NO174643B - Apparat og fremgangsmaate for bestemmelse av stroemningshastighet og gass/vaeske-forhold i flerefasestroemmer - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår et apparat og en framgangsmåte for måling av strømningshastighet og gass/væske-forhold i flerfase-blandinger i rør og brønner, som angitt i den innledende del av de selvstendige patentkravene 1 og 3.

US patentskrift 4.312.234 anvender en tvunnet tape og et venturimeter. Trykkfallet over hver av disse blir målt. Matematiske og eksperimentelle (kalibrerings) verdier blir brukt for å korrelere de målte trykkfallene til blandingens strømningshastighet. Den tvunnete tapen er plassert umiddelbart oppstrøms for å sikre en ring-formet og homogen strømning gjennom venturimeteret. Denne framgangsmåten avhenger av bruken av korrekt matematisk modell med utførlige kalibreringsverdier. Framgangsmåten gir blandingens strømningshastighet dersom gass/væske-forholdet er kjent. Denne metoden krever videre en installasjon inne i rørsystemet, og en framskaffelse av det store omfang kalibreringsverdier som kreves er svært vanskelig.

US patentskrift 4.402.230 anvender en sammenliknende filter-korrelasjonsteknikk, der flere signaltyper kan anvendes: trykk, akustiske, optiske m.fl. Eksperimentelle verdier er påkrevet for å identifisere de karakteristiske egenskapene ved de strømmende fasene. To sensorer tar opp signalet og sammenlikner dette med de karakteristiske egenskapene. Forplantningstiden for identiske egenskaper gir strømningshastigheten. Framgangsmåten gir imidlertid ikke gass/væske-forholdet, kun strømningshastigheten for de individuelle fasene. Etter foreliggende oppfinners oppfatning er det svært vanskelig å oppnå verdier for disse karakteristiske egenskapene, og disse egenskapene har dessuten en tendens til å endres mellom to målestasjoner.

US patentskrift 4.884.457 bruker to densitetsmålere, for eksempel gammastråle-målere. Målingene korreleres og sammenliknes med teoretiske ligninger for tofase-strømning. Slike gammastråle-målere kan imidlertid ikke gi en tilstrekkelig rask respons til å detektere de detaljerte egenskapene ved strømningen, noe som er nødvendig for å kryss-korrelere verdiene.

Kort sammenfattet er det for fierfasesystemer foreslått et utall målemetoder for måling av strømningshastighet og gass/væske-forhold. Problemet er svært komplekst og har ikke blitt løst. Det er mange nye teknikker under utvikling, men detaljene ved disse er i mange tilfeller ikke tilgjengelige.

En gamma-strålemåler kan måle densiteten i en flerfaseblanding, forutsatt at måleren er kalibrert. Røret blir typisk fylt med gass-fasen og måleren kalibrert, hvoretter røret fylles med væske-fasen for kalibrering med hensyn til denne. Utstyret brukes deretter til å måle reduksjonen i stråleintensitet som passerer gjennom blandingen av de to kalibrerings-fluidene (gass og væske). Kalibreringskurven er imidlertid ikke nødvendigvis lineær, og det er følgelig ikke alltid mulig å forutsi kalibreringskurven for blandinger. Erfaringer fra forsøk med strømmende gass/væske-blandinger brukes for å estimere formen av kalibreringskurven. Det kreves imidlertid anseelige mengder eksperimentelle data for å oppnå rimelig nøyaktige verdier for den reelle blandingens densitet. Denne metoden gir kun gass/væske-forholdet. Av statistiske årsaker må dette gamma-stråleinstrumentet måle reduksjonen i stråleintensitet over et visst tidsrom, og er ikke hensiktsmessig for framskaffelse av momentanverdier. Det har blitt foreslått flere ulike gamma-stråle-innretninger, og slike innretninger blir testet for å overvinne vanskelighetene som er forbundet med denne teknikken. Som angitt ovenfor, tar det tid å oppnå tilstrekkelig mengde gammastråling til å framskaffe signifikante signaler (statistikk av nukleid-fenomener), og slike metoder kan derfor ikke lett anvendes for kryss-korrelasjonsteknikker.

Kryss-korrelasjonsteknikken anvendes i mange av flerfase-metodene som er foreslått. Kryss-korrelasjonsteknikken er basert på måling av et signal ved to posisjoner. Disse to signalene blir sammenliknet for å oppnå informasjon om forplantningstiden mellom to posisjoner. Naturlige fluktuasjoner er basis for de fleste kryss-korrelasjonsteknikkene. Disse naturlige fluktuasjonene er vanskelig å detektere.

