NO173469B - Fremgangsmaate og apparat for maaling av andelene av forskjellige komponenter i en raaoljeblanding som stroemmer i en roerledning - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører måling av gass

og/eller vanninnholdet i olje, og spesielt en fremgangsmåte og et apparat for måling av andelene av gass, vann og olje i en råoljeblanding som strømmer i en rørledning.

Utvinning av olje gjennom brønner og produksjonsrør blir vanligvis fulgt av utvinning av en viss mengde tilhørende gass eller vann. Måling av volumandelene av slike komponenter i strømningssystemet er viktig i et hvert oljeutvinningssystem,

men spesielt ved offshore-produksjon hvor flere brønner kan være koblet til en undervannsmanifold med et stigerør eller en ledning til overflaten. Kjennskap til olje-, vann- og gass-komponenetene i røret fra hver brønn vil gi nødvendig informasjon for bedre styre et produksjonssystem og det produserende reservoar.

Det finnes flere teknikker for måling av en eller flere

av disse komponentene. For eksempel blir kapasitans- eller mikrobølge-teknikker brukt til å måle vanninnholdet i et strømningsrør, og gammastråle- eller nøytron-teknikker kan brukes til å måle hulrommet eller gassandelen.

En annen fremgangsmåte medfører bruk av en olje/vann-separator for måling av volumet av vann i råolje. En slik fremgangsmåte måler imidlertid bare vannmengden for seg. I

råolje er vann og olje ofte emulgert, og da blir separeringen ufullstendig, noe som resulterer i feilaktige målinger.

Dessuten må gassmengden i oljen måles separat, og siden regulatororganer vanligvis krever hyppige individuelle brønnstrømnings-målinger, trengs en egen testseparator for dette formål. Siden olje/vann-separatoren er stor og opptar dyrbar plass på en produksjonsplattform eller boreplattform,

er der behov for en pålitelig fremgangsmåte til måling av andelen av gass og vann i strømmende råolje fra en enkelt eller kombinert brønn.

Ytterligere en annen fremgangsmåte beskrives i GB-A-2,088,050, hvor det beskrives en metode for å måle

andelene av forskjellige komponenter i en råoljeblanding som strømmer gjennom en rørledning, omfattende de trinn å bestråle blandingene med gamma- eller røntgenstråler;

detektere strålingen som passerer gjennom blandingen for å generere signaler som er proporsjonale med innholdet av komponentene i blandingen; og å

behandle signalene for å oppnå et masseforhold for komponentene. GB-A-2,088,050 viser også et apparat for måling av andelene av forskjellige komponenter i en råoljeblanding som strømmer i en rørledning, omfattende en radioaktiv kilde for bestråling av blandingen med gamma- eller røntgenstråler, og en detektoranordning for å detektere den stråling som går gjennom komponentene av blandingen for å generere et første sett signaler.

Fremgangsmåten og apparatet ifølge GB-A-2,088,050 er imidlertid ikke satt i stand til å tilveiebringe tilstrekkelig følsomhet til å skille godt nok mellom olje, vann og gass, og formålet ved foreliggende oppfinnelse er å imøtekomme både behovet for en pålitelig og tilstrekkelig følsom fremgangsmåte til å måle de aktuelle andelene.

I en fremgangsmåte i samsvar med foreliggende oppfinnelse, dvs. for måling av andelene av forskjellige komponenter i en råoljeblanding som strømmer i en rørledning, hvor blandingen bestråles med gammastråler eller røntgenstråler, og hvor den stråling som passerer gjennom blandingen detekteres for å generere signaler som er proporsjonale med innholdet av komponentene i blandingen, og hvor signalene behandles for å oppnå et masseforhold mellom komponentene, er de karakteriserende trekk at blandingens temperatur måles, at blandingens trykkfall gjennom en strømningsinnsnevring måles, og at masseforholdet, temperaturen og trykkfallverdiene korreleres for å oppnå en massestrømningshastighet for de komponenter som er til stede i blandingen, idet strålingen gjennom et kjent volum av blandingen benyttes ved deteksjonen og genereringen av signaler.

