NO339331B1

NO339331B1 - Sonar-basert flerfasestrømningsmåler

Info

Publication number: NO339331B1
Application number: NO20072414A
Authority: NO
Inventors: Espen S Johansen
Original assignee: Weatherford Tech Holdings Llc
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2016-11-28
Also published as: CA2588329C; CA2588329A1; GB2438081B; NO20072414L; GB0709020D0; GB2438081A; US7401530B2; US20070295101A1

Description

OPPFINNELSESOMRÅDET

[0001] Utførelsesformer av oppfinnelsen vedrører generelt fremgangsmåter og apparattur for å bestemme individuelle fasefraksjoner og/eller strømningsmengder av flere faser i en fluidstrømning.

Beskrivelse av beslektet teknikk

[0002] Innenfor petroleumsindustrien så vel som i mange andre industrier, frembyr muligheten for å overvåke strømning av visse fluider i prosessrør i sann tid betraktelig verdi. Olje- og -gassbrønnoperatører måler periodisk vann-olje-gassfasefraksjonenes strømingsmengder i en total produksjonsstrømningsstrøm inneholdende en blanding av disse tre faser. Denne informasjon hjelper til med å forbedre brønnproduksjon, fordeling av avgifter, riktig inhibering av korrosjon basert på mengden av vann og generell bestemmelse av brønnens ytelse.

[0003] Mens noen metoder muliggjør måling av strømningsmengder i tofaseblandinger, oppstår vanskeligheter i å bestemme individuelle volumetriske fraksjoner og strømningsmengder i trefaseblandinger. Separatorer kan anvendes for å separere ut én eller flere faser fra strømningsstrømmen, men innfører ekstra utstyr, tid og omkostninger. Andre kostbare og tidkrevende prosedyrer medfører manuell sampling av blandingen for å oppnå informasjon vedrørende de individuelle volumetriske fraksjoner. På den annen side kan strømningsmålende innretninger være komplekse og kan begrense strømning som da skaper signifikanttrykktap, som for eksempel når det anvendes venturibaserte målinger.

[0004] Det foreligger derfor et behov for forbedrede fremgangsmåter og apparatur som muliggjør bestemmelse av individuelle fasefraksjoner og følgelig strømningsmengder av flere faser i en fluidstrømning.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

[0005] Utførelsesformer av oppfinnelsen vedrører generelt

flerfasefluidstrømningsmålere. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et apparat for å måle strømning av en fluidblanding i en ledning, omfattende: en lydhastighetsmåler anbrakt langs ledningen og konfigurert til å bestemme en

lydhastighet i blandingen; en fasefraksjonsmåler anbrakt langs ledningen og konfigurert til å bestemme en prosentandel av en første fase i fluidblandingen; og en prosessor konfigurert med logikkretser for å bestemme fasefraksjoner av andre og tredje faser i fluidblandingen basert på evaluering av lydhastigheten i kombinasjon med prosentandelen av den første fase.

[0006] Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også et apparat for måling av strømning av en fluidblanding i en ledning, omfattende: en akustisk avsøkings-innretning konfigurert til å bestemme en lydhastighet i fluidblandingen med følere rommelig fordelt langs ledningen for å detektere akustiske trykkvariasjoner som beveger seg med lydhastigheten; og en fasefraksjonsinnretning konfigurert til å måle en første fasefraksjon i fluidblandingen og avlede fra den første fasefraksjon og lydhastigheten andre og tredje fasefraksjoner i fluidblandingen, hvori fasefraksjonene definerer separate og distinkte faser i fluidblandingen.

[0007] Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer videre en fremgangsmåte for å måle strømning av en fluidblanding i en ledning, omfattende: måling av en lydhastighet i fluidblandingen ved avsøkning langs ledningen av akustiske trykkvariasjoner som beveger seg med lydhastigheten; måling av en første fasefraksjon i fluidblandingen; og bestemmelse av andre og tredje fasefraksjoner i fluidblandingen under anvendelse av lydhastigheten og den første fasefraksjon, hvori fasefraksjonene definerer separate og distinkte faser i fluidblandingen.

Ytterligere utførelsesformer av apparatene og fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse fremgår av de uselvstendige patentkrav.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

For at den måte hvorpå de ovenfor angitte trekk ved den foreliggende oppfinnelse kan bli forstått i detalj gis en mer spesiell beskrivelse av oppfinnelsen, kort oppsummert i det foregående, med henvisning til utførelsesformer, hvorav noen er illustrert i de vedføyde tegninger. Det skal imidlertid bemerkes at de vedføyde tegninger bare illustrerer typiske utførelsesformer av denne oppfinnelse og skal derfor ikke anses som begrensende for oppfinnelsens omfang, idet oppfinnelsen kan ha andre like effektive utførelsesformer.

