NO319622B1 - Fremgangsmåte og anordning for å bestemme mengden stoffer i en beholder - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler en fremgangsmåte og anordning til bestemmelse av mengden av stoffer i en beholder, spesielt i en separasjonstank anordnet på havbunnen innrettet til å motta en brønnstrøm bestående av hydrokarboner samt sand og eventuelt vann idet stoffene, under oppholdstiden i tanken, skilles fra hverandre lagvis i tanken pga ulike egenvekter.

Produksjonen fra undersjøiske brønner omfatter vanligvis flere bestanddeler som må

føres til en produksjonsplattform eller til et prosessanlegg på land der bestanddelene, olje, gass og vann, blir skilt ut fra hverandre. Det utskilte vann kan dumpes i sjøen hvis det renses i tilstrekkelig grad, men det vanlige er å føre forurenset vannet inn i en injeksjonsbrønn i produksjonsreservoaret eller et annet reservoar i nærheten.

Separasjonsanlegget kan også lokalisere på havbunnen i nærheten av de produserende brønner. Ved å separere ut de ulike bestanddeler i brønnstrømmen og sende de i egne rørledninger til eksisterende mottaksanlegg på overflaten eller direkte til mottak på land kan det gjøres betydelige besparelser i utviklingen av et felt. Spesielt er det store besparelser i å dimensjonere rørsystemene for mindre strøm og at (den ofte betydelige) vannkomponenten kan skilles ut og reinjiseres i en nærliggende brønn. Til dette formål benyttes vanlig kjente innretninger, så som separatortanker, sykloner osv., tilpasset bruk under vann.

Imidlertid vil det i mange reservoarer også forekomme faste stoffer som vil følge med brønnstrømmen under produksjonen, oftest i form av sand. Disse faste stoffer representerer et betydelig problem for separasjonsprosessen. I for eksempel en separasjonstank vil sand felles ut og samle seg langs bunnen av tanken. Over tid kan sanden fylle opp store deler av tankens volum og minske separasjonseffekten og til og med stoppe prosessen helt. De vanligste metodene for sandhåndtering utviklet for bruk på en plattform baserer seg på manuell fjerning av sanden, noe som ikke er mulig i en undervanns tank. I stedet baserer de nåværende kjente systemer seg på å virvle opp og spyle ut sanden slik at man unngår opphopning av sand i tanken. Det er derfor viktig å overvåke og ha kunnskap om mengden av sand i tanken og raten av akkumuleringen av sand. Dette medfører høyere kompleksitet i systemene.

GB allment tilgjengelig patentsøknad nr. 2 342 057 omhandler en innretning plassert på havbunnen for ut separering av sand fra en brønnstrøm. En syklonseparator er anordnet i tilknytning til innløpet av tanken slik at man unngår at sand kommer inn i separatortanken. Sanden føres ned i en beholder. Når beholderen er full blir en del av fluidet fra utløpet av tanken avledet for å spyle ut sand fra beholderen. Dette slam blir så gjeninnført i produksjonsrørledningen og ført til overflaten. En vesentlig ulempe med denne er at sand kan befinne seg i beholderen over så lang tid at den kan pakke seg og bli vanskelig å fjerne. En nivå måler benyttes til bestemme når tanken er så full at den bør tømmes men slike nivå målere har ofte en høy feilrate.

MO patentskrift nr. 306311 omhandler et anlegg plassert på havbunnen for ut separer ing av sand og vann fra en brønnstrøm. Brønnstrømmen føres til en beholder på havbunnen hvor hydrokarboner, vann og sand tas ut i separate utløp. Sanden rekombineres med hydrokarbonene, mens vann trykkokes for å føres til en injeksjonsbrønn. Sjøvann tilsettes det utskilte vann for å benyttes til å spyle ut fastsittende sand. Dette gjøres med jevne mellomrom. Det er imidlertid ikke beskrevet hvilke kriterier som benyttes for å bestemme tømmefrekvensen eller hvordan mengden av sand overvåkes.

