NO305850B1

NO305850B1 - FremgangsmÕte og apparat til str°mningsmÕling

Info

Publication number: NO305850B1
Application number: NO922039A
Authority: NO
Inventors: Frank Mohn
Original assignee: Framo Eng As
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1992-05-25
Publication date: 1999-08-02
Also published as: NO922039L; BR9007876A; CA2069624A1; EP0504178B1; GB8926767D0; ATE136116T1; ES2084714T3; NO922039D0; DK0504178T3; DE69026273T2; DE69026273D1; EP0504178A1; WO1991008445A1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et flerfasefluid-strømningsmåleapparat for måling av de volumetriske proporsjoner av væske og gass i et flerfasefluid, og en fremgangsmåte for måling av flerfasefluidstrøm.

Fra US-A-4.255.088 er det kjent et væskepumpesystem som kan spore tilstedeværende gass i den pumpen hvori væsken beveges av et stempel, og hvor informasjon beregnes ut fra målinger av væsketrykket og stempelposisjonen. Ifølge EP-A-0.226.908 kan også informasjon om virkemåten av et fortrengningsstempel innhentes ved måling av pum-petrykk og sporing av fortrengningselementets posisjon.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det imidlertid frembrakt et flerfasefluidstrømningsmåleapparat for måling av de volumetriske proporsjoner av væske og gass i et flerfasefluid, hvor apparatet omfatter;

- et kammer (12) ,

et positivfortrengningselement (10) som er bevegelig inne i kammeret,

- midler for å fremføre et flerfasefluid til kammeret , - en reguleringsventil (9) som er tilpasset til å åpnes for å frembringe utstrømming av fluidet fra kammeret som en respons til et forutbestemt trykk deri, - midler for å bevege positivfortrengningselementet for å komprimere flerfasefluidet i kammeret, - en første sensor (25,-30) som frembringer et signal avhengig av positivfortrengningselementets posisjon, - en andre sensor (36), som er anordnet for kontinuerlig å måle trykket inne i kammeret for enhver posisjon av positivfortrengningselementet, - en tredje sensor (35) som frembringer et signal idet reguleringsventilen (9) åpnes, og - en beregningsenhet som responderer på signalene fra den første og andre og tredje sensor og som er tilpasset til å bearbeide signalene for å frembringe et mål for de volumetriske forhold mellom væske og gass i flerfase fluidet som strømmer gjennom apparatet. Ifølge oppfinnelsen er det også angitt en fremgangsmåte for måling av en flerfasefluidstrøm kjennetegnet ved - fremføring av fluidet gjennom et apparat hvori det komprimeres av et positivfortrengningselement, - måling av trykket av det komprimerte fluid i løpet av kompresjonsbevegelsen til positivfortrengningselementet og posisjonene av positivfortrengningselementet, og - måle når en utstrømmingsreguleringsventil i apparatet åpnes, og - at målingene anvendes for å beregne de volumetriske proporsjoner mellom væske og gass i flerfasefluidet.

Det vil innsees at når en væske pumpes av en stempelpumpe i et pumpekammer, vil væskemengden som pumpes stort sett tilsvare volumet av kammeret som gjennomløpes av stempelet, som følge av at væsken er praktisk talt ukom-primerbar, men hvis det i det innstrømmende fluid inngår en større gasskomponent vil utløpsventilen fra pumpekammeret ikke åpnes før ventilåpningstrykket er oppnådd ved komprimering av gassfasen ved hjelp av stempelet. Da trykket i pumpekammeret som kjent har forbindelse med dets volum, kan gassfaseandelen i fluidet bestemmes utfra endr-ingen i volum som stempelet må bevirke for å kunne opp-rette det nødvendige trykk for åpning av ventilen.

I fravær av gassfasen vil det kreves minimal stempel-bevegelse, og den nødvendige bevegelse som kreves, vil øke med økende gassfraksjon. Med kjennskap til stempelposisjonen på utstrømningstidspunktet, er det mulig å måle volum-forholdet mellom væske og gass i det innstrømmende flerfasefluid.