[0009] Fig. 1 er et skjematisk diagram av et flerfase strømningsmålersystem ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen, med en serie systemføler for lydhastighet og masse ("bulk") virvelhastighet, en vannfraksjonsmåler og signalgrensesnitt-kretssystemer.

[0010] Fig. 2 er et flytskjema, ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen, for med signalgrensesnitt-kretssystemer og evaluere flerfasestrømningsmengder med et system lignende systemet vist i fig. 1, men som har en oljefraksjonsmåler i stedet for vannfraksjonsmåleren.

[0011] Fig. 3 er en graf av endringer i lydhastigheten versus vannfraksjon for forskjellige olje-gassforhold som illustrerer at en målt lydhastighet og en målt vannfraksjon funksjonelt tilsvarer et spesielt olje-gassforhold som muliggjør bestemmelse av slike olje-gassforhold.

DETALJERT BESKRIVELSE

[0012] Utførelsesformer av oppfinnelsen vedrører flerfasestrømningsmålere i stand til å bestemme individuelle fasefraksjoner for tre faser i en fluidblanding. Passende strømningsalgoritmer kan utnytte denne fasefraksjonsinformasjon med en avsøkt total kombinert strømningsmengde av blandingen for å finne individuelle strømningsmengder for de tre faser, som for eksempel olje, vann og gass. For noen utførelsesformer inkluderer flerfasestrømningsmåleren et seriesystem av rommelig fordelte trykkfølere konfigurert til å bestemme en lydhastighet i blandingen og en hvilken som helst type av vannfraksjonsmåler, oljefraksjonsmåler eller gassfraksjonsmåler.

[0013] Fig. 1 illustrerer et flerfase-strømningsmålersystem som inkluderer en lydhastighet seriesystemføler 104, en vannfraksjonsmåler 106 og signalgrensesnitt-kretssystemer 150. Nårfluidstrømningen 102 vist ved en pil beveger seg gjennom en ledning 100, avsøker seriesystemføleren 104 og vannfraksjonsmåleren 106 som begge er anbrakt langs ledningen egenskapene av fluidstrømningen 102, som kan være en blanding av tre distinkte faser som er olje, gass og vann. Signalgrensesnitt-kretssystemet 150 mottar signaler fra seriesystemføleren 104 og vannfraksjonsmåleren 106 gjennom overføringsledninger 107, som kan være forsynt med én eller flere elektriske ledningstråder eller optiske fibere.

[0014] Seriesystemføleren 104 kan inkludere et første trykkavsøkingselement 105A, et andre trykkavsøkingselement 105B og et tredje trykkavsøkingselement 105N fordelt langs en lengde av ledningen 100. I praksis danner to eller flere av avsøkingselementene 105A-N seriesystemføleren 104, slik at antallet av avsøkingselementer 104A-N kan være mer eller mindre enn tre som vist. Avstand mellom avsøkingselementene 105A-N muliggjør avsøking av akustiske signaler som beveger seg med lydhastigheten gjennom fluidstrømningen 102 i ledningen 100 (referert til "akustisk avsøking") og kan også muliggjøre avsøking av lokale trykkvariasjoner med kort varighet som beveger seg med fluidstrømningen (referert til som "strømningshastighetsavsøking"). For noen utførelsesformer definerer spoler av optisk fiber viklet omkring ledningen 100 hvert av søkingselementene 105A-N. Andre trykkmålingsinnretninger som foreksempel piezoelektriske eller polyvinylidenfluorid (PVDF) baserte detektorer kan tilveiebringe trykk tidsvarierende signaler med seriesystemføleren 104. De akustiske signaler og/eller de lokale trykkvariasjoner kan oppstå fra naturlig forekommende fenomener når fluidstrømmen 102 beveger seg gjennom ledningen 100.

[0015] Uansett typen av avsøkningselementet 105A-N som anvendes muliggjør fortolkning av disse signaler fra seriesystemføleren 104 bestemmelse av i det minste lydhastigheten (amix, LH eller amix) av fluidstrømmen 102 med amixlogikk-kretsen 108. For noen utførelsesformer tillater fortolkning av signalene fra seriesystemføleren 104 med hastighetslogikkretsen 116 bestemmelse av hastigheten (Vmix) av fluidstrømmen 102. US patent nummer 6.354.147 og 6.782.150, som er innlemmet heri som referanse, beskriver eksempler på passende beregninger for å bestemme amixog hastigheten med lignende apparatur som er passende eksempler på seriesystemføleren 104 med avsøkingselementene 105A-N.

