NO341923B1

NO341923B1 - Anordning og fremgangsmåte for overvåking av partikler i en fluidstrøm,strupeventil-tilstandsovervåker og fremgangsmåte for overvåking av tilstanden til en strupeventil i et rør

Info

Publication number: NO341923B1
Application number: NO20081929A
Authority: NO
Inventors: Barry John Hemblade
Original assignee: Teledyne Ltd
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2018-02-19
Also published as: US20080282781A1; NO20081929L; GB2431993B; GB0522312D0; GB0608535D0; GB2431993A; US7878047B2

Abstract

Det beskrives en anordning for overvåking av partikler i en fluidstrøm, omfattende et hovedparti og et detektorelement som er akustisk avkoplet fra hovedpartiet. Detektorelementet omfatter en måloverflate, en akustisk prøvesensor og en korrosjonssensor. Den akustiske prøvesensor er akustisk koplet til måloverflaten og er anordnet til å tilveiebringe et første signal som varierer i avhengighet av akustisk støy som genereres av støt av partikler og fluid på måloverflaten. Korrosjonssensoren er anordnet til å tilveiebringe et annet signal, som varierer i avhengighet av korrosjon og/eller erosjon av måloverflaten. En korresponderende fremgangsmåte for overvåking av partikler i en fluidstrøm er også beskrevet. Fremgangsmåten og anordningen er egnet for overvåking av sand i olje- og gassproduksjonsstrømmer.

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for overvåking av partikler i en fluidstrøm, og en fremgangsmåte for overvåking av partikler i en fluidstrøm. Den foreliggende oppfinnelse vedrører særlig overvåking av sand i olje- og gassproduksjonsstrømmer.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Det er ønskelig å være i stand til å overvåke partikler i et fluid som strømmer gjennom et ledningsrør. Det er særlig ønskelig å være i stand til å overvåke formasjonssand som er medrevet i olje- og gassproduksjonsstrømmer. I slike systemer kan partiklene har innvirkning på erosjon, erosjon/korrosjon og/eller korrosjon av ledningsrørets overflate, hvilket muligens kan føre til brudd i ledningsrøret på grunn av fluidet. Det er derfor viktig å være i stand til å måle metalltapet i ledningsrørets overflate, særlig ved ledningsrørbøyer hvor metalltapshastigheten er størst. Ikke desto mindre er det også viktig å overvåke metalltap på rette seksjoner av et ledningsrør. (Det bør legges merke til at, innen teknikken, ”korrosjon” er et bredt uttrykk som omfatter alle typer av overflatemetalltap, inkludert erosjon og erosjon/korrosjon).

Konvensjonelt, blir korrosjon av en slik ledningsrøroverflate målt, f.eks. ved hjelp av en elektrisk motstandssonde. En slik sonde har et prøveelement som utsettes for fluidstrømmen, slik at partikler som er medrevet i fluidstrømmen, kan støte mot prøveelementet. Når en partikkel støter mot prøveelementet på denne måte, kan den korrodere prøveelementet og derfor forandre tykkelsen og følgelig den elektriske motstand i prøveelementet. En elektrisk motstandssonde måler derfor forandringer i den elektriske motstand i sitt prøveelement for å bestemme korrosjonshastigheten.

En elektrisk motstandssonde ifølge kjent teknikk, beskrives f.eks. i US-patent nr.6,693,445 (Sutton). I dette patent offentliggjøres en sonde som er egnet til bruk sammen med en anordning for overvåking av korrosjonen til et materiale ved nøyaktig måling av forandringer i motstanden i et blottlagt prøveelement i forhold til et beskyttet referanseelement. De to elementer er elektrisk forbundet i serie via en bro. Elementene er dannet av det samme stykke av materiale delt av en langstrakt spalte, og er nær hverandre, slik at temperaturdifferansen mellom dem er minimal. Dette hindrer falske indikasjoner på korrosjon ved å sørge for at temperaturkoeffisienten for resistivitetene er den samme i begge elementer. Referanseelementet er dekket med et korrosjonsbestandig lag. Dette lag er fortrinnsvis så tynt som mulig, og også en god termisk leder for ytterligere å sørge for lik temperatur i referanseelementet og det blottlagte element.

En annen elektrisk motstandsdetektor ifølge kjent teknikk er beskrevet i US-patent nr.6,946,855 (Hemblade), hvor det offentliggjøres en anordning for overvåking av effekten på et materiale når det utsettes for et fluid, og derved overvåking av effekten på en seksjon av rør for transport av fluidet. Anordningen inkluderer et sensorelement som utsettes for fluidet og som er utformet som en ring av metall som koaksialt er montert inne i, men elektrisk isolert fra, seksjonen av rør. Forandringer i den elektriske motstand i sensorelementet overvåkes. Anordningen inkluderer fortrinnsvis også et referanseelement som er elektrisk isolert fra røret, elektrisk forbundet i serie til sensorelementet og beskyttet mot å utsettes for fluidet. Elementene kan begge være laget av det samme materiale som røret, og, ettersom de befinner seg inne i det, opplever de samme temperatur- og trykkvariasjoner som røret. På denne måte angir en forandring i motstanden i sensorelementet forårsaket av korrosjon/erosjon av fluidet nøyaktig graden av korrosjon/erosjon av det rør som transporterer fluidet.

I tillegg til korrosjon kan et stort antall av partikler som er medrevet i et fluid forårsake blokkering av fluidstrømmen gjennom ledningsrøret. Det er derfor også viktig å måle den mengde av partikulært stoff som er medrevet i en gitt fluidstrøm og korrelere denne størrelse til korrosjon.

