NO337816B1

NO337816B1 - Måler og fremgangsmåte for måling av flerfasefluider og våt gass

Info

Publication number: NO337816B1
Application number: NO20030308A
Authority: NO
Inventors: Jonathan Stuart Lund; Paul Richard Daniel
Original assignee: Advantica Intellectual Property Ltd; Taylor Hobson Ltd
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2016-06-27
Also published as: DK1305579T3; NO20030308D0; GB2367138B; JP2004505236A; WO2002008702A1; NO20030308L; GB2367138A; EP1305579B8; BR0112634A; AU2001270811A1; GB0117534D0; EP1305579B1; JP3631233B2; US6898986B2; EP1305579A1; US20040011139A1; GB0017840D0

Description

Hydrokarbonfluider som utvinnes fra brønner består av en blanding av hydrokarboner i gassform, flytende hydrokarboner og vann. Det er ønskelig å måle sådanne hydro-karbonbrennstoffer i deres såkalte tofase-tilstand, hvor uttrykket tofase er ment å bety at et fluid består av både en gassfase og en væskefase. Væskefasen kan utgjøres av mer enn to bestanddeler, typisk olje og vann. Når gassvolumet er stort i forhold til volumet av væske, betegnes ofte et flerfaset brønnfluid som våt gass.

Metoder og apparater for måling av flerfasestrømninger er kjent. Som et eksempel beskriver WO 99/56091 en fremgangsmåte ved måling av gassmassefraksjonen i en masse av væske og gass som flyter langs en rørledning. Fremgangsmåten innebærer at det anordnes en strømningsbehandler for å skape en jevn blanding av gass og væske, mens en venturikanal plasseres nedstrøms for strømningsbehandleren. Ved å måle trykkforskjellen på steder over og/eller mellom de to strømningselementer kan gassmassefraksjonen i væske- og gasstrømningen bestemmes.

EP0684458 beskriver anordninger for måling av strømningsrate av flerfasefluider som oljebrønneffluenter. I en første utførelse (for måling av volumstrømningsrate), er en andre venturi anordnet nedstrøms for en første venturi og separert fra denne ved en kanal med lengde L med respektive trykkforskjellsfølere som detekterer trykkforskjellen som genereres ved den første og andre venturi. I en andre utførelsesform (for måling av massestrømningsrate), samt anordning av første og andre venturi i en omvendt U-form, er det også tilveiebrakt, oppstrøms for den første venturi, en tredje venturi som har en trykkforskjellsføler for å tilveiebringe et ytterligere trykkforskjellssignal, og et gradiomanometer, oppstrøms for den tredje venturi og over hvilken en ytterligere trykkforskjells-føler er anordnet. I en tredje utførelse, hvor den tredje venturi er utelatt og dens trykk-forskjellsføler er forbundet over den første venturi, er det beskrevet anvendelsen av en anordning for å homogenisere fluidet når det kommer inn i målekretsen.

US4856344 beskriver en fremgangsmåte og et apparat for måling av strømning i et rør slik som et borehull, særlig tofasestrømning. En første trykkforskjellsmåling utføres over en gradiomanometer-seksjon som er av ensartet diameter, og en andre trykkforskjellsmåling utføres over en venturi nedstrøms for gradiomanometeret. I en ytterligere utførelsesform er en homogenisator tilveiebrakt oppstrøms for gradiomanometer-seksjonen som omfatter en trinnvis endring i diameter fra en liten diameter til en stor diameter, for derved å skape turbulenspåkjenninger ved plutselig utvidelse av tverrsnittsarealet.

