СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЮБОГО ОТЛОЖЕНИЯ МАТЕРИАЛА НА ВНУТРЕННЕЙ СТЕНКЕ КОНСТРУКЦИИ
METHOD AND DEVICE TO MEASURE THICKNESS OF ANY MATERIAL DEPOSITS ON INNER STRUCTURE WALL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к способу измерения толщины любого отложения материала на внутренней стенке конструкции, например нефтепровода. Изобретение также относится к соответствующим устройству или системе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Отложение парафина на внутренней стенке нефтепроводов является серьезной проблемой в сегодняшней инфраструктуре добычи нефти. Когда горячая нефть течет через трубопровод с холодными стенками, парафин будет выпадать в осадок и прилипать к стенкам. Это, в свою очередь, будет уменьшать площадь поперечного сечения трубопровода, что, без контрмер, будет приводить к потере давления и, в конечном счете, к полной закупорке трубопровода.
Чтобы знать, когда должны быть применены технологии устранения неисправности (например, чистка скребками, нагрев и т.д.), жизненно важно знать текущую толщину слоя парафина. Известные технологии для определения или измерения текущей толщины слоя парафина включают в себя использование калибров (скребков) проверки трубопроводов, методик импульсов давления и измерения падения давления (на полном трубопроводе). Однако каждая из этих известных технологий имеет некоторые недостатки. Например, скребки и методики импульсов давления не дают непрерывного измерения, они могут нарушать эксплуатационные процедуры, и они дорогостоящи. Подход измерения падения давления дает только интегральное измерение на всей длине трубы, и измеренное падение давления находится под влиянием некоторого количества параметров в дополнение к толщине парафина (например, шероховатости внутренней стороны трубопровода), поэтому реально нет прямой корреляции с толщиной парафина.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы по меньшей мере частично преодолеть вышеприведенные проблемы и предложить усовершенствованный способ измерения толщины отложений.
Эта цель и другие цели, которые будут очевидны из последующего описания достигаются способом и устройством, согласно прилагаемым независимым пунктам формулы изобретения. Полезные варианты осуществления изложены в прилагаемых зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно аспекту настоящего изобретения предложен способ измерения толщины отложения материала на внутренней стенке конструкции, способ содержит:
(a) нагревание участка конструкции;
(b) детектирование колебаний на нагретом участке;
(c) детектирование колебаний на ненагретом участке конструкции;
(d) определение резонансной частоты или частот конструкции на основании колебаний, детектированных на (c); и
(e) определение толщины отложения материала на внутренней стенке конструкции на упомянутом ненагретом участке с использованием определенной резонансной частоты или частот, этот этап использует колебания, детектированные на этапе (b), в качестве калибровочных данных.
Резонанс или резонансная частота здесь означает самую низкую характеристическую частоту конструкции и/или любые из ее обертонов или гармоник. Самая низкая характеристическая частота конструкции также может указываться ссылкой как собственная частота системы. Резонансная частота также может быть приблизительно равной собственной частоте конструкции.
Настоящее изобретение основано на понимании, что резонансная частота конструкции будет изменяться, например, коль скоро слой парафина начинает формирование на внутренней стороне конструкции. Это изменение резонансной частоты обусловлено измененным полным коэффициентом эластичности (демпфированием колебаний вследствие вязко-упругого слоя парафина). Таким образом, измеренная резонансная частота может коррелировать с толщиной слоя парафина. Настоящий способ преимущественно предусматривает недорогое непрерывное измерение толщины парафина, которое, в свою очередь, предоставляет методикам устранения парафина применяться (как раз) вовремя.
Колебания в конструкции, например, могут вызываться посредством устройства, приспособленного сообщать механический импульс конструкции, например, подобно молотку, ударяющему по конструкции. В качестве альтернативы колебания в конструкции могут вызываться посредством среды, текущей внутри конструкции. Например, неравномерный снарядный режим двухфазного потока может обмениваться механической энергией с конструкцией, заставляя конструкцию колебаться. К тому же колебания в конструкции могут вызываться изменением скорости потока среды, протекающей внутри конструкции, если поток является достаточно неравномерным.