Tidligere har mengden av partikulært stoff ofte blitt estimert basert på den målte korrosjonshastighet. Det kan imidlertid være at enkelte partikkelstøt ikke forårsaker korrosjon på grunn av utilstrekkelig energi og/eller en kombinasjon av mekaniske egenskaper til både partikkel og overflate, hvilket potensielt overfører all impuls-bevegelsesmengde inn i det elastiske område i materialet, hvilket følgelig resulterer i at det ikke blir noen permanent deformasjon eller skade på den overflate som treffes. Eller omvendt, kan partikulært stoff med lav masse, men høy hardhet og skarpe kanter, forårsake høye korrosjonshastigheter. Metoder for å overvinne dette har vært å bruke mykere materialer i elementene, men slike materialer er ikke representative for røret, og kan derfor ikke brukes til å måle omfanget av faktisk rørkorrosjon. Et spekter av partikkelstørrelse, form og mekaniske egenskaper vil potensielt gi forskjellige korrosjonshastigheter. I tillegg vil partikkelhastigheten påvirke korrosjonshastigheten, hvilket er en annen årsak til at partikkelmassen ikke er enkel å bestemme fra korrosjonshastigheten alene. Videre bestemmes partikkelhastigheten generelt fra en annen kilde, og er ikke representativ for partikkelhastigheten ved selve sensoren, hvilket introduserer ytterligere feil. Alle disse faktorer underminerer muligheten for korrosjonsmålinger alene for å bestemme partikkelmasse som strømmer gjennom et system.

Av denne årsak, har mengden av partikulært stoff, som er medrevet i en fluidstrøm, tidligere blitt beregnet ved bruk av en separat akustisk sensor som måler den akustiske støy på den utvendige overflate av ledningsrøret. En slik akustisk sensor blir ofte brukt i tillegg til en sonde av typen med elektrisk motstand som er beskrevet ovenfor. I henhold til teknikken med akustisk sensor, når en gitt partikkel støter mot en overflate, vil den gi opp noe av sin kinetiske energi i form av støtenergi og vil produsere en akustisk emisjon fra overflaten. En akustisk sensor er derfor posisjonert til å detektere disse emisjoner på den utvendige overflate av et rør. Den akustiske emisjon sin amplitude og frekvensrespons vil avhenge av et antall av variabler, så som hvor sensoren befinner seg (eksempelvis en bøy), strømningsregimet, gass/olje-forhold, bane for de medrevne partikler, antall tilbakespredt og utstrekningen av det innvendige overflateareal som utsettes for støt. Den akustiske støy som måles av en slik detektor vil imidlertid også bli kontaminert av strømningsstøy og støy fra utenfor ledningsrøret. Det anvendes metoder for å separere strømningsstøy og partikkelstøtstøy ved hjelp av å måle frekvensresponsfordelingen ved bruk av selektiv analog og digital filtrering, men disse metoder er ikke perfekte. Særlig kan det i enkelte situasjoner være en tett overlapping mellom de akustiske signaturer til væsker og faststoffer. Videre vil svært små partikler (dvs.”finstoffer”) som har en dimensjon som er mindre enn 25 mikron) gå udetektert av en slik sonde, fordi de er tilbøyelige ikke til å danne akustiske signaler med tilstrekkelig amplitude til å bli detektert. I et forsøk på å overvinne enkelte av disse problemer, blir den utvendige akustiske sensor kalibrert på stedet ved innsprøyting av sand for å karakterisere lokaliseringen. Dette er imidlertid kostbart og upraktisk, særlig i undersjøiske lokaliseringer, og introduserer potensielt uønsket skade under kalibreringsprosessen. For å kvantifisere mengden av sand, er partikkelhastigheten igjen påkrevet, siden den akustiske energi vil avhenge både av massen av partikkelen og hastigheten til partikkelen ved den overflate som treffes. Som beskrevet ovenfor, blir partikkelhastigheten generelt bestemt fra en annen kilde, og er ikke representativ for partikkelhastigheten ved selve sensoren, hvilket introduserer ytterligere feil.

Den foreliggende oppfinnelse er rettet mot å løse disse og andre slike problemer med teknikken ved tilveiebringelse av en mer nøyaktig og allsidig anordning for overvåking av partikler i en fluidstrøm som strømmer gjennom et ledningsrør.

US 5681986 A vedrører et akustisk sensorapparatet og fremgangsmåte for overvåking av partikler i en fluidstrøm.

NO 301948 B2 omhandler et flerfunksjons måleinstrument med en passiv akustisk sensor som innhenter data om for det første hastighet og dermed strømning for mediet som passerer inne i et rør, og for det annet mengden av partikler i mediet som strømmer i røret og derigjennom erosjon i røret, og i tillegg en aktivt akustisk sensor som innhenter data om rørveggens tykkelse.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

I henhold til et første aspekt av den foreliggende oppfinnelse, tilveiebringes det en anordning for overvåking av partikler i en fluidstrøm, omfattende et hus og et detektorelement i huset, idet detektorelementet er akustisk avkoplet fra huset. Detektorelementet omfatter en måloverflate; en akustisk prøvesensor som er akustisk koplet til måloverflaten, idet den akustiske prøvesensor er anordnet til å tilveiebringe et første signal som varierer i avhengighet av akustisk støy som genereres av støt fra partikler og fluid på måloverflaten; og en korrosjonssensor som er anordnet til å tilveiebringe et annet signal som varierer i avhengighet av en elektrisk motstand i detektorelementet, idet den elektriske motstand i detektorelementet er relatert til korrosjonen og/eller erosjonen av måloverflaten.

En slik anordning er i stand til å overvåke mengden av partikulært stoff i en fluidstrøm så vel som de korrosive effekter av dette partikulære stoff, så som erosjonshastigheten og omfanget av erosjon. Videre, fordi anordningen overvåker korrosjon og akustisk støy på den samme måloverflate, muliggjør dette mer nøyaktig differensiering mellom støthendelser med væske og støthendelser med faststoff, siden hendelsene kan analyseres uttrykt ved både deres akustiske og korrosive signaturer.

Detektorelementet er fortrinnsvis trykkbalansert. Mer foretrukket kan fluid strømme rundt hovedsakelig hele detektorelementet, hvilket trykkbalanserer detektorelementet.

Detektorelementet omfatter fortrinnsvis et prøveparti som er korroderbart og/eller eroderbart av partikler som støter på måloverflaten, idet det annet signal varierer i avhengighet av en elektrisk motstand i prøvepartiet. Mer foretrukket omfatter detektorelementet videre et referanseparti som ikke er korroderbart og/eller eroderbart av partiklene som støter på måloverflaten, og det annet signal varierer i avhengighet av et forhold mellom den elektriske motstand i prøvepartiet og en elektrisk motstand i referansepartiet.

