NO304333B1 - FremgangsmÕte og instrument for mÕling av trekomponents medium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et instrument for å måle forholdene mellom komponentene i en blanding som består av tre komponenter og særlig en fremgangsmåte og et instrument for å fastslå fraksjonene av gass, vann og olje i en blanding av gass, vann og olje.

Denne oppfinnelsen kan anvendes på forskjellige typer trefaseblandinger, men her vil den bli beskrevet med henvisning til en trefaseblanding som inneholder gass, vann og olje. Ligningene som presenteres heri viser følgelig til en trefaseblanding som inneholder gass, vann og olje, og til denne blandingens tre spesifikke komponenter. Likevel er ligningene, som presenteres heri, felles for forskjellige komponenter, dvs. til tre komponenter uttrykt som henholdsvis komponenter a, (3 og y.

Under produksjon av råolje består væsken ved brønnhodet sjelden, om noensinne, av enkeltfase, enkelt-komponent strømning. Vanligvis inneholder den råolje, gass (i fri tilstand og/eller oppløst i oljen) og muligens vann. Vanninnholdet har en tendens til å øke etterhvert som produksjonen fortsetter.

Målinger av mengden av hydrokarboner produsert fra brønnene i et felt er en nødvendighet for reservoardrift og produksjonsallokering. Med hjelp av slike data kan man foreta nedtapping av reservoaret med henblikk på å optimalisere totalproduksjon over feltets levetid. I tillegg trenger man å fastslå den total produksjonsmengden av olje og gass for fiskale formål. Dette krever en mye høyere grad av nøyaktighet.

Foreløpig krever produksjonssystemer for råolje at man separarer gass-, vann- og oljefåsene for å kunne måle de enkelte komponentene på en tilfredsstillende måte.

Pr. i dag er offshore produksjonsplattformer, f.eks. i Nordsjøen, utstyrt med et manifoldsystem som lar strømmen fra en produksjonsbrønn enten gå direkte til hovedsepara-torene eller til en testseparator.

Strømmen fra en enkelt brønn kan derfor til enhver tid, dog vanligvis ifølge en fast syklus, sendes til en testseparator hvor den separeres til vann, olje og gass. Samtidig blir produktet fra all de andre brønnene samlet og prosessert i hovedseparatorsystemet. Fraksjonene av gass, olje og vann blir målt i sine respektive enkeltfase rørene fra testseparatoren.

Normalt blir samtlige tre strømmene målt ved hjelp av en måleblende, turbinmåler eller andre konvensjonelle måle-systemer. En antar at en betydelig andel av de gjenværende oljereservene ligger offshore på vanndybder i overkant av 200m, i forholdsvis små oljefelt, og i miljømessige fiendtlige områder. Med en økning i intensiteten på hvilken som helst av disse forholdene, og spesielt når to eller flere inntrer sammen, øker kostnadene som er assosiert med konvensjonell offshore utnyttelsessystemer med bore- og produksjonsfasiliteter installert på overflateplattformer fort, og blir snart ulønnsomme.

På grunn av dette har man viet undervannssystemer oppmerksomhet, hvor en gunstig teknikk er å bore flere brønner i umiddelbar nærhet av hverandre og installere utstyret for brønnhodekontroll på havbunnen.

I ethvert utkast til en ny produksjonsfasilitet må behovet for å måle strømmene fra de enkelte brønnene, samt den totale produksjonen fra feltet, vurderes i detalj. Med tilkomst av andre konsepter for produksjonssystemer, som f.eks. skissert overfor, er det blitt innlysende at nye metoder for strømningsmåling er ønskelige, for å øke såvel den tekniske som den økonomiske levedyktigheten til slike prosjekter.

Et spesielt problem med flerfase regimer dreier seg om variasjoner i strømningsforholdene i røret. Lagdelte, bølgende, boble-, plugg-, slugg-, og annulær strømning kan alle oppstå til forskjellige tider i horisontale rør. I vertikal strømning unngår man for øvrig lagstrømning.

