NO321302B1

NO321302B1 - Method and apparatus for fluid sampling from a subsea multiphase pipe flow

Info

Publication number: NO321302B1
Application number: NO20033646A
Authority: NO
Inventors: Jens Grendstad
Original assignee: Fmc Kongsberg Subsea As
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2006-04-24
Also published as: NO20033646L; NO20033646D0

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler en fremgangsmåte og anordning for fluidprøvetaking fra en undersjøisk flerfase-rørstrømning, omfattende en første rørseksjon og en andre rørseksjon anordnet vinkelrett eller tilnærmet vinkelrett på den første rørseksjon, hvor den første rørseksjon har en innløpsende og en lukket ende. The present invention relates to a method and device for fluid sampling from an underwater multiphase pipe flow, comprising a first pipe section and a second pipe section arranged perpendicularly or approximately perpendicularly to the first pipe section, where the first pipe section has an inlet end and a closed end.

En vanlig måte å ta prøve på er å omdirigere deler av fluidet inn i et separat omløp med sfrømningsmåleutstyr. I for eksempel US patentskrift nr 6 343 516 er det anordnet en prøvetakingssonde som foretar målinger ved ulike radielle punkter over en diameter eller en korde av et tverrplan av et multifase strømningsrør. Et strømningsmålesystem måler egenskapene i hvert punkt og resultatene kombineres for å bestemme den eksakte opptreden av fluidstrømmen. I et annet eksempel vist i US patentskrift nr 4 442 720 er en sonde innført i fluidstrømmen. Sonden omfatter et antall prøveporter med særskilte målingsprøver og egenskapene av fluidene kan bestemmes i total. A common way of sampling is to divert parts of the fluid into a separate circuit with flow measuring equipment. In, for example, US patent no. 6,343,516, a sampling probe is arranged which makes measurements at various radial points over a diameter or a chord of a transverse plane of a multiphase flow pipe. A flow measurement system measures the properties at each point and the results are combined to determine the exact behavior of the fluid flow. In another example shown in US Patent No. 4,442,720, a probe is introduced into the fluid flow. The probe includes a number of test ports with special measurement samples and the properties of the fluids can be determined in total.

Selv om slike prøvetakingsmetoder kan være svært nøyaktige et det likevel viktig å hente ut en fysisk prøve av hydrokarbonstrømmen som etterpå kan analyseres i et laboratorium. Resultatet av slike analyser er svært viktig da det vil bli brukt til å gi korrekt input (dvs. å kalibrere) for beregninger brukt i multifase målere og for fordelingsformål. I tillegg vil prøvetaking av brønnstrømmen over en bestemt tidsperiode muliggjøre sammenligning av den fysiske prøve med beregnede eller målte data over den samme periode av viktige verdier så som gassvolumfraksjon (GVF) og vannkutt (WC). Disse er også viktige for kalibreringsformål. Although such sampling methods can be very accurate, it is still important to obtain a physical sample of the hydrocarbon stream which can then be analyzed in a laboratory. The result of such analyzes is very important as it will be used to provide correct input (ie to calibrate) for calculations used in multiphase meters and for distribution purposes. In addition, sampling the well stream over a specific time period will enable comparison of the physical sample with calculated or measured data over the same period of important values such as gas volume fraction (GVF) and water cut (WC). These are also important for calibration purposes.

Den viktigste utfordringen er å fa ut en representativ fysisk prøve. I et multifase fluid vil strømmen normalt være laminær og en prøve tatt ett sted vil ikke nødvendigvis være representativ for hele fluidstrømmen. The most important challenge is obtaining a representative physical sample. In a multiphase fluid, the flow will normally be laminar and a sample taken in one place will not necessarily be representative of the entire fluid flow.