I en annen foretrukket utførelse omfatter anordningen videre temperaturmålemidler som er anordnet til å tilveiebringe et signal som varierer i avhengighet av temperaturen i fluidstrømmen. Igjen mer foretrukket er temperaturmålemidlene anordnet til å tilveiebringe et signal som varierer i avhengighet av en temperatur i referansepartiet.

I enda en annen foretrukket utførelse omfatter detektorelementet videre en akustisk referansesensor som er akustisk avkoplet fra huset og måloverflaten, idet den akustiske referansesensor er anordnet til å tilveiebringe et signal som varierer i avhengighet av akustisk støy som detekteres av den akustiske referansesensor.

I en ytterligere foretrukket utførelse omfatter anordningen videre trykkmålemidler som er anordnet til å tilveiebringe et signal som varierer i avhengighet av et trykk i fluidstrømmen.

I en enda ytterligere foretrukket utførelse omfatter anordningen videre strømningskraftmålemidler som er anordnet til å tilveiebringe et signal som varierer i avhengighet av en strømningskraft fra fluidstrømmen på måloverflaten.

Det er foretrukket at trykkmålemidlene og strømningskraftmålemidlene sammen omfatter en differansetrykktransduser. Mer foretrukket omfatter i det minste det ene av trykkmålemidlene og strømningskraftmålemidlene et piezoelektrisk element.

Det er foretrukket at måloverflaten omfatter en flerhet av måloverflateseksjoner, idet korrosjonssensoren er anordnet til å tilveiebringe en flerhet av korrosive signaler, idet hvert korrosive signal varierer i avhengighet av korrosjon og/eller erosjon av en respektiv måloverflateseksjon.

I en foretrukket utførelse er måloverflaten hovedsakelig plan. Mer foretrukket er måloverflaten montert i en vinkel i forhold til en dominerende strømningsretning.

I en alternativ utførelse ligger måloverflaten innenfor en overflate av en sylinder.

Det tilveiebringes også en strupeventil-tilstandsovervåker for overvåking av tilstanden til en strupeventil i et rør. Overvåkeren omfatter en første anordning (som beskrevet ovenfor) som er montert nedstrøms strupeventilen, slik at de første og andre signaler fra den første anordning er tilstandssignaler som varierer i avhengighet av et strømningsregime ved et utløp fra strupeventilen. Måloverflaten av den første anordning danner en innvendig sylindrisk overflate i røret.

Overvåkeren omfatter videre en annen anordning (som beskrevet ovenfor) som er montert nedstrøms den første anordning, slik at de første og andre signaler fra den annen anordning er referansesignaler som vedrører akustiske og korrosive og/eller erosive signaturer av partikler i fluidstrømmen. Måloverflaten til den andre anordningen er hovedsakelig plan. Overvåkeren omfatter i tillegg en output som er anordnet til å tilveiebringe et outputsignal som varierer i avhengighet av tilstandssignalene og referansesignalene for å tilveiebringe en angivelse av strupeventilens tilstand.

Det tilveiebringes også en fremgangsmåte for overvåking av tilstanden til en strupeventil i et rør. Fremgangsmåten omfatter tilveiebringelse av en første anordning (som beskrevet ovenfor) som er montert nedstrøms strupeventilen, slik at de første og andre signaler fra den første anordning er tilstandssignaler som varierer i avhengighet av et strømningsregime ved et utløp fra strupeventilen.

Måloverflaten av den første anordning danner en innvendig sylindrisk overflate i røret. Fremgangsmåten omfatter videre tilveiebringelse av en annen anordning (som beskrevet ovenfor) som er montert nedstrøms den første anordning, slik at de første og andre signaler fra den annen anordning er referansesignaler som vedrører akustiske og korrosive og/eller erosive signaturer av partikler i fluidstrømmen. Måloverflaten til den andre anordningen er hovedsakelig plan.

Fremgangsmåten omfatter i tillegg sammenligning av tilstandssignalene og referansesignalene for å tilveiebringe en angivelse av strupeventilens tilstand.

I henhold til et annet aspekt av den foreliggende oppfinnelse, tilveiebringes det en fremgangsmåte for overvåking av partikler i en fluidstrøm, omfattende: tilveiebringelse av en anordning som har et hus og et detektorelement i huset, idet detektorelementet er akustisk avkoplet fra huset, og detektorelementet har en måloverflate; måling av akustisk støy som genereres ved støt av partikler og fluid på måloverflaten; og måling av korrosjon og/eller erosjon av måloverflaten ved hjelp av måling av elektrisk motstand i detektorelementet.

I en foretrukket utførelse omfatter fremgangsmåten videre måling av en strømningskraft fra fluidstrømmen på måloverflaten. I en annen foretrukket utførelse omfatter fremgangsmåten videre måling av et trykk i fluidstrømmen. I enda en annen foretrukket utførelse omfatter fremgangsmåten videre måling av en temperatur i fluidstrømmen.

Fremgangsmåten omfatter fortrinnsvis videre korrelering av den målte akustiske støy og den målte korrosjon og/eller erosjon. Mer foretrukket kan det målte trykk, temperatur og/eller strømningskraft også korreleres med den målte akustiske støy og den målte korrosjon og/eller erosjon.

Det beskrives en anordning for overvåking av partikler i en fluidstrøm, omfattende et hus og et detektorelement som er akustisk avkoplet fra huset.

Detektorelementet omfatter en måloverflate; en akustisk prøvesensor som er akustisk koplet til måloverflaten, idet den akustiske prøvesensor er anordnet til å tilveiebringe et første signal som varierer i avhengighet av akustisk støy som genereres ved støt av partikler og fluid på måloverflaten; og en akustisk referansesensor som er akustisk avkoplet fra huset og måloverflaten, idet den akustiske referansesensor er anordnet til å tilveiebringe et annet signal som varierer i avhengighet av akustisk støy som detekteres av den akustiske referansesensor.

En slik anordning gjør at det første signal (prøvesignalet) kan kompenseres for små temperatur- og trykkvariasjoner som også er tilstede i det annet signal (referansesignalet).

Det beskrives en fremgangsmåte for overvåking av partikler i en fluidstrøm, omfattende: tilveiebringelse av en anordning som har et hus og et detektorelement, idet detektorelementet er akustisk avkoplet fra hovedpartiet, og detektorelementet har en måloverflate; måling av akustisk støy som genereres ved støt av partikler og fluid på måloverflaten; tilveiebringelse av en akustisk referansensor som er akustisk avkoplet fra huset og måloverflaten; og måling av akustisk støy som detekteres av den akustiske referansesensor.

