NO176292B - Utstyr og fremgangsmåte for bestemmelse av mengden av partikkelformet materiale i en væske- og/eller gasström - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte for deteksjon av partikkelformet materiale i en væske- og/eller gasstrom, omfatter én eller flere prober (1) som er forsynt med minst ett måleelement eller erosjonselement (3). Proben(e) anordnes i gass- og/ eller væskestrcmmen, og partikkelinnholdet bestemmes ved måling av endring av elektrisk motstand som funksjon av måleelementets erosjon (r) . Probene kan være forsynt med et målehode som har V-lignende utforming i oppstrøms-retningen, og de to plane flatene som dannes ved den V-lignende utforming kan hver være forsynt med ett eller flere måleelement.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en probe for deteksjon av partikkelformet materiale i en væske-og/eller gasstrøm.

I forbindelse med produksjon av olje og gass fra underjordiske reservoarer, vil det i mange tilfeller forekomme at sand følger med i strømmen av olje og/eller gass fra reservoarene.. Sandpartiklene kan ha en diameter på opptil 1000 /xm og kan forekomme i mengder på mer enn 25 ppm. Sandpartikler vil ikke bare kunne forårsake alvorlig erosjon på produksjonsutstyret, men vil også kunne oppsamles i produksjonsutstyret og forårsake produksjonsstans og alvorlige skader.

Med utstyret som i dag er kommersielt tilgjengelig er det ikke mulig å måle tilstrekkelig nøyaktig forekomsten av sand i fluider.

I det etterfølgende skal beskrives forskjellige typer utstyr som benyttes eller er foreslått benyttet for å kunne overvåke eller detektere nærvær av sand i fluidstrømmer og hvilke ulemper disse er beheftet med. Bl.a. er det tidligere kjent en probe som baserer seg på at sand kan erodere gjennom et tynt, hulvegget legeme som er plassert i en fluidstrøm. Trykkdifferansen mellom fluidstrømmen og et referansenivå vil aktivere en alarm når en viss verdi nås, dvs. når det oppstår hull i det hulveggete legemet. Proben vil derved ha en betydelig tidsforsinkelse før tilstedeværelse av sand registreres og vil ikke kunne anvendes til kontinuerlig overvåking.

Den vil heller ikke kunne angi mengden av sand som er tilstede i fluidstrømmen.

Det er videre kjent flere forskjellige akustiske prober, som enten monteres inne i en rørledning eller på utsiden av denne. Probene kan detektere om sand forekommer i ren gass eller væske. Evnen til å diskriminere mellom sand og annen støy er ikke tilfredsstillende i intermittent strømning. Kalibrering av enhetene må utføres på aktuelt produksjonssted og må gjennomføres ved injeksjon av sand i det produserende system. Imidlertid vil kalibreringen endres når produksjonsraten eller andre støykilder endres. Også når fine partikler produseres (0 - 0,1 mm i diameter) er den akustiske energi for liten til å diskriminere mellom partikkel- og strømningsstøy. Et eksempel på en probe som nevnt ovenfor er beskrevet i norsk patent nr. 140838.

Fra US patent nr. 3.678.273 er det kjent en fremgangsmåte for å måle slitasje forårsaket av en abrasiv væske. En detektor belagt med radioaktivt materiale blir plassert i en fluidstrøm av eksempelvis oljeslurry inneholdende katalytiske partikler. Detektoren aktiveres av stråling fra det radioaktive belegg ettersom dette reduseres pga. innholdet av partikler i væsken. Den står i forbindelse med kontroll- og måleenheter på utsiden av røret. Dette patentet beskriver deteksjon av partikler i strømmer av enten væske eller gass og detektoren plasseres i et område hvor det forventes jevn strøm. Det er angitt at partikkelinnholdet i strømmen kan estimeres.. Siden selve detektoren plasseres i væskestrømmen vil den delvis blokkere strømmen. Den vil ikke kunne registrere fine partikler, da disse vil bøye av og følge væskestrømmen. Denne detektoren vil ikke kunne benyttes eksempelvis for et høytrykks hydrokarbonrør hvor det er umulig å forutsi sandfordeling. Nøyaktigheten og hvordan partikkelinnoldet bestemmes er ikke nevnt. Metoden forutsetter kalibrering samt helt jevn konsentrasjon av faste partikler.

