NO321704B1

NO321704B1 - Male Instrument

Info

Publication number: NO321704B1
Application number: NO19974904A
Authority: NO
Inventors: Eivind Dykesteen; Leif Johannes Saetre
Original assignee: Roxar Flow Measurement As
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 2006-06-26
Also published as: NO974904L; NO974904D0

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår et måleinstrument for overvåking av eksempelvis hastigheten til en fluidstrøm, partikkelmengde i fluidstrømmen, gass-/væskefraksjon i fluidstrømmen og korrosjon i en rørledning eller tilsvarende, innrettet til å festes på utsiden av rørledning og forsynt med anordninger for elektronisk eller optisk tilkobling til én eller flere datamaskiner. The present invention relates to a measuring instrument for monitoring, for example, the speed of a fluid flow, amount of particles in the fluid flow, gas/liquid fraction in the fluid flow and corrosion in a pipeline or similar, designed to be attached to the outside of the pipeline and provided with devices for electronic or optical connection to one or more computers.

Sand erosjon og korrosjon i rørsystemer, i forbindelse med olje/gass-produksjon, eller i industrien forøvrig, vannverk, eller i industrien er et betydelig problem, og medfører årlig store kostnader for operatører. Sanden fører til slitasje både på rør og tilgrensende utstyr, slik som ventiler. Det er derfor viktig å overvåke sandmengden som strømmer sammen med fluidet i rørsystemet. Dette har hittil blant annet vært gjort ved hjelp av sand-monitorer som festes til utsiden av rørledninger. Disse er basert på det faktum at sanden som strømmer i røret lager lyd når partiklene kollidere med rørveggen og hverandre. Sand-monitorene omfatter akustiske sensorer som mottar disse lydsignalene og analyserer lyden internt i måleinstrumentet og/eller eksternt gjennom tilkobling til en datamaskin. Et eksempel på et slikt måleinstrument er den kommersielt tilgjengelige SAM 400, som produseres av Roxar Flow measurement AS (tidligere Fluenta AS). Sand erosion and corrosion in pipe systems, in connection with oil/gas production, or in other industries, waterworks, or in industry is a significant problem, and entails large annual costs for operators. The sand leads to wear both on pipes and adjacent equipment, such as valves. It is therefore important to monitor the amount of sand that flows together with the fluid in the pipe system. This has so far been done, among other things, with the help of sand monitors that are attached to the outside of pipelines. These are based on the fact that the sand flowing in the pipe makes sound when the particles collide with the pipe wall and each other. The Sand monitors include acoustic sensors that receive these sound signals and analyze the sound internally in the measuring instrument and/or externally through connection to a computer. An example of such a measuring instrument is the commercially available SAM 400, which is manufactured by Roxar Flow measurement AS (formerly Fluenta AS).

Mer kompliserte målesystemer har også vært foreslått der flere parametrer måles ved å integrere flere forskjellige måleteknikker i samme instrument. Et slikt instrument er beskrevet i norsk patent nr 301948 (tidligere patentsøknad nr 95.0471). Dette patentet beskriver i hovedsak bruk av flere transdusere integrert i samme instrument som, via forskjellige elektronikk-kort, overfører måleresultatene til en sentral datamaskin med tilpasset programvare. I tillegg til å inneholde en passivt lyttende transduser for måling av partikkelmengde i en fluidstrøm, på samme måte som ovennevnte SAM 400, omfatter målesystemet i NO301948 en aktiv transduser for på i og for seg kjent måte å måle veggtykkelsen på røret. På denne måten skal det oppnås måling av korrosjon/erosjon i rørveggen. Målesystemet beskrevet i dette patentet er imidlertid svært komplisert, med flere transdusere og tilhørende separate elektronikkort og mikroprosessorer. Dette synes å være en lite kostnadseffektiv metode, med mye kabling internt og til den tilhørende sentrale datamaskinen. Dette vil hindre installasjon på utilgjengelige steder, og/eller på steder med stor avstand mellom de lokale detektorene og den sentrale datamaskinen. More complicated measurement systems have also been proposed where several parameters are measured by integrating several different measurement techniques in the same instrument. Such an instrument is described in Norwegian patent no. 301948 (previous patent application no. 95.0471). This patent essentially describes the use of several transducers integrated in the same instrument which, via different electronic cards, transmit the measurement results to a central computer with adapted software. In addition to containing a passively listening transducer for measuring the amount of particles in a fluid flow, in the same way as the above-mentioned SAM 400, the measuring system in NO301948 includes an active transducer for measuring the wall thickness of the pipe in a known manner. In this way, measurement of corrosion/erosion in the pipe wall is to be achieved. However, the measuring system described in this patent is very complicated, with several transducers and associated separate electronic boards and microprocessors. This seems to be a less cost-effective method, with a lot of internal cabling and to the associated central computer. This will prevent installation in inaccessible places, and/or in places with a large distance between the local detectors and the central computer.

