NO343700B1

NO343700B1 - Fremgangsmåte og apparat for å måle volumstrømningsraten for en væske

Info

Publication number: NO343700B1
Application number: NO20130779A
Authority: NO
Inventors: Christian Robert Maurice Singfield
Original assignee: Mezurx Pty Ltd
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2019-05-13
Also published as: AU2011326329B2; US20160341581A1; GB2499167B; GB201309995D0; GB2499167A; AU2011326329A1; WO2012061873A1; NO20130779A1; BR112013011449A2; SG190194A1; US20130298663A1

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse omhandler feltet fluidhåndtering, og er spesielt anvendbart for håndteringen av slurryer så som boreslam. Selv om foreliggende oppfinnelse er beskrevet med referanse til anvendelsen av boreslam anvendt i løpet av boring av borehull så som olje- og gassbrønner, skal det bli forstått at oppfinnelsen ikke er begrenset til boreslamfeltet.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Boreslam er vanligvis vannbaserte, men de kan være basert på andre væsker så som syntetiske oljer. Additiver blir blandet med den flytende basisen. Vanlige additiver til vannbaserte boreslam inkluderer faststoffer så som barytt, kalk (kalsiumkarbonat) og hematitt. Det er krevet at disse tilsatte faststoffene blir homogent blandet med den flytende basisen, og at homogeniteten blir opprettholdt.

De fysiske og kjemiske karakteristikkene av boreslam varierer også i løpet av boreprosessen. Avhengig av geologien ved dybden for borkronen, kan det være nødvendig at boreren aktivt varierer hvilken som helst ene eller flere av tettheten, viskositeten, pH-en eller annen kjemisk eller fysisk egenskap for boreslammet. I oljeindustrien, når en borer et borehull, kunne boreslammene anvendt i løpet av livssyklusen for et enkelt borehull begynne med vann, så gå til et vannbasert slam, så gå fra det vannbaserte slammet til et slam basert på syntetisk olje. Disse boreslammene har et komplekst område av fysiske karakteristikker og karakteristikkene krevet ved et hvilket som helst spesielt stadium av boreprosessen varierer i løpet av bore-livssyklusen. Fysiske eller kjemiske karakteristikker av slammet kan også variere avhengig av hendelser som ikke er under borerens kontroll. Inntrengningen av petroleumsprodukter i borehullet er en slik hendelse, og vil forårsake et "spark" eller impulsendring i karakteristikkene for boreslammet, noe som forårsaker plutselige variasjoner i, for eksempel, tettheten og/eller viskositeten av slammet.

Det er også viktig for boreren å overvåke volumetriske strømninger av boreslammet.

Figur 1 er en blokk-skjematisk representasjon av apparatur 1 som for tiden typisk er i bruk for å overvåke volumetriske strømninger av boreslam. Det er en tilførsel av boreslam 6 i overflatetanker 2. Slammet 6 i tanken 2 blir holdt i en relativt homogen tilstand ved anvendelse av en mikser 3 som blir drevet ved en elektrisk motor 4. Slam 6 blir trukket av fra tanken 2 ved pumpen 8 som er knyttet til tanken 2 ved rør 7. Slam strømmer fra utløpet 9 av pumpen 8 inn i borehullet (som ikke er illustrert i tegningen). Slam som strømmer ut av borehullet blir utsatt for ulike behandlinger (som ikke er illustrert i tegningen) og så returnert til tanken 2.

Pumpen 8 er en fortrengningspumpe. Slike pumper omfatter generelt flere sylindere med frem- og tilbakegående stempler for å jevne ut fluktuasjoner i trykk og strømning. Det er nødvendig å anvende en fortrengningspumpe fordi sentrifugalpumper ikke kan levere det høye trykket som er krevet men fortrengningspumper kan det.

