DE69401929T2 - Gerät zur messung der zusammensetzung eines fliessfähigen mediums - Google Patents
Gerät zur messung der zusammensetzung eines fliessfähigen mediumsInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Zusammensetzung eines durch eine Leitung strömenden Fluids. Beim Transport eines Mehrkomponentenfluids durch eine Leitung zu einer Verarbeitungseinrichtung ist es im allgemeinen erforderlich, die Zusammensetzung des Fluids entweder an einer Stelle entlang der Leitung oder am stromaufwärtsgelegenen Ende davon zu messen. In der Öl- und Gasindustrie können Bohrlochfluide von einem Onshore- bzw. Offshorebohrlochkopf durch eine Leitung zu einer Verarbeitungseinrichtung transportiert werden, wo die verschiedenen Komponenten des Fluids voneinander getrennt werden. Die Bohrlochfluide können Öl, Gas und Wasser in Anteilen enthalten, die zeitlich variieren und die sich bei verschiedenen Bohrlöchern, die aus dem gleichen unterirdischen Reservoir fördern, unterscheiden können. Durch die Messung der Fluidzusammensetzung direkt an den Bohrlochköpfen oder weiter stromabwärts, wo die Ströme von verschiedenen Bohrlochköpfen zusammenlaufen, wird es möglich, bestimmte Reservoireigenschaften während der Förderdauer des Reservoirs zu aktualisieren und gegebenenfalls rechtzeitige Korrekturmaßnahmen zu treffen.
- Die europäische Patentanmeldung Nr. 269 432 offenbart eine Vorrichtung zum Messen einer Zusammen- Setzung eines durch eine Leitung strömenden Fluids mit einer Röhre, die sich zum Anschluß an die Leitung auf eine derartige Weise eignet, daß ein Strom des Fluids durch eine Röhre strömt, eine radioaktive Quelle, die so angeordnet ist, daß die Strahlung von der Quelle durch eine Wand der Röhre und durch den Fluidstrom hindurchtritt, einem Strahlungsdetektor, der so angeordnet ist, daß er die durch die Wand der Röhre und durch den Fluidstrom hindurchtretende Strahlung erfaßt, und Mitteln zum Erzeugen eines Signals, das die von dem Detektor erfaßte Strahlung darstellt. Die Menge an Strahlung, die durch den Fluidstrom hindurchtritt und von dem Detektor erfaßt wird, zeigt die Zusammensetzung des Fluids an. Die Wand der Röhre, durch die die Strahlung hindurchtritt, bildet ein Strahlungsfenster aus Beryllium, wobei die Wand von einem rohrförmigen Schutz, der mit sich diametral gegenüberliegenden Löchern für den Durchtritt der Strahlung versehen ist, umgeben ist. Ein Nachteil des bekannten Geräts ist die Tatsache, daß sich an der Oberfläche der Berylliumwand toxisches Berylliumoxid bildet. Außerdem ist für Hochdruckanwendungen eine relativ dicke Berylliumwand erforderlich, was zu einer wesentlichen Schwächung der Strahlung in der Berylliumwand und einer entsprechenden Verringerung der Genauigkeit der Zusammensetzungsmessung führt.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Messen einer Fluidzusammensetzung eines Stroms von Multikomponentenfluid bereitzustellen, die die Nachteile der Vorrichtung nach dem Stand der Technik überwindet.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Messen einer Fluidzusammensetzung eines Stroms von Multikomponentenfluid bereitzustellen, wobei die Vorrichtung kompakt ist und präzise Messungen liefert.
- Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zum Messen einer Zusammensetzung eines durch eine Leitung strömenden Fluidstroms dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Halbleiterdetektorkonfiguration mit mindestens zwei Erfassungsflächen und einem zwischen der Strahlungsquelle und einer ersten der Erfassungsflächen befindlichen Filter umfaßt.
