NO318447B1 - Maler for fluidsammensetning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for måling av sammensetningen av et fluid som strømmer gjennom en strømningsledning. Når et flerkomponentfluid transporteres gjennom en strømningsledning til et behandlingsanlegg, er det vanligvis nødvendig å måle sammensetningen av fluidet, enten på et sted langs strømningsledningen eller ved dennes oppstrømsende. Innen olje- og gassindustrien kan borehullfluider transporteres fra et brønnhode på land eller til havs gjennom en strømningsledning til et behandlingsanlegg hvor de forskjellige komponenter av fluidet separeres fra hverandre. Borehullfluidene kan omfatte olje, gass og vann i fraksjoner som kan variere i tid og kan være forskjellige for forskjellige brønner som produserer fra det samme underjordiske reservoar. Måling av fluidsammensetning direkte på brønnhodene eller ytterligere nedstrøms hvor strømmer fra forskjellige brønner forenes, gjør det mulig å oppdatere spesielle reservoaregenskaper under produksjonslevetiden for reservoaret, og tillater korrigerende foranstaltninger å tas i tide dersom det er nødvendig.

Europeisk patentskrift nr. 0 269 432 viser og beskriver en innretning for måling av sammensetningen av et fluid som strømmer gjennom en strømningsledning, hvor innretningen omfatter et rør som er egnet til å forbindes med strømningsledningen på en slik måte at en strøm av fluidet strømmer gjennom røret, en radioaktiv kilde som er anordnet slik at stråling fra kilden passerer gjennom en vegg av røret og gjennom strømmen av fluid, en strålingsdetektor som er anordnet slik at den detekterer strålingen som passerer gjennom rørets vegg og gjennom strømmen av fluid, og en anordning for generering av et signal som representerer den nevnte stråling som detekteres av detektoren. Mengden av stråling som passerer gjennom strømmen av fluid og som detekteres av detektoren, tilveiebringer en indikasjon på sammensetningen av fluidet. Rørets vegg gjennom hvilken stråling passerer, danner et strålingsvindu som er dannet av beryllium, hvilken vegg er omgitt av en rørformet beskyttelse som er forsynt med diametralt motsatte hull for passering av strålingen. En ulempe ved den kjente anordning er at giftig berylliumoksid vil danne seg på overflaten av berylliumveggen. For anvendelser ved høye trykk kreves videre en forholdsvis tykk beryllii<i>mvegg, noe som resulterer i en vesentlig dempning av stråling i berylliumveggen og en tilsvarende reduksjon av nøyaktighet av sammensetningsmålingen.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en innretning for måling av fluidsammensetningen av en strøm av flerkomponentfluid, hvor innretningen overvinner ulempene ved innretningen ifølge den kjente teknikk.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning for måling av fluidsammensetningen av en strøm av flerkomponentfluid, hvor innretningen er kompakt og tilveiebringer nøyaktige målinger.

I overensstemmelse med oppfinnelsen er innretningen for måling av sammensetningen av en strøm av fluid som strømmer gjennom en strømningsledning, kjennetegnet ved at detektoren omfatter en faststoffsdetektorkonfigurasjon som er forsynt med minst to strålingsdeteksjonsflater, og et filter som er beliggende mellom strålingskilden og en første av deteksjonsflatene.

I alminnelighet avtar virkningsgraden av en faststoffsdetektor med økende strålingsenerginivå. Dersom det for eksempel benyttes en Americium (Am-241)-strålingskilde som stråler med et lavt energinivå på 18 keV og et høyt energinivå på 60 keV er detektorens virkningsgrad på det lave energistrålingsnivå ca. 50-60 %, mens detektorens virkningsgrad på det høye energistrålingsnivå er ca. 5 %. I innretningen ifølge oppfinnelsen forbedres detektorens virkningsgrad ved å tilveiebringe en faststoffsdetektorkonfigurasjon med minst to strålingsdeteksjonsflater, hvorved et filter er beliggende mellom strålingskilden og en første av deteksjonsflatene.