Kapasitans-metoder er under utvikling for å detektere mengde hydrokarboner og mengde vann som strømmer i et rør. Denne metoden er imidlertid følsom overfor vann; det vil si at metoden måler hvor mye vann som strømmer, hvor det antas at resten som strømmer er hydrokarboner. En kan imidlertid ikke skille væskeformige hydrokarboner fra gassformige hydrokarboner. Kapasitansmetoden er også påvirket av gass/væske-forholdet, noe som krever en korreksjon av måleresultatene i lys av et uavhengig måleresultat for gass/væske-fraksjon, framskaffet fra f.eks. en gammastråle-måler.

Teknikker som gjør bruk av mikrobølger er under utvikling, og er det seneste tilskudd til dette fagområdet. Mikrobølger blir som kjent absorbert av vann, og i likhet med kapasitansmåleren, er det antatt at resten av mediet består av hydrokarboner. Mikrobølgeteknikken (og kapasitansmetoden) påvirkes også av gass/væske-forholdet, slik at en kalibrering er nødvendig. Det er på den annen side mulig at mikrobølgeteknikken kan anvendes for kryss-korrelasjon, men på grunn av at teknikken har et stort målevolum, kan den kun detektere særtrekk ved flerfasestrøm i stor skala.

Kapasitansmetoden og mikrobølgeteknikken har hovedsakelig samme anvendelsesområde men også de samme begrensningene.

I forskningssammenheng og i kommersiell sammenheng foregår det nå en utvikling av måleutstyr bestående av to målere: en gamma-strålemåler og en kapasitans- eller mikrobølge-måler. Den ene gir gass/væske-forholdet og den andre gir mengde vann. Ingen av disse er imidlertid i stand til å gi strømningshastigheten i fierfase-systemer.

Målere basert på gamma-stråleprinsippet kan anvendes til å måle hvor mye gass og hvor mye væske som strømmer i et rør. En må imidlertid stille spørsmål ved nøyaktigheten ved en slik måling, som nevnt ovenfor. En betydelig grad av kalibrering må utføres for å oppnå gode resultater. Gamma-stråleutstyret kan brukes i laboratoriet med tilbehør for å kalibrere utstyrets regularitet, men bruken av en slik teknikk offshore og for undersjøiske installasjoner har praktiske begrensninger. Gamma-strålemåleren kan ikke anvendes til kryss-korrelasjon.

En kapasitansmåler hevdes å være anvendbar for måling av mengden vann som strømmer med hydrokarboner i et rør. Det sentrale spørsmålet er hvorvidt kapasitansmåleren kan anvendes for kryss-korrelasjon. Det har blitt hevdet at den kan tilpasses slik bruk, men etter oppfinnerens oppfatning vil dette bli vanskelig. Teknikken er basert på et stort målevolum; det vil si en rørlengde som er flere ganger rørets diameter. I et slikt volum vil det bli vanskelig å registrere annet enn strømmens generelle egenskaper (strømningskarakteristikkene). Av dette følger at kapasitansmetoden kan anvendes for kryss-korrelasjon i strømmer med et grovt strømningsregime slik som væskeplugger. Teknikken kan ikke anvendes for kryss-korrelasjon i en jevn boblestrøm og heller ikke i en ringformet strøm.

Fl patentskrift 76885 beskriver en framgangsmåte og anordning for måling av strømningshastighet, volumstrøm og/eller massestrøm av gasser, væsker og/eller flerfasesuspensjoner. Lydsignal sendes inn i det strømmende mediet i retning oppstrøms og nedstrøms fra to kilder, og signalene registreres med målere lokalisert i en kjent distanse fra lydkildene. På grunnlag av forskjellen i de respektive lydbølgenes forplantningshstighet nedstrøms og oppstrøms, framkommer mediets strømningshastighet og/eller massestrøm, dersom mediets densitet er kjent. Denne metoden anvender imidlertid kontinuerlig lyd og frekvenser i området 100 til 10 000 Hz. Selv om det angis at metoden kan anvendes for flerfasesuspensjoner, er det kun beskrevet forsøk med luft. Videre vil en på grunn av de høye frekvensene som anvendes, forvente en vesentlig dempning av lydsignalene, slik at metoden i praksis ikke vil være anvendbar til måling av verken strømningshastighet eller innbyrdes mengdeforhold av flerfasesystemer.

Det eksisterer mange metoder til å bestemme parametre i flerfasesystemer, og mange er for tiden under utvikling.

Formålet med oppfinnelsen er å framskaffe ett enkelt apparat og framgangsmåte for måling av strømningshastighet og/eller væske- eller gass-fraksjon i flerfase-blandinger.