I en separasjonstank tilstrebes kortest mulig oppholdstid (høy gjennomstrømning) med best mulig grad av separasjon. Vanligvis vil omgivelsestemperaturen rundt tanken være betydelig lavere enn temperaturen til fluidene som strømmer gjennom tanken. Stoffer som befinner seg i tanken vil dermed kjøles ned avhengig av oppholdstid og varmeledningsevne (K-verdi). Eksempelvis vil sand som utskilles og legger seg i bunnen av tanken ha en lang oppholdstid og derfor avkjøles i større grad enn fluidene som strømmer gjennom tanken. Denne egenskapen kan benyttes til å bestemme nivået av sand i tanken ved å måle temperaturen i aktuelle områder Dette har imidlertid vist seg vanskelig å gjennomføre med konvensjonell målerteknologi. Det er behov for et stort antall temperaturfølere og et system med elektroniske følere koblet sammen med en kabel er ikke egnet til bruk i slike miljøer da elektronisk utstyr er svært følsomt for varme. I tillegg kan tilført energi kan medføre eksplosjonsfare. Man har derfor tidligere i hovedsak basert seg på målinger i brønnstrømmen, som for eksempel flerfasemålere og sanddetektorer og ut fra slike målinger å beregne mengden og andelen av stoffene i tanken.

I de senere år har det blitt utviklet optiske temperaturfølere hvor et såkalt Bragg-gitter i

en optisk fiber kan benyttes til å avføle parametere som temperatur og/eller kraftpåkjente tøyninger. Optiske følere har vist seg å være svært pålitelige i ekstreme miljøer idet den følsomme elektronikken kan lokaliseres utenfor stedet som skal måles. I et Bragg-gitter forandrer den reflekterte bølgelengden X i gitteret seg med temperaturen (AA/AT) på grunn av endringene i refraktiv indeks og gitterets intervallavstand med temperaturen som skaper et interferensmønster. Gitteret reflekterer dermed lys av en bestemt bølgelengde. I bruk blir lys sendt inn i fiberen og det reflekterte lys målt. Frekvensen av lyset reflektert i gitteret endrer seg med temperaturen i et entydig forhold som er i hovedsak lineær over måleområdet. Et slikt gitter kan avføle temperaturvariasjoner på +/-0,1 °C. Ved å utstyre en fiberoptisk kabel med flere Bragg-gittere i et periodisk mønster slik at hvert gitter reflekterer lys i et begrenset område rundt en sentral bølgelengde kan man måle temperaturen i et antall punkter med en eneste kabel.

Sensorer omfattende Bragg-gitter benyttes innen stort sett all industri, og det er kjent å benytte slike sensorer til måling av både temperatur og trykk. Ett eksempel er beskrevet i WO 98/50680. Spesielt har slike Bragg-gitter vært benyttet i hydrokarbon brønner til å måle trykk eller trykkvariasjoner. Dette er beskrevet i US patentskrift nr. 5 767 411. Det er imidlertid ikke tidligere kjent at slike målinger kan benyttes til å bestemme tykkelsen, og dermed mengden, av faste stoffer i en tank.

Det er således et formål med oppfinnelsen å måle temperaturvariasjoner i en beholder for på grunnlag av slike målinger bestemme fordelingen av stoffer i beholderen.

Dette oppnås ifølge fremgangsmåten ved at minst en fiberoptisk kabel inneholdende minst en optisk temperatursensor i form av et Bragg-gitter plasseres i beholderen i en avstand over tankens bunn, at temperaturen måles, at den målte temperatur sammenlignes med en referansetemperatur, og at ut fra dette mengden av stoffer i beholderen bestemmes..

Fordelaktig bestemmes mengden av stoffer ved at sensorens avstand fra tankens bunn, eventuelt fra en annen sensor, benyttes til å bestemme tykkelsen av stofflaget

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen omfatter den i det minste en fiberoptisk kabel inneholdende minst en optisk temperatursensor i form av et Bragg-gitter plassert i tanken i en avstand over tankens bunn.

^Fordelaktig plasseres en temperaturrnåler ved innløpet til beholderen for å måle brønnstrømmens temperatur og på denne måten gi en referanseverdi som kan benyttes til å kalibrere målingene. Eventuelt kan det også anordnes en temperaturrnåler i eller på utsiden av tankveggen for å måle omgivelsestemperaturen og gi en referanseverdi for å oppnå ytterligere kalibrering.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere beskrives med et konket utførelseseksempel med henvisning til de medfølgende tegninger hvor

Fig. 1 er en skjematisk skisse av en beholder

Fig. 2 er en skjematisk skisse med et horisontalsnitt

Fig. 3 er en grafisk fremstilling av temperaturvariasjonen.

Fig. 4 er en ytterligere utføringsform av oppfinnelsen.

Fig. 1 viser skjematisk et enkelt system for et prosessanlegg på havbunnen. Det skal forstås at et slikt anlegg kan omfatte ytterligere prosessutstyr, som sykloner, pumper og ventiler som ikke danner noen del av oppfinnelsen og som derfor er utelatt på tegningen.