- Die Wirksamkeit eines Halbleiterdetektors nimmt im allgemeinen mit zunehmendem Strahlungsenergieniveau ab. Wenn zum Beispiel eine Strahlungsquelle mit Americium (Am-241) verwendet wird, die auf einem niedrigenergetischen Niveau von 18 KeV und einem hochenergetischen Niveau von 60 KeV strahlt, liegt die Wirksamkeit des Detektors beim niedrigenergetischen Niveau bei ungefähr 50-60%, wohingegen die Wirksamkeit des Detektors beim hochenergetischen Strahlungsniveau bei ungefähr 5% liegt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Wirksamkeit des Detektors dadurch verbessert, daß eine Halbleiterdetektorkonfiguration mit mindestens zwei strahlungserfassenden Flächen bereitgestellt wird, wobei sich ein Filter zwischen der Strahlungsquelle und einer ersten der Erfassungsflächen befindet.
- Vorzugsweise verhindert der Filter im wesentlichen den Durchtritt der niedrigenergetischen Strahlung und gestattet im wesentlichen den Durchtritt von Strahlung mit einem hohen Energieniveau. Dadurch wird erreicht, daß der niedrigenergetische Anteil der Strahlung, die durch das Fluidgemisch und die Wand der Röhre hindurchtritt, von einer zweiten der beiden erfassenden Flächen im wesentlichen erfaßt wird. Weiterhin wird der das hohe Energieniveau aufweisende Anteil der Strahlung, der durch das Fluidgemisch und die Wand der Röhre hindurchtritt, von der ersten erfassenden Oberfläche mit einer gesteigerten Wirksamkeit erfaßt, da durch die Anordnung des Filters die Zählrate für den das hohe Energieniveau aufweisenden Anteil wesentlich gesteigert wird. Der Filter besteht vorteilhafterweise aus Kupfer.
- Es versteht sich, daß sich der Ausdruck Halbleiterdetektor im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung auf einen Halbleiterdiodendetektor bezieht, wie er zum Beispiel in der Veröffentlichung ISBN 0-471-49545-x mit dem Titel "Radiation detection and measurement" [Strahlungserfassung und -messung] in Kapitel 11 beschrieben wird. Ein derartiger Detektor ist kompakt und weist im Energiebereich zwischen 15- 100 kev eine hohe Auflösung auf, was sich für die Messung eignet. Die Auflösung und Wirksamkeit des Halbleiterdiodendetektors kann dadurch gesteigert werden, daß der Detektor mit Kühlmitteln ausgestattet wird, die die Temperatur des Detektors zwischen 0-15ºC bzw. vorzugsweise zwischen 5-10ºC halten.
- Ein geeignetes Kühlmittel ist ein Peltierelement, da ein derartiges Element kompakt ist, wobei die Kompaktheit der Vorrichtung sogar noch gesteigert wird, wenn der Detektor direkt am Peltierelement angebracht wird.
- Vorzugsweise besteht die Wand der Röhre aus einem faserverstärkten Harz. Es hat sich herausgestellt, daß die Wand des faserverstärkten Harzes ein ausreichendes Strahlungsfenster mit niedriger Strahlungsabsorption bildet, während eine derartige Wand das Anlegen von relativ hohen Innendrücken gestattet. Durch die Abwesenheit des Berylliums besteht weiterhin keine Gefahr, daß sich Berylliumoxid bildet, und zukünftige Probleme der Entsorgung von Beryllium entfallen.
- Die Absorption von Strahlung in der Röhrenwand ist besonders niedrig, wenn die Wand mit Kohlefasern verstärkt ist. Angesichts dessen wird bevorzugt, daß die Wand aus einem relativ hohen Prozentsatz an Kohlefasern besteht, zum Beispiel zwischen 50-70 Gew.-% Kohlefasern.
- Ein geeignetes, für die Wand zu verwendendes Matrixmaterial ist ein Polyetherharz, wie zum Beispiel ein Epoxidharz.
- Die Zusammensetzung des durch die Leitung strömenden Fluids wird aus dem Signal bestimmt, das die von dem erfindungsgemäßen Detektor gemäß dem folgenden Verfahren erfaßte Strahlung darstellt:
- Die Absorption von Gammastrahlen in Materie wird durch folgende Gleichung beschrieben:
- I(e) = I&sub0; (e).exp(-µ(e).h,
- wobei
- I&sub0;(e) = Anfangsintensität der Gammastrahlen mit Energie e;
- I(e) = Intensität der Gammastrahlen nach Absorption mit Energie e;
- µ(e) = linearer Absorptionskoeffizient bei Energie e;
- h = Stärke des Materials.
