NO332802B1 - Salinitetsuavhengig flerfasemaling - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte og innretning for måling av innholdet i en fluidstrøm, der fluidet inneholder en kombinasjon av minst to av gass, olje og/eller vann. Metoden omfatter trinnene: * gjentatt måling av elektriske egenskaper ved et tverrsnitt av fluidet og detektering av tidssekvenser kjennetegnet ved lavt gassinnhold, særlig kjennetegnet ved at en gassboble ikke er til stede, * i nevnte periode med lavt gassinnhold måling av tettheten i fluidet, hvori tetthetsmålingene utføres i minst en periode med lavt gassinnhold og fluidtettheten beregnes basert på målt tetthet over nevnte periode eller perioder.

Description

Fremgangsmåte og apparat for salinitetsuavhengig flerfasemåling i et ikke-homogene strømningsfase-rater, særlig for måling av komponentfraksj onene i en vannkontinuerlig fluidstrøm,

Den foreliggende oppfinnelsen angår en metode og et system for måling av forholdet mellom olje, gass og vanninnholdet i et fluidstrøm. Mer spesifikt er oppfinnelsen rettet mot overvåkning av ratene i en flerfaselfuidstrøm produsert fra olje- eller gassbrønner.

Fluidet i hydrokarbon-borehull flyter vanligvis gjennom en leder og fluidet inneholder normalt vann, gass og olje i kontinuerlige og diskontinuerlige faser. Gass og væske er kjent for typisk å flyte som bobler, virvler, slagg eller annulær strøm generelt avhengig av gass-strømraten i forhold til væskestrømraten. Den kjente teknikk omfatter vannkuttmålere som er innretninger for bestemmelse av vannoppholdet (water holdup) i en produserende brønn ved måling av kapasitans eller impedans i fluidet. Begrepet blir egentlig en misvisende betegnelse fordi vannkuttet ikke er det samme som vannoppholdet unntatt i det usannsynlige tilfellet der alle fasene strømmer med samme hastighet. Siden hydrokarbonene strømmer raskere enn vann i en produksjonsbrønn er vannoppholdet større enn vannkuttet. Imidlertid har ofte en vannkuttmåler blitt kombinert med en strømningsmåler slik at vannkuttet kan estimeres ved å kombinere to målinger. Andelen av strømningsraten grunnet en fluidkomponent er kjent som dens kutt. For å bestemme på stedet strømningsrater er det nødvendig å måle oppholdet og hastigheten til hver fluidkomponent.

Total vannmengde i en fluidstrøm fra hydrokarbon-borehull omfatter fritt vann pluss suspendert vann i en emulsjon og oppløst vann. Fritt vann er helt adskilt fra enhver emulsjon og ikke oppløst. Mengden oppløst vann er normalt svært lav, f. eks i området 0,01% -0,1%, og er vanligvis påvirket av interfasielle egenskaper og i liten grad påvirket av temperatur og trykk. Vannvolumets strømningsrate, i forhold til den totale væskens (f.eks olje og vann) strømningsrate er kjent som vannkutt når den er standardisert med hensyn til trykk og temperatur. Vannkuttet blir vanligvis uttrykt som en prosentandel.

Olje og vann fra oljebrønner flyter typisk i en emulsjon som kan være i to forskjellige former. I en emulsjonsform er oljen den kontinuerlige fasen der vann i form av dråper er fordelt. Den foregående emulsjonen har isolerende elektriske egenskaper der den dielektriske konstanten til den oljekontinuerlige emulsjonen kan måles med en kapasitiv sensor. En annen emulsjonsform omfatter en vannkontinuerlig fase med olje fordelt i vannet som dråper. Denne emulsjonsformen har elektrisk ledende egenskaper der ledningsevnen til den vannkontinuerlige emulsjonen kan måles med en konduktanssensor. Derfor er de elektriske egenskapene til disse to typene emulsjonsformer fullstendig forskjellige selv i tilfeller der vannkuttet er det samme. Den kjente teknikk måler typisk elektriske egenskaper og tettheter i fase- og emulsjonsstrømmen med metoder kjent til fagpersoner på området for å bestemme tilsvarende strømningsrater, for eksempel ved å se i tabeller.

