NO336094B1 - Apparat for føling av fluidstrømning i et rør - Google Patents

Description

APPARAT FOR FØLING AV FLUIDSTRØMNING I ET RØR

Denne oppfinnelsen vedrører følerapparater for fluidstrøm hvor det brukes fiberoptikk og nærmere bestemt de anordninger som måler lydhastighet, strømningshastighet og andre parametere i et rør ved bruk av akustiske signaler og kortvarige, lokale trykkvariasjoner i strømningen.

I petroleumsindustrien tillegges evnen til i sanntid å kunne overvåke strømningen av petroleumsprodukter i en brønns produksjonsrør stor verdi. Historisk har strømnings-parametere, slik som hovedstrømningens hastighet, vært følt ved hjelp av venturity-peanordninger anbrakt direkte inne i fluidstrømmen. Disse typer anordninger har flere ulemper, deriblant det faktum at de frembringer en uønsket strømningshindring, de utsettes for det aggressive miljøet inni røret, og at de typisk frembringer uønskede potensielle lekkasjebaner inn i eller ut av røret. I tillegg er disse typer anordninger også kun i stand til å fremskaffe informasjon relatert til fluidhovedstrømning, og er derfor ikke i stand til å fremskaffe informasjon spesifikt for bestanddelene i en multifa-sestrømning.

Noen teknikker benytter lydens hastighet for å bestemme de ulike parametere i fluid-strømmen inne i et rør. En teknikk måler summen av tiden det tar for lydsignaler å gå frem og tilbake mellom ultrasoniske sendere/mottakere (transceivere). Dette refereres noen ganger til som "sing-around"- eller "gangtid"-metoden. US patenter 4.080.837, 4.114.439 og 5.115.670 viser variasjoner av denne metode. En ulempe med denne type teknikk er at gassbobler og/eller partikler i fluidstrømmen kan forstyrre signalene som går frem og tilbake mellom transceiverne. En annen ulempe med denne teknikk-type er at den kun vurderer fluidet som befinner seg mellom transceiverne i løpet av signalgangtiden. Fluidstrøm inne i en brønn vil svært ofte være heterogen og for eksempel inneholde lokaliserte konsentrasjonsvariasjoner ("plugger") av vann eller olje. Lokaliserte konsentrasjonsvariasjoner kan påvirke nøyaktigheten av de innsamlede data.

Flerfase strømningsmålere kan bli benyttet til å måle strømningsratene til individuelle bestanddeler i en fluidstrøm (for eksempel en blanding av olje, gass og vann) uten at det er behov for separasjon av bestanddelene. Imidlertid er de fleste flerfase strøm-ningsmålere som er tilgjengelig i dag, konstruert for å brukes ved brønnhodet eller plattformen. Et problem med å benytte en strømningsmåler ved brønnhodet til en fler-kildebrønn er at fluidstrømmen som kommer til strømningsmåleren, er en blanding av fluidene fra de ulike kildene som befinner seg ved forskjellige posisjoner i brønnen. Så selv om flerfase-strømningsmåleren frembringer fordelen med å skaffe spesifikk informasjon for individuelle bestanddeler i en fluidstrøm (noe som er en forbedring i forhold til volumstrømningsfølere), er informasjonen de frembringer fremdeles begrenset fordi det ikke er mulig å skille kilder.

Det å samle inn pålitelige og nøyaktige fluidstrømningsdata nede i brønnhullet ved et bestemt kildemiljø, er en teknisk utfordring i det minste av følgende grunner: For det første er fluidstrømmen i et produksjonsrør aggressiv mot følere som er i direkte kontakt med fluidstrømmen. Fluider i produksjonsrøret kan erodere, korrodere, slite på, og på andre måter bringe følere anbrakt i direkte kontakt med fluidstrømmen i fare. I tillegg er hullet eller porten som føleren danner direkte kontakt gjennom, eller som en kabel føres gjennom, et potensielt lekkasjeområde. Det er store fordeler ved å for-hindre fluidlekkasje ut av produksjonsrøret. For det andre er miljøet i de fleste brøn-ner barskt ogkarakterisert vedekstreme temperaturer, trykk og partikkelmateriale. Ekstreme temperaturer kan deaktivere og begrense levetiden for elektroniske kompo-nenter. Følere anbrakt på utsiden av produksjonsrøret kan også utsettes for miljøma-terialer, slik som vann (ferskt eller salt), damp, slam, sand osv. For det tredje gjør brønnmiljøet det vanskelig og dyrt å komme til de fleste følere straks de er blitt installert og posisjonert nede i brønnhullet.

Det som derfor trengs er et pålitelig, nøyaktig og robust apparat for å føle fluidstrøm-ning i et rør, et som kan føle fluidstrømning i et rør på en ikke-intrusiv måte, som er anvendelig i et miljø preget av ekstreme temperaturer og ekstreme trykk samt tilste-deværelsen av partikkelmateriale, som kan fjernstyres og som sannsynligvis ikke be-høver å byttes ut eller rekalibreres straks det er installert.

