NO167879B

NO167879B - Sanddetektor.

Info

Publication number: NO167879B
Application number: NO892819A
Authority: NO
Inventors: Terje Soentvedt
Original assignee: Norsk Hydro As
Priority date: 1989-07-07
Filing date: 1989-07-07
Publication date: 1991-09-09
Also published as: NO892819L; NO892819D0; ATE112850T1; NO167879C; DE69013348D1; CA2059295A1; EP0482035A1; EP0482035B1; US5250807A; AU5959090A; JPH04506408A; WO1991000991A1

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for å detektere innhold av partikkelformet materiale i væske og/eller gass-strømmer. Metoden kan eksempelvis benyttes for å overvåke produksjonsrate av sand i en produksjonsbrønn for hydrokarboner.

Ved olje- og gassproduksjon vil det i store områder fremkomme sand sammen med olje/gass. For produksjonsbrønner uten sandkontroll antas det at mer enn 25 ppm kvartspartikler med diameter 0-1000 pm blir produsert i sandsteins reservoarer. Hvis det benyttes sandkontroll, vil produksjonen være opptil 25 ppm kvartspartikler med diameter 0-100 um. Sandproduksjon av denne størrelse kan ikke bare forårsake alvorlig erosjon på produksjonsutstyret, men store mengder sand kan også samles i produksjonsutstyret. Derved kan man få stans i produksjonen. Hvis innholdet av sand i fluid-strømmen kan overvåkes pålitelig, kan korreksjoner foretas til rett tid og mange problemer løses. Maksimal sandfri produksjonsrate kan fastsettes. Det er derfor et behov for å måle nøyaktig små/middels sandproduksjonsrater med enten små partikler (bruk av sandkontroll) eller hele spekteret av partikkelstør-relser. Målingen bør fortrinnsvis utføres på hver enkelt brønn. Også ved annen virksomhet hvor det er fare for at innhold av partikler i en fluidstrøm kan forårsake erosjon, er det viktig med en kontinuerlig overvåking.

Flere forskjellige typer anordninger er benyttet eller fore-slått for å kunne overvåke eller detektere nærvær av sand i fluid fra et borehull.

En anordning som overvåker fluidstrømmen for å bestemme den slitasje som skyldes den medførte sanden, blir betegnet erosjonsprobe. Sand kan erodere gjennom eksempelvis en tynn, hulvegget probe som er plassert i selve prosesstrømmen. Trykkdifferansen mellom prosessen og et referansenivå vil aktivere en alarm. Proben vil derved ha en betydelig tidsfor-sinkelse for deteksjon av sand og vil ikke gi kontinuerlig overvåking av partikkelinnhold i prosesstrømmen. Den vil heller ikke kunne angi sandproduksjonsrate.

Det er videre kjent forskjellige akustiske prober, som enten monteres inne i røret eller er beregnet for å festes på utsiden av en rørledning. Probene kan detektere om sand blir produsert i ren gass eller væske. Evnen til å diskriminere mellom sand og annen støy er ikke tilfredsstillende i inter-mittent eller annulær/tåke gass strømning. Kalibrering av enhetene må utføres på aktuelt produksjonssted og må utføres med injeksjon av sand i det produserende system. Kalibrering vil endres når produksjonsraten eller andre støykilder endres.

Også når fine partikler produseres (0-0,5 mm diameter) er den akustiske energi for liten til å diskriminere mellom partikkel- og strømningsstøy. En slik probe er eksempelvis beskrevet i norsk patent nr. 140 838.