Fysiske prøver fås ved bruk av et trykkammer tilknyttet strømningsrøret. Trykkammeret er innrettet til å motta en prøvebeholder. Innløpet til trykkammeret er tilkoblet et avblødningspunkt i det trykksatte fluidsystem, og fluidet i systemet påvirkes til å strømme gjennom prøvetakingsbeholderen over et forhåndsbestemt tidsintervall. Beholderen kan deretter hentes opp til overflaten for videre analyse. En slik anordning er beskrevet i US patentskrift nr 5 370 005. Physical samples are obtained using a pressure chamber connected to the flow pipe. The pressure chamber is adapted to receive a sample container. The inlet to the pressure chamber is connected to a bleed point in the pressurized fluid system, and the fluid in the system is induced to flow through the sampling container over a predetermined time interval. The container can then be retrieved to the surface for further analysis. Such a device is described in US patent no. 5 370 005.

Imidlertid, son anført ovenfor er det å oppnå en representativ prøve svært vanskelig grunnet delingen av det multifase fluidet mens det strømmer gjennom rørledningen. Fluidet vil ha en tendens til å separere seg ut i flerlags strømning og selv med lange prøvetakingsintervaller kan man ikke være sikre på at prøven vil være nøyaktig. However, as stated above, obtaining a representative sample is very difficult due to the partitioning of the multiphase fluid as it flows through the pipeline. The fluid will tend to separate into multi-layered flow and even with long sampling intervals one cannot be sure that the sample will be accurate.

Laminær strøm kan konverteres til turbulent, dvs. homogen, strøm eller motsatt ved bruk av ledeplater eller vinger i røret. Imidlertid vil fluid som strømmer fra en brønn ofte også inneholde partikler, spesielt sand, og slike partikler vil raskt erodere bort hindringer så som nevnte ledeplater og kan derfor ikke brukes under slike forhold. Laminar flow can be converted to turbulent, i.e. homogeneous, flow or the opposite by using guide plates or vanes in the pipe. However, fluid flowing from a well will often also contain particles, especially sand, and such particles will quickly erode away obstacles such as the aforementioned guide plates and therefore cannot be used under such conditions.

I US patentskrift nr 4 426 880 er beskrevet en innretning for å bestemme innholdet av saltoppløsninger i strømmen fra en geotermisk brønn som omfatter en blander for å generere turbulent strømning. Det er ikke nærmere beskrevet hvordan denne er konstruert og det er derfor sannsynlig at den omfatter avledere eller lignende som beskrevet ovenfor. US Patent No. 4,426,880 describes a device for determining the content of salt solutions in the flow from a geothermal well which comprises a mixer to generate turbulent flow. It is not described in more detail how this is constructed and it is therefore likely that it includes arresters or the like as described above.

I US patentskrift nr 6 532 826 er beskrevet en anordning for å måle gass/væske raten i et multifase fluid. Anordningen omfatter midler for å generere en statisk eller inhomogen "slugg" strømning og bruk av en standard type strømningsmåler som beregner strømningsraten for hver fraksjon. Anordningen omfatter rørseksjoner anordnet i forhold til hverandre omtrent på samme måte som i vår oppfinnelse, men den benyttes ikke til å generere turbulent strømning og det er heller ikke antydet midler for opphenting av fysiske prøver ved hjelp av anordningen. US Patent No. 6,532,826 describes a device for measuring the gas/liquid ratio in a multiphase fluid. The device includes means for generating a static or inhomogeneous "slug" flow and the use of a standard type flow meter which calculates the flow rate for each fraction. The device comprises pipe sections arranged in relation to each other in approximately the same way as in our invention, but it is not used to generate turbulent flow and there is also no indication of means for collecting physical samples using the device.

Oppfinnelsen eliminerer de kjente problemer ved å ta fysiske prøver fra et utilgjengelig fjernt sted og er spesielt innrettet til å ta prøver av et multifase fluid som strømmer fra en undersjøisk olje eller gassinstallasjon, så som et brønnhode, ventiltre eller manifold. Oppfinnelsen er enkel og robust og vil sikre at en representativ prøve strømmer inn i prøvetakingsbeholderen. The invention eliminates the known problems of taking physical samples from an inaccessible remote location and is particularly adapted to take samples of a multiphase fluid flowing from a subsea oil or gas installation, such as a wellhead, valve tree or manifold. The invention is simple and robust and will ensure that a representative sample flows into the sampling container.