Oppfinnelsen er angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1 og 3. Ytterligere særtrekk ved oppfinnelsen framgår av de tilhørende uselvstendige kravene.

Den foreliggende oppfinnelsen er basert på et prinsipp ved måling av forplantningshastighet for en lavfrekvent trykkpuls gjennom mediet. Strømningshastigheten og gass/væske-forholdet i en flerfase-strøm framskaffes i henhold til oppfinnelsen ved å måle pulsens forplantningshastighet til et punkt oppstrøms for trykkpulsens kilde og til et andre punkt nedstrøms for trykkpulsens kilde. Blandingens strømningshastighet kan bestemmes direkte ved å måle differansen av pulsens forplantningshastighet fra pulsens kilde til henholdsvis et målepunkt nedstrøms og oppstrøms for denne, forutsatt at avstanden mellom de respektive punktene er kjent. Gass-/væske-forholdet i en flerfase-strøm blir i henhold til den foreliggende oppfinnelsen bestemt indirekte fra pulsens virkelige forplantningshastighet i mediet ved å subtrahere mediets strømningshastighet fra den målte pulshastighet. Ved på forhånd å framskaffe informasjon om mediets akustiske egenskaper, kan den målte pulshastighet brukes til å bestemme f.eks. volumandel væske i flerfase-strømmen.

Forplantningshastighet for en trykkpuls vil variere med mediets kompressibilitet.

For gass og væske er forskjellen i kompressibilitet stor. Denne forskjellen eksisterer også i vann/hydrokarbon-systemer. Følgelig kan den foreliggende oppfinnelsen også anvendes for måling av vannmengden i hydrokarbon-strømmen. Forplantnings-hastighet for en trykkpuls i et fierfasesystem ligger typisk i området 20-100 m/s; det vil si at en registrering kan skje på en enkel måte, f.eks. med ordinære trykksensorer. Strømningshastigheten for flerfasesystemer i rør ligger typisk i området 1-10 m/s, og en kan derfor raskt se at det i utgangspunktet kan oppnås måleresultater med stor nøyaktighet.

Den foreliggende oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til systemer av typen gass/væske. Prinsippet kan også overføres til andre fler-komponentsystemer som oppviser ulike faser med forskjellig kompressibilitet, slik som vann/olje, emulsjoner og fast stoff i væske. Den foreliggende oppfinnelsen har følgelig et stort potensiale og et bredt anvendelsesområde sammenliknet med kjente målesystemer.

Forsøk gjennomført i tilknytning til den foreliggende oppfinnelsen har vist at dersom en trykkpuls skal kunne forplantes i rimelig grad i et slikt medium, må frekvensen være lav. Trykkpulser med frekvens lavere enn 100 Hz har vist seg å absorberes langt mindre i mediet enn ved høyere frekvenser. Det mest foretrukne frekvensområdet vil avhenge av det spesifikke mediet, men frekvenser lavere enn 20 Hz er foretrukket, hvorved registrering kan foretas over større avstander. Dersom trykkpulsene genereres ved ekspansjon av et lite gassvolum inn i tofasestrømmen (f.eks. med et injeksjonstrykk på omlag 10 bar), vil det for eksempel for et vann/luft-system med et trykk nær atmosfærisk kunne foretas en registrering i en avstand på 2 til 4 meter fra pulskilden. Siden slike lavfrekvente trykkpulser absorberes i svært liten grad i en strømmende medium av denne typen, vil følgelig målemetoden i henhold til oppfinnelsen bli lite påvirket av strømningsmønsteret. Dette er en stor fordel da strømningsmønsteret kan variere i stor grad i flerfasesystemer.

Som beskrevet ovenfor, kan en bestemmelse av mediets strømningshastighet skje direkte ved å subtrahere forplantningshastigheten fra puls-generatoren til et punkt oppstrøms for generatoren og til et punkt nedstrøms for generatoren. Trykkpulsen vil bevege seg nedstrøms med en hastighet lik mediets spesifikke akustiske forplantnings-hastighet pluss mediets strømningshastighet, og motsatt vil trykkpulsen bevege seg oppstrøms for puls-generatoren med en hastighet lik strømningsmediets spesifikke akustiske forplantningshastighet minus mediets strømningshastighet. Med utgangspunkt i at avstanden og Lc fra trykkpuls-generatoren til de respektive målepunktene (B) og (C), henholdsvis nedstrøms og oppstrøms for puls-generatoren, er kjent, blir mediets strømningshastighet bestemt ifølge formelen:

der tB er trykkpulsens forplantningstid fra generatoren til målepunkt B nedstrøms for denne, og der tc på den annen side er trykkpulsens forplantningstid fra generatoren til målepunkt C oppstrøms for denne.

