NO20140689A1 - Cutoff regulator - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen angår en sensorsammenstilling for å måle dielektriske egenskaper i en hydrokarbonfluidstrøm i et rør, spesielt å måle salinitet i strømmen, omfattende en mikrobølge-kavitetsresonator tilpasset til plassering i veggen av røret og utformet for å arbeide ved en valgt resonansfrekvens. Sensorsammenstillingen omfatter også en metallisk plate i en avstand fra sensoren, hvor platen definerer en bølgeleder som omslutter kavitetsresonatorsensoren, der bølgelederen er åpen langs røraksen for å tillate strømmen å passere, og der bølgelederen har en cutoff-frekvens som er høyere enn resonansfrekvensen til kavitetsresonatorsensor.

Description

Cutoff-regulator

Den foreliggende oppfinnelsen angår generelt målinger av fluidstrøm i en rørledning.

Nærmere bestemt angår den foreliggende oppfinnelsen målinger av vannvolumandel (WVF - water volume fraction), væskefilmtykkelse, strømningsfart for væskefilm og/eller salinitet i en væskestrøm, spesielt i en våtgass eller flerfasestrøm i en rørledning for å transportere hydrokarbonholdige fluider, som i mange tilfeller i tillegg inneholder vann, salt eller andre substanser som forekommer i utvinning fra olje og gassreservoarer.

Et antall forskjellige kommersielle strømningsmålere er tilgjengelig på markedet for måling av sammensetningen og egenskapene til en blanding av olje, vann og gass. Noen målere er basert på bruk av radioaktiv stråling, noen er kapasitive og noen er basert på bruk av mikrobølger.

Mikrobølgesensorer er attraktive fordi de ikke er begrenset av helserisiki knyttet til målere basert på radioaktiv stråling og deres relativt lave nøyaktighet eller den uønskede innvirkningen av forurensing på de kapasitive sensorene. Et eksempel er strømningsmåleren for våtgass beskrevet i NO 315584/US 6915707, hvor en struktur i røret virker både som en innretning for å opprette et differansetrykk og som en mikrobølge-kavitetsresonatorsensor. Denne kavitetsresonatoren måler permittiviteten til hele volumet av strømmen, hvor væsken (vann og olje) hovedsakelig danner små dråper i gassen. Dette kalles duggstrøm (mist flow). Et annet eksempel på denne typen sensor, som er beslektet med den foreliggende oppfinnelsen, er beskrevet i NO 328801/US8570050. Sensoren er i prinsipp en kavitetsresonator som består av et stykke bølgeleder som er kortsluttet i én ende og åpen i den andre. Bølgelederen er fylt med et dielektrisk materiale og montert i veggen av spolestykket for å være så mye som mulig i flukt med veggen, tatt i betraktning at fronten er flat. Enhver væske i våtgasstrømmen som beveger seg som en film på veggen vil også strømme over fronten av sensoren. Denne væsken vil være i kontakt med randen av det kapasitive elektriske feltet av resonansen, og derved påvirke både resonansfrekvensen (fr) og Q-faktoren. De to viktigste variablene er mengden vann og vannets konduktivitet. Konduktiviteten avhenger av saliniteten (saltinnholdet) i vannet og temperaturen. Ved å måle både fr og Q (i tillegg til temperaturen), kan saliniteten utledes.

Fordelene med denne fremgangsmåten for å måle salinitet av en væske som danner en overflatefilm, sammenlignet med fremgangsmåter basert på måling av den komplekse permittiviteten i et volum av en strøm, er at endringene i fr og Q er monotone som funksjon av salinitet. I tilfelle måling i et volum, vil vannet typisk være fordelt som duggdråper (f eks duggstrøm), og det kan vises at den imaginære delen av den komplekse permittiviteten, forårsaket av konduktiviteten i sfæriske dråper, først øker når konduktiviteten øker men så begynner å avta igjen.

Resonansmodusen i kavitetsresonatoren er basert på bølgeledermodusen TM01 i en sylindrisk bølgeleder. Feltmønsteret er sirkulært symmetrisk. Derfor stråler ikke den åpne enden inn i rommet foran seg. Den har en svært høy Q-faktor også når den måles f eks på laboratorie-benken. Men enhver liten forstyrrelse av symmetrien, som f eks noen små duggdråper på frontflaten, vil forårsake stråling. Dette ses som et fall i Q-faktoren, men skyldes ikke salt. Når sensoren er montert i veggen til et metallisk rør for føring av en blanding av hydro-karboner og vann, f eks spolestykket til en såkalt våtgass- eller flerfasestrømningsmåler, kan dette forhindres ved å konstruere sensoren slik at resonansfrekvensen vil være lavere enn cutoff-frekvensen for mikrobølger i røret under alle strømforhold.

Resonansfrekvensen er hovedsakelig bestemt av diameteren til kavitetsresonatorsensoren, og av permittiviteten til det dielektriske fyllmaterialet. Høyden har også en mindre effekt på resonansfrekvensen og påvirker sensitiviteten. Det viser seg at for enhver lav verdi av permittiviteten til fyllmaterialet, må sensoren ha en upraktisk stor diameter for å ha en resonansfrekvens som er lavere enn cutoff-frekvensen til røret. Av denne grunn, og av kompatibilitetshensyn, kan det bli foretrukket å bruke et keramisk materiale, for eksempel ved å bruke zirconia som har en permittivitet på 28.

