NO321758B1

NO321758B1 - Fremgangsmate og anordning for detektering av en akkumulering av sand i en separatortank

Info

Publication number: NO321758B1
Application number: NO20034429A
Authority: NO
Inventors: Klas Goran Eriksson
Original assignee: Vetco Aibel As
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2006-07-03
Also published as: GB0421895D0; US7247243B2; GB2407162A; BRPI0404312A; NO20034429D0; BRPI0404312B1; US20050072741A1; NO20034429L; GB2407162B

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for detektering av en akkumulering av sand i en separatorbeholder, hvor separatoren er fylt med et fluid som har en første temperatur og i det minste delvis er omgitt av et fluid som har en annen temperatur.

Oppfinnelsen vedrører også en separatoranordning som omfatter en

beholder for separering av vann fra olje.

Oppfinnelsen vedrører særlig feltet oljeekspropriasjon, hvor olje, sammen med vann, gass og materiale i partikkelform, så som vann, leveres fra et under-grunns hulrom gjennom en brønn til en separatoranordning for separering av olje fra gass, vann og sand (hovedsakelig). Den aktuelle separator kan være en gra-vitasjonsseparator av den type hvor vann får separeres fra oljen ved hjelp av tyngdekraftens virkning.

Separatorbeholderen kan være lokalisert på land. Oppfinnelsen er imidlertid særlig fordelaktig for anvendelser hvor beholderen er nedsenket i en vannmasse. Oppfinnelsen vedrører følgelig særlig offshore anlegg, ved hjelp av hvilke beholderen er posisjonert under vann.

Bakgrunn for oppfinnelsen

I olje- og gassindustrien er det nødvendig å være i stand til å registrere forskjellige tilstander i prosessen for å være i stand til å passende styre prosessen. I forbindelse med separasjonen av olje fra vann, gass eller sand i gravitasjons-separatorer, vil sand vanligvis akkumuleres som en eller flere hauger eller et lag eller sjikt ved bunnen av separatortanken, hvilket er et resultat av bunnfall på grunn av gravitasjonen.

For å være i stand til å styre tilstandene i separatortanken ved å styre mengden av sand som samler seg ved dens bunn, er en type måling eller estimering av mengden så vel som fordelingen av sand påkrevd.

US nr. 4.912.977 beskriver en anordning for posisjonsbestemmelse av overgangssoner mellom i det minste to forskjellige innelukkede medier. Mer bestemt beskriver den en måleanordning som er anordnet til å bestemme den vertikale fordeling av ett eller flere medier som har en termisk forbindelse med anordningen, og hvor posisjonene til grenseflatene kan bestemmes på basis av forskjeller i termiske tilstander og egenskaper, omfattende et arrangement av en eller flere termiske lederelementer som har et felles termisk referanseelement og atskilte, hovedsakelig varmeisolerte sensorområder som har god termisk kontakt med mediet, idet det måles gjennom en felles skillevegg som gir tilstrekkelig fysisk og termisk separasjon, så vel som midler for å holde referanseelementet ved et

temperaturnivå som er forskjellig fra det medium som blir målt. Temperatursanse-elementene kan bestå av en termokjede, idet den termiske belastning på dette genererer en spenning som sendes til en signalprosessor for videre analyse.

Denne anordningen ifølge kjent teknikk, selv om den er nyttig for bestemmelse av overgangssoner mellom for eksempel olje, vann, skum og gass i en gravitasjonsseparatortank, anses imidlertid for å være nok så komplisert for formålet med å måle forekomsten av et sandlag eller en sandhaug ved bunnen av en slik tank. Videre, for det formål å dekke et stort område av bunnen av tanken, vil en flerhet av slike anordninger være nødvendig, hvilket ytterligere øker kostnaden.

Formålet med oppfinnelsen

Det er en primær hensikt med den foreliggende oppfinnelse å presentere en fremgangsmåte og en anordning ved hjelp av hvilke en akkumulering av sand eller annet fast materiale på bunnen av en beholder som inneholder et fluid, så som olje, vann, gass eller en kombinasjon av disse, kan detekteres.

Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelsen å presentere en fremgangsmåte og en anordning som kan detektere om hvorvidt akkumuleringen av sand eller andre faste materialer er i form av et jevnt lag på beholderens bunn eller i form av en eller flere atskilte hauger.