Detektorelementet omfatter en måloverflate; en akustisk prøvesensor som er akustisk koplet til måloverflaten, idet den akustiske prøvesensor er anordnet til å tilveiebringe et første signal som varierer i avhengighet av akustisk støy som genereres ved støt av partikler og fluid på måloverflaten; og strømningskraftmålemidler som er anordnet til å tilveiebringe et annet signal som varierer i avhengighet av en strømningskraft fra fluidstrømmen på måloverflaten.

En slik anordning gjør at strømningskraften og den akustiske støy kan overvåkes på den samme måloverflate, hvilket tillater at disse størrelser korreleres for å tilveiebringe mer nøyaktige målinger enn innen kjent teknikk.

Det beskrives en fremgangsmåte for overvåking av partikler i en fluidstrøm, omfattende: tilveiebringelse av en anordning som har et hus og et detektorelement, idet detektorelementet er akustisk avkoplet fra huset, og detektorelementet har en måloverflate; måling av akustisk støy som genereres ved støt av partikler og fluid på måloverflaten; og måling av en strømningskraft fra fluidstrømmen på måloverflaten.

Det beskrives en anordning for overvåking av partikler i en fluidstrøm, omfattende et hus; og et detektorelement. Detektorelementet omfatter en måloverflate; en korrosjonssensor som er anordnet til å tilveiebringe et første signal som varierer i avhengighet av korrosjon og/eller erosjon av måloverflaten; og strømningskraftmålemidler som er anordnet til å tilveiebringe et annet signal som varierer i avhengighet av en strømningskraft fra fluidstrømmen på måloverflaten.

En slik anordning gjør at strømningskraften og korrosjonen kan overvåkes på den samme måloverflate, hvilket tillater at disse størrelser korreleres for å tilveiebringe mer nøyaktige målinger enn innen kjent teknikk.

Andre foretrukne trekk ved den foreliggende oppfinnelse er fremsatt i de vedføyde krav.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Utførelser av den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet som eksempel med henvisning til de ledsagende tegninger, hvor:

Fig. 1 er et snitt gjennom en anordning i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse;

Fig. 2 viser anordningen på fig.1 montert på en bøy av et rør;

Fig. 3 er en skjematisk representasjon av en anordning til en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse som er montert på en rett seksjon av et rør;

Fig. 4 er et snitt gjennom anordningen på fig.3 langs linje AA’; og

Fig. 5 viser et arrangement som inkluderer anordningen på fig.1 og anordningen på fig.3 innenfor en enkelt seksjon av rør.

DETALJERT BESKRIVELSE AV EN FORETRUKKET UTFØRELSE

Fig. 1 viser et snitt gjennom en anordning i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse. Anordningen på fig.1 er en sonde 10 for overvåking av partikler i en fluidstrøm som strømmer gjennom et ledningsrør. Sonden 10 er tiltenkt å være fluktende montert på en utvendig bøy av et rør 12, som vist på fig.2. Det er således en åpning 14 i røret 12 som sonden 10 er innsatt gjennom.

Med henvisning til fig.1, sonden 10 omfatter et sondehus 16 innenfor hvilket det er en differansetrykktransduser 17 og et detektorelement 18. En elektrisk konnektor 19 som er lokalisert ved det bakre parti av sonden 10 tilveiebringer en output fra sonden 10. Detektorelementet 18 omfatter et målparti 20 og et akustisk sansingsparti 22. I en foretrukket utførelse er detektorelementet 18 laget av det samme materiale som den innvendige overflate i røret 12, slik at det vil korrodere på den samme måte som røret 12. Målpartiet 20, det akustiske sansingsparti 22 og transduseren 17 er hver for seg individuelt elektrisk forbundet til den elektriske konnektor 19 bak på sonden 10. Den elektriske konnektor 19 tilveiebringer trykkinneslutningen for sonden 10, og er en gjennomføringssammenstilling som er designet for temperatur og trykk og kjemisk kompatibilitet.

Målpartiet 20 er lokalisert ved en fremre ende 24 av sonden 10. Sett fra den fremre ende 24 er sonden 10 sirkulær i tverrsnitt og har en diameter D. Målpartiet har en måloverflate 26 og en bakre overflate 28. Måloverflaten 26 er hovedsakelig koplanar med en fremre ende 24 av sonden 10, og er sirkulær med en diameter d. Et fremre overflateareal av målpartiet 20 er således kjent. I en foretrukket utførelse er D ca.50 mm og d er ca.35-40 mm.

Målpartiet 20 omfatter et prøveparti (ikke vist) som er blottlagt overfor korrosive effekter fra en fluidstrøm over måloverflaten 26 av målpartiet 20. Målpartiet 20 omfatter videre et referanseparti (ikke vist) som er beskyttet mot de korrosive effekter fra en fluidstrøm over måloverflaten 26 av målpartiet 20. Målpartiet 20 har en korrosjonssensor (ikke vist) som er anordnet til å tilveiebringe et signal som varierer i avhengighet av et omfang av korrosjon av målpartiet 20.

I en foretrukket utførelse er korrosjonssensoren en elektrisk motstandssensor. Sensoren er således anordnet til å detektere forandringer i en elektrisk motstand i prøvepartiet som er et resultat av tap av materialet i prøvepartiet på grunn av korrosjon. Feil på grunn av temperatur- og trykkinhomogeniteter kan kompenseres for ved ytterligere detektering av forandringer i en elektrisk motstand i referansepartiet (ettersom prøvepartiet og referansepartiet utsettes for de samme temperatur- og trykkeffekter). Således, for det formål å kompensere for temperatur og trykk, er sensoren anordnet til å tilveiebringe et kompensert elektrisk motstandssignal som varierer i avhengighet av et forhold mellom den elektriske motstand i prøvepartiet og den elektriske motstand i referansepartiet. I en foretrukket utførelse er sensoren videre anordnet til å tilveiebringe et signal som varierer i avhengighet av en temperatur i referansepartiet, som er den samme som prosesstemperaturen T. Særlig kan temperaturen T bestemmes fra den elektriske motstand i referansepartiet.