[0016] Vannfraksjonsmåleren 106 sender passende signaler til målerens fasefraksjonslogikkrets 110 for å måle hvilken prosentandel av fluidstrømmen 102 som er vann (d.v.s. vannfasefraksjonen) ved hjelp av metoder som for eksempel di som tilveiebringes av mikrobølge-vannfraksjonsmålere, spektroskopibaserte vannfraksjonsmålere, densistetsvann-fraksjonsmålere, eller kapasitive eller dielektriske vannfraksjonsmålere. Som egnede eksempler på vannfraksjonsmåleren 106, beskriver US patent nummer 6.076.049 og 6.292.756 sammen med US patentsøknad nr 11/065.489, som er innlemmet er heri som referanse, infrarød optiske fibersystemer for å bestemme prosentandelen av vann i fluidstrømmen 102. Mens de følgende ligninger forutsetter at vannfraksjonsmåleren 106 anvendes, krever bruk av en oljefraksjonsmåler (se fig. 2) eller en gassfraksjonsmåler i stedet for vannfraksjonsmåleren 106 bare mindre tilsynelatende endringer av de følgende ligninger og beskrivelsen som følger. Med andre ord muliggjør kombinering av den målte amixmed en måling av hvilken som helst enfasefraksjon beregning av de tilsvarende volumetriske fraksjoner av de andre to faser ifølge utførelsesformene av oppfinnelsen. For eksempel kan kombinasjon av den målte amixtilveiebrakt av seriesystemfølgeren 104 med den målte vannfraksjon tilveiebrakt av vannfraksjonsmåleren 106 anvendes som beskrevet heri for å bestemme den volumetriske fraksjon av olje og den volumetriske fraksjon av gass.

[0017] Etter bestemmelse av amixfluidstrømmen 102 med seriesystemføleren 104 og amixlogikkretsen 108 og vannprosentandelen med vannfraksjonsmåleren 106 og målerens fasefraksjons-logikkrets 110, kan oljefasefraksjonen beregnes basert på disse målinger ved bruk av beregnings-fasefraksjonslogikk-krets 112. Beregningsfase-fraksjonslogikk-kretsen 112 kan anvende de følgende ligninger og forhold. Først tilveiebringes blandingens densitet ved hjelp av:

Hvor fy er den volumetriske fraksjon og o, w, g angir henholdsvis olje, vann og. Videre gis blandingens isentropiske kompressibilitet ved:

I tillegg definerer den følgende ligning olje/gassforholdet som:

[0018] Løsning av ligningene (1) og (2) gir en 2. grads ligning som er løsbar for oljefasefraksjonen. Deretter kan gassfasefraksjonen beregnes ved at det vises evne til å løse både fasefraksjonen av olje- og fasefraksjonen av gass når amixog vannfraksjonen er gitt. Den 2. grads ligning avledet fra ligningene (1) og (2) er: hvor faktorene A, Bog C er gitt ved:

Individuelle densiteter og isentropiske kompressibiliteter for olje, vann og gass er kjente verdier. Som tidligere beskrevet måles verdier for <t>wog amixslik at faktorene A, Bog C kan beregnes for å muliggjøre løsning for en eneste ukjent som er oljefasefraksjonen (<t>0) i ligning (4).

[0019] Så snart vannfasefraksjonen (<t>w) er målt og oljefasefraksjonen (<)>0) er beregnet med beregnings-fasefraksjonslogikk-kretsen 112 beregner den øvrige fasefraksjonslogikk-krets 114 den prosentandel av fluidstrømmen 102, som representerer gassfasefraksjonen (<t>g) ifølge den følgende ligning:

[0020] Strømningsalgoritme-logikkretsen 118 forener informasjon fra

fasefraksjonslogikk-kretsen 110, 112, 114 vedrørende de volumetriske individuelle fasefraksjoner for hver av olje, gass og vann med hastigheten av fluidstrømningen fra hastighets-logikkretsen 116 for å finne individuelle strømningsmengder for hver av olje, vann og gassfasene. Som et eksempel beskriver US patent nummer 6.813.962, som innlemmes heri som referanse, strømningsmodelleringsmetoder anvendt med hastighet eller blandingsstrømningsmengder. Algoritmelogikk-kretsen 118 kan inkludere forutsetninger vedrørende trefasestrømning som for eksempel slurringshastighet mellom væske- og gassfaser.