Кроме того, колебания в конструкции могут детектироваться посредством датчика, механически присоединенного к конструкции, а также к неподвижной (опорной) точке, для измерения изменения расстояния между конструкцией и неподвижной точкой. В качестве альтернативы колебания в конструкции могут детектироваться посредством оптического детектора. При этом способе никакой механический контакт не нужен. В качестве еще одного альтернативного варианта может использоваться акселерометр, прикрепленный к наружной стороне конструкции.
В одном из вариантов осуществления резонансная частота, используемая для определения толщины отложения материала на внутренней стенке конструкции, является самой низкой характеристической частотой конструкции. Это будет давать наивысшую точность.
В одном из вариантов осуществления, способ дополнительно содержит этап (e) предсказание толщины отложения материала на одном или более участков конструкции, удаленных оттуда, где детектируются колебания, с использованием модели отложения материала конструкции. Отсюда, даже если настоящий способ в основном предусматривает точечное измерение, может выгодно обеспечиваться точное предсказание толщины отложения на других участках или частях конструкции.
В одном из вариантов осуществления способ дополнительно содержит выполнение этапов (a)-(d) для разных участков конструкции, например в нескольких местоположениях вдоль конструкции. За исключением данной информации о точной толщине отложения в упомянутых местоположениях, информация может выгодно использоваться для обновления в реальном времени вышеупомянутой модели отложения материала, чтобы повышать точность выходных данных модели.
В одном из вариантов осуществления резонансная частота конструкции определяется посредством определения частоты, на которой конструкция колеблется с максимальной амплитудой.
В одном из вариантов осуществления толщина любого отложения материала на внутренней стенке конструкции определяется посредством сравнения определенной (в настоящее время) резонансной частоты с определенной ранее резонансной частотой конструкции, для какой определенной ранее резонансной частоты толщина отложения материала на внутренней стенке конструкции известна. Предыдущая резонансная частота, например, может определяться для чистой конструкции.
В одном из вариантов осуществления упомянутая конструкция является трубопроводом, например нефтепроводом.
В одном из вариантов осуществления упомянутым материалом является парафин. Парафин может указывать ссылкой на твердые фазы, которые выпадают из флюидов вследствие термодинамических превращений. Эти твердые фазы включают в себя твердые фазы, типично растворенные в сырой нефти в условиях буровой скважины, такие как асфальтены, высшие предельные углеводороды, гидраты, а также неорганические и органические соли. Отложение парафина будет зависеть от происхождения потока флюида.
В конструкции, подобной трубе, нагревание должно поддерживать внутреннюю стенку трубы выше температуры появления отложений, таким образом предотвращая отложение на нагретом участке. Нагревание, например, может достигаться посредством электрических нагревательных кабелей, установленных локально вокруг трубы. Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что определение резонансной частоты может быть более точным, поскольку могут приниматься во внимание нежелательные колебания, вызванные потоком в трубе, особенно многофазным потоком в трубе со структурой потока, подобной волновому режиму потока или снарядному режиму потока, прикладывающие значительные динамические силы к стенке трубы. Это, однако, не отрицает того, что внутренний поток действительно может использоваться в качестве источника для возбуждения колебаний, как понимается специалистом.
Этап, выполняемый в отношении нагретого и ненагретого участков конструкции, может выполняться с использованием соответственных разных измерительных устройств, из условия, чтобы калибровка могла осуществляться в реальном времени, что повышает точность измерения.