En slik elektrisk motstandssensor er beskrevet i US-patent nr.6,693,445, (Sutton), hvor prøvepartiet og referansepartiet er elektrisk forbundet i serie via en bro og er forbundet til en strømgenerator som driver strøm gjennom seriekretsen. Det elektroniske kretssystem omfatter videre spenningsovervåkingsmidler som er anordnet til å overvåke den spenning som utvikles over hvert av prøvepartiet og referansepartiet. Prøvepartiet og referansepartiet av sensoren befinner seg nær hverandre for å hjelpe til med å sørge for at temperaturdifferansen mellom prøvepartiet og referansepartiet er minimal, og referansepartiet har god termisk kontakt med omgivelsen, så som fluidet i røret 12. Referansepartiet kan være beskyttet mot korrosjon ved hjelp av en tynn beskyttende tildekning, så som et ikke-korrosivt metallisk dekklag som er laget av gull, platina, krom eller et hvilket som helst annet relativt inert metall eller et annet metall som ikke korroderer i noen vesentlig grad når det utsettes for det aktuelle fluid. Den elektriske motstandssensor kan være konfigurert til å overvåke prosesstemperatur T. En kalibreringsresistor kan være inkludert i det elektroniske kretssystem i serie med prøvepartiet og referansepartiet. En slik kalibreringsresistor sørger for overvåking av temperatur i målpartiet 20, og følgelig prosesstemperaturen T i fluidet, uten at det er behov for en spesiell temperatursensor.

I en alternativ utførelse behøver korrosjonssensoren ikke å være en elektrisk motstandssensor. Isteden kan det brukes en alternativ metalltapssensor, så som en radioaktivitetssensor.

Detektorelementet 18 er akustisk avkoplet fra røret 12 og sondehuset 16. I utførelsen på figurene 1 og 2 er den akustiske avkopling oppnådd ved hjelp av et ”trykkbalansert flytende arrangement”. I dette arrangement blir detektorelementet 18 og transduseren 17 støttet inne i et sensorhus (ikke vist). Sensorhuset holdes på plass inne i sondehuset 16 ved hjelp av en akustisk avkoplingssammensetning (ikke vist) mellom den innvendige vegg i sondehuset 16 og en utvendig overflate av sensorhuset. Ytterligere akustisk avkopling er tilveiebrakt ved hjelp av et gap 46 mellom detektorelementet 18 og sondehuset 16. En første konnektor 40 strekker seg mellom den elektriske konnektor 19 og målpartiet 20. En annen konnektor 42 strekke seg mellom den elektriske konnektor 19 og det akustiske sansingsparti 22. En tredje konnektor 44 strekker seg mellom den elektrisk konnektor 19 og transduseren 17. Konnektorene 40, 42 og 44 er fleksible for å tilveiebringe tilstrekkelig akustisk avkopling fra gjennomføringskonnektoren 19. Det ”trykkbalanserte flytende arrangement” tilveiebringer derfor nok støtte til hå hindre vibrasjoner av detektorelementet 18 og transduseren 17, men kopler ikke detektorelementet 18 og transduseren 17 akustisk til sondehuset 16.

Det akustiske sansingsparti 22 er innfestet til den bakre overflate 28 av målpartiet 20. I en foretrukket utførelse er det akustiske sansingsparti 22 tildannet i ett med målpartiet 20. Det akustiske sansingsparti 22 omfatter en akustisk prøvesensor 30 og en akustisk referansesensor 32. De to akustisk sensorer 30 og 32 er termisk og mekanisk balansert inne i detektorelementet 18. Den akustiske prøvesensor 30 er akustisk koplet til detektorelementet 18, mens den akustiske referansesensor 32 er akustisk avkoplet fra detektorelementet 18. Særlig kan de akustiske sensorer 30 og 32 være montert inne to atskilte kamre. Den akustiske prøvesensor 30 er montert i olje, mens en sensibilisert del av den akustiske referansesensor sitt kammer er nitrogenfylt.

Transduseren 17 har en fremre membran 34 og en bakre membran 36, og er lokalisert bak det akustiske sansingsparti 22. I en foretrukket utførelse er den fremre membran 34 i kontakt med en bakre overflate 38 av det akustiske sansingsparti 22 av detektorelementet 18. Den bakre overflate 38 av det akustiske sansingsparti 22 er i direkte kontakt med og tilføres energi mot den fremre membran 34, men er ikke forseglet. Transduseren 17 omfatter i det minste ett piezoelektrisk element (ikke vist).

I bruk, beveger fluid og medrevne partikler seg langs røret 12 og kan støte på måloverflaten 26 av målpartiet 20 av sonden 10.

Sonden 10 bør være lokalisert slik at det er en høy innfallende mengde av partikler som støter på måloverflaten 26. Derfor, som vist på fig.2, er en anordning i henhold til en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse en fluktende sonde 10 som er montert på en utvendig bøy av et rør 12. Ved fluktende montering av sonden 10 på en utvendig bøy av røret 12, blir sonden 10 montert i en vinkel i forhold til en dominerende strømningsretning. Monteringsvinkelen er diktert av røroppleggets geometri og forventet strømningsregime. Videre er sonden 10 posisjonert fluktende til rørets vegg for å gi måling av faktisk tap av veggtykkelse for røret 12. Det vil imidlertid forstås at ikke-fluktende sonder også kan være tilveiebrakt i henhold til alternative utførelser av den foreliggende oppfinnelse (ikke vist). For eksempel, hvis det er vanskelig å montere en sonde ved en bøy (eksempelvis på grunn av plassbegrensninger), så kan en inntrengende sonde med et vinklet hode brukes isteden. En slik sonde vil rage inn i røret 12, slik at den fremre flate av detektorelementet vil være i en vinkel på ca.45º i forhold til den dominerende strømningsretning, for derved å emulere ledningsrørets overflate ved bøyen (hvor korrosjonen generelt er sterkest). Bruk av en fluktende sonde 10 med en flat måloverflate 26 er imidlertid foretrukket for å hindre unødvendige forstyrrelser av strømningsregimet.