- Bei einem gegebenen Öl/Wasser/Gas-Gemisch in einem Rohr mit Innendurchmesser d und Wandstärke t können die folgenden Gleichungen für zwei Energieniveaus e1 und e2 abgeleitet werden:
- I(e1) = I&sub0; (e1) .exp (-µMix (e1) .d) .exp (-µRohr (e1) .2t)
- und
- I(e2) = I&sub0; (e2) .exp (-µMix (e2) .d) .exp (-µRohr (e2) .2t)
- wobei
- µMix(e1) = µÖl(e1) .αÖl+ µWasser (e1) .αWasser + µGas (e1) .αGas
- und
- µMix(e2) = µÖl(e2) .αÖl+ µWasser (e2) .αWasser + µGas (e2) .αGas
- Das Symbol α bezieht sich auf den Volumenanteil der indizierten Phase; die Summe aller drei Anteile sollte gleich 1 sein:
- αÖl + αWasser + αGas = 1,
- wenn die Absorptionskoeffizienten für Öl, Wasser und Gas in getrennten Kalibrierverfahren gemessen werden, können die drei Anteile αÖl, αWasser und αGas unter Verwendung der obigen Gleichungen durch Messen der Strahlungsabsorption durch eine mit Öl, Wasser und Gas gefüllte Rohrleitung bei zwei Gammastrahlenenergieniveaus e1 und e2 bestimmt werden.
- Es wird festgestellt, daß aus dem International Journal of Applied Radiation and Isotopes, Band 34, Nr. 1, Januar 1982, Seiten 309-331 bekannt ist, daß ein von einem Peltierelement gekühlter Halbleiterdetektor in einer Vorrichtung zur In-Line-Analyse metallhaltiger Erzaufschlämmungen verwendet werden kann, daß aus der europäischen Patentschrift Nr. 0 187 460 die Verwendung mehrerer Gammastrahlendetektoren zum Messen der Zusammensetzung eines Mehrphasenfluidstroms in einer Leitung entlang mehrerer Sehnen bekannt ist und daß aus der europaischen Patentschrift 0 236 623 die Verwendung eines einzelnen Strahlungsdetektors zusammen mit einem Differentialdruckmesser in einem Mehrphasendurchflußmesser bekannt ist.
- Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben; es zeigen:
- Figur 1 schematisch einen Längsquerschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- Figur 2 den Querschnitt 2-2 der Vorrichtung von Figur 1.
- Die Vorrichtung der Figuren 1 und 2 enthält eine Stahlröhre 1 mit einem Mittelteil 3 mit verringertem Innendurchmesser. Ein Zylinder 5 aus kohlefaserverstärktem Epoxid (CFRE = carbon fibre reinforced epoxy) befindet sich in einer an der Innenseite des Mittelteils 3 der Röhre 1 vorgesehenen Vertiefung 7. Die Wand des Mittelteils 3 der Röhre 1 ist mit vier Öffnungen 10, 11, 12, 13 ausgestattet, wobei die Öffnungen 11, 12, 13 gegenüber der Öffnung 10 und entlang des Umfangs der Röhre 1 beabstandet angeordnet sind. Jede Öffnung 10, 11, 12, 13 erstreckt sich von der Außenfläche der Röhre 1 zur Außenfläche des CFRE- Zylinders 5.
- Eine Strahlungsquelle 15 für Röntgen- oder Gammastrahlen befindet sich in der Öffnung 10, die für die Quelle 15 einen Kollimator bildet. Drei Halbleiterdetektoren 16, 17, 18 befinden sich in den Öffnungen 11, 12 bzw. 13, wobei die Öffnungen 11, 12, 13 jeweilige Kollimatoren für die Detektoren 16, 17, 18 bilden, so daß letztere Strahlung von der Quelle 15 erfassen können. Die Detektoren 16, 17, 18 sind an jeweiligen Peltierelementen 20, 21, 22 befestigt, die der Aufrechterhaltung der Temperatur der Detektoren 16, 17, 18 zwischen 5-10ºC dienen. Ein (nicht gezeigter) elektronischer Prozessor ist mit den Detektoren 16, 17, 18 verbunden, um Signale zu empfangen und zu verarbeiten, die die von den Detektoren 16, 17, 18 erfaßte Strahlung darstellen.
