NO321278B1 - Anordning for maling av fluidstromningsrate i ror ved bruk av fluidistor - Google Patents

Description

Innledning

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for måling av fluidstrømningsrate i rør. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen måling av væske/ gasstrøm, både volum og masse ved å utnytte et fluidistorprinsipp til måling av volum strøm, og så kombineres dette med en differensialtrykkmåling som gir informasjon om fluidets masse, samt en spektralanalyse av trykksignalet. Disse signalene kombineres i en matematisk modell til å karakterisere fluidets fysiske egenskaper.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Fluidistorer benyttet med negativ tilbakekobling som volumstrømsmålere er beskrevet i en rekke tidligere patenter. I US patent nr. 3,238,960 beskrives fluidoscillatoren som voiummåleelement i kombinasjon med en måleblende for å måle strømningen i et rør. I US patent nr. 5,127,173 utnytter man en litt annen utførelse med en tilbakekoblet fluidistor og en Venturi for å skape et drivende trykk som gir en proporsjonal strømning gjennom måleelementet. Ulike metoder for å detektere trykkpulsasjonene hvis frekvens er proporsjonal med trykket, er anvist i disse og andre patenter på området.

I US patent nr. 5,083,452 beskrives hvordan det akustiske støymønsteret i et rør med en restriksjon kan brukes til å karakterisere væsken i røret ved hjelp av statistiske analysemetoder (multivariat analyse).

Fluidistor-måleanordninger har imidlertid til nå bare vært benyttet i form av utvendige påbygningsenheter av omfangsrik type, og således vært uaktuelle for anvendelser nedihulls på oljeproduksjonsfelter. Det er således av interesse å forbedre denne teknologien for å oppnå en slik utvidelse av anvendelsesområdet, for det er mulig å oppnå gode målinger med denne teknikken, og det behøver ikke å stilles store krav til trykksensoren som benyttes.

Hovedinnholdet av oppfinnelsen

Det er et formål for foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en anordning for måling av flerfaset flu id strømning, som gir gode måleresultater ved måling nedihulls i hydrokarbonbrønner.

Det er et annet formål for foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en måleanordning som kan oppnå presise måleverdier for de forskjellige faser av en flerfasefluidstrømning.

Det er et ytterligere formål å oppnå måleanordntnger som er egnet for både innstrømning i og gjennomstrømning av produksjonsrør i en hydrokarbonbrønn.

Det er videre et formål å benytte en fluidistormåler til å oppnå gode strømningsmålinger nedihulls uten at det stilles store krav til fluidistorens trykksensor.

Disse og andre formål blir oppnådd ved tilveiebringelse av en anordning for måling av fluidstrømningsrate i rør slik som definert i det vedføyde patentkrav 1.

Ytterligere formål og fordeler oppnås gjennom de ytterligere spesifiserte anordninger som fremgår av de tilknyttede uselvstendige patentkrav 2-11.

De ovennevnte formål og fordeler, samt en mer detaljert forklaring av oppfinnelsens virkemåte, vil fremgå klarere av den nedenstående detaljbeskrivene av fordelaktige utførelsesformer av oppfinnelsen, og beskrivelsen skal også sammenholdes med de vedføyde tegningene.

Beskrivelse av tegningene

FIG. 1 viser en prinsippskisse av en tilbakekoblet fluidistor med differensialtrykkmåler for å karakterisere strømningen. FIG. 2 viser et blokkdiagram av signalgangen fra sensorelement til utgangssignaler. FIG. 3 viser en typisk innbygning i et produksjonsrør i en petroleumsbrønn hvor fluidistoren brukes for direkte å måle hvor mye som strømmer inn i røret fra omgivelsene. FIG. 4 viser en typisk sammenbygning hvor et dynamisk trykk generert av strømmen i produksjonsrøret brukes til å drive en proporsjonal strøm gjennom fluidistoren. FIG. 5 viser et typisk frekvensspektrum og hvordan dette endres med væske/gass-

sammensetningen i fluidistoren.

Detaljert beskrivelse av måleren

Tidligere patenter har alle vært sentrert om måling av volumstrømmen. Herværende oppfinnelse anviser i tillegg en metode for å karakterisere fluidet (væske eller gass) som strømmer gjennom fluidistoren for slik å kunne brukes som volum- og fraksjonsmåler for en flerfasestrøm. Ulike varianter av fluidistoren kan med fordel benyttes for ulike væskesammensetninger. En kombinasjon av flere ulike elementer kan brukes samtidig for å utvide målesystemets brukbarhet, ved at datamengden fører til et overbestemt ligningssystem.

