NO334153B1 - Nede-i-hulls densitometer - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt innretninger og fremgangsmåter til måling av fluidtetthet og andre fluidstrømegenskaper i en strøm, hvor fluid skal bety enhver væske, gass eller blanding av dette, inkludert de som inneholder faststoffer. Mer bestemt vedrører den foreliggende oppfinnelse en meget nøyaktig tetthets- og viskosi-tetsmåleinnretning som er egnet til bruk i omgivelser med høy temperatur, høyt trykk, og kraftige støt, så som man møter i en oljebrønn.

Det er mange tilfeller i industrielle prosesser og reguleringer for håndtering av strøm-mende fluider hvor tettheten i det strømmende fluid må bestemmes nøyaktig. En bestemt anvendelse er ved identifikasjonen av reservoarfluider som strømmer i en brønn. Vann finnes ofte sammen med råoljen i enkelte vanlige geologiske formasjoner. Begge substansene blir så sådan ofte pumpet opp sammen i en virksom oljebrønn, og vannet blir til slutt separert ut fra råoljen ved en nedstrøms lokalisering. Det er ønskelig å bestemme mengden olje som forekommer i en strøm av olje og vann som strømmer fra en formasjon. For nøyaktig å bestemme mengden råolje som utvinnes fra en formasjon, kan det brukes en "nettooljedatamaskin" for å skaffe kunnskap om mengden råolje. "Nettooljedatamaskinen" bestemmer den samlede volumstrømhastighet til strømmen og beregner strømmens oljeandel (basert på tetthetsmålinger) for å bestemme netto olje-mengde som kommer fra formasjonen. Gitt de store mengder råolje som vanligvis er involvert, kan enhver liten unøyaktighet ved måling av tettheten på en uheldig måte akkumuleres over et forholdsvis kort tidsintervall, slik at det fremkommer en stor feil i en måling av det samlede volum.

En annen særlig anvendelse av tetthetsmålinger er å bestemme massestrømhastigheten i et fluidmedium. Massestrømhastigheten kan beregnes som et produkt av en fluidtetthet (bestemt av en tetthetsmåler) og en volumstrømhastighet til fluidet (målt med en volu-metrisk strømningsmåler). Det er pr. i dag tilgjengelig massestrømmålere så som masse-strømmålere som baserer seg på Coriolis-kraften eller konvektiv treghetskraft, og mas-sestrømmålere som anvender en termisk sonde. Selv om de funksjonerer utmerket ved måling av massestrøm til fluider med lav viskositet, virker disse typer massestrømmåle-re dårlig ved måling av strøm til meget viskøse fluider. Fluidets viskositet introduserer feil i datainnsamlingen for massestrømhastigheten. En av de mer lovende måter til måling av massestrømhastigheten er å kombinere en nøyaktig tetthetsmåler og en pålitelig volumstrømmåler av fortrengningstypen. Denne kombinasjonen virker særlig godt ved måling av massestrømhastigheter til høyviskøse fluider eller blandinger av fluider og gasser.

Massestrømmålere basertpå Coriolis kan benyttes til å måle tettheten til et ukjent pro-sessfluid. Generelt, i henhold til læren eksempelvis i U.S. patent nr. 4,491,025, kan en Coriolis-måler inneholder to parallelle rør, som hvert typisk er et U-formet strømnings-rør. Hvert strømningsrør drives slik at det svinger om en akse. Når prosessfluidet strømmer gjennom hvert svingende strømningsrør, frembringes det som en reaksjon på bevegelse av fluidet Coriolis-krefter som er orientert vinkelrett på planet til fluidets vin-kelhastighet i røret. Disse Coriolis-kreftene som er frembragt som en reaksjon bevirker at hvert rør vris om en torsjonsakse, som for U-formede strømningsrør står normalt på dets bøyeakse. Nettoeffekten er en liten deformasjon og utbøying av røret som er proporsjonal med fluidets massestrømhastighet. Denne deformasjonen måles vanligvis som en liten differanse mellom utbøyingen ved rørenes innløpsender og utbøyingen ved ut-løpsendene. Begge rør drives i motsatte retninger, slik at hvert rør oppfører seg som en separat tind i en stemmegaffel, og derved på en fordelaktig måte eliminerer eventuelle uønskede vibrasjoner som ellers kunne skjule Coriolis-kreftene. Resonansfrekvensen som hvert strømningsrør svinger med avhenger av dets totale masse, dvs. massen av selve det tomme rør pluss massen av fluidet som strømmer gjennom det. Ettersom den samlede masse varierer når tettheten til fluidet som strømmer gjennom røreet varierer, vil resonansfrekvensen likeledes variere ved enhver endring i tetthet.