I et apparat i samsvar med foreliggende oppfinnelse, hvilket apparat er for måling av andelene av forskjellige komponenter i en råoljeblanding som strømmer i en rørledning, omfattende en kilde for radioaktivitet for å bestråle blandingen med gammastråler eller røntgenstråler, og en detektoranordning for å detektere den stråling som passerer gjennom komponentene i blandingen for å generere et første sett med signaler, er de karakteriserende trekk at kilden for radioaktivitet er plassert for å bestråle blandingen nær en strupeinnretning som innsnevrer strømningen av blandingen langs en forutbestemt lengde av rørledningen, og videre en trykkmåleanordning for å måle trykkfallet i blandingen over strupeinnretningen fpr å generere et andre sett med signaler, en temperaturmåleanordning for måling av den strømmende blandingens temperatur og generering av et tredje sett med signaler, og en signalprosessor for å korrelere de første, andre og tredje sett med signaler for å tilveiebringe en massestrømnningshastighet for blandingen som indikerer de relative andeler av blandingens komponenter.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert under henvisning til de vedføyde tegninger, som illustrerer to utførelsesformer av oppfinnelsen, og hvor: Fig. 1 er et skjematisk, langsgående snitt gjennom en rør-ledning som innbefatter en utførelsesform av apparatet ifølge oppfinnelsen; og Fig. 2 er et skjematisk, langsgående snitt gjennom en rør-ledning som innbefatter en annen utførelsesform av apparatet ifølge oppfinnelsen.

Det vises til tegningen og spesielt til figur 1, der apparatet ifølge oppfinnelsen er ment for bruk i en rørledning 1 som fører råolje, vann og gass enten som en fordelt blanding, lagdelt blanding eller en kombinasjon av slike. Apparatet er innbefattet i en innsnevret seksjon 2 av rør-ledningen 1, og omfatter en kilde 3 for radioaktivitet, d.v.s. gammastråler eller røntgenstråler. Et lavabsorbsjonsvindu 4 kan være innbefattet i den innsnevrede seksjon 2 av rør-ledningen for å øke strålingsoverføringen gjennom råoljen. Stråling som overføres av oljen over rørledningen 1, blir detektert ved hjelp av en detektor 5 og matet via en ledning 6 til en signalprosessor 7.

Samtidig blir trykkfallet over den innsnevrede seksjon 2 måle ved å bruke trykkmålere 8 og 9. Signaler som genereres av trykkmålerne 8 og 9 blir matet gjennom ledninger, henholdsvis 10 og 11, til signalprosessoren 7. Råoljens temparatur blir målt ved å bruke en måler 12, som frembringer et ytterligere signal for overføring til prosessoren via en ledning 13. Prosessoren 13 som kan være en mikrodatamaskin, leverer et signal som blir overført via en utgangslinje 14 til en fremvisningsenhet (ikke vist), som gir en visuell indikasjon av olje, gass og vann-strømningshastighetene i råoljestrømmen.

Apparatet på figur 2 er praktisk talt identisk med det på figur 1, og følgelig er de samme referansetall blitt brukt hvor det er mulig, for å identifisere de samme eller lignende elementer.

På figur 2 kan den innsnevrede seksjon 2 av rørledningen 1 være erstattet av en variabel innsnevringsseksjon generelt indikert ved 16. Den variable innsnevringsseksjon 16 utgjøres av et par hus 17 og 18 som henholdsvis bærer den radioaktive kilden 3 og detektoren 5, samt drivelementer 19 og 20 for å bevege husene 17 og 18 mot hverandre eller fra hverandre. Drivelementene 19 og 2 0 kan for eksempel være fluidumdrevne sylindere, med stempelstenger som bærer husene 17 og 18.