Dette oppnås ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved å plassere den andre rørseksjon i forhold til den første rørseksjon på en slik måte at det skapes en homogen strømning i det minste i en del av den andre rørseksjon, og anordne en prøvetakingsbeholder i tilknytning til nevnte del av den "andre rørseksjon for å trekke ut en prøve fra den homogene strøm. This is achieved by the method according to the invention by placing the second pipe section in relation to the first pipe section in such a way that a homogeneous flow is created at least in part of the second pipe section, and arranging a sampling container adjacent to said part of the "second pipe section to extract a sample from the homogeneous stream.

I henhold til oppfinnelsen er det også fremskaffet en anordning hvor den andre rørseksjon er festet til den første rørseksjon en avstand fra den lukkede ende slik at det dannes en homogen strøm, og at det er tilveiebrakt midler for å ta ut en del av fluidet fra strømmen, hvilke midler omfatter minst en beholder som er anordnet i tilknytning til den andre rørseksjon. According to the invention, a device has also been provided where the second pipe section is attached to the first pipe section at a distance from the closed end so that a homogeneous flow is formed, and that means are provided to remove part of the fluid from the flow , which means comprise at least one container which is arranged adjacent to the second pipe section.

I en foretrukket utføringsform er den homogene strøm i røret avledet inn i et omløp som inneholder en avlederventil som drives av en tidsmåler for å avlede en prøve inn i prøvetakingsbeholderen ved regelmessige tidsintervaller. In a preferred embodiment, the homogeneous flow in the pipe is diverted into a circuit containing a diverter valve operated by a timer to divert a sample into the sampling container at regular time intervals.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet nærmere med henvisning til de medfølgende tegninger hvor The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings where

Fig. 1 er en skjematisk skisse over en første utførelse av oppfinnelsen, og Fig. 1 is a schematic sketch of a first embodiment of the invention, and

Fig. 2 er en skjematisk skisse over en andre utførelse av oppfinnelsen. Fig. 2 is a schematic sketch of a second embodiment of the invention.

I fig. 1 er det vist en første rørseksjon 1 i form av en rett rørstuss med en første innløpsende 2 og en andre ende 3. Den andre ende 3 er lukket med en blindflens eller hette 4. En andre rørseksjon 6 er anordnet perpendikulært på den første seksjon 1 og har en første ende 7 og en andre ende 8. Rjørseksjonen 6 er sveiset eller på annen måte festet til røret 1 slik at fluid kan strømme gjennom seksjon 1 og inn i og gjennom seksjon 6. Rørseksjonen 1 har en akse 100 og rørseksjon 6 har en akse 101. Seksjonen 6 er festet til seksjonen 1 ved et punkt 9 som befinner seg en avstand di fra enden 4, som vist på fig. 1. In fig. 1 shows a first pipe section 1 in the form of a straight pipe socket with a first inlet end 2 and a second end 3. The second end 3 is closed with a blind flange or cap 4. A second pipe section 6 is arranged perpendicular to the first section 1 and has a first end 7 and a second end 8. Pipe section 6 is welded or otherwise attached to pipe 1 so that fluid can flow through section 1 and into and through section 6. Pipe section 1 has an axis 100 and pipe section 6 has an axis 101. The section 6 is attached to the section 1 at a point 9 located at a distance di from the end 4, as shown in fig. 1.

I den andre rørseksjonen 6 er det et hull.9. En rørstuss 10 er festet til rørseksjonen 6 med dens første ende i forbindelse med hullet 9 slik at fluid kan avledes fra rørseksjon 6 og inn i rørstussen 10, hvis andre ende har en kobling 12. En avtagbar prøvebeholder (ikke vist) kan tilkobles rørstussen ved hjelp av koblingen. Rørstussen 10 kan være intrusiv, dvs. være forlenget gjennom hullet og delvis inn i fluidstrømmen i den andre rørseksjon 6.1 rørstussen II er anordnet to ventiler 13,14 for å styre fluidstrømmen gjennom stussen 11 og dermed inn i beholderen. Hullet 9 er plassert en avstand d2 fra enden 7, som vist på fig. 1. In the second pipe section 6 there is a hole.9. A pipe connection 10 is attached to the pipe section 6 with its first end in connection with the hole 9 so that fluid can be diverted from the pipe section 6 into the pipe connection 10, the other end of which has a coupling 12. A removable sample container (not shown) can be connected to the pipe connection by using the link. The pipe connector 10 can be intrusive, i.e. be extended through the hole and partially into the fluid flow in the second pipe section 6.1 pipe connector II is arranged with two valves 13,14 to control the fluid flow through the connector 11 and thus into the container. The hole 9 is located a distance d2 from the end 7, as shown in fig. 1.