En bestemmelse av mediets fasefraksjoner kan foretas ut fra kunnskap om mediets akustiske natur. Dersom et måleprisipp i henhold til den foreliggende oppfinnelsen skal anvendes for oljeinstallasjoner, må det framskaffes tallverdier for akustisk forplantningshastighet for de respektive fasene. Tallmateriale for lydhastighet i naturgass er velkjent og lar seg lett beregne for ulike prosesstilstander, det vil si trykk, temperatur og gasstetthet. Akustisk forplantningshastighet i olj efraksj onen kan korreleres ut fra trykk, temperatur og tetthet. For tilpasning til spesifikke anvendelsesområder der det stilles store krav til nøyaktighet, vil det være hensiktsmessig å gjennomføre laboratorieforsøk for å etablere en matematisk modell. Dermed kan en ved å måle trykk og temperatur i mediet i tillegg til bestemmelse av spesifikk lydhastighet, som angitt ovenfor, beregne fasefraksjonene. I andre tilfeller vil det være tilstrekkelig å anvende tilgjengelige basisverdier for å etablere en grovere referanse med hensyn til lydhastighet. Selv om den akustiske forplantningshastighet vil variere med trykk og temperatur, vil prosessbetingelsene i de aller fleste tilfellene være konstante over måleområdet, som beskrevet i nærmere detalj senere.

Utstyret:

I tilknytning til et rørsystem, vil et apparat i henhold til den foreliggende oppfinnelsen for eksempel kunne framskaffes i form av en rørseksjon med standard anslutninger. Denne seksjonen er forsynt med en trykkpuls-generator og to eller flere trykk-sensorer. En enkel form for trykkpuls-generator er basert på prinsippet med å ekspandere et lite gassvolum inn i den strømmende gass/væske-blandingen som skal måles. Denne gassen må ha et trykk som er høyere enn trykket i mediet som skal måles. En slik trykkpuls-generator kan f.eks. omfatte en gassbeholder fylt med en gass under relativt høyt trykk, som står i strømningsmessig forbindelse med røret som malingen skal gjennomføres i, idet gassbeholderen og røret er adskilt med en hurtigåpnende ventil. Ved derved å åpne den hurtig-åpnende ventilen, vil dette lille gassvolumet ekspandere inn i hovedrøret og generere en trykkpuls.

Trykkpulsen initialiseres idet ventilen åpnes. Uten ønske om å være bundet til noen spesiell teori, kan den grunnleggende mekanismen bak trykkpuls-prinsippet generelt beskrives som følger: Ved ideelle betingelser i et homogent og stillestående medium, vil det dannes en oscillerende gassboble, f.eks. nitrogen. Idet boblen slippes ut i det homogene mediet vil trykket inne i boblen være høyere enn omgivelsene rundt. Overtrykket fører til at boblen vil ekspandere for å utligne trykkforskjellen mellom boble og omgivelsene. Trykkutligningen er en dynamisk prosess, og boblen vil dermed oscillere med avtagende amplitude til likevekt er oppnådd. I et fierfasemedium eksisterer det imidlertid i virkeligheten lokalt mange ulike medier som angitt ovenfor, slik at en injisert gassboble vil generere pulser med et spektrum av frekvenser som forplantes i bulkfasen. I et målesystem i henhold til den foreliggende oppfinnelsen blir pulser med ønsket frekvens, fortrinnsvis så lave som mulig, filtrert ut ved hjelp av en måle- og kontrollenhet.

En alternativ måte å generere trykkpulser på kan være å anbringe en bøybar ferritisk membran i rørveggen med hoveplan hovedsakelig parallelt med rørets lengderetning, og en tilhørende spole anbrakt inntil membranen for dannelse av et kortvarig magnetfelt for å bevirke en midlertidig bøyning av membranen. På denne måten kan det skapes en trykkpuls direkte inn i mediet som skal måles.

En fagmann ville naturligvis kunne finne fram til ulike metoder for etablering av slike trykkpulser, og den foreliggende oppfinnelsen bør ikke anses å være begrenset verken til høytrykks gassinjeksjon eller til fenittiske membraner som antydet ovenfor.

Trykk-registratorene kan f.eks. være basert på en enkel trykk-måleanordning, slik som en trykk-transduktor. Kravet til trykk-registratorene er generelt at de må gi så kort responstid som mulig og at de er avpasset for et trykk-måleområde som passer til de aktuelle målesystemene.

