NO312169B1 - Innretning for måling av refleksjonskoeffisienten til högfrekvente elektromagnetiske bölgjer i v¶ske, samt framgangsmåtefor å bestemme vassinnhald i fleirfase rörstraum ved bruk avinnretninga - Google Patents

Description

Oppfinninga omfattar innretning for måling av refleksjonskoeffisienten til høgfrekvente elektromagnetiske bølgjer i væske samt framgangsmåte for måling av vassinnhald (vannkutt) i fleirfase rørstraum.

Prinsippet byggjer på måling av refleksjonskoeffisienten til høgfrekvente elektromagnetiske bølgjer, i væskefasen, i eit lokalt område nær rørveggen. Refleksjonskoeffisienten blir vidare brukt i utrekning av vassinnhaldet. Fleirfase rørstraum er typiske ved produksjon av råolje. Framgangsmåten kan, i fylgje oppfinninga, brukast ved alle typar strøymingsregime og gjev god grannsemd ved både høge og lave gassfraksjonar.

Produksjon av råolje er ein komplisert prosess. Råoljen inneheld, mellom anna, ulike volumdelar (fraksjonar) av olje, gass og vatn. Nytteverdien ligg, naturleg nok, i olje og gass medan vatn er eit reint avfallsprodukt. I ein oljebrønn vil fraksjonen av produsert vatn vere i kontinuerleg endring. Separering av dei 3 fasane krev kostbart utstyr og er ein tidkrevjande prosess. For å halde nede kostnadene og optimalisere produksjons-prosessen, er det derfor viktig å ha regelmessige og pålitelege målingar av vannkuttet i væskefasen.

Store gassfraksjonar er eit kompliserande element i samband med målingar av vassinnhald i fleirfase rørstraum. Fraksjonane av gass og vatn aukar etter som oljebrønnane blir eldre. Spesielt store gassfraksjonar oppstår i brønnar der gasstrykket driv produksjonen, og i brønnar som produserer kondensatPå enkelte felt kan fraksjonen av fri gass komme opp i over 95%. I eldre oljefelt er det vanleg å injisere både gass og vatn for å oppretthalde trykket i reservoaret. Dersom produksjonsratene vert for høge eller det injiserte vatnet bryt seg gjennom strukturane i reservoaret, kan vassproduksjonen auke dramatisk. I dei mest vanlege fleirfase strøymingsregima kan derfor vassinnhaldet i væskefasen variere frå 0 til 100%. <1> Oljekondensat: I reservoaret er oljen i gassform, men kondenserer til olje når trykk og temperatur minkar. Kondensat vert og brukt som nemning på lette hydrokarbon i væskeform, som blir produsert saman med gass frå gassbrønnar.

På marknaden finst det i dag fleire typar tofase vasskuttsmålarar, basert på elektromagnetiske og akustiske prinsipp. Desse instrumenta måler refleksjons- eller transmisjonskoeffisientar over heile rørtverrsnittet (bulkmåling), og vanninnhaldet kan kalkulerast ut frå måleresultatet. Desse deteksjonsmetodane er svært sensitive for gass, og kan ikkje brukast når gassfraksjonen er større enn 10-15%.

Figur 1 a og b viser eit kjent måleprinsipp for kapasitiv bulk-måling av vassinnhaldet i ei olje/vatn-blanding. Gassfraksjon er 0%. Kildeelektroden (4) vert eksitert med eit sinussignal frå ein frekvensgenerator (1), og spenningssignalet på detektorelektroden (5) varierer med vassinnhaldet. Signalet vert forsterka opp ved hjelp av ein ladningsforsterkar (2) og konvertert til vassinnhald gjennom ein prosessorstyrt logisk krets (3). Prinsippet byggjer på at vatn og olje har ulike dielektriske eigenskapar. Relativ permittivitet for vatn er ca. 80, medan den relative permittiviteten til olje er ca. 2. Til samanlikning har gass relativ permittivitet på 1. Dette medfører at sjølv små gassfraksjonar influerer på måleresultatet ved bulk-måling. For alle typar elektromagnetiske måleprinsipp er eksitasjonsfrekvensen ein kritisk parameter. Permittiviteten til emulsjonen vert dramatisk endra i overgangen mellom oljekontinuerleg- og vasskontinuerleg fase (fig.la og lb). Ved lave frekvensar vil vatnet kortslutte det elektromagnetiske feltet i ein vannkontinuerleg emulsjon.