WO 00/00793 beskriver et apparat for måling av lydhastigheten for fluid i et rør ved bruk av et romlig arrangement av akustiske trykkfølere plassert i forhåndsbestemte aksiale lokaliseringer langs røret.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et pålitelig, nøyaktig, kompakt og fjernstyrbart apparat for ikke-intrusiv føling av fluidstrømning i et rør, et som kan føle fluidstrømningsparametere i et rør på en ikke-intrusiv måte, som er anvendelig i et miljø preget av ekstreme temperaturer og ekstreme trykk, og som sannsynligvis ikke behøver å byttes ut eller rekalibreres straks det er installert.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet et apparat for ikke-intrusiv fø-ling av fluidstrøm inne i et rør, hvor apparatet innbefatter et rør for å inneholde et

fluid. Ifølge oppfinnelsen omfatter apparatet en akustisk føleranordning omfattende et arrangement av følere for tilveiebringelse av et akustisk signal som angir lydhastigheten i fluid som strømmer inne i røret, hvor den akustiske føleranordningen er festet til den utvendige veggen av røret; og en føleranordning for strømningshastighet koplet til den akustiske anordningen, omfattende et arrangement av følere for tilveiebringelse av signaler som angir trykkvariasjoner i fluidet som beveger seg med tilnærmet en

samme hastighet som fluidet, hvor føleranordningen for strømningshastighet er festet til den utvendige veggen av røret, hvor røret er tilstrekkelig ettergivende til at føleran-ordningene kan føle lydhastigheten i fluidet og hastigheten til fluidet gjennom rørveg-gen, hvor hver føler omfatter minst én spole av optisk fiber viklet rundt omkretsen av røret, hvor følerne av den akustiske føleranordningen har en avstand på 18 tommer (ca. 46 centimeter) fra hverandre, senter til senter, og hvor følerne av føleranordning-en for strømningshastighet har en avstand på 1,8 tommer (ca. 4,6 centimeter) fra hverandre, senter til senter.

Funksjonen til hvert av følerarrangementene og informasjonen innhentet for å utføre denne funksjon, er forskjellig fra den til den andre føleranordning, noe som lett kan sees dersom en tar i betraktning at fluidstrømningens aksiale hastighet er liten og derfor neglisjerbar sammenliknet med lydhastigheten i blandingen (dvs. hastigheten til en kompresjonsbølge som går gjennom fluidet i røret). De lokale trykkvariasjonene som føles av det andre følerarrangementet, beveger seg sammen med fluidstrømningen og har derfor omtrent den samme aksiale hastighet som fluidstrømningen. De lokale trykkvariasjoner har en liten koherenslengde (iblant referert til som "lengdeskala") som har en typisk varighet i størrelsesordenen én til ti rørdiametre. De akustiske signaler som føles av det første følerarrangementet derimot, er trykkvariasjoner som beveger seg gjennom fluidstrømmen med lydens hastighet. De akustiske signaler har en koherenslengde i størrelsesorden ett hundre til ti tusen rørlengder, hvilken koherenslengde i størrelsesordener er større enn den til de ovennevnte lokale trykkvariasjoner.

En fordel med den foreliggende oppfinnelse er at den muliggjør innhenting av strøm-ningsdata nede i en brønn, ved eller nær fluidstrømningens kilde. Som et resultat av dette kan nøyaktige strømningsdata innhentes individuelt fra en eller flere kilder, i stedet for data fra en blanding av disse kilder. Fluidstrømningsdata fra forskjellige kilder muliggjør bestemmelse av hastigheten og fasefraksjonen til fluider som strømmer fra hver kilde.

En annen fordel med den foreliggende oppfinnelse er at den på en ikke-intrusiv måte fremskaffer rørfluidstrømningsdata. Følerarrangementene ifølge den foreliggende oppfinnelse festes til rørets ytre overflate og behøver dermed ikke en åpning inn til fluid-strømningsbanen. Som et resultat av dette elimineres en potensiell lekkasjebane inn til eller ut fra fluidstrømningsbanen, og følerarrangementene beskyttes fra fluidstrøm-ningen inne i røret.