US 5597961 beskriver et to- og trestrømnings målesystem. Systemet anvender en trefase-strømings- (olje, vann, gass) vannkuttovervåker som er i stand til å måle gassfraksjon, så vel som flytende olje-til-vann-forhold, i kombinasjon med en strømningsmåleanordning, slik som en strupeskive og en trykkforskjellsmåler. Systemet omfatter en statisk blander 18 oppstrøms for vannkuttovervåkeren. Anordningen benytter en vannkuttovervåker som måler andeler av fluidkomponenter ved å måle elektriske / dielektriske egenskaper som respons på mikrobølgestråling.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en måler for måling av gassmassens strømnings-rate og den totale væskemasses strømningsrate i et tofaset eller flerfaset fluid, som omfatter et første strømningselement, og andre og tredje strømningselement anordnet slik at de plasseres i rekkefølge nedstrøms for det første strømningselement,karakterisert vedat det første strømningselement er anordnet for å blande sammen eller homogenisere fluider som passerer derigjennom, og at det andre og tredje strømningselement begge har utstyr for å endre strømningsmønsteret til fluider som passerer derigjennom og utstyr for å gi en angivelse av trykkforskjellen i fluidet som passerer gjennom vedkommende element, og hvor det andre og tredje strømningselement har en ulik indre konfigurasjon, idet strømningsmønsteret til fluider som passerer derigjennom endres på de ulike måter.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte ved måling av gassmassens strømningsrate og den totale væskemasses strømningsrate i et tofaset eller flerfaset fluid, som omfatter å bringe fluidet gjennom, i rekkefølge, første, andre og tredje strømningselementer,karakterisert vedat den omfatter at det tofasede eller flerfasede fluid sammenblandes eller homogeniseres ved å bringe det gjennom et strømnings-element, det sammenblandede eller homogeniserte fluid bringes gjennom et andre strømningselement, idet det andre strømningselement inkluderer utstyr for å endre strømningsmønsteret til fluider som passerer derigjennom, og trykkforskjellen over det andre strømningselement måles, fluidet bringes så gjennom et tredje strømningselement, idet det tredje strømningselement inkluderer utstyr for å endre strømningsmønsteret til fluider som passerer derigjennom, og trykkforskjellen måles over det tredje strømnings-element, trykkforskjellene målt over det andre og tredje strømningselement utnyttes for å bestemme enten gassmassens strømningsrate eller væskemassens strømningsrate, eller begge strømningsrater, i det passerende fluid, og hvor det andre og det tredje strøm-ningselement har en ulik indre konfigurasjon, idet strømningsmønsteret til fluider som strømmer igjennom dem endres på ulike måter.

Ytterligere utførelsesformer av måleren og fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav.

Det beskrives en måler for å måle flerfasefluider, som omfatter en rekke på i det minste tre strømningselementer. Det første av de tre elementer er anordnet for å blande sammen fluider som passerer derigjennom, mens det andre og tredje element er strømnings-målende anordninger basert på trykkforskjeller. Det andre og tredje element anordnes etter et eksisterende første element som kan utføre en tilstrekkelig grad av sammenblanding. De strømningsmålende anordninger basert på trykkforskjeller er fortrinnsvis konfigurert for å gi målinger som er uavhengig av hverandre. Hvert av strømnings-elementene kan skape en viss form for trykkfall langs sin lengde. Det første og tredje element har fortrinnsvis en indre geometri som kan være dannet av en eller flere innvendige fremspring, mens det andre element fortrinnsvis har en venturikanal.

Foretrukne eksempler på det første aspekt av foreliggende oppfinnelse har vist seg å gi meget nøyaktige og konsekvente målinger av strømningsrater både av gass og væske ved utnyttelse av trykk- eller trykkforskjellsmålinger. Nøyaktige og overensstemmende målinger opprettholdes til og med ved middels, store og meget store gasslomme-fraksjoner.

Det beskrives et strømningselement som omfatter en kanal i hvilken det er i det minste to fremspring. Strømningselementet har fortrinnsvis to fremspring som rager innover fra hovedsakelig motstående indre overflater av strømningselementet. Fortrinnsvis er fremspringene forskjøvet i forhold til hverandre langs en aksial lengde av kanalen. Et sådant strømningselement vil grundig sammenblande og homogenisere blandinger av fluider som passerer igjennom det. En trykkforskjell kan måles over strømningselementet.

