppfinnelse,

fig. 3 et diagram som viser effekten for prøvtakings-hastigheten ved prøvetakingsfeil for sand i vann,

fig. 4 en alternativ skjematisk utførelse av apparatet på fig. 1,

fig. 5 et diagram som viser evnen for en utførelse av oppfinnelsen til å bibeholde de isokinetiske prøvetakingsbeting-elser over et bredt område av driftsbetingelser.

Det vesentlige trekk ved foreliggende oppfinnelse er et apparat for tilveiebringelse av en prøve av et fluidum fra en fluidumstrømningsledning i hvilken prøven har den samme sam-mensetning som fluidumet i ledningen. Analyseringsmåten for fluidumprøven i prøvetakingsledningen er ikke noe hovedtrekk ved oppfinnelsen. F. eks. kan fysikalske prøver av fluidum gjenvin-nes ved tilveiebringelsen av to solenoidporter ved avstengning av en del av prøvetakingsledningen, slik at fluidumet kan dre-neres til en samlebeholder. Dette kan gjentas i intervaller for å bestemme sammensetningen til fluidumet som strømmer gjennom fluidumledningen ved enhver gitt tidsperiode.

En representativ prøve av en dispersjon som strømmer gjennom en fluidumledning kan oppnås hvis prøven trekkes ut isokinetisk. Isokinetisk uttrekkning eller isokinetisk prøvetaking opptrer når fluidumstrømningslinjene i og rundt prøvetakings-ledningens innløp er lik strømningslinjene som beskriver de dispergerte partiklers baner i og rundt prøvetakingsledningens inn-løp. En slik kongruens for fluidum- og partikkelstrømnings-linjene kan bli betegnet som isokinetisk strømning. Isokinetisk strømning opptrer bare når den gjennomsnittlige fluidumhastighet ved prøvetakingsledningens innløp er lik den gjennomsnittlige fluidumhastighet ved punkter oppstrøms for innløpet i den uforstyrrede strøm i strømningsledningen. Hvis gjennomsnittshastig-heten for fluidumuttakingen i prøvetakingsledningens innløp er større enn den gjennomsnittlige fluidumhastighet i strømmen opp-strøms i ledningen, vil tregheten til de dispergerte partikler bære et uriktig antall partikler forbi innløpet mens fluidum-strømningslinjene vil konvergere inn i innløpet. En prøve som er oppnådd slik vil inneholde en lavere konsentrasjon av dispergerte partikler enn fluidumet i strømningsledningen. Omvendt, hvis gjennomsnittsfluidumutgangshastigheten i prøvetakingsled-ningsinnløpet er mindre enn den gjennomsnittlige hastighet i oppstrømsdelen av strømningsledningen, vil de dispergerte partiklers treghet bære et uriktig antall partikler inn i innløpet mens fluidumstrømningslinjene divergerer forbi innløpet. En prøve som er oppnådd på denne måte vil inneholde en høyere konsentrasjon av dispergerte partikler enn fluidumet i strømnings-ledningen. De dispergerte partikler det dreier seg om kan være gassbobler, væsker som ikke er blandbare med det fremherskende fluidum eller faste stoffer.

En isokinetisk strøm oppnås i henhold til oppfinnelsen ved innstilling av prøvetakingsinnløpsdiameteren, fluidumledningens diameter ved punktet for prøvetakingen, de to led-ningslengder og de to ledningsdiametre. Isokinetisk prøvetaking i henhold til foreliggende oppfinnelse er ufølsom for hastigheten i fluidumstrømningsledningen, forutsatt at strømmen i prøve-takingsledningen og strømningsledningen begge er laminære eller begge turbulente. Størrelsen for prøven som oppnås i prøvetak-ingsledningen kan først bestemmes ved dimensjonering av prøve-takingsledningen for tilveiebringelse av ønsket prøvevolum og deretter f. eks. ved innstilling av prøvetakingsinnløpsdiamete-ren og fluidumledningens lengde mellom de to ender av prøvetak-ingsledningen for å oppnå den samme strøm i begge ledninger.

