NO330900B1 - Innretninger for bestemmelse av stromningskarakteristikkene til et flerfasefluid - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder sensorer og innretninger for å bestemme strømningsegenskapene for et flerfasefluid som strømmer langs et rør, samt nærmere bestemt slike innretninger for å måle fluidets dielektrisitetskonstant, volumfraksjonen eller «andelen» av hver av komponentene i fluidet, samt hastigheten og mengdestrømmen for hver av de forskjellige faser.

Under overvåking av brønner for uttak av hydrokarboner er det viktig å være klar over den vannmengde som utvinnes samtidig med hydrokarbonene.

For å vurdere mengdestrømmene av vann og hydrokarbon i homogene strømninger i rør, må tre størrelser anslås, nemlig den midlere vann-volumfraksjon Hw, den midlere vannhastighet vw>samt en midlere hydrokarbonhastighet v0. Mengdestrømmene er da som følger: for vann, og

for hydrokarbon, hvor A er rørtverrsnittet.

Når strømningen ikke er homogen, hvilket er mulig i avviksbrønner, er imidlertid mengdestrøm-evalueringer basert på de ovenfor angitte likninger ugyldige. Det er da nødvendig å ta med i beregningen den effektive fordeling av hastighet-ene og volumfraksjonene over brønnens tverrsnitt. Et slikt opplegg innebærer imidlertid at flere innretninger må anbringes over et gitt tverrsnitt av røret.

Det er også kjent at hastigheten av en strømning i et rør kan bestemmes ved å måle en størrelse som varierer over tid si(t)S2(t) ved forskjellige tverrsnitt av røret, og derpå beregne en krysskorrelasjons-funksjon:

I et tofase-fluid kan fluktuasjonene i denne størrelse s(t), f.eks. skrive seg fra inhomogene strukturer som forplanter seg langs røret med strømningens midlere hastighet.

Hvis T er verdien av t ved maksimalverdien av krysskorrelasjons-funksjonen C, så vil hastigheten v av strømningen være gitt ved:

hvor L er den aksiale avstand mellom de to måletverrsnitt.

Fra f.eks. dokumentet US-A-5017879 er det også kjent at kapasitive innretninger kan anvendes for å bestemme egenskapene for flerfasestrømninger. Dielektrisitetskonstanten for en blanding av fluider avhenger av den respektive frak-sjon for hver av fluidkomponentene og dielektrisitetskonstanten for hver av disse. Det har således vært foreslått å anslå sammensetningen av et tofasefluid på grunnlag av dets dielektrisitetskonstant.

Dielektrisitetskonstanten oppnås i seg selv ved å la fluidet strømme ut mellom elektroder som er atskilt av fluidet, særlig elektroder som er anbrakt på røret og hvorimellom det er påtrykket en vekselstrømsspenning. Den størrelse som måles er da den resulterende strøm.

Verneelektroder er også blitt påført for å opprettholde det elektriske felt mellom de aktive elektroder. Det vil da være lettere å tolke målingene når kant-virkningene på grunn av de aktive elektroders endelige lengde begrenses, eller ved å fokusere det elektriske felt på en bestemt sone i strømningen.

I begge de ovenfor nevnte tilfeller, nemlig når strømningen ikke er homogen, eller når hastigheten måles, er det således nødvendig å plassere flere innretninger, spesielt kapasitive innretninger, tett sammen på røret. Motstridende ford-ringer må det da også tas stilling til.

Det er ønskelig å benytte innretninger som har lite omfang. Ved en ikke-homogen strømning oppnås da bedre romoppløsning og derved også betraktelig forbedring av hastigheten og nøyaktigheten for rekonstruksjons-algoritmen. Når hastigheten måles vil innretningenes lite omfang gjøre det mulig å bringe dem tet-tere sammen, og derved å oppnå en korrelasjonstopp som er klarere for de resulterende målinger, da inhomogene strukturer deformeres i mindre grad mellom de to innretninger.

Uheldigvis gjør slike små størrelser vanligvis målingene meget mer føl-somme for elektromagnetisk støy. Når målingene er kapasitive målinger, så vil de målte kapasitans-verdier være lave. Vanligvis vil de strømmer som induseres av spredekapasitans være flere størrelsesordner større enn den strøm som skriver seg fra den kapasitans som skal måles. Spredekapasitansen medfører således en systematisk feil eller basis hvis variasjoner kan overskride amplituden av selve signalet.

