NO166205B

NO166205B - APPARATUS AND PROCEDURE FOR MEASURING A MULTIPLE PHASE FLOW.

Info

Publication number: NO166205B
Application number: NO871814A
Authority: NO
Inventors: Charles Roy Gold
Original assignee: British Petroleum Co
Priority date: 1985-09-04
Filing date: 1987-04-30
Publication date: 1991-03-04
Also published as: NO871814L; NO166205C; NO871814D0

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører måling av flerfaset strømning. Det er ofte viktig å kjenne den totale massestrøm-ning av en fluidstrøm som har mer enn en fase, f.eks. en som har to eller flere flytende faser og/eller flytende gass-faser. The present invention relates to the measurement of multiphase flow. It is often important to know the total mass flow of a fluid flow that has more than one phase, e.g. one that has two or more liquid phases and/or liquid gas phases.

Således kan ved råoljeproduksjon fluidet ved brønnhodet innbefatte en kombinasjon av råolje, vann og gass (enten oppløst eller som en separat fase). Thus, in crude oil production, the fluid at the wellhead may include a combination of crude oil, water and gas (either dissolved or as a separate phase).

I flerbrønns produksjonssystemer for råolje er det ofte nødvendig å utmåle den totale produksjon på en pr. brønn-basls. Derfor er måling av den totale massestrømning fra hver individuell brønn nødvendig. For tiden er den totale volum-etriske strømning vanligvis oppnådd indirekte fra en kunnskap om trykket målt oppstrøms av en struper og struperstørrelsen. Brønntester foretas for å oppnå gass/oljeforholdstall og prøveeksemplarer tas for laboratorieanalyser for å fastslå vanninnholdet og fasedensiteter. Massestrømningen for hver fase kan dermed beregnes. In multi-well production systems for crude oil, it is often necessary to measure the total production on a per well-basls. Therefore, measurement of the total mass flow from each individual well is necessary. At present, the total volumetric flow is usually obtained indirectly from a knowledge of the pressure measured upstream of a throttle and the throttle size. Well tests are conducted to obtain gas/oil ratios and samples are taken for laboratory analysis to determine water content and phase densities. The mass flow for each phase can thus be calculated.

Visse teknikker er unøyaktige og en mer direkte metode for å måle multifasestrømning er ønskelig. US-patent 4272982 beskriver en flerfaset strømningsmåler for å måle strømningen av et fluid som inneholder både væske-og gasskomponenter. Måleren innbefatter en struktur som korresponderer med en måler med en glidende vinge med positiv fortrengning sammen med et gammastråledensitometer for bestemmelse av densiteten av et segment av strømmen innfanget mellom to glidende vinger. Bruken av en dreiende sylinder med glidende vinger er hensiktsmessig ved at den interfasede hastighetsslipp forhindres og en klar bane er anordnet for gammastrålene fra en side av anordningen til den andre bortsett for den svært korte tidsperiode under hvilke en vinge passerer mellom gammastrålekiIden og detektoren. Imidlertid entrer fluidet den positive fortrengningsanordningen langs en akse ved rette vinkler til dreiningen av sylinderen og treffer således direkte på de glidende blader. Fluidet kan inneholde lommer eller "slugs" med gass og væske og de påfølgende transiente krefter som virker på bladene kan være høye som fører til skade på bladene, hvilke kan forvri disse og forhindre glidebevegelse i den dreiende sylinder. Certain techniques are inaccurate and a more direct method of measuring multiphase flow is desirable. US patent 4272982 describes a multiphase flow meter for measuring the flow of a fluid containing both liquid and gas components. The meter includes a structure corresponding to a positive displacement sliding vane meter together with a gamma ray densitometer for determining the density of a segment of the flow trapped between two sliding vanes. The use of a rotating cylinder with sliding vanes is convenient in that the interphase velocity slip is prevented and a clear path is provided for the gamma rays from one side of the device to the other except for the very short period of time during which a vane passes between the gamma ray key and the detector. However, the fluid enters the positive displacement device along an axis at right angles to the rotation of the cylinder and thus impinges directly on the sliding blades. The fluid may contain pockets or "slugs" of gas and liquid and the subsequent transient forces acting on the blades may be high leading to damage to the blades, which may distort them and prevent sliding movement in the rotating cylinder.

Det er derfor ønskelig å tilveiebringe et apparat for måling av flerfaset strømning som utviser større robusthet. It is therefore desirable to provide an apparatus for measuring multiphase flow which exhibits greater robustness.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et apparat for måling av flerfaset massestrøm av et fluid innbefattende en første dreibar aksiell strømningspositiv fortrengningsanordning for tilførsel av fluid til et kammer, hvis kammer er tilknyttet et strålingsdensitometer for bestemmelse av den midlere densitet til fluidet, og en andre dreibar aksial-strømmende positiv fortrengningsanordning for å fjerne fluid fra kammeret ved den samme volumgrad som den ved hvilke den tilføres. The present invention provides an apparatus for measuring multiphase mass flow of a fluid comprising a first rotatable axial flow positive displacement device for supplying fluid to a chamber, which chamber is associated with a radiation densitometer for determining the average density of the fluid, and a second rotatable axial- flowing positive displacement device to remove fluid from the chamber at the same volume rate as that at which it is supplied.