Hvert aspekt av oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av et eksempel med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 skjematisk viser en måler for måling av tofasede eller flerfasede fluider, og fig. 2 viser et spalteelement som kan brukes som et av strømningselementene.

Et eksempel på en strømningsmålende anordning som anskueliggjør denne oppfinnelse, er vist i fig. 1. Denne anordning består av tre hovedsakelig sylindriske strømnings-elementer 1,2,3 som i dette tilfelle er koblet i serie ved hjelp av flenser 5, 6. Inne i det første element 1 er det to bleier eller kiler 8, 9 som rager mot hullaksen. Hver kile 8, 9 har en første overflate 10, 13 orientert på skrå i forhold til hullet og som generelt vender mot oppstrømsenden av måleren 31, en andre overflate 11, 14 som løper parallelt med hullaksen og en tredje overflate 12, 15 orientert på skrå i forhold til hullet og som generelt vender mot nedstrømsenden av måleren 32. En gitt kile 8, 9 har en hovedsakelig halvsylindrisk omkretsoverflate, hvis krumme parti samsvarer med hullets sylindriske innervegg. I dette eksempel er de to kiler 8, 9 forskjøvet i forhold til hverandre og plassert slik at oppstrømskilen 8 befinner seg på toppen av det sylindriske hull, mens nedstrøms-kilen 9 befinner seg på bunnet av hullet. Det er et gap mellom oppstrømsoverflaten 13 av nedstrømskilen 9 og nedstrømsoverflaten 12 av oppstrømskilen 8 for å gjøre det mulig for kilene å rage over mer enn 50 % av hullets tverrsnitt uten å sperre strømningen fullstendig.

Det andre element 2 er en velkjent venturi. Dette element er hovedsakelig sylindrisk og består av en konvergerende seksjon 16, en "strupe"-seksjon 17 og en divergerende seksjon 18. En trykkanviser 19 oppstrøms for den konvergerende seksjon 16 og en ytterligere trykkanviser 20 i strupeseksjonen 17 gjør det mulig å utføre en trykkforskjellsmåling DP1.

Det tredje element i måleren 3 har likedan utførelse som det første element 1 og omfatter to kiler 21, 22. Hver kile 21, 22 har en første overflate 23, 26 orientert på skrå i forhold til hullet og som generelt vender mot oppstrømsenden av måleren 31, en andre overflate 24, 27 som løper parallelt med hullaksen og en tredje overflate 25, 28 orientert på skrå i forhold til hullet og som generelt vender mot nedstrømsenden av måleren 32. En gitt kile 21, 22 har en hovedsakelig halvsylindrisk omkretsoverflate, hvis krumme parti samsvarer med hullets sylindriske innervegg. I dette eksempel er de to kiler 21, 22 forskjøvet i forhold til hverandre og plassert slik at oppstrømskilen 21 befinner seg på toppen av det sylindriske hull, mens nedstrømskilen 22 befinner seg på bunnen av hullet. Det er et gap mellom oppstrømsoverflaten 26 av nedstrømskilen 22 og nedstrømsoverflaten 25 av oppstrømskilen 21 for å gjøre det mulig for kilene å rage over mer enn 50 % av hullets tverrsnitt uten å sperre strømningen fullstendig. Element nr. tre (3) skiller seg fra element nr. en (1) ved at det er gjort to uttak 29, 30 i legemet, dvs. ett uttak 29 før oppstrømskilen 21 og ett uttak 30 etter nedstrømskilen 22. Disse uttak 29, 30 gjør det mulig å måle trykkforskjellen DP2 over element nr. tre (3) i måleren.

I foreliggende eksempel er alle uttak 19, 20, 29, 30 plassert hovedsakelig i den øverste posisjon for å bringes vertikalt oppover til de trykkmålende anordninger DP1, DP2, 34. Måleren som består av de tre strømningselementer 1, 2 ,3, er vanligvis forbundet med en rørledning ved hjelp av flenser 4, 7, idet strømningsretningen er fra oppstrømsenden 31 til nedstrømsenden 32. Måleren bør fortrinnsvis orienteres i en horisontal stilling. En måling av oppstrømstrykket 34 bør også bli gjort sammen med en avlesning av fluidtemperaturen 35.