Positivfortrengningselementet er typisk i form av et stempel som er opplagret frem- og tilbakebevegelig i en sylinder. Den første sensor kan med fordel omfatte en variabel lineær fortrengningsomformer eller en transducer som styres av en rotasjonsdrivkraft som avledes fra stempelbevegelsen.

Den andre sensor kan omfatte en transducer som reagerer på innstillingen av en reguleringsventil som styrer fluid-utstrømningen fra et kammer hvori fluidet komprimeres, eller en trykksensor som reagerer på trykk i et slikt kammer .

Det kan med fordel være innmontert en sensor for over-føring, til regneverket, av et utgangssignal i avhengighet av temperaturen av det komprimerte fluid.

Dette apparat gjør det mulig å innhente informasjon om fluidtrykk i pumpekammeret ved stempelposisjoner i ethvert ønsket antall under kompresjonstakten, slik at når et blandingsfase-fluid pumpes, kan variasjonen i fluidtrykk under stempeltakten overvåkes nøyaktig, i likhet med gassmengden som overføres til væskefasen.

Selv om den kan anvendes generelt, er oppfinnelsen særlig egnet for anvendelse ved håndtering av råolje som nor-malt er i form av en variabel blanding av olje og gass. Strømningsmålerapparatet ifølge oppfinnelsen kan lett integreres i undervanns-pumpeanlegg, hvor kammeret blir pumpekammeret i pumpeanlegget. Oppfinnelsen gjør det derved mulig å bedømme volumet av råolje med inngående be-standdeler som ekstraheres ved pumpeanlegget, slik at dette spesielle pumpeanleggs bidrag til en felles strøm til overflaten, kan måles. Pumpeytelsen samt mengden og bestanddelene av produksjonen fra en spesiell undervanns-brønn kan således kontrolleres.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende i tilknytning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et skjematisk riss av et strømningsmåler-apparat ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et diagram som illustrerer hvordan trykket i et målerkammer i apparatet ifølge fig. 1 varierer med kammervolumet under et innmontert stempels bevegelses-syklus. Fig. 3 viser et skjematisk riss av et stempel- og sylinderaggregat i apparatet ifølge fig. 1. Fig. 4 viser et krets-blokkdiagram omfattende egnede reguleringsanordninger for apparatet ifølge fig. 1, som også fungerer som en drivpumpe.

Apparatet som er skjematisk vist i fig. 1, omfatter en sylinder 2 som gjennom åpninger i en endevegg 4 står i forbindelse med innløps- og utløpsrørledninger 5 og 6 med innkoplede énveisventiler henholdsvis 7 og 9. Et stempel 10 styres i sylinderen 2, for frem- og tilbakegående bevegelse i aksialretning, slik at et målerkammer 12 av vari-abelt volum avgrenses mellom stempelet og énveisventilene 7 og 9. Disse ventiler 7 og 9 er slik rettet at utadgående bevegelse av stempelet 10 fra endeveggen 4 medfører inn-suging av fluid i kammeret 12, gjennom ventilen 7, og innadgående bevegelse forårsaker utstøting av fluidet langs rørledningen 6, gjennom ventilen 9.

Apparatet kan med fordel utnyttes som en drivpumpe-anordning, hvor stempelet 7 fortrinnsvis beveges i frem-og tilbakegående retning ved hjelp av en lineær elektromotor 20 med drivdeler 21, hver i form av en vikling som er utformet som en plan, rektangulær plate, og en reaksjons-del 22 som opptas mellom viklingene og består av en sterkt magnetisert permanentmagnet, likeledes av form som en plan og rektangulær plate. Ved opplading av drivdelene 12 vil reaksjonsdelen 22 beveges i sin lengderetning. Reaksjonsdelen 22 er forbundet med stempelet 10 gjennom en stempel-stang 24, og stempelmontasjen, omfattende stempelet, stempelstangen og reaksjonsdelen, styres på slik måte at reaksjonsdelens hovedflateparti beveges parallelt med hovedflatepartiene av drivdelene 21, med bare en minimal klaring mellom delene.

