NO335934B1 - Fremgangsmåte og anordning til måling av konsentrasjoner av en ledende vannfraksjon i en flerfasestrøm, samt anvendelse derav - Google Patents

Abstract

Det omtales en fremgangsmåte til måling av interfasenivå mellom fluider, og den kjennetegnes ved at det ved hjelp av et magnetfeltdannende organ, opprettes et varier- ende magnetfelt i et av fluidene hvorved det opprettes et motsatt rettet magnetfelt som er en funksjon av fluidets egenskaper med hensyn til andel ledende fraksjon i fluidet, og fraksjonens ledningsevne; og egenskapene til nevnte fluid registreres ved registrering av systemets fremherskende impedans eventuelt en resonansfrekvens; og ved tilsvarende registreringer i ulike fluidsjikt i respektive høydenivåer, og i de forekommende interfasesjikt, og deretter innbyrdes sammenligning av nevnte egenskaper, bestemmes de et eller flere forekommende interfasenivå. Det omtales også en anording til gjennomføring av fremgangsmåten. Til måling av konsentrasjoner/andeler av et første fluid i et andre fluid i flerfase blandinger, eller i strømninger av fluidene, er det angitt flere fremgangsmåter og apparater, samt anvendelser av disse.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et apparat til måling av konsentrasjoner av en ledende vannfraksjon i en flerfase-strøm, slik det fremgår av innledningen i de etterfølgende krav 1 henholdsvis 2. Oppfinnelsen gjelder særlig å måle på ledende fraksjon i flerfasestrømmer der fluidene er innbyrdes ikke-blandbare.

Oppfinnelsen vedrører også en anvendelse av fremgangsmåten og apparatet.

Oppfinnelsene har særlig tilknytning til olje-industri hvor en håndterer ikke-blandbare faser av hydrokarboner (olje og gass) og vann, idet det også kan være tilstede salter (gir vannet en salinitet) i vannfraksjonen, og større eller mindre mengder av faste partikler, såsom sand. Oppfinnelsene anvendes når man håndterer strømmende blandinger av slike fluider, og ønsker å vite innbyrdes sammensetninger.

I denne forbindelse skal det vises til de følgende patentpublikasjoner: SE-399. 962, US-4.165.641, NO-980070, SU-1.696.885, JP-11006755 og US patent-skriftene US-4.816.758, US-5.549.008, US-4.458.524 og US-4.367.440. De metoder som omtales i de ovennevnte patenter som gjelder nivåmålinger, innebærer at minst en av fasene må være konduktiv. De kjente metodene kan derfor bare måle vann, eller ikke-vann, og kan ikke skille mellom gasser og oljefasene. I slike blandinger er det normalt også to grenseflatesjikt mellom vannet og oljen over vannflaten, dvs. vannkontinuerlig - og en oljekontinuerlig fase, og dessuten er det en skumfase mellom oljefasen og gassfasen. Det har vist seg de frekvensene som anvendes i de ovennevnte kjente metodene er for lav for at metoden skal kunne brukes til å fremskaffe målinger på flere ikke-ledende faser. Dette i relasjon til foreliggende oppfinnelse som gjelder målinger som utføres på flerfasestrømmer, av blandinger av olje og vann.

Det er et formål med oppfinnelsen å frembringe en ny fremgangsmåte og et apparat til måling av konsentrasjoner/andeler av en ledende fraksjon i strøm-mende flerfase-blandinger, og særlig der fluidene er innbyrdes ikke-blandbare.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at

at det påtrykkes en vekselspenning ved anvendelse av en eksitasjonsspole som er anordnet omsluttende rundt et legeme, så som et rør, som frem-fører flerfase-strømmen, hvor vekselspenningens frekvens er i størrelsesorden 5MHz og opp til 20 MHz,

at en indusert spenning registreres med en detektorspole som er anordnet omsluttende rundt legemet, hvorved vannkonsentrasjonen i flerfasestrøm-men å bestemmes basert på nevnte induserte spenning,

at trinnet hvor det påtrykkes en vekselspenning ytterligere omfatter at det påtrykkes en første resonansfrekvens f1 ved anvendelse av nevnte eksitasjonsspole og en andre resonansfrekvens f2 ved anvendelse av en andre eksitasjonsspole, og