En tank 1 er plassert på et fundament på en havbunn. Tanken har et innløp som er tilknyttet en rørledning 2 fra en eller flere havbunnsbrønner, et første utløp som er tilknyttet en rørledning 3 for borttransport av utskilte hydrokarboner, et andre utløp som er tilknyttet en rørledning 4 for borttransport av vann og et tredje utløp 12 for faste stoffer (som normalt vil væren en tynn sandvelling) anordnet i bunnen av tanken og som er tilknyttet en rørledning 10.1 innløpet kan det være anordnet en syklon 5.

Rørledningen 3 fører til en fjerntliggende installasjon, for eksempel en produksjonsplattform. Rørledningen 4 står i forbindelse med en injeksjonsbrønn (ikke vist) antydet med pilen 16. En pumpe 15 er anordnet i røret 4. Ledningen 10 står i forbindelse med produksjonsrørledningen 3 slik at den utseparerte sandvelling kan rekombineres med hydrokarbonene og føres til et produksjonsanlegg for videre prosessering.

I tanken er anordnet et antall spyledyser 8. Spylevann kan tas ut fra injeksjonsvannet i rørledningen 4, eksempelvis via rørledning 24 nedstrøms pumpe 15 eller fra annen egnet trykkvannsti lførse I.

Fluid fra en brønn føres inn i tanken gjennom innløpet 2. Fluidet fra brønnen består typisk av en blanding av olje, gass og vann, samt sand. De forskjellige delene av fluidet vil i tanken bli skilt ut fra hverandre på grunn av sin ulike egenvekt og dermed legge seg lagvis i tanken. Tallhenvisningen 6 antyder .den antatte grense mellom hydrokarboner 21 og vann 22. Sanden, som er tyngst, vil synke ned mot og legge seg i bunnen av tanken. På fig. 1 er antydet et lag med sand i bunnen av tanken, ved 23.

I tanken er en fiberoptisk kabel lagt i det området i bunnen av tanken hvor sandoppbygging er mulig. Fortrinnsvis er kabelen anordnet som en eller flere sløyfer i tanken, avhengig av ønsket antall målepunkter, eksempelvis som en dobbel sløyfe slik det er vist i fig. 2. Den fiberoptiske kabelen plasseres i en avstand L fra bunnen som gjør at tilstrekkelig måleområde oppnås mht. tykkelse på det lag av sand som skal måles.

Kabelen omfatter et antall Bragg-gitter bi, b2, ba,..., bn, som hver er kalibrert for en smalt frekvensområde for lys. Når lys sendes gjennom kabelen vil hvert gitter reflektere lyset innenfor sitt frekvensområde som er modulert i avhengighet av temperaturen i nærheten av gitteret. De optiske signalene føres til en sentralenhet som inneholder laserlyskilde og spektrumanalysator og som over et datagrensesnitt avrapporterer måleverdiene. Ut fra dette kan temperaturen for hvert målepunkt, dvs. ti, ti, h> ■ ■ -5 tn beregnes.

En sentralenheten 25 kan være lokalisert på havbunnen i egnet latm trykkammer, eller ombord i en produksjonsinnretning dersom avstanden tillater optisk kommunikasjon. Resultatet kan fremstilles som en kurve, for eksempel som vist i fig. 3. Mer fordelaktig blir imidlertid dataene behandlet i en datamaskin og resultatet fremstilt grafisk på en skjerm i form av en 3D-modell av tanken slik at sandoppbyggjngen bedre kan visualiseres.

Eventuelt kan datamaskinen være koblet til et kontrollsystem slik at når et forhåndsbestemt antall målepunkter viser verdier som indikerer sandoppbygging, vil datamaskinen avgi signal til kontrollsystemet om å iverksette spyling av tanken.

Fordelaktig lokaliseres en temperaturrnåler ved innløpet i tanken. Dette gir en referansetemperatur to=tmaks. Ved eventuelt også å måle temperaturen av tankvegg i et område isolert fra strømmende fluider fås referansetemperaturen tn=tmi„.

Avvik fra referansetemperaturene indikerer oppbygging av faste stoffer i bunnen av tanken, hvor mengden faste stoffer er større jo lavere temperaturen er.

Eksempelvis, dersom t = tmin + Vi (Ws- tmi„) betyr dette at målepunktet Y befinner seg midt i laget av sand. Derfor blir tykkelsen av sandlaget, T = 2 x L, der L er avstanden til målepunktet 'f fra tankveggen.

Det er svært viktig å lokalisere den fiberoptiske kabel korrekt. Dersom den er for nær sideveggene i tanken kan målingen bli influert av omgivelsestemperaturen. Det er også viktig at kabelen plasseres i en slik høyde over bunnen at målingene vil varsle om unormal oppbygging av sand i tanken.