Målingene DP1, DP2, 34, 35 av trykkforskjell, oppstrømstrykk og temperatur mates tilbake til et behandlende element 33 som inneholder algoritmer for beregning av gass- og væskestrømninger, og eventuelt også en meddelelse om strømningsrater og behandlings-betingelser. Disse algoritmer beskrives senere. Alternativt kan det behandlende element 33 utnytte oppslagstabeller for å bestemme gass- og væskestrømningene ut fra målingene.

Strømningselement nr. en (1) sin rolle er sammenblanding. Med en stor gassvolum-fraksjon i en flerfasestrømning er det vanlig at gassen vandrer langs midten av røret ved en mye høyere hastighet enn væsken som er tilbøyelig til å hefte seg til veggen. Alternativt er det også vanlig at størstedelen av væsken strømmer langs bunnen av røret ved en mye lavere hastighet enn gassen ovenfor den. Forskjellen mellom hastighetene på stedet betegnet ofte slip eller "sluring". Kilene 8, 9 i strømningselement nr. en får væske til å bli trukket bort fra veggen eller fra bunnen av røret og inn i gasstrømmen. Dette skaper en sammenblanding som er nøkkelen til ytelsen hos det andre og tredje strømningselement nr. to og tre i måleren.

Det andre og tredje strømningselement 2, 3 i måleren er strømningsmålende anordninger basert på trykkforskjell. Det er viktig at konfigurasjonen av disse to trykkforskjellsmålende elementer er slik at det sørges for selvstendige målinger. Dette betyr at elementene må oppføre seg forskjellig i nærværet av væske.

Strømningsrater for gass og væske kan utledes på følgende måte.

Den første massestrømrate måles fra det andre og tredje element under antagelsen av betingelser med en enkeltfaset, tørr gass:

hvor C er en tømmekoeffisient, d den effektive restriksjonsdiameter, aP trykkforskjellen, p gassdensiteten og p forholdet mellom d og rørdiameteren, mens indeksene a og b betegner henholdsvis element nr. to og nr. tre.

Nærværet av væske i fluidstrømmen får de målte strømningsrater Qmaog Qmbtil å bli større enn den sanne gassmassestrømrate Qgc. Denne overskytende størrelse kan henføres til Martinelli-parameteren X som:

hvor:

x er gassmassefraksjonen som ofte betegnes kvaliteten når den henføres til damp, og p er densiteten, idet indeksene g og I betegner henholdsvis gass og væske.

Sammenhengen mellom den overskytende størrelse og Martinelli-parameteren kan uttrykkes som:

Så sant det er tilstrekkelig avgrensning mellom de to DP-elementer 2, 3 i forhold til konstanten M, eksisterer det to uavhengige ligninger som gjelder Qmog x i forhold til Qgc:

Løses denne med hensyn til gassmassefraksjonen eller kvaliteten x oppnås:

hvor: er forholdet mellom målte strømninger under antagelsen av en enkelt-faset gasstrømning, og

er kvadratroten av forholdet mellom gassens og væskens densitet.

Så snart kvaliteten eller gassmassefraksjonen er blitt funnet, kan gassmassens strøm-ningsrate beregnes:

Med kjennskap til gassmassens strømningsrate og gassmassens fraksjon, beregnes til sist væskemassens strømningsrate:

Geometrien av det oppstrøms sammenblandende strømningselement 1 og det tredje strømningselement 3 er nøkkelfaktorer med hensyn til å gi en nøyaktig måling av både væske og gass. Det første oppstrøms sammenblandende element 1 er særlig viktig ved at det opprettholder en forutsigbar sammenheng mellom Martinelli-parameteren og vedkommende måleelements overskytende avlesning for begge DP-elementer 2, 3. Den unike indre geometri av det tredje element 3 sikrer at denne sammenheng blir vesentlig forskjellig fra det andre element 2, for å muliggjøre tilfredsstillende løsning av ligningen for gassmassefraksjonen.