Det foreliggende apparat er også beskyttet fra miljøet på utsiden av produksjonsrøret av det kompakte huset som enkelt kan anbringes inne i brønnforingen. Huset beskyt-ter følerarrangementene fra fluid og partikkelmateriale som kommer inn i ringrommet mellom produksjonsrøret og brønnforingen. Som et resultat av dette kan den foreliggende oppfinnelse bruke et bredere utvalg av føleranordninger enn det som ellers ville være mulig. I tillegg, i utførelsen hvor følerarrangementene er anbrakt inne i en trykkbeholder, er følerarrangementene anbrakt inne i et gassmiljø ved et i det vesent-lige konstant trykk. Det gassholdige miljøet inni huset tilveiebringer en betraktelig akustisk isolering av arrangementene fra omgivelsene på utsiden av huset. Variasjoner i trykket ved trykkbeholderens utside som kan påvirke følerarrangementene, svekkes derfor effektivt. På grunn av alt dette er påliteligheten og holdbarheten tilsva-rende forbedret, og følgelig reduseres sannsynligheten for en påkrevd utskiftning eller rekalibrering.

Andre fordeler med den foreliggende oppfinnelse kommer av det faktum at den benytter trykkføling som tar gjennomsnittet langs omkretsen av røret. Det å ta gjennomsnittet langs omkretsen hjelper til med å filtrere bort ikke-asymmetriske trykkforstyr-relser, slike som de som assosieres med transversale rørvibrasjoner, strømningsstøy og akustiske svingninger med større dimensjon så vel som ikke-ensartet fluidstrøm-ning gjennom rørets tverrsnittsområde. Denne egenskap er nyttig i forbindelse med måling av forplantende éndimensjonale akustiske bølger og også virvelforstyrrelser med stor lengdeskala.

De ovennevnte og andre formål, egenskaper og fordeler med den foreliggende oppfinnelse vil bli mer tydelige i lys av den følgende detaljerte beskrivelse av eksempler på utførelsesformer med referanse til de ledsagende tegninger, hvor:

Figur 1 er et skjematisk oppriss av en brønn som har et foringsrør og et rør og strøm-ningsmålere ifølge den foreliggende oppfinnelse anbrakt ved ulike lokasjoner langs røret på innsiden av foringsrøret; Figur 2 er et skjematisk oppriss av et eksempel på en utførelse av et apparat ifølge den foreliggende oppfinnelse for ikke-intrusiv måling av fluidstrømningsparametere inne i et rør; Figur 3 er et skjematisk oppriss av en utførelse av en føleranordning innenfor den foreliggende oppfinnelse; Figur 4 er et skjematisk oppriss av en utførelse av en føleranordning innenfor den foreliggende oppfinnelse; og Figur 5 er et skjematisk oppriss av en utførelse av en føleranordning innenfor den foreliggende oppfinnelse.

Med henvisning til figur 1 er det vist et intelligent oljebrønnssystem 10 som inneholder en eller flere produksjonsrør 12 som strekker seg nedover gjennom et foringsrør 14 til én eller flere oljekilder 16. Et ringrom 18 ertildannet mellom røret 12 og foringen 14. Hvert produksjonsrør 12 kan innbefatte en eller flere laterale seksjoner som avgreines for å få tilgang til ulike petroleumskilder 16, eller ulike områder av den samme petro-leumskilde 16. Fluidblandinger strømmer fra kilder 16 til plattformen 20 gjennom pro-duksjonsrørene 12. Fluidblandingene består hovedsakelig av petroleumsprodukter og vann. Produksjonsrøret 12 innbefatter ett eller flere apparater 22 ifølge den foreliggende oppfinnelse for ikke-intrusiv føling av fluidstrømning inne i et rør (i det etterføl-gende også kalt en "strømningsmåler") for å overvåke forskjellige fysiske parametere til fluidblandingene mens de strømmer gjennom produksjonsrørene 12.

Den foreliggende strømningsmåler 22 ifølge den foreliggende oppfinnelse innbefatter et første følerarrangement 24 for føling av akustiske signal som går med lydens hastighet gjennom fluidet inne i røret 12 (heretter også kalt "SOS følerarrangement"), et andre følerarrangement 26 for føling av kortvarige, lokale trykkvariasjoner som går med fluidstrømmen (heretter også kalt "følerarrangement for strømningshastighet"), og et hus 28 festet til røret 12 for innkapsling av følerarrangementet 24, 26. Hver strømningsmåler 22 kan innlemmes i en eksisterende seksjon av produksjonsrøret 12, eller den kan innlemmes i en spesiell rørseksjon som blir satt inn på linje med produk-sjonsrøret 12. Fordelingsplanen av strømningsmålere 22 vist i figur 1 muliggjør at en operatør for det intelligente brønnsystem 10 kan fastslå omfanget og lokasjonen av vanngjennombrudd inn i petroleumsreservoaret. Tilgjengeligheten av denne type av informasjon tillater brukeren å overvåke og intelligent kontrollere petroleums reservoa-rets produksjon.