Når et fluid som strømmer bremses opp, vil stagnasjonstrykket tilnærmet følge Bernoullis lov, og følgelig være proporsjonalt med fluidets tetthet og kvadratet av væskehastigheten. Når volumstrømmen er kjent, vil kunnskap om trykkpulsasjonenes amplitude følgelig kunne brukes for å finne fluidets tetthet. I tillegg vil energifordelingen av trykkpulsasjonene høyt oppover i frekvensspektret karakterisere en rekke andre egenskaper ved fluidet.

Fluidistorer kjennetegnes ved at de ikke har bevegelige deler, og de er også vel egnet for ikke ideelle fluider med innhold av partikler. Utformingen av fluidistoren som en rørvegg som anvises her, gir en kompakt utforming som er velegnet i brønnanvendelser.

Alle de nødvendige størrelser som skal brukes for å karakterisere fluidstrøm og type, vil ekstraheres fra en enkel differensialtrykkmåler. Denne måler trykkforskjellen mellom to karakteristiske punkter i fluidistoren. Måleren må ha kort responstid slik at hele spektret av trykkpulsasjoner fra noen Hz opp til mange kHz blir gjengitt korrekt.

Differensialtrykkmåleren kan være av piezoelektrisk eller optisk type. Signalene sendes fra målestedet til en analysator som utfører frekvensspekteranalysen og deretter sammenligner dette med referansespektra gjennom såkalt multivariat statistisk analyse. Ut fra denne vil informasjonen om fluidstrøm og karakteristiske egenskaper kunne trekkes.

Den tilbakekoblede fluidistoren i en utførelse er illustrert i et plan i FIG.1. Fluidet strømmer inn i måleren gjennom et hull 1 fra et område over eller under planet som er tegnet. Det strømmer videre gjennom dysen 5 og inn i kontrollområdet 2. En trykkforskjell mellom de to sidene av strålen i kontrollområdet vil forskyve strålen mot den ene eller den andre av to utløpskanaler og treffe differensialtrykkmåleren med ulik kraft.

Tilbakekoblingskanalen 6 kobler trykket fra den ene siden av kontrollområdet til den andre med en forsinkelse som sammen med forsterkningen i elementet gir opphav til oscillasjon ved at utløpsstrømmen veksler fram og tilbake mellom de to utløpskanalene.

Fluidet strømmer avslutningsvis ut av fluidistoren gjennom hullet 4, og trykkforskjellen mellom de to kanalene registreres med differensialtrykksensoren 3.

Skissen viser bare en av mange ulike varianter i utførelse, og det kan vises til variantene som angis foreksempel i US 5,127,173, US 3,238,960, US 3,640,133, US 3,802,283, US 4,323,991 og US Re 31,683. Ulike varianter har noe ulike egenskaper og er egnet for ulike medier.

Signalgangen i systemet er illustrert med blokkskjemaet i FIG. 2. Trykkforskjellen mellom de to inngangene måles med sensorelementet 7 som har vid frekvensrespons slik at både raske og mer langsomme trykkforskjeller registreres. Sensorelementet 7 kan typisk være en tynn membran med optisk fiber som reagerer på strekk/trykk i membranen. En elektrisk variant kan lages basert på piezokrystaller. Signalet blir i alle tilfeller frekvensanalysen^ i analysatorenheten 8. Informasjonen fra denne er effekttettheten i ulike frekvensbånd. Basert på denne informasjonen som er illustrert i FIG. 5, kan karakteristiske trekk ved ulike fluider og sammensetninger trekkes ut. Frekvensen av hovedresonansen 16 flytter seg med volumstrømmen. Andre deler av spektret 17 og 18 endrer seg på ulik måte med ulik fluidsammensetning. Frekvensspektret analyseres med en multivariat analysator 9.

Sensorelementet 7 må monteres i umiddelbar tilknytning til fluidistorelementet. Herfra vil en enkelt optisk fiber kunne bringe det komplekse signalet opp av brønnen for å analyseres der. Dersom en elektrisk signalgiver benyttes, vil det være naturlig å foreta frekvensanalysen 8 umiddelbart i nærheten av sensorelementet, for så å føre informasjon om energien i de ulike bånd opp til overflateutstyret som foretar den multivariate analysen.

