NO315762B1 - Sand-detektor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat for deteksjon av partikler i en væske/gass strømning ved bruk av et fiber-optisk interferometeri

Bakgrunn

Sandproduksjon i olje- og.gassbrenner er et alvorlig problem hovedsaklig på grunn av den sandforårsakede erosjonen. Det er derfor av stor interesse å nøyaktig bestemme tilstedeværelsen av sand og mengden produsert sand for å maksimalisere olje/gass produksjonstakten og fremdeles opprettholde sandfri produksjon.

Sand kan måles enten ved hjelp av intrusive sensorer, det vil si hindringer i olje/gas strømningen, eller ved ikke-intrusive sensorer. Intrusive sensorer kan enten baseres på måling av erosjonen til en obstruksjon/probe eller på måling av akustisk emisjon som dannes når partiklene treffer hindringen. Konvensjonelle ikke-intrusive sensorer er basert på ultrasoniske (PZT) transdusere montert ved bøyninger i røret, der partikler vil treffe innsiden av rørveggen, og danner en ultrasonisk puls som fanges opp av den akustiske sensoren. Ikke-intrusive sensorer er langt å foretrekke dersom ikke intrusive sensorer kan tilby vesentlig bedre ytelse. Ikke-intrusive-sensorer krever imidlertid bøyinger, og er antatt å være mindre følsomme enn intrusive sensorer.

Akustiske sensorer burde være i stand til å måle akustiske signaler ved frekvenser >100kHz, eller ideelt >S00kHz, der sandstøy er dominerende i forhold til andre støykilder, for å fremskaffe utvetydig sandovervåking med stort signal/støyforhold. Andre støykilder omfatter strømningsskapt støy, mekanisk/strukturell støy og støy fra elektrisk utstyr (for eksempel fra elektriske nedsenkbare pumper). Forutsatt at de enkelte treff kan skilles i tid, kan mengden sand utledes fra antallet treff og signalamplituden resulterende fra hvert treff.

For å være i stand til sikkert å detektere sandpartikler og verifisere sandfri produksjon med akustiske sensorer, kreves ekstrem følsomhet med stort signal/støyforhold. Sandpartikler av interesse har diametre i området 50-400um.

Fiberoptiske interferometriske sensorer er kjent for å gi høy følsomhet og oppløsning for dynamiske målestørrelser, noe som gjør dem svært attraktive for akustisk måling, for eksempel som hydrofoner, se for eksempel [T. g. Giallorenzi m.fl.-, """Optical fiber sensor technology," IEEE J. Quantum Electron., Vol. 18, side 626-665, 1982]. De små dimensjonene til en optisk fiber gir en mulighet for akustisk måling ved høye frekvenser, og bruk av fiberoptiske interferometriske sensorer for ultrasonisk akustisk måling har blitt undersøkt [N. Lagaros m.fl. "Ultrasonic acoustic sensing, " Proe. SPIE, Vol. 798, side 94-101, 1987], [D. Wiesler m.f1., ""Fiber optic ultrasound sensors for medical imaging applications" , 12th Intern. Conf. on Optical Fiber Sensors, Willamsburg, USA, side 358-361, 1997.]. En fiberoptisk sensor består typisk av to optiske veier, der den optiske veilengdeforskjellen moduleres av målestørrelsen. Interferometeret er vanligvis eksitert av en laserkilde og endringene i veilengdeforskjellen forårsaker en modulasjon av lysintensiteten ved utgangen til interferometeret. Det er kjent at følsomheten og oppløsningen blir forbedret ved å benytte en høykoherent laserkilde.

En kjent høykoherent laserkilde er DFB-laseren (DFB=''distributed feedback''=distribuert tilbakekobling) [US patent 5,771,251 to J. T. Kringlebotn m.fl.], som består av et enkelt fiber Bragg-gitter som tilveiebringer tilbakekobling i en forsterkningsfiber, typisk en erbiumdopet fiber pumpet av en halvlederlaser. En slik laser har typisk en koherenslengde på flere kilometer. Det er videre kjent at en slik laser også kan benyttes som et sensorelement [US patent 5,844,927 to J. T. Kringlebotn], for eksempel til akustisk måling, der det akustiske feltet modulerer spenningene i fiberlaseren og dermed den optiske frekvensen til fiberlaseren, som kan bli målt ved bruk av et optisk interferometer som konverterer frekvensvariasjonen til en intensitetsvariasjon. Den lange koherenslengden for laseren tillater bruk av en stor veilengdeforskjell i interferometeret og dermed en høy sensitivitet. Det er kjent at flere DFB-fiberlasere kan bølgelengdemultiplekses langs en optisk fiber. Til sist, det er også kjent at flere interferometriske sensorer kan multiplekses langs en eller flere optiske fibere, for eksempel ved bruk av Fabry-Perot type interferometere basert på par av lav-reflektivitet FBG reflektorer, der hvert par har en forskjellig Bragg bølgelengde.