Det er en ytterligere hensikt med oppfinnelsen å presentere en fremgangsmåte og en anordning ved hjelp av hvilke det vil være mulig å estimere den sam-lede mengde av akkumulert sand eller annet fast materiale på bunnen av en beholder som beskrevet ovenfor.

Oppsummering av oppfinnelsen

Den primære hensikt med oppfinnelsen oppnås ved hjelp av en fremgangsmåte som innledningsvis angitt, der temperaturen på utsiden av separatorens vegg måles, og at den målte verdi brukes for bestemmelse av forekomsten av en akkumulering av sand i separatoren.

Oppfinnelsen benytter seg av den kjensgjerning at, når det er en tempera-turdifferanse mellom fluidet på utsiden av beholderen og blandingen av olje-vann og sand som kommer inn i beholderen, vil en akkumulering av sand føre til en forskjellig temperatur på beholderens vegg i området for sandavsetningen enn i de områder av beholderens vegg hvor den sistnevnte er i direkte kontakt med annet materiale enn sanden, vanligvis vann, olje eller olje-vann-emulsjon.

Målingen av temperaturen i separatoren omfatter en første måling av temperaturen i et første område av separatoren hvor sand kan forventes å akkumulere og en referansemåling i et annet område av separatoren og en sammenligning av temperaturverdiene for den første måling og referansemålingen. Sammenlikningen brukes til bestemmelse av forekomsten av en akkumulering av sand i separatoren ved at et temperaturfall som et resultat av sammenlikningen er omtrent proporsjonal med tykkelsen av. en sandakkumulering.

Det første området er vanligvis et bunnområde av separatorbeholderen. Det andre området bør være et område hvor det ikke er sannsynlig at sand akkumuleres og avsettes,.for eksempel ved eller ovenfor et høyere nivå av beholderen enn bunnområdet. Hvis det for eksempel er en tydelig forskjell i temperatur mellom en lokalisering ved bunnveggen og en lokalisering ved en side-vegg eller en øvre vegg av beholderen, kan en sandavsetning forventes ved bunnlokaliseringen. Differanseverdien kan brukes som en indikasjon på høyden eller tykkelsen av sandavsetningen.

Fremgangsmåten omfatter fortrinnsvis en flerhet av første målinger i forskjellige lokaliseringer i det første området. Det vil derved være mulig å detektere om hvorvidt akkumulering av sand eller annet fast materiale er i form av et jevnt lag på beholderens bunn eller i form av en eller flere atskilte hauger.

Den primære hensikt med oppfinnelsen oppnås også ved hjelp av den oppfinneriske anordning som innledningsvis angitt, der anordningen er forsynt med et middél for å måle temperaturen på en utside av beholderens vegg.

Målemidlene er forbundet til et middel for å bestemme forekomsten av en akkumulering av sand i beholderen, basert på den målte temperaturverdi. Bestemmelsesmidlene kan inkludere enhver type anordning for behandling eller evaluering av innmating fra temperatursensorer for temperaturmålingen. Den kan omfatte enhver egnet maskinvare og programvare for dette formål.

Målemidlene omfatter et første middel for måling av temperaturen i beholderens vegg i et første område hvor sand kan forventes å akkumulere og et annet middel for måling av en referansetemperatur i et annet område av separatoren hvor sand ikke forventes å akkumulere under separatorens drift: Målemiddelene er forbundet til et middel for å bestemme forekomsten av en akkumulering av sand i beholderen, basert på en sammenlikning av de målte temperaturverdier ved at et temperaturfall som et resultat av sammenlikningen er omtrent proporsjonal med tykkelsen av en sandakkumulering.

Midlene for bestemmelse av forekomsten av en akkumulering av sand bør være anordnet for å sammenligne temperaturverdiene for den første måling og referansemålingen.

Det første middel for måling omfatter fortrinnsvis en flerhet av sensorer for måling av veggens temperatur i en flerhet av forskjellige lokaliseringer i det første området.

Midlene for måling av temperaturen i beholderens vegg omfatter videre minst en fiberoptisk temperatursensor.

Det skal understrekes at temperaturmålingen utføres på utsiden av separatorbeholderen. Hvis beholderens vegg omfatter et metall eller en me ta I lege ring, så som stål, bør temperaturen på den utvendige overflate av metallet eller met-allegeringen måles fra veggens utside. Dette trekket utelukker imidlertid ikke at det kan være en hvilken som helst type av lag av annet materiale, så som gummi, oppå den utvendige overflate av metallet eller legeringen, og at sensoren eller sensorene kan være anordnet mellom eller sitte inneklemt mellom et slikt lag og den konstruksjonsteknisk viktigste del av veggen, det vil si metallet eller met-allegeringen.