Multifase fluid som strømmer fra en kilde gjennom den første rørseksjon 1 i retningen som pilene viser er normalt en laminær strøm. Når fluidstrømmen treffer den lukkede ende 5 vil det forårsake turbulens i fluidet og den laminære strømning vil endres til turbulent (normalisert) strømning. Den turbulente strøm passerer deretter inn i den andre rørseksjon 6. Turbulensen vil homogenisere den multifase strømning i det minste et stykke inn i seksjonen 6. For å ta en prøve blir ventilene 13 og 14 åpnet, hvilket tillater fluid å strømmen inn i stussen 11 og inn i beholderen. Etter et forhåndsbestemt tidsintervall stenges ventilene 13 og Multiphase fluid flowing from a source through the first tube section 1 in the direction shown by the arrows is normally a laminar flow. When the fluid flow hits the closed end 5, it will cause turbulence in the fluid and the laminar flow will change to turbulent (normalized) flow. The turbulent flow then passes into the second pipe section 6. The turbulence will homogenize the multiphase flow at least some way into the section 6. To take a sample, the valves 13 and 14 are opened, allowing fluid to flow into the nozzle 11 and into the container. After a predetermined time interval, the valves 13 and

14 og beholderen frakoblet og hentet opp til overflaten ved hjelp av en ROV. 14 and the container disconnected and retrieved to the surface using an ROV.

Alternativt kan ventilene kontrolleres av en tidsbryter slik at ventilene vil åpne på forhåndsbestemte tidspunkt. Ved å åpne ventilene kort tid av gangen vil prøven være sammensatt av flere mindre prøver, hvorved det oppnås at prøven er representativ for fluidstrømmen over en lengre tidsperiode. Når beholderen er full kan den hentes opp til overflaten. Alternatively, the valves can be controlled by a timer so that the valves will open at predetermined times. By opening the valves for a short time at a time, the sample will be composed of several smaller samples, whereby it is achieved that the sample is representative of the fluid flow over a longer period of time. When the container is full, it can be brought up to the surface.

Avstandene dj og d2 er viktige for å oppnå målene for systemet. Avstanden di skal gi en god blanding av multifase fluidet og dermed bestemme hvor mye av turbulens som kan oppnås. Også, fordi fluidet vil tendere til å stabilisere tilbake til laminær strøm etter en tid, må avstanden d2 være kortere enn den beregnede avstanden for tilbakefall til laminær strøm. The distances dj and d2 are important to achieve the goals for the system. The distance di should give a good mixing of the multiphase fluid and thus determine how much turbulence can be achieved. Also, because the fluid will tend to stabilize back to laminar flow after some time, the distance d2 must be shorter than the calculated distance for relapse to laminar flow.

Avstanden di er fastlagt ut ifra funksjonsangivelsen for brønnsystemet, dvs. sfrømningsrate (rørstørrelse), trykk og temperatur. Fordelaktig kan det benyttes standard T-stykker da slike er tilstrekkelige til å indusere den ønskede turbulens. Lengden d2 er hastighetsavhengig, dvs. at den må optimaliseres ut fra fluidets hastighet og strømningskarakteristikk. The distance di is determined based on the functional specification for the well system, i.e. flow rate (pipe size), pressure and temperature. Advantageously, standard T-pieces can be used as such are sufficient to induce the desired turbulence. The length d2 is speed-dependent, i.e. it must be optimized based on the fluid's speed and flow characteristics.