Fluidistoren er fortrinnsvis bygget inn i veggen på et rørskjøtestykke 10 som innsettes i produksjonsrøret, illustrert i FIG. 3. Fluidistoren 11 er her bygget som en utfresning i vegg-godset, og er dekket av en hylse som ikke er vist her. Den viste utførelsen er beregnet på innløp utenfra gjennom et hull i hylsen, antydet ved posisjon 1, og med utløp inn i produksjonsrøret gjennom hullet 4. Differensialtrykkmåleren plasseres i utsparingen merket 12.

Måleren kan også brukes til å måle væskestrømningen i produksjonsrøret. Da ligger inntakshullet 1 i rørveggen som vist i FIG. 4, og eksoshullet 4 i innsnevringsområdet som dannes av Venturi-området 13. Inntakshullet 1, fluidistorområdet antydet med henvisningstall 15 og eksoshullet 4 dekkes av ei tett hylse 14. Alternativt kan man benytte en utvidelse av røret for å skape den nødvendige dynamiske trykkforskjell. I så fall representerer den innvendige diameteren i område 13 rørets normale innvendige diameter, mens inntaksområdet 1 er dreiet ut til større enn nominell rørdiameter.

Claims (11)

1. Anordning for måling av fluidstrømningsrate i rør, i form av et kort rørskjøtestykke (10) innsatt mellom stykker av røret, idet målingen anvender fluid istorteknikk, karakterisert ved at rørskjøtestykkets (10) vegg inneholder et fluidistorelement (11) som reagerer på den aktuelle fluidstrømning, samt en sensor (3,7,12) for avføling av oscillasjoner i fluidistorelementet (11), hvilken sensor (3, 7, 12) er koplet til en analysator (8) for utledning av fluidets strømningsrate, tetthet og komposisjon.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at fluidistorelementet (11) er formet som en del av rørskjøtestykkets (10) vegg.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at sensoren (3,7,12) er en trykksensor innrettet for å måle oscillerende trykkforskjell mellom posisjoner i fluidistorelementet (11).

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at trykksensoren (3, 7,12) omfatter en optisk fiber anordnet for å reagere på trykkforskjellen.

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved utstyr innrettet for å sende lys inn i den optiske fiberen og for å detektere fiberens reaksjon på trykkforskjellen ved måling av lysutgang fra fiberen.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at fiberen inneholder et Bragg-gitter med gitteravstand som avhenger av trykkforskjellen.

7. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at utstyret omfatter et interferometer for deteksjon av trykkforskjell-relatert endring i lysbanelengde gjennom fiberen.

8. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved en analysator (8, 9) koplet til trykksensoren (3, 7,12), hvilken analysator (8, 9) omfatter en prosessorenhet programmert med beregningsalgoritmer, hvor en algoritme beregner fluidets strømningsrate på basis av målt oscillasjonsfrekvens i fluidistorelementet (11), en annen algoritme beregner fluidets tetthet på basis av trykkoscillasjonenes målte amplitude, og ytterligere en algoritme beregner fluidets komposisjon på basis av analysert energifordeling i et effektspektrum for trykkoscillasjonene.

9. Anordning ifølge krav 1 for måling av fluidstrømning inn i et rør, karakterisert ved at fluidistorelementet (11) er anordnet med et innløp (1, fig. 3) for fluidet fra rørskjøtestykkets (10) utside og med et samlet utløp (4, fig. 3) mot rørskjøtestykkets (10) innside, slik at i det minste en representativ del av fluidet strømmer inn i røret gjennom fluidistorelementet (11).

10. Anordning ifølge krav 1 for måling av fluidstrømning gjennom et rør, karakterisert ved at fluidistorelementet er anordnet med både innløp (1, fig.

4) fra og samlet utløp (4, fig. 4) til rørskjøtestykkets (10) innside hvor innløp (1) og utløp (4) er i forskjellig nivå langs strømningsretningen, idet rørskjøtestykket (10) oppviser en innvendig diametervariasjon mellom nevnte innløp (11) og utløp (4), hvilken diametervariasjon forårsaker en fluiddynamisk trykkforskjell som driver en fluidstrøm gjennom fluidistorelementet (11), med strømningsrate omtrent proporsjonal med strømningsraten til fluidstrømningen gjennom røret.

11. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at rørskjøtestykket (10) med fluidistorelementet (11) er innsatt i et produksjonsrør i en hydrokarbonbrønn.