Som særlig angitt i læren i U.S. patent nr. 4,491,009, er tettheten til et ukjent fluid som strømmer gjennom et svingende strømningsrør proporsjonal med kvadratet av den periode som røret svinger med. Selv om kretsen som er beskrevet i dette patent kan tilveiebringer nøyaktige tetthetsmålinger, har den uheldigvis flere ulemper. For det første, er det ved visse anvendelser nødvendig med tetthetsmålinger som har en nøyaktighet på en 10 000-del. En nøyaktighet i denne størrelsesorden er generelt ikke mulig ved hjelp av en analog krets, med mindre det benyttes meget nøyaktige analoge komponenter. Slike komponenter er nokså kostbare. For det annet, kan den analoge krets som er beskrevet i dette patent ikke kalibreres uavhengig for kompensasjon for endringer i karakteristikkene til de elektroniske komponenter, så som forskyvning, drift, elding og lignende. Spesi-fikt kalibreres denne kretsen med "enkeltstående kalibrering" ("lumped" basis), dvs. ved først å føre et kjent fluid, så som vann, gjennom måleren, og deretter justere kretsen til å tilveiebringe den korrekte tetthetsavlesing ved sin utgang. Denne prosessen kompense-rer for eventuelle feil som opptrer ved kalibreringstidspunktet, som enten skyldes fysis-ke feil ved måling av tettheten ved bruk av en Coriolis-massestrømmåler eller feil gene-rert ved endring av karakteristikkene i selve de elektriske komponenter. Uheldigvis, etter at kretsen har blitt kalibrert på denne måte, vil komponentenes karakteristikker deretter endres over tid, og dermed innføre feil i tetthetsavlesningene som frembringes av kretsen. Dette vil i sin tur til slutt nødvendiggjøre en fullstendig omkalibrering.

U.S. patent nr. 3,831,433 omhandler en innretning for måling av væsketetthet og masse-strøm. Denne innretningen omfatter et prøverør for mottak av prøvevæsken som vil vibrere ved karakteristiske frekvenser avhengig av væsketettheten.

U.S. patent nr. 4,655,075 omhandler et vibrerende prøverør for måling av væsketetthet, der resonansfrekvensen blir fanget opp ved hjelp av elektronisk utstyr.

U.S. patent nr. 3,688,188 omhandler et system som bruker en resonanssensor for å bestemme væsketettheten i et rør.

Alle densimetere kalibreres generelt ved bruk av et kalibreringsfluid som har en kjent tetthet. Denne tettheten er spesifisert ved en viss temperatur. Uheldigvis varierer tettheten til de fleste fluider med temperaturen; enkelte fluider oppviser en betydelig variasjon, mens andre fluider oppviser relativt liten variasjon. Følgelig krever mange densimetere som er tilgjengelige pr. i dag at temperaturen til kalibreringsfluidet må kontrolle-res nøye før fluidet injiseres inn i densimeteret for kalibrering. Dette nødvendiggjør at beholderen som oppbevarer fluidet på plasseres i et temperaturbad i en tilstrekkelig lang tidsperiode til at fluidet stabiliseres til en ønsket temperatur. I tillegg må det gjøres for-anstaltninger for å sikre at temperaturen i fluidet ikke endres når fluidet pumpes gjennom måleren. Nøyaktig kontroll av temperaturen til et fluid og deretter nøyaktig opp-rettholdelse av dets temperatur, mens fluidet pumpes gjennom måleren, er både en kost-bar og kjedsommelig prosess.

Det kan av det foregående forstås at det innen fagområdet er et behov for et meget nøy-aktig densimeter som kan brukes under tilstander med høy temperatur, høyt trykk, støt og vibrasjoner som er et brønnhull; som bruker relativt rimelige komponenter; som hovedsakelig eliminerer en hver feil forårsaket av endring i karakteristikkene til noen av de elektroniske komponenter; og som virksomt eliminerer feilene som er forbundet med de virkninger temperatur og trykk har på systemet.

Det er følgelig her beskrevet en måleinnretning til bestemmelse av fluidegenskaper fira

vibrasjonsrfekvenser til et prøvehulrom og et referansehulrom. I en utførelse inkluderer måleinnretningen et prøvestrømningsrør, et referansestrømningsrør, vibrasjonskilder og detektorer som er montert på rørene, og en målemodul. Prøvestrømningsrøret mottar en

strøm av prøvefluid for karakterisering. Referansestrømningsrøret fylles med et referansefluid som har velkarakteriserte egenskaper. Referansestrømningsrøret kan trykkbalan-seres til det samme trykk som prøven. Målemodulen anvender vibrasjonskildene for generering av vibrasjoner i begge rør. Målemodulen kombinerer signalene fra vibrasjonsdetektorene på rørene for bestemmelse av egenskapene til prøvefluidet, så som tetthet, viskositet, kompressibilitet, vannfraksjon og boblestørrelse. Målemodulen kan videre detektere visse strømningsmønstere, så som eksempelvis væskeplugger.

For å bestemme prøvefluidets tetthet, måler målemodulen differansen mellom resonansfrekvensene til prøvestrømningsrøret og referansestrømningsrøret. Tettheten kan deretter beregnes i henhold til en formel. Andre fluidegenskaper kan bestemmes fra prøverø-rets resonanstoppamplitude, toppbredde og/eller toppform. Variasjon i tetthetsmålingene kan benyttes til å påvise og karakterisere flerfasefluidstrøm. Bruken av et referanse-rør i den beskrevne måleinnretning forventes å sterkt forbedre nøyaktigheten og påliteligheten til måleinnretningen over et område av temperaturer, trykk og støtaksellerasjo-ner, så som de som er i et borehull.

En bedre forståelse av den foreliggende oppfinnelse kan fås når den følgende detaljerte beskrivelse av den foretrukne utførelse gjennomgås sammen med de ledsagende teg-ninger, hvor: Figur IA viser et densimeter ifølge en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse; Figur IB viser en piezoelektrisk vibrasjonskilde; Figur 2 viser en alternativ utførelse av et densimeter ifølge den foreliggende oppfinnelse; Figur 3 viser en graf av en eksemplifiserende resonanstopp; Figur 4 viser en eksemplifiserende målemodul; Figur 5 viser en fremgangsmåte til adaptiv følging av en resonansrfekvens; Figur 6 viser en fremgangsmåte til måling av resonanstoppfrekvens, amplitude og bredde; og

Figur 7 viser en graf av en måletetthet som en funksjon av tid.