Fluidet og medrevne partikler er ved et prosesstrykk p og prosesstemperatur T. I en olje- og gassproduksjonsstrøm, kan p være så høy som ca.1x10<8>Pa (15.000 psi) og T kan være så høy som ca.180 ºC. Sonden 10 er således bygget til å motstå temperaturer og trykk av denne størrelsesorden.

Som omtalt ovenfor, kan prosesstemperaturen T måles ved sansing av forandringen i elektrisk motstand i referansepartiet av målpartiet 20.

Gapet 46 mellom detektorelementet 18 og sondehuset 16 tillater at det fluid som strømmer inne i røret 12, kommer inn i rommet mellom sondehuset 16 og det kombinerte arrangement med transduseren 17 og detektorelementet 18.

Fluidstrømningsmengden gjennom dette rommet er likevel neglisjerbar sammenlignet med fluidstrømningsmengden gjennom røret 12, men tillater tilnærmet øyeblikkelig overføring av varme og trykk. Den bakre membran 36 av transduseren 17, blir således kun utsatt for prosesstrykket p, og kan derfor brukes til å måle prosesstrykket.

På grunn av det flytende arrangement av detektorelementet 18, blir den bakre overflate 28 av målpartiet 20 utsatt for det samme prosesstrykk som måloverflaten 26, og så videre, slik at arrangementet kan beskrives som ”trykkbalansert”. Det trykkbalanserte arrangement gjør det mulig for sonden 10 å motstå høye temperaturer og trykk.

Det trykkbalanserte arrangement minimerer videre tøyningsbaserte nedbøyninger og termiske gradienter i detektorelementet 18, og reduserer dermed mulige feil i det akustiske signal og det elektriske motstandssignal, hvilket ellers kan være et resultat av tøyningsrelaterte deformasjoner av det akustiske sansingsparti 22 og målpartiet 20.

Måloverflaten 26 av målpartiet 20 utsettes for prosesstrykket p og strømningskraft fra systemet. Den fremre membran 34 av transduseren 17 er koplet til detektorelementet 18, slik at den fremre membran utsettes for prosesstrykket og strømningskraften i systemet. Differansetrykket mellom den fremre membran 34 og den bakre membran 36 kan således brukes til å måle strømningskraften.

På grunn av den akustiske avkopling av detektorelementet 18 og transduseren 17 fra huset 16 og røret 12, er detektorelementet 18 ikke sensibilisert til å detektere et uforutsigbart akustisk støyfelt som er relatert til akustiske signaler som genereres i nærheten av det tilknyttede røropplegg og sondehuset 16 på grunn av et komplekst sett av fluidstrømningsregimer, særlig baner og støtresponser. Den akustiske støy som detekteres av det akustiske sansingsparti 22 er således isolert til detektorelementet 18 med kjente karakteristika, slik at det fulle spektrum av detektert akustisk støy er begrenset til det som har blitt overført fra det strømmende fluid på detektorelementet 18.

Siden den akustiske referansesensor 32 er lokalisert inne i det akustiske sansingsparti 22 av detektorelementet 18, er denne sensor 32 også akustisk avkoplet fra huset 16 og røret 12. Videre er de to akustiske sensorer 30 og 32 identisk montert inne i det akustiske sansingsparti 22, med unntak av at den akustiske referansesensor 32 er akustisk avkoplet fra detektorelementet 18 (i kontrast til den akustiske prøvesensor 30 som er akustisk koplet til detektorelementet 18). Den akustiske referansesensor 32 opplever således tilnærmet identiske prosesstemperatur- og trykkeffekter, som deretter kan brukes til å kompensere for ethvert prosessfremkalt avvik og transiente feil i den akustiske prøvesensor 30. Et temperatur- og trykkompensert akustisk signal kan følgelig avledes basert på den akustiske støy som sanses av de to akustiske sensorer 30 og 32, og dette kompenserte akustiske signal er kun relatert til den akustiske støy som produseres på detektorelementet 18 av fluidstrømmen og medrevne partikler som slår mot måloverflaten 26 av målpartiet 20 av detektorelementet 18.

Det kompenserte akustiske signal er relatert til et antall av viktige innvirkende faktorer, så som de akustiske karakteristika til målpartiet 20 (som er kjent), og de akustiske karakteristika til strømmen som overfører akustisk energi på måloverflaten 26. Detektorelementet 18 av sonden 10 kan karakteriseres og kalibreres for et gitt sett av temperaturer og trykk med et spekter av hastigheter eller strømningskretser, for forskjellig fluid (olje/gass/vann)-forhold og for forskjellige faststoffer som er medrevet av strømmen (masse/størrelse og tetthet), og så videre.

Det kompenserte akustiske signal kan analyseres i både tidsdomenen og frekvensdomenen.

I tidsdomenen er energien i det kompenserte akustiske signal proporsjonal til massetetthetshendelsene på måloverflaten 26, og effekten er proporsjonal til hastigheten av forandring av denne energien i forhold til tid, hvilket er en funksjon av hastigheten til massetetthetene for fluidet og partiklene.

I frekvensdomen avhenger spekteret av det kompenserte akustiske signal av de typer av gass eller væske eller faststoff som virker på måloverflaten 26. Strømmende gass produserer et kontinuerlig signal med lav amplitude innenfor et frekvensområde som er forbundet med gasser. Væsker produserer et signal med høyere amplitude enn gasser (på grunn av deres høyere tetthet), og signalet er diskontinuerlig og ved en høyere frekvens enn et gass-signal. Faststoffer produserer et signal med enda høyere amplitude (avhengig av masse og hastighet, osv.), men et faststoffsignal er av kortere varighet enn et væskesignal, og har igjen en høyere frekvens enn væskesignalet.

Etter å ha identifisert et middel for å dele opp det kompenserte akustiske signal i både tids- og frekvensdomenene, går analysen av fluider/faststofferspekteret videre. Når et faststoff støter mot måloverflaten 26, vil tiden for støtets varighet variere (eksempelvis avhengig av relativ hardhet av overflater og støtets styrke), og den energi som konverteres til akustisk energi vil også variere i henhold til partikkelmassen, hastighet og koeffisient for gjenopprettelse av hendelsen. Disse hendelser kan telles og logges i henhold til amplitude og stigetid for det kompenserte akustiske signal, og partikkelenergi kan følgelig bestemmes.