Ein patentsøknad (NO-A-961772) nyttar høgfrekvente elektromagnetiske bølgjer for å bestemme vassfraksjonen i ein to-fase væskestraum. Det vert brukt ei hornantenne i eit sendar-mottakar oppsett, samt ei prøvecelle med kjent geometri. Metoden må ta omsyn til gjennomsleppt bølgjeenergi, og er avhengig av transmisjonsmålingar over eit tverrsnitt av testcella. Hanai's dielektriske likning, som er kjent fra litteraturen, blir brukt for å rekne ut forholdet mellom dei to væske-fraksjonane.

Eit patent US-4503383 skildrar ei innretning (koaksial-probe) og ein framgangsmåte for å bestemme grensesjikt i tankar som inneheld to ulike væsker. Utforminga av koaksial-proba er gjort med tanke på nivåmåling. Lengda er derfor relativ stor (60-90 cm), for at proba skal vere nedstikkbar i ein tank. Senterleiaren er ikkje i same plan som ytterleiaren og eksitasjonssignala er lav-frekvente. Framgangsmåten er ei type bulk-måling i motsetning til ei lokal detaljmåling.

Eit patent US-5083089 skildrar eit målesystem som kan monterast inn i ei rørleidning for å bestemme olj efr aksjonen i ein to-komponent væskestraum. Sentralt i patentet er ei prøvecelle med predefinert volum og geometri. Det blir brukt eit sendar-mottakar system som omsluttar prøvecella. Dette er eit typisk døme på ei bulkmåling som måler transmisjonskoeffisientar til høgfrekvente elektromagnetiske bølgjer over tversnittet til ei prøvecelle. Eventuell fri gass i væskeblandinga vil sterkt redusere grannsemda til fraksj onsmålinga.

Medan dei nemnde patenta vert nytta til fraksjonsmåling i tofase (to-komponent) væskeblandingar, representerer denne oppfinninga ein ny framgangsmåte for fraksjons-bestemming av vatn-i-væskeforholdet i ein fleirfase (olje/vatn/gass) rørstraum.

Den nye framgangsmåten for å finne vassinnhaldet i fleirfase rørstraumen, i følgje oppfinninga, er å måle refleksjonskoeffisienten for høgfrekvente elektomagnetiske bølgjer i væskefasen, i eit lokalt område nær rørveggen. Refleksjonskoeffisienten kan reknast om til vassinnhald ved hjelp av matematiske metodar.

Ved store gassfraksjonar (over ca. 40%) dannar gassen ei kjerne i senter av produksjonsrøret (strøymingsretning: vertikalt oppover). Væska vert i slike høve transportert som eit sjikt (film) av olje/vatn-emulsjon nær rørveggen.

Den væskefilmen som deteksjonen omfattar vil, ved store gassfraksjonar, typisk vere 0.1-5.0 mm. Eksperiment viser at denne metoden gjev pålitelege måleresultat ved gassfraksjonar opp mot 95%.

Fig. 2 viser skjematisk eit måleoppsett der ein måler refleksjonskoeffisienten til høgfrekvente elektromagnetiske bølgjer i ein væskefilm på innsida av eit rør. Skissa viser eit utsnitt av røret (1), ei open-ende probe (2,3,4) samt væskefilmen ved røret sin innervegg, der det elektromagnetiske feltet (6) er antyda. Endeflata (5) er montert i flukt med røret sin innervegg (1). Proba sin innerleiar (3) er isolert frå ytterleiaren (4) med eit isolerande materiale (2), som har lav permittivitet.