Настоящий способ дополнительно может содержать определения по меньшей мере одного из: (i) величины демпфирования колебаний на резонансной частоте, то есть насколько амплитуда резонансной частоты уменьшается со временем; (ii) сдвига частот гармоник конструкции; и (iii) величины демпфирования колебаний на гармониках конструкции, на основании детектированных колебаний. Данные, являющиеся следствием по меньшей мере одного из этапов (i)-(iii), затем могут использоваться для определения модуля упругости (как действительной, так и мнимой составляющей) любого отложения материала на внутренней стенке конструкции. Например, величина демпфирования каждой частоты гармоники будет отличаться в зависимости от модуля упругости. Определение модуля упругости отложения материала на внутренней стенке конструкции полезно по той причине, что оно предоставляет возможность установления, из какого материала состоит отложение.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ определения жесткости материала, отложенного на внутренней стенке конструкции, способ содержит:
детектирование колебаний в конструкции;
определение резонансной частоты или частот конструкции на основании детектированных колебаний; и
определение жесткости отложенного материала посредством наблюдения изменений в резонансной частоте/частотах или резонансной амплитуде/амплитудах со временем.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложено устройство для измерения толщины отложения материала на внутренней стенке конструкции, устройство содержит:
датчик, размещаемый на наружной стороне конструкции для детектирования колебаний в конструкции;
сигнальный процессор для определения резонансной частоты конструкции на основании колебаний, детектированных посредством датчика; и
анализатор для определения толщины отложения материала на внутренней стенке конструкции на основании резонансной частоты, определенной упомянутым сигнальным процессором.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложено устройство для определения жесткости материала, отложенного на внутренней стенке конструкции, устройство содержит:
датчик для детектирования колебаний в конструкции;
сигнальный процессор для определения резонансной частоты или частот конструкции на основании детектированных колебаний; и
анализатор для определения жесткости отложенного материала посредством наблюдения изменений в резонансной частоте/частотах или резонансной амплитуде/амплитудах со временем.
Устройство по вышеприведенному третьему или четвертому аспекту изобретения дополнительно может содержать устройство, приспособленное для сообщения механического импульса конструкции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схема устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - блок-схема последовательности операций способа согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 - примерный график двухкоординатного типа (толщины отложения в зависимости от резонансной частоты).
Фиг.4 - примерный график двухкоординатного типа (модуля Юнга в зависимости от резонансной частоты).
Фиг.5 - схема устройства согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 - схема компоновки, содержащей трубопровод и несколько измерительных устройств по настоящему изобретению.
Фиг.7 - схема компоновки, содержащей трубопровод и два измерительных устройства согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 - схема последовательности операций, иллюстрирующая способ определения толщины отложения и определения жесткости материала отложения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг.1 - схема устройства для измерения толщины отложения материала на внутренней стенке конструкции согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Более точно, устройство по фиг.1 является измерительным устройством 10, приспособленным для измерения толщины парафина на внутренней стенке 12 трубы или трубопровода 14 для транспортировки нефти 16. Трубопровод 14, например, может быть изготовлен из стальных труб.
Измерительное устройство 10 содержит устройство 18, приспособленное для сообщения механического импульса трубопроводу 14. Устройство 18, например, может функционировать подобно молотку. Устройство 18 является размещаемым на наружной стороне трубопровода 14.
Измерительное устройство 10, кроме того, содержит датчик или детектор 20, также размещаемый на наружной стороне трубопровода 14. Датчик 20 приспособлен для детектирования колебаний и преобразования колебаний в соответствующую электрическую энергию. Для преобразования колебаний в электрическую энергию датчик 20, например, может содержать пьезоэлектрический измерительный преобразователь (не показан).
В употреблении, устройство 18 и датчик 20 оба механически присоединены к наружной поверхности 22 трубопровода 14 на конкретном участке трубопровода 14, непосредственно или через некоторое проводящее средство (не показано). Кроме того, генератор 18 и датчик 20 размещены вблизи или около друг друга, предпочтительно на одной и той же стороне трубопровода 14, как проиллюстрировано.
Измерительное устройство 10 дополнительно содержит первый определитель 24, присоединенный к датчику 20. Первый определитель 24 приспособлен для определения резонансной частоты трубопровода 14 на основании колебаний, детектированных датчиком 20.
Измерительное устройство 10 дополнительно содержит второй определитель 26, присоединенный к первому определителю 24. Второй определитель 26 приспособлен для определения толщины любого слоя 28 парафина, отложенного на внутренней стороне 12 трубопровода 14, на основании резонансной частоты, определенной первым определителем 24.
Хотя проиллюстрированы в качестве отдельных элементов функции первого и второго определителей 24, 26 могут осуществляться единым блоком 30, например компьютерным устройством. Такой блок также может использоваться для управления устройством 18.