Det kan være en tett overlapping mellom de akustiske karakteristika til væsker og faststoffer, slik at de tilknyttede akustiske responser enkelt kan forveksles i enkelte situasjoner, hvilket resulterer i potensielt høyere estimater over faststoffinnhold. Videre, i væske/gass-blandinger med høy hastighet, kan fine tåker forårsake spektra som ligner fine faststoffer, eller omvendt, større dråper kan forårsake akustiske signaler som ligner mykere faststoffer.

Det er imidlertid kjent at væsker generelt ikke forårsaker erosjonsskade (med mindre, i den begrensende hastighet, de forårsaker en nedbryting av det korrosjonsbestandige oksidlag, hvilket fører til erosjons/korrosjons-fenomener), mens faststoffer kan være svært erosive sammenlignet med væsker.

I henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse måler sonden 10 samtidig de korrosive og akustiske effekter av hendelsene på det samme detektorelement 18. De korrosive hendelser (uttrykt ved det kompenserte elektriske motstandssignal) kan således korreleres med de akustiske hendelser (uttrykt ved det kompenserte akustiske signal) for å fjerne eventuelle tvetydigheter i det akustiske spektrum for væske/faststoff. For eksempel, en akustisk hendelse som har en usikker akustisk signatur for væske/faststoff, vil trolig ha blitt forårsaket av et faststoff hvis det er en korresponderende korrosiv hendelse, men vil trolig ha blitt forårsaket av en væske hvis det ikke er noen korresponderende korrosiv hendelse.

I tillegg, er svært små faststoffpartikler (dvs. ”finstoffer) som har en dimensjon som er mindre enn 25 mikron) være tilbøyelige til ikke å danne akustiske signaler med tilstrekkelig amplitude til å bli detektert. Disse finstoffer vil derfor ikke bli detektert av en akustisk sensor alene. Finstoffer kan imidlertid likevel produsere korrosive effekter. En anordning i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse kan derfor tilby en kvalitativ angivelse av fine faststoffer på grunn av deres korrosive effekt ved fravær av et akustisk signal.

En anordning i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse tilbyr følgelig signifikante fordeler i forhold til akustiske detektorer og/eller elektriske motstandssonder ifølge kjent teknikk.

Etter å ha identifisert energien/effekten i de akustiske signaler som støter mot måloverflaten 26, og etter å ha karakterisert gass-, væske- og faststoffprofiler til akustiske spektra og korrosjonsmålinger, og etter å ha telt støthendelsene i henhold til stigetid og amplitude, er massen av en partikkel fremdeles ukjent uten kunnskap om hastigheten til fluidet/partikkelen. Det neste trinn er derfor å kvalitativt detektere forandringene i strømningskraften som virker på det trykkbalanserte detektorelement, for å utlede en midlere hastighet til fluidstrømmen.

Som beskrevet ovenfor kan differansetrykket mellom den fremre membran 34 og den bakre membran 36 av transduseren 17 brukes til å måle strømningskraften på måloverflaten 26. Strømningskraften R kan skrives som:

R = ρ A v<2>sin θ (1)

hvor ρ er den effektive massetetthet, A er arealet av måloverflaten 26

(dvs. A = Π(d/2)<2>), v er fluidhastigheten og θ er innfallsvinkelen for strømmen i forhold til måloverflaten 26 av detektorelementet 18. Den effektive massetetthet ρ påvirkes av det kompressible fluid sin tetthet, en funksjon av fluidets trykk og temperatur, og det volumetriske forhold mellom medrevne væsker (olje, kondensat, dråper) og faststoffer (partikkelmateriale). Da:

R = A v<2>sin θ (aρgass+ bρvæsker+ cρfaststoffer) (2)

hvor a, b og c er de effektive partiale volumer av gass, væsker og faststoffer i fluidstrømmen, væsker og faststoffer anses som inkompressible, og ρgasser en funksjon av det målte prosesstrykk p og -temperatur T, og pV=nR0T.

Den målte strømningskraft R blir deretter konvertert til midlere fluidhastighet v. Den midlere fluidhastighet v kan brukes med partikkelenergiligningen

E = (1/2) mv<2>) for å utlede den kumulative massehastighet for partiklene med korreksjoner for væskesignaler ved bruk av korrosjonsdeteksjonssignalet (dvs. det kompenserte elektriske motstandssignal).

Det kjente overflateareal av måloverflaten 26 av detektorelementet 18 kan deretter brukes til å ekstrapolere partikkeltettheten over tverrsnittet av røret 12. Utledningen av mengden av partikler som strømmer gjennom rørseksjonen kan beregnes, hvis det kan antas at partikkeltettheten som strømmer gjennom røret 12 er konstant. Det er klart at denne antakelse ikke kan gjøres uten en analyse av strømningsregimet rundt sonden 10 og det tilknyttede røropplegg. Dette kan imidlertid overvinnes ved beregningsmessig fluidmodellering for å bestemme partikkelbanen i nærheten av sonden 10, og en representativ modell kan tilveiebringe en angivelse av partikkelfordelingstettheten.

Etter å ha identifisert strømningskarakteristikaene uttrykt ved temperatur og trykk, med en kvalitativ angivelse av forandringer i strømningshastighet, er vi i stand til å karakterisere strømmen uttrykt ved innhold av gass, ikke-erosive væsker og faststoffer. Ved korrelering av signaler for akustisk energi i faststoffspekteret med strømningshastighet, og ved antakelse av konstant massetetthet, er det ønskelig å utlede partikkelantall i et område av partikkelstørrelser. På denne måte blir partikkelstørrelsesspekteret korrelert med den korresponderende partikkelerosivitet for en gitt hastighetsprofil under trykk- og temperaturbetingelsene. Følgelig utleder vi ikke bare partikkelmasse, størrelse og faststoffproduksjonsmengdeprofil for reservoaret under de foranderlige driftsbetingelser og den korresponderende erosive skade i den faktiske lokalisering, men vi oppnår også en profil over det potensielle kumulative omfang av erosjonsskade et annet sted i systemet som utsettes for lignende baner.

En anordning i henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse kan således brukes til å bestemme både mengden av partikulært stoff i en fluidstrøm og den korrosive effekt av dette partikulære stoff.