For måling av fluidstrømmen gjennom apparatet, er stempelmontasjen forbundet med en transducer 25 som avgir et signal i avhengighet av posisjonen av stempelet 10 i sylinderen 2. Som vist i den nedre del av fig. 1, kan stem-pelmontasje-transduceren 25 bestå av en variabel lineær fortrengningsomformer hvis ene ende er forbundet med stempelstangen 24 og den annen er forbundet med sylinderen og strekker seg parallelt med stempelstangen. Det kan alter-nativt anvendes en posisjonstransducer 3 0 som styres av en rotasjonsdrivkraft som overføres til transduceren ved hjelp av et drev 31 som drives av en tannstang 32 som er fastgjort til stempelstangen 24, for frem- og tilbakegående bevegelse sammen med stempelmontasjen, som vist i den øvre del av fig. 1.

Videre omfatter apparaturen en transducer 3 5 som er sam-virkende forbundet med énveis-utløpsventilen 9, for å avgi et utgangssignal som angir innstillingen av denne ventil. I stedet eller i tillegg kan det være anordnet en trykk-transducer 3 6 som avgir et utgangssignal i avhengighet av trykket i kammeret 12.

Utgangssignalene fra transducerene overføres til en krets 37 hvori de behandles for å danne målings-utgangs-signaler som overføres til et billedskjerm- og/eller regi-streringsutstyr 39. Grunnlaget for behandling av trans-ducerutgangssignaler for oppnåelse av det ønskede utgangssignal som beskrevet i det etterfølgende i tilknytning til fig. 2 og 3, hvorav den førstnevnte illustrerer avhengighetsforholdet mellom trykket i målerkammeret 12 og kammervolumet under en fullstendig stempelbevegelsessyklus.

Linjen 40 i den nedre del av PV-diagrammet i fig. 2 viser tilstanden i kammeret 12 under stempelets 10 inn-strømnings- eller innsugingstakt, etter at innløpsventilen 7 har åpnet under lavt trykk som oppstår i kammeret ved bevegelsen av stempelet. Trykket i kammeret 12, som styres av åpningstrykket for ventilen 7, opprettholdes stort sett konstant til stempelet 10 har nådd enden av sin innsug ingstakt og forandrer retning, som vist ved et punkt 41, for å innlede komprimerings- eller innstrømningstakten og derved øke trykket i kammeret. Hvis fluidet i kammeret 12 var helt uten nevneverdig gasstilsetning, ville trykket øke praktisk talt umiddelbart, som vist med en brutt linje 42, til et slikt nivå at utløpsventilen 9 åpnes, hvorved kammertUstandene vil være som vist ved et punkt 44. Da væsken bare i liten grad er komprimerbar i liten grad, vil det oppstå en liten volumreduksjon innen utløpsventilen 9 åpnes, som angitt ved helningen av linjen 42. Trykket i kammeret 12 ville deretter opprettholdes stort sett konstant under stempelets 10 utstrømningstakt, til den etter-følgende innsugingstakt innledes ved et punkt 45.

Forholdet mellom trykk og kammervolum er helt anner-ledes i forbindelse med et blandingsfasefluid, fordi gassfasen er relativt lettkomprimerbar. Som vist med en hel-trukket linje 46 vil trykket i pumpekammeret, ved enden av innsugingstakten og begynnelsen av utstrømningstakten, ikke øke nesten momentant til utstrømningstrykknivået, men relativt langsomt mens gassen komprimeres. Når gassfasen er komprimert til det trykk hvorved ventilen 9 åpnes, ved punktet 49, vil trykket være konstant under stempelets fortsatte bevegelse under utstrømningstakten. Posisjonen av punktet 4 9 avhenger således av den gassmengde som må komprimeres, for at ventilens åpningstrykk skal oppnås.

Når utstrømningstaktene er avsluttet og innsugingstakten innledes vil en mindre gassmengde i kammeret 12, som har sitt minste volum, mindre enn ved begynnelsen av utstrømningstakten, bevirke at trykket avtar relativt hur-tig med økende kammervolum som vist med en linje 50, til innløpsventiltrykket er oppnådd, ved et punkt 51, hvor-etter trykket opprettholdes stort sett konstant under den gjenværende del av innsugingstakten.