Oljestrømningsmengden, gasstrømningsmengden og/eller

vannstrømningsmengden kan være utgangen fra signalgrensesnitt-kretssystemet 150 via en skjerm, utskrift eller annet brukergrensesnitt.

[0021] Fig. 2 viser et flytskjema for å evaluere flerfasestrømningsmengder med et system lignende systemet vist i fig. 1, men som har en oljefraksjonsmåler (for eksempel se US patentsøknad nr 11/065.489) i stedet for vannfraksjonsmåleren 106. En metode for evaluere flerfasestrømnings-mengder inkluderer et lydhastighets- (LH) trinn 204, måling av en lydhastighet (LH) i en blanding av fluider (for eksempel en trefaseblanding som inkluderer en vannfase, en gassfase og en oljefase) ved å detektere akustiske signaler som beveger seg gjennom fluidet som strømmer i en ledning ved hjelp av en strømningsmåler med et seriesystem av fordelte følere. For noen utførelsesformer danner ledningen en del av produksjonsrøret lokalisert ved en overflate av en olje- og gassbrønn. Ved et fasemålertrinn 206, foregår måling av en oljeprosentandel i blandingen med en oljefraksjonsmåler anbrakt langs ledningen.

[0022] Deretter mates informasjon oppnådd fra fasemålertrinnet 206 og lydhastighets- (LH) trinnet 204 inn i et initialt fasebestemmelsestrinn 212. I det initiale fasebestemmelsestrinn 212, bestemmer bearbeiding av tidligere målte lydhastighet (LH) og oljeprosentandelen en verdi for en vannprosentandel i blandingen. Etfaserestberegningstrinn 214 inkluderer bestemmelse av en gassprosentandel av blandingen basert på en hvilken som helst restandel av blandingen som ikke er allokert til olje og/eller vann i forbindelse med tidligere bestemmelser ved fasemålertrinnet 204 og det initiale fasebestemmelsestrinn 212.

[0023] Når det ønskes å oppnå strømningsmengdedata for individuelle faser inkluderer et hastighetstrinn 216 måling av en masse ("bulk") hastighet av fluidet. For noen utførelsesformer inkluderer denne måling av massehastigheten detektering av trykkvariasjoner som beveger seg med en hastighet som hovedsakelig tilsvarer en hastighet av fluidet. Ved et utgangstrinn 218 gir anvendelse av en multifasestrømnings-algoritme prosentandelene for volumetrisk fraksjon fra fasemålertrinnet 204, det initiale fasebestemmelsestrinn 212, og faserestberegningstrinnet 214 og hastigheten fra hastighetstrinnet 216 muliggjør utgang av strømningsmengder av olje, vann og gass.

[0024] Fig. 3 illustrerer en graf av lydhastighet versus vannfraksjon for forskjellige olje-gassforhold. Kurver 300, 320, 340, 360, 380 og 400 representerer olje-gassforhold på henholdsvis 0,0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 og 1,0. Følgelig representerer en olje/vannkurve 400 fluidblandinger som ikke inneholder noe gass mens en gass/vannkurve 300 representerer fluidblandinger som ikke inneholder noe olje.

[0025] Grafen viser at en målt lydhastighet og en målt vannfraksjon tilsvarer et spesielt olje-gassforhold som muliggjør beregning av, eller endog kalibrering av olje/gassforhold som skyldes endringer i lydhastigheten for en gitt vannfraksjon som en funksjon av olje/gassforholdet. Dette illustrerer grafisk hvorledes olje/gassforholdet kan bestemmes ved å måle lydhastigheten og vannfraksjonen. Videre muliggjør en kombinert olje/og gassfraksjon basert på vannfraksjonsmålingen når den anvendes i ligning (3) bestemmelse av oljefasefraksjonen (<t>0). Beregning av gassfasefraksjonen (<t>g) følger følgelig anvendelse av ligning (8). Om ønsket kan de bestemte volumetriske fasefraksjoner forenes med en total strømningsmengdemåling og en multifasestrømningsalgoritme for å finne strømningsmengdene av olje, vann og gass.