Ifølge et ytterligere aspekt av oppfinnelsen er det tilveie-bragt en fremgangsmåte for bestemmelse av massestrømningen for det flerfasede fluid som innbefatter tilførsel av det flerfasede fluid inn i et kammer gjennom en positiv fortrengningsanordning, hvor dentiteten av fluidet måles i kammeret med et strålingsdensitometer, og det flerfasede fluid fjernes fra kammeret ved den samme volumgrad som den ved hvilke den mates til kammeret, og antallet voluminkrementer som passerer gjennom den positive fortrengningsanordning måles og antallet inkrementer og densiteten av hvert volum som passeres ved den positive fortrengningsanordning summeres for å bestemme massestrømningen som passerer gjennom anordningen. According to a further aspect of the invention, a method for determining the mass flow of the multiphase fluid is provided which includes feeding the multiphase fluid into a chamber through a positive displacement device, where the density of the fluid is measured in the chamber with a radiation densitometer, and the multiphase fluid is removed from the chamber at the same volume rate as that at which it is fed to the chamber and the number of volume increments passing through the positive displacement device is measured and the number of increments and the density of each volume passed by the positive displacement device are summed to determine the mass flow passing through the device.

De to anordninger for tilførsel og uttak av fluid fra måle-kammeret er positive fortrengningsanordninger. Således kan fluid ikke passere gjennom anordningen med mindre de tillates å dreie og komponentene for hvert inkrement av fluidet kan ikke bevege seg ved ulike hastigheter gjennom den positive fortrengningsanordning. Anordningene er aksialstrømanord-ninger, dvs. fluidet entrer anordningen og strømmer parallelt med dreieaksen for anordningen. Den generelle retning for strømningen i anordningen er parallelt med dreieaksen og således er de transiente krefter som genereres i flerfase-strømningen generelt tangensielle til rotorne og treffer ikke direkte på disse. The two devices for supplying and withdrawing fluid from the measuring chamber are positive displacement devices. Thus, fluid cannot pass through the device unless allowed to rotate and the components for each increment of fluid cannot move at different speeds through the positive displacement device. The devices are axial flow devices, i.e. the fluid enters the device and flows parallel to the axis of rotation of the device. The general direction of the flow in the device is parallel to the axis of rotation and thus the transient forces generated in the multiphase flow are generally tangential to the rotors and do not strike them directly.

Et eksempel på en egnet dreiende aks i al st rømmende positiv fortrengningsanordning innbefatter par av hel iske rotorer som går i inngrep med hverandre, en i hver positiv fortrengningsanordning, og som er festet til dreibart monterte aksler som er parallelle med hverandre. An example of a suitable rotating shaft in an all-flowing positive displacement device includes pairs of helical rotors that mesh with each other, one in each positive displacement device, and which are attached to pivotably mounted shafts that are parallel to each other.

Den andre dreiende aksialstrømmende positive fortrengningsanordning kan bevirkes til å fjerne fluid fra kammeret ved den hastighet med hvilke den tilføres ved å være koblet til en aksel eller aksler sammen med det første dreiende aksial-strømmende positive fortrengningskammer. The second rotating axial-flow positive displacement device can be caused to remove fluid from the chamber at the rate at which it is supplied by being coupled to a shaft or shafts together with the first rotating axial-flow positive displacement chamber.

Måleanordningen for densiteten må anordnes slik at det måles den midlere densitet over det avgrensede volum. Dette kan oppnås ved å forflytte de avgrensede volum forbi en målean-ordning for densiteten som er fast. The measuring device for the density must be arranged so that the average density over the defined volume is measured. This can be achieved by moving the bounded volume past a measuring device for the density which is fixed.

Densiteten av det avgrensede fluidvolum kan bestemmes ved et strålingsdensitometer. Strålingsdensitometeret, f.eks. gammastråledensitometeret er vel kjent for fagmannen og en detaljert beskrivelse av deres virkemåte er ikke nødvendig. Responstiden for densitetmåleanordningen som anvendes må naturligvis være tilstrekkelig til å måle densiteten innenfor en periode fastsatt ved gjennomløpstiden for de avgrensede voluminkrementer gjennom densitetsmålekammeret. The density of the bounded fluid volume can be determined by a radiation densitometer. The radiation densitometer, e.g. the gamma ray densitometer is well known to the person skilled in the art and a detailed description of their operation is not necessary. The response time for the density measuring device used must of course be sufficient to measure the density within a period determined by the passage time for the defined volume increments through the density measuring chamber.

En enkelt gammastrålekilde eller et antall kilder og detekto-rer kan anvendes i gammastråledensitometeret. A single gamma ray source or a number of sources and detectors can be used in the gamma ray densitometer.