Forholdene mellom diameter og lengde for ledningene kan lett bestemmes ved "prøve- og feile"-metoden, men det er foretrukket å benytte hensiktsmessige ligninger for å tilnærme de egnede forhold og så gjøre de nødvendige justeringer for å oppnå de ønskede isokinetiske strømmer. På grunn av at egen-skapene til strømninger for turbulente og laminære strømmer er forskjellige, må ligninger for hvert slikt område utvikles se-parat .

Et eksempel på en ligning for vurdering av forholdet mellom lengde for strømningsledningen og lengden for prøvetak-ingsledningen for rørledninger med turbulent strøm er følgende:

hvor:

L = lengden for fluidumstrømningsledningen mellom prøvetakings- ledningens innløp og utløp,

1 = lengden for prøvetakingsledningen mellom innløp og utløp,

D = diameteren for fluidumstrømningsledningen,

d = diameteren for prøvetakingsledningen,

x = forholdet mellom den indre diameter for prøvetakingslednin-gen og den indre diameter for prøvetakingsinnløpet,

y = forholdet mellom den indre diameter for fluidumstrømnings-ledningen nedstrøms for prøvetakingsledningens innløp og den indre diameter for fluidumstrømningsledningen ved inn-løpet .

Den ovenstående ligning går ut fra at ruhetsegenska-pene til ledningene er uvesentlige og at fluidumstrømmen er turbulent mellom et Reynold-tall på 2500 og 100000, hvor rørled-ningens Reynold-tall er gitt med pp, hvor

d = rørdiameter,

v = fluidumhastighet,

p = fluidumtetthet,

p = fluidumviskositet.

Forskjellige metoder for analyse som ikke krever gjenvinning av en prøve fra prøvetakingsledningen kan benyttes, såsom fotometriske, elektrolytiske og lignende. F. eks. for bestemmelse av tettheten eller den spesifikke vekt for et fluidum kan det benyttes en tetthetscelle, såsom "CL-10TY"-serier av tetthetsceller (markedsføres av Automation Products, Inc., Houston, Texas). Disse innretninger omfatter et U-rør som vib-reres mekanisk med en elektrisk spole. Vibrasjonsfrekvensen blir en funksjon av massen til fluidumet. Hvis tettheten til fluidumet øker, vil den effektive masse for U-røret øke. Ved benyttelse av en opptaksspole kan vibrasjonsfrekvensen måles og omdannes til et vekselspenningssignal som er en funksjon av tettheten eller den spesifikke vekt for det strømmende fluidum.

Ved en foretrukket utførelse er det anordnet en innretning for oppfanging av en prøve i prøvetakingsledningen. Uttrykket "oppfange" slik det benyttes her, skal forstås å inn-befatte en fysikalsk oppfanging eller gjenvinning av en prøve og en etterfølgende analyse og/eller analyse på stedet i ledningen eller vurderingen av prøven.

Foreliggende apparat kan benyttes for å prøve homo-gene og hetrogene systemer av fluider, faste stoffer, gasser, blandinger av fluider og faste stoffer og blandinger av gasser og væsker. Foreliggende apparat er funnet å være særlig anvend-bart for prøvetaking av væsker som inneholder partikkelformede faste stoffer, såsom sand.

Når apparatet og fremgangsmåten benyttes med faste stoffer i væskekontakt, kan en vilkårlig dispergering av de faste stoffer i fluidumet bli oppnådd hvis fluidumstrømningsled-ningen er anordnet for å tillate en vertikal nedoverstrøm av fluidum. Denne vertikale anordning gir, i hvert fall teoretisk, et strømningssystem, av hvilket det kan tas en virkelig representativ prøve ved hjelp av prøvetakingsledningen. Imidlertid kan et horisontalt system bli benyttet hvis en egnet blandeinn-retning i ledningen er anordnet for å oppnå en tilsvarende vilkårlig dispersjon av de faste stoffer.