Den kjente teknikk omfatter også metoder og apparater for å bestemme komponentstrømrater i en vannkontinuerlig faseemulsjon ved bruk av, for eksempel, måling av fluidets konduktivitet. Typisk beskriver den kjente teknikk metoder og apparater for måling av komponentstrømrater i et fluid som omfatter oljekontinuerlig eller vannkontinuerlige emulsjoner som kan kobles fra bruk av kapasitans-sensorer til konduktans-sensorer ved det øyeblikket en vannkontinuerlig faseemulsjon detekteres av strømningsmålerapparatet.

For flerfasemålinger er en kjent metode, for eksempel som beskrevet norsk patent 307393, å måle tilstedeværelsen av gassbobler i strømmen og måle permittiviteten til fluidet i strømmen mellom boblene. I tillegg til dette kan gjennomsnittstettheten måles ved bruk av en gammadeteksjonsinnretning.

Den foreliggende oppfinnelsen inkluderer også bruk av beregningsmetoder beskrevet mer i detalt i internasjonal patentsøknad nr. WO2006/132546 (PCT/NO2006/000218), som er inkludert her ved referanse. I beregningene ifølge den foreliggende oppfinnelsen er den målte konduktiviteten eller resistiviteten til strømmen brukt i stedet for permittiviteten, som er brukt som eksempel i WO2006/132546.

Målt konduktivitet eller resistivitet i strømmen brukes når olje/vann-blandingen er i en vannkontinuerlig tilstand, og metoden beskrevet i ovennevnte WO2006/132546 vil da virke så lenge ledningsevnen til vannet er kjent og holder seg stabil. Imidlertid vil det i noen tilfeller ved produksjon av olje komme vann fra andre soner eller fra vanninjeksjon, med annen salinitet eller konduktivitet inn i brønnen. Målingene av olje/vann/gass sammensetningen som brukes i nevnte WO2006/132546 vil da bli forskjøvet. Endringen i vannkonduktivitet vil være en indikasjon på uønsket vanngj ennombrudd i brønnen.

En første formål med denne oppfinnelsen er å tilveiebringe et bedret flerfase-målende instrument og metode for å finne olje/vann-forholdet i en vannkontinuerlig flerfasestrøm. Et videre formål er å bedre ytelsen til denne målingen under forhold der saliniteten eller konduktiviteten til vannkomponenten er ukjent eller ustabil. Og til slutt er det et formål med oppfinnelsen å muliggjøre overvåkning av saliniteten eller konduktiviteten til vannkomponenten.

Fra US patentsøknad 2005/016292 er det kjent å bruke en Coriolis-måler der man måler tettheten til et fluid mellom gassbobler, men ikke det elektriske egenskapene til fluidet, mens i internasjonal patentsøknad WO 98/23931 beskrives en teknikk der man indirekte kan finne gassbobler ut fra elektriske målinger . Disse angir imidlertid ikke en teknikk som vil gi et mål på komponentrfaksjonene i en vannkontinuerlig fluidstrøm, hvilket er et formål med den foreliggende oppfinnelsen.

Disse formålene oppnås av en fremgangsmåte og innretning som beskrevet i de vedlagte kravene.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer i detalj nedenfor med referanse til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempel.

Fig. la,b illustrerer fluktuasjonene i de elektriske egenskapene målt ifølge

oppfinnelsen. Fig. 1 b inkluderer også målinger med gammastråling.

Fig. 2 illustrerer en flerfasestrøm.

Fig. 3 illustrerer tverrsnittet til et målesystem for måling av elektriske

egenskaper ved fluidstrømmen ifølge en utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 4a,b illustrerer tetthetsmålersystemet ifølge to utførelser av oppfinnelsen.. Figur la og lb illustrerer det i og for seg kjente tidsforløpet til et antall elektriske egenskaper i en strøm som inneholder gassbobler 5,6 i tillegg til vann og/eller olje 4 (se figur 2). Mens andre elektriske egenskaper som kapasitans, resistivitet eller permittivitet kan måles avhengig av typen innhold som skal måles i strømmen, er den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen basert på måling av konduktivitet 1 mellom minst to elektroder plassert i en valgt posisjon i røret. Ved å anta at den høyeste konduktiviteten måles i perioder med minst gass, ideelt null, blir periodene 2 mellom gassboblene identifisert og dermed konduktiviteten til olje/vann-blandingen med lite eller ingen gass, målt.

Konduktiviteten til fluidet blir dermed målt med stor nøyaktighet, men målingen kan ikke brukes for å beregne olje/vannforholdet, siden også saliniteten, og dermed konduktiviteten, til vannet er en ukjent i ligningen. Vi vil derfor behøve en måling til for å beregne olje/vann-forholdet. Siden tettheten til både olje og vann kan regnes som kjent kan tetthetsmålingene med lavt gassinnhold gi den påkrevde ligningen relatert til forholdet mellom væskekomponentene i strømmen.