Det første element sørger for skikkelig sammenblanding og homogenisering av strøm-ningen. Eksempelet vist i fig. 1 viser et første element som omfatter en spesielt utviklet innvendig geometri med doble kiler. En hvilken som helst strømningsmikser eller strøm-ningshomogenisator vil imidlertid være egnet som det første element, slik som f.eks. en mikserplate. Både det andre og det tredje element har en trykkforskjell som måles over dem. Det andre og tredje element oppfører seg ulikt i nærvær av fluid for innbyrdes å gi en hovedsakelig ulik sammenheng overfor væskestrømningen, slik at det sørges for uavhengige trykkforskjellsmålinger. Dette oppnås ved at det andre og tredje strømnings-element oppviser forskjellige konfigurasjoner overfor fluidene som strømmer gjennom dem. Eksempelet i fig. 1 viser en venturikanal som det andre element og et arrangement med doble kiler som det tredje element. Imidlertid vil hvilke som helst to elementer som oppviser ulike konfigurasjoner overfor fluidene som strømmer igjennom dem, slik at det oppnås uavhengige trykkforskjellsmålinger, være egnet. I eksempelet ovenfor med både venturikanal og doble kiler kan i stedet et spalteelement, slik som eksempelet vist i fig. 2, brukes som erstatning for enten venturikanalen eller den doble kile. Spalten maskineres inn i en massiv stav 100 av et material som har tilsvarende diameter som målerens spole. Den maskinerte spalte 101 løper aksialt gjennom staven 100 og har et symmetrisk tverrsnitt med fasong av et rektangel eller bokstaven O, med konsentriske, krumme topp-og bunnflater, og parallelle, vertikale flater på hver side. Videre kan de to elementer for måling av trykkforskjell befinne seg i en hvilken som helst rekkefølge.

Dersom en eksisterende installasjon for passasje av tofaset eller flerfaset fluid har et element som er i stand til å gi sammenblanding, slik som en blind T-installasjon, kan oppfinnelsen realiseres ved å innlemme to strømningselementer som hvert har utstyr for å måle en trykkforskjell i fluidet som passerer gjennom vedkommende element, plassert nedstrøms for det sammenblandende element.

Med dette unike arrangement er det blitt vist at det kan oppnås målinger av både gass og væske med stor nøyaktighet og overensstemmelse ved forskjellige fraksjoner av gasslommer fra 91 til 99,5%, men som også kan være egnet for et bredere verdiområde av gassfraksjoner.

Claims

1. Måler for måling av gassmassens strømningsrate og den totale væskemasses strømningsrate i et tofaset eller flerfaset fluid, som omfatter et første strømningselement (1), og andre og tredje strømningselement (2, 3) anordnet slik at de plasseres i rekkefølge nedstrøms for det første strømningselement (1), karakterisert vedat det første strømningselement (1) er anordnet for å blande sammen eller homogenisere fluider som passerer derigjennom, og at det andre (2) og tredje (3) strømningselement begge har utstyr (16-18, 21, 22) for å endre strømnings-mønsteret til fluider som passerer derigjennom og utstyr (DP1, DP2) for å gi en angivelse av trykkforskjellen i fluidet som passerer gjennom vedkommende element (2, 3), og hvor det andre (2) og tredje (3) strømningselement har en ulik indre konfigurasjon, idet strømningsmønsteret til fluider som passerer derigjennom endres på de ulike måter.

2. Måler som angitt i krav 1, og hvor det gjøres uavhengige trykkforskjellsmålinger for hvert av det andre (2) og tredje (3) strømningselement.

3. Måler som angitt i krav 1 eller 2, og hvor hvert av det andre (2) og tredje (3) strømningselement er anordnet for å skape et trykkfall i fluidet som passerer derigjennom.

4. Måler som angitt i et av de forutgående krav, og hvor i det minste et av strømnings-elementene (1, 2, 3) omfatter en kanal som har en eller flere innvendige fremspring (8, 9, 21, 22) i seg.