Avhengig av mengden sand i brønnstrømmen kan tanken tømmes enten periodisk eller kontinuerlig. Med en høy andel av sand vil det være hensiktsmessig å spyle ut sanden kontinuerlig mens det ved lav andel sand vil være mest hensiktsmessig å la sanden akkumuleres og tømme tanken når en viss mengde sand har bygget seg opp. Ved kontinuerlig utspyling av sand kan systemet benyttes til å overvåke mengden av innstrømming av sand. Systemet vil dermed kunne fange opp en økende mengde av sand i brønnstrømmen. Ved å få informasjon om dette på et tidlig tidspunkt kan spylepumpene justeres for å kompensere for de endrede strømningsforløp og uønsket opphopning av faste stoffer i tanken unngås.

Ved periodisk utspyling vil målingen indikere når det er behov for utspyling av sanden i tanken. Man kan imidlertid ikke ha for lang oppholdstid da sanden i så fall vil kunne stivne til en hard masse som er vanskeligere å fjerne. De nåværende systemer har derfor en konservativ (dvs. høy) tømmefrekvens for å unngå slik fastsetting av sand. Med den foreliggende oppfinnelse vil man ha sikrere informasjon om sandoppbyggingen og dermed kunne oppnå færre spylinger eller en lengre periode mellom hver spyling.

I fig. 4 er vist en andre utføringsform av oppfinnelsen. En tank 1' er anordnet på et fundament på havbunnen plassert i en skrånende stilling. I tanken befinner det seg gass 27, olje 21, vann 22 og sand 23. Den fiberoptiske kabel med et antall Bragg-gitter er på samme måte som tidligere beskrevet plassert i tanken, fortrinnsvis parallelt med, men i avstand fra, tankens sidevegger og bunn. Temperaturen kan dermed måles i et stort antall punkter og et visuelt 3D-bilde av temperaturforskjellene vises i et grafisk grensesnitt. Forutsetningen for et godt resultat er selvsagt at det er forskjellige oppholdstider i tanken for de ulike stoffene som gir påvisbare temperaturforskjeller. Denne utføringsform er derfor spesielt egnet for bruk i store tanker og hvor brønnstrømmer inneholder mindre mengder vann og sand. Dette gir høyere oppholdstider som igjen gjør det mulig å påvise temperaturforskjeller. Da selv små forskjeller kan måles og dataene behandles over tid, kan metoden benyttes til å overvåke vann/hydrokarbongrensen med spesielt øye på om denne beveger seg, noe som indikerer endring i forholdet mellom stoffene i tanken.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte til bestemmelse av mengden av stoffer i en beholder, spesielt i en separasjonstank (1) anordnet på havbunnen innrettet til å motta en brønnstrøm bestående av hydrokarboner samt sand og eventuelt vann idet stoffene, under oppholdstiden i tanken, skilles fra hverandre lagvis i tanken pga ulike egenvekter, karakterisert ved at minst en fiberoptisk kabel (24) inneholdende minst en optisk temperatursensor (bi, b2, b3,..., b„) i form av et Bragg-gitter plasseres i beholderen i en avstand over tankens bunn, at temperaturen måles, at den målte temperatur sammenlignes med en referansetemperatur, og at ut fra dette mengden av stoffer i beholderen bestemmes.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at mengden av stoffer bestemmes ved at sensorens avstand fra tankens bunn, eventuelt fra en annen sensor, benyttes til å bestemme tykkelsen av stofflaget.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at referansetemperaturen måles ved innløpet til tanken.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav l - 2, karakterisert ved at en andre referansetemperatur måles i eller ved beholderens yttervegg:

5. Anordning til bestemmelse av mengden av stoffer i en beholder, spesielt i en separasjonstank (1) anordnet på havbunnen innrettet til å motta en brønnstrøm bestående av hydrokarboner samt sand og eventuelt vann idet stoffene, under oppholdstiden i tanken, skilles fra hverandre lagvis i tanken pga ulike egenvekter, karakterisert ved at den omfatter i det minste en fiberoptisk kabel (24) inneholdende minst en optisk temperatursensor (bi, b2, ba,..bn) i form av et Bragg-gitter som er plassert i tanken i en avstand over tankens bunn.

6. Anordning som angitt i krav 5,karakterisert ved at den optiske fiber er anordnet i en sløyfe i tanken.

7. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at den omfatter en ytterligere temperatursensor anordnet i eller ved tankens yttervegg.

8. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at den omfatter en ytterligere temperatursensor anordnet ved innløpet til tanken.