Tettheten av en trekomponent gass/vann/oljeblanding gis ved: der pm er tettheten av trekomponentblandingen, pg er tettheten til gassen, pver tettheten av vannet, og pQ er tettheten av oljen. Denne pm er tettheten som måles ved hjelp av en gammastråle densitometer. Dersom vi på en eller annen måte kjenner vannfraksjonen p kan vi beregne gassfraksjonen a fra ligning [1] som her:

På den andre siden, dersom gassfraksjonen er kjent kan man bruke ligning [1] til å beregne vannfraksjonen p. Utfra dette er det innlysende at en gammastråle densitometer kan ikke benyttes alene til å måle enten gass- eller i vannfraksjonen.

Permittiviteten til en trekomponentblanding kan relateres til volumfraksjonene av de enkelte komponentene gjennom følgende forhold:

hvor a er gassf raks j onen og sb er permittivi teten av trekomponentblandingen. eaer permittivi teten av to komponenter (olje/vannkomponenten) av

trekomponentblandingen, og er gitt ved:

hvor Pf er vannkonsentrasjonen i de to komponentene (olje/- vannkomponenten). Denne formelen er en mindre modifisering av Bruggeman's formel for tokomponentblandinger. Den virkelige vannfraksjonen i trekomponentblandingen gis ved:

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å fastslå fraksjonene av komponentene i en trekomponentblanding, spesielt fraksjonene av gass, vann og olje i en gass/vann/olje blanding, hvor trekomponentblandingen bringes til å strømme gjennom en spalte mellom to ikke-inntrengende motsatte elektroder.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at under passering av trekomponentblandingen mellom de to ikke-inntrengende motsatte elektroder, måles permittiviteten (eb) til nevnte strømmende blanding ved hjelp av en kapasitiv første sensor, og tettheten (pm) til nevnte strømmende blanding ved hjelp av en andre sensor, som innbefatter et radioaktivt element og et gammastråle densiometer, hvoretter de målte elektroniske signaler fra nevnte to sensorer omsettes til diskrete verdier for videre behandling i en datamaskin, hvori de inngår i følgende ligninger:

hvor a er fraksjonen av en første komponent, eb er permittiviteten til trekomponentblandingen, es er er permittiviteten til en tokomponentblanding av en andre og en tredje komponent, og er gitt ved: hvor Pf er konsentrasjonen av den andre komponenten i nevnte tokomponentblanding,83er permittiviteten til nevnte tredje komponent, og den virkelige fraksjon av den andre komponent i trekomponentblandingen er gitt ved: og

hvor pxer tettheten av første komponent, p2er tettheten av andre komponent, p3er tettheten av tredje komponent, og

pm er tettheten som er målt av gammadensiometeret, og at fraksjonene av nevnte tre komponenter deretter beregnes gjennom en iterativ prosessering av nevte ligninger i nevnte datamaskin.

Det er dermed mulig å beregne suksessivt og med til-strekkelig nøyaktighet de tre komponenter av blandings-

i strømmen ved forholdsvis korte intervaller, mens blandings-strømmen passerer i mellomrommet mellom elektrodene.

Dykesteen et al, J. Phys. E; Sei Instrum., Vol, 18, 1985, s. 540-544 viser en metode for ikke-inntrengbare

målinger av komponentene i en gass/vann/olje blanding.

) Fraksjonene av gass, vann og olje, som strømmer mellom to

isolerte elektroder, er bestemt ved å måle både resistans og kapasitans over sensoren. En matematisk modell er brukt for å relatere disse målte verdier til tomfraksjonen og vannfraksjonen av rørstrømningen.

Et instrument ifølge oppfinnelsen for å fastslå fraksjonene av komponentene i en trekomponentblanding, spesielt fraksjonene av gass, vann og olje i en gass/vann/olje blanding, hvor trekomponentblandingen bringes til å strømme gjennom en spalte mellom to ikke-inntrengende motsatte elektroder, er kjennetegnet ved

a) en første i og for seg kjent kapasitanssensor som omfatter de nevnte to elektroder for å måle permittiviteten

til nevnte trekomponentblanding,

b) et sensorhode med skjerm for å redusere eller eliminere innvirkningen av uønskete impedanser mellom elektrodene, og

fra elektrodene til sensorhodet,

c) en tetthetsmåler som omfatter et radioaktivt element og et gammastråle densiometer for å beregne tettheten til

blandingen, og

d) en datamaskin for å prosessere de elektroniske signaler og beregne fraksjonene av de nevnte tre komponenter i

nevnte trekomponentblanding.