Følerarrangementet 24, 26 mottar optisk effekt og produserer optiske signaler via fiberoptiske kabler 30 som strekker seg mellom strømningsmåleren 22 og instrumentering 100 (for eksempel instrumentering slik som, men ikke begrenset til, vist i den felleseide og samtidig pågående amerikanske patentsøknaden med serienr. [Docket no. CC-339], som herved medtas som referanse) anbrakt på plattformen 20 eller en fjernlokasjon som er i kommunikasjon med plattformen 20. Fiberoptiske trykkfølere 32 inni hvert følerarrangement 24, 26 kan tilkoples plattforminstrumenteringen individuelt, eller de kan multiplekses langs ett eller flere optiske fibre ved å benytte kjente teknikker som innbefatter, men ikke begrenses til, multipleksing ved hjelp av bølge-lengdeinndeling WDM -wavelength division multiplexing, og multipleksing ved hjelp av tidsinndeling TDM -time division multiplexing. I disse utførelser hvor de fiberoptiske trykkfølerne 32 ikke er koplet individuelt til instrumenteringen, kan følerarrangemen-tet 24, 26 sine følere 32 koples til hverandre i serie eller parallell. De optiske signaler frembrakt av følerarrangementene 24, 26 skaffer informasjon relatert til fluidstrøm-ningskarakteristikken inne i røret 12 (for eksempel lokale strømningsforstyrrelser, for-plantning av akustiske lydbølger inne i strømmen, størrelse og endringer i strømnings-trykk, osv.). Tolking av de optiske signaler, som kan foretas ved å bruke metoder som er velkjente på fagområdet, muliggjør bestemmelse av fluidblandingens lydhastighet (SOS) og fluidstrømningshastigheten inne i røret 12. Straks SOS-en, strømningshas-tigheten og blandingens temperatur er kjent, kan andre ønskelige data bestemmes, slik som fasefraksjonen for bestanddelene i blandingen. De optiske signaler fra følerar-rangementene 24, 26 kan også tolkes ved å bruke metodene vist i de følgende felleseide og samtidig pågående amerikanske patentsøknader, men er ikke begrenset til å brukes sammen med disse: Amerikanske patentsøknader med numrene 09/105,534 ("Fluid Parameter Measurement in Pipes Using Acoustic Pressures" inngitt 26. juni, 1998), serienr. 09/344,070 ("Measurement of Propagating Acoustic Waves in Compli-ant Pipes" inngitt 25. juni 1999), serienr. 09/344,069 (Displacement Based Pressure Sensor Measuring Unsteady Pressure in a Pipe" inngitt 25. juni 1999), serienr. 09/344,094 ("Fluid Parameter Measurements in Pipes Using Acoustic Pressures" inngitt 25. juni 1999), og serienr. 09/344,093 ("Nonintrusive Fiber Optic Pressure Sensor for Measuring Unsteady Pressures within a Pipe" inngitt 25. juni 1999), som alle herved er medtatt som referanser. Figur 2 viser et utførelseseksempel av den foreliggende oppfinnelse, der SOS-følerarrangementet 24 og følerarrangementet 26 for strømningshas-tighet er anbrakt nærliggende hverandre på en felles rørlengde 12. Ytterligere detaljer vedrørende denne utførelsen er gitt nedenfor. Figurene 3-5 illustrerer skjematisk utfø- reiser av, og egenskaper til, følerarrangementer som kan brukes sammen med ett av eller begge følerarrangementer 24, 26.

For å unngå interferens fra utvendige kilder, og for å beskytte mot det barske miljøet inne i en brønn, er følerarrangementene 24, 26 innelukket i et hus 28 som er festet til en utvendig overflate av rørseksjonen 12. Huset 28 innbefatter en ytre hylse 34 som strekker seg mellom et par boss 36. Den eller de fiberoptiske kabler 30 som strekker seg mellom strømningsmåleren 22 og instrumenteringen, passerer gjennom en tettbar port 38 i ett eller begge boss 36 og er i forbindelse med følerarrangementene 24, 26. På utsiden av huset 28 er følerkabelen 30 oppbevart i et beskyttende ledningsrør 40 som er festet til røret 12. I den foretrukne utførelse danner huset 28, sammen med røret 12, en trykkbeholder. Trykket inni trykkbeholderen kan være større enn eller mindre enn det omsluttende trykket inni ringrommet 18 mellom foringsrøret 14 og røret 12. I andre utførelser er huset 28 tett for å beskytte følerarrangementene 24, 26, men fungerer ikke som en trykkbeholder. I alle utførelser velges huset 28 sin stør-relse og struktur for å motstå trykkgradientene som er tilstede i brønnmiljøet, for å huse størrelsen av følerarrangementene 24, 26, og for å kunne plassere følerarrange-mentene 24, 26 i en avstand fra huset 28, slik at varmeoverføring via røret 12 og/eller huset 28 ikke er skadelig for den herværende applikasjon. I en foretrukket utførelse er huset 28 fylt med en gass som består av, men ikke er begrenset til, luft, nitrogen, argon, osv. Det gassholdige miljø inne i huset 28 virker med fordel som en akustisk isolator som bidrar med å redusere trykkbølgeinterferens som ellers kan gå inn i huset 28 fra ringrommet 18 og på uønsket vis influere følerarrangementene 24, 26. Det gassholdige miljøet varmeisolerer også følerarrangementene 24, 26.