Under drift detekterer detektoren 5 den stråling som overføres gjennom fluidene i den innsnevrede seksjon 2 eller 16 av rørledningen 1. Strålingskilden 3 inneholder en kilde som tilveiebringer gammastråler eller røntgenstrålinger ved minst 3 distinkte energinivåer eller alternativt separate og distinkte kilder for bestråling av fluidet i rørledningen 1.

I det tilfelle hvor strålens banelengde gjennom blandingen er fast, uvariabel og kjent, er bare to forskjellige fotonenergier nødvendige for å bestemme tre komponenter i blandingen. Detektoren 5 inneholder ett eller flere separate strålings-måleorganer som er i stand til å skjelne forskjellige energinivåer av gammaståling eller røntgenstråling. Strålingskilden eller kildene og måleorganet eller organene er innrettet for å tilveiebringe signaler som indikerer den strålingsmengde som overføres av de tre separate komponenter i blandingen i rørledningen 1.

Signalprosessoren 7 omfatter en forforsterker (ikke vist)

som forsterker de pulssignaler som sendes fra strålingsdetektoren 5. De forsterkede signaler blir videreført til en forsterker for ytterligere å forsterke signalene, som så blir matet til tre pulshøyde-diskriminatorer. Diskriminatorene fastsetter de vindusnivåer som svarer til to fotonenergier. En aritmetisk prosessor mottar utgangssignalet fra pulshøyde-diskriminatoren og beregner masseforholdet mellom olje, vann og gass i råoljen, som er proporsjonal med logaritmen av den overførte strålings-intensitet. Trykkfallverdier som leveres av målerne 8 og 9 blir korrelert med masseforhold-verdiene i den aritmetiske prosessen og sammenlignet med standard kalibreringskorrelasjoner som er lagret i prosessoren for å tilveiebringe masestrømnings-hastigheter for olje, vann og gasskomponenter i råoljen. Resultatene blir matet til en fremvisningsenhet. Siden fluidumtetthetene vanligvis er temparaturavhengige, tillater de temparaturmålingene som mates til signalprosessoren 7, nøyaktig beregning av massestrømnings-hastighetene når de sammenlignes med referanseverdier.

Strålingsdetektoren 5 kan være et gassladet proporsjonalt tellerrør. Måleinstrumenter slik som forforsterkeren, for-sterkeren og pulshøyde-diskriminatoren, er lagervarer som er vanlig brukt i strålingsmålinger. Den aritmetiske prosessoren kan være en mikrodatamaskin eller en analog krets.

Dempning av stråling i et hvert materiale kan uttrykkes på følgende måte:

hvor Io er intensiteten av den innfalne stråling, I er intensiteten av overført stråling, u er materialets masseabsorbsjons-

koeffisient for stråling, p er tettheten av materialet og d er overføringslengden i materialet. Hvis avstanden av strålings-overføringen i råolje- gass- vann-strømmen er D (cm), den totale lengde av oljebestanddelen er do, den totale lengde av vann-bestanddelen er dv, dén totale lengde av gassbestanddelen er dg , y o , ji w og y g er masseabsorbsjons-koeffisientene for stråling i henholdsvis olje, vann og gass, po , p» og p g er tettheten av henholdsvis olje, vann og gass, Io og I er intensiteten av den innfalne stråling og intensiteten av den overførte stråling, d/2 er tykkelsen av rørveggen der målingen finner sted,

p er tettheten av rørveggen i det målte parti, y er masse-absorbs jons-koef f isienten for stråling i den del av rørveggen hvor målingen inntreffer, så kan følgende ligninger oppnås:

Subindeksene 1, 2 og 3 vedrører de tre distinkte strålingsenergier. Siden y i pd er konstant og Io i kan bestemmes på forhånd, kan den høyre side av ligningen i hvert tilfelle bestemmes ved å måle intensiteten av den overførte stråling. Hvis den overførte stråling er Ci, d.v.s.

kan oppnås.