Alternativt kan et måleinstrument i henhold til den foreliggende oppfinnelsen utformes som en sonde for innføring og montering ved innfestning sammen med f.eks. loggeverktøy av vanlig type inne i et rør eller en brønn. Måleinstrumentet kan bestå av to membraner og to trykksensorer festet på en f.eks. to meter lang sonde i form av en stav eller liknende. Fortrinnsvis er en membran og en sensor festet på hver side av sondens respektive ender. Membranene kan tilpasses for å vibrere med ulike frekvenser, for eksempel 8 Hz og 16 Hz, og sensorene kan registrere trykket kontinuerlig. Trykkdataene kan deretter filtreres, slik at bare signalene fra membranen på den andre siden av sonden brukes som inngangsverdier for beregning av pulshastighet.

Pulshastigheten kan måles kontinuerlig ved å alternere mellom 8 Hz og 16 Hz for de to membranene. Idet signalet fra membranen på den andre siden av sonden er mottatt kan frekvensene endres. Ved å alternere_ mellom henholdsvis 8Hz/16Hz og 16Hz/8Hz kan pulshastighet over samme rørsegment måles kontinuerlig. Ved å måle motstrøms og medstrøms pulshastighet over samme rørsegment kontinuerlig vil datagrunnlaget for bestemmelse av strømningshastighet og gass/væske-forhold være svært godt.

I det etterfølgende er det gitt en mere detaljert beskrivelse av oppfinnelsen med henvisning til figurer, der

fig. 1 illustrerer et målearrangement i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, fig. 2 er et diagram som viser tidsforskyvningen mellom generert trykkpuls og målt trykkpuls,

fig. 3 illustrerer et alternativt målearrangement i henhold til den foreliggende oppfinnelsen,

fig. 4 er et diagram som viser trykkpuls-respons som funksjon av pulsfrekvens i et vann/luft-system framskaffet i henhold til den foreliggende opfinnelsen,

fig. 5 er et diagram som illustrerer teoretisk variasjon i trykkpulshastighet som funksjon av massefraksjon luft i et vann/luft-tofasesystem,

fig. 6 viser trykkpulsrespons som funksjon av pulsfrekvens i et tofasesystem bestående av vann og luft,

fig. 7 illustrerer skjematisk et alternativt målerrarrangement i henhold til oppfinnelsen i form av en sonde for innføring inne i en rørseksjon eller en brønn. Figur 1 viser et eksempel på et målearrangement bestående av et rør 11 der tofasestrømmens strømningsretning er indikert med pila 12. Pulsgeneratoren er her illustrert i form av en gassbeholder 16, som for eksempel kan inneholde nitrogen med et trykk høyere enn medietrykket i røret 11. Gassbeholderen 16 kommuniserer med røret 11 via en kontrollventil 14a og er forsynt med en trykkmåler 13 for måling av gasstrykket i beholderen 16. Etterfylling av gass kontrolleres via en ventil 14b. På diametralt motsatt side av røret 11 (i dette eksemplet), er det anbrakt en trykksensor 13a for registrering av den genererte trykkpulsen fra et mindre gassvolum som ekspanderes inn i røret 11 fra gassbeholderen 16 via kontrollventil 14a. Trykksensoren 13a kan imidlertid lokaliseres f.eks. 45° til siden for trykkpulsgeneratoren med hensyn til rørtverrsnittet, bare den er plassert i nærheten der trykkpulsen genereres. En tilsvarende trykksensor 13b er anbrakt nedstrøms for pulsgeneratoren og sensoren 13a. En måle- og kontrollenhet 15 står i forbindelse med trykksensorene 13, 13a og 13b samt med kontroll ven tilene 14a og 14b. Måle-og kontrollenheten 15 sørger for å initiere en trykkpuls i røret 11 ved å injisere et lite gassvolum under relativt høyt trykk ved en rask og kortvarig åpning av kontrollventilen 14a. Den genererte trykkpulsen registreres ved trykksensorene 13a og 13b som igjen sender et signal videre til måle- og kontrollenheten 15. Ved hjelp av dette arrangementet kan en måle spesifikk lydhastighet i tofasestrømmen ved å bruke forplantningshastigheten fra pulsgeneratoren til sensor 13a som referansepunkt. Figur 2 viser generelt endringen i intensitet og tidsforskyvning for den genererte trykkpulsen (heltrukken linje) og den målte trykkpulsen (stiplet linje). Forplantningstiden for trykkpulsen fra generatoren til sensoren kan måles på flere punkter, f.eks. ved pulsens maksimum eller ved bølgefronten. Dersom avstanden mellom pulsgenerator og sensor er kjent, vil en finne pulsens forplantningshastighet direkte. Denne hastigheten vil naturligvis variere med bl. a. mediets strømningshastighet. Som det går fram av diagrammet, har den målte trykkpulsen lavere intensitet enn den genererte. Denne absorposjonen blir mere framtredende dess høyere pulsfrekvensen er, som er forklart nærmere nedenfor med henvisning til figur 4. Videre er pulstoppene avrundet. Dette skyldes at trykkpulsen dispergeres til en viss grad i mediet hvorved pulsen forplantes raskere i væskefasen i forhold til gassfasen. Figur 3 viser et alternativt målearrangement i henhold til den foreliggende oppfinnelsen for måling av volumfraksjon gass og strømningshastighet i en tofasestrøm. Pulsgeneratoren er her generelt angitt med enhet 36, og kan f.eks. omfatte enten et gassinjeksjons-system som indikert i figur 1 ovenfor, eller en vibrerende membran som diskutert ovenfor. Tofasemediets strømningsretning er indikert med pila 32. Tre trykksensorer 33a, 33b og 33c er lokalisert henholdsvis oppstrøms for, rett overfor og nedstrøms for pulsgeneratoren 36. Pulsgeneratoren 36 og de respektive trykksensorene står alle i forbindelse med en måle- og kontrollenhet 35. Som diskutert ovenfor, kan mediets strømningshastighet finnes direkte ved å subtrahere trykkpulsens forplantningshastighet oppstrøms, dvs. fra pulsgeneratoren 36 til trykksensoren 33a oppstrøms, fra trykkpulsens forplantningshastighet nedstrøms, dvs. fra pulsgeneratoren 36 til trykksensoren 33c nedstrøms, forutsatt selvsagt at distansen mellom de respektive punktene er kjent.