I noen applikasjoner er det fordelaktig å plassere flere dempere inne i huset for å hjelpe med å opprettholde separasjon mellom husets ytre hylse og røret. Amerikansk patentsøknad serienr. [Client Docket No 5897-06] viser dempere som kan brukes på denne måten, og den er herved referert til.

Rørseksjonen 12 har en elastisitet som velges for å passe til den herværende applikasjon. Røret 12 må ha en tilstrekkelig strukturell integritet til å tåle trykkgradienten på tvers av røret 12, men det må likevel være i stand til å avbøye (dvs. endre omkrets) tilstrekkelig til at nyttig informasjon tilveiebringes. Størrelsen på røret 12 sin omkretsendring for en gitt trykkfordeling bestemmes av rørveggen 42 sin tykkelse og rørma-terialets fysiske egenskaper (for eksempel elastisitetsmodul, osv.). Tykkelsen av rør-veggen 42 og rørmaterialet kan derfor velges for å bidra med å fremstille en fordelaktig følersensitivitet for det foreliggende apparat. Egenskapene for røret 12 nærliggende hvert foreliggende apparat kan være de samme som eller forskjellige fra egenskapene for andre seksjoner av produksjonsrøret 12.

Hver av de optiske trykkfølere 32 som benyttes i SOS og følerarrangementene 24, 26 for strømningshastighet, innbefatter flere fiberoptiske spoler 32. Hver spole 32 er viklet én eller flere omdreininger rundt omkretsen av rørseksjonen 12, og på en måte som tillater lengden av den optiske fiber inni spolen 32 å endres som en reaksjon på en endring i omkretsen av røret 12. Dersom, for eksempel, et rør 12 kan ventes å oppvise en maksimal omkretsendring " y", vil en enkeltviklingsspole utsettes for en maksimal potensiell lengdeendring " y" (eller en kjent funksjon av "y"). Dersom en optisk måleteknikk ikke er følsom nok til å registrere en avstandsendring lik " y", kan spolen 32 da vikles for å innbefatte "n" antall viklinger. Endringen i fiberlengde " y" per vikling multipliseres derfor med "n" viklinger, og det frembringes en endring i fiberlengden som er stor nok til å produsere et brukbart signal (dvs. "n»y"). I tillegg til å frembringe et brukbart signal, kan den samme teknikk faktisk også benyttes til å øke sensitiviteten til føleren 32, og derfor rekkevidden av påviselige endringer av røret 12 sin omkrets. I alle tilfeller er lengden av den optiske fiber i hver spole 32 kjent, og velges for å fremskaffe den sensitivitet som behøves for å føle den/de forstyrrelser som er av interesse for den spesielle føler. Den foretrukne utførelse, som er beskrevet over, innbefatter spoler 32 viklet rundt omkretsen av røret 12. De fiberoptiske lengde-ne kan alternativt anordnes rundt et parti av røret 12 sin omkrets.

Viklingene av optisk fiber i en føler 32 er fortrinnsvis lagt ved siden av hverandre for å redusere den aksiale komponent for hver vikling, og derved holde hver vikling til en kjent, konstant lengde. Alternativt kan noen, eller alle, viklinger i en føler 32 være atskilt fra tilliggende viklinger. En spole 32 kan utgjøres av et enkelt lag av fiberoptiske viklinger eller av flerlags fiberoptiske viklinger, avhengig av anvendelsen. Den fiberoptiske spolen 32 i hver føler 32 kan festes til røret 12 ved hjelp av flere festeme-kanismer, som inkluderer, men ikke er begrenset til, klebemiddel, lim, epoksy eller tape. I en foretrukket utførelse brukes en tape som har klebrig substans festet til mot-satte sider av tapens underlag. Tapen fester seg både til røret 12 og fiberen og frembringer en jevn flate som fiberen kan legges på. Det er vår erfaring at tape brukt på en grov overflate bidrar med å redusere tap i mikrobend i den optiske fiber.