Filteret hindrer fortrinnsvis i det vesentlige lavenergistrålingen å passere gjennom dette, og tillater i det vesentlige høyenerginivåstrålingen å passere gjennom dette. Derved oppnås at lavenerginivådelen av strålingen som passerer gjennom fluidblandingen og rørets vegg, i det vesentlige detekteres av en andre av de to deteksjonsflater. Høyenergi-nivådelen av strålingen som passerer gjennom fluidblandingen og rørets vegg, detekteres videre i det vesentlige av den første deteksjonsflate med øket virkningsgrad da tellingshastigheten for høyenerginivådelen økes vesentlig ved hjelp av anordningen av filteret. Filteret består fortrinnsvis av kobber.

Man må være klar over at uttrykket faststoffsdetektor i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse refererer seg til en halvlederdiodedetektor, for eksempel som beskrevet i publikasjonen ISBN 0-471 -49545-x med tittelen "Deteksjon og måling av stråling", kapittel 11. En slik detektor er kompakt og har høy oppløsning i energiområdet mellom 15 og 100 keV som er egnet for målingen. Oppløsningen og virkningsgraden til halvlederdiodedetektoren kan økes ved å forsyne detektoren med en avkjølingsanordning som holder detektorens temperatur mellom 0 og 15 °C, eller fortrinnsvis mellom 5 og 10 °C.

En passende kjøleanordning utgjøres av et peltierelement da et slikt element er kompakt, hvorved apparatets kompakfhet også forbedres når detektoren er direkte festet til peltierelementet.

Det foretrekkes at rørets vegg består av en fiberforsterket harpiks. Det har vist seg at veggen av fiberforsterket harpiks danner et hensiktsmessig strålingsvindu med lav strålingsabsorpsjon, samtidig som en slik vegg tillater at et forholdsvis høyt indre trykk kan anvendes. Ved fraværet av beryllium er det videre ingen fare for at berylliumoksid skal danne seg, og fremtidige problemer med å kvitte seg med beryllium elimineres.

Absorpsjon av stråling i rørveggen er særlig lav når veggen er forsterket med karbonfibrer. I betraktning av dette foretrekkes det at veggen omfatter en forholdsvis høy prosent av karbonfibrer, for eksempel mellom 50 og 70 vekt% karbonfibrer.

Et passende grunnmassemateriale som kan benyttes for veggen, utgjøres av en polyterharpiks, så som en epoksyharpiks.

Sammensetningen av fluidet som strømmer gjennom strømningsledningen, bestemmes ut fra signalet som representerer den stråling som detekteres av detektoren ifølge oppfinnelsen, i overensstemmelse med følgende metode:

Absorpsjonen av gammastråler i et stoffer beskrevet ved følgende likning:

hvor

Io(e) = opprinnelig intensitet av gammastrålene med energi e, I(e) = intensitet av gammastrålene etter absorpsjon med energi e, H( q) = lineær absorpsjonskoeffisient ved energi e,

h = materialtykkelse.

Dersom man har en olje/vann/gass-blanding i et rør med innvendig diameter d og veggtykkelse t, kan følgende likninger utledes for to energinivåer el og e2:

og hvor og

Symbolet <x refererer seg til volumfraksjonen av den indeksangitte fase. Summen av alle de tre fraksjoner må være lik 1:

Dersom absorpsjonskoeffisientene for olje, vann og gass måles i separate kalibreringsprosedyrer, kan altså, ved måling av strålingsabsorpsjonen gjennom en rørledning som er fylt av olje, vann og gass ved to gammastråleenerginivåer el og e2, de tre fraksjoner ccai^ cc^ og oc^ bestemmes ved benyttelse av ovenstående likninger.

Det skal bemerkes at International Journal of Applied Radiation and Isotopes, årg. 34, nr. 1, januar 1983, på sidene 309-331 viser at en faststoffsdetektor som avkjøles ved hjelp av et peltierelement, kan benyttes i en innretning for på-strøms-analyse av metallholdige malmslurrier, at EP patentskrift 0 187 460 viser benyttelse av flere gammastråledetektorer for måling av sammensetningen av en flerfasefluidstrøm i en strømningsledning langs flere strenger (chords), og at EP patentskrift 0 236 623 viser benyttelse av en eneste strålingsdetektor sammen med en differensialtrykkrnåler i en flerfase-strømmåler.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere ved hjelp av et eksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 skjematisk viser et langsgående tverrsnitt av innretningen ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser et tverrsnitt av innretningen etter linjen 2-2 på fig. 1.