Fra US patent nr. 3.678.273 er det kjent en fremgangsmåte for å måle slitasje forårsaket av en abrasiv væske. En detektor belagt med radioaktivt materiale blir plassert i en fluidstrøm av eksempelvis oljeslurry inneholdende katalytiske partikler. Detektoren aktiveres av stråling fra det radioaktive belegg ettersom dette reduseres pga. innholdet av partikler i væsken. Den står i forbindelse med kontroll- og måleenheter på utsiden av røret. Dette patentet beskriver deteksjon av partikler i strømmer av enten væske eller gass og detektoren plasseres i et område hvor det forventes jevn strøm.Det er angitt at partikkelinnholdet i strømmen kan estimeres. Siden selve detektoren plasseres i væskestrømmen vil den delvis blokkere strømmen. Den vil ikke kunne registrere fine partikler, da disse vil bøye av og følge væske-strømmen. Denne detektoren vil ikke kunne benyttes eksempelvis for et høytrykks hydrokarbonrør hvor det er umulig å forutsi sandfordeling. Nøyaktigheten og hvordan partikkelinnhold bestemmes er ukjent. Metoden forutsetter kalibrering, samt helt jevn konsentrasjon av faste partikler.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for kontinuerlig overvåking av produksjonsrate av sand i en produksjonsbrønn for hydrokarboner. Det er viktig å kunne anslå mengde produsert sand uten kalibrering av systemet. Det er også et formål å frembringe et nøyaktig system som gir utslag ved en liten produksjonsrate og å kunne justere probens følsomhet etter de krav som overvåkingen stiller. Anordningen må kunne benyttes i flerfasestrømmer og kunne detektere finpartikler.

Disse og andre formål med oppfinnelsen oppnås med den fremgangsmåte som er beskrevet nedenfor og oppfinnelsen er karakterisert og definert ved de medfølgende patentkrav.

Ved denne oppfinnelsen har man kommet frem til en fremgangsmåte som gjør det mulig å detektere alt partikkelinnhold i en produksjonsstrøm som inneholder en ukjent mengde og fordeling av partikler, uten kalibrering av systemet. Det anvendes flere aktiverte prober som avgir radioaktiv stråling som oppfanges av detektorer plassert på utsiden av produksjons-strømmen. Hver probe skal kun sende signaler til én detektor. Probene er plassert i avstand fra hverandre både i lengderet-ningen og over prosess-strømmens tverrsnitt. Probene plasseres i en vinkel «X. til prosess-strømmen hvor 20° < C*^ < 60°. Uten signalbehandling vil probene registrere at prosesstrøm-men inneholder partikler ved en tykkelsesreduksjon på 0,1 % for det radioaktive belegg. Partikkelkonsentrasjonen er bestemt når 0,25 % av tykkelsen er tapt. Mengden Mg av partikler som treffer probene kan bestemmes ved følgende formel:

hvor E = Reduksjon av probens tykkelse (mm)

A = Rørets tverrsnittsareal (m<2>)

K = Materialkonstant for aktivert materiale

F = Funksjon av blandingens tetthet og midlere diameter Dp (mm) av faste partikler i reser-voaret ;

B = Konstant for alle gass/væske-forhold <j><<>> = Blandingens tetthet ( kg/m<3>)

V = Hastighet av blandingen (m/s)

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet nedenfor og er vist i de medfølgende tegninger hvor

Sanddetektoren er basert på radioaktiv materialtapsmåling. Materialtapsmåling med radioaktiv teknikk bygger på prinsip-pet at prøvematerialet bestråles med nøytroner eller andre energirike partikler, slik at det blir dannet radioaktive isotoper i materialet. Isotopene, som er radioaktive, vil sende ut stråling samtidig som de omdannes til nytt materiale. Intensiteten av denne strålingen kan måles og vil være direkte proporsjonal med mengde materiale i prøven. Ettersom prøven korroderer og/eller eroderer bort, vil intensiteten avta og dette gjør det mulig å måle materialtapet eller erosjons/korrosjonshastigheten svært nøyaktig.