Det er et faktum at når saliniteten til vannet endres er det ikke bare konduktiviteten som endres, men også tettheten til vanneet vil forandre seg. Imidlertid, i relative termer, vil endringen i tetthet være liten sammenlignet med endringene i konduktivitet. Feilen introdusert ved å anta at tettheten er kjent og konstant vil være liten..

Hovedproblemet i forhold til tetthetsmålinger er, imidlertid, at de typiske gammamålingene har en lav samplingsrate og høy statistisk variasjon som illustrert i figur lb der prikkene 3 representerer gammasamplene. På grunn av den stokastiske naturen til emisjonene fra gammakilden vil typisk i størrelsesorden 100 000 tellinger i tetthetsmålingen kreves for å oppnå tilstrekkelig lav usikkerhet i tetthetsmålingene. Fremgangsmåten som er velkjent for en dyktig måleingeniør for å bedre nøyaktigheten til gammamålingene, er å tillate lange samplingsintervaller for hver måling. For den typiske kildestyrken brukt i industriell flerfasemåling kreves flere sekunder samplingstid for å oppnå dette antallet tellinger. Kravet til den foreliggende anvendelsen er å måle tettheten i gassfri væske mellom boblene, hvilket vil typisk kreve samplingsperioder på mindre enn ett tidels sekund. Det opplagte alternativet for en fagperson på området er å øke signalstyrken til gammamålerinstrumentet, noe som fører til et økt antall tellinger i sekundet. Ingen av disse velkjente metodene kan brukes i den foreliggende oppfinnelsen av grunner som vil bli forklart senere.

Ved å bruke lange samplingsintervaller vil den resulterende tetthetsmålingen være et gjennomsnitt over tid av tettheten til olje/vann/gassblandingen, og påvirket av strømningsmønsteret. Målingen vil ikke være representativ for olje/vann-blandingen alene og dermed ikke gjøre det mulig å beregne olje/vann-forholdet.

Økning i styrken til kilden kunne i teorien tillate målinger med akseptabel usikkerhet innen tilstrekkelig korte tidsintervaller for å identifisere strømmønsteret, og dermed velge en måling som er representativ for tettheten mellom gassboblene. En slik kilde ville imidlertid være upraktisk stor og kreve omfattende og tung skjerming for å passe med sikkerhetskravene. Transport av slike store kilder er dessuten dyrt tungvindt på grunn av strenge regler.

Ifølge den foreliggende oppfinnelsen kan tettheten til olje/vann-blandingen mellom gassboblene måles ved bruk av en gammakilde med tilsvarende størrelse som, eller til og med mindre enn, det som er typisk for industrielle applikasjoner av flerfasemålere. I den her beskrevne metoden kan gammatetthetsmåleren plasseres nær planet for konduktivitetsmålingen og gjøre det mulig å sette sammenkoble tidsseriene til tettheten og konduktiviteten.

For å muliggjøre målinger av nær gassfrie perioder mellom boblene må samplingsraten til gammamåleren økes, typisk til mellom 100 og 1000 sampler pr sekund. Ved bruk av gammakilder av standard størrelse vil dette resultere i bare la oss si 10 tellinger pr sampel, sammenlignet med de foretrukne 100 000 tellinger, og usikkerheten i hvert individuelle sampel ville derfor være svært stor.

Mens spredningen og høy usikkerhet i gammasamplene ikke ville tillate tidssekvenser som representerte strømmen mellom boblene som skulle identifiseres, kan den nøyaktige og raskt responderende konduktivitetsmålingene brukes for dette. Denne datasamplingen, sammenstillingen av data, og selekteringen av bare tetthetssampler registrert i periodene 2 med lite eller ingen gass, kan gjentas inntil et tilstrekkelig antall tellinger 3 for tetthetsmålinger er oppnådd.

Hvis man antar at tetthetene til vann og oljekomponenter er kjent fra tidligere kan nå gjennomsnittet for olje/vann-forholdet beregnes ved hjelp av standard beregningsteknikker. Endringer i vannkonduktiviteten vil ikke påvirke denne målingen, siden det bare er tidshistorikken til konduktivitetsmålingene som brukes i algoritmen, ikke absoluttverdien.