Innretningen på fig. 1 og 2 omfatter et stålrør 1 som har en sentral del 3 med redusert innvendig diameter. En sylinder 5 av karbonfiberforsterket epoksy (CFRE) er beliggende i en utsparing 7 som er anordnet på innsiden av den sentrale del 3 av røret 1. Veggen av den sentrale del 3 av røret 1 er forsynt med fire åpninger 10, 11, 12, 13, idet åpningene 11, 12, 13 er anordnet motsatt av åpningen 10 og anbrakt med mellomrom langs omkretsen av røret 1. Hver åpning 10,11,12,13 strekker seg fra den ytre overflate av røret 1 til den ytre overflate av CFRE-sylinderen 5.

En røntgenstråle- eller gammastråle-strålingskilde 15 er beliggende i åpningen 10 som danner en kollimator for kilden 15. Tre faststoffsdetektorer 16,17,18 er beliggende i respektive av åpningene 11, 12, 13, hvilke åpninger 11, 12, 13 danner respektive kollimatorer for detektorene 16, 17,18, slik at sistnevnte kan detektere stråling fra kilden 15. Detektorene 16, 17, 18 er festet til respektive peltierelementer 20, 21, 22 som tjener til å opprettholde temperaturen på detektorene 16, 17, 18 mellom 5 og 10 °C. En elektronisk prosessor (ikke vist) er knyttet til detektorene 16, 17, 18 for å motta og behandle signaler som representerer den stråling som detekteres av detektorene 16,17,18.

Den radioaktive kilde 15 er valgt slik at passende energinivåer el og e2 utstråles, slik at <x0lje, oc^ og cc^ kan løses ved benyttelse av ovenstående likninger.

En differensialtrykkmåler 24 er koplet til et trykkuttak 26 som er beliggende ved den indre overflate av røret 1 nær dettes sentrale del 3, og til et trykkuttak 28 som er beliggende på den indre overflate av den sentrale del 3 av røret 1. Røret 1 er ved begge ender forsynt med flenser 30, 32 for å tilkople røret 1 til en strømningsledning (ikke vist) for transport av fluid som inneholder olje, vann og gass som produseres fra et borehull i en jordformasjon.

Under normal drift av den innretning som er vist på fig. 1 og 2, er røret 1 koplet til en strømningsledning, og en strøm av fluid som inneholder olje, vann og gass som produseres fra borehullet, strømmer gjennom røret 1. Røngtenstråle- eller gammastråle-stråling som utsendes av strålingskilden 15, passerer gjennom veggen av den karbonfibersterkede sylinder 5 og gjennom strømmen av fluid i retning mot detektorene 16, 17, 18, hvorved strålingen absorberes delvis av CFRE-sylinderens 5 vegg og av strømmen av fluid. Strålingen som utsendes av kilden 15, dempes således av CFRE-sylinderens 5 vegg og av strømmen av fluid. Den dempede stråling detekteres av detektorene 16, 17, 18, og signaler som representerer den dempede stråling, mottas av den elektroniske prosessor som bestemmer fluidets sammensetning ved benyttelse av ovenstående likninger. Videre tilveiebringer differensialtrykkmåleren 24 signaler som representerer strømningshastigheten av fluidblandingen, slik at strømningshastighetene av de individuelle fluidkomponenter kan beregnes.

Anvendelse av flere detektorer på periferisk atskilte steder rundt omkretsen har den fordel, sammenliknet med anvendelse av bare én detektor, at tellingshastigheten derved økes og at fluidets homogenitet kan kontrolleres ved å sammenlikne fluidsammensetningen slik den bestemmes av de individuelle detektorer. I den utførelse som er vist på fig. 1 og 2, benyttes tre detektorer, men flere eller færre enn tre detektorer kan imidlertid anvendes i innretningen ifølge oppfinnelsen avhengig av anvendelsens karakteristika.

Et passende materiale for fremstilling av en CFRE-sylinder for anvendelse i den innretning som er beskrevet under henvisning til fig. 1 og 2, består av LY556-aralditharpiks med HY917-herder og DY070-herdingsakselerator som fremstilles av Ciba Geigy, og karbonfibrer av typen Tenax IM-400-12000 som fremstilles av AKZO. En CFRE-sylinder ble fremstilt av dette materiale med en innvendig diameter på 43 mm og en veggtykkelse på 2 mm, og ble anbrakt i et stålrør som var forsynt med en åpning med en diameter på 16 mm og tre åpninger med en diameter på 8 mm for anbringelse av henholdsvis strålingskilden og de tre detektorer. En trykkprøve avslørte at CFRE-sylinderen kunne motstå et indre trykk på 120 MPa.