EP 028081 angår et apparat og en fremgangsmåte for å måle strømnings-egenskapene til en petroleumsstrømning. Kapasitive sensorer bestående av elektroder festet til rør benyttes for å utlede en indikasjon på tilstedeværelsen og/eller romlige fordelingen av forskjellige fluider i petroleumsstrømmen.

GB 2313445 beskriver en flerfase krysskorrelasjons strømningsmåler for måling av strømningsratene til individuelle faser i en flerfasestrømning. Strøm-ningsmåleren omfatter to kapasitive sensorer som består av elektroder festet til et rør. Sensorene er anbrakt i en avstand fra hverandre langs røret og sensorsignal-ene krysskorreleres for å bestemme strømningshastighet.

Det er et formål for foreliggende oppfinnelse å nedsette virkningen av disse ulemper.

Nærmere bestemt er et formål for oppfinnelsen å frembringe kapasitive sensorer for å bestemme egenskapene for flerfasestrømninger, idet disse sensorer er små i omfang samtidig som de er i høy grad ufølsomme for støy og således i betraktelig grad fri for systematisk feil, såvel som måleinnretninger som omfatter slike sensorer.

I et første aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en anordning for kapasitiv måling av dielektrisitetskonstanten for et tofasefluid omfattende: minst én kapasitiv sensor for å bestemme strømningsegenskapene for et flerfasefluid i et rør, og som omfatter minst én eksiteringselektrode som er påført minst én utskjæring hvori det er anordnet minst én måleelektrode, idet denne elektrode er innrettet for å kunne påføres mot nevnte rør; effektforsyningsutstyr 8 for å påtrykke en vekselspenning på nevnte eksiteringselektrode, kjennetegnet ved at anordningen omfatter utstyr for å holde nevnte elektroder på samme potensial samt for å måle den strøm som avgis fra nevnte måleelektrode, samt midler for å utlede nevnte dielektrisitetskonstant fra nevnte strøm.

Denne konfigurasjon gjør det da lett for alle de ledere som vil kunne frembringe forstyrrelser og som befinner seg i nærheten av anordningen i deteksjons-utstyret og holdes på samme potensial som eksitasjonselektroden. Disse ledere befinner seg da på samme potensial som måleelektroden. Belastningen på denne vil da bare avhenge av de potensialer som påføres de aktive elektroder.

To utførelser er tatt i betraktning.

I en første utførelse er eksitasjonselektroden koplet til det alminnelige jordpotensial for nevnte effekttilførselsutstyr. Denne løsning er fordelaktig enkel.

I den andre utførelse utgjør eksiteringselektroden det flytende jordpotensial for nevnte utstyr for å måle strømmen. Fordelen ved denne utførelse er at signalet kan bringes til å forsterkes til et nivå hvor det vil dominere forsterkerens vanlige modus-avvisningsspenning.

I denne andre utførelse kan utstyret for strømmåling omfatte et første forsterkertrinn med referanse i forhold til eksitasjonselektrodens potensial, samt et andre forsterkertrinn som er organisert for å bringe utgangssignalets referanse til det allmene jordpotensial.

Nærmere bestemt må anordningen omfatte avskjerming som er elektrisk koplet til eksitasjonselektroden, omkring måleelektroden og omkring nevnte første forsterkertrinn.

Det bør bemerkes at en slik konfigurasjon ikke krever at det første forsterkertrinn må befinne seg i umiddelbar nærhet av måleelektroden. Skjermingen av nevnte måleelektrode kan forlenges av en skjermet kabel hvori det er innlagt en leder som forbinder måleelektroden med forsterkerutstyret som selv er utstyrt med avskjerming som utgjør det påfølgende parti av den skjermede kabel.

Nevnte eksitasjonselektrode kan overlappe måleelektroden.

I et andre aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en anordning for kapasitiv måling av volumfraksjonen av et første fluid i en tofaset fluidstrømning langs et rør, og som omfatter minst én anordning som angitt over for å måle dielektrisitetskonstanten for nevnte fluid, samt midler for å utlede nevnte volumfraksjon fra nevnte dielektrisitetskonstant.

Det er kjent at i en homogen blanding og forutsatt at dråper av et ledende fluid er iblandet i et isolerende fluid, så vil verdien av dielektrisitetskonstanten em ha sammenheng med verdien for dielektrisitetskonstanten e0for den kontinuerlige fase samt volumfraksjonen 1 - Hwfor nevnte kontinuerlige fase ved følgende sammenheng:

I en blanding av vann og hydrokarbon i en brønn, gjelder denne sammenheng hvis brønnen er hovedsakelig vertikal.