I de fleste utførelser innbefatter de optiske trykkfølerne 32 som brukes i SOS-en og følerarrangementet 24, 26 for strømningshastigheten, ytterligere én eller flere optisk reflekterende anordninger 46, som er anbrakt mellom spolene 32, og som kan av-stemmes mot bølgelengde. I en foretrukket utførelse består de optisk reflekterende anordninger 46 av Bragg fibergitter, FBG (Fiber Bragg Gratings). Som kjent, reflekterer FBG et forhåndsbestemt lysbølgelengdebånd som har en sentral maksimumsreflek-sjonsbølgelengde (Ab), og FBG lar de resterende bølgelengder av innfallende lys (innenfor et forhåndsbestemt bølgelengdeområde) passere. Tilførselslys sprer seg følgelig langs kabelen 30 til spolen 32, og FBG reflekterer bestemte lysbølgelengder tilbake langs kabelen 30. Det er vår erfaring at det i de fleste anvendelser er fordelaktig å plassere en isolasjonspute mellom hver optisk reflekterende anordning og rørets utvendige overflate for å tilpasse rørvekst og/eller vibrasjoner. Amerikansk patentsøk-nad serienr. [Client Docket No. 5897-05] viser en slik isolasjonspute og refereres herved til.

I utførelsen av den foreliggende oppfinnelse som er vist i figur 3, er følerne 32 koplet i serie, og en enkelt FBG 46 blir benyttet mellom hver føler 32, og hver FBG 46 har en felles refleksjonsbølgelengde KlmI utførelsen vist i figur 4 er følerne 32 koplet i serie, og par av FBG-er 46 er anbrakt langs fiberen ved hver respektive ende av følerne. FBG-parene 46 blir benyttet til å multiplekse de følte signaler for å identifisere de individuelle følerne 32 fra optiske retursignaler. FBG-paret 46 ved hver ende av den første føler 32A har en felles refleksjonsbølgelengde Åi, og det andre FBG-par 46 er ved hver ende av den andre føler 32B har en felles refleksjonsbølgelengde Å2som er forskjellig fra refleksjonsbølgelengden til det første paret av FBG 46. På liknende måte har FBG-er 46 ved hver ende av den tredje føler 32C en felles refleksjonsbølgelengde Å3, som er forskjellig fra Åi, Å2, og FBG-ene 46 ved hver ende av den fjerde føler 32D har en felles refleksjonsbølgelengde Å4, som er forskjellig fra Åi, Å2, Å3. Følerne 32 inne i begge følerarrangementene 24, 26 kan alternativt være parallellkoplet til hverandre ved å bruke optiske koplinger (ikke vist) som er anbrakt oppstrøms for hver føler 32, og som er koplet til en felles fiber.

Med referanse til figurene 2, 3 og 4 kan følerne 32 med de derimellom fordelte FBG-er 46 konfigureres på flere kjente måter for å nøyaktig måle fiberlengden eller endring i fiberlengde, slik som en interferometrisk, Fabry Perot, gangtid, eller andre kjente ar-rangementer. Et eksempel på en Fabry Perot teknikk er beskrevet i det amerikanske patent no. US 4,959,883 "Fiber Optic Sensor Arrangement Håving Reflective Gratings Responsive to Particular Wavelengths", av Glenn. Alternativt kan et parti av, eller alle, fibrene mellom den optiske refleksjonsanordning være dopet med dopingsmiddel av et sjeldent jorddopningsmiddel (som erbium) for å skape en avstembar fiberlaser, som det kan finnes eksempler på i de amerikanske patenter US 5,317,576, US 5,513,913 og US 5,564,832, som det refereres til heri.

I en alternativ utførelse vist i figur 5 kan følerne 32 også tildannes som et rent interferometrisk følerarrangement ved å bruke følere 32 uten å anbringe FBG-er 46 derimellom. I denne utførelsen er hver føler 32 koplet uavhengig til instrumenteringen ved plattformen 20, og kjente interferometriske teknikker benyttes for å bestemme eller endre lengden til fibrene rundt røret 12 som følge av trykkvariasjoner. Amerikansk patent US 5,218,197 med tittel "Method and Apparatus for the Non-invasive Measurement of Pressure Inside Pipes Using a Fiber Optic Interferometer Sensor", av Carroll, viser en slik teknikk. De interferometriske viklingene kan også multiplekses på en må-te som likner den som er beskrevet av Dandridge m.fl, "Fiber Optic Sensors for Navy Applications", IEEE, Feb. 1991, eller av Dandridge m.fl, "Multiplexed Interferometric Fiber Sensor Arrays", SPIE, Vol. 1586, 1991, sidene 176-183. Andre teknikker kan også benyttes for å bestemme endringen i fiberlengde. I tillegg kan optiske referan-sespoler (ikke vist) benyttes for bestemte interferometriske tilnærmelser, og kan også bli lokalisert på eller rundt røret 12, og de kan også være innrettet ufølsomme for trykkvariasjoner.