at de første og andre resonansfrekvenser (fl hhv f2) er innbyrdes forskjellige, slik at den resulterende induserte spenning i detektorspolen utgjør summen av induserte spenninger fra magnetfeltene som oppsettes av eksitasjonsspole og den andre eksitasjonsspole, frembringer uavhengige parametre.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at

et legeme, så som et rør, innrettet til å fremføre flerfasestrømmen,

en eksitasjonsspole,

en detektorspole, hvor

- eksitasjonsspolen og detektorspolen er anordnet omsluttende rundt legemet, og eksitasjonsspolen er innrettet til å påtrykkes en vekselspenning, detektorspolen er innrettet til å registrere en indusert spenning slik at konsentrasjoner av ledende vann i flerflasestrømmen kan bestemmes, - eksitasjonsspolen er innrettet til å påtrykke en vekselspenning med en første resonansfrekvens fl, idet - apparatet videre omfatter en andre eksitasjonsspole innrettet til å påtrykke en vekselspenning med en andre resonansfrekvens f2, hvor de første og andre resonansfrekvenser er innbyrdes forskjellige, slik at den induserte spenning i detektorspolen, hvilken induserte spenning som er summen av indusert spenning fra magnetfeltene som dannes av eksitasjonsspolen og den andre eksitasjonsspole, frembringer uavhengige parametre.

Ifølge en foretrukket utførelse av apparatet er detektorspolen anordnet mellom de to eksitasjonsspolene.

Ifølge enda en foretrukket utførelse er de to eksitasjonsspolene og detektorspolen montert inne i en kappe, så som av stål, og kappen omslutter legemet.

Ifølge oppfinnelsen anvendes fremgangsmåten og apparatet til å måle den ledende vannfase i en strømmende blanding av olje, vann og gass hvor vannet er elektrisk ledende, mens gassen og oljen er ikke-ledende.

Prinsippene for oppfinnelsen skal forklares mer detaljert i den etterfølgende beskrivelse og illustrert i de etterfølgende figurer.

De fem første figurene 1 -5, med den tilhørende tekst, er for å illustrere det opp-finneriske prinsipp skissert i forbindelse med nivåmålinger som ifølge prioritets-søknaden 19993436, norsk patent NO-326.208, mens figurene 6-7 gjelder utførelsene for måling på flerfasestrømninger som ifølge oppfinnelsen.

Nærmere bestemt viser figur 1 en apparatoppstilling i form av en separasjonstank med fasene (nedenfra) vann, olje, og gass, og mellomliggende grensesjikt.

Figur 2 viser et blokkdiagram over elementene som inngår i detektoren.

Figur 3 viser målekurven for impedansen i spolen avhengig av sjiktet målesonden befinner seg i. Figur 4 viser hvordan oppfinnelsen kan benyttes til oppkopling av nivåmåleutstyr for måling av nivåer i en beholder. Figur 5 viser en sammenstilling av en eksitasjons- og detektorspole for måling av vannfraksjon i flerfase blandinger som ifølge oppfinnelsen. Figur 6 viser en sammenstilling av to eksitasjonsspoler og en detektorspole for måling av ledende væske, (vannfraksjon). Figur 7 viser resultatet av målinger utført på en strømmende blanding av olje/vann/gass ved anvendelse av apparaturen vist på figur 6.

Nytt måleprinsipp.

Et varierende magnetfelt som skjærer gjennom et medium vil indusere virvel-strømmer i mediet dersom det er elektrisk ledende eller deler av det er elektrisk ledende. Disse virvelstrømmene vil sette opp et magnetfelt som er rettet i mot det påtrykte feltet. Det motinduserte feltet vil være proporsjonalt med fraksjonen av de ledende komponenter i mediet og den elektriske ledningsevenen til disse.

Det magnetiske feltet kan genereres av en spole som får strøm fra en oscillator. Den elektriske impedans i spolen vil da være avhengig av mediet omkring. Føl-somheten øker med magnetfeltets frekvens, men frekvensen begrenses oppad av feltets inntrengningsdybde i mediet.