Fig. 1 viser et skjematisk riss av apparatet hvor fluidumstrømningsbanen gjennom fluidumstrømningsledningen 10 er vist med pilen. En prøvetakingsledning 12 har en hul sonde 11 plassert inne i ledningen 10. Prøvetakingsledningen har en be-gynnelse eller innløpsende 15 og en utløpsende eller et utløp 13 som står i forbindelse med ledningen 10 nedstrøms for innløps-enden 15. Fluidumstrømmen går gjennom ledningen 10 og prøvtak-ingsledningen 12 og går ut gjennom utløpet 13 tilbake inn i ledningen 10. Strømningsmålere 18 og 19 er festet til ledningene 10 og 12 respektivt for å måle strømningshastigheten i ledningene. En oppfangings- eller analyseinnretning, som beskrevet ovenfor, er betegnet med henvisningstallet 14.

Som vist på fig. 1 er innløpet 15 til sonden 11 plassert fjerntliggende fra veggen 16 til ledningen 10 i et plan vinkelrett til banen for fluidumstrømmen. Denne plassering innretter innløpet 15 for oppfanging av fluidum og minimaliserer forstyrrelsen av fluidumet ved punktet for prøveinngangen i prøvetakingsledningen 12. Ved den praktiske gjennomføring av oppfinnelsen bør innløpet 15 ligge på et plan på tvers av strøm-ningsbanen for fluidumet i ledningen 10. Oppfinnelsen krever ikke at innløpet 15 ligger på et plan vinkelrett til banen for fluidumstrømmen, som generelt vist på fig. 1.

Selv om fig. 1 viser innløpsenden 15 tilnærmet ved sentrum av ledningen 10, behøver den ikke være ved sentrum på grunn av at forstyrrelsen av strømmen i ledningen 10 bevirket av sonden 11 opptrer etter at prøven går inn i innløpet 15. Imidlertid er innløpet fortrinnsvis avstandsplassert fra veggen 16 for å unngå enhver kanalvirkningseffekt som kan opptre langs veggen.

Innløpet 15 er plassert på en forlengelse 17 av sonden 11, idet denne forlengelse ligger i et plan parallelt til den langsgående akse for fluidumstrømningsledningen 10.

Lengden til ledningen 10 og prøvetakingsledningen 12 innstilles som beskrevet ovenfor for å oppnå isokinetisk prøve-taking. Det kan anføres at sonden 11 og den forlengede del 17, som ender i innløpet 15, kan ha en bueform hvorved de samme be-traktninger som er diskutert ovenfor med hensyn til plasseringen i ledningen 10 vil gjelde.

Fig. 2 viser en innfangingsinnretning hvor prøvetak-ingsledningen 112 utstrekker seg inn i ledningen 110 ved bruk av en sonde 111 og forlengelse 117. Et fluidum strømmer gjennom ledningen 110 og inn i innløpet 115 til prøveledningen og deretter gjennom ledningen 112 og utløpet 113 inn i ledningen 110 nedstrøms for innløpet 115. Ved hver ende eller ved to punkter i prøvetakingsledningen 112 er det anordnet to automatisk virk-ende ventiler 114 som når de aktiveres samtidig innfanger fluidumet i prøvetakingsledningen 112 mellom seg. En tredje automatisk ventil 116 er plassert på ledningen 118 som står i forbindelse med prøvetakingsledningen 112 gjennom ventilen 116. Åpning av ventilen 116 tillater at prøven i prøvetakingslednin-gen 112 kan passere inn i oppsamlingsbeholderen 119 via ledningen 118. Det skal bemerkes at ventilen 116 ikke nødvendigvis må være automatisk betjent. En reduksjonsventil (ikke vist) kan også være anordnet for å hjelpe strømmen ut av ledningen 112.