Strømningen av slam 6 inn i pumpen 8 blir kontrollert ved innløps- og utløpsventiler (som ikke er illustrert i tegningene.) For å overvåke volumet av 6 som blir flyttet ved pumpen 8, telles antallet stempelslag. Denne tellingen blir generelt gjort ved å montere en berøringsfri endebryter på pumpehuset og den berøringsfrie endebryteren detekterer magnetfeltet av stempelet i bevegelse. På den basis at tverrsnittsarealet og slaglengden for stempelpumpen 8 er kjent, er strømningsraten fra pumpen 8 produktet av slagraten, slaglengden og pumpens tverrsnittsareal. Denne beregningen er imidlertid også basert på den antagelsen at det ikke er noen tilbakelekkasje forbi innløpsventilene på pumpen og at det er perfekt forsegling mellom stempelet og pumpesylinderen. Disse antagelsene kan godt være riktige når pumpen er ny eller utstyrt med nye deler, men trenger ikke være riktige når pumpen er slitt eller har behov for reparasjon. Disse pumpene har høyt vedlikehold og krever hyppige gjenoppbygninger av slitedelene.

Selv om det ikke er illustrert i figur 1, blir strømningen av slam 6 i et slik arrangement generelt målt ved anvendelse av en trykkdifferensialstrømningsmåler. (En trykkdifferensialstrømningsmåler er også kjent som en venturimåler.) Det vil si, det er en anordning som utnytter trykkdifferensialet på tvers av en strømningsinnsnevring for å bestemme strømningsraten av fluid. Kilemålere (Wedge meters) er en spesielt egnet form av trykkdifferensialmåler for slitende slurryer så som boreslam fordi innsnevringen er i form av en kileformet innskjæring i veggen av røret som fører fluidet. En slik innsnevring er mindre utsatt for slitasje og skade enn blende-i-en-plate typen av innsnevring, som tradisjonelt blir anvendt i venturi-effekt strømningsmålere. Slik slitasje og skade påvirker nøyaktigheten av måleren. Som et praktisk spørsmål, hvis en kilemåler er designet for å arbeide på tvers av hele verdiområdet av tettheter for boreslam, så ville det ha dårlig nøyaktighet.

US 5861561 beskriver en coriolismåler som måler materialstrømning i et rør.

Oppsummering av oppfinnelsen

På den annen side, i ett aspekt, tilveiebringer utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å måle volumstrømningsraten for en væske, som omfatter å:

tilveiebringe en strømning av væsken;

tappe av en andel av strømningen av væske og anvendelse av en coriolismåler for å måle tettheten av den andelen av strømningen av væske, hvor coriolismåleren ikke direkte har utløp inn i en venturimåler;

føre minst en del av strømningen av væske gjennom venturimåleren, og anvende tettheten av væsken som målt ved coriolismåleren i beregning av volumstrømningsraten av fluid gjennom venturimåleren

Det er foretrukket at venturimåleren er en kilemåler.

Det er foretrukket at strømningen av væske blir levert ved en sentrifugalpumpe.

Det er foretrukket at minst en del av væsken strømmer gjennom en fortrengningspumpe.

Det er foretrukket at fremgangsmåten videre omfatter trinnet med anvendelse av:

volumstrømningsraten gjennom venturimåleren; og volumstrømningsraten gjennom coriolismåleren,

for å beregne volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen.

Det er foretrukket at fremgangsmåten videre omfatter å:

telle pumpeslagene for fortrengningspumpen;

anvende antallet pumpeslag for å beregne volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen; og

sammenligne:

volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen som beregnet ved å telle pumpeslagene; med

volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen som beregnet ved anvendelse av volumstrømningsraten gjennom coriolismåleren og venturimåleren.

Det er foretrukket at væsken er en slurry. Det er videre foretrukket at slurryen er et boreslam.

I et annet aspekt, tilveiebringer utførelsesformer av oppfinnelsen apparatur for å måle volumstrømningsraten av en strøm av væske, som omfatter i kombinasjon:

en venturimåler som er tilpasset for å måle et trykkdifferensial som blir generert ved strømningen av minst en andel av væsken gjennom den; en coriolismåler som er tilpasset for å måle tettheten av en andel av strømningen av væske og som ikke har direkte utløp til venturimåleren; og innretninger som er tilpasset for å bruke:

tettheten målt ved coriolismåleren; og

trykkdifferensialet målt ved venturimåleren,

for å beregne volumstrømningsraten av fluid gjennom venturimåleren. Det er foretrukket at venturimåleren er en kilemåler.