I figur 7 er det antydet en sonde, som beskrevet ovenfor, for innføring inne i en rørseksjon 71. Sonden, her generelt betegnet 72, omfatter pulsgeneratorer 73a og 73b anbrakt i motsatte ender av sonden, og to trykksensorer 74a og 74b anbrakt i motsatt ende av sonden og inntil de respektive pulsgeneratorene. Pulsgeneratorene kan med fordel her velges i form av ferritiske membraner som vibrerer kontinuerlig med en ønsket frekvens, indusert ved hjelp av en elektromagnetisk spole. Sondens lengde vil kunne tilpasses det aktuelle behov, men typisk ligger lengden i området 2 til 4 meter. Membranene kan, som angitt ovenfor, tilpasses for å vibrere med ulike frekvenser, f.eks. alternerende mellom 8 og 16 Hz. Ved filtrering av de registrerte trykkdataene, slik at bare signalene fra membranen på den motstående enden av sonden brukes som inngangsverdier for beregning av pulshastighet, kan en måle både motstrøms og medstrøms pulshastighet over samme rørsegment, hvorved et godt grunnlag for bestemmelse av både gass/væske-forhold og strømningshastighet oppnås.

Denne alternative konfigurasjonen er særlig godt egnet for borehullsinstallasjoner, hvorved sonden ganske enkelt kan føres inn i borehullet og anbringes i en ønsket posisjon i brønnen ved hjelp av vanlig tilgjengelig verktøy, eventuelt sammen med annet verktøy som vanligvis brukes i forbindelse med borehullslogging. Kommunikasjonen med overflata kan f.eks. skje ved hjelp av en vanlig elektrisk loggekabel.

Eksempel 1

For å illustrere oppfinnelsen i nærmere detalj ble det gjennomført forsøk med et tofase-system bestående av vann og luft.

Apparaturen besto av et plastrør, en pulsgenerator, trykksensorer og en PC. Hovedelementet i apparaturen var en ca. 50 meter lang rørsløyfe, derav 25 meter tur-rør og 25 meter retur-rør, med en indre rørdiameter på 4.26 cm. Rørsløyfa var konstruert av gjennomsiktig PVC-plast for å kunne overvåke strømningsregimet i tofasestrømmen. Fluidblandingen som strømmet gjennom røret ble transportert ved hjelp av en kompressor og en vannpumpe for henholdsvis luft og vann separat. Vannet ble sirkulert fra en 2m<3> vanntank via en blandingsenhet og en stabiliseringsenhet gjennom rørsløyfen via en separator og tilbake til vanntanken. Raten ble regulert ved hjelp av en manuell spjeldventil. Luften ble tilført med en kompressor. Lufttrykket kunne reguleres ved hjelp av en strupeventil, og raten kunne reguleres ved hjelp av tre manuelle spjeldventiler; en for små, en for mellomstore og en for store rater.