Den foreliggende oppfinnelsen har som formål å tilveiebringe et enkelt måleinstrument som kan plasseres på utilgjengelige steder, for eksempel i forbindelse med de enkelte rørledningene ved olje/gass-utvinning, slik at produksjonsrater av sand, væske og/eller gass kan måles for hver enkelt brønn. I tillegg kan korrosjon i de enkelte rørene måles, slik at man lettere kan oppdage at én brønn har for stor korrosjon eller sandproduksjon. Måling ved hovedrøret ville ellers ikke oppdaget dette dersom de andre brønnene hadde normal, eller mindre enn normal sandproduksjon. The purpose of the present invention is to provide a simple measuring instrument that can be placed in inaccessible places, for example in connection with the individual pipelines during oil/gas extraction, so that production rates of sand, liquid and/or gas can be measured for each individual well . In addition, corrosion in the individual pipes can be measured, so that it is easier to detect that one well has too much corrosion or sand production. Measurement at the main pipe would otherwise not have detected this if the other wells had normal, or less than normal, sand production.

Disse formålene oppnås ved hjelp av et måleinstrument for overvåking av eksempelvis hastigheten til en fluidstrøm, partikkelmengde i fluidstrømmen, gass-/væskefraksjon i fluidstrømmen og korrosjon i en rørledning eller tilsvarende, innrettet til å festes på utsiden av rørledning og forsynt med anordninger for elektronisk eller optisk tilkobling til én eller flere datamaskiner. Måleinstrumentet ifølge denne oppfinnelsen omfatter én akustisk transduser innrettet til samtidig eller alternerende mottak og utsendelse av akustiske signaler, og er kjennetegnet slik som angitt i det selvstendige kravet. These purposes are achieved by means of a measuring instrument for monitoring, for example, the speed of a fluid flow, amount of particles in the fluid flow, gas/liquid fraction in the fluid flow and corrosion in a pipeline or equivalent, designed to be attached to the outside of the pipeline and equipped with devices for electronic or optical connection to one or more computers. The measuring instrument according to this invention comprises one acoustic transducer arranged for simultaneous or alternating reception and transmission of acoustic signals, and is characterized as stated in the independent claim.

Dette gir en løsning der man trenger minimalt med utstyr ved målepunktet, noe som sørger for en svært kompakt og robust utførelse. Avhengig av filtrering og signalbehandling kan en rekke parametrer måles. Det aktivt utsendte signalet vil reflekteres fra den motsatte siden av rørveggen i forbindelse med korrosjonsmålinger, men instrumentet kan også tenkes anvendt til å måle avstanden til den andre rørveggen. Til en viss grad er det dessuten mulig å oppdage sprekkdannelser i nærheten av måleinstrumentet som påvirker den akustiske bølgeforplantningen langs røret. Det typiske frekvensområdet for denne typen målinger er 3-5 MHz. This provides a solution where minimal equipment is needed at the measuring point, which ensures a very compact and robust design. Depending on filtering and signal processing, a number of parameters can be measured. The actively emitted signal will be reflected from the opposite side of the pipe wall in connection with corrosion measurements, but the instrument can also be used to measure the distance to the other pipe wall. To a certain extent, it is also possible to detect cracks in the vicinity of the measuring instrument which affect the acoustic wave propagation along the pipe. The typical frequency range for this type of measurement is 3-5 MHz.