I søkerens norske patentsøknad nr. 892819 (PCT/NO89/00112) beskrives en fremgangsmåte for deteksjon av faste partikler i en produksjonsstrøm. Metoden baserer seg på anvendelse av aktiverte prober som avgir radioaktiv stråling som oppfanges av detektorer plassert på utsiden av produksjonsstrømmen. Hver probe sender signaler til én detektor. Partikkelkonsentrasjonen kan bestemmes når 0,25% av tykkelsen er tapt.

Angjeldende metode er imidlertid beheftet med flere ulemper. Siden det dreier seg om anvendelse av radioaktive materialer, må spesielle forhåndsregler tas både når det gjelder konstruksjonen av utstyret og når det gjelder håndteringen av de radioaktive materialer. Dette innebærer at utstyret blir komplisert og kostbart å bygge og anvende. Selv om målenøyaktigheten under ideelle forhold er rimelig god, vil det ytre miljø (bakgrunns-stråling, ambient temperatur) kunne påvirke målingene og den statiske usikkerhet for måledataene vil kunne være høy.

US patentskrift nr. 3.753.257 viser en løsning hvor det er kjent å detektere partikkelformet materiale i en fluidstrøm ved å registrere endringen i elektrisk motstand. Nærmere bestemt viser angjeldende US patentskrift løsning hvor det benyttes en wire som er strukket på tvers igjennom et rør som inneholder en fluidstrøm. Ved å måle den ohmske motstanden i strengen kan det finnes ut om fluidstrømmen har inneholdt partikler. I patent-skriftet vises også en alternativ løsning hvor det i stedet for en streng som leder elektrisk strøm benyttes et fluid-lederør som inneholder en gass eller væske med et trykk som er forskjellig fra olje-/gasstrømmen i hovedrøret. Denne løsningen virker på den måten at når det eroderes hull i f luid-lederøret vil en trykksensor registrere trykkendring og starte en alarm.

Ingen av de to løsningene i henhold til US patentskrift nr. 3.753.257 er innrettet til å måle mengden av sand som har vært til stede i f luidstrømmen, og det har heller ikke vært tenkt på denne mulighet.

På bakgrunn av ovenstående var det av stor interesse for søkeren å fremskaffe en metode og utstyr for deteksjon av partikler i en olje- og/eller gasstrøm som hadde stor målenøyaktighet, som var rimelig og enkel å bygge og anvende, samt som var robust og upåvirket av det ytre miljø.

Overraskende fant man at det var mulig å kunne anvende et utstyr og en fremgangsmåte som baseres på det prinsipp at motstanden til et måleelement (erosj onselement, motstandselement) som plasseres i en olje-/gasstrøm inneholdende faste partikler, vil endre seg som følge av at måleelementet blir erodert av partiklene.

Utstyret i henhold til oppfinnelsen er nærmere karakterisert ved de trekk som er angitt i vedheftede krav 1 og fremgangsmåten er karakterisert ved de trekk som er angitt i krav 6. De uselv-stendige kravene 2-5 angir fordelaktige trekk ved oppfinnelsen.

Med den her angitte oppfinnelse er det kommet frem til en løsning når det gjelder måling av partikler i en fluidstrøm hvor man ikke har problemer med håndtering av radioaktive materialer. Instrumenteringen er enkel og robust. Det er mulig å anordne flere måleelementer på samme probe, noe som innebærer at man kan øke målenøyaktigheten og bestemme fordelingen av partikler i fluidstrømmen over hele rørtverrsnittet. Dette representerer en vesentlig fordel med oppfinnelsen, idet det med de tidligere kjente løsninger ikke har vært mulig å registrere skjevfordeling av partikler i en fluidstrøm. Proben og utstyret for øvrig er ellers ikke påvirket av det ytre miljø, og det er videre ingen statistisk usikkerhet i måledata.

Ytterligere er det en vesentlig fordel med løsningen i henhold til oppfinnelsen at det ikke er nødvendig med kalibrering av proben eller utstyret for øvrig, og målenøyaktigheten er meget høy, bedre enn målemetoden beskrevet i søkerens forannevnte patentsøknad nr. 892819 som representerer den pr. i dag beste kjente løsning.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av eksempel og under henvisning til tegningsfigurene hvor: Fig. 1 viser eksempel på en erosjonsprobe i henhold til

oppfinnelsen sett hhv. fra siden og ovenfra,

Fig. 2 viser eksempel på en probe montert i et rør,

Fig. 3 viser en skisse av et test-oppsett (en testrigg) for

proben vist i Fig. 1,

Fig. 4-8 viser resultater som har fremkommet under forsøk med

proben i testriggen vist i Fig. 3.