I den påtenkte anvendelsen vil ikke konduktiviteten til vannet endres plutselig fra et tidspunkt til et annet, og vil typisk ikke fluktuere mellom høye og lave verdier. Hvis et typisk vanngjennombrudd skjer i brønnen vil konduktiviteten til vannkomponenten begynne å endres fra et tidligere stabilt nivå, og endringen forventes å oppstå gradvis over dager eller uker.

Tidsrommet for målingen av konduktivitet og tetthet som beskrevet over vil være svært kort sammenlignet med forventet endringsrate for vannets konduktivitet i en reell applikasjon. Vi vil derfor oppnå tilsvarende målinger av konduktivitet og tetthet i olje/vann-emulsjonen i strømmen, uavhengig av gassfasen som vanligvis er tilstede i flerfasestrømmen. Ved bruk av ellers kjente beregningsteknikker vil det være mulig å beregne konduktiviteten til vannkomponenten.

Derfor, ved bruk av den beskrevne oppfinnelsen, kan også konduktiviteten til vannet overvåkes kontinuerlig, noe som gjør det mulig å oppdage vanngjennombrudd tidlig. For å bedre nøyaktigheten til målingene kan tettheten og konduktiviteten til de individuelle fluidene i strømmen måles og instrumentet ifølge oppfinnelsen kalibreres i henhold til kjente data. Særlig, siden selv strømmen 4 mellom boblene 5,6 kan innholde noe gass, som illustrert i figur 2, kan tetthets- og konduktivitetsmålingene kalibreres med et visst gassinnhold i fluidet.

For å oppsummere med referanse til figurene la og lb utføres altså målingene som følger. 1. Tidsserien (fortrinnsvis konduktivitet) fra en konduktanssensor blir logget og perioder med maksimal konduktivitet flagges.

2. Tetthetsmålinger blir foretatt ved en høy rate i det samme tidsintervallet.

3. Tetthetsmålinger fra perioder med høy konduktivitet blir regnet som i det vesentlige fri for gass, men kan bestå av en olje/vann-blanding. 4. Konduktiviteten til prosessvannet kan beregnes fra de høyeste konduktivitetsverdiene kombinert med tetthetsmålingene fra samme periodene.

Det kan være fordelaktig hvis målingene av konduktivitet og tetthet utføres i

underseksjoner av strømmen, for eksempel "punktmålinger", dvs med så liten

. påvirkning fra volumetriske variasjoner som mulig.

Figur 3 illustrerer tverrsnittet av et rør inneholdende fluidet 9 og forsynt med fire elektroder 12a-12d fordelt over den indre omkretsen på røret og koblet ved koblingsmidler 13,14,15,16 til målemidler 7 innrettet til å måle konduktiviteten mellom elektrodene. Tegningen viser fire elektroder 12a-12d men andre antall kan også brukes fra to elektroder og oppover. I det illustrerte eksempelet kan konduktiviteten måles tvers over rørets tverrsnitt med to elektroder plassert på motsatte sider 12a, 12c, eller mellom to elektroder liggende ved siden av hverandre 12a, 12b og dermed måle konduktiviteten til fluidet 8 i en underseksjon av rørets tverrsnitt nærmere rørveggen. Siden de større gassboblene 5 vanligvis beveger seg i sentrum på røret når røret er vertikalt kan konduktivitetsmålingene nær veggen gi en konduktivitet som er mer uavhengig av gassinnholdet. Selv om tegningene viser fire elektroder kan et mer detaljert bilde av gass/væske-fordelingen over rørtverrsnittet finnes ved å bruke et større antall elektroder, for eksempel seks. Hvis andre elektriske egenskaper skal måles kan andre elektrodekonfigurasjoner brukes.

De matematiske forholdene som brukes for å beregne strøminnholdet er i og for se kjent så snart de elektriske egenskapene og tettheten har blitt målt og vil ikke bli diskutert i detalj her.