Fordi dimensjonene til kavitetsresonatorsensoren må velges basert på rørets cutoff-frekvens, som avhenger av rørets indre diameter, bør sensoren ideelt skaleres etter rørstørrelsen. Men dette kunne føre til et upraktisk høyt antall versjoner hvis sensorer må lages for mange forskjellige rørstørrelser. Og fordi de alle arbeider ved forskjellige frekvenser og permittiviteten til vann er frekvensavhengig, må det være like mange forskjellige matematiske modeller for beregning av salinitet, som kanskje alle må kalibreres separat i en prøvestrøm-krets.

Begrensningen drøftet ovenfor er at resonansfrekvensen til kavitetsresonatoren må være lavere enn rørets cutoff-frekvens. En annen grense er hvor stor en sensor kan tillates å bli fra et mekanisk/praktisk synspunkt. Med zirconia som materiale er det noe rom mellom disse grensene. Det er f eks mulig å dekke rørstørrelser fra 2" til 8" med sensorer med tre forskjellige diametere. Tatt i betraktning at det også kan være ønskelig å ha sensorer med forskjellig sensitivitet for forskjellige anvendelser, som f eks våtgass med lavt vanninnhold (trenger høy sensitivitet), eller flerfasestrøm med høyere vanninnhold, kan det samlede antallet versjoner bli høyt. Det er således et formål med den foreliggende oppfinnelsen å frembringe en mer fleksibel løsning som reduserer antallet forskjellige sensorer.

Rørstørrelser enda større enn 8" kan forekomme, f eks når strømmen fra flere brønner kombineres og transporteres i ett enkelt rør. Da kan ingen av de ovennevnte tre sensorene brukes. En sensor konstruert for å passe til rørstørrelsen ville bli upraktisk stor og dyr å fremstille. Det er således et annet formål med oppfinnelsen å frembringe en løsning som kan brukes til større rørdimensjoner.

Oppfinnelsen er således rettet mot en salinitetssensor omfattende en mikrobølge kavitetsresonatorsensor for montering i veggen av et rør eller tilsvarende, som beskrevet i det ovennevnte US patent US8570050. Resonansfrekvensen til sensoren er under cutoff-frekvensen til røret for å unngå tap, f eks forårsaket av små vanndråper på sensoren som kan tolkes som om de var forårsaket av salinitet.

Ettersom rorets cutoff-frekvens avtar med en økende rørdiameter, vil et større rør ha en lavere cutoff-frekvens. Resonansfrekvensen til kavitetsresonatorsensoren avhenger av sensor-diameteren, og en større diameter vil således gi en lav resonansfrekvens. En større rørdiameter vil således kreve en større sensordiameter. Dette er imidlertid ikke praktisk for store rør. Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe mikrobølgesensorer med et utvidet bruksområde. Dette oppnås som spesifisert i de vedføyde patentkravene.

Oppfinnelsen oppnår dette formålet ved å frembringe en innsats foran sensoren som avgrenser en del av røret slik at sensoren ser en rørseksjon med en høyere cutoff-frekvens enn hovedrøret. På denne måten er det mulig å bruke en liten sensor i et stort rør.

Selv om den foreliggende beskrivelsen av oppfinnelsen hovedsakelig viser til salinitetsmålinger, er denne basert på en spesifikk utførelsesform, og det er klart for en fagkyndig på området at oppfinnelsen kan brukes til andre målinger. Som nevnt ovenfor, kan sensoren brukes til målinger av vannvolumandel (WVF), væskefilmtykkelse, strømningsfart i en væskefilm og/eller salinitet i en fluidstrøm eller andre målinger relatert til permittiviteten til strømmen.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvisning til de vedføyde tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Figur 1-4 illustrerer tverrsnittet av et rør med forskjellige former av plater som danner en kavitet som virker som en lokal bølgeleder over den åpne enden av kavitetsresonatorsensoren.

Figur 5 illustrerer en plate langs rørlengden.

Som vist i tegningene, frembringer den foreliggende oppfinnelsen en lokal cutoff-frekvens i volumet foran sensoren definert av kavitetsresonatoren 2, den metalliske veggen 3 og røret 1. Dette kan kort beskrives som en cutoff-regulator. Cutoff-regulatoren utgjør en "vegg" som inndeler tverrsnittet i røret i deler, slik at delen foran kavitetsresonatoren er en bølgeleder som har en høyere cutoff-frekvens enn resonansfrekvensen til kavitetsresonatorsensoren. I grunn-konstruksjonen har veggen et neglisjerbart tverrsnitt sett langs røraksen, og vil derfor ikke virkes som en restriksjon for strømmen.