[0026] For noen utførelsesformer kan en separat masse ("bulk") strømningsmåleinnretning være anbrakt langs ledningen 100 for å måle en kombinert strømningsmengde av alle faser. Føleren 104 kan derfor bare behøves å være konfigurert for å detektere lydhastigheten og ikke nødvendigvis hastigheten av fluidstrømmen 102. Målinger vedrørende fasefraksjonene i fluidstrømmen 102 kan oppnås i noen anvendelser uten å nødvendiggjøre hastigheten av fluidstrømmen 102 når det ikke deretter er ønskelig å oppnå strømningsmengdedata for de individuelle faser.

[0027] Mens det foregående er rettet på utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse kan andre og ytterligere utførelsesformer av oppfinnelsen utvikles uten å gå utenfor den grunnleggende ramme av oppfinnelsen og oppfinnelsens ramme bestemmes av de etterfølgende patentkrav.

Claims

1. Apparat for å måle strømning av en fluidblanding i en ledning, omfattende: en lydhastighetsmåler anbrakt langs ledningen og konfigurert til å bestemme en lydhastighet i blandingen; en fasefraksjonsmåler anbrakt langs ledningen og konfigurert til å bestemme en prosentandel av en første fase i fluidblandingen; og en prosessor konfigurert med logikkretser for å bestemme fasefraksjoner av andre og tredje faser i fluidblandingen basert på evaluering av lydhastigheten i kombinasjon med prosentandelen av den første fase.

2. Apparat ifølge krav 1, hvori fasene omfatter olje, gass og vann.

3. Apparat ifølge krav 1, hvori den første fase er vann.

4. Apparat ifølge krav 1, hvori den første fase er olje.

5. Apparat ifølge krav 1, hvori prosessoren ytterligere er konfigurert til å anvende en multifasestrømningsalgoritme for å bestemme strømningsmengdene av første, andre og tredje faser.

6. Apparat ifølge krav 1, hvori fasefraksjonsmåleren omfatter en infrarød optisk basert spektroskopianalyse av fluidblandingen.

7. Apparat ifølge krav 1, hvori fasefraksjonsmåleren omfatter en mikrobølgebasert innretning.

8. Apparat ifølge krav 1, hvori fasefraksjonsmåleren omfatter en kapasitansbasert innretning.

9. Apparat ifølge krav 1, hvori målerne er optisk basert og omfatter optiske fibere.

10. Apparat for måling av strømning av en fluidblanding i en ledning, omfattende: en akustisk avsøkingsinnretning, konfigurert til å bestemme en lydhastighet i fluidblandingen med følere rommelig fordelt langs ledningen for å detektere akustiske trykkvariasjoner som beveger seg med lydhastigheten; og en fasefraksjonsinnretning konfigurert til å måle en første fasefraksjon i fluidblandingen og avlede fra den første fasefraksjon og lydhastigheten andre og tredje fasefraksjoner i fluidblandingen, hvori fasefraksjonene definerer separate og distinkte faser i fluidblandingen.

11. Apparat ifølge krav 10, hvori fasene omfatter olje, gass og vann.

12. Apparat ifølge krav 10, hvori den første fasefraksjon er en vannfraksjon.

13. Apparat ifølge krav 10, hvori den første fasefraksjon er en oljefraksjon.

14. Apparat ifølge krav 10, som videre omfatter en strømningshastighetsavsøkingsinnretning omfattende et seriesystem av følere som tilveiebringer signaler som er indikative for trykkvariasjoner i fluidblandingen som beveger seg med omtrentlig hastigheten av fluidblandingen.

15. Fremgangsmåte for å måle strømning av en fluidblanding i en ledning, omfattende: måling av en lydhastighet i fluidblandingen ved avsøkning langs ledningen av akustiske trykkvariasjoner som beveger seg med lydhastigheten; måling av en første fasefraksjon i fluidblandingen; og bestemmelse av andre og tredje fasefraksjoner i fluidblandingen under anvendelse av lydhastigheten og den første fasefraksjon, hvori fasefraksjonene definerer separate og distinkte faser i fluidblandingen.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, hvori fasene omfatter olje, gass og vann.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 15, hvori den første fasefraksjon er en vannfraksjon.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 15, hvori den første fasefraksjon er en oljefraksjon.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 15, som ytterligere omfatter tilveiebringelse av ledningen ved en brønn, for å definere del av produksjonsrøret som strekker seg fra det indre av brønnen til en lokalitet ved en overflate av brønnen.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 15, som ytterligere omfatter bestemmelse av en strømningsmengde av den første, andre og tredje fase ved anvendelse av en flerfasestrømningsmodell.