Ved en utførelse av oppfinnelsen tillates en fluidum-strøm å stabiliseres gjennom ledningen 110 og prøvetakingsled-ningen 112. Ventilene.. 114 aktiveres og umiddelbart deretter ventilen 116 for å drenere prøven inn i beholderen 119. Ventilen 116 er lukket og ventilene 114 gjenåpnes og trinnene ovenfor gjentas. Disse trinn kan hensiktsmessig forutbestemmes ved en enkel beregningsdel som er programmert for å ta prøver i forut-bestemte intervaller.

Fig. 4 viser et apparat, i et skjematisk riss, som har de samme elementer og virkninger som vist på fig. 1. Elementene er imidlertid anordnet i forskjellig innbyrdes plassering. De samme betegnelser for elementene er blitt benyttet i begge figurer. På fig. 4 er lengden av fluidumstrømningsled-ningen 10 mellom prøvetakingsledningens innløp 15 og utløp 13 den samme som lengden til prøvetakingsledningen 12.

Selv om diameteren til fluidumstrømningsledningen og diameteren til prøvetakingsledningen på fig. 1, 2 og 4 er vist som i det vesentlige lik, er det klart at dette ikke er noe krav til foreliggende oppfinnelse. Forskjellige diametre kan benyttes i prøvetilnærmelsesligningen som angitt ovenfor og kan bli tilsvarende tatt hensyn til i de forskjellige systemer av fagmannen.

Det vesentlige trekk for bruk av apparatet ifølge oppfinnelsen er at fluidumhastigheten er den samme i inngangen til prøvetakingsledningen og i fluidumstrømningsledningen ved planet som svarer til inngangen for prøvetakingsledningen. De variable som kan benyttes for oppnå dette resultat er blitt beskrevet og kan benyttes i mange forskjellige kombinasjoner, slik det vil være selvfølgelig for fagmannen.

For å illustrere fordelene ved isokinetiske systemer i forhold til ikke-isokinetiske systemer ved bestemmelse av kon-sentrasjonen av faste stoffer i et system, ble det uført labora-torieforsøk hvor strømningshastigheten i prøvetakingsledningen og strømningsledningen ble variert. På fig. 3 er de feil som skrev seg fra ikke-kinetisk strøm vist ved inntegning av forholdet mellom prøvetakingshastigheten og rørledningshastigheten mot faststoffkonsentrasjonen i prøven relativ den virkelige konsentrasjon av faste stoffer. Den fluide faststoffblanding som ble benyttet besto av 1 vektprosent sand i vann, hvorved sand varierte i størrelse fra 80 - 120 mesh (angivelsen mesh-størrelse viser til U.S. standard siktserier).

Et eksempel på ytelsen til en utførelse av oppfinnelsen er vist på fig. 5. Dette apparat ble utformet, sammensatt og benyttet på følgende måte: En prøvetakingsinnretning ble utformet for å ta prø-ver av olje som inneholdt 0,2 vektprosent sand som strømmet gjennom en ledning med en indre diameter på 0,038 m med en hastighet på 160 m 3 pr. dag. Den generelle utforming av innretningen er vist på fig. 1.

Innretningen ble utformet for å prøve oljestrømmen isokinetisk ved bruk av en prøvetakingsledning med en diameter på 1,27 cm i samsvar med følgende trinn: a) Forholdet mellom lengde (1) for fluidumstrømningsledningen mellom innløpet og utløpet for prøvetakingsledningen til lengden (1) for prøvetakingsledningen ble beregnet til å være 3,2 i samsvar med ligning (1) foran, hvor D = 3,81 cm, d = 1,27 cm, x = 1,244 og y = 1,0. Dette forhold ble basert på antagelsen at begge ledninger var glatte og hadde en jevn

diameter over deres lengde.

b) Prøvetakingssløyfen ble oppbygget i samsvar med utformingen på fig. 1 ved bruk av L/l-forholdet bestemt i det første trinn a. Prøvetakingsledningens lengde 1 ble valgt til å være 0,914 m. Derfor ble lengden 1 til strømningsledningen

utformet lik 2,92 m.