Nærmere bestemt kan en slik volumfraksjon-målende anordning omfatte flere innretninger som beskrevet ovenfor for å måle dielektrisitetskonstanten av nevnte fluid, idet innretningene i nevnte samling av innretninger er fordelt over omkretsen av et tverrsnitt av nevnte rør.

Det er da mulig å oppnå et snitt over røret. I en hydrokarbonbrønn er den ovenfor angitte sammenheng ikke lenger gyldig, men det vil da ikke lenger være nødvendig at brønnen er vertikal.

Det beskrives også en kapasitiv anordning for å måle hastigheten av et tofasefluid som strømmer langs et rør, idet nevnte anordning omfatter minst to innretninger som beskrevet ovenfor for å måle dielektrisitetskonstanten for nevnte fluid, idet disse innretninger er anordnet i forskjellige tverrsnitt av nevnte rør, samt utstyr for å opprette en krysskorrelasjon mellom de måleverdier som avgis fra nevnte to innretninger samt for å utlede nevnte hastighet fra denne.

Nærmere bestemt er nevnte minst to innretninger for å måle dielektrisitetskonstanten for nevnte fluid anordnet hovedsakelig langs samme generatorlinje for nevnte rør, idet de har en felles eksiteringselektrode.

Da signalet ikke har noen systematisk feil, så kan måleelektrodene være små. Typisk kan elektrodene ha dimensjoner på omkring en centimeter. Videre vil den felles eksiteringselektrode garantere at den overvåkede sone er homogen. Endelig vil det da ikke være nødvendig med noe minstegap mellom de forskjellige måleelektroder som er tilordnet samme eksiteringselektrode.

Det beskrives videre en anordning for kapasitiv måling av mengdestrøm-men av et tofasefluid som strømmer langs et rør, idet anordningen omfatter minst én innretning som beskrevet ovenfor for å måle volumfraksjonen av en første komponent av nevnte fluid, minst én innretning som beskrevet ovenfor for å måle hastigheten av nevnte første komponent, samt utstyr for å avlede nevnte mengde-strøm fra disse verdier.

Innretningen for måling av volumfraksjon og innretningen for å måle hastigheten kan naturligvis anvende samme elektroder.

I et tredje aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for å måle dielektrisitetskonstanten for et tofasefluid som strømmer langs et rør, idet fremgangsmåten omfatter prosesstrinn som går ut på å anbringe to elektroder på hver sin side av et avsnitt av nevnte fluid, samt å påføre en vekselspenning over disse to elektroder, hvor minst én eksiteringselektrode utstyres med minst én utskjæring hvori minst én måleelektrode anbringes, kjennetegnet ved at fremgangsmåten videre omfatter prosesstrinn som går ut på holde nevnte eksiteringselektrode og nevnte måleelektrode på samme potensial, måle den strøm som flyter mellom nevnte elektroder, og å utlede nevnte dielektrisitetskonstant fra denne strøm.

Visse utførelser av oppfinnelsen er beskrevet nedenfor ved hjelp av ikke-begrensede eksempler og under henvisning til de vedføyde skjematiske tegninger, hvorpå: fig. 1 er et elektrisk koplingsskjema for en anordning i henhold til oppfinnelsen og innrettet for å måle dielektrisitetskonstanten for et tofasefluid,

fig. 2 viser en utførelsesvariant av den anordning som er angitt i fig. 1,

fig. 3 viser hvorledes anordninger av den type som er vist i fig. 1 anvendes for å oppnå tverrsnitt av f.eks. volumfraksjons-fordeling,

fig. 4 viser en annen utførelse av det arrangement som er angitt i fig. 3, og

fig. 5 viser hvorledes anordninger av den type som er vist i fig. 1 anvendes for å utføre mengdestrøm-målinger.

Fig. 1 viser et rør som er vist horisontalt, men som godt kunne vært vertikalt eller skråstilt. Røret utgjøres av et metallrør 1 utført for å motta trykk og innvendig foret med et isolerende material 2. Et tofasefluid som er sammensatt av hydrokarboner og vann strømmer langs røret 1, slik som angitt ved en pil F.