Algoritmen i datamaskinen i instrumentet i den aktuelle oppfinnelsen vil være slik:

1. Velg en verdi for p.

2. Beregn a ved hjelp av p og blandingens målte tetthet (ligning 2). 3. Utifrå a og den målte permittivitet av blandingen, beregn en ny verdi for P ved å benytte formelen for

trekomponent permittiviteten (ligning 3).

4. Gå til trinn 2 og gjenta prosessen et på forhånd gitt antall ganger, eller benytt et konvergenskriterium for å stanse prosessen. Nøyaktigheten av det endelige resultatet er avhengig av flere faktorer. Herunder er

disse diskutert i korthet.

(a) Nøyaktigheten er sterkt betinget av hvor nøyaktig man kjenner råoljens tetthet. Tettheten er avhengig av temperatur og trykk, og av den grunn vil det være nødvendig å kompensere for variasjoner i temperatur og trykk. Tettheten forandrer seg med trykk på grunn av oljens kompressibilitet, og fordi gass/olje forholdet forandres med forandringer i trykk. (b) Vannets tetthet må også være kjent med en stor grad av nøyaktighet. Vanntettheten er sterkt betinget av saltinn-holdet, og av den grunn må den måles i hvert tilfelle. Hva angår vannet kan man overse variasjoner i tetthet som for-årsakes av temperatur og trykk innenfor rimelig variasjoner i temperatur og tetthet. (c) Gassens tetthet må også være nøyaktig kjent. Også denne størrelsen er avhengig av temperatur, trykk og gassens sammensetning. Ved atmosferetrykk er gassens tetthet kun ca. 1 kg/m<3>, og den kan overses i forhold til tetthetene til oljen og vannet. Ved betydelige høyere trykk kan denne ikke overses og den må kompenseres for. (d) Råoljens permittivitet bør være kjent innenfor ±1% for å unngå betydelige feil på grunn av denne faktoren. (e) Tilsist er nøyaktigheten avhengig av nøyaktigheten av densitometeren og kapasitansmålingene.

Sensorens "inline" plassering i produksjonssystemet innebærer at et meget begrenset trykkfall over sensoren kan tolereres. Dessuten kan erosjon i et stigerør være betydelig, og ideelt sett bør derfor sensoren ikke ha deler som trenger inn i selve blandingsstrømmen.

Ved å ta disse faktorene i betraktning er sensorhodets elektroder konstruert som sirkelbueformete elektrodeplater inkorporert i et rør som utgjør sensorhodet til hver av nevnte elektroder, som plasseres mot blandings- strømmen i nevnte sensorhode. I det følgende er sensoren omtalt som en overflateplatesensor.

Sensorhodet er ring- eller hylseformet og det inkorporerer et par radielt innerste elektroder og en radielt ytterst skjerm med en mellomliggende volum som inneholder elektrisk isolerende materiale. Skjermen er holdt på jordspenningsnivå. De sirkelbueformete elektrodeplatene kan holdes på en viss avstand fra blandingsstrømmen ved hjelp av et lag elektrisk isolerende materiale.

I overflateplate elektrodesensor penetrerer det elektriske feltet hele måleseksjonen, noe som gjør sensoren følsom overfor strømmen såvel i midten av røret som langs rørveggen. Et nøyaktig valgt åpningsvinkel for elektroden sikrer at enhver del av målevolumet har samme virkning på sensorens totalimpedans.

Det lar seg demonstrere at med henblikk på det elektriske feltets homogenitet, er den optimale åpnings-vinkelen til elektroden et sted mellom 60 og 90°. Følsom-heten til er overflateplatesensor med en slik åpningsvinkel vil i tillegg være god.