Det er foretrukket at apparaturen videre omfatter en fortrengningspumpe og hvori minst en del av væsken strømmer gjennom fortrengningspumpen.

Det er foretrukket at apparaturen videre omfatter innretninger for å beregne volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen, ved anvendelse av:

volumstrømningsraten gjennom venturimåleren, og volumstrømningsraten gjennom coriolismåleren.

Det er foretrukket at apparaturen videre omfatter:

tellende innretninger for å telle pumpeslagene for fortrengningspumpen; beregnende innretninger for å anvende antallet pumpeslag for å beregne volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen; og sammenlignende innretninger for å sammenligne:

Det vil følgelig bli erkjent at utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse tilveiebringer apparatur og fremgangsmåter for de mer nøyaktige målingene av den volumetriske strømningen og tettheten av boreslam.

Kort beskrivelse av tegningene

For at foreliggende oppfinnelse kan bli enklere forstått, er foretrukne utførelsesformer av den beskrevet i sammenheng med de ledsagende tegningene hvori:

figur 1 er blokk-skjematisk tegning av apparatur som typisk blir anvendt i måling av den volumetriske strømningen av boreslam; og

figur 2 er en blokk-skjematisk tegning av apparatur i henhold til foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse.

Beskrivelse av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen

Struktur

I utførelsesformen 11 av oppfinnelsen som er illustrert i figur 2, er en tank 2 for tilførselen av boreslam 6 eller lignende knyttet ved rør 7 til innløpssiden av en trykkdifferensialstrømningsmåler 13.

Utløpssiden av trykkdifferensialstrømningsmåleren 13 er i sin tur knyttet gjennom rør 10 til innløpet av en ladningspumpe 18. Den foretrukne pumpeformen for ladningspumpen 18 er en sentrifugalpumpe.

Utløpet fra ladningspumpen 18 er knyttet gjennom en T-forgrening som omfatter rørene 19 og 12 til henholdsvis en fortrengningspumpe 8 og til en coriolismåler 14. Den foretrukne formen av fortrengningspumpe er en stempelpumpe. Coriolismåleren 14 er en type måler som kan bli anvendt for å måle alle av tettheten, massestrømningsraten og den volumetriske strømningsraten for væske som strømmer gjennom den. En coriolismåler er imidlertid ikke egnet for å måle de svært høye strømningene som er involvert i tilførselen av boreslam 6 til et borehull.

Utløpet av fortrengningspumpen 8 er knyttet til rør 9 for formål som er beskrevet under. Utløpet fra coriolismåleren 14 er knyttet til rør 16 som knyttes som et innløp til tanken 2. En mikser 3 er montert innen tanken 2 og er drevet ved en elektrisk motor 4.

Data og styringsledninger 21, 22 og 23 kobler sammen en digital prosessor 17 med henholdsvis trykkdifferensialmåleren 13, fortrengningspumpen 8 og coriolismåleren 14. For formål som er beskrevet under, er styringssignaler over ledningen 21 og 23 mellom prosessoren 17 og målerene 13 og 14 i henhold til "HART Field Communication Protocol Specifications" som er tilgjengelig fra HART Communication Foundation, 9390 Research Boulevard, Suite 1-350, Austin, Texas, USA.

Drift

Utførelsesformen 11 av oppfinnelsen som er illustrert i figur 2 utnytter en tilførsel av boreslam 6 i overflatetanker 2. Slammet 6 i tanken 2 blir holdt i en relativt homogen tilstand ved anvendelse av mikseren 3 som blir drevet ved den elektriske motoren 4. Drift av ladningspumpen 18 trekker slam 6 av fra tank 2 gjennom rør 7, gjennom trykkdifferensialmåleren 13, gjennom ladningspumpen 18, til T-forgreningen omfattet ved rørene 12 og 19. Når det strømmer gjennom trykkdifferensialmåleren 13, genererer slammet 6 et trykkdifferensial som blir overvåket ved den digitale prosessoren 17.