Apparatet kan anordnes med innretninger for å måle trykket og temperaturen i kammeret. The apparatus can be equipped with devices to measure the pressure and temperature in the chamber.

En spesifikk utførelse av den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med henvisning til de vedlagte tegninger som representerer en tredimensjonal skjematisk skisse av et apparat ifølge den foreliggende oppfinnelse. Apparatet innbefatter en dobbelt helisk positiv fortrengningsmåler av rotortypen i hvilke fremadskridende hulrom dannes, og fortrenger kjente fluidvolumer mellom rotorne. A specific embodiment of the present invention will now be described with reference to the attached drawings which represent a three-dimensional schematic sketch of an apparatus according to the present invention. The apparatus includes a double helical positive displacement meter of the rotor type in which progressive cavities are formed, displacing known volumes of fluid between the rotors.

Den i inngrep gående heliske rotorenhet 1 er delt i to seksjoner (la og lb) adskilt av et sylinderisk kammer 2 gjennom hvilke akslen(e) 3 passerer som sammenkobler de to seksjoner. En gammastrålekilde 4 er anordnet for å passere en gammastråle over kammeret til en korresponderende detektor 5 på den andre side. The engaging helical rotor unit 1 is divided into two sections (la and lb) separated by a cylindrical chamber 2 through which the shaft(s) 3 passes connecting the two sections. A gamma ray source 4 is arranged to pass a gamma ray across the chamber to a corresponding detector 5 on the other side.

Således passerer hver voluminkrement som innfanges mellom rotorne av inngangsseksjonen (la) inne i sitt hulrom med den samme hastighet fremad som de forangående og etterfølgende strømningsinkrementer. Interfaseslipp forhindres derved. Ved entring av det sentrale densitometerkammer 2 tvinges de ulike faser i fluidet til ensidig aksellrasjon ved utgangsseksjonen av rotorene lb som fordi de er direkte synkronisert med inngangsrotorene la sikrer at hastigheten på strømmen som utgår fra kammeret er identisk med den til den inngående strømning. Thus, each volume increment captured between the rotors of the inlet section (la) passes within its cavity at the same forward speed as the preceding and following flow increments. Interphase slippage is thereby prevented. Upon entry of the central densitometer chamber 2, the various phases in the fluid are forced to one-sided acceleration at the output section of the rotors lb which, because they are directly synchronized with the input rotors la, ensure that the speed of the flow emanating from the chamber is identical to that of the incoming flow.

Gammastrålen 4 er anordnet til å måle den midlere densitet av fluidet som passerer gjennom kammeret og tar tilbørlig hensyn til den ytterligere densitet av rotorakslen(e). The gamma ray 4 is arranged to measure the average density of the fluid passing through the chamber and takes due account of the additional density of the rotor shaft(s).

De to positive fortrengningsanordninger er montert inne i et rørformet legeme 6 som danner et innløp 7 og et utløp 8. Kammeret 2 er deginert mellom legeme 6 og de to positive fortrengningsanordninger. The two positive displacement devices are mounted inside a tubular body 6 which forms an inlet 7 and an outlet 8. The chamber 2 is designed between the body 6 and the two positive displacement devices.

Utstyr (ikke vist) er også anordnet for å måle trykket og temperaturen inne i kammeret. Equipment (not shown) is also provided to measure the pressure and temperature inside the chamber.

Massestrømningen som passerer gjennom anordningen oppnås fra produktet av summen av de inkrementalt avgrensede volumer, og fluiddensiteten. Passende beregninger som involverer tempera-tur -og trykkmålinger kan utføres for å oppnå volumforholdet mellom gass og fluid ved atmosfærisk trykk og andre paramet-ere av interesse. The mass flow passing through the device is obtained from the product of the sum of the incrementally defined volumes, and the fluid density. Appropriate calculations involving temperature and pressure measurements can be performed to obtain the volume ratio between gas and fluid at atmospheric pressure and other parameters of interest.

Claims

1. Apparatus for measuring multiphase mass flow of a fluid, characterized in that it includes a first rotatable axial flow positive displacement device for supplying controlled volumes of fluid to a chamber, which chamber has associated a beam densitometer for determining the average density of the fluid in the chamber, and a second rotatable axial flow positive displacement device for withdrawing fluid from the chamber at the same volume rate as that at which it is supplied.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that each rotatable axial-flowing positive displacement device includes 2 double helical rotors, and rotor pairs, one in each axial-flowing positive displacement device, are attached to rotatably mounted shafts that are parallel to each other.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the radiation densitometer is a gamma ray densitometer.

4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus is arranged with devices for measuring the temperature and pressure in the chamber.

5. Method for determining the mass flow of a multiphase fluid, characterized in that the multiphase fluid is supplied to a chamber through a positive displacement device, that the density of the fluid in the chamber is measured with a beam densitometer, that the multiphase fluid is removed from the chamber at the same volume level as that at which it accessed the chamber, that the number of volume increments passing through the positive displacement device is measured, and that the number of increments and the density for each volume passed by the positive displacement device are summed to determine the mass flow passed through the device.