Den passive lyttingen vil foretas på en i og for seg kjent måte, enten i perioder eller kontinuerlig. Kontinuerlig lytting vil imidlertid stille krav til transduseren, og til filtreringen av signalet, når signalet sendes ut. Ved lytting i periodene mellom signalutsendelsene vil det målte signalet filtreres for å skille ut det reflekterte signalet. Dette kan enkelt gjøres ved å sende ut signal med en karakteristisk frekvens-signatur. Tidsforløpet for dette signalet kan deretter finnes på i og for seg kjent måte for å bestemme veggtykkelse og lignende. The passive listening will be carried out in a manner known per se, either periodically or continuously. However, continuous listening will place demands on the transducer, and on the filtering of the signal, when the signal is sent out. When listening in the periods between signal transmissions, the measured signal will be filtered to separate out the reflected signal. This can easily be done by sending out a signal with a characteristic frequency signature. The time course of this signal can then be found in a manner known per se to determine wall thickness and the like.

En tredje målemetode kan være å veksle på anvendelsen av transduseren, slik at den periodevis måler ved å sende ut et akustisk signal for deretter å motta det reflekterte signalet, slik at ankomsttiden for dette kan måles, og periodevis lytter passivt for analyse av partikkelstrømmen i fluidet. A third measurement method can be to alternate the application of the transducer, so that it periodically measures by sending out an acoustic signal and then receives the reflected signal, so that the arrival time for this can be measured, and periodically listens passively for analysis of the particle flow in the fluid .

Det rene, passive signalet fra partikkelstrømmen kan analyseres på i og for seg kjent måte for å bestemme partikkelstrømmen, partikkelmengde og lignende. The pure, passive signal from the particle flow can be analyzed in a manner known per se to determine the particle flow, particle quantity and the like.

Støy fra sand som treffer en rørvegg kjennetegnes ved at den har et relativt flatt frekvens-spekter fra lave frekvenser (<100 kHz) til høye frekvenser (>1 MHz). Strømningsstøy fra væske/gass overført til rørveggen er sterkest ved frekvenser under 100 kHz, og avtar ved høyere frekvenser. Derved kan sfrømningshastigheten bestemmes ved å splitte det mottatte signalet opp i flere frekvensbånd, og analysere disse ved i og for seg kjente signalbehandlingsteknikker. Strømningshastigheten kan også finnes ved analyse av de mottatte signaler i tidsdoménet. Statistiske parametrer som for eksempel varians og absoluttverdi, vil variere med både sammensetningen (Gass/væske-forhold) og hastighet av strømningsmediet, og vil derved kunne inngå i en matematisk modell for å avlede disse verdiene. Noise from sand hitting a pipe wall is characterized by having a relatively flat frequency spectrum from low frequencies (<100 kHz) to high frequencies (>1 MHz). Flow noise from liquid/gas transferred to the pipe wall is strongest at frequencies below 100 kHz, and decreases at higher frequencies. Thereby, the flow rate can be determined by splitting the received signal into several frequency bands, and analyzing these using per se known signal processing techniques. The flow rate can also be found by analyzing the received signals in the time domain. Statistical parameters such as variance and absolute value will vary with both the composition (Gas/liquid ratio) and speed of the flow medium, and will thereby be able to be included in a mathematical model to derive these values.

Måleinstrumentet ifølge oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til de vedlagte tegningene, som viser et eksempel på en utførelse av oppfinnelsen. The measuring instrument according to the invention will be described in more detail below with reference to the attached drawings, which show an example of an embodiment of the invention.

Figur 1 viser en måleenhet ifølge oppfinnelsen plassert på et rør. Figure 1 shows a measuring unit according to the invention placed on a pipe.

Figur 2A viser en foretrukket plassering av måleenheten. Figure 2A shows a preferred location of the measuring unit.

Figur 2B viser et tverrsnitt av måleenheten i figur 2A. Figure 2B shows a cross-section of the measuring unit in Figure 2A.

Figur 3 viser et diagram for samkjøring av flere måleenheter. Figure 3 shows a diagram for the joint operation of several measuring units.