Tilliggende følere 32, inne i begge følerarrangementer 24, 26, holdes i avstand fra hverandre ved en kjent avstand eller kjente avstander. Følerne 32 i et arrangement er fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, anbrakt like langt fra hverandre. I begge følerar-rangementene 24, 26 gjenspeiler avstanden mellom tilliggende følere 32 og antallet følere 32 signaltypen som blir følt, dvs. SOS følerarrangementet 24 benytter akustiske signaler med relativt lange bølgelengder, og følerarrangementet 26 for strømningshas-tighet benytter strømningens lokale trykkvariasjoner som har relativt liten koherenslengde. På grunn av egenforskjeller til signalene som føles, holdes følerne 32 i SOS følerarrangementet 24 i en relativt sett betydelig større avstand fra hverandre enn følerne 32 i følerarrangementet 26 for strømningshastighet. Den eksakte innbyrdes avstand og antallet spoler 32 i et følerarrangement 24, 26, er bruksavhengig, og er en funksjon av parametere slike som, men ikke begrenset til, spektrene av forventede akustiske signaler og lokale trykkvariasjoner, den forventende SOS til fluidbestandde-lene, antallet følere 32, den benyttede prosesseringsteknikk, osv. Eksempler på sig-nalprosesseringsteknikker kan finnes i de følgende referanser, som heri er referert: H. Krim, M. Viberg, "Two Decades of Array Signal Processing Research - The Parametric Approach", IEEE Signal Processing Magazine, sidene 67-94, R. Nielson, "Sonar Signal Processing", kap. 2, sidene 51-59.

Figur 2 viser et utførelseseksempel av en strømningsmåler 22 ifølge den forliggende oppfinnelse som kan føres på linje inn i et produksjonsrør 12 og anbringes i en pas-sende posisjon inni brønnen. Strømningsmåleren 22 innbefatter et SOS følerarrange- ment 24 og et følerarrangement 26 for strømningshastighet montert nærliggende hverandre på en rørseksjon 12 og lukket inne i et hus 28. En fiberoptisk kabel 30 strekker seg gjennom ett av husets boss 36 og er i forbindelse med en optisk forsinkelsesledning 48. En optisk fiber 50 forbinder deretter den optiske forsinkelsesledning 48 til SOS føleranordningen 24. SOS føleranordningen 24 innbefatter seks følere 32 anbrakt ved seks forhåndsbestemte lokasjoner ( xlr x2, x3, x4, x5, x6) langs røret 12, hvor hver føler 32 er atskilt med en lengdeøkning lik "x" fra tilliggende følere 32 innenfor SOS følerarrangementet 24. Hver føler er montert på en tape som har klebe-stoff på begge sider. En FBG 46 er anbrakt mellom den optiske forsinkelsesledning 48 og en føler 32. Én FBG 46 er også anbrakt mellom og forbundet med hvert par av tilliggende følere 32, slik at den optiske forsinkelsesledning 48, FBG-ene 46, og følerne 32 i SOS følerarrangementet 24 er anbrakt i serie med hverandre. Det foretrekkes, men er ikke nødvendig, å skråstille hver FBG 46 mellom tilliggende følere 32 for å begrense retningsendringens skarphet inni fiberen til hver føler 32 eller inni FBG-en 46.

En optisk fiber 52 strekker seg fra den siste føler 32 i SOS følerarrangementet 24 og over til en første føler 32 i det tilliggende følerarrangement 26 for strømningshastig-het. En FBG 46 er anbrakt på linje mellom de to innretninger. Følerarrangementet 26 for strømningshastighet innbefatter fire følere 32 anbrakt ved forhåndsbestemte lokasjoner (x7, x8, x9, x10) langs røret 12. På samme måte som SOS følerarrangementet 24, er hver føler 32 i følerarrangementet 26 for strømningshastighet montert på tape, og er atskilt med en lengdeøkning " x" fra tilliggende føler 32 i følerarrangementet 26 for strømningshastighet. Den aksielle avstanden "x" som atskiller følerne 32 i følerar-rangementet 26 for strømningshastighet er imidlertid vesentlig kortere enn den som er benyttet i SOS følerarrangementet 24 på grunn av ulikheten i trykkforstyrrelsenes egenskaper som søkes målt, dvs. SOS følerarrangementet 24 føler relativt lange akustiske bølgelengdesignaler som går gjennom fluidstrømmen med lydens hastighet, og følerarrangementet 26 for strømningshastighet føler strømningens lokale trykkvariasjoner med relativt kort koherenslengde. Én FBG 46 er anbrakt mellom, og er koplet sammen med, hvert par av tilliggende følere 32, slik at FBG-ene 46 og følerne 32 i følerarrangementet 26 for strømningshastighet er anbrakt i serie med hverandre. Også her foretrekkes det å skråstille hver FBG 46 mellom tilliggende følere 32 for å minimalisere de skarpe endringer inni fiberen til enten føleren 32 eller i FBG-en 46. I noen applikasjoner kan det være nyttig å tilkople en ekstra optisk forsinkelsesledning 48 etter den siste føler 32 i følerarrangementet 26 for strømningshastighet.