Fiberoptiske sensorer er passive, uten elektriske deler/ledninger, og kan tilveiebringe driftssikker operasjon ved høye temperaturer opp til minst 200°C. Den store båndbredden til en optisk fiber betyr også at en nesten ubegrenset mengde med høy frekvens rådata kan overføres langs fiberen.

Interferometriske teknikker kombinert med høykoherente kilder tillater meget sensitive dynamiske målinger med lav støy og gir dermed målinger med stort signal/støyforhold. De potensielt små dimensjonene til disse fiberoptiske sensorene, spesielt DFB fiberlaser sensorer, muliggjør høyfrekvent akustisk måling [D. Thingbø, E. Rønnekleiv og J. T. Kringlebotn, "Intrinsic distributed feedback fibre laser high-frequency hydrophone," Techn. Dig., Conf. on Bragg gratings, Photosensitivity, and Poling in Glass Waveguides, " side 57-59, Florida, US, Sept. 23-25, 1999].

Oppfinnelsens formål

Hovedformålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en driftssikker fremgangsmåte og et apparat for høyoppløselig deteksjon av partikler som er tilstede i en væske og/eller gasstrømning i røffe omgivelser med høye temperaturer og/eller trykk, slik som man finner ned-i-hulls olje- og gassbrønner.

Formålet er spesielt å tilveiebringe en driftssikker fremgangsmåte og et apparat for permanent ned-i-hulls deteksjon av sandpartikler for å bestemme mengden av sand som dannes i olje- og gassbrønnene for å maksimalisere produksjonstakten for olje/gass og fremdeles opprettholde sandfri produksjon.

Det er et videre formål å tilveiebringe en fremgangsmåte og et apparat for flerpunkts/distribuert partikkeldeteksjon, noe som er meget fordelaktig for permanente ned-i-hulls målinger av sandprodukjson i flere soner i en multisone brønn.

Oppfinnelsen

Formålene som beskrevet ovenfor oppnås med en fiberoptisk partikkeldetektor for målinger i en fluidstrømning som omfatter en optisk fiber, en optisk lyskilde for tilveiebringelse av lys i nevnte fiber og en optisk detektor for å avlese det optiske utgangssignal fra den optiske fiberen. Den optiske fiberen er festet til eller innesluttet i et transduserelement. Partikkeldetektoren er kjennetegnet ved at transduserelementet er plassert for å oppta akustiske bølger med opphav i at sandpartikler i fluidstrømmen treffer hindringer, eksempelvis selve transduserelementet når den anbrakt i selve fluidstrømmen, og derved danner akustiske bølger. Den optiske fiberen i transduserelementet er anbrakt romlig atskilt fra, men i akustisk forbindelse med den del av transduserelementet hvor de akustiske bølgene trenger inn i transduserelementet. En del av transduserelementet er en akustisk bølgeforplantende del som forplanter akustiske bølger frem til den optiske fiberen.

Ytterligere foretrukne utførelsesformer av partikkeldetektoren er".gitt i de uselvstendige patentkravene 2-10.

I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet med referanse til de vedføyde tegninger som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Figurene. 1A-C illustrerer tre forskjellige utførelsesformer av oppfinnelsen som er tilpasset intrusiv eller ikke-intrusiv kopling til strømningen. Figurene 2A-C illustrerer plasseringen av de tre utførelsesformene av oppfinnelsen i eller på et rør. Figurene 3A-C illustrerer alternative fiberoptiske systemer for deteksjon av vibrasjoner dannet av partikler i strømningen. Figurene 4A-C illustrerer eksempler på målinger ved bruk av utførelsesformen i henhold til Fig. 1C. Figurene 5A-B illustrerer eksempler på målinger ved bruk av utførelsesformen i henhold til Fig. IB. Figurene 6A-B illustrerer eksempler på målinger ved bruk av utførelsesformen i henhold til Fig. IA. Fig. 1 viser en skjematisk illustrasjon av grunnleggende eksperimentelle utforminger av transduseren.