Figur 1 viser en måleenhet 1 festet til et rør 4 ved hjelp av bånd 5, eller tilsvarende. Måleenheten omfatter en transduser 2 som er koblet til en styringsenhet 3 som kontrollerer bruken av transduseren, og kan omfatte forsterkere, kontrollmekanismer, analog/digital-omformere, strømforsyning og lignende. Hvor mye som er plassert i selve måleenheten 1 vil avhenge av bruk. Dersom plassproblemer krever det, eller dersom måleenheten utgjør en del av et større system med flere måleenheter, vil det være naturlig å legge de fleste styrings- og signalbehandlings-kretsene utenfor selve måleenheten. Figure 1 shows a measuring unit 1 attached to a pipe 4 by means of a band 5, or equivalent. The measuring unit comprises a transducer 2 which is connected to a control unit 3 which controls the use of the transducer, and may comprise amplifiers, control mechanisms, analogue/digital converters, power supply and the like. How much is placed in the measuring unit 1 itself will depend on use. If space problems require it, or if the measuring unit forms part of a larger system with several measuring units, it will be natural to place most of the control and signal processing circuits outside the measuring unit itself.

Styringsenheten 3 overfører signalene videre fra transduseren 2 gjennom en kabel 6. Kabelen kan omfatte ledninger for sfrømforsyning og for overføring av signal, eventuelt i kombinasjon. Signaloverføringen kan selvsagt også gjøres med optiske fibrer. Måleenheten kan selvsagt gjøres vanntett dersom det skal brukes under vann. The control unit 3 transmits the signals further from the transducer 2 through a cable 6. The cable may comprise wires for power supply and for signal transmission, possibly in combination. The signal transmission can of course also be done with optical fibres. The measuring unit can of course be made waterproof if it is to be used underwater.

I figur 2A er måleenheten plassert ved et 90° ledd i et rør, på nedstrømsiden av leddet. Dette er en fordelaktig posisjon for målingen av partikler i fluidstrømmen, siden antallet kollisjoner mellom partikler og rørveggen vil være stor i dette området. På . grunn av dette rørveggen være ekstra utsatt for erosjon fra partiklene, slik at måleenheten ifølge oppfinnelsen vil være særlig egnet for plassering ved eller i slike ledd i røret. In Figure 2A, the measuring unit is placed at a 90° joint in a pipe, on the downstream side of the joint. This is an advantageous position for the measurement of particles in the fluid flow, since the number of collisions between particles and the pipe wall will be large in this area. On . because of this, the pipe wall will be extra exposed to erosion from the particles, so that the measuring unit according to the invention will be particularly suitable for placement at or in such joints in the pipe.

Ved å sammenligne målingene for utviklingen i partikkelinnholdet i fluidstrømmen med utviklingen i veggtykkelse vil man kunne forutsi utviklingen av erosjonen, og bestemme i god tid når reparasjoner skal utføres. By comparing the measurements for the development in the particle content of the fluid flow with the development in wall thickness, it will be possible to predict the development of the erosion, and decide in good time when repairs are to be carried out.

Figur 2B viser et tverrsnitt av måleenheten 1 på røret 4. For å oppnå god akustisk kontakt mellom transduseren og rørveggen kan det brukes silikon, eller et annet egnet koblingsmedium, ved kontaktpunktet mellom dem. Figure 2B shows a cross-section of the measuring unit 1 on the pipe 4. In order to achieve good acoustic contact between the transducer and the pipe wall, silicone, or another suitable coupling medium, can be used at the contact point between them.

Selve transduseren kan være av en hvilken som helst egnet type som kan brukes både til å sende og å motta akustiske signaler. Frekvensområdet vil typisk være innen området 20 kHz til 1 MHz. The transducer itself can be of any suitable type that can be used both to send and to receive acoustic signals. The frequency range will typically be within the range 20 kHz to 1 MHz.

Figur 3 viser et eksempel på en større oppstilling med et antall måleenheter 1 som kan være plassert på forskjellige steder i et rørsystem. Hver måleenhet er koblet via signal- og kraft-overføringskabelen 6 til en elektronikk-modul innrettet til å behandle signaler fra for eksempel åtte måleenheter 1. Elektronikk-modulen kan inneholde analog/digital-omformere som konverterer målesignalene til en egnet standard, for eksempel RS232, og overfører disse til en databehandlingsenhet 9 som behandler de innsamlede signalene med egnet programvare. Figure 3 shows an example of a larger arrangement with a number of measuring units 1 which can be placed in different places in a pipe system. Each measuring unit is connected via the signal and power transmission cable 6 to an electronics module designed to process signals from, for example, eight measuring units 1. The electronics module can contain analogue/digital converters that convert the measuring signals to a suitable standard, for example RS232 , and transfers these to a data processing unit 9 which processes the collected signals with suitable software.