To aktive elektroder 3 og 4 er anordnet rett overfor hverandre på innsiden av røret, slik at de derved danner to halvsylinderformede halv-muffer (slik det også er vist i fig. 5). Elektroden 3 er ikke oppdelt, mens «eksiterings»-elektroden 4 er oppskåret for å gi rom i kontakt med røret for en måleelektrode 5 som eksiteringselektroden er elektrisk isolert fra. Elektroden 4 overlapper størstedelen av måleelektroden 5 og er bare utstyrt med en åpning 6 for gjennomføring av en leder 7 som er koplet til måleelektroden 5.

En spenningsgenerator 8 hvis utgangsklemmer er koplet til elektrodene 3 og 4, avgir en vekselspenning over nevnte elektroder.

Lederen 7 og en leder 9 som er koplet til elektroden 4, er forbundet med inngangen til en forsterker 10 som tilføres likestrøm fra en effektforskyvning 11. Denne forsterker holder elektrodene 4 og 5 på samme potensiale. Utgangen 12 fra forsterkeren 10 er koplet til en inngang for en instrumenteringsforsterker 13 hvis andre inngang mottar en leder 14 som er koplet til elektroden 4.

De to forsterkere 10 og 13 danner således de to første trinn i et forsterker-utstyr for å forsterke den strøm i som avgis fra måleelektroden 5. Det første trinn har en flytende jordreferanse i forhold til potensialet på elektroden 4, mens det andre trinn har referanse til det alminnelige jordpotensial 15. Utgangsspenningen U fra forsterkeren 13, i forhold til det generelle jordpotensial 15, er proporsjonal med strømmen i.

Det vil fremgå at en avskjerming 16 som er koplet til elektroden 4 dekker og isolerer hele det første forsterkningstrinn 10, slik at dette bidrar til ytterligere å re-dusere krystallen mellom anordningen og eksiteringen, idet denne krysstale alle-rede er begrenset i betraktelig grad ved det forhold at alle ledere som befinner seg i nærheten av måleelektroden 5 befinner seg på samme potensial som denne måleelektrode.

Utgangen 17 fra forsterkerutstyret er koplet til inngangen for en behandlingsenhet 18. Denne behandlingsenhet 18 former utgangssignalet, digitaliserer dette signal samt utleder kapasitansverdien for den kondensator som dannes av elektroden 3 og måleelektroden 5, ut i fra den vekselspenning som avgis av gene-ratoren og den resulterende strøm i. Med kjennskap til kondensatorens geometri, kan enheten 18 da fastlegge dielektrisitetskonstanten for tofasefluidet, samt beregne volumfraksjonen av vann ut i fra det ovenfor nevnte sammenheng:

I en annen utførelse, som er vist i fig. 2, er elektronikk-kretsen for forsterk-ning og måling ikke lenger plassert ved måleelektroden 5, men heller anbrakt en viss avstand fra denne.

I dette tilfelle er da elektronikk-krets 19 anordnet i en avskjerming 20 som er koplet til avskjermingen 16 for måleelektroden 5 ved hjelp av en flettet skjerm-ing 21 på en koaksialkabel 22. Lederen 7 er da ført til elektronikk-kretsen 19 i kabelen 22.

I det tilfellet som er vist i fig. 2 er eksiteringselektroden 4 koplet til det generelle jordpotensial for effektforsyningsutstyret. Hvis et flytende jordpotensial var opprettet for det strømmålende utstyr, så ville det tilsvarende av lederen 14 som er vist i fig. 1 også blir ført gjennom kabelen 22.

Når fluidet ikke er homogent, hvilket f.eks. vil opptre i en avvikende brønn med lav mengdestrøm, så kan de konfigurasjoner som er vist i fig. 3 og 4 velges.

Den utførelse som er vist i fig. 3 er lik den som er angitt i fig. 1. En halv-sylinderformet elektrode 23 tilsvarer elektroden 3, og en eksiteringselektrode 24 tilsvarer eksiteringselektroden 4.

I denne utførelse er imidlertid eksiteringselektroden 24 utstyrt med tre ut-skjæringer hvori tre måleelektroder 25, 26 og 27 er innlagt. Disse tre måleelektroder er anordnet i samme tverrsnitt av røret, og de er jevnt fordelt over den halve omkrets av nevnte tverrsnitt. Et større antall måleelektroder kan naturligvis også benyttes.

I den utførelse som er vist i fig. 4, er det anordnet fire uavhengige sensorer, som hver omfatter en tilordnet eksiteringselektrode 28a-28d som er utstyrt med en utskjæring hvori en tilhørende måleelektrode 29a-29d er innlagt.