a) Intrusiv fiber laser sensor transduser som bruker en DFB laser 12, der laserfiberen er plassert i et hull i

senter av en 13 cm lang stålstav 11 med en diameter på 7 mm, og der hullet er fylt med silikonolje. Proben 1 er laget for å føres gjennom et strømningsrør ved 90°, som illustrert i Fig. 2A, med sentrum av laseren i sentrum av røret, slik at sandpartikler treffer proben ved 90°. Partiklene 10 som treffer probeveggen vil danne ultrasoniske bølger i proben som modulerer spenningene i

fiberlaseren og dermed laserfrekvensen.

b) Intrusiv interferometrisk sensortransduser, inneholdende en 10 cm lang stålsylinder 13 med diameter 12 mm, med en

sensorfiber 2 kveilet opp på sylinderen 13 nede i en 1 mm dyp firkantet fordypning 15 med en bredde t = 3-6 mm, plassert i en avstand D = 2- 5mm fra endeflaten. Proben 1 innplasseres in strømningen gjennom rørveggen ved en

vinkel på 45°, som illustrert i Fig. 2B, med fiberkveilens ende på utsiden av rørveggen. Den intrusive proben er basert på akustisk pulsformet bølgeforplanting langs det sylindriske stålet dannet av sandpartikler som treffer enden av proben som er inne i røret. Proben vil teoretisk være en singelmodus akustisk bølgeleder for akustiske frekvenser fc < VT/D, der VT er hastigheten for skjærbølger i materialet, som for stål er ca. 3200 m/s, innebærende at" fc (for en sylinder med diameter D = 12 mm) er ca. 270 kHz. Forplantningen av trykkbølgene inne i bølgelederen vil forårsake en viss radiell utvidelse av sylinderen. Dette forårsaker en strekkmodulasjon av fiberkveilen som kan måles optisk. På grunn av interferens mellom forovergående og bakovergående bølger ved enden av proben vil det være en resonans når avstanden fra endeflaten til sentrum av

fiberkveilen er lik en kvart akustisk bølgelengde A.a,

det vil si når ^«/4 = Ax+/2.

c) Ikke-intrusiv interferometrisk sensor transduser inneholdende en sylinder 14 med en fiberkveil 2 kveilet opp på sylinderen nede i en fordypning 15. Materialet i fiberkveilseksjonen er Torlon, et plastisk materiale valgt for å forhøye den radielle utvidelsen på grunn av trykkbølgen. Andre materialer, som for eksempel stål, kan benyttes. Transduseren er festet til utsiden av et strømningsrør, nært en bøyning, som illustrert i Fig. 2C. Den indre seksjonen er svakt bøyet for å gi bedre kontakt med røret, og en gel benyttes for å forbedre den akustiske overføringen av energi. Sylinderen med fordypning er laget av Torlon, et plastisk materiale valgt for å forhøye den radielle utvidelsen på grunn av trykkbølgen. Den ytre seksjonen er laget av stål og har en tykkelse D = 6mm. Fig. 2A-C illustrerer plasseringen av de tre utførelsesformene av oppfinnelsen i eller på et rør. Utførelsesformene kan benyttes i en vannstrømningssløyfe for testing med lavt trykk og lav temperatur. Mer komplekse utførelsesformer må benyttes i en reell olje- og gassbrønn med høy temperatur og høyt trykk, ved bruk av høytrykks-forseglinger og høytemperaturmaterialer. Fig. 2A illustrerer plasseringer av den intrusive fiberlaser sensor transduseren 11,12 vist i Fig. IA i et rør 21 med en strøm av vann og sand. O-ringer 22 er plassert mellom røret og transduserhuset 23 som trykkforseglinger for å forhindre vann fra å trenge ut av røret og også for akustisk demping. I reelle anvendelser med høytrykks oljebrønner er høytrykksforseglinger nødvendige. O-ringer 24 benyttes også mellom transduserhuset og ståltransduseren 11 inneholdende fiberlaseren 12 for akustisk dekopling av transduseren fra huset og røret. I dette tilfellet er fiberen terminert inne i transduseren, men en gjennomføringsanordning med tilgang til begge ender av fiberlaseren, som er nødvendig for multipleksing av et flertall sensorer langs en fiber, kan realiseres. Fig 2B. illustrerer plassering av den intrusive interferometriske sensor transduseren 2,13 vist i Fig. IB i et rør 37 med en strøm av vann og sand i pilens retning. Transduseren 2,13 er plassert i en vinkel på 45° på strømningsretningen. Den optiske fiberkveilen 2 er plassert på utsiden av røret. Som i Fig. 2A er transduseren adskilt fra huset 33 med O-ringer 35. Huset er adskilt fra den tverrgående rørseksjonen 34 med andre O-ringer 36 Fig. 2C illustrerer plasseringen av den ikke-intrusive interferometriske sensor transduseren vist i Fig. 1C. Transduseren 2,14,43 er festet med et elastisk gummibånd 41 til rørveggen 45 i en bøyning av strømningssløyfen med vannet og sanden strømmende i pilens retning. Transduseren omfatter et deksel 43 av plast, på yttersiden av stålseksjonen 14 med fiberen 2 kveilet rundt den i en fordypning. Materialet i fiberkveilseksjonen er Torlon, som er et plastmateriale valgt for å forhøye den radielle utvidelsen på grunn av den akustiske trykkbølgen. Andre materialer kan benyttes, omfattende stål. Fig 3A-C viser en skjematisk illustrasjon av det optiske sensorsysternet som benytter et fiberoptisk interferometer i kombinasjon med en høykoherent fiberlaser med distribuert tilbakekobling (DFB), der laseren enten benyttes som sensorelementet med interferometrisk avlesing (Fig. 3A), eller som en kilde for avlesing av en interferometrisk fiberkveil sensor, som illustrert i Fig. 3B og 3C.