Som nevnt i det foranstående baserer foreliggende oppfinnelse seg på det prinsipp at motstanden til et måleelement som plasseres i en olje/gasstrøm inneholdende faste partikler, vil endre seg som følge av at måleelementet blir erodert av partiklene.

I Fig. 1 vises eksempel på en erosjonsprobe eller -sonde som ble utviklet for å teste angjeldende prinsipp. Proben består av et legeme 1 med et målehode 2 og er innrettet til å kunne monteres til veggen i en rørledning, jfr. Fig. 2 og etterfølgende avsnitt. Målehodet 2 har, i retning mot gass/væskestrømmen, ploglignende eller V-lignende utforming, mens den resterende del 5 av målehodet (bakre del) har semisirkulær utforming. Til hver av sidene 4 på den V-lignende del av målehodet er det anordnet måleelementer 3. Disse er delvis innstøpt i målehodet idet bare den utovervendende siden av elementene er eksponert mot omgivelsene. Måleelement ene 3 er i det her omtalte eksempel laget av typen Monel 400 som har gunstige egenskaper når det gjelder temperaturstabilitet, elektrisk motstand og slitasje. Monel 400 er også korrosjonsbestandig, og dette siste er viktig for å unngå at måleelementene blir påvirket av korrosjon som ødelegger eller forstyrrer måleresultatene. I tillegg til måleelementene 3, er proben, som vist med stiplede linjer, forsynt med et tredje element 6. Elementet 6 er fullstendig innstøpt i målehodet (upåvirket av erosjon) og tjener derved som referanseelement. Siden referanseelementet ligger helt i fronten av proben, vil det samtidig gi god temperaturkompensasjon. Målehodet 2 er laget ved støping med et elektrisk isolerende materiale av typen Belzona, og i tillegg til elementene 3,6, er alle elektriske forbindelser i målehodet innstøpt i det isolerende materialet.

De øvrige deler av proben kan være laget av et egnet metallisk materiale, f.eks. rustfritt stål e.l. For øvrig er proben forsynt med en elektrisk koblingsdel 7 som på en enkel måte kan forbindes med en komplementær koblingsdel på en ledning som er forbundet med måleutstyret (ikke vist). . Fig. 2 viser eksempel på en probe i henhold til oppfinnelsen montert i et rør 10. Som det fremgår strekker proben seg inn i røret gjennom en på røret påsveiset koblingsstuss 8. Proben fastholdes og er sikret mot dreining ved hjelp av en hylsemutter 9, respektive låseskruer 13. Videre er det oppnådd nødvendig tetning mellom proben og koblingsstussen ved hjelp av tetningselementer 11 og 12. Proben er i det her viste eksempel forsynt med 4 måleelementer 3, to på hver av de plogformede sidene, og målehodet med de fire elementene strekker seg over hele tverrsnittet av røret. Som tidligere nevnt representerer en slik løsning hvor det benyttes flere måleelementer og hvor måleholdet strekker seg over hele rørtverrsnittet en vesentlig fordel med oppfinnelsen, idet det er mulig å registrere fordelingen av sandpartikler i en fluidstrøm over hele rørtverrsnittet ved hjelp av individuell måling av slitasje på hvert av elementene. Dette har ikke vært mulig med noen av de tidligere kjente løsningene.

Forsøk

Fig. 3 viser en testrigg hvor proben i henhold til foreliggende oppfinnelse ble testet. To testprober, en øvre 14 og en nedre 15 er montert i et testrør 17 nedstrøms et fallrør 16. Til testene ble det benyttet en probe med to måleelementer som vist i Fig. 1. Vann tilføres i fallrøret 16 fra en cisterne 18, og konstant trykk i fallrøret oppnås ved at vann etterfylles via en tilførselsledning 19 idet overflødig vann strømmer ut gjennom et overløp 20. Vannstanden gjennom testseksjonen hvor probene er montert, justeres ved hjelp av en reguleringsventil 21 nedstrøms teststasjonen og avleses via en elektromagnetisk strømningsmåler 22 i utløpsrøret 25.