Ytterligere trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil bli presen-tert i den følgende detaljerte beskrivelse av en foretrukket utførelsesform og i de resterende avhengige patentkrav.

Kort beskrivelse av tegningene

En foretrukket utførelsesform vil heretter bli beskrevet ved hjelp av et eksempel med henvisning til de ledsagende tegninger, hvor: Fig. 1 er et skjematisk riss som viser en gravitasjonsseparatorbeholder med en anordning i henhold til oppfinnelsen, fig. 2 er et tverrsnitt av en del av en seksjon av beholderen, inkludert en

haug med sand på dens bunn, og

fig. 3 er et skjematisk sideriss av en beholder som er forsynt med midler for temperaturmåling på dens utside.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I henhold til fig. 1 omfatter en anordning ifølge oppfinnelsen en gravita-sjonsseparator 1 av den type som brukes innen olje- og gassindustrien for separasjon av vann og gass fra olje som er blitt utvunnet fra en oljebrønn.

Separatoren 1 avgrenser en beholder eller tank 2 som er forsynt med et innløp 3 og separate utløp 4-6 for henholdsvis gass, olje og vann. Beholderen 2 omfatter også et utløp 8 for sand eller et annet partikkelformet, fast materiale som følger oljen og vannet fra brønnen, og som på grunn av gravitasjonskraften akkumuleres på bunnen av separatoren 1. Et spylesystem (ikke vist) inne i separatorbeholderen spyler ut sanden gjennom utløpet 8 når dette er påkrevd. For å overvåke effektiviteten til dette spylesystemet, og avgjøre når man skal spyle, er det tvingende nødvendig å overvåke oppbyggingen av faststoffer over alt på beholderens bunn, ettersom faststoffene kan akkumulere hvor som helst. En haug av sand 9 er angitt på fig. 1. Beholderen er typisk en sylindrisk beholder med en lengde på ca. 10 m og en bredde på ca. 3 m. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til slike beholderdimensjoner. Separatoren er omgitt av et fluid 7, så som sjøvann, i tilfellet med en neddykket undervannsseparator, idet fluidet har en temperatur som er lavere enn temperaturen i væsken i beholderen 2.

Som det kan sees av fig. 2 består beholderen av en stålvegg 10, på utsiden av hvilken det er anordnet et lag 11 av et termisk isolerende materiale, fortrinnsvis gummi. Her dekker sand 9 innsiden av stålveggen 10 ved et bunnområde av denne. I dette eksemplet er veggens tykkelse 100 mm, gummiisolasjonens tykkelse er 100 mm og sandavsetningens tykkelse er 25 mm. Temperaturen i fluidet inne i beholderen 2 er 100°C, og temperaturen i det omgivende fluid, sjøvann, er 4°C.

Sandavsetningen vil få temperaturen på stålveggens utside til å falle i området ved avsetningen. Temperaturfallet er omtrent proporsjonalt med tykkelsen av sandavsetningen. For å være mer presis, temperaturfallet er omvendt proporsjonalt med den termiske konduktivitet i sandavsetningen. Denne termiske konduktivitet påvirkes av pakkingen av sanden (det vil si om hvorvidt den er løst eller tett pakket). Den termiske konduktivitet for sandpartiklene vil også influere på den termiske konduktivitet for det avsatte sandlaget, selv om det ut fra litteraturundersøk-elser synes som om den termiske konduktivitet for sand ikke varierer mye mellom forskjellige typer sand. Her forårsaker 25 mm sand et temperaturfall på ca. 1 °C

ved den utvendige overflate av stålveggen, og et slikt temperaturfall er lett detekterbart med fiberoptisk sansing.