Utgangene fra alle disse sensorer er tilført inngangen for en behandlingsenhet (ikke vist) som ved beregninger innenfor kunnskapsområdet for en fagkyn-dig på dette området frembringer et fordelingstverrsnitt for vannvolumfraksjonen i det fluid som strømmer gjennom vedkommende rørtverrsnitt.

Fig. 5 viser en anordning av liknende art som i fig. 1, bortsett fra at den omfatter to måleelektroder 30 og 31 som er anordnet på samme generatriselinje for et rør, og som er lagt inn i hver sin utskjæring i samme eksiteringselektrode 32. Som ovenfor påtrykker en elektrisitetsgenerator 33 en vekselspenning mellom elektroden 32 og motstående elektrode 34.

Som angitt ovenfor vil en krysskorrelasjon av de signaler som oppsamles av måleelektrodene 30 og 31 angi den hastighet hvorved de inhomogene strukturer forsynes mellom måleelektrodene 30 og 31, og således den midlere strøm-ningshastighet langs røret.

De to utførelser som er vist i fig. 1 og 2 kan naturligvis kombineres for å gi så mange strømningsegenskaper som mulig.

Det vil fremgå at de ovenfor beskrevne anordninger er særlig robuste, da de ikke omfatter noen bevegelige deler. De er derfor særlig godt egnet for bruk ved petroleumutvinning, spesielt ved nedhullsanvendelser, og særlig ved anvend-elser til havs.

Claims (9)

1. Anordning for kapasitiv måling av dielektrisitetskonstanten for et tofasefluid omfattende: minst én kapasitiv sensor for å bestemme strømningsegenskapene for et flerfasefluid i et rør, og som omfatter minst én eksiteringselektrode (4) som er på-ført minst én utskjæring hvori det er anordnet minst én måleelektrode (5), idet denne elektrode er innrettet for å kunne påføres mot nevnte rør; effektforsyningsutstyr (8) for å påtrykke en vekselspenning på nevnte eksiteringselektrode, karakterisert vedat anordningen omfatter utstyr (10, 13) for å holde nevnte elektroder på samme potensial samt for å måle den strøm (i) som avgis fra nevnte måleelektrode, samt midler (17) for å utlede nevnte dielektrisitetskonstant fra nevnte strøm.

2. Anordning som angitt i krav 1, og hvor nevnte første elektrode er koplet til det allmene jordpotensial for nevnte effektforsyningsutstyr.

3. Anordning som angitt i krav 2, og hvor den andre av nevnte elektroder (3) er koplet til det allmene jordpotensial (15) for nevnte effektforsyningsutstyr, mens et flytende jordpotensial er opprettet for nevnte utstyr for måling av strømmen.

4. Anordning som angitt i krav 3, og hvori nevnte utstyr for å måle strømmen omfatter et første forsterkningstrinn (10) med spenningsreferanse i forhold til potensialet på eksiteringselektroden, og et andre forsterkningstrinn (13) som er anordnet for å bringe utgangssignalets spenningsreferanse til det alminnelige jordpotensial.

5. Anordning som angitt i krav 4, og som omfatter avskjerming (15) som er elektrisk forbundet med eksiteringselektroden, samt er anordnet omkring måleelektroden samt omkring nevnte første forsterkningstrinn.

6. Anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, og hvor nevnte eksiteringselektrode dekker måleelektroden.

7. Anordning for kapasitiv måling av volumfraksjonen av et første fluid i en tofaset fluidstrømning langs et rør, og som omfatter minst én anordning som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav for å måle dielektrisitetskonstanten for nevnte fluid, samt midler (17) for å utlede nevnte volumfraksjon fra nevnte dielektrisitetskonstant.

8. Anordning som angitt i krav 8, og som omfatter flere anordninger (20) for måling av dielektrisitetskonstanten for nevnte fluid, idet nevnte flere anordninger er fordelt over omkretsen i et tverrsnitt av nevnte rør.

9. Fremgangsmåte for å måle dielektrisitetskonstanten for et tofasefluid som strømmer langs et rør, idet fremgangsmåten omfatter prosesstrinn som går ut på å anbringe to elektroder på hver sin side av et avsnitt av nevnte fluid, samt å påføre en vekselspenning over disse to elektroder, hvor minst én eksiteringselektrode utstyres med minst én utskjæring hvori minst én måleelektrode anbringes,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter prosesstrinn som går ut på holde nevnte eksiteringselektrode og nevnte måleelektrode på samme potensial, måle den strøm som flyter mellom nevnte elektroder, og å utlede nevnte dielektrisitetskonstant fra denne strøm.