For å redusere dempning av strålingen i rørets vegg, er i det minste én av henholdsvis kilden og detektoren anordnet inne i røret i en alternativ utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen.

I en slik utførelse foretrekkes det at kilden er anordnet inne i røret og at detektoren er anordnet utenfor røret. Strålingen passerer således gjennom rørets vegg bare én gang. Kilden er hensiktsmessig omgitt av en hylse som er beliggende inne i røret, idet hylsen fortrinnsvis er anordnet konsentrisk i røret.

Claims (16)

1. Innretning for måling av sammensetningen av fluid som strømmer gjennom en strømningsledning (1), omfattende et rør (5) som er egnet til å forbindes med strømningsledningen på en slik måte at en strøm av fluidet strømmer gjennom røret (5), en radioaktiv kilde (15) som er anordnet slik at stråling fra kilden (15) passerer gjennom en vegg av røret (5) og gjennom strømmen av fluid, en strålingsdetektor som er anordnet slik at den detekterer strålingen som passerer gjennom rørets (5) vegg og gjennom strømmen av fluid, og en anordning for generering av et signal som representerer den nevnte stråling som detekteres av detektoren, karakterisert ved at detektoren omfatter en faststoffsdetektorkonfigurasjon (16, 17, 18) som er forsynt med minst to strålingsdeteksjonsflater, og et filter som er beliggende mellom strålingskilden (15) og en første av deteksjonsflatene.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at filteret i det vesentlige hindrer lavenergistrålingen og tillater høyenergistrålingen å passere gjennom dette.

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at filteret består av kobber.

4. Innretning ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at faststoffsdetektorkonfigurasjonen (16, 17, 18) er forsynt med en kjøleanordning (20, 21, 22) slik at faststoffsdetektorkonfigurasjonens (16,17,18) temperatur opprettholdes mellom 0 og 15 °C.

5. Innretning ifølge krav 4, karakterisert ved at faststoffsdetektorkonfigurasjonen (16, 17, 18) er forsynt med en kjøleanordning (20, 21, 22) slik at faststoffsdetektorkonfigurasjonens temperatur opprettholdes mellom 5 og 10 °C.

6. Innretning ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at kjøleanordningen (20, 21,22) er i form av et peltierelement.

7. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at faststoffsdetektorkonfigurasjonen (16,17,18) er direkte festet til peltierelementene (20,21,22).

8. Innretning ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at strømnings-ledningen (1) har redusert diameter langs en del av sin lengde, og at innretningen videre omfatter en anordning (24) for måling av et differensialtrykk i strømmen av fluid som strømmer gjennom delen med redusert diameter.

9. Innretning ifølge ett av kravene 1-8, karakterisert ved at minst én av henholdsvis kilden (15) og faststoffsdetektorkonfigurasjonen (16, 17,18) er anordnet inne i røret (5).

10. Innretning ifølge krav 9, karakterisert ved at kilden (15) er anordnet inne i røret (5) og faststoffsdetektorkonfigurasjonen (16,17,18) er anordnet utenfor røret (5).

11. Innretning ifølge ett av kravene 1-10, karakterisert ved at faststoffsdetektorkonfigurasjonen (16, 17, 18) omfatter et antall faststoffsdetektorer (16, 17, 18) som er anordnet på periferisk atskilte steder rundt røret (5).

12. Innretning ifølge ett av kravene 1-11, karakterisert ved at rørets (5) vegg omfatter en fiberforsterket harpiks.

13. Innretning ifølge krav 12, karakterisert ved at rørets (5) vegg omfatter en karbonfiberforsterket harpiks.

14. Innretning ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at harpiksen omfatter en polyeterharpiks.

15. Innretning ifølge krav 14, karakterisert ved at polyeterharpiksen omfatter en epoksyharpiks.

16. Innretning ifølge ett av kravene 11-14, karakterisert ved at rørets (5) vegg omfatter en forholdsvis høy prosent av karbonfibrer.