Selv om oppfinnelsen kan ha forskjellige modifikasjoner og alternative former, er spesi-fikke utførelser av denne vist som et eksempel på tegningene, hvilket her vil bli beskrevet i detalj. Det skal imidlertid forstås at tegningene og den detaljerte beskrivelse ikke er ment å begrense oppfinnelsen til den bestemte form som er beskrevet, idet meningen tvert i mot er å dekke alle modifikasjoner, ekvivalenter og alternativer som faller innenfor den foreliggende oppfinnelses ramme og ide som angitt i de ledsagende krav.

Med henvisning til figur IA, inkluderer en utførelse av en innretning til måling av tetthet og viskositet i et strømmende fluid generelt et stivt hus 102, to skillevegger 104, festeanordninger 106, strømningsrør 108, vibrasjonskilder 110, vibrasjonsdetektorer 112, og en målemodul (ikke vist). Det stive hus 102 omgir og beskytter et volum som strømningsrørene 108 passerer gjennom, og som reduserer responsen på vibrasjoner som ikke er forbundet med bestemte modi av strømningsrørene. Skilleveggene 104 tet-ter volumet og holder strømningsrørene 108 fast innenfor dette volumet. Festeanord-ningen 106 er anordnet til å holde skilleveggene 104 fast til det stive huset 102. Volumet inneholder fortrinnsvis luft, et vakuum eller en relativt inert gass så som nitrogen eller argon. Hvis det brukes gasser, er de fortrinnsvis ved atmosfærisk trykk når innretningen er ved romtemperatur.

Det stive hus 102, skilleveggene 104, og strømningsrørene 108 er fortrinnsvis laget av materialer som kan motstå trykk på mer enn 20 000 psi (pund pr. kvadrattomme) ved temperaturer på 250°C eller mer. To eksempler på egnede materialer er titan og "Hasta-loy-HA276C". Strømningsrørene 108 kan være sveiset til skilleveggene 104, eller (som omtalt nærmere nedenfor) mekanisk isolert fira skilleveggene 104.

Strømningsrørene 108 er fortrinnsvis rette, ettersom dette reduserer enhver tilbøyelighet til plugging og erosjon av materialer som passerer gjennom strømningsrørene 108. Det forstås imidlertid at bøyde rør av forskjellige former, inkludert "U"-formede rør, kan tilveiebringe større målefølsomheter.

Aktuelle dimensjoner for utførelsen på figur IA er vist i tabell 1:

Det skal imidlertid bemerkes at andre dimensjoner kan brukes uten å avvike fra oppfin-nelsens ramme.

Vibrasjonskildene 110 er piezoelektriske omformere så som de som er vist på figur IB. De inkluderer en klemme 118 for fastholdelse av vibrasjonskilden til strømningsrøret 108, en treghetsmasse eller en "bakside"-masse 114, og et piezoelektrisk lag 116 som er plassert mellom klemmen 118 og treghetsmassen 114. Når en spenning påføres på det piezoelektriske lag 116, ekspanderer laget og driver røret 108 og massen 114 bort fra hverandre. Når spenningen er hovedsakelig fjernet eller snudd, trekker laget seg sammen og trekker røret og massen sammen. Påføring av en svingende spenning på det piezoelektriske lag påfører en vibrasjonsbevegelse på strømningsrøret.

Som omtalt videre nedenfor, har strømningsrøret 108 en resonansfrekvens som avhenger av tettheten til fluidet det inneholder. Når vibrasjonskilden 110 driver strømningsrø-ret 108 ved en resonansfrekvens, når rørets vibrasjon maksimum amplitude (forflytning), og den energi som er påkrevet for å drive vibrasjonen når et lokalt minimum.

Vibrasjonsdetektorene 112 vist på figur IA er piezoelektriske innretninger med en konstruksjon som ligner vibrasjonskildene 110. En piezoelektriske omformer er plassert mellom en klemme og en treghetsmasse. Når den piezoelektriske omformer komprime-res (eksempelvis ved bevegelse av klemmen mot treghetsmassen), genererer den en spenning. Når laget senere gjenopprettes eller utvides (eksempelvis ved bevegelse av klemmen bort fra treghetsmassen) minker spenningen. Vibrasjon av vibrasjonsdetektoren 112 bevirker at detektoren genererer et elektrisk signal som svinger ved en vibrasjonsfrekvens. Amplituden til det elektriske signal øker med vibrasjonens amplitude.

Med henvisning til figur 4, inkluderer en utførelse av målemodulen generelt en digital signalprosessor 402, to spenning-til-frekvensomformere 404, to strømdrivere 406, to filter/forsterkere 408, to amplitudedetektorer 410 og et leselager (ROM) 412. Den digitale signalprosessor 402 kan være konfigurert og styrt av en systemstyreenhet 414 som opererer som respons på aksjoner til brukeren på brukergrensesnittet 416. Systemstyreenheten 414 henter også fortrinnsvis målinger fira den digitale signalprosessor 402 og tilveiebringer dem til brukergrensesnittet 416 for å vise dem til brukeren.

Den digitale signalprosessor 402 utfører fortrinnsvis et sett programinstruksjoner som er lagret i ROM 412. Konfigurasjonsparametere er typisk fremskaffet av program-programmereren, slik at noen aspekter av den digitale signalprosessors operasjon kan brukertilpasses av brukeren via grensesnittet 416 og systemstyreenheten 414. Settet av programinstruksjoner bevirker fortrinnsvis at den digitale signalprosessor 402 utfører tetthetsmålinger i henhold til en eller flere av de fremgangsmåter som er nærmere utde-taljert nedenfor. Den digitale signalprosessor inkluderer fortrinnsvis kretser for digital til analog (D/A) og analog til digital (A/D) omforming, for fremskaffelse og mottak av analoge signaler til komponenter som befinner seg utenfor brikken. Generelt blir mesteparten av de operasjoner som utføres av den digitale signalprosessor innenfor brikken utført på digitale signaler.

Ved utførelse av en eller flere av de fremgangsmåter som er beskrevet nærmere nedenfor, tilveiebringer den digitale signalprosessor 402 et spenningssignal til spenning-til-frekvensomformeren 404. Spenning-til-frekvensomformeren 404 frembringer et frekvenssignal som har en frekvens som er proporsjonal med inngangsspenningen. Strøm-driveren 406 mottar dette frekvenssignal og forsterker det for å drive vibrasjonskilden 110. Vibrasjonskilden 110 bevirker at strømningsrøret vibrerer, og vibrasjonene detekteres av vibrasjonsdetektoren 112. En filter/forsterker 408 mottar detekteringssignalet fira vibrasjonsdetektoren 112, og tilveiebringer noen filtrering og forsterkning av detekteringssignalet før detekteringssignalet føres til amplitudedetektoren 410. Fil-ter/forsterkeren 408 tjener til å isolere vibrasjonsdetektoren 112 fra amplitudedetektoren 410, for å forhindre at amplitudedetektoren 410 elektrisk påvirker vibrasjonsdetektoren 112 og dermed utgunstig påvirker detekteringsfølsomheten. Amplitudedetektoren 410 frembringer et spenningssignal som viser amplituden til detekteringssignalet. Den digitale signalprosessor 402 måler dette spenningssignalet, og er dermed i stand til å bestemme en vibrasjonsamplitude for den valgte fibrasjonsfrekvens.

Målemodulen anvender vibrasjonskildene 110 og vibrasjonsdetektorene 112 til å lokali-sere og karakterisere resonansfrekvensene til strømningsrørene 108. Flere forskjellige fremgangsmåter kan tenkes. I en første fremgangsmåte bevirker målemodulen at vibrasjonskildene 110 utfører et frekvens-"sveip" over området av interesse, og registrerer amplitudeavlesningene fra vibrasjonsdetektorene 112 som en funksjon av frekvensen. Som vist på figur 3, vil et plott av vibrasjonsamplituden mot frekvensen vise en topp ved resonansfrekvensen fo. Resonansfrekvensen kan omformes til en tetthetsmåling, og toppens form kan gi ytterligere informasjon, så som informasjon om viskositet og flerer-fase.

Ved en annen fremgangsmåte, følger målemodulen adaptivt resonansfrekvensen ved brukt av en tilbakemeldingskontrollteknikk. En implementering av denne fremgangsmåten er vist på figur 5. En initial trinnstørrelse for å endre frekvensen velges i blokk 502. Denne trinnstørrelsen kan være positiv eller negativ, for økning hhv. reduksjon av fre kvensen. I blokk 504 aktiveres vibrasjonskilden, og det utføres en initial amplitudemå-ling. I blokk 506 justeres vibrasjonsfrekvensen med en mengde som er bestemt av trinn-størrelsen. I blokk 508 utføres det en måling av amplituden ved den nye frekvensen, og av dette kan det foretas et estimat av den avledede verdi. Den avledede verdi kan estimeres til å være endringen i amplitude dividert med endringen i frekvens, men estimatet inkluderer fortrinnsvis noe filtrering for å redusere virkningen av målestøy. Fra denne estimerte avledede verdi kan det estimeres en avstand og retning til resonanstoppen. Hvis den avledede verdi for eksempel er stor og positiv, er det med henvisning til figur 3 klart at den gjeldende frekvensen er mindre enn resonansfrekvensen, men at resonansfrekvensen er like ved. For små avledede verdier, hvis fortegnet til den avledede verdi endres regelmessig, er den gjeldende frekvens meget nær resonansfrekvensen. For små negative avledede verdier uten noen endringer i fortegn mellom interasjonene, er den gjeldende frekvensen mye høyere enn resonansrfekvensen. Med fornyet henvisning til figur 5, benyttes denne informasjonen til å justere trinnstørrelsen i blokk 510, og den digitale signalprosessor 402 returnerer til blokk 506. Denne fremgangsmåten kan virke best for fremskaffelse av en rask målerespons ved endrede fluidtettheter.

Ved en tredje fremgangsmåte, anvender målemodulen en iterativ teknikk for å søke etter maksimumamplituden når frekvensen varieres diskret. En hver av de velkjente søkeal-goritmer for minima eller maksima kan benyttes. Et illustrativt eksempel vil nå bli beskrevet, men det skal forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til de beskrevne detal-jer. I hovedsak benytter den eksemplifiserte søkemetode en frem- og tilbakesøkemetode hvor målemodulen sveiper over vibrasjonskildefrekvensen fra et halv-amplitudepunkt, over toppen, til det andre halv-amplitudepunktet og tilbake igjen. En implementering av denne metoden er vist på figur 6.1 blokk 602 fremkalles vibrasjoner ved en initial (minimum) frekvens. I blokk 604 blir vibrasjonsamplituden ved den gjeldende vibrasjonsfrekvens målt og satt som en terskel. I blokk 606 økes frekvensen med en forhåndsbe-stemt størrelse, og i blokk 608 måles amplituden ved den nye frekvensen. Blokk 610 sammenligner den målte amplitude med terskelen, og hvis amplituden er større, settes terskelen lik den målte amplitude i blokk 612. Blokkene 606-612 gjentas inntil den målte amplitude faller under terskelen. Ved dette punkt indikerer terskelen den maksimale målte amplitude, hvilken opptrådte ved resonanstoppen. Amplituden og frekvensen registreres i blokk 614. Frekvensen øker og amplitudemålingene fortsetter i blokk 616 og 618, og blokk 620 sammenligner amplitudemålingene med halvparten av den registrerte resonansfrekvens. Blokkene 616-620 gjentas inntil amplitudemålingen faller under

halvparten av resonanstoppamplituden, ved hvilket punkt denne halvamplitudefrekven-sen registreres i blokk 622. Blokkene 624-642 dupliserer operasjoner i de korresponde-

rende blokker 602-622, med unntak av at frekvenssveipet over resonanstoppen skjer i

motsatt retning. For hver kryssing av toppen, registrerer målemodulen resonansamplitu-den og -frekvensen, og deretter registreres den etterfølgende halvamplitudefrekvens. Fra denne informasjon kan toppens bredde og asymmetri bestemmes, og fluidtettheten, vis-kositeten og flerfaseinformasjon kan beregnes.

Målemodulen er en elektronisk krets som kan ha temperatur-, trykk-, og alderavhengige variasjoner. Densimeterkonstruksjonen som en helhet kan også oppvise disse variasjoner. Siden det forventes at densimeteret vil utsettes for ekstreme temperaturer og trykk over innretningens levetid, er det urealistisk å tro at innretningen kan opprettholde et gitt sett av kalibreringsinnstillinger. For å omgå behovet for hyppige omkalibreringer, anordnes et av strømningsrørene 108 som en "vibrasjonsstandard" som har en godt bestemt resonansfrekvens, og resonansfrekvensen i det andre strømningsrøret (heretter benevnt prøvestrømningsrøret) måles i forhold til standard-, eller referansestrømnings-røret. Prøvestrømningsrøret mottar i en ende en strøm av prøvefluid som har en tetthet som skal måles, og strømmen avgis fira den andre enden.

Ettersom egenskapene til vann er meget velkjente, er det foretrukket at referansestrøm-ningsrøret er fylt med vann. Alternativt kan referansestrømningsrøret være fylt med vakuum, en gass, eller en annen substans med velkjente tetthetsegenskaper (for eksempel et referansefaststoff). For de foreliggende formål, anses referanserøret å inneholde vakuum, idet det indre trykk ved romtemperatur er mindre enn 0,05 atmosfærer. Et eventuelt fluid i referansestrømningsrøret utsettes fortrinnsvis for det trykk og den temperatur som er i prøvefluidets omgivelser. Det er fortrinnsvis tilveiebragt termometere og trykkmålere for å bestemme verdiene på denne temperatur og dette trykk.

Målemodulen anvender fortrinnsvis en vibrasjonskilde 110 og en vibrasjonsdetektor 112 som adaptivt følger resonansfrekvensen til referansestrømningsrøret 108. Målemodulen måler deretter frekvensen til vibrasjonssignalet fira prøverøret i forhold til reso-nansfrekvenssignalet fra referanserøret. I en utførelse, adderer målemodulen de to signaler for å fremskaffe et signal som oppviser en støtfrekvens. Støtenes frekvens er lik den (fortegnsløse) differanse mellom resonansfrekvensen og vibrasjonssignalets frekvens. Fortegnet til differansen kan bestemmes på en rekke måter. En måte er å benytte et fluid i referanserøret som er utenfor det forventede tetthetsområde (enten lettere eller tyngre) for prøven. En annen er å justere prøverørets frekvens bort fra dets resonansfrekvens og observere endringen i den målte frekvensdifferanse. For eksempel, hvis en økning i drivfrekvensen resulterer i en økning i frekvensdifferansen, er prøvens resonansfrekvens større enn referansens resonansfrekvens. Alternativt, kan referanserørets drivfrekvens justeres bort med tilsvarende resultater. Tettheten til det ukjente fluidet kan bestemmes fra differansen med fortegn. En fremgangsmåte til å bestemme tettheten til det ukjente fluidet er presentert videre nedenfor.

Med henvisning til figur 2, er det vist en annen utførelse. På figur 2 er strømningsrørene mekanisk isolert fira monteringskonstruksjonen med elastomeriske tetninger 202. Dette gjør at endene kan vibrere fritt, fordi tetningene er myke og utbøyningene er små, men kanskje av større betydning, denne konfigurasjonen kan eliminere mesteparten av den uvedkommende vibrasjonsstøyen fira strømningsrørene. Vibrasjonskildene som er vist for denne utførelse er induktive spoler 204. Elektriske strømmer som passerer gjennom de induktive spoler genererer et magnetfelt som tiltrekker eller frastøter en permanent magnet. Ved å skifte strømretningen med en ønsket vibrasjonsfrekvens, kan magneten tvinges til å vibrere strømningsrørene ved denne frekvensen.

Magnetens posisjon kan måles fra den motelektromotoriske spenning (back EMF)

(elektromotive force) som spolen genererer, slik at de induktive spoler også kan brukes som vibrasjonssensorer. Alternativt kan en separat induktiv spole tjene som en vibrasjonssensor, og det samme kan enhver av en rekke andre posisjonssensorer, inkludert piezoelektriske innretninger, halveffektsensorer, interferensmålere, strekklapper, kapasi-tansmålere, aksellerometere, osv.

Det skal bemerkes at i begge utførelser er vibrasjonskildene og vibrasjonsdetektorene fortrinnsvis montert nær en antinode (punkt for maksimum forflytning fra likevektspo-sisjonen) for den vibrasjonsmodus som det er meningen at de skal eksitere og overvåke. Man kan tenke seg at det kan anvendes mer enn en vibrasjonsmodus (vibrasjonskilden kan eksempelvis veksle mellom flere frekvenser for å fremskaffe informasjon fira høyere harmoniske resonansfrekvenser). Vibrasjonskildene og detektorene er fortrinnsvis posi-sjonert slik at de er nær antinodene for hver av de vibrasjonsmodi som er av interesse.

Lokaliseringene til nodene (punktene med null vibrasjonsamplitude) og antinodene bestemmes av bølgelengden for vibrasjonsmodusen. Frekvensen/og bølgelengden X er relatert til materialets lydhastighet v ved ligningen v =fk.

Den følgende notasjon benyttes for resonansfrekvensens utledning:

A vibrasjonssystemkonstant (22,4 for innspente ender, 22,4 for frie ender, 3,52 for

utkraget i en ende)

A kalibreringskonstant (lbf/(in<3->sec<2>)

B kalibreringskonstant (lbf/(in<3>)

f„ egenfrekvens (Hz)

p periode ved egenfrekvens (sec)

p fluidtetthet (lbf/in<3>)

Pt rørmaterialets tetthet (lbf/in<3>)

fi systemmasse pr. lengdenehet (lbf-sec<2>/in<2>)

fif fluidmasse pr. lengdeenhet (lbf-sec<2>/in<2>)

Ut rørmasse pr. lengdenhet (lbf-sec<2>/in2)

d0rørets utvendige diameter (in)

dtrørets innvendige diameter (in)

/ rørlengde (in)

E rørets elastisitetsmodul (psi)

/ arealtreghetsmoment for rørets tverrsnitt (in<4>)

g gravitasjonskonstant (386,4 in/sec<2>)

Rørets egenfrekvens kan beregnes som følger (se side 1-14 i Shock and Vibration Hand-book, McGraw Hill, NY, 1976):

A er bestemt av systemets geometri, og er 22,4 for den første vibrasjonsmodus i et rør med innspente ender eller frie ender. Arealtreghetsmomentet til et rør (I) er gitt av:

Massen pr. lengdenhet, u, består av rørets vekt og fluidets vekt delt på rørets lengde og gravitasjonskonstanten (g = 386,4 in/sec<2>):

Innsetting av ligning 2 og 5 i ligning 1 gir et estimat for egenfrekvensen:

Løsing av ligning 6 med hensyn på tetthet gir:

Ligning 7 kan uttrykkes ved konstante koeffisienter A og B:

Hvor koeffisientene A og B er bestemt av rørets materialegenskaper og geometri:

I praksis kan konstantene A og B estimeres ved tilpassing av en kalibreringskurve.

Tabell 2 er et eksempel på en beregning av egenfrekvensene for forskjellige konfigura-sjoner og materialer. Frekvensene er beregnet som en funksjon av fiuidspesifikk vekt (p-sg) i et område fira nær 0 (luft) til 2 (tungt slam). Innretningens følsomhet kan define-res som endringen i frekvens fira luft til et tungt slam dividert på en senterfrekvens som er bestemt med vann (spesifikk vekt = 1) i røret. Den utkragede innretning har en føl-somhet på 10,87% og det rette røret på 16" med innspente ender har en noe større føl-somhet på 10,89%. Et rett rør på 6" med innspente ender har en økt frekvens, som med vann (sg = 1) er 1659 Hz. Det skal bemerkes at selv om frekvensen økte, forble følsom-heten uendret (10,89%). Følsomhetsforholdene kan økes til 19% ved å bruke titan, på grunn av dets bedre forhold mellom stivhet og vekt. Når huset er laget av stål, oppviser det en mye høyere egenfrekvens enn rørene (5960 Hz). Det koples således ikke med rørets modi.

Rørenes dominerende egenfrekvens er dominert av rørmaterialet og dets egenskaper. Det skal bemerkes at rørets lengde har den mest betydningsfulle innvirkning på egenfrekvensen. Måleinstrumentets oppløsning (følsomhet) kan økes uttrykt ved frekvens-endring sammenstilt med tetthet ved å redusere rørets vekt eller tetthet.

Ved bruk av ligning 8, kan ps (tettheten til prøvefluidet i prøverøret) uttrykkes ved pr (tettheten til referansefluidet i referanserøret) og Af (den målte frekvensdifferanse):

Det forventes at nøyaktigheten ved denne beregningen kan begrenses av beregnings-nøyaktigheten til A og B og frekvensoppløsningen.

Figur 7 viser et eksempel på tetthetsmålinger som er utført i henhold til den beskrevne fremgangsmåte som en funksjon av tid. Prøvestrømningsrøret fylles initialt med olje, og tetthetsmålingen konvergerer raskt mot en spesifikk vekt på 0,80. Når en blandbar gass føres inn i strømmen, mottar prøverøret en flerfasestrøm, og tetthetsmålingen oppviser en betydelig målevariasjon. Når strømmen hovedsakelig blir gass, danner oljen et grad-vis tynnere belegg på rørets vegg, og tetthetsmålingen konvergerer jevnt mot 0,33. Det skal bemerkes at i flerfasestrømområdet, oppviser tetthetsmålingen en varians som kan kan brukes til å detektere tilstedeværelsen av flere faser.

Luft eller gass som er tilstede i det strømmende fluidet påvirker densimetermålingene. Gass som er godt blandet eller revet med i væsken kan simpelthen kreve litt mer driv-kraft for å holde røret vibrerende. Gass som frigjøres, som danner voider i væsken, vil redusere vibrasjonenes amplitude på grunn av dempingen av det vibrerende røret. Små voidfraksjoner vil forårsake variasjoner i signaler på grunn av lokal variasjon i system-tettheten, og effekttap i fluidet. Resultatet er et variabelt signal som har en omhyllings-kurve som korresponderer med tetthetene i de individuelle faser. I energibegrensede systemer, kan store voidfraksjoner forårsake at røret helt stopper å vibrere når energien som absorberes av fluidet overstiger den som er tilgjengelig. Ikke desto mindre kan væskepluggstrømningstilstander i mange tilfelle detekteres av strømmålerelektronikken, fordi de fremtrer som periodiske endringer i målekarakteristika så som driveffekt, målt tetthet eller amplitude. På grunn av evnen til å detektere bobler, kan det beskrevne densimeter benyttes til å bestemme boblepunkttrykket. Når trykket på prøvefluidet varieres, vil bobler bli dannet ved boblepunkttrykket, og de vil detekteres av den beskrevne innretning.

Hvis en prøve strømmer gjennom røret kontinuerlig under en nede-i-hulls prøvetakings-hendelse, vil fluidene endres fira borehullsslam, til slamfiltrat og kakefragmenter, til hovedsakelig filtrat, og deretter til reservoarfluider (gass, olje eller vann). Når det er tydelig at flere faser strømmer gjennom røret, vil sensorens utgang svinge innenfor et område som er avgrenset av de individuelle fasetettheter. Hvis systemet er godt homo-genisert, vil den rapporterte tetthet nærme seg fluidets bulktetthet. For å forbedre detek-teringen av bulkfluidtettheter, kan de beskrevne måleinnretninger konfigureres til å benytte høyere strømningsrater gjennom røret for å oppnå en statistisk mer signifikant prøvetetthet. Prøvens strømningshastighet gjennom innretningen kan således reguleres til å forbedre detektering av flere faser (ved å redusere strømningshastigheten) eller til å forbedre bestemmelsene av bulktetthet (ved å øke strømningshastigheten). Hvis strøm-ningstilstandene påvirkes for å tillate faseutfellingen og agglomerering (intermitterende strøm eller slippstrøm med lave strømningshastigheter), kan det vibrerende rørsystem konfigureres til å nøyaktig detektere flere faser ved forskjellige trykk og temperaturer. Fluidprøven kan holdes i ro i prøvekammeret eller den kan bringes til å strømme gjennom prøvekammeret.

Toppformer i frekvensspekteret kan tilveiebringe signaturer som muliggjør detektering av gassbobler, blandinger av olje/vann, og slamfiltratpartikler. Disse signaturene kan identifiseres ved bruk av nervesystemlignende nett med "maltilpasnings"-teknikker, eller parameterisk kurvetilpassing kan være foretrukket. Ved bruk av disse teknikker kan det være mulig å bestemme en vannfraksjon fira disse toppformene. Toppformene kan også gi andre fluidegenskaper så som kompressibilitet og viskositet. Effekten som er påkrevet for å opprettholde vibrasjon kan også tjene som en indikator på visse fluidegenskaper.

I tillegg kan resonansfrekvensen (eller en frekvensdifferanse) kombineres med den målte amplituden av vibrasjon til å beregne viskositet av fluidprøven. Tettheten og en andre fluidegenskap (f.eks. viskositet) kan også beregnes fra resonansfrekvensen og en eller

begge av de halv-amplitude frekvenser. Endelig kan vibrasjonsfrekvensen av prøverøret varieres for å bestemme toppformen av prøverørets frekvensrespons, og formen brukes til å bestemme egenskaper ved fluidprøven.

Det beskrevne instrument kan konfigureres til å detektere fluidtyper (fluider kan eksempelvis karakteriseres ved tetthet), flere faser, faseendringer og ytterligere fluidegenskaper så som viskositet og kompressibilitet. Røret kan konfigureres til å være meget føl-somt overfor endringer i prøvetetthet og faser. For eksempel kan strømningsrørene for-mes i en hvilken som helst av en variasjon av bøyede utforminger som tilveiebringer større forflytninger og frekvensfølsomheter. Andre eksiteringskilder kan brukes. Iste-denfor å bruke en variabel frekvensvibrasjonskilde, kan rørene bankes på eller ristes for å bevirke en vibrasjon. Frekvensene og omhyllingskurven for den avtagende vibrasjon vil gi lignende fluidinformasjon og kan tilveiebringe ytterligere informasjon i forhold til den pr. i dag foretrakkede vibrasjonskilde med variabel frekvens.

De beskrevne innretninger kan raskt og nøyaktig tilveiebringe målinger av nede-i-hulls tetthet og trykkgradienter. Gradientinformasjonen forventes å være verdifull ved bestemmelse av reservoartilstander på lokaliseringer som ligger bort fra borehullets umid-delbare nærhet. Særlig kan gradientinformasjonen tilveiebringe identifikasjon av fluider som befinner seg i reservoaret og lokaliseringen(e) av fluidkontakter. Tabell 3 viser eksemplifiserende gradienter som er et resultat av reservoarfluider i en formasjon.

Bestemmelse av fluidkontakter (gass/olje og olje/vann) er av største betydning ved ing-eniørarbeid i forbindelse med reservoarer. En kontinuerlig vertikal søyle kan inneholde soner av gass, olje og vann. Gjeldende fremgangsmåter krever gjentatt prøvetaking av reservoartrykk som en funksjon av sann vertikal dybde for å beregne trykkgradienten (vanligvis psi/ft) i hver sone. En fluidkontakt tilkjennegis ved krysningen mellom gradienter fra to tilstøtende soner (som en funksjon av dybde). Tradisjonelt er to eller flere prøver innenfor en sone nødvendig for å definere trykkgradienten.

Trykkgradienten (Ap/Ah) er relatert til fluidtettheten i en bestemt sone. Dette følger av uttrykket for trykket som utøves av en hydrostatisk søyle med høyde h.

hvor P angir trykk, p angir tetthet, g angir tyngdens aksellerasjon, og h angir høyde.

I en bestemt sone, med trykk fra overliggende lag som er forskjellig fra det som er i en kontinuerlig fluidsøyle, kan fluidets tetthet bestemmes ved måling av trykket ved to eller flere dybder i en sone, og beregne trykkgradienten:

Det nede-i-hulls plasserte densimeter bestemmer imidlertid direkte fluidets tetthet. Dette muliggjør estimering av kontakt med kun et prøvepunkt pr. sone. Hvis flere prøver tas innenfor en sone, forbedres datakvaliteten. Gradientbestemmelsen kan deretter kryssjekkes for feil, som kan forekomme. En høy grad av pålitelighet oppnås når både densimeteret og den klassisk bestemte gradient faller sammen.

Så snart gradienten for hver fluidsone har blitt bestemt, bestemmes krysningene av gra-dientene for tilstøtende soner. Kontaktdybden beregnes som gradientkrysningen ved sann vertikal dybde.

Det skal bemerkes at når den beskrevne innretningen bruker et referansefluid i referan-senrøret, er referansefluidet fortrinnsvis underkastet hovedsakelig samme trykk og temperatur som prøvefluidet. Når referanserøret har en eksiteringskilde montert på røret for å generere vibrasjoner ved referanserøret, kan vibrasjonen av referanserøret også indu-sere vibrasjon av prøverøret.

Claims (13)

1. Nede-i-hulls innretning til bestemmelse av en egenskap for et prøvefluid, hvori innretningen omfatter: et prøverør (108) med en boring som er konfigurert til mottak av en fluidprøve, hvor røret er konfigurert til å vibrere ved en frekvens som er karakteristisk for en eller flere egenskaper ved fluidprøven; en vibrasjonssensor (112) som er konfigurert til å omforme vibrasjoner av prøverøret (108) til et målesignal; en referansestandard som er konfigurert til å tilveiebringe et referansefrekvenssignal; og en målemodul som er konfigurert til mottak av målesignalet og referansefrekvenssigna-let,karakterisert vedat målemodulen bestemmer en resonanstoppform fira målesignalet, og bestemmer fluidegenskapene fira toppens form.

2. Innretning ifølge krav 1,hvori referansestandarden inkluderer et referanserør (108) som har en boring.

3. Innretning ifølge krav 2, hvori referanserørets (108) boring inneholder et vakuum.

4. Innretning ifølge krav 2, hvori referanserørets (108) boring inneholder et referansefaststoff.

5. Innretning ifølge krav 2, hvori referanserørets (108) boring inneholder et referansefluid som utsettes for hovedsakelig det samme trykk og temperatur som prøvefluidet.

6. Innretning ifølge krav 2, hvori den videre omfatter: et andre referanserør med en boring som har innhold som er forskjellig fra det første referanserør, hvori det andre referanserør er konfigurert til å fremskaffe et annet refe-ransesignal til målemodulen.

7. Innretning ifølge kravene 1 eller 2, hvori målemodulen bestemmer en støtfrekvens for måle- og referansesignalene for å bestemme en egenskap ved prøvefluidet.

8. Innretning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvori den bestemte egenskapen er viskositet.

9. Innretning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 1 til 7, hvori den bestemte egenskapen er tetthet.

10. Fremgangsmåte til måling av en egenskap ved et fluid, hvori fremgangsmåten omfatter: mottak av et prøvefluid i et prøvehulrom (108); vibrering av prøvehulrommet (108) for fremskaffelse av et vibrasjonssignal som har en vibrasjonsfrekvens for prøverommet; frembringelse av et resonanssignal fira en vibrasjonsstandard, hvor resonanssignalet har en resonansfrekvens; bestemmelse av en frekvensdifferanse mellom resonansfrekvensen og prøvehulrommets vibrasjonsfrekvens; hvori fremgangsmåten erkarakterisertved trinn somomfatter: variering av prøvehulrommets vibrasjonsfrekvens for å bestemme en resonanstoppform for prøvehulrommet; og bestemmelse av fluidegenskapene fra toppens form.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvori bestemmelsen av en frekvensdifferanse omfatter: kombinering av vibrasjonssignalet med resonanssignalet for frembringelse av et støtfre-kvenssignal; og måling av en støtfrekvens i støtfrekvenssignalet.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10 eller 11, hvoriden bestemte egenskapen er viskositet.

13. Fremgangsmåte for anvendelse av innretningen ifølge et hvilket som helst av de kravene 1 til 9, hvori fremgangsmåten omfatter en fremgangsmåte for bestemmelse av en fluidegenskap ifølge et hvilket som helst av de kravene 10 til 12.