Plasseres en slik spole ned i en separasjonstank vil impedansen i spolen være minst i vann og størst i gass I skum, olje og vann/olje emulsjoner, vil vi få verdi-er på spoleimpedansen i mellom de nevnte yttergrenser. I olje-, vann-, gass-blandinger er det vist eksperimentelt at frekvenser mellom 5MHZ og 15 MHZ vil være et optimalt kompromiss mellom økning i følsomhet og reduksjon i inntrengningsdybde. Frekvensen bestemmes av spolens diameter og vindingstall. Størst følsomhet får man ved spolens resonansfrekvens

hvor L er spolens induktans og C er spolens resulterende kapasitans mellom vindingene.

Da L er omvendt proporsjonal med det motinduserte feltet i mediet og C er avhengig av permittiviteten til mediet, kan resonansfrekvensen fø benyttes til å bestemme om spolen befinner seg i olje, skum eller gass da kapasitansen C (men ikke induktansen L) vil være forskjellig i hvert av disse lagene. Både spoleimpedanse og resonansfrekvens vil være avhengig av ledningsevnen og størrelsesfordelingen av den ledende komponenten (prosessvannet) ved detektorspolen.

Men det er den relative endring i impedans, eventuelt resonansfrekvens, som eksempelvis gir de forskjellige fasenivåene i en separasjonstank. Variasjonen i vannets ledningsevne og dråpestørrelsesfordeling av vann i oljen (oljekonti nuerlig blanding) samt dråpestørrelsesfordeling av olje i vannet (vannkontinuerlig blanding) får derfor ingen innflytelse på nivåmålingen. Figur 1 viser en prinsippskisse av måleoppstillingen på laboratoriet i form av en separasjonstank/beholder 10 (såsom av glass) som rommer de tre fasene vann, olje, og gass som tre separate sjikt nedenfra i nevnte rekkefølge, samt mellomliggende grensesjikt. Mellom oljefasen og vannfasen dannes det to emulsjons-sjikt. Det nederste av disse sjikt er et vannsjikt 13 med en andel av emulgerte oljedråper, som benevnes et vannkontinuerlig sjikt, og et overliggende oljesjikt 15 som inneholder en andel emulgerte vanndråper som benevnes et oljekontinuerlig sjikt. En målesonde i form av en spole 12, fortrinnsvis anordnet i et rør av elektrisk isolerende materiale (et plastrør)), og koplet opp mot en impe-danseanalysator 17, settes ned i beholderen og impedansen måles i tur og orden i hvert av de ovennevnte sjiktene. Figur 2 viser oppkoplingen av detektorelektronikken. Koplingen består av en detektorspole 20 inneholdende en kapasitans C1 koplet i parallell med en spole L1. En forsterker 26 er tilbakekoplet med spolen Ls og kapasitansen C1. Videre er spolen 20 koplet til en fasedetektor 22, som igjen er forbundet med en inte-grator 24, som igjen er koplet til en spenningsoscillator VCO.

Oscillatoren VCO er forbundet til den tilbakekoplete kretsen via en motstand RO, og direkte koplet til fasedetektoren 22. Denne oppkoblingen vil sikre eksi-tasjon av spolen ved resonans samt muliggjøre at spolens impedans og resonansfrekvens kan måles (ved resonans er impedansen ren resistans).

Forklaring til Fig 2.

Når detektorspolen L1 er i resonans med C1 er tilbakekoplingsimpedansen for forsterker 26 rent resistiv og faseforskyvningen mellom©2 og©1 vil være -180 vinkelgrader. Da er q>1 + q>2 =0 og spenningen ut fra fasedetektoren 22 er null. Integratoren 24 vil da ha en konstant utgangsspenning som holder den spenningsstyrte oscillatoren på oo2. Dersom nå detektorspolens induktivitet endrer seg ved at spolen omgis av et annet materiale, vil tilbakekoplingsnettverket for forsterker 26 introdusere en faseforskyvning slik at q>1 + q>2 blir forskjellig fra null. Fasedetektoren 22 gir dermed ut en spenning som integreres opp i integratoren 24 og den spenningsstyrte oscillatoren endrer frekvensen a>2 inntil L1 og C1 igjen er i resonans og dermed q>1 + q>2 = 0. Frekvensen©2 vil således være karakteristisk for den væsken detektorspolen omgis med.