I en versjon av strømningsmåleren 22 i figur 2 som skal tjene som et eksempel for den foreliggende oppfinnelse, tildannes den/de optiske forsinkelsesledning(er) 48 ved å vikle omtrent 210 meter med optisk fiber omkring omkretsen til et rør med diameter 88 mm (3,5"). Hver spole til SOS følerarrangementet tildannes ved å vikle 102 meter med optisk fiber i ett enkelt lag rundt omkretsen til røret. Den optiske fiber vikles ved å bruke en strekkraft i fiberen på omtrent 25 gram. Hver vikling i spolen atskilles fra tilliggende viklinger med et gap på 15 um. Tilliggende spoler i SOS følerarrangement haren innbyrdes avstand, senter-senter, på omtrent 450 mm (18"). Hastighetsføler-arrangementet tildannes på samme måte, med unntak av at hver spole utgjøres av syv lag i stedet for ett enkelt lag, og tilliggende spoler har en innbyrdes avstand, senter-senter, på omtrent 4,6 mm (1,8"). I begge føleranordninger skjøtes FBG-ene inn i det parti av den optiske fiber som strekker seg i et spiralformet mønster mellom tilliggende spoler, eller mellom en spole og en forsinkelsesledning, osv. Hver FBG og skjø-tene som forbinder FBG-en til den optiske fiber, legges på en isolasjonspute.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet og illustrert ved hjelp av utførelseseksempler, kan det foregående og ulike andre tillegg og utelatelser bli foretatt deri og dertil uten å avvike fra oppfinnelsens ånd og omfang. Det foreliggende apparat har for eksempel blitt detaljert beskrevet til å være anbrakt på et sylindrisk rør 12. Det foreliggende apparat er ikke begrenset til sylindriske ledninger, og kan derfor brukes sammen med ledninger som har alternative tverrsnittsgeometrier. Den detaljerte beskrivelse beskriver også at det foreliggende apparat brukes inne i et brønnmiljø. Selv om det foreliggende apparat er spesielt anvendelig i et brønnmiljø, kan det brukes til å måle fluid-strømning i et rør 12 i en mangfoldighet av anvendelsesområder, og er derfor ikke begrenset til anvendelse i en brønn.

Claims (8)

1. Apparat for ikke-intrusiv føling av fluidstrømning, omfattende: et rør (12) for å inneholde et fluid; og som erkarakterisertved - en akustisk føleranordning (24) omfattende et arrangement av følere (32) for tilveiebringelse av et akustisk signal som angir lydhastigheten i fluid som strømmer inne i røret (12), hvor den akustiske føleranordningen (24) er festet til den utvendige veggen av røret (12); og - en føleranordning (26) for strømningshastighet koplet til den akustiske anordningen (24), omfattende et arrangement av følere (32) for tilveiebringelse av signaler som angir trykkvariasjoner i fluidet som beveger seg med tilnærmet en samme hastighet som fluidet, hvor føleranordningen (26) for strømnings-hastighet er festet til den utvendige veggen av røret (12), hvor røret er tilstrekkelig ettergivende til at føleranordningene (24, 26) kan føle lydhastigheten i fluidet og hastigheten til fluidet gjennom rørveggen, hvor hver føler (32) omfatter minst én spole av optisk fiber viklet rundt omkretsen av røret (12), hvor følerne (32) av den akustiske føleranordningen (24) haren avstand på 18 tommer (ca. 46 centimeter) fra hverandre, senter til senter, og hvor følerne (32) av føleranordningen (26) for strømningshastighet har en avstand på 1,8 tommer (ca. 4,6 centimeter) fra hverandre, senter til senter.

2. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende en optisk kilde optisk forbundet til den akustiske føleranordningen (24) og føleranordningen (26) for strømningshas-tighet.

3. Apparat ifølge krav 1, videre omfattende et hus (28) festet til røret (12) for innelukking av føleranordningene (24, 26).

4. Apparat ifølge krav 3, hvor huset omfatter en trykkbeholder.

5. Apparat ifølge krav 3, hvor huset (28) er fylt med luft, nitrogen eller argon.

6. Apparat ifølge ethvert av de foregående krav, hvor nærliggende følere (32) er adskilt av minst ett Bragg fibergitter (46).

7. Apparat ifølge ethvert av de foregående krav, hvor den akustiske føleranord-ningen (24) og føleranordningen (26) for strømningshastighet er koplet med en fiberoptisk kabel (52), som strekker seg fra en siste føler (32) i arrangementet av følere (32) av den akustiske føleranordningen (24) til en første føler i arrangementet av følere (32) av føleranordningen (26) for strømningshastighet.

8. Apparat ifølge ethvert av de foregående krav, hvor den akustiske føleranord-ningen (24) og føleranordningen (26) for strømningshastighet er multiplekset langs en felles fiberkabel.