Som illustrert i Fig 3A kan den optiske fiberen 3 være en aktiv fiberlaser eller delvis være en slik laser, typisk en fiber DFB laser 55, der en endring i den optiske veilengden forårsaker en modulasjon av laserfrekvensen, som kan konverteres til en detekterbar intensitetsmodulasjon ved et mottakende interferometer, i dette eksemplet omfattende en pumpelaser 51, en konnektor 52, en detektor 53 så vel som et velkjent fiberinterferometer 54, dvs. et Michelson interferometer, med en PZT fasemodulator 57 og en fiberkveil 58. En endring i dobbeltbrytningen kan detekteres ved måling av svevningsfrekvensen mellom de to ortogonalt polariserte laserfrekvensene til en to-polarisasjon DFB fiberlaser 55.

Alternativt kan den optiske fiberen 3 i sensoren være del av et optisk interferometer 54, som illustrert i Fig. 3B, der en endring i den optiske veilengden og/eller dobbeltbrytning i fiberkveilen 2 kan forårsake en modulasjon av lysintensiteten ved utgangen til interferometeret 54 når interferometeret belyses av en lyskilde 51,55, typisk en høykoherent laserkilde, slik som en DFB fiberlaser. Den optiske fiberen 3 vil typisk være en fiberkveil 2 kveilet rundt transduserelementet.

Alternativt kan interferometeret i den optiske fiberen 3 i sensoren være et passivt fiber Bragg gitter (FBG) eller del av et slikt gitter, som illustrert i Fig. 3C, der en endring i den optiske veilengden og/eller dobbeltbrytningen kan forårsake en modulasjon av lysintensiteten til det reflekterte lyset fra gitteret 56 når gitteret blir belyst med en lyskilde 51,55, typisk en høykoherent laserkilde slik som en DFB fiberlaser 55. Gitteret kan inkludere et fase-skift som tilveiebringer en skarp fordypning i refleksjonsspektret. Når laserbølgelengden er plassert på den steile kanten til denne fordypningen, vil størrelsen til modulasjonen av intensiteten til det reflekterte lys være sterkt forhøyet, og derved gi bedre oppløsning.

Flere fiberoptiske sensorelementer, enten interferometriske sensorer, laser sensorer, eller FBG sensorer festet til eller innesluttet i forskjellige mekaniske transduser elementer, kan være multiplekset langs en optisk fiber. Avlesningsinstrumenteringen og signalbehandlingen kan være plassert flere kilometer fra sensorelementene koblet sammen av en enkelt optisk fiber.