Resultater fra laboratoriemålingen med sondekoplingen ifølge figurene 1 og 2 er vist i figur 3. Den målte spoleimpedansen er vist som funksjon av nivå i separa-sjonstanken (N=10, f=11 MHz) (N er antall viklinger, og f er frekvensen).

Av figurene 1 og 3 vil det framgå at når spolen er omgitt av prosessvann (f.eks. vann med ledningsevne 5 Siemens/meter) er spoleimpedansen lav (ca 10 ohm). Den begynner å stige ved ca. 5 cm grunnet vanndråper i oljen. Ved 7 cm (i vann/olje-emulsjonslaget) har impedansen steget til ca. 200 ohm for så å øke til 350 ohm i oljefasen.

Istedenfor å benytte kun en eneste spole som flyttes manuelt fortløpende til de nevnte sjiktene, nevnt ovenfor, kan man benytte en neddykkbar stang hvortil det er montert et antall slike spoler og som totalt da dekker alle de ulike sjiktene som vises på figur 1, slik det vil framgå av neste eksempel.

Det praktiske arrangement.

Under henvisning til figur 4, er et gitt antall spoler 30a,30b..30h (i dette eksem-pelet 7 spoler) montert til en neddykkbar stang, er nedsatt/plassert inne i et tett rør 32 av elektrisk isolerende materiale. Spoletilkoplingene i form av ledninger føres gjennom røret 32 til en elektronikkboks (ikke vist spesielt på figuren) plas-sert på tankens 34 topp. En standard elektronisk multiplekser kopler spolene til detektorelektronikken én etter én og målesignalet fra detektorelektronikken føres videre for tolkning, presentasjon, informasjon og styring.

Den foreliggende oppfinnelse:

Dette måleprinsippet benyttes til måling av vannfraksjon i flerfase blandinger der vannkomponenten er den eneste elektrisk ledende komponenten. Det benyttes da en eksitasjonsspole 40 med en oscillator 41 og en deteksjonsspole 42 med en spenningsdetektor 43, som vist i figur 5. Begge spolene 40,42 anordnes utenpå et rør av elektrisk isolerende materiale 44 som fremfører flerefasebland-ingen. En oscillator setter opp en vekselspenning i spolen for induksjon av et magnetfelt gjennom røret. Fraksjonen (andelen) av elektrisk ledende komponenter i blandingen bestemmer styrken av det induserte magnetfelt, og derved den indusert spenning i detektor/målespolen.

I en olje-/vann-/gassblanding vil den induserte spenning i målespolen være avhengig av vanninnholdet, men ikke av gass- og oljeinnholdet i blandingen, siden disse to siste komponentene ikke er elektrisk ledende. I flerfase strømnings- metre benyttes i dag permittivitetsmåling og/eller gamma-absorbsjonsmåling for å bestemme fraksjonene i blandingene. Begge disse målemetodene blir på-virket av alle tre komponentene samtidig, noe som kompliserer fraksjonsbereg-ningen. Dette måleprinsippet gjør det mulig å måle vannfraksjonen fra 0 til 100% vann uavhengig av mengden av de andre komponentene i blandingen når disse er elektrisk isolerende. Målingene vil imidlertid bli influert av vannkom-ponentens ledningsevne, men ved å benytte seg av impedansen ved resonans kan denne innflytelse elimineres.

Dråpestørrelsesfordelingen i væskeblandingen vil også influere på måleresul-tatet både i vannkontinuerlig og vanndiskontinuerlig fase. For å kompensere for denne innflytelsen trengs en måling med en parallelt stående eksitasjonsspole med annen resonansfrekvens. Vi har da tre uavhengige målevariable til å løse de tre ukjente: Ledningsevne i vannkomponenten, dråpestørrelesfordelingen i væskeblandingen og vannfraksjonen (vannkutt).

Det praktiske arrangement for måling av vannfraksjonen i væske/ gassbland-inger.

Måleren for deteksjon av vannkutt i rørstrøm bygges eksempelvis som vist i figur 6.