For måling av de innstrømmende fluidene ble det brukt magnetiske strømningsmålere og rotametre. Strømningsraten for vann ble målt med en magnetisk strømningsmåler og tre rotametre. De magnetiske strømningsmålerne var direkte tilkoplet en PC, mens rotametrene bare kunne avleses manuelt. Luftraten kunne måles ved hjelp av tre magnetiske strømningsmålere og fire rotametre. Lufttrykket til den innstrømmene luften ble målt ved hjelp av et oljefylt manometer. Etter at de separate innstrømmende fasene var målt, ble de blandet til et tofasefluid i en V-forgrening og og ledet gjennom den horisontale rørseksjonen.

For å foreta de nødvendige målinger, ble en 5 meters rørseksjon tatt ut av sløyfen og erstattet med en ny seksjon, som i prisipp var utformet som vist i figur 3. Målestasjonen besto imidlertid av en pulsgiver og trykksensorer som kunne plasseres vilkårlig i de 9 sensorfestene. Trykkluftbeholderen besto av et ca. 8 cm langt 16 bars PVC-rør med indre diameter 4 cm, som var tilpasset for å injisere et puls-skapende nitrogenvolum på omlag 5 cm<3> inn i hovedrøret. Trykkluftsbeholderen var tilkoplet en nitrogenflaske via en ventil, slik at trykket kunne reguleres fra 1 til 16 bar. Trykkpulsgeneratorens trykkventil, jmfr. ventilen 14a i figur 1, var en magnetventil med lysåpning 10 mm. To typer trykksensorer ble brukt: 1 bars og 5 bars sensorer. Utganssignalene fra trykksensorene ble ledet via en forsterker og en digitaliseringsenhet, og registrert på en PC. Trykket ble registrert med en samplingsrate på 300 Hz. Måleseksjonen ble plassert lengst mulig nedstrøms for blandeseksjonen, slik at tofasefluidet fikk lengst mulig strømningsvei før målingene ble utført. Strømningsmønsteret var dermed fullt utviklet før målestasjonen.

Målingene ble utført med ulike gass/væske-forhold og ulike strømningsrater ved injeksjon av 5 cm<3> store nitrogenvolum inn i hovedrøret, der nitrogentrykket ble variert fra 6 til 12 bar. Trykket i tofasestrømmen var nær atmosfærisk. Resultatene av disse forsøkene er illustrert i figur 4, som viser pulshastighet i meter/sekund som funksjon av massefraksjon luft basert på motstrøms målinger. Figur 5 viser teoretiske verdier tilsvarende figur 4 beregnet etter Kieffers modell (Kieffer S.W., 1977; Sound Speed in a Liquid-Gas mixture: Water-Air and Water-Steam. Dep. of Geol., Unrv\ of Cal., LA). De målte verdiene i henhold til den foreliggende oppfinnelsen i figur 4 viser en forbløffende god overenstemmelse med de teoretiske verdiene, noe som viser at den foreliggende oppfinnelsen kan anvendes til måling av volumfraksjonen av de respektive fasene i en tofasestrøm.

Likeledes kan mediets strømningshastighet beregnes, som diskutert tidligere, ved å substrahere nedstrøms pulshastighet fra oppstrøms pulshastighet. Målingene bør da utføres samtidig over begge (eller flere) trykksensorene oppstrøms og nedstrøms for pulsgeneratoren og over samme rørsegment.

Eksempel 2

For å illustrere betydningen av trykkpulsenes frekvensområde, ble det gjennomført forsøk tilsvarende eksempel 1. Figur 6 viser et sammendrag av disse forsøkene for et luftdominert strømningsregime med pulsrespons som funksjon av pulsfrekvens. Disse verdiene framkom ved bruk av en FFT-rutine (Fast Fourier Transform). Som det går fram av figuren, faller pulsresponsen til et praktisk talt ikke-detekterbart signal allerede ved en pulsfrekvens på omlag 50 Hz. Dette understreker betydningen av anvendelse av riktig pulsfrekvens for å oppnå resultater som kan nyttiggjøres overhodet.

Videre har pulsresponsen for et væskedominert strømningsregime en tendens til å oppvise en positiv forskyvning. Det vil si at målesensoren registrerer en høyere hovedfrekvens enn referansesensoren. For luftdominerte strømningsregimer vil det på den annen side ofte observeres en negativ responsforskyvning. Det vil si at målesensoren registrerer en lavere hovedfrekvens enn referansesensoren. Responsforskyvningen i frekvensrommet viser seg altså i stor grad å være en fluidkarakteristikk i et tofasefluid. Denne karakteristikken kan med andre ord bestemme tofasemediets fraksjons-sammensetning.