Som det fremgår av figur 1-4, er formen til cutoff-regulatoren ikke kritisk, da praktisk talt alle former vil virke som bølgeleder, og derfor kan velges for å ta hensyn til andre aspekter, slik som mekanisk robusthet og motstandsdyktighet mot vibrasjon, enkel fremstilling eller tilgjengelige standardmaterialer. Men for former som ikke vanligvis brukes som bølgeledere kan det være umulig å finne ligninger for å beregne cutoff-frekvensen. I så fall kan den enkelt finnes ved å bruke et datamaskinprogram for simulering av elektromagnetiske problemer,

f eks HFSS. Som generell regel betyr lite tverrsnitt en høy cutoff-frekvens, eller mer spesifikt, det er ikke arealet av tverrsnittet men den største dimensjonen i tverrsnittet som er viktig. For eksempel har en bred og lav rektangulær bølgeleder samme cutoff-frekvens som en høyere bølgeleder med samme bredde.

Når elektromagnetiske felt eksiteres i en bølgeleder ved en frekvens under cutoff, som ved kavitetsresonatoren i dette tilfellet, vil feltene ikke forplante seg men dempes eksponensielt med avstanden fra eksitasjonspunktet. Hvis bølgelederen er kort og har en åpen ende, vil feltene ikke være fullstendig dempet på den korte avstanden til den åpne enden. I tilfellet med cutoff-regulatoren ville dette føre til noe tap av effekt ved stråling inn i røret fra den åpne enden. Som vis i figur 5, må cutoff-regulatoren derfor ha en viss minimumslengde i rørets aksiale retning for å eliminere all stråling. Jo nærmere resonansfrekvensen er til cutoff-frekvensen, jo lenger må cutoff-regulatoren være. I et typisk tilfelle er en lengde på 2 til 3 ganger den største diameteren til kavitetsresonatoren tilstrekkelig.

For å oppsummere, angår oppfinnelsen en sensorsammenstilling for å måle dielektriske egenskaper i et hydrokarbonfluid i et rør 1, spesielt å måle saliniteten til strømmen. Sammenstillingen omfatter en mikrobølge-kavitetsresonator 2 tilpasset til plassering i veggen av røret og utformet for å arbeide ved en valgt resonansfrekvens for å måle spesifikke parametre slik som permittiviteten eller saliniteten til fluidstrømmen i røret.

Sensorsammenstillingen omfatter også en metallisk plate 3 i en avstand fra sensoren, hvor

platen definerer en bølgeleder som omslutter kavitetsresonatorsensoren. Bølgelederen er åpen langs røraksen for å tillate strømmen å passere, og tilstrekkelig lengde til å unngå strålingstap gjennom åpningene ved endene. Bølgelederen definerer et volum mellom kavitetsresonatoren, platen og rørveggen som har en cutoff-frekvens som er høyere enn resonansfrekvensen til kavitetsresonatorsensoren, der rørveggen i volumet også fortrinnsvis er laget av et metall. Fortrinnsvis forløper den metalliske platen langs røraksen minst to ganger den største diameteren i kavitetsresonatoren.

Kavitetsresonatoren er tilpasset til å ha en overflate vendt mot strømmen og å være i flukt med rørveggen mens den metalliske platen forløper inn i strømmen men har et minimalt areal i strømretningen slik at det ikke har noen vesentlig effekt på strømforholdene.

Den metallisk platen kan monteres på kavitetsresonatoren for innsetting i røret som én enkelt enhet, eller den kan monteres i rørveggen ved posisjonen for kavitetsresonatoren. Sammenstillingen kan være Sensorsystem som omfatter en sensorsammenstilling ifølge krav 1, omfattende målemidler koblet til sensorsammenstillingen for å detektere resonansfrekvensen til kavitetsresonatoren.

Claims (5)

1 Sensorsammenstilling for å måle dielektriske egenskaper i en hydrokarbonfluidstrøm i et rør, spesielt å måle salinitet i strømmen, omfattende en mikrobølge-kavitetsresonator tilpasset til plassering i veggen av røret og utformet for å arbeide ved en valgt resonansfrekvens, hvori sensorsammenstillingen også omfatter en metallisk plate i en avstand fra sensoren, hvor platen definerer en bølgeleder som omslutter kavitetsresonatorsensoren, der bølgelederen er åpen langs røraksen for å tillate strømmen å passere, og der bølgelederen har en cutoff-frekvens som er høyere enn resonansfrekvensen til kavitetsresonatorsensoren.

2. Sensorsammenstilling ifølge krav 1, hvor den metalliske platen forløper langs røraksen minst to ganger den største diameteren i kavitetsresonatoren.

3. Sensorsammenstilling ifølge krav 1, hvor kavitetsresonatoren er tilpasset til å ha en overflate vendt mot strømmen og å være i flukt med rørveggen der den metalliske platen forløper inn i strømmen.

4. Sensorsammenstilling ifølge krav 1, hvor den metalliske platen er montert på kavitetsresonatoren for innsetting i røret som én enkelt enhet.

5. Sensorsystem inkludert en sensorsammenstilling ifølge krav 1, omfattende målemidler koblet til sensorsammenstillingen for å detektere resonansfrekvensen til kavitetsresonatoren.