Eksempelvis er di 124 mm for et T-rør med nominell størrelse på 5" (125,4 mm) og trykklasse 5K (34,5 MPa), i henhold til ASME Bl6.9.1 dette tilfelle har beregninger vist at en lengde d2 < 5 x di vil være innenfor det turbulente området. For example, di is 124 mm for a T-pipe with a nominal size of 5" (125.4 mm) and pressure class 5K (34.5 MPa), according to ASME Bl6.9.1 in this case calculations have shown that a length d2 < 5 x di will be within the turbulent region.

I fig. 2 er vist en andre utførelsesform av oppfinnelsen. Rørseksjonen 1 er lik den i fig. 1. Den andre rørseksjonen 6' har to åpninger eller hull 19 og 20 i sideveggen. Et omløp 20 forbinder de to hull med hverandre. Hver del av omløpet omfatter to ventiler, 23,24 respektive 25,26. En avlederventil 22 er anordnet i U-en av omløpet mellom ventilseksjonene. Utløpet fra ventilen 22 er tilkoblet en prøvetakingsbeholder. Avlederventilen er foretrukket tilknyttet en tidsbryter som åpner ventilen ved faste tidsintervaller for å lede en prøve inn i beholderen. Dette gjentas med faste mellomrom til beholderen er full. En ROV benyttes til å hente beholderen opp til overflaten. In fig. 2 shows a second embodiment of the invention. The pipe section 1 is similar to that in fig. 1. The second pipe section 6' has two openings or holes 19 and 20 in the side wall. A loop 20 connects the two holes with each other. Each part of the circuit comprises two valves, 23,24 and 25,26 respectively. A diverter valve 22 is arranged in the U of the circuit between the valve sections. The outlet from the valve 22 is connected to a sampling container. The diverter valve is preferably associated with a time switch that opens the valve at fixed time intervals to lead a sample into the container. This is repeated at regular intervals until the container is full. An ROV is used to retrieve the container up to the surface.

Som vist i fig. 2 foretrekkes å kombinere prøvetakingsbeholderne, avlederventilen 22 og deler av omløpet i en løsbar modul 30. Som vist tillater to koblinger, 33 og 34, at deler av omløpet sammen med avlederventilen og frakobles og hentes opp sammen med beholderen(e). I eksempelet er det vist to beholdere, men det kan være flere eller færre. Begrensningen er vekten, som ikke må overstige løftekapasiteten til en ROV. Volumet av prøven som tas og størrelsen av beholderen vil være tilpasset formålet, og kun begrenset til ROVens kapasitet. As shown in fig. 2, it is preferred to combine the sampling containers, diverter valve 22 and parts of the circuit in a detachable module 30. As shown, two connections, 33 and 34, allow parts of the circuit together with the diverter valve to be disconnected and picked up together with the container(s). In the example, two containers are shown, but there may be more or fewer. The limitation is the weight, which must not exceed the lifting capacity of an ROV. The volume of the sample taken and the size of the container will be adapted to the purpose, and only limited to the ROV's capacity.

Fluid som strømmer gjennom røret 6' vil komme inn i omløpet gjennom hullet 19, strømme gjennom omløpet og tilbake inn i røret 6' gjennom hullet 29. Når det er ønskelig "å ta en prøve vil avlederventilen 22 åpnes for å avlede strømmen inn i prøvetakingsbeholderne. Når beholderne er fulle blir ventilen 23 - 26 stengt og hele modulen 30 skiftes ut med en annen modul og hentes opp til overflaten. Fluid flowing through the pipe 6' will enter the circuit through the hole 19, flow through the circuit and back into the pipe 6' through the hole 29. When it is desired to "take a sample, the diverter valve 22 will be opened to divert the flow into the sampling containers When the containers are full, the valve 23 - 26 is closed and the entire module 30 is replaced with another module and brought up to the surface.