I samsvar med en foretrukket utforming av oppfinnelsen blir elektrodene, plassert på omkretsen til den indre overflaten av røret som utgjør sensorhodet, gitt en gjensidig plassering med en åpningsvinkel på omtrent 60 og 90° .

Sensorhodet også reduserer eller eliminerer impe-dansen mellom elektrodene. En måte å oppnå dette på er ved å utstyre sensorhodet i hvert mellomrom mellom elektrodene med en ringformet beskyttelsesjord med en avstand på noen få sirkelbuegrader, og ved å koble nevnte beskyttelsesjord på samme potensiale som nevnte første elektrode.

En foretrekker at nevnte beskyttelsesjordplater blir inkorporert i en ringformet beskyttelsesjord som omgir kantene til en av nevnte to elektroder.

Et egnet elektrisk isolerende materiale er et keramisk eller polyuretan eller annet materiale som har god motstand mot erosjon, samt lav termisk ekspansjon.

Elektrodene er fremstilt i et elektrisk ledende material som f.eks. rustfritt stål, ledende keramisk eller annet egnet materiale.

Den aktuelle oppfinnelsen, dvs. såvel fremgangsmåten som instrumentet ifølge oppfinnelsen, har følgende for-deler :

- er ikke inntrengende

- måler den totale rørstrømmen, ikke basert på prøver

- foretar sanntidsmålinger

- inneholder ingen bevegelige deler

- er pålitelig, med lave vedlikeholdskrav.

Oppfinnnelsen illustreres, men er ikke begrenset til det som er vist i fig. 1-4 på vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av et system som inkorporerer en kapasitanssensor og en tetthetssensor, dvs. en gammadensitometer for å beregne strømningens sammensetning. Fig. 2 viser en transmitter for kapasitansmålinger, illustrert i fig. 1.

Fig. 3 viser et snitt gjennom en sensor.

Fig. 4 viser et planriss av en av elektrodene og dennes tilhørende beskyttelsesjord.

Under henvisning til fig. 1, strømmer en trekomponentblanding av gass, vann og olje gjennom et rør 10 som inkorporerer en kapasitanssensor 11, dvs. en første sensor, som måler blandingens permittivitet. En sender lia fører signaler fra den første sensoren 11 til en først dataprosesseringsenhet 12 og videre til en annen dataprosesseringsenhet 13, som er inkorporert i en datamaskin. Nevnte enheter kan inkorporere en visualisering av de relative proporsjonene av trekomponentblandingen.

En annen sensor 15, dvs. et gammadensitometer, er inkorporert i strømningslinjen 10 i nærheten av den første sensor 11. Gammadensitometeret 15 inkluderer en gammamåler radioaktiv kilde 16. I dette tilfelle har en valgt en caesium isotop, men andre isotoper, så som f.eks. en americium isotop, kunne også ha vært benyttet. Gammadensitometeret 15 inkluderer videre en gammamålerdetektor17. Gammamålerens radioaktiv kilde 16 og gammamålerens detektor 17 er plassert på motsatte sider av strømningslinjen 10, festet til et rør som utgjør sensorhodet til nevnte andre sensor 15. Gammadensitorneterets utgangsdata, kombinert med utgangsdata fra den første sensoren 11, er benyttet for å beregne fraksjonene i blandingen, og et nøyaktig resultat kan oppnås på en ganske lettvint måte.

Utgangsfrekvensen Fr fra kapasitansmålingenes elektronikk blir konvertert fra en først dataprosesseringsenhet 12 til en digitalverdi Cb som representerer sensorens kapasitans. Forholdet mellom Cb og Fr etableres ved å kalibrere måleelektronikken, og kalibreringskurven lagres i datamaskinens hukommelse. Datamaskin lagrer i tillegg en kalibreringskurve for kapasitanssensor 11. Dette er brukt heri for å omdanne den målte kapasitans Cb i en annen dataprosesseringsenhet 13 til en verdi for blandingens permittivitet eb.