Siden strålingsenergiene er valgt for å gjøre y oi ,Vp gi , y 02 , y w 2 , U g2 og y 03 , y Ws , U ga liniaert uavhengige av

/

hverandre kan ligningene (1), (2) og (3) løses for d0p o, dvp«, dgPg som følger:

hvor

Siden de fysiske karakteristikker for olje og gassinnholdet i en gitt oljebrønn ikke endrer seg hurtig kan poi , yoj , yoa , ligi , y g2 , y g3 , y wi , y wj , y W3 , antas å være konstante over en tidsperiode med betydelig lengde. Ci, C2, Cs kan bestemmes ved å måle intensiteten av overført stråling, og dePo , d«p« og dg Pg kan finnes fra ligningene ovenfor, do Po , d«P« og dBp0 er fra deres definisjoner, summene av massen av olje, vann og gass, hver pr. arealenhet som strekker seg over overføringskanalen for stråling, over hele lengden av strålingens overføringskanal. Som oppsummering kan dopo, d«p« og d0pg bestemmes fra ligningene ovenfor hvis faste verdier på forhånd er gitt til ywi , ywa , yw3 , y 01 , y 02 , y 03 , y gi , y g2 , ygs og Ci , C2 og C3 blir bestemt ved hjelp av ligningene (4), (5) og (6) ved å måle intensiteten av overført stråling, slik at masseforholdet mellom olje, vann og gass i en råoljestrøm kan måles direkte, idet masseforholdet mellom olje, vann og gassbestanddelene kan bestemmes. D.v.s at siden intensiteten av overførte gammastråler kan måles direkte uten å bruke annen informasjon, blir denne bestemmelse av masseforholdet ikke påvirket selv om temparaturene og trykket i råoljen endrer seg og tettheten av gass, olje og vann blir endret.

EKSEMPEL

An»2 4 i blir brukt som strålingskilde. Strålingskilden tilveiebringer gammastråler ved 59,5 keV og 26,8 keV, og røntgenstråler ved 13,9 keV, 17,8 keV og 20,8 keV. Hvis det antas at strålingen med energi under 26,8keV er gammastråler ved 20keV, så kan de to energier ved å måle gammastråler ved 59,5 keV under bruk av et proporsjonalt tellerrør som en strålingsdetektor av pulstelle-typen, lett separeres og to intensiteter av gammastråler og røntgenstråler kan måles samtidig siden energioppløsningen for en typisk detektor er omkring 10 %. Gaia 3 kan brukes som den strålingskilde som tilveiebringer den tredje strålingsenergi. Ga utsender gammastråler med omkring 100 keV. Måling av gammastrålene kan utføres ved å bruke enten et proporsjonalt tellerrør eller en scintillasjonsdetektor.

Hvis for eksempel petroleumskomponenten er CnH2n og gass-komponenten er CH« , er masseabsorbsjons-koeffisientene for stråling som følger:

M 01 , v 02 , p 01, m wi , u W2 , u W3 , p gi, m g2 ,

ug2

0,431 0,197 0,172 0.811 0,206 0,171 0,423 0,213 0,187 cm2/g

Derfor er p 01 , p Wi , p gi og p 02 , p w2 , p g2 og p oa,

u Ws , p g3 lininært uavhengige av hverandre, og dop o , dwp» og dB Pb kan bestemmes uavhengig, og olje, vann og gass-bestanddelene av råolje kan bestemmes. Siden masseabsorbsjons-koeffisientene er kon-stanter for materialet, uavhengig av temparatur eller trykk, kan massebestanddelen av olje, vann og gass i råolje bestemmes uansett temparaturen eller trykket i råoljen.

Et alternativt system til det som er beskrevet ovenfor, vil være å bruke et detektorsystem som kan skjelne tre energinivåer fra en enkelt kilde slik som Am241.

Siden egenskapene til olje, vann eller gass kan forandre seg over lange tidsperioder, kan den aritmetiske prosessoren være slik at den er i stand til å justere verdiene av uoi , U02 , Voa , Mwi , ywi , yws , ugi , ug2 , ug3 periodisk.