Radioaktive prøver for materialtapsmåling kan dannes ved tynnsjikt aktivering eller nøytronaktivering. I begge til-feller bestråles prøvene med energirike partikler slik at det dannes radioaktive isotoper i materialet. Mengden som dannes er langt under 1 ppm. Materialegenskapene forandres derfor ikke. Ved nøytronaktivering har nøytronene stor inn-trengningsdybde slik at mesteparten går igjennom materialet. Dette gir en aktiveringsprofil med tilnærmet konstant aktiv-eringsnivå. Dette gjør tolking av data svært enkelt da tap i strålingsintensitet er direkte mål på vekttapet av prøven. Ved aktivering er det viktig at det dannes isotoper som har %-energier store nok til å nå fram til detektoren. Det er også viktig å finne fram til isotoper med halveringstider som egner seg for kontinuerlig erosjons-/korrosjonsovervåking i flere år.

En egnet isotop er Co<60>. Ved nøytron aktivering av stål kan man få dannet Co<60> da praktisk talt alle stål inneholder små mengder Co. Denne isotopen har passende ^-energier (1,17 MeV og 1,32 MeV) og halveringstiden er 5,27 år. Den lange halveringstiden gjør det mulig å drive erosjons-/korrosjonsovervåking på prosessutstyr i 20-25 år uten å skifte prøver eller penetrere utstyret.

Under forsøkene ble det imidlertid benyttet en sirkulær skive stanset ut av en 110 ^im tykk Inconell 600 folie som ved bestråling hovedsakelig ga isotopen 51Cr og noe <60>Co. 51Cr har lav halveringstid og lav ^-energi (0,32 MeV).

Forsøkene ble utført i en forsøkskrets som vist på figur 1. Den består av en prøveseksjon 1 av stål, pumpe 2 med variabel hastighet, sandmater 3 med variabel føderate og nødvendige tanker 4 for sand og vann. I første del av testperioden ble sanden dosert kontinuerlig uten resirkulering. Det ble benyttet sand med en midlere kornstørrelse ca. 0,50 mm. Strøm-ningshastigheten kunne reguleres fra 0-6 <m>/s og sandmengden fra 0-30.000 ppm. Høyeste sandkonsentrasjon som ble brukt i forsøkene var 5400 ppm.

Prøvene 5 ble plassert som vist i figuren. Det ble benyttet tre forskjellige prøveseksjoner. En hvor den aktive folien sitter i utgangen av et T-rør 6, en hvor prøven sitter fast på det vertikale røret 1 med en vinkel på 20° i forhold til væskestrømmen, og en hvor den aktive folien sitter på en skive på en stang midt i røret. De forskjellige plasseringene er markert med romertall I, II, III på figuren. Skiven 5 sitter på en bevegelig aksel slik at vinkelen mellom den aktive flaten og væskestrømmen kan forandres og slik at prøven kun skyves frem og tilbake på tvers av røret. Detektorene er angitt med henvisningtallet 7 på figur 1.

I figur 2 er en del av forsøksoppstillingen vist ner i detalj. Fluidstrømmen går gjennom røret 1. Den aktive prøve 5 er her vist montert på den bevegelige/roterbare stang 8. Detektoren 7 er plassert ca. 10 cm fra røret. Lenger avstand fra røret hadde krevd sterkere kilde, da strålingsintensiteten avtar med kvadratet av avstanden. Det er ikke noe i veien for å benytte tykkere rør, betongkappe, isolasjon etc. mellom prøven og detektoren. Det eneste krav som stilles er at det som er mellom prøve og detektor ikke varierer med tiden. Gammastrålene fra skivene blir oppfanget i en scintil-lasjonsdetektor med Nal-krystaller som gir lys ved bestråling. Energispekteret av lyset gir entydig informasjon om strålingsintensiteten fra skiven.

Detektoren 7 er tilkoblet en for-forsterker 9 og beskyttet av en blykappe 10. Den er videre tilkoblet en høyspenning 11, en forsterker 12 og en analysator 13. De fleste forsøk ble utført med to av de dreibare prøvene plassert etter hverandre med 60 cm avstand.

Det ble utført flere forsøk for å kunne finne de optimale forhold for prosessen.