Ved å måle temperatur, for eksempel hver kvadratmeter, kan man i prin-sippet detektere sandhauger på 1 m eller mer i diameter: Nett avstanden mellom sensorene påvirker således den minste detekterbare sandhaug (hvilken er omtrent lik avstanden i sensomettet). Når sensorene plasseres tettere og tettere sammen, nås en grense hvor en ytterligere forbedring ikke er mulig (ettersom varmefluksen ikke bare beveger seg radialt ut fra separatoren, det er også noe strøm fra varm-ere områder inn i kaldere områder). Den tettest anvendelige avstand er relatert til tykkelsen av stålveggen, og er ca. 2-3 ganger denne tykkelse (det vil si for en stålveggtykkelse på 100 mm, er den tettest anvendelige sensoravstand 200-

300 mm, eller 25-10 sensorer per kvadratmeter). Så lenge kun noen få sensorer er påkrevd (for eksempel 1 per kvadratmeter), kan konvensjonelle temperatursensorer brukes økonomisk (for eksempel Pt 100 sensorer). Hvis imidlertid en stor beholder skal befolkes med 25 temperatursensorer per kvadratmeter, blir kostnaden uoverkommelig.

Det er kjent at en optisk fiber kan bestemme temperaturen ved hvert punkt i fiberen med god nøyaktighet ved bruk av eksempelvis den kjente teknikk med Raman-spredning. Dette kan gjøres for fibere med lengde på flere kilometer. Kostnaden for den optiske fiber er svært liten, slik at et tett sensornett blir økonomisk gjennomførbart hvis et slikt system brukes (hvilket er hva denne oppfinnelsen foreslår). Oppfinnelsen foreslår følgelig bruk av fiberoptiske sensorer som et middel for målingen av temperaturen i stålveggen, fortrinnsvis den utvendige overflate. En optisk fiber er vanligvis i stand til å utføre temperaturmålinger med en oppløsning, i fiberens lengderetning, på +/-1 meter, det vil si at sandhauger som er mer enn 1 meter fra hverandre kan detekteres individuelt. Hvis det imidlertid er et behov for å detektere et varmt eller kaldt med et bedre presisjon enn +/-1 meter, kan kveiler av fibere anordnes ved hvert målested. For eksempel kan 3 til 5 meter fiber vikles til en kveil med en diameter på 25 cm, for det formål å danne et arrangement som tillater en mer nøyaktig bestemmelse av lokaliseringen av det kalde sted. Ifølge oppfinnelsen, ved en beholder åv gravitasjonsseparasjonstypen som har de mål som er nevnt ovenfor, er et foretrukket antall slike kveiler per kvadratmeter 4 i beholderens bunnområde hvor akkumuleringen av sand sann-synligvis vil skje. Temperaturmåling bør også utføres på ett eller flere referanse-steder, hvor det ikke er sannsynlig at det skjer en oppsamling av sand, for eksempel langs en av beholderens sidevegger, eller oppå beholderen. Referanse-stedet eller -stedene bør være lokalisert nedenfor det antatte væskenivå i beholderen, men ovenfor den sannsynlige høyde for sandavsetningen eller -avset-ningene. Referansemålingen utføres imidlertid også på utsiden av beholderen på den samme måte som de andre temperaturmålingene.

For å romme fiberen, bruker oppfinnelsen et rør 12, fortrinnsvis et stålrør eller lignende, og individuelle rørsegmenter er viklet til separate kveiler 13 som er posisjonert på de steder hvor temperaturmåling skal utføres ved hjelp av fiberen, som skjematisk vist på fig. 3. Ytterligere rørsegmenter brukes som forbindelser mellom de individuelle rørkveiler. Rørforbindelsene blir derved sveiset til kveilene. Eventuelt anordnes det et kontinuerlig rør 12, bestående av kveiler og mellom-liggende forbindelser. En optisk fiber, eller en flerhet av optiske fibere 14 for det formål å oppnå redundans, innføres i røret 12. For eksempel kan fiberen 14 pumpes gjennom røret 12, ved bruk av kjente teknikker. Deretter kan det isolerende gummilag påføres og vulkaniseres på stålveggen på røret 12.