Dessuten kan to separate strålingsmålesystemer brukes for den første og annen type stråling. I dette tilfelle blir en første strålingskilde, en første strålingsdetektor, en første forforsterker og en første hovedforsterker brukt for den første strålingstype, og en annen strålingskilde, annen strålingsdetektor, annen forforsterker og annen hovedforsterker blir brukt for den annen strålingstype. Ved å benytte en enkelt pulstelle-typedetektor for de tre strålingstyper, kan alternativt strålings-målesystemet fra strålingsdetektoren til hovedforsterkeren brukes i fellesskap av strålingssysternene. Et røntgenstråle-rør kan brukes i stedet for gammastrålingskilden. I eksemplet ovenfor blir målinger av strålingsintensiteten utført ved hjelp av en pulstelle-metode. Man vil forstå at strålingsintensiteten også kan måles ved å bruke en detektor av likestrømstypen. Signaler som er proporsjonale med logaritmen av intensiteten av den overførte stråling, blir generert av den aritmetiske prosessoren. Et slikt målesystem kan konstrueres for å tilveiebringe signaler som er proporsjonale med logaritmen av strålingsintensiteten ved å tilveiebringe en logaritmisk tellingshastighet-måler efter pulshøyde-diskriminatoren.

Ved å bruke beryllium som materiale i rørveggen der hvor strålingen overføres, kan dempningen av strålingen reduseres, og det blir lettere å måle overført stråling.

Når fluktuasjonene i bestanddelene i råoljen er hurtig, er det mulig automatisk å korrigere detekteringssystemet. Slik automatisk korreksjon kan foretas ved å tilveiebringe et fjerde strålingsmåle-system der strålingens fotonenergi er forskjellig fra strålingens fotonenergi i det første, annet og tredje strålingsmåle-system. Når for eksempel svovelinnholdet i råoljen varierer, blir et fjerde strålingssystem brukt for å oppnå ligningen:

hvor w a er produktet av svoveldensiteten og strålingsdistansen i svovelkomponenten i overføringskanalen, og de andre symbolene har de definisjoner som er gitt foran. Man vil forstå at dopo , d»p» og do Po og ws kan oppnås ved å bruke ligningene hvor \ isiws, Ua^,

^s3<w>s er subtrahert fra den høyre side av ligningene (1), (2) , (3) og løse disse ligningene og ligning (14) samtidig. I det tilfellet hvor fotonenergien for det første, annet og tredje strålingsnivå er 20, 60 og 100 keV, kan fotonenergien til den fjerde gammastrålingskilden være valgt til omkring 40keV.

I det tilfelle hvor det er ønskelig å korrigere beregningen for å tillate fluktuasjoner i råoljens nikkelinnhold, kan et femte strålingsmåle-system tilveiebringes. Strålingens fortonenergi blir valgt til å adskille seg tilstrekkelig fra de andre foton-energiene til at målingene kan utføres med tilstrekkelig nøyaktig-het. Som ovenfor under kompensering for svovelinnholdet, kan de følgende ligninger anvendes på svovel og nikkel i råoljen.

Igjen kan lignende versjoner av ligningene (1), (2) og (3) etableres og de fem ligningene kan løses for å oppnå korrekte verdier av doP o , dw P* og dg Pg . ;Råolje inneholder ofte sand. Når sandmengden er liten, kan do po , dw Pv og dg pg bestemmes på den måte som er beskrevet ovenfor i ligningene (1), (2) og (3). Når imidlertid sandmengden er stor og varierer, bør strålingskildene velges for å tilveiebringe et fjerde f otonenergi-nivå slik at yo , y* , y0 og ysn for de fire energiene er liniært uavhengig av hverandre. Man vil se at ved å løse de følgende ligninger, kan andelene av olje, vann, gass og sand oppnås.