Forsøk 1

Det ble utført forsøk for å se effekt av prøvens vinkel i forhold til væskestrømmen. De dreibare prøvene ble benyttet. På figur 3 er erosjonsraten vist for en strømningshastighet på 6 m/s og en sandmengde 5100 ppm og 2300 ppm når vinkelen mellom probene og strømmen varieres mellom 0 og 90° og probene står midt i røret. Av figuren kan det ses at erosjonshastigheten stiger raskt med økende vinkel opp til 45°, avtar deretter langsomt og når et minimum ved 90°. På figur 4 er erosjonshastigheten vist ved en redusert strømningshastighet på 3 m/s. Forsøkene tyder på at maksimum erosjonsrate for-skyves mot noe høyere vinkel, avtar raskere med økende vinkel og når et mye lavere minimum ved 90° enn under forsøkene med strømningshastighet 6 m/s. Den stiplede linjen viser beregnede verdier.

Forsøk 2

I flere forsøksserier ble prøvene skjøvet fram og tilbake på tvers av strømningsretningen for å se på sandfordelingen i røret. Figur 5A viser resultater oppnådd med prøve I fra forsøksserie med strømningshastighet 6 m/s, prøvevinkel 45°, sandmengde 5100 ppm og kornstørrelse 500 ppm. Kurven viser at sandfordelingen var skjevt fordelt i forhold til senter i røret. Innløpslengden var 2,5 m.

Figur 5B viser tilsvarende forsøk med strømningshastighet 4,5 m/s, sandmengde 2000 ppm og prøvevinkel henholdsvis 45° og 60° for prøve I og prøve II. For prøve I er fordelingen skjev i forhold til senterlinjen i røret. For prøve 2 er sanden jevnere fordelt. Dette viser at prøve I som ligger 60 cm i forkant av prøve 2, har homogenisert sand/vann strømmen.

For den prøveplassering som er vist på figur 1 ble det funnet størst erosjon på den prøven som satt i sentrum av røret og dannet en vinkel på 45° med væskestrømmen (prøve I). Erosjon på prøven som var flush-montert 1 cm fra utgangen av T-styk-ket (prøve III) var 60% mindre og erosjonen på prøven (II) langs veggen 75% mindre. Dette tyder på at lite av sanden beveger seg langs veggen.

Det er ofte ukjent hvordan sanden er fordelt i hydrokarbon gass og væske og også hvordan strømningsmønsteret av gass og væske virkelig ser ut ved produksjon. Væske/gass-strømmen vil medføre en ukjent skjevfordeling av sanden. Det er derfor nødvendig med mer enn én probe for å registrere all sandproduksjon. Figur 6 A,B viser eksempel på en optimal plassering av 3 prober 5 i et ror 1. Denne plassering vil være optimal for væskerike strømmer og strømmer inneholdende mye gass. Probene 5 og detektorene 7 er plassert i tre forskjellige plan I, II, III som vist i Figur 6A. Avstanden mellom de forskjellige detektorer må være så stor at hver skive sender signaler kun til én detektor. I praksis vil dette si en avstand på 0,5-1 m mellom detektorene. Forsøkene viste at en slik plassering av skivene registrerte alt partikkelinnholdet i ovennevnte type strømmer. Det vil være nødvendig alltid å ha en skive på midten av prosesstrømmen samt en eller flere på sidene for å detektere skjevstrømmer. Skivene var plassert med 45° vinkel til prosesstrømmen.

Forsøk 3

Det ble også utført forsøk for å se på effekten av mengde sand i prosesstrømmen. Figur 7A viser erosjonshastigheten som funksjon av sandmengden når prøven danner en vinkel på henholdsvis 45° og 60° med strømmen og strømningshastigheten er 6 m/s. Det ble benyttet sand med. kornstørrelse 0\5 mm. Som figuren viser er det en klar lineær sammenheng mellom5 erosjonshastighet og sandmengde. Spredning i noen av psmkttene skyldes at forsøkene stammer fra forskjellige forsøksserier. Den stiplede linjen viser beregnede verdier.