Frekvensanalysen skjuler imdilertid en mengde annen informasjon som kan anvendes til bestemmelse av karakteristikker for en tofasestrøm.

Claims (10)

1. Framgangsmåte for måling av strømningshastighet og mengdeforhold mellom ulike faser i rør og brønner der det strømmende mediet består av flere faser, særlig for to-fase-systemer av typen naturgass/olje, hvor en lydbølge genereres ved et punkt (36) i eller inntil røret eller brønnen; hvorved lydbølgen registreres ved et punkt (33c) nedstrøms for punkt (36) for den genererte lydbølgen og lydbølgen registreres ved et andre punkt (33a) oppstrøms for punktet (36) for den genererte lydbølgen, idet avstanden fra punktet (36) der lydbølgen genereres og til de respektive målepunktene (33c) og (33a) er kjent som henholdsvis lengdene Lc og L„; differansen i tid mellom trykkpulsens forplantningstid, henholdsvis t] og t2, gjennom mediet fra punkt (36) til de respektive punktene (33c) og (33a) anvendes til å beregne mediets strømningshastighet i henhold til formelen: der v,,^ viser til blandingens strømningshastighet; karakterisert ved at lydbølgen som sendes fra punktet (36) inn i det strømmende mediet i røret eller brønnen genereres med en frekvens mindre eller lik 100 Hz, hvorved eventuelt mengdeforholdet mellom de ulike fasene i mediet bestemmes ved å subtrahere mediets absolutte strømningshastighet fra den målte forplantningshastighet, for deretter å sammenlikne den virkelige forplantningshastighet med teoretiske eller eksperimentelle verdier.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at lydbølgen genereres i form av diskrete trykkpulser.

3. Apparat for måling av strømningshastighet og av mengdeforhold mellom ulike faser i rør og brønner der det strømmende mediet består av flere faser, særlig for to-fase-systemer av typen naturgass/olje, omfattende en generator (36), for å generere lydbølger inn i mediet, og to eller flere registratorer (33a;33c), for å registrere lydbølger generert i generatoren (36), der minst en av registratorene er lokalisert i en kjent avstand nedstrøms for generatoren og en andre registrator er lokalisert oppstrøms for generatoren i en andre kjent avstand, idet generatoren (36) og de respektive registratorene (33a;33c) alle står i forbindelse med en kontroll-enhet (35) som kan motta og behandle den genererte lydbølgen og de registrete lydbølgene for bestemmelse av mediets strømningshastighet og spesifikke akustiske forplantningshastighet, karakterisert ved at generatoren (36) med tilhørende registratorer (33a;33c) er anpasset for henholdsvis å generere og registrere lydbølger med frekvens mindre eller lik 100 Hz.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at generatoren (36) med tilhørende registratorer (33a; 33c) er anpasset for henholdsvis å generere og registrere lydbølger i form av diskrete pulser.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at generatoren omfatter en gassbeholder (16) som inneholder en gass med et trykk høyere enn trykket i mediet som skal måles, der beholderen står i strømningsmessig forbindelse med strømningskanalen som opptar mediet som skal måles, idet gassbeholderen og røret er adskilt med en hurtig-åpnende ventil som ved åpning ekspanderer gass inn i mediet som skal måles, for derved å etablere en trykkpuls i dette.

6. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at generatoren (36) omfatter en bøybar ferritisk membran, anbrakt i rørveggen med hovedplan hovedsakelig parallelt med rørets lengderetning, og en tilhørende spole anbrakt inntil membranen for dannelse av et kortvarig magnetfelt for å bevirke en midlertidig bøyning av membranen, for på denne måten å skape en trykkpuls direkte inn i mediet som skal måles.

7. Apparat ifølge et av kravene 3 til 6, karakterisert ved at generatoren (36) er anpasset for å generere trykkpulser med frekvens lavere enn 20 Hz.

8. Apparat ifølge et av kravene 5 til 7, karakterisert ved at generatorene (73a; 73b) er integrert i en sonde (72) i form av et rør eller tilsvarende, der hver av generatorene er anbrakt i motstående ender av sonden (72) hvorved to trykksensorer (74a,74b) anbrakt i motstående ender av sonden og inntil de respektive generatorene.

9. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at generatorene (73a, 73b) er tilpasset for å operere med innbyrdes ulike frekvenser.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at den enkelte av generatorene (73a,73b) er tilpasset for å generere trykkpulser ved to ulike frekvenser alternerende.