5. Måler som angitt i krav 4, og hvor kanalen (1; 3) har to fremspring (8, 9; 21, 22) som rager innover fra hovedsakelig motstående punkter på den indre overflate av kanalen.

6. Måler som angitt i krav 5, og hvor fremspringene (8, 9; 21, 22) er forskjøvet i forhold til hverandre langs en aksial lengde av kanalen.

7. Måler som angitt i et av kravene 4 - 6, og hvor både det første strømningselement (1) og et av det andre (2) og tredje (3) strømningselement omfatter en kanal som har et eller flere innvendige fremspring (8, 9; 21, 22) i seg, mens de øvrige strømningselementer (3, 2) omfatter en venturikanal.

8. Måler som angitt i et av de foregående krav, og som omfatter et behandlende element (33) som er innrettet for å motta signaler som angir målinger av trykkforskjell i fluidet som passerer gjennom hvert av det andre (2) og tredje (3) strømningselement, for å bestemme gassmassens strømningsrate og den totale væskemasses strømningsrate i fluidet på grunnlag av de mottatte signaler.

9. Måler som angitt i krav 8, og hvor en trykkføler (35) er anordnet for å måle oppstrøms-trykket i fluidet som passerer gjennom måleren, mens det behandlende element (33) er innrettet for å motta et signal som angir en trykkmåling fra trykkføleren (35), som skal utnyttes under bestemmelsen av gassmassens strømningsrate og den totale væskemasses strømningsrate i fluidet.

10. Måler som angitt i krav 8 eller 9, og hvor en temperaturføler er anordnet for å måle temperaturen i fluidet som passerer gjennom måleren, mens det behandlende element (33) er innrettet for å motta et signal som angir en temperaturmåling fra temperaturføleren, som skal utnyttes under bestemmelsen av gassmassens strømningsrate og den totale væskemasses strømningsrate i fluidet.

11. Måler som angitt i et av kravene 8 -10, og hvor det behandlende element (33) er innrettet for å bestemme gassmassens strømningsrate og den totale væskemasses strøm-ningsrate i fluidet ved å utnytte algoritmer.

12. Måler som angitt i et av kravene 8 -10, og hvor det behandlende element (33) er innrettet for å bestemme gassmassens strømningsrate og den totale væskemasses strøm-ningsrate i fluidet ved å utnytte en oppslagstabell.

13. Fremgangsmåte ved måling av gassmassens strømningsrate og den totale væskemasses strømningsrate i et tofaset eller flerfaset fluid, som omfatter å bringe fluidet gjennom, i rekkefølge, første (1), andre (2) og tredje (3) strømningselementer,karakterisert vedat den omfatter at det tofasede eller flerfasede fluid sammenblandes eller homogeniseres ved å bringe det gjennom et strømningselement (1), det sammenblandede eller homogeniserte fluid bringes gjennom et andre strømningselement (2), idet det andre strømningselement inkluderer utstyr for å endre strømningsmønsteret til fluider som passerer derigjennom, og trykkforskjellen over det andre strømningselement (2) måles, fluidet bringes så gjennom et tredje strømningselement (3), idet det tredje strømningselement inkluderer utstyr for å endre strømningsmønsteret til fluider som passerer derigjennom, og trykkforskjellen måles over det tredje strømningselement (3), trykkforskjellene målt over det andre (2) og tredje (3) strømningselement utnyttes for å bestemme enten gassmassens strømningsrate eller væskemassens strømningsrate, eller begge strømningsrater, i det passerende fluid, og hvor det andre (2) og det tredje (3) strømningselement har en ulik indre konfigurasjon, idet strømningsmønsteret til fluider som strømmer igjennom dem endres på ulike måter.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 13, og hvor det gjøres selvstendige trykkforskjellsmålinger for hvert av strømningselementene for måling av trykkforskjell.

15. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 13 -14, og hvor hvert av det andre (2) og tredje (3) strømningselement er innrettet for å skape et trykkfall i fluidet som passerer igjennom dem.