Stempelets 10 posisjon på det tidspunkt da ventilen åpnes, kan måles med transduceren 25 og/eller 30 og transduceren 35, og det kan påvises at væskevolumet (v^g^g) i fluidet i kammeret kan uttrykkes med ligningen :

hvor:

P1er det kjente utgangstrykk i kammeret 12 ved innledningen av utstrømningstakten,

P2er trykket i kammeret idet ventilen 9 åpnes, og til-svarer det kjente ventilåpningstrykk eller trykket som be-stemt med trykktransduceren 36,

V]_ er den totale fluidmengde i kammeret ved innledningen av utstrømningstakten, og

V2er totalvolumet i kammeret 12 når ventilen 9 åpnes, eller ved et annet, kjent trykk i kammeret, målt med trykktransduceren 35, hvor volumet bestemmes ved posisjonen av transduceren 25 eller 30.

Den polytrope eksponent n fremgår av ligningen:

hvor:

<v>lgass er gassmengden i totalvolumet V]_, og<V>2 gass er gassmengden i totalvolumet V2.

Den polytrope eksponent n som er en funksjon av gass-sammensetningen og gass/væskeforholdet, kan ikke bestemmes direkte av den andre ligning, fordi gassvolumene ved til-standene 1 og 2 er ukjent. Forsøk kan gjennomføres for å bestemme avhengighetsforholdet mellom n og gass/væske-forholdet. Ligningen for V^g^e kan deretter løses ved gjentakelse. Ved en gassmengde under 90% vil kompresjonen sannsynligvis være isotermisk (n=l) fordi væsken vil over-føre varme til gassen.

Denne beregning tar ikke hensyn til komprimerbarheten av væskefasen i det innstrømmende fluid, og kan forbedres for å ta dette i betraktning. Temperatur kan beregnes in-direkte av PV-forholdet i beregningen av den polytrope eksponent n, men hvis det ønskes omregning til gass i standardtUstander, må temperaturen måles, f.eks. med en temperatursensor 55 som leverer et utgangssignal til kret-sen 37.

Transduceren 35 indikerer bare én enkelt trykkverdi i kammeret 12, men utgangssignalet fra transduceren 36 kan benyttes i stedet eller i tillegg, for å oppnå likeverdig informasjon bare om deler av stempelets fullstendige kom-presjonstakt, som kan kombineres for å frembringe en for-bedret gjengivelse i utstyret 39. Som det fremgår av fig. 3, kan det således innhentes avlesninger fra transducerene 2 5 eller 3 0 og 3 6 vedrørende suksessive kompresjonstakt-deler, hvorav de første løper fra innledningen av takten, betegnet med "0", hvor stempelet 10 er vist med heltrukne linjer, til stempelposisjonen som er betegnet med "1", og den andre løper fra posisjonen "1" til den viste posisjon " 2" .

Det er også mulig å bestemme hvor meget gass som over-føres til væskefasen under kompresjonstakten. Forskjellen mellom væskemengdene, beregnet ved to adskilte stempelposisjoner, angir gassoverføringen til væsken. Som det videre fremgår av fig. 3, er størrelsen av overføringen til væske mellom posisjonene "1" og "2" gitt av ligningen:

Ved bruk av denne metode over hele kompresjonstakten fremkommer forholdet mellom masseoverføring og tid under hele komprimeringsprosessen. Det er imidlertid mulig at en stor del av denne overføring vil finne sted i utløpsrør-ledningen 5, etter at fluidet har forlatt pumpekammeret, fordi blandingen ikke har fått tid til å nå likevektstil-stand under kompresjonstakten.