- Die radioaktive Quelle 15 ist so ausgewählt, daß geeignete Energieniveaus ei und e2 abgegeben werden, so daß αÖl, αWasser und αGas unter Verwendung der obigen Gleichungen gelöst werden können.
- Ein Differentialdruckmesser 24 ist mit einer Druckentnahmestelle 26, die sich an der Innenfläche der Röhre 1 neben ihrem Mittelteil 3 befindet, und mit einer Druckentnahmestelle 28, die sich an der Innenfläche des Mittelteils 3 der Röhre 1 befindet, verbunden. Die Röhre 1 ist an beiden Enden mit Flanschen 30, 32 versehen, um die Röhre 1 zum Transport von Fluid, das aus einem Bohrloch in einer Erdformation gefördertes Öl, Wasser und Gas enthält, mit einer (nicht gezeigten) Leitung zu verbinden.
- Während des normalen Betriebs der in Figuren 1 und 2 gezeigten Vorrichtung wird die Röhre 1 mit der Leitung verbunden und ein Fluidstrom, der von einem Bohrloch gefördertes Öl, Wasser und Gas enthält, strömt durch die Röhre 1. Von der Strahlungsquelle 15 abgegebene Röntgen- oder Gammastrahlung tritt durch die Wand des kohlefaserverstärkten Zylinders 5 und durch den Fluidstrom in Richtung der Detektoren 16, 17, 18 hindurch, wodurch die Strahlung von der Wand des CFRE-Zylinders 5 und dem Fluidstrom teilweise absorbiert wird. Die von der Quelle 15 abgegebene Strahlung wird somit von der Wand des CFRE-Zylinders 15 und von dem Fluidstrom abgeschwächt. Die abgeschwächte Strahlung wird von den Detektoren 16, 17, 18 erfaßt, und Signale, die die abgeschwächte Strahlung darstellen, werden von dem elektronischen Prozessor empfangen, der die Zusammensetzung des Fluids unter Verwendung der obigen Gleichungen bestimmt. Weiterhin liefert der Differentialdruckmesser 24 Signale, die die Strömungsgeschwindigkeit der Fluidmischung darstellen, so daß die Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen Fluidkomponenten berechnet werden können.
- Die Verwendung von mehreren Detektoren an um den Umfang der Röhre herum beabstandeten Stellen hat im Vergleich zur Anwendung lediglich eines Detektors den Vorteil, daß die Zählrate dadurch gesteigert wird und daß die Homogenität des Fluids geprüft werden kann, indem die von den einzelnen Detektoren bestimmte Fluidzusammensetzung verglichen wird. Bei der in Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform werden drei Detektoren verwendet, jedoch können je nach den Eigenschaften der Anwendung weniger oder mehr als drei Detektoren bei der Vorrichtung verwendet werden.
- Geeigneterweise besteht ein Material zum Konstruieren eines CFRE-Zylinders zur Verwendung in der unter Bezug auf Figuren 1 und 2 beschriebenen Vorrichtung aus dem Harz Araldit LY556 mit Härter HY917 und Härtebeschleuniger DY070, hergestellt von Ciba Geigy, und Kohlefasern Tenax IM-400-12000, hergestellt von AKZO. Aus diesem Material wurde ein CFRE-Zylinder mit einem Innendurchmesser von 43 mm und einer Wandstärke von 2 mm konstruiert und innerhalb einer Stahlröhre positioniert, die mit einer Öffnung mit einem Durchmesser von 16 mm und drei Öffnungen mit einem Durchmesser von 8 mm zum Anordnen der Strahlungsquelle bzw. der drei Detektoren ausgestattet war. Ein Druckversuch ergab, daß der CFRE-Zylinder einem Innendruck von 120 MPa standhalten konnte.