Den største andelen av strømningen ut av ladningspumpen 18 strømmer gjennom rør 19 inn i innløpet av fortrengningspumpen 8 og fra utløpet av fortrengningspumpen inn i borehullet (som ikke er illustrert i tegningene). En liten andel av strømningen ut av ladningspumpen 18 strømmer gjennom rør 12 til innløpet av coriolismåleren 14 og fra utløpet av coriolismåleren 14 gjennom røret 16 tilbake til tanken 2.

En trykkdifferensialmåler (eller venturi) måler stoler på Bernoullis ligning, nemlig

p ρgh 1⁄2 ρv<2>= en konstant

hvor

"p" er trykket av en væske;

" ρ" er tettheten av væsken;

"g" er akselerasjonen på grunn av gravitasjon;

"h" er høyden av væsken; og

"v" er hastigheten av væsken.

Imidlertid, som forklart over, i tilfellet av boreslam varierer tettheten "�" av væsken og slik er det nødvendig å kjenne den (variable) tettheten av slammet 6 som strømmer gjennom venturimåleren 13 for å beregne den volumetriske strømningen av slam 6 gjennom den måleren.

Coriolismåleren 14 tar følgelig en liten andel av den totale strømningen av boreslam 6 fra utløpet av ladningspumpen 18 og måler tettheten og strømningsraten av den lille strømningen. Tettheten av slammet 6 som målt ved coriolismåleren 14 blir anvendt, sammen med trykkdifferensial på tvers av kilen som målt i venturimåleren 13, for å beregne den ene eller begge av massestrømningsraten og tetthetsstrømningsraten gjennom venturimåleren 13. I henhold til noen foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, blir disse beregningene utført ved den digitale prosessoren 17. Den digitale prosessoren 17 kompenserer også for forskjeller i tidene tatt for at slam 6 skal strømme fra tanken 2 til hver av:

venturimåleren 13;

fortrengningspumpen 8; og

coriolismåleren 14.

Strømningsraten gjennom fortrengningspumpen 8 er lik den (beregnede) strømningsraten gjennom venturimåleren 13 minus den målte strømningsraten gjennom coriolismåleren 14. Den digitale prosessoren 17 beregner også denne strømningsraten.

Den digitale prosessoren 17 overvåker også den volumetriske strømningsraten gjennom fortrengningspumpen 8 som beregnet fra talte pumpeslag. Denne strømningsraten som målt ved å telle pumpeslag skulle være den samme som den beregnede strømningsraten gjennom fortrengningspumpen 8. Imidlertid kan forskjeller i:

strømning som beregnet ved å telle pumpeslag; og

strømning som beregnet ved forskjellen mellom strømning gjennom venturimåleren og strømning gjennom coriolismåleren,

indikere at vedlikehold står for tur på én eller flere av de målerene. Spesielt vil variasjoner i disse forskjellene som viser at strømningen som beregnet ved å måle pumpeslagene er større enn den beregnede strømningen gjennom fortrengningspumpen 8 være en indikator på at fortrengningspumpen 8 kan stå for tur for vedlikehold.

I henhold til andre foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen som ikke er illustrert i tegningene, blir slamtetthet som målt ved coriolismåleren 14 ført direkte til elektronisk kretsteknikk som er assosiert med venturimåleren 13.

Prosessoren 17 overvåker tettheten av slammet 6 for å bestemme om den tettheten når verdiområdets grense for trykkdifferensialmåleren 13 eller coriolismåleren 14 eller ikke. Når tettheten når den grensen, anvender prosessoren HART protokollen for å ta den aktuelle måleren 13 eller 14 offline. Prosessoren 17 undertrykker enhver alarm som ville vise at måleren er offline eller stoppet og laster opp nye kalibreringsdata til det instrumentet. Disse nye kalibreringsdataene tillater instrumentet å håndtere et forskjellig tetthetsområde. Prosessoren 17 setter så måleren 13 eller 14 tilbake online.