Forsøk 4

Også effekten av strømningshastighetens innvirkning på erosjonshastigheten er undersøkt. I figur 7B er denne sammenhen-gen vist. Forsøkene er utført med prøven plassert i 45° i forhold til strømmen, sandmengden er 2000 ppm og kornstørrel-sen 500 ppm. Når strømningshastigheten øker, øker også sandmengden som passerer et tverrsnitt i røret. Erosjonshastig-hetene som ble målt ved 3 m/s og 4,5 m/s er derfor korrigert slik at de tilsvarer at samme sandmengde 95 kg/time har passert prøven pr. tidsenhet. Erosjonshastigheten øker eks-ponentielt med strømningshastigheten. Den stiplede kurven viser beregnet erosjonshastighet dersom hastigheten øker med strømningshastigheten opphøyd i 2,3 (som er ganske vanlig for sand i gasstrøm).

Diverse forsøk er utført, også av søkeren, i gass/væske/par-tikkelstrøm for å finne sammenheng mellom endring i tykkelse for probene og mengde partikler. Resultatene er oppnådd med vekttapsmålinger og stasjonære ultralydprober. Det er i litteraturen rapportert flere resultater som angir erosjonshastighet som funksjon av strømningshastighet for forskjellige stålkvaliteter, partikler og partikkelstrørrelser i ulike miljø. Erosjon er avhengig av partiklenes fasong og hardhet. Fra de rapporterte data ble det utvalgt 17 data for erosjon på stål forårsaket av semiangulær kvartssand med den størrelsesfordeling som forekommer ved hydrokarbonproduksjon. I figur 8 er disse målepunktene tegnet inn i et diagram som viser erosjonshastighet som funksjon av strømningshastighet.

Resultatene verifiserer at det eksisterer en entydig relasjon mellom endring av tykkelse og sandmengde. Mengde faste partikler Mg (sand eller fines) som har truffet et aktivert filament er bestemt slik at:

hvor E = Reduksjon av probens tykkelse (mm)

A = Rørets tverrsnittsareal (m<2>)

K = Materialkonstant for aktivert materiale

F = Funksjon av blandingens tetthet ^ og midlere diameter Dp (mm) av faste partikler i reser-voaret;

B = Konstant for alle gass/væske-forhold

y = Blandingens tetthet ( kg/m<3>)

V = Hastighet av blandingen (m/s)

Beregnede verdier er vist som stiplede kurver på Fig. 4 og 7.

Ved å registrere materialtap for probene i prosesstrømmen kan således sandmengden bestemmes. Figur 9 viser materialtap observert når væskestrømmen ble tilsatt 2300 ppm sand i 2 timer. Prøven dannet en vinkel på 45° med væskestrømmen og materialtapet var 1,05%. Som figuren viser gir dette et stort utslag. Også tilsats av 400 ppm sand i seks timer gir et markant utslag som vist på figur 10. Materialtapet var 0,5%. En reduksjon av materialtapene til 0,2% i løpet av samme periode er også synlig. Følsomheten til målesystemet er avhengig av hvordan dataene skal brukes. Et materialtap på 0,1% er også synlig når måledataene kan analyseres i etter-tid. Datapunktene som er vist i figurene 9 og 10 er ikke bearbeidet. Med mer sofistikert statistikk kan påliteligheten av datatolkningen bedres og tiden før sandrate detekteres reduseres ytterligere.

Det ble funnet at uten behandling av signal er pålitelig indikasjon på at sand produseres når 0,1% av skivens tykkelse er tapt og total sandrate er bestemt ved 0,25% reduksjon av skivens tykkelse. Ved signalbehandling blir de tilsvarende tall 0,05% og 0,1%. Nøyaktigheten for systemet kan varieres ved å variere tykkelsen på den aktiverte skive, svært tynne skiver gir svært nøyaktige målinger. I en prosesstrøm kan det benyttes prober av forskjellig tykkelse alt etter hvor lang levetid man ønsker og hvor viktig det er raskt å vite at prosesstrømmen inneholder partikler.