I ligningene ovenfor er subindeks SD brukt for å identifisere verdiene for sand.

Ved å korrelere de trykkfallverdier som tilveiebringes av målerne 8 og 9 med masseforholdverdiene som er oppnådd på den ovenfor beskrevne måte, blir massestrømningshastigheter for de forskjellige komponenter oppnådd ved hjelp av standard kalibreringskorrelasjoner. På grunn av slipp i rett rørstrømning kan det være betydelige forskjeller mellom strømningshastighetene i de forskjellige faser. En strømningsinnsnevring fremmer utjevnede strømningshastigheter av komponentene i området ved innsnevringen og strømningshastighetene.

Den teknikk som er beskrevet ovenfor benytter gamma/røntgen-stråler med lav energi for å skjelne mellom vann og oljekomponenter, og teknikken er derfor i praksis begrenset til indre rørdiametere (eller banelengde i fluidet), på omkring 1 til 10 centimeter. Dimetere på produksjonsrørledningen er imidlertid vanligvis i området fra 5 centimeter til 20 centimeter. For å bruke denne teknikken i et produksjonssystem, kan derfor diameteren på produksjonsrøret reduseres ved målepunktet for å muliggjøre eller forbedre nøyaktigheten av målingen av komponentandelene, idet dette ved hjelp av trykkfallmålingen gjennom strømningsinnsnevringen også tilveiebringer midlér til å omforme masseandelene av komponentene til massestrømningshastighet.

Kombinasjonen av fremgangsmåten med lavenergistråling og en måling i den reduserte diameter av en innsnevring, tilveiebringer derfor den nødvendige følsomhet for bestemmelsen av de separate komponenter med stor nøyaktighet.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for måling av andelene av forskjellige komponenter i en råoljeblanding som strømmer i en rørledning, hvor blandingen bestråles med gammastråler eller røntgen-stråler; hvor den stråling som passerer gjennom blandingen detekteres for å generere signaler som er proporsjonale med innholdet av komponentene i blandingen; og hvor signalene behandles for å oppnå et masseforhold mellom komponentene; karakterisert ved at blandingens temperatur måles; at blandingens trykkfall gjennom en strømnings-innsnevring måles; og at masseforholdet, temperaturen og trykkfallverdiene korreleres for å oppnå en masse-strømningshastighet for de komponenter som er til stede i blandingen, idet strålingen gjennom et kjent volum av blandingen benyttes ved deteksjonen og genereringen av signaler.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bestrålingen utføres i strømningsinnsnevringen.

3. Apparat for måling av andelene av forskjellige komponenter i en råoljeblanding som strømmer i en rørledning (1), omfattende en kilde (3) for radioaktivitet for å bestråle blandingen med gammastråler eller røntgenstråler; og en detektoranordning (5) for å detektere den stråling som passerer gjennom komponentene i blandingen for å generere et første sett med signaler, karakterisert ved at kilden (3) for radioaktivitet er plassert for å bestråle blandingen nær en strupeinnretning (2) som innsnevrer strømningen av blandingen langs en forut bestemt lengde av rørledningen (1), og videre ved en trykkmåleanordning (8, 9) for å måle trykkfallet i blandingen over strupeinnretningen (2) for å generere et andre sett med signaler; en temperaturmåleanordning (12) for å måle den strømmende blandingens temperatur og generere et tredje sett med signaler, og en signalprosessor (7) for å korrelere de første, andre og tredje sett med signaler for å tilveiebringe en massestrømnings-hastighet for blandingen som indikerer de relative andeler av blandingens komponenter.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at den radioaktive kilden (3) og detektoranordningen (5) er anbrakt i strupeinnretningen (2) .

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at temperaturmåleanordningen (12) er anbrakt for å måle blandingens temperatur nær strupeinnretningen (2) .

6. Apparat ifølge et av kravene 3-5, karakterisert ved at strupeinnretningen (2) er variabel for å endre størrelsen på strømningsinnsnevringen for strømmen av blandingen.