Sanddoseringen skjer via en vibrasjonsrenne 23 montert over cisternen, og sanden ledes gjennom et rør 24 ned i senter av fallrøret 16 for å unngå at sand utskilles i cisternen. Avløpsrøret ender opp i en container 2 6 som fungerer som sandutskiller før vannet ledes til en avløpskum. Fallrøret er ellers utstyrt med en temperaturmåler 27 for registrering av temperaturen av vannet under testene.

Når det gjelder sanden som ble brukt under testene, ble denne først siktet gjennom en 0,7 mm duk for å unngå de fraksjonene med partikkelstørrelser over denne verdi. Dette ga en middelverdi for partikkelstørrelsen på 0,5 mm for den groveste sandtypen som ble benyttet (baskarpsand 55).

Det ble gjennomført 12 tester hvor slitasjen på probene, dvs. reduksjon av tykkelsen til måleelementene på probene ble målt som funksjon av tiden (slitasje "r" i nm/t).

Datasettet fra den nedre proben 15 ble brukt for å tilpasse følgende funksjon til slitasjen r(nm/t):

hvor A, B og C er estimert til: A = 2,911 IO"<12>

B = 2,713

C = 3,488 og hvor

S = sandkonsentrasjon i ppm (vekt)

F = gjennomstrømning i l/min

a = vinkel i grader

Faktoren 1,65 som oi multipliseres med er valgt slik at en har maksimum respons ved a = 55° (1,65 * 55 - 90°). En kan også estimere denne faktor, og får da verdien 1,43 som gir maksimum respons ved a = 63°. Samtidig endres A, B og C til

De to modellene gir totalt sett omtrent like god tilpasning av data fra nedre probe og forklaringsprosenten blir:

Dette innebærer at henholdsvis 97,1% og 97,4% av responsene er forklart av de respektive modellene.

Ovennevnte funksjon kan bringes over på en mer generell form hvor sandmengden pr. tidsenhet, P, i en gass-/væske st røm beregnes som følger:

hvor N = antall element over tverrsnittet

^m = Væske-/gassblandingens tetthet

Vm = Blandingens hastighet

dp = Partikkelstørrelse i nm

f = funksjon som er avhengig av elementenes utforming og orientering i forhold til gass/væskestrømmen. For elementene beskrevet i eksemplet i det foranstående er f = Sin

(<1.43> • 63°) C mecj en optimal vinkel a = 63°,

og A og B er estimerte konstanter.

Som nevnt i det foranstående ble det gjennomført 12 tester i forbindelse med testing av probene. Testprogrammet var lagt opp slik at disse 12 testene skulle gi tilstrekkelig data til å kunne anslå effektene av vinkel for måleelementene, sandkonsentrasjon og strømningshastighet slik at egnetheten for foreliggende oppfinnelse kunne demonstreres.

Målingene viste i alle testene en entydig og lineær slitasje. I Fig. 4 vises slitasjen (responsen) som funksjon av sandrate. Slitasjen i nm/t ble beregnet ved å tilpasse en linje gjennom datapunktene etter minste kvadraters metode. Standard avvik i tilpasningene varierte fra 1% for de høyeste slitasjeratene til ca. 10% i de tilfellene med lavest rate. Stabiliteten i målingene ble funnet å være meget god med vanngjennomstrømning opptil 15 timer på enkelte tester. Variasjonene i måleverdiene var her innenfor +/- 50 nm. Fig. 5 viser resultatene fra en av testene hvor slitasjen i nanometer er vist som funksjon av tiden (i timer) . Vinkelen til måleelementet under denne testen var 58°, sandraten var på 81 kg/time og strømningshastigheten var på 3,9 m/s. Oppløsningen for måleinstrumentene er angitt å være ca. 50 nm. Dette gir en deteksjonsgrense på ca. 100 nm (0,1 /xm) eller 0,1 % med det måleutstyret som ble brukt og med et 100 /im tykt måleelement. Følsomheten er proposjonal med tykkelsen (0,1 % av tykkelsen). Dette innebærer at man for eksempel med et måleelement på 10 /xm vil kunne øke følsomheten til 0,01 /xm, men i så tilfelle vil levetiden for elementet reduseres tilsvarende, dvs. til 1/10 av et måleelement med 100 /xm tykkelse. En kombinasjon av økt målenøyaktighet og hyppigere målinger vil ellers kunne øke følsomheten ytterligere.