En anordning i henhold til en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse er vist skjematisk på figurene 3 og 4. I denne utførelse er anordningen 60 hovedsakelig dannet som en åpen sylinder/ring, og den er ment for å overvåke partikkelstøt og korrosjon og/eller erosjonshendelser langs en rett seksjon av rør.

Anordningen 60 omfatter et hus (ikke vist) og et detektorelement 61 som har en måloverflate 62. Måloverflaten 62 er hovedsakelig fluktende med en innvendig overflate 64 i en rett seksjon av et rør 66. Måloverflaten 62 er således tildannet som en innvendig overflate i en sylinder/ring.

Detektorelementet 61 er akustisk avkoplet fra huset og fra røret 66 ved hjelp av et passende valgt akustisk avkoplingsmateriale. Detektorelementet 61 omfatter en akustisk sensor (ikke vist) som er akustisk koplet til måloverflaten 62. Den akustiske sensor er anordnet til å tilveiebringe et akustisk signal som varierer i avhengighet av akustisk støy som genereres av støt av partikler og fluid på den sylindriske måloverflate 61. Detektorelementet 61 omfatter videre en korrosjonssensor som er anordnet til å tilveiebringe et korrosjonssignal som varierer i avhengighet av korrosjon og/eller erosjon av måloverflaten. Korrosjonssensoren er fortrinnsvis en elektrisk motstandssensor.

Det er også mulig å inkorporere en akustisk referansesensor og en korrosjonsreferansesensor i anordningen 60 for å kompensere for temperatur- og trykkinhomogeniteter (se beskrivelsen ovenfor som vedrører referansepartiet og prøvepartiet av utførelsen på figurene 1 og 2).

Fig. 4 viser et snitt gjennom arrangementet på fig.3 langs linje AA’. I en foretrukket utførelse omfatter detektorelementet 61 og måloverflaten 62 en flerhet av sektorer 68 for det formål å overvåke korrosjon og/eller erosjon. Fig.4 viser seks sektorer 68 som hver strekker seg langs den fulle langsgående lengde L av den sylindriske måloverflate 62. Hver av sektorene 68 strekker seg langs et respektivt omkretsparti av måloverflaten 62. På fig.4, strekker hver av sektorene 68 seg langs et respektivt 60 graders parti av den sylindriske måloverflate 62. Grensene mellom sektorene 68 avgrenser opptakspunkter 70 hvor detektorpartiet er forbundet til det elektroniske kretssystem for å måle elektrisk motstand. På denne måte er det mulig å overvåke den elektriske motstand i hver sektor 68, og følgelig korrosjonen og/eller erosjonen i hver sektor 68. Således, hvis det er et forskjellig omfang av erosjon i hver sektor, kan dette tyde på et anomalt strømningsregime i denne seksjonen av røret, eksempelvis på grunn av en partiell blokade oppstrøms.

En korrosjonssensor som har sektorer som beskrevet ovenfor, er offentliggjort i US-patent nr.6,946,855 (Hemblade).

Sektorene 68 er akustisk koplet, slik at kun én akustisk sensor er påkrevet, men denne enkeltstående akustiske sensor kan ikke differensiere mellom partikkelstøt som opptrer i forskjellige sektorer 68.

Fig. 5 viser et arrangement som inkluderer både den fluktende sonde 10 på fig. 1 og den sylindriske anordning 60 på fig.3, for å overvåke partikler i en fluidstrøm innenfor en enkelt seksjon av rør 80.

La oss anta at begge detektorer samtidig brukes til å overvåke partikler i fluidstrømmen, og at de akustiske målinger og korrosjonsmålinger fra hver av disse detektorer forblir tilnærmet konstant og at forholdet mellom disse målinger forblir tilnærmet konstant. Hvis målingene fra den fluktende sonde 10 fortsetter å forbli konstant mens målingene fra den sylindriske anordning 60 begynner å variere, tyder dette trolig på en forandring av strømningsregimet, istedenfor en forandring i mengden/kvalitetene av det partikulære stoff i fluidstrømmen.

En anvendelse av dette arrangement vil være som strupeventiltilstandsovervåker Strupeventiler brukes til å strupe tilbake strømmen i olje- og gassproduksjonsstrømmer. Strupeventiler i brønnhoder er tilbøyelige til å svikte på grunn av erosjon, korrosjon, kavitasjon og vibrasjon forårsaket av sandpartikler. Strupeventilens spindel, dvs. det skaft som justeres opp og ned for å forandre utstrekningen av tilbakestruping av strømmen) kan bli skadet av sanden ved høye strømningsmengder. Når spindelen blir skadet, blir strømningsstrålende utstabile og danner ”preferansestrøm” (dvs. en høykonsentrert stråle med høy hastighet med medrevne partikler) ved utløpet fra ventilen. Denne preferansestrømmen resulterer i svært høy lokal erosjon og korrosjons/erosjons-hastigheter ved utløpet av ventilen som tyder på at strupeventilen svikter.

La oss anta at der en strupeventil posisjonert nær punkt B på fig.5, litt oppstrøms for den sylindriske anordning 60, som selv er litt oppstrøms en bøy i røret 80 hvor den fluktende sonde 10 er montert.

Før generering av et stort (og skadelig) erosivt signal, vil preferansestrømmen generere et forsterkete akustisk signal ved den sylindriske anordning 60 på grunn av den mye høyere hastighet, økt støtvinkel og økt antall av partikler som treffer måloverflaten 62.

Et forsterket akustisk signal på måloverflaten 62, kan selvsagt skyldes mer sand eller preferansestrøm. Sonden 10, nedstrøms anordningen 60, brukes derfor til å bestemme de foreliggende korrosjonssignaturer og akustiske signaturer for strømmen, som deretter kan korreleres med korrosjonssignalene og de akustiske signaler fra anordningen 60.

Et slikt arrangement kan således brukes som en strupeventiltilstandsovervåker. I tillegg vil et slikt arrangement informere operatøren om den historiske ytelse til struperen (dvs. denne mengde av sand ved denne hastighet med denne erosjonskarakteristikk dannet denne forventede levetid av struperen).

Selv om foretrukkede utførelser av oppfinnelsen har blitt beskrevet, skal det forstås at disse kun er ment som eksempler, og at forskjellige modifikasjoner kan være tenkelige.