Det viste strømningsmålerapparat kan integreres med pumpeinnretninger som er egnet for anvendelse i en under-vannsstasjon, og et egnet styresystem for apparatet er vist i fig. 4. Fra en vekselstrømskilde 60 overføres elektrisk strøm til lineærmotoren 2 0 gjennom en driv-anordning 61 av variabel hastighet, for eksempel en cyklo-omformer. Utgangssignalene fra posisjonstransduceren 2 5 (eller 30) og fra en sensor 64 som reagerer på strømmen som faktisk ledes gjennom drivdelen eller delene, over-føres til en kontroilanordning 65 sammen med signaler i avhengighet av den valgte pumpefrekvens og pumpekraften fra respektive inn-gangsanordninger 66 og 67. Styreanord-ningen 65 frembringer kontrollsignaler for anordningen 61 av variabel hastighet som derved leverer kraft av passende frekvens og spenning til lineærmotoren, med henblikk på ønsket styring av stempelet 12.

Strømningsmålingsapparatet ifølge oppfinnelsen er egnet for anvendelse ved stempelpumper generelt og for under-vannsbruk, særlig ved den type av pumpeenheter som er beskrevet i EP 89 302 229.3 (FD15).

Oppfinnelsen kan selvsagt fremstå i mange andre utfør-elsesformer enn den spesielt beskrevne.

Claims

1. Flerfasefluidstrømningsmåleapparat for måling av de volumetriske proporsjoner av væske og gass i et flerfasefluid,karakterisert vedat apparatet omfatter; - et kammer (12) , et positivfortrengningselement (10) som er bevegelig inne i kammeret, - midler for å fremføre et flerfasefluid til kammeret, - en reguleringsventil (9) som er tilpasset til å åpnes for å frembringe utstrømming av fluidet fra kammeret som en respons til et forutbestemt trykk deri, - midler for å bevege positivfortrengningselementet for å komprimere flerfasefluidet i kammeret, - en første sensor (25;3 0) som frembringer et signal avhengig av positivfortrengningselementets posisjon, - en andre sensor (36), som er anordnet for kontinuerlig å måle trykket inne i kammeret for enhver posisjon av positivfortrengningselementet, - en tredje sensor (3 5) som frembringer et signal idet reguleringsventilen (9) åpnes, og - en beregningsenhet som responderer på signalene fra den første og andre og tredje sensor og som er tilpasset til å bearbeide signalene for å frembringe et mål for de volumetriske forhold mellom væske og gass i flerfase-fluidet som strømmer gjennom apparatet.

2. Apparat i samsvar med krav 1,karakterisert vedat positivfortrengningselementet er et stempel (10) som er opplagret for frem- og tilbake-bevegelse i en sylinder (2), og at den første sensor omfatter en variabel lineær fortrengningsomformer (25) og/eller en transducer (30) som styres av en rotasjonsdrivkraft som avledes fra stempelbevegelsen.

3. Apparat i samsvar med et av kravene 1-2,karakterisert vedat det omfatter en sensor (55) som leverer et utgangssignal til computeren (37) i avhengighet av temperaturen av det komprimerte fluid.

4. Apparat i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat positivfortrengningselementet (10) utgjør en del av en drivpumpe for flerfasefluidet, hvor pumpen styres av en regulator (65) som reagerer på utgangssignalene fra den første sensor (25;30) .

5. Apparat i samsvar med krav 4,karakterisert vedat positivfortrengningselementet er et stempel (10) som blir drevet i frem- og tilbakegående retning av en lineær elektromotor (20) , og at regulatoren (65) dessuten reagerer på minst ett av signalene som er avhengig av strømmen som ledes gjennom motoren, en valgt pumpefrekvens og en valgt pumpekraft.

6. Fremgangmåte for måling av en flerfasefluidstrøm,karakterisert ved; - fremføring av fluidet gjennom et apparat hvori det komprimeres av et positivfortrengningselement, - måling av trykket av det komprimerte fluid i løpet av kompresjonsbevegelsen til positivfortrengningselement og posisjonene av positivfortrengningselementet, og - måle når en utstrømmingsreguleringsventil i apparatet åpnes, og - at målingene anvendes for å beregne de volumetriske proporsjoner mellom væske og gass i flerfasefluidet.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 6,karakterisert vedat flerfasefluidets trykk måles kontinuerlig under den komprimerende bevegelse av positivfortrengningselementet eller i valgte posisjoner av ele-mentet under bevegelsen.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 6,karakterisert vedat målingen av flerfasefluid-trykket gjennomføres idet trykket når en forutbestemt verdi.