I Fig. 6 vises beregnet slitasje som funksjon av vinkel for måleelementet. Som det fremgår er følsomheten (slitasjen/ero-sjonen av måleelementet) størst ved en vinkel på mellom 50 og 65°.

Optimal vinkel ble som nevnt i det foranstående beregnet til 63°. Fig. 7 viser beregnet slitasje som funksjon av strømnings - hastighet (flow) ved gitt vinkel på 55° for måleelementet og en sandrate på 125 kg/time. Resultatene viser at slitasjen er eksponesiell i forhold til strømningshastigheten med en eksponent på ca. 3.7. Fig. 8 viser beregnet følsomhet som funksjon av strømnings - hastighet. For hver respons ble det beregnet minimum tid for sikker deteksjon samt mengden sand (kg) som passerte proben for det samme utslaget (0,1 /xm) . I de beste tilfeller ble det målt (selv med de begrensninger som er nevnt ovenfor) en sikker deteksjon etter at ca. 20 kg sand hadde passert gjennom prøves eks j onen med en strømningshastighet på ca. 6 m/s. Dette viser at proben i henhold til oppfinnelsen har en vesentlig bedre følsomhet enn de probene som er tidligere kjent.

En del av testene ble kjørt med sjøvann. Hensikten var å fastslå om probene ble påvirket av et moderat ledende medium. Det var imidlertid ikke mulig å registrere noen forskjell mellom de to vanntypene.

Som det fremgår av foranstående er det gjennomført tester med en probe som har en nærmere definert utforming hvor det anvendes to måleelementer og et referanseelement og der måleelementene er anordnet på et V-formet målehode i en vinkel i forhold til hverandre. Det skal bemerkes at oppfinnelsen slik den er definert i kravene ikke er begrenset til en slik utførelse. Således kan proben og målehodet ha forskjellig utforming og være forsynt med flere måleelementer og eksempelvis strekke seg helt igjennom rørtverrsnittet. Videre kan én, to eller flere enn to prober anvendes i forbindelse med et måleoppsett og det kan hensikts-messig benyttes andre materialer i måleelementene enn det som er oppgitt, f.eks. nikkel eller rustfritt stål.

Claims (6)

1. Utstyr for bestemmelse av mengden av partikkelformet materiale i en væske- og/eller gasstrøm, omfattende en deteksjonsanordning av elektrisk ledende materiale anordnet i væske/gasstrømmen, samt en måleanordning for måling av endring i elektrisk motstand i detek-sj onsanordningen, karakterisert ved at deteksjonsanordningen utgjøres av én eller flere prober (1) som er forsynt med minst ett korrosjpnsbestandig måleelement eller erosjonselement (3), idet partikkelmengden (P) bestemmes på basis av målinger av slitasjen (r) ved registrering av endringen i den elektriske motstand for måleelementet/ene (3).

2. Utstyr ifølge krav 1, karakterisert ved at probens målehode (2) har V-lignende utforming i opp-strømsretningen, idet de to plane flater som dannes ved den V-lignende utforming hver er forsynt med ett eller flere måleelement (3) .

3. Utstyr ifølge krav 2, karakterisert ved at måleelementene danner en vinkel (a) med strømnings-retningen på mellom 55° og 63°.

4. Utstyr ifølge krav 1, karakterisert ved at probens målehode (2) har sirkulær utforming idet ett eller flere måleelementer er anordnet på måleelementets overflate og er tilpasset denne.

5. Utstyr ifølge de foregående krav 2-4, karakterisert ved at måleelementet/ene er laget av monel.

6. Fremgangsmåte for bestemmelse av mengden av partikkelformet materiale under anvendelse av utstyret ifølge krav 1, karakterisert ved at partikkelmengden, P, bestemmes ved hvor r = slitasjen (responsen) N = antall element over tverrsnittet i en gass/- væskestrøm^>m = Væske-/gassblandingens tetthet Vm = Blandingens hastighet dp = Partikkelstørrelse i nm f = funksjon som er avhengig av elementenes utforming og orientering og A og B er estimerte konstanter.