Примерная работа настоящего измерительного устройства 10 далее будет описана со ссылкой на фиг.1-3. На этапе (a) устройство 18 в начале возбуждается с тем, чтобы сообщать механический импульс трубопроводу 14, вызывая колебания в трубопроводе. Когда трубопровод 14 возбужден импульсной функцией, подобной удару устройством 18, трубопровод 14 сначала колеблется на всех частотах, присутствующих в импульсе (импульсная функция теоретически содержит 'все' частоты). Однако все частоты кроме собственной частоты и ее обертонов будут быстро демпфироваться, таким образом, через очень короткое время после импульса, колебание, главным образом, будет состоять из резонансных частот.
Колебания, сформированные в трубопроводе, затем детектируются датчиком 20 на этапе (b). Датчик 20 преобразует детектированные колебания в соответствующую электрическую энергию и записывает сигнал колебаний в течение определенного периода времени.
Из электрической энергии, представляющей колебания, детектированные датчиком 20, первый определитель 24 затем определяет резонансную частоту трубопровода 14, включающего в себя любые отложения парафина, на этапе (c). Первый определитель 24, например, может преобразовывать детектированные колебания посредством БПФ (быстрого преобразования Фурье, FFT) в частотную область и вычерчивать выходные данные на графике двухкоординатного типа (частоты в зависимости от амплитуды), и отмечать пик(и), который возникает. Каждый пик является резонансом или резонансной частотой трубопровода 14.
Затем на основании резонансной частоты, определенной первым определителем 24, толщина любого слоя парафина, отложенного на внутренней стороне трубопровода, определяется вторым определителем 26 на этапе (d). Второй определитель 26, например, может использовать график двухкоординатного типа (толщины отложений в зависимости от резонансной частоты) для конкретного участка трубопровода 14 и вводить текущую резонансную частоту (например, первый обертон) для определения текущей толщины отложений. Пример такого графика показан на фиг.3. График может подготавливаться сначала посредством использования FEM (метода конечных элементов) для определения собственных частот чистого трубопровода для геометрии трубопровода на конкретном участке трубопровода 14. Затем слой (отложение) добавляется внутрь чистого трубопровода, и собственные частоты рассчитываются вновь. Предпочтительно, расчеты FEM также могут учитывать окружение трубопровода, что означает, подвешен ли трубопровод 14 в несвязанной воде или является ли он лежащим на морском грунте, либо является ли он полупогруженным в морское дно.
Определенная толщина может представляться оператору многообразием способов (например, посредством устройства отображения, не показанного), как понимается специалистом, и/или вводиться в некоторую другую систему для дальнейшей обработки и т.д.
Предпочтительно, описанный выше способ непрерывно повторяется, как указано необязательной пунктирной линией 32 на фиг.2, для того, чтобы выдавать измерение в реальном времени толщины какого-нибудь отложения слоя парафина.
В модификации настоящего устройства и способа тип отложения также может определяться, например, посредством второго определителя 26. А именно, изменение модуля Юнга отложения (то есть его жесткости) также сдвигает собственную частоту, но сдвиг различен для разных обертонов, см. фиг.4. Например, сдвиг третьего обертона, что касается жесткости отложения, действительно является большим, чем соответствующий сдвиг, например, первого обертона. Фактически, первый обертон не меняется значительно по отношению к жесткости отложения. Поэтому предпочтительно первый обертон, а более предпочтительно самая низкая характеристическая резонансная частота конструкции, используется для определения жесткости отложения. С другой стороны, сдвиг по частоте более высокого обертона (например, третьего обертона) в комбинации с определенной толщиной предпочтительно могут использоваться для определения модуля Юнга или твердости присутствующего отложения. В частности, сдвиг, обусловленный толщиной, как определяется из первого обертона, может вычитаться из сдвига третьего обертона, посредством чего твердость отложения может определяться из остаточного сдвига третьего обертона. Твердость затем может использоваться для определения, состоит ли отложение главным образом из минеральных отложений, которые являются жесткими, или парафина, который эластичен. Графики (подобные графику на фиг.4) могут подготавливаться из FEM посредством выполнения расчетов для нескольких случаев с одной и той же толщиной отложения, но с изменением каждый раз модуля упругости отложения.
Кроме того, первый определитель 24 также может быть приспособлен для определения по меньшей мере одного из: (i) величины демпфирования колебаний на резонансной частоте, то есть насколько амплитуда резонансной