NO321704B1 - Maleinstrument - Google Patents

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Det rene, passive signalet fra partikkelstrømmen kan analyseres på i og for seg kjent måte for å bestemme partikkelstrømmen, partikkelmengde og lignende.

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.

Måleinstrumentet ifølge oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til de vedlagte tegningene, som viser et eksempel på en utførelse av oppfinnelsen.

Figur 1 viser en måleenhet ifølge oppfinnelsen plassert på et rør.

Figur 2A viser en foretrukket plassering av måleenheten.

Figur 2B viser et tverrsnitt av måleenheten i figur 2A.

Figur 3 viser et diagram for samkjøring av flere måleenheter.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (4)

1. Måleinstrument for overvaking av en fluidstrøm, 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, karakterisert ved at den omfatter én akustisk transduser innrettet til samtidig eller alternerende mottak og utsendelse av akustiske signaler, der transduseren er innrettet til utsendelse av et akustisk signal, fortrinnsvis i ultralyd-området, ved et gitt tidspunkt, hvilket signal har en veldefinert fase og form, og for mottak av et reflektert signal, og der transduseren også er innrettet til passiv lytting ved mottak av akustiske signaler over en valgt tidsperiode, at måleinstrumentet omfatter innretninger for måling av tiden fira utsendelse til mottak av det reflekterte signalet, og på bakgrunn av dette beregne tykkelsen på rørveggen, og derved en indikasjon på korrosjonen på denne, at måleinstrumentet omfatter innretninger for analyse av det mottatte signalet i tidsperiodene for passiv lytting, der signalet analyseres i frekvens- og tidsplanet for innhenting av informasjon om fluidstrømmen, og at måleinstrumentet omfatter en styrekrets for alternerende kobling mellom måling ved hjelp av henholdsvis utsendt og reflektert ultralyd, og passive lytting.

2. Måleinstrument ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter et elektronisk filter for separering av det reflekterte signalet fra det øvrige signalet, for separat analyse av de to delene av signalet.

3. Måleinstrument ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter en styrekrets for alternerende måling ved hjelp av henholdsvis utsendt og reflektert ultralyd, og passive lytting.

4. Måleinstrument ifølge krav 1, karakterisert ved at to transdusere er innrettet til passiv lytting over en valgt tidsperiode, og at måleinstrumentet omfatter innretninger for måling av tidsdifferanse, og derigjennom måling av fluidstrømmens hastighet, basert på analyse av de mottatte signalene i frekvens- og tidsplanet.