I figur 4a og 4b er en gammakilde 17 og en detektor 18 illustrert som kan innrettes til å måle tettheten gjennom sentrum på fluidstrømmen. Tettheten vil avhenge av gassinnholdet og olje/vann-blandingen i strømmen. Ifølge en alternativ utførelse illustrert i figur 4b blir en andre gammadetektor 19 plassert på siden av gammastrålens akse for måling av spredningen av strålen slik som diskutert i norsk patentsøknad nr 1999.2988 (Geir Anton Johansen) for å oppnå salinitetsuavhengige tetthetsmålinger fra strømmen. Gammamålinger kan også utføres med en stråle som er rettet nærmere rørveggen for derved å måle tettheten der som illustrert med detektoren 20 i figur 4b. Den nøyaktige oppbygningen av disse detektorene og denne kilden kan avhenge av tiltenkt bruk og tilgjengelig utstyr, og er ikke regnet som viktig for denne oppfinnelsen.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for måling av komponentfraksjonene i en vannkontinuerlig fluidstrøm, der fluidet inneholder en kombinasjon av vann og gass og/eller olje, karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter trinnene: gjentatt måling av elektriske egenskaper, dvs konduktivitet, kapasitans, resistivitet eller permittivitet, ved et tverrsnitt av fluidet og detektering av tidssekvenser (2) kjennetegnet ved lavt gassinnhold, særlig kjennetegnet ved at en gassboble (5) ikke er tilstede, i nevnte periode (2) med lavt gassinnhold måling av tettheten i fluidet, hvori tetthetsmålingene utføres i minst en periode med lavt gassinnhold og fluidtettheten beregnes basert på målt tetthet over nevnte periode eller perioder, der tettheten måles ved bruk av i og for seg kjent gamma-utstyr (17) og en mottaker (18,19,20) med høy samplingsrate, og der tettheten beregnes fra samplede gammamålinger fra et valgt antall tidssekvenser identifisert ved lavt gassinnhold.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der de elektriske egenskapene måles ved bruk av minst to elektroder (12a-d) koblet til et måleinstrument (7) innrettet til å måle konduktiviteten mellom dem, der konduktiviteten indikerer om en gassboble er tilstede.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, der saliniteten til vannet i strømmen beregnes fra den beregnede fluidtettheten og konduktiviteten til olje/vann-blandingen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, der olje/gass/vann-innholdet beregnes fra den relative delen av en forutbestemt tidsperiode med detekterte gassbobler, konduktiviteten til strømmen mellom gassboblene og tettheten til strømmen mellom gassboblene.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der de elektriske egenskapene måles i en del (8) av strømmens tverrsnitt.

6. Flerfasemålerinnretning for måling av komponentfraksjonene i en vannkontinuerlig fluidstrøm der fluidet inneholder en kombinasjon av vann og gass og/eller olje strømmer gjennom et rør eller lignende, der innretningen omfatter minst to elektroder (12a-d) koblet for måling av en valg elektrisk egenskap, dvs konduktivitet, kapasitans, resistivitet eller permittivitet, ved fluidet i det minste delvis mellom elektrodene, der måleinstrumentet er innrettet til å sample en tidssekvens av målte egenskaper og detektere perioder (2) med en bestemt mengde gass i strømmen,karakterisert vedat den også omfatter et gammatetthetsmålende instrument (17,18,19,20) for sampling av tettheten i minst en tidsperiode ved en valgt samplingsrate og å sample en tidssekvens av detekterte signaler, og beregningsmidler for analyse av gammatetthetsmålingene samplet mellom periodene der gassinnholdet var over en bestemt grense, og for å beregne den midlere tettheten til fluidet mellom gassboblene.

7. Innretning ifølge krav 6, der det gammatetthetsmålende instrumentet (17,18,19,20) inkluderer en mottaker (18,19,20) med høy samplingsrate og beregningsmidler innrettet til beregning av tettheten fra de samplede gammamålingene fra et valgt antall perioder i hvilke gassmengden i strømmen er under en valgt mengde.

8. Innretning ifølge krav 6, der de elektriske egenskapene som måles koblet til måleinstrumentet ved bruk av minst to elektroder (12a-12d) koblet til et måleinstrument (7) innrettet til å måle konduktiviteten mellom dem, der konduktiviteten dermed indikerer mengden av vann i strømmen.

9. Innretning ifølge krav 8, der beregningsmidlene er innrettet til å beregne saliniteten i vannet i strømmen ut fra tettheten og konduktiviteten i olje/vann-blandingen.

10. Innretning ifølge krav 8, der beregningsmidlene er innrettet til å beregne olje/gass/vann-innholdet fra den relative delen av en forutbestemt tidsperiode med detekterte gassbobler og tettheten til strømmen mellom gassboblene.

11. Innretning ifølge krav 6, der posisjonen til minst to av elektrodene (12a-12d) er egenskaper er valgt slik at de gir målinger i en del av fluidstrømmens tverrsnitt (8)..