Gammamålerens detektor 17 i den andre sensoren 15 utgir et signal Vg, som er proporsjonalt med tettheten til blandingen som strømmer gjennom røret. En dataprosesseringsenhet 18 i nevnte datamaskin omdanner signalet Vg til den digitale verdien, som er den målte tettheten til den strømmende blandingen. Denne verdien fra enhet 18 og verdien b fra enhet 13 blir videreprosessert i en felles enhet 14 i datamaskinen. Enheten 14 inneholder en matematisk modell som setter den målte permittiviteten og målte tettheten av den strømmende blandingen i sammenheng med proporsjonene av gass (a) , vann ((3) og olje (y) .

Kapasitanssenderen lia er avbildet i mer detalj i fig. 2. Sensorens kapasitans Cx gir en trekantbølge ^ som genereres ved integrasjon av en firkantbølge v2.-Denne trekantbølge v1blir benyttet i sin tur som inngang til en firkantbølgegenerator. Den illustrerte lukkete sløyfe utgjør et resonanssystem, hvis resonansfrekvens f er gitt av ligning [5]:

hvor k er en konstant gitt av Rx og zenerdiodene z3og z4og Cx er sensorens kapasitans.

Under henvisning til fig. 3, viser denne et utsnitt av et sensorhode 20 i den første sensoren 11. Dette sensorhodet 20 består av to elektroder 21 og 22, som er koblet til terminalene 21a og 22a og en beskyttelsesjord 25 koblet til en terminal 25a. En ytre skjerm 26 av stål er koblet til jord. Denne utgjør et hus for sensorhodet og omgir en isolasjon 27, som inkorporerer elektrodene 21 og 22 og beskyttelsesjord 25. Isolasjonen 27 etterlater en sentral åpning 28 for væskestrømmen.

Nærmere bestemt er elektrodene 21 og 22 og be-skyttelses jorden 25 isolert fra væskestrømmen ved hjelp av en radielt innerste isolasjonslag 27a som består av et første keramisk materiale, som f.eks. sintrert alumina (aluminium oxyd). Mellom nevnte radielt innerste isolasjonslag 27a og den radielt ytterste skjerm 26 finnes et hovedisolasjonslag 27b i et annet keramisk materiale, som f.eks. "Ceramite".

I praksis blir isolasjonslaget 27b, elektrodene 21 og 22, og beskyttelsesjorden 25 plassert mellom det indre isolasjonslag 27a og den ytre skjermen 26. Som fig. 3 viser, passerer koblingene 21a, 22a og 25a fra henholdsvis sine tilhørende elektroder 21 og 22 og beskyttelsesjord 25 gjennom isolasjonslaget 27b til en koblingsboks 26a ved den ene siden av skjermen 26.

Fig. 4 viser elektroden 22 og beskyttelsesjorden 25 i utbrettet stilling. Elektroden 22 (i likhet med elektroden 21) er rektangulær. Fig. 4 viser klart at beskyttelsesjorden er utformet som en firkantet ring, med en mindre avstand fra elektroden 22 på f.eks. 5 mm. Elektrodene 21 og 22 og beskyttelsesjorden er i en foretrukket utforming under produksjonen derav, påført i et ganske tynnvegget lag, direkte på den radielt ytre overflaten av det radielt innerste isolasjonslag 27a, og dermed er dekket av det radielt ytterste isolasjonslag 27b.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for å fastslå fraksjonene av komponentene i en trekomponentblanding, spesielt fraksjonene av gass, vann og olje i en gass/vann/olje blanding, hvor trekomponentblandingen bringes til å strømme gjennom en spalte (2 8) mellom to ikke-inntrengende motsatte elektroder (21, 22),karakterisert ved at under passering av trekomponentblandingen mellom de to ikke-inntrengende motsatte elektroder (21, 22), måles permittiviteten (eb) til nevnte strømmende blanding ved hjelp av en kapasitiv første sensor (11), og tettheten (pm) til nevnte strømmende blanding ved hjelp av en andre sensor som innbefatter et radioaktivt element (16) og et gammastråle densiometer (15) , hvoretter de målte elektroniske signaler fra nevnte to sensorer (11, 15) omsettes til diskrete verdier for videre behandling i en datamaskin (14), hvori de inngår i følgende ligninger:

hvor a er fraksjonen av en første komponent, eb er permittiviteten til trekomponentblandingen, es er permittiviteten til en tokomponentblanding av en andre og en tredje komponent, og er gitt ved:

hvor pf er konsentrasjonen av den andre komponenten i nevnte tokomponentblanding, s3er permittiviteten til nevnte tredje komponent, og den virkelige fraksjon av den andre komponent i trekomponentblandingen er gitt ved:

og

hvor pi er tettheten av første komponent, p2er tettheten av andre komponent, p3er tettheten av tredje komponent, og pm er tettheten som er målt av gammadensiometeret (15), og at fraksjonene av nevnte tre komponenter deretter beregnes gjennom en iterativ prosessering av nevte ligninger i nevnte datamaskin (14).

2. Instrument for å fastslå fraksjonene av komponentene i en trekomponentblanding, spesielt fraksjonene av gass, vann og olje i en gass/vann/olje blanding, hvor trekomponentblandingen bringes til å strømme gjennom eri spalte (2 8) mellom to ikke-inntrengende motsatte elektroder (21, 22),karakterisert veda) en første i og for seg kjent kapasitanssensor (11), som omfatter de nevnte to elektroder (21, 22) for å måle permittiviteten til nevnte trekomponentblanding, b) et sensorhode (2 0) med skjerm for å redusere eller eliminere innvirkningen av uønskete impedanser mellom elektrodene (21, 22) og fra elektrodene (21, 22) til sensorhodet (20), c) en tetthetsmåler, som omfatter et radioaktivt element (16) og et gammastråle densiometer (15) for å beregne tettheten til blandingen, og d) en datamaskin (14) for å prosessere de elektroniske signaler og beregne fraksjonene av de nevnte tre komponenter i nevnte trekomponentblanding.

3. Instrument i samsvar med krav 2,karakterisert ved at elektrodene (21, 22) i sensorhodet (20) er utformet som sirkelbueformete plater, inkorporert i et rør (10) som utgjør sensorhodet (20), idet hver av nevnte elektroder (21, 22) er plassert mot blandingsstrømmen i nevnte sensorhode (20)._

4. Instrument i samsvar med et av kravene 2 eller 3,karakterisert ved at sensorhodet (20) er ring- eller hylseformet og inkorporerer et par radielt innerste elektroder (21, 22) og en radielt ytterste skjerm (26) med et mellomliggende volum som inneholder elektrisk isolerende materiale (27b).

5. Instrument i samsvar med krav 2 til 3,karakterisert ved at skjermen (26) er på jordspenningsnivå.

6. Instrument i samsvar med et av kravene 3 til 5karakterisert ved at de sirkelbueformete elektrodeplatene (21, 22) er holdt adskilt fra blandingsstrømmen ved et lag elektrisk isolerende materiale (27a).

7. Instrument i samsvar med et av kravene 3 til 6karakterisert ved at elektrodene (21, 22) som er plassert på omkretsen til den indre overflaten av røret (10) som utgjør sensorhodet (20), har en innbyrdes avstand med en åpningsvinkel på mellom 60 og 90°.

8. Instrument i samsvar med et av kravene 5 eller 7,karakterisert ved at sensorhodet (20) i hver spalte mellom elektrodene (21, 22) er forsynt med en beskyttelsesjord (25) formet som en firkantet ring plassert i en avstand av noen få sirkelbuegrader, og at nevnte beskyttelsesjord (25) er holdt på samme jordspenningsnivå som nevnte første elektrode.

9. Instrument i samsvar med krav 7,karakterisert ved at nevnte beskyttelsesjord (25) er inkorporert i en ringformet beskyttelsesjord som omringer kantene av en av de to nevnte elektroder (21, 22).

10. Instrument i samsvar med et av kravene 4 eller 6,karakterisert ved at det elektrisk isolerende materialet (27a, 27b) er keramisk.

11. Instrument i samsvar med et av kravene 2 til 10,karakterisert ved at elektrodene (21, 22) er fremstilt av et elektrisk ledende keramisk materiale.