c) Under henvisning til utformingen på fig. 1 ble strømnings-hastigheten i fluidumstrømningsledningen 10 målt ved bruk

av strømningsmåleren 18 og samtidig ble hastigheten i prøve-takingsledningen 12 målt ved bruk av strømningsmåleren 19.

d) Forholdet mellom lengdene L/l ble innstilt ved fjerning av en liten del av prøvetakingsledningen, slik at hastigheten

som ble målt med strømningsmålerne 18 og 19 var den samme.

Forsøk ble utført ved bruk av denne innretning som demonstrerer muligheten ved hjelp av oppfinnelsen til å oppnå en isokinetisk prøvetaking over et vidt område av hastigheter og fluidumegenskaper. I en prøve på 17 forsøk ble viskositeten til fluidene variert fra 1,0 - 40 centipoise, tettheten for fluidumet fra 0,86 g/cm 3 til 1,0 g/cm 3 og hastigheten for fluidumet i prøvetakingsledningen varierte fra 1,524 - 4,57 m/sek. Resultatet av disse prøver er vist på fig. 5 og viser at forholdet mellom hastigheten i prøvetakingsledningen og fluidumledningen var lik 1,0 over området av Reynold-tall fra 4 000 - 60000. Disse prøver viser også nødvendigheten av å holde enten laminær eller turbulent strøm i såvel strømningsledningen som i prøvetakingsledningen hvis man ønsker isokinetisk prøvetaking med en slik innretning uavhengig av hastighetsforandringer.

Som fig. 5 viser for prøvetakingsledningen vil ved Reynold-tall under ca. 2000 prøvetakingsprosessen bli progressivt mindre isokinetisk. Dette skyldes i stor grad at strømmen i prøvetak-ingsledningen blir laminær.

Prinsippet ifølge oppfinnelsen og en fordelaktig ut-førelsesform er blitt beskrevet ovenfor. Det skal forstås at mange modifikasjoner kan gjennomføres innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (7)

1. Apparat for prøvetakning av et fluidum som strømmer gjennom en fluidumsstrømningsledning, omfattende en prøve-takningsledning (12) med en innløpsåpning (15) i fluidum-strømningsledningen (10) på tvers av dennes akse og en utløpsåpning (13) tilsluttet fluidumstrømningsledningen (10) på nedstrømsiden av innløpsåpningen (15) og en innretning (14) for måling av sammensetningen av fluidum som strømmer gjennom prøvetakningsledningen (12), karakterisert vedat fluidumstrømningsledningen mellom de to ledningenes tilslutningspunkter har større lengde og diameter enn prøvetakningsledningen (12) for å tilveiebringe isokinetisk overføring av fluidum fra fluidumstrøm-ningsledningen (10) til prøvetakningsledningen (12).

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at innretningen for måling av sammensetningen av fluidet er innrettet til å avgi en fluidumprøve fra prøvetakningsledningen (12).

3. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at innretningen (14) for måling av sammensetningen av fluidet er innrettet til på stedet å analysere en fluidumprøve i prøvetakningsledningen (12).

4. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at prøvetakningsledningen (12) og fluidum-strømningsledningen (10) mellom prøvetakningsledningens innløpsåpning (15) og utløpsåpning (13) har konstant diameter.

5. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at prøvetakningsledningen (12) har forskjellig diameter på forskjellige steder av ledningen.

6. Apparat som angitt i krav 1, karakter i-sert ved at prøvetakningsledningens innløpsåpning (15) ligger i et plan hovedsaklig vinkelrett på strømnings-aksen i fluidumstrømningsledningen (10).

7. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at fluidumstrømningsledningen (10) har forskjellig diameter på forskjellige steder mellom prøvetaknings-ledningens innløpsåpning (15) og utløpsåpning (13).