To eksitasjonsspoler 50,52 er viklet rundt et isolerende rør 54 ("liner") av et elektrisk isolerende materiale (så som av såkalt peek). Mellom de to eksitasjonsspolene 50,52 er det om røret 54 viklet en detektorspole 56 for feltet som genereres av de to ytterspolene. De tre spolene 50,52,56 er montert inne i en kappe 58 såsom av stål, og hele denne enheten omslutter det legeme (rør/ka-nal) som væsken strømmer igjennom. Væsken strømmer fortrinnsvis nedenfra og oppad, som vist med pilen 60. De to eksitasjonsspolene 50,52 er tilkoplet respektive eksitasjons-oscillatorer 62 hhv 64 som setter opp respektive veksel-spenninger med ulike frekvenser fl og f2, for eksempel slik at f1>f2. Videre er detektorspolen 56 tilkoplet en spenningsdetektor 66 som registrerer den induserte vekselspenning som følge av det induserte motrettede magnetfelt som igjen følger av vannet i den strømmende olje. Den induserte spenningen i detektorspolen er til enhver tid summen av den induserte spenningen fra de magnetiske felt fra eksitasjonsspolen og inneholder således to frekvenser. Amplituder og frekvenser detekteres og vannfraksjon og ledningsevne i vannet beregnes f.eks. ved hjelp av matematiske modeller eller et nevralt nettverk. Dersom det benyttes én frekvens og resonansfrekvensen for én spole eller indusert spenning i detektorspolen benyttes, må ledningsevnen i vannet være kjent. Vannfraksjon og ledningsevne kan variere.

Ved å bruke ulike frekvenser har man to uavhengige ligninger som kan benyttes til å beregne vannfraksjon og ledningsevnen i vannet ved bruk av nevnte matematiske modeller.

Bruk av én frekvens kan frembringe både resonansfrekvens og impedanse som gir ot uavhengige variable som også kan benyttes til å beregne væskefraksjon og ledningsevnen i væsken.

De eksperimentelle resultater fra målinger utført på en trekomponent strøm-ningsrigg (olje/vann/gass) er vist i figur 7. Figuren viser den induserte spenning i millivolt som funksjon av vannfraksjonen i prosent. Det framgår at både for de to overgangsfasene, vannkontinuerlig og oljekontinuerlig fase, synker den induserte spenning når vannandelen stiger. Forsøkene, med målepunktene angitt på figur 7, viser det brå fallet i indusert spenning med økende vannandel, ved overgangene mellom vannkontinuerlig og oljekontinuerlig fase. Nøyaktig hvor fallet inntreffer avhenger av fra hvilken retning man måler fra. Enten i oljekontinuerlig med avtagende vannfraksjon eller i vannkontinuerlig med økende vannfraksjon. Man oppnår således en hysteresesløyfe, og dette område definerer da skillet mellom de to grensesjiktene.

Spenning-eksitasjon/detector-spolene ifølge figurene 5-6 er innbefattet i en større krets, slik som den som anvendes i forbindelse med figurene 1-4, for å analysere impedanse/resonans-frekvensen, og hvor sammenligningen gjen-nomføres med kalibrerte måleverdier, slik at man kan fremskaffe data over innhold/fordeling av ledende komponent i flerfasefluidet. Dermed kan man analysere på fraksjonen av ledende komponent.

Fremgangsmåten og anordningen som er beskrevet i forbindelse med figurene 5-7, er særlig anvendelig for å måle ledende komponent(er) i strømmende flerfaseblandinger av vann, olje og gass. Dette er relevant under utvinningen av hydrokarboner fra et oljefelt under den vanlige transporten og behandlingen av slike blandinger, for eksempel i raffinerier.

Slike strømmende blandinger er mer eller mindre blandet til emulsjoner, for eksempel oljedråper i vann (vannkontinuerlig fase) eller vanndråper i olje (oljekontinuerlig fase), dvs. på en skala mellom ren vannfase og ren oljefase. Over tid vil tilstanden i en slik blanding variere.

Dette betyr at fremgangsmåten og anordningen, i kombinasjon med anvendelse av hysteresekurve-presentasjoner som vist på figur 7, kan anvendes til å finne (ved hjelp av dataprosessering med matematiske modeller eller nevrale nettverk) hvilken emulsjonstype som er dominant i det strømmende fluidet til enhver tid, og hvor den nevnte emulsjonsgrad befinner seg (i dråpestørrelses-fordel-ing). Således kan man hele tiden overvåke og få fram informasjon om tilstanden i flerfasestrømmen. Dette er en særlig viktig anvendelse av oppfinnelsen, og representerer et stort fremskritt for oljeindustrien.