Proba si endeflate (5) er vasstett og tåle trykket i røret. Det elektriske feltet (6)

er avgrensa til eit lite område ved proba si endeflate og vert ikkje påverka av gassen i røret.

Ein matematisk metode for konvertering av rådata (refleksjonskoeffisienten) til vassinnhald i væskefasen Vassinnhaldet i væskefasen kan finnast ved hjelp av fleire ulike matematiske metodar. Her er vist eit døme: Den komplekse refleksjonskoeffisienten frå overgangen sensor/emulsjon, T = T' + jT" (der j = V—T), blir målt ved hjelp av en nettverksanalysator eller tilsvarande analyse-elektronikk. Den kan målast ved ein eller fleire frekvensar i området 0,5 - 20 GHz. For den, eller dei, aktuelle frekvensane kan den relative, komplekse permittiviteten, £* =£' — j£" reknast ut ved hjelp av en kalibreringsmodell, som eksempelvis kan være:

£ref er den relative, komplekse permittiviteten til ei referansevæske og Tnf er den målte refleksjonskoeffisienten for referansevæska. A og B er komplekse kalibreringskonstantar som kan finnast ved å måle refleksjonskoeffisientane til ytterlegare to væsker med kjent permittivitet. Til slutt kan ein løyse likningane ovanfor med omsyn på A og B.

Vatn-i-væske fraksjonen Pf i emulsjonen framfor proba, gitt i %, kan reknast ut frå den relative komplekse permittiviteten, ved hjelp av ein dielektrisk blandingsmodell.

Oljekontinuerlig emulsjon:

Vasskontinuerlig emulsjon:

der e<*>7 er den relative, komplekse permittiviteten til emulsjonen sin oljefase, £w* aur er den relative, komplekse permittiviteten til emulsjonen sin vannfase, og Aa er en formfaktor som skildrar forma på dråpane i emulsjonen.

Diagrama i fig. 3 og 4 viser eksperimentelle måleresultat for vassinnhald i væskefasen. Vassinnhaldet i den fleirfase røyrstraum (WLR) vart målt for ulike gassvolumfraksjonar, og plotta mot ein referanse (kjent vassinnhald i væskefasen). Gass og vatn vart injisert i rørsløyfa oppstraums testseksjonen.

Fig. 3 viser måleresultatet i rein olje/vatn-emulsjon (gassfraksjo 0%).

Fig. 4 viser måleresultat i ein 3-fase volumstraum (gassfraksjon 0-95%).

Claims (4)

1. Innretning for måling av refleksjonskoeffisienten til høgfrekvente elektromagnetiske bølgjer i væske, der ei open-ende probe er utforma som ein avkutta koaksial bølgjeleiar (3,4), karakterisert ved at proba har ei plan endeflate (5) som er montert i flukt med innerveggen i eit rør (1), slik at refleksjonskoeffisienten kan målast nær rørveggen ved proba si endeflate (5).

2. Framgangsmåte for å bestemme vassinnhald i fleirfase rørstraum ved varierande gassfraksjonar (0-95%), ved bruk av innretninga i fylgje krav 1, karakterisert ved å måle refleksjonskoeffisienten til høgfrekvente elektromagnetiske bølgjer i væskefasen i eit lokalt område nær rørveggen, og der konvertering av refleksjonskoeffisienten til vassinnhald blir gjort ved hjelp av ein eigna matematisk metode.

3. Framgangsmåte i fylgje krav 2, karakterisert ved at metoden kan bruke ein eller fleire prober, der eksitasjonsfrekvensen er optimalisert i høve til væskefasen sin dielektriske eigenskap.

4. Framgangsmåte i fylgje krav 2 og 3, karakterisert ved å måle kontinuerlege signal over eit tidsintervall, og så bruke gjennomsnittet av dei største målte verdiane til utrekning av vassinnhaldet.