Selv om foreliggende oppfinnelse har blitt beskrevet med referanse til noen få spesifikke utførelsesformer, er beskrivelsen illustrerende for oppfinnelsen og skal ikke bli betraktet som begrensende for oppfinnelsen. Ulike modifikasjoner kan forekomme for fagpersonene uten å avvike fra den faktiske ånden og omfanget av oppfinnelsen som definert ved de medfølgende kravene.

"Omfatter/omfattende" når anvendt i denne spesifikasjonen er tatt for å spesifisere nærværet av angitte trekk, enheter, trinn eller komponenter men utelukker ikke nærværet eller tilleggelsen av ett eller flere andre trekk, enheter, trinn, komponenter eller grupper derav. I kravene skal hvert avhengige krav leses som å være innen omfanget av dets ene eller flere opphavskrav, i den betydning at et avhengig krav ikke skal bli tolket som krenket med mindre dets opphavskrav også er krenket.

Claims

Patentkrav

1. Fremgangsmåte for å måle volumstrømningsraten for en væske, som omfatter å:

tilveiebringe en strømning av væsken;

tappe av en andel av strømningen av væske og anvende en coriolismåler for å måle tettheten av den andelen av strømningen av væske, hvor coriolismåleren ikke direkte har utløp inn i en venturimåler;

føre minst en del av strømningen av væske gjennom venturimåleren; og anvende tettheten av væsken som målt ved coriolismåleren i beregning av volumstrømningsraten av fluid gjennom venturimåleren.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori venturimåleren er en kilemåler.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller krav 2, hvori strømningen av væske blir levert ved en sentrifugalpumpe.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav hvori minst en del av væsken strømmer gjennom en fortrengningspumpe.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, som videre omfatter trinnet med anvendelse av:

volumstrømningsraten gjennom venturimåleren, og volumstrømningsraten gjennom coriolismåleren,

for å beregne volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, som videre omfatter å:

telle pumpeslagene for fortrengningspumpen;

sammenligne:

7. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående kravene, hvori væsken er en slurry.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvori slurryen er et boreslam.

9. Apparatur for å måle volumstrømningsraten for en strømning av væske, som omfatter i kombinasjon:

en venturimåler som er tilpasset for å måle et trykkdifferensial som blir generert ved strømningen av minst en andel av væsken gjennom den; en coriolismåler som er tilpasset for å måle tettheten av en andel av strømningen av væske og som ikke har direkte utløp til venturimåleren;

og

innretninger som er tilpasset for å bruke:

tettheten målt ved coriolismåleren; og

trykkdifferensialet målt ved venturimåleren,

for å beregne volumstrømningsraten av fluid gjennom venturimåleren.

10. Apparatur ifølge krav 9, hvori venturimåleren er en kilemåler.

11. Apparatur ifølge krav 9 eller krav 10, hvori strømningen av væske blir levert ved en sentrifugalpumpe.

12. Apparatur ifølge ett av kravene 9 til 11, som videre omfatter en fortrengningspumpe og hvori minst del av væsken strømmer gjennom fortrengningspumpen.

13. Apparatur ifølge krav 12, som videre omfatter innretninger for å beregne volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen, ved anvendelse av:

14. Apparatur ifølge krav 13, som videre omfatter:

tellende innretninger for å telle pumpeslagene for fortrengningspumpen; beregnende innretninger for anvendelse av antallet pumpeslag for å beregne volumstrømningsraten gjennom fortrengningspumpen; og sammenlignende innretninger for å sammenligne:

15. Apparatur ifølge ett av kravene 9 til 14, hvori væsken er en slurry.

16. Apparatur ifølge krav 15, hvori slurryen er et boreslam.