Fig. 4A viser tidsresponsen til det målte signalet fra den ikke-intrusive interferometriske" fiber sensor transduseren vist i Fig. 1C når en enkelt sandpartikkel treffer innsiden av stålbøyningen. Det tilsvarende signalet fra PZT-transduseren er vist for sammenligning. En kan se at signalene er ganske like, slik som signal/støyforholdene også er. Fig. 4B og 4C viser de tilsvarende frekvensspektrene og også spektrene med en sandfri strømning. For både PZT og den fiberoptiske proben er signalene sterkest mellom 100 og 300 kHz, relatert til mekaniske resonanser i rørveggen, og også vinkelen og posisjonen til sandpartikkelens treff. Ved disse høye frekvensene vil de sandforårsakede signalene dominere over andre støykilder og frembringe et godt signal/støy-forhold.

Fig. 5A viser tidsresponsen til det målte signalet med en intrusiv fiber interferometrisk sensor transduser vist i Fig. IB. Fig. 5B viser det tilsvarende frekvensspektret med maksimalpunkter i frekvensområdet 250-300 kHz. Den forventede resonansfrekvensen som diskutert under Fig. 1 er ca. 270 kHz. Fig 6A og 6B viser tidsresponsen og den tilsvarende frekvensresponsen til den intrusive fiberlaserproben vist i Fig. IA. Fra tidsresponsen i Fig. 6A sees signal/støy-forholdet å være meget stort. Hovedresonansen er rundt 80 kHz.

Claims (10)

1. Fiberoptisk partikkeldetektor for målinger i en fluidstrømning omfattende; en optisk fiber (3), en optisk lyskilde (51) for tilveiebringelse av lys i nevnte fiber, og en optisk detektor (53) for å avlese det optiske utgangssignal fra den optiske fiberen, der den optiske fiberen (3) er festet til eller innesluttet i et transduserelement (1), karakterisert ved at transduserelementet (1) er plassert for å oppta akustiske bølger med opphav i at sandpartikler (10) i fluidstrømmen treffer hindringer, eksempelvis selve transduserelementet (1) når den anbrakt i selve fluidstrømmen, og derved danner akustiske bølger, der den optiske fiberen (3) i transduserelementet (l)er anbrakt romlig atskilt fra, men i akustisk forbindelse med den del av transduserelementet hvor de akustiske bølgene trenger inn .i transduserelementet, og der en del av transduserelementet er en akustisk bølgeforplantende del som forplanter akustiske bølger frem til den optiske fiberen (3).

2. Partikkeldetektor ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en del av transduserelementet (1) har et sirkulært.tverrsnitt som den optiske fiberen er kveilet rundt.

3. Partikkeldetektor ifølge krav 2, karakterisert ved at den sirkulære delen av transduserelementet (1) omfatter en fordypning (15).

4. Partikkeldetektor ifølge krav 1, karakterisert ved at transduserelementet (1) omfatter en stav (11) med et langsgående hull, der den optiske fiberen (3) er plassert i nevnte hull.

5. Partikkeldetektor ifølge krav 1, karakterisert ved at lyskilden omfatter den optiske fiberen (som i det minste delvis består av en aktiv fiberlaser, typisk en fiber DFB (distribuert tilbakekobling) laser.

6. Partikkeldetektor ifølge krav 1, karakterisert ved at lyskilden er en høykoherent laser, for eksempel en fiber DFB (distribuert tilbakekobling) laser.

7. Partikkeldetektor ifølge krav 1, karakterisert ved at den optiske fiberen er del av et optisk interferometer der en endring i den optiske veilengden og/eller dobbeltbrytningen resulterende av de koblede akustiske vibrasjonene forårsaker modulasjon av lysintensiteten ved utgangen til interferometeret.

8. Partikkeldetektor ifølge krav 1, karakterisert ved at den optiske fiberen omfatter i det minste en del av et passivt fiber Bragg gitter (FBG), og en lyskilde koblet til den optiske fiberen, for belysning av nevnte gitter.

9. Partikkeldetektor ifølge krav 8, karakterisert ved at nevnte gitter inkluderer et fase-skift for tilveiebringelse av en steil fordypning i refleksjonsspektret, der størrelsen til modulasjonen av intensiteten til det reflekterte lyset er kraftig forsterket og dermed gir bedre oppløsning når laserbølgelengden ligger på den steile kanten til fordypningen i refleksjonsspektret.

10. Partikkeldetektor ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter flere fiberoptiske sensor elementer, enten interferometriske sensorer, eller FBG (fiber Bragg gitter) sensorer koblet til atskilte mekaniske transduser elementer.