Endene av røret 12 er montert på en konnektorplate 15, som fortrinnsvis er festet til beholderen 2 ved hjelp av hvilke som helst midler, for eksempel sveising. En slik konnektorplate 15 er fortrinnsvis posisjonert slik at den kan bli tilkoblet av en fjernstyrt farkost ("remotely operated vehicle", ROV) til en nærliggende sensor-utspørringsenhet 16 (skanneranordning). Konnektorplaten 15 er forbundet til skanneranordningen 16 for å skanne signalene fra fibersensorene 14. Forbind-elsene til skanneren gjøres fortrinnsvis via testkabler som kan tilkobles og fra-kobles ved bruk av en fjernstyrt farkost (ROV). Dette vil tillate at skanneren 16 kan hentes opp for service. Skanneren 16 har en inngang for å avspørre sensorene 14 og en annen inngang for tilførsel av effekt, for eksempel fra et nærliggende under-vannskontrollsystem 17, og for å overføre resultatet av målingen til et nærliggende undervanns kontrollsystem 17. Skanneren leverer en tabell som viser temperatur for hver lengdeenhet av fiberen, for eksempel hver meter. En kontrollboks kan være anordnet for det formål å levere denne informasjonen, for eksempel ved hjelp av en signaleringsmetode, til en hvilken som helst kontrollenhet (ikke vist), så som en PC, som brukes av en operatør. Kontrollenheten kan være anordnet til å tolke signalene og frembringe et konturkart eller lignende, hvilket viser forekomsten og mengden av eventuelle sandavsetninger, på bunnområdet av beholderen. Et slikt kart eller lignende kan vises til operatøren ved hjelp av et display som er forbundet til kontrollenheten.

Man bør være klar over at den ovenstående presentasjonen av oppfinnelsen er blitt gjort som et eksempel, og at alternative utførelsesformer vil være åpenbare for en fagperson innen teknikken uten å gå ut over beskyttelses-omfanget som angitt i de vedlagte patentkrav, understøttet av beskrivelsen og de vedlagte tegninger.

Claims

1. Fremgangsmåte for detektering av en akkumulering av sand (9) i en separatorbeholder (2), hvor separatoren er fylt med et fluid som har en første temperatur og i det minste delvis er omgitt av et fluid (7) som har en annen temperatur, karakterisert ved at temperaturen på utsiden av separatorens vegg (10) måles, at målingen av temperaturen i separatoren (1) omfatter en første måling av temperaturen i et første område av separatoren (1) hvor sanden (9) kan forventes å akkumulere og en referansemåling i et annet område av separatoren (1) og en sammenligning av temperaturverdiene for den første måling og referansemålingen, og at sammenlikningen brukes til bestemmelse av forekomsten av en akkumulering av sand (9) i separatoren (1) ved at et temperaturfall som et resultat av sammenlikningen er omtrent proporsjonal med tykkelsen av en sandakkumulering.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det første området er et bunnområde av separatorbeholderen (2).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter en flerhet av første målinger ved forskjellige lokaliseringer i det første området.

4. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at målingen av separatorveggens (10) temperatur utføres ved hjelp av minst én optisk sensor (14) som er festet til utsiden av sepa-ratorveggen (10).

5. Separatoranordning omfattende en beholder (2) for separering av vann fra olje, karakterisert ved at den er forsynt med et middel (14) for måling av temperaturen på utsiden av en vegg (10) av beholderen (2), at målemiddelet (14) omfatter et første middel for måling av beholden/eggens (10) temperatur i et første område hvor sand (9) kan forventes å akkumulere og et annet middel for måling av en referansetemperatur i et annet område av separatoren (1), og at målemiddelet (14) er forbundet til et middel for å bestemme forekomsten av en akkumulering av sand (9) i beholderen (2), basert på en sammenlikning av de målte temperaturverdier ved at et temperaturfall som et resultat av sammenlikningen er omtrent proporsjonal med tykkelsen av en sandakkumulering.

6. Separatoranordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at middelet for bestemmelse av forekomsten av en akkumulering av sand (9) er anordnet til å sammenligne temperaturverdiene for den første måling og referansemålingen.

7. Separatoranordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at det første området er et bunnområde av beholderen

8. Separatoranordning som angitt i et av kravene 5-7, karakterisert ved at det første middel for måling omfatter en flerhet av sensorer for måling av veggens (10) temperatur ved en flerhet av forskjellige lokaliseringer i det første området.

9. Separatoranordning som angitt i et av kravene 5-8, karakterisert ved at midlene for måling av beholden/eggens temperatur omfatter minst én fiberoptisk temperatursensor (14).

10. Separatoranordning som angitt i et av kravene 5-9, karakterisert ved at midlene for bestemmelse av forekomsten av en akkumulering av sand (9) i beholderen (2) basert på den målte temperaturverdi er forbundet til et display for visuell visning av resultatet av detekteringen av sanden (9) til en operatør.