I en alternativ utførelse blir avlederventilen 22 åpnet på forhåndsbestemte tidsintervaller for å lede en mengde fluid inn i prøvetakingsbeholderen eller en av prøvetakingsbeholderne. Avlederventilen er foretrukket styrt av en tidsbryter som vil åpne ventilen på bestemte faste tidspunkt. Etter en forhåndsbestemt tid, eller etter at et antall prøver har blitt tatt ut, kan en ROV hente opp modulene eller skifte den ut med en ny modul med tomme beholdere. Dette tillater at prøver kan tas over en lengre tidsperiode, for eksempel en måned, og sikre at en representativ prøve oppnås. In an alternative embodiment, the diverter valve 22 is opened at predetermined time intervals to direct a quantity of fluid into the sampling container or one of the sampling containers. The diverter valve is preferably controlled by a time switch that will open the valve at certain fixed times. After a predetermined time, or after a number of samples have been taken, an ROV can pick up the modules or replace it with a new module with empty containers. This allows samples to be taken over a longer period of time, such as a month, ensuring that a representative sample is obtained.

Ved å variere de to metodene, dvs. prøvetaking kontinuerlig eller i intervall, og sammenligne resultatene fra de to metodene med hverandre og med resultater fra målinger, vil det muliggjøre bedre kalibrering av målerne i strømningssystemet. By varying the two methods, i.e. sampling continuously or at intervals, and comparing the results from the two methods with each other and with results from measurements, it will enable better calibration of the meters in the flow system.

Rørseksjonene kan for eksempel med enden 2 være tilkoblet utløpet fra et ventiltre og enden 8 være tilkoblet en manifold. Fordelaktig kan rørseksjonene være en del av strupeventilseksjonen med prøvetakingsmidlene plassert oppstrøms strupeventilen. Seksjonen kan være opphentbar for vedlikehold og reparasjon. The pipe sections can, for example, with end 2 be connected to the outlet from a valve tree and end 8 be connected to a manifold. Advantageously, the tube sections may be part of the throttle valve section with the sampling means located upstream of the throttle valve. The section can be retrieved for maintenance and repair.

Den første rørseksjon 1 er fordelaktig horisontal eller nær horisontalt beliggende og den andre seksjon 6 anordnet perpendikulært på den første. Den andre seksjon kan være horisontalt beliggende, vertikalt stilende eller hvilken som helst vinkel imellom disse posisjoner. The first pipe section 1 is advantageously horizontal or close to horizontal and the second section 6 arranged perpendicular to the first. The second section can be horizontally situated, vertically oriented or any angle between these positions.

Claims

1. Method for fluid sampling from a subsea multiphase pipe flow, comprising a first pipe section (1) and a second pipe section (6; 6') arranged perpendicularly or approximately perpendicularly to the first pipe section, where the first pipe section has an inlet end (2) and a closed end (3), characterized by the following features: - positioning of the second pipe section (6,6') in relation to the first pipe section (1) so that a homogeneous flow is created at least in part of the second pipe section (6,6'), and - arrange at least one sampler container associated with a pipe connection (10) which is in fluid connection with said part of the second pipe section (6,6') in order to extract a sample from the homogeneous stream.

2. Procedure as specified in claim 1, characterized by the fact that the fluid sample is collected at fixed times.

3. Procedure as specified in claim 1 or 2, characterized in that the fluid is sampled at fixed times and that the sampling container is collected when it is full.

4. Procedure as specified in claims 1-3, characterized by the container being picked up using a remotely operated underwater vehicle (ROV).

5. Device for fluid sampling from a subsea multiphase pipe flow, comprising a first pipe section (1) and a second pipe section (6; 6') arranged perpendicularly or approximately perpendicularly to the first pipe section, where the first pipe section has an inlet end (2) and a closed end (3), characterized in that the second pipe section (6,6') is attached to the first pipe section (1) at a distance from the closed end (3) so that a homogeneous flow is created, and that it comprises at least a sampling container (31,32) connected to a pipe connection (10) which is in fluid connection with the second pipe section (6,6')-

6. Device as stated in claim S, characterized in that said means comprise a pipe connection (10) which communicates with the fluid in the second pipe section (6,6').

7. Device as stated in claim 6, characterized in that the pipe end comprises an intrusive probe (9; 19).

8. Device as specified in claim 5, characterized in that said means comprise a circuit (20).

9. Device as stated in claim 7, characterized in that the circuit includes a diverter valve (22).

10. Device as stated in claim 9, characterized in that the diverter valve (22) comprises a time switch.