- Um die Abschwächung der Strahlung in der Wand der Röhre zu verringern, ist in einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Quelle oder und/oder der Detektor innerhalb der Röhre angeordnet.
- Bei einer derartigen Ausführungsform wird bevorzugt, daß die Quelle innerhalb der Röhre angeordnet ist und der Detektor außerhalb der Röhre angeordnet ist. Somit tritt die Strahlung nur einmal durch die Wand der Röhre hindurch. Geeigneterweise ist die Quelle von einer innerhalb der Röhre angeordneten Hülse umgeben, die vorzugsweise konzentrisch innerhalb der Röhre angeordnet ist.
Claims (16)
1. Vorrichtung zum Messen einer Zusammensetzung
eines durch eine Leitung strömenden Fluids mit einer
Röhre (5), die sich zum Anschluß an die Leitung auf
eine derartige Weise eignet, daß ein Strom des Fluids
durch die Röhre (5) strömt, einer radioaktiven Quelle
(15), die so angeordnet ist, daß die Strahlung von der
Quelle (15) durch eine Wand der Röhre (5) und durch den
Fluidstrom hindurchtritt, einem Strahlungsdetektor, der
so angeordnet ist, daß er die durch die Wand der Röhre
(5) und durch den Fluidstrom hindurchtretende Strahlung
erfaßt, und Mitteln zum Erzeugen eines Signals, das die
von dem Detektor erfaßte Strahlung darstellt, dadurch
gekennzeichnet, daß der Detektor eine
Hälbleiterdetektorkonfiguration (16, 17, 18) umfaßt, die mit
mindestens zwei Strahlungserfassungsflächen und einem
zwischen der Strahlungsguelle (15) und einer ersten der
Erfassungsflächen befindlichen Filter ausgestattet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Filter
den Durchtritt der niedrigenergetischen Strahlung im
wesentlichen verhindert und den Durchtritt der
hochenergetischen Strahlung im wesentlichen gestattet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der
Filter aus Kupfer besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei
die Halbleiterdetektorkonfiguration (16, 17, 18) mit
Kühlmitteln (20, 21, 22) ausgestattet ist, um die
Temperatur der Halbleiterdetektorkonfiguration (16, 17,
18) zwischen 0-15ºC zu halten.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die
Halbleiterdetektorkonfiguration (16, 17, 18) mit
Kühlmitteln (16, 17, 18) ausgestattet ist, um die
Temperatur der Halbleiterdetektorkonfiguration zwischen
5-10ºC zu halten.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die
Kühlmittel (20, 21, 22) in Form eines Peltierelements
vorliegen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die
Detektorkonfiguration (16, 17, 18) direkt an den
Peltierelementen (20, 21, 22) angebracht ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei
die Leitung (1) entlang eines Teils ihrer Länge einen
verringerten Durchmesser aufweist und die Vorrichtung
weiterhin Mittel (24) zum Messen eines
Differentialdrucks in dem Fluidstrom umfaßt, der durch den Teil
mit verringertem Durchmesser strömt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei
die Quelle (15) und/oder die Halbleiter
detektorkonfiguration (16, 17, 18) innerhalb der Röhre
(5) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Quelle
(15) innerhalb der Röhre (5) und die
Halbleiterdetektorkonfiguration (16, 17, 18) außerhalb der Röhre (5)
angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10,
wobei die Halbleiterdetektorkonfiguration (16, 17, 18)
mehrere Halbleiterdetektoren (16, 17, 18) umfaßt, die
an um den Umfang der Röhre (5) herum beabstandeten
Stellen angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11,
wobei die Wand der Röhre (5) aus einem faserverstärkten
Harz besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Wand
der Röhre (5) aus einem kohlefaserverstärkten Harz
besteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei das
Harz aus einem Polyetherharz besteht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das
Polyetherharz aus einem Epoxidharz besteht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-14,
bei die Wand der Röhre (5) aus einem relativ hohen
Prozentsatz an Kohlefasern besteht.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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