Metoden vil kunne detektere sandproduksjon i gass- og oljefelt som følger:

Eksempel 1

Det benyttes en skive av gull med kobolt som kilde for gam-mastråling. Skivens tykkelse er 0,01 mm og den plasseres i 45° vinkel til prosesstrømmen. For gassfeltet i dette eks-empelet gjelder følgende betingelser, som vist i tabell 1.

I gassbrønnen strømmer gasssen med stor hastighet. Det til-lates derfor liten rate av sand på grunn av fare for betydelig erosjon i brønnhodet. Sandproduksjon vil oppdages etter at kun 0,5 til 2,5 kg sand er produsert.

Eksempel 2

Samme type probe som i foregående eksempel blir benyttet for en oljebrønn. For en brønn i et oljefelt vil de forhold som er listet opp i tabell 2 gjelde.

I denne oljebrønnen har man erfart en sandrate på 760 kg/dag når hastigheten av blandingen er kun 3,9 m/s (gassfluks er 1,6 m<3>/s/m<2> og væskefluks er lik 1,3 m<3>/s/m<2>). Slike lave produksjonsrater og gass/væske forhold er de vanskeligste å detektere for alle systemer som gjør bruk av partiklenes energi for å måle rate av sand. Med den fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan det fastslås at sand produseres innen ca. 2 timer etter at totalt 100 kg sand er produsert. Total sand-produks jon kan bestemmes innen 4,5 timer da totalt 430 kg sand er produsert.

Dersom enda større nøyaktighet kreves, kan proben plasseres

i trykkavspenningsutstyr (choke) dersom slikt inngår i prosessen.

Utførte tester viser at systemet er uavhengig av kalibrering. Selv om fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen hovedsakelig har blitt beskrevet anvendt ved deteksjon av sand i hydrokarbon-strømmer, er metoden anvendelig for andre typer prosesstrøm-mer hvor det er vesentlig å fastslå partikkelinnholdet og dets størrelse. Det er mulig å detektere partikkelstørrelser helt ned i størrelsesområdet 0-0,05 mm diameter. Probens følsomhet kan justeres etter de krav overvåkingen stiller. Ved å velge tykkelse og materiale for det aktive måleelemen-tet på proben, kan det utføres overvåking av rate av sand i alt fra oljebrønner (sandpartikler med liten energi) til gassbrønner (sandpartikler med stor energi) med tilstrekkelig nøyaktighet.

Claims

Fremgangsmåte til å detektere innhold av partikkelformet materiale i væske- og/eller gasstrømmer,karakterisert ved at partikkelinnhold Mg i en gass- og/eller væskestrøm detekteres ved at en eller flere prober (5) aktivert med et radioaktivt materiale plasseres i prosesstrøm-men og hvor en eller flere detektorer (7) anordnet på utsiden av prosessutstyret oppfanger signaler fra probene og hvor reduksjon i probens tykkelse E regist-reres og anvendes for fastleggelse av partikkelinnhold. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at det anvendes prober (5) utformet som sirkulære skiver. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert Ved at det anordnes 3 prober over prosesstrømmens tverrsnitt. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at probene plasseres i en vinkel a til prosesstrømmene hvor 20° < a < 60°. Fremgangsmåte ifølge krav 4,karakterisert ved at vinkelen holdes ved 45°. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at mengden Mg faste partikler som treffer probene i en hydrokarbonstrøm kan bestemmes ved:

hvor E = Reduksjon av probens tykkelse (mm) A = Rørets tverrsnittsareal (m<2>) K = Materialkonstant for aktivert materiale F = Funksjon av blandingens tetthet og midlere

diameter Dp (mm) av faste partikler i reser-voaret ; B = Konstant for alle gass/væske-forhold J = Blandingens tetthet ( kg/m<3>) V = Hastighet av blandingen (m/s)