Ved å bruke to eller flere trandusere tilknyttet samme rør kan dataene som samles inn ved passiv lytting fra disse to krysskorreleres for å finne tidsdifferansen mellom hendelser i røret, og dermed fluidhastigheten i røret. I dette tilfelle kan to transdusere monteres i samme måleenhet, med en valgt avstand fra hverandre. Den ene av disse kan da være utstyrt for ren, kontinuerlig passiv lytting. By using two or more transducers connected to the same pipe, the data collected by passive listening from these two can be cross-correlated to find the time difference between events in the pipe, and thus the fluid velocity in the pipe. In this case, two transducers can be mounted in the same measuring unit, at a selected distance from each other. One of these can then be equipped for pure, continuous passive listening.

Bruk av akustiske signaler for å måle veggtykkelse og andre parametrer ved et rør er, på samme måte som anvendelse av akustiske sensorer for å måle strømmen av partikler i en fluidstrøm, kjent hver for seg, og den foreliggende oppfinnelsen er dermed basert på standard metoder for å undersøke disse parametrene. The use of acoustic signals to measure wall thickness and other parameters of a pipe is, in the same way as the use of acoustic sensors to measure the flow of particles in a fluid flow, known individually, and the present invention is thus based on standard methods for to examine these parameters.

Det nye med den foreliggende oppfinnelsen er i hovedsak rettet mot at disse målingene utføres av én og samme sensor. Ved å sende ut utføre de aktive målingene ved å sende ut akustiske signaler med en veldefinert amplitude og/eller frekvens-karakteristikk, kan de mottatte signalene lett filtreres for å skille de forskjellige signalene. Eventuelt kan, som nevnt ovenfor, utføres ved å bruke sensoren vekselvis til den ene og den andre målingen, på bekostning av kontinuiteten i målingene. Dette trenger imidlertid ikke være et problem i rørsystemer der det ikke forventes raske endringer. The novelty of the present invention is mainly aimed at these measurements being carried out by one and the same sensor. By sending out perform the active measurements by sending out acoustic signals with a well-defined amplitude and/or frequency characteristic, the received signals can be easily filtered to separate the different signals. Optionally, as mentioned above, it can be carried out by using the sensor alternately for one and the other measurement, at the expense of the continuity of the measurements. However, this need not be a problem in piping systems where rapid changes are not expected.

Claims

1. Measuring instrument for monitoring a fluid flow, for example the speed of a fluid flow, amount of particles in the fluid flow, gas/liquid fraction in the fluid flow and corrosion in a pipeline or similar, designed to be attached to the outside of the pipeline and equipped with devices for electronic or optical connection to one or more computers, characterized in that it comprises one acoustic transducer arranged for simultaneous or alternating reception and emission of acoustic signals, where the transducer is arranged for the emission of an acoustic signal, preferably in the ultrasound range, at a given time, which signal has a well-defined phase and shape , and for receiving a reflected signal, and where the transducer is also designed for passive listening when receiving acoustic signals over a selected period of time, that the measuring instrument includes devices for measuring the time from transmission to reception of the reflected signal, and on the basis of this calculate the thickness of the pipe wall, and thereby an indication of the corrosion on this, that the measuring instrument includes devices for analyzing the received signal during the time periods for passive listening, where the signal is analyzed in the frequency and time plane to obtain information about the fluid flow, and that the measuring instrument includes a control circuit for alternating switching between measurement using respectively emitted and reflected ultrasound, and passive listening.

2. Measuring instrument according to claim 1, characterized in that it comprises an electronic filter for separating the reflected signal from the other signal, for separate analysis of the two parts of the signal.

3. Measuring instrument according to claim 1, characterized in that it includes a control circuit for alternating measurement using respectively transmitted and reflected ultrasound, and passive listening.

4. Measuring instrument according to claim 1, characterized in that two transducers are arranged for passive listening over a selected time period, and that the measuring instrument includes devices for measuring time difference, and thereby measuring the speed of the fluid flow, based on analysis of the received signals in the frequency and time plane.