Tilsvarende metodologi anvendes for å kartlegge enhver forekommende over-gangsemulsjoner mellom ren olje og vannfaser i en tank, så som i en lagertank, som beskrevet i forbindelse med figur 1-4 - se det parallelle norsk patent NO-326.208 som gjelder nivåmålinger. Således kan man kartlegge hvor over-gangen mellom de oljekontinuerlige og vannkontinuerlige fasene ligger.

Dessuten kan oppfinnelsen anvendes på alle flerfaseblandinger (særlig ubland-bare blandinger), som inneholder en blanding av ledende og ikke-ledende komponenter. For eksempel generelt innenfor kjemisk industri, og næringsmiddel-industrien, så som under behandling av melk, for eksempel under homogeni-sering hvor fraksjonen/andelen av fett i melken skal reguleres eller emulgeres.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til måling av konsentrasjoner av en ledende vannfraksjon i en flerfase-strøm,karakterisert ved at det påtrykkes en vekselspenning ved anvendelse av en eksitasjonsspole (50) som er anordnet omsluttende rundt et legeme, så som et rør, som fremfører flerfase-strømmen, hvor vekselspenningens frekvens er i størrelsesorden 5MHz og opp til 20 MHz, at en indusert spenning registreres med en detektorspole (56) som er anordnet omsluttende rundt legemet, hvorved vannkonsentrasjonen i flerfase-strømmen å bestemmes basert på nevnte induserte spenning, at trinnet hvor det påtrykkes en vekselspenning ytterligere omfatter at det påtrykkes en første resonansfrekvens f1 ved anvendelse av nevnte eksitasjonsspole (50) og en andre resonansfrekvens f2 ved anvendelse av en andre eksitasjonsspole (52), og at de første og andre resonansfrekvenser (fl hhv f2) er innbyrdes forskjellige, slik at den resulterende induserte spenning i detektorspolen (56) utgjør summen av induserte spenninger fra magnetfeltene som oppsettes av eksitasjonsspole (50) og den andre eksitasjonsspole (52), frembringer uavhengige parametre.

2. Apparat til måling av konsentrasjoner av en ledende vannfraksjon i en flerfase-strøm,karakterisert vedat et legeme, så som et rør, innrettet til å fremføre flerfasestrømmen, en eksitasjonsspole (50), en detektorspole (56), hvor - eksitasjonsspolen (50) og detektorspolen (56) er anordnet omsluttende rundt legemet, og eksitasjonsspolen (50) er innrettet til å påtrykkes en vekselspenning, - detektorspolen (56) er innrettet til å registrere en indusert spenning slik at konsentrasjoner av ledende vann i flerflasestrømmen kan bestemmes, - eksitasjonsspolen (50) er innrettet til å påtrykke en vekselspenning med en første resonansfrekvens fl, idet apparatet videre omfatter en andre eksitasjonsspole (52) innrettet til å påtrykke en vekselspenning med en andre resonansfrekvens f2, hvor de første og andre resonansfrekvenser er innbyrdes forskjellige, slik at den induserte spenning i detektorspolen (56), hvilken induserte spenning som er summen av indusert spenning fra magnetfeltene som dannes av eksitasjonsspolen (50) og den andre eksitasjonsspole (52), frembringer uavhengige parametre.

3. Apparat i samsvar med krav 2,karakterisert vedat detektorspolen (56) er anordnet mellom de to eksitasjonsspolene (50,52).

4. Apparat i samsvar med krav 2 eller 3,karakterisert vedat de to eksitasjonsspolene (50 hhv 52) og detektorspolen (56) er montert inne i en kappe (58), så som av stål, og kappen (58) omslutter legemet.

5. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 og apparatet ifølge kravene 2 - 4 for å måle den ledende vannfase i en strømmende blanding av olje, vann og gass hvor vannet er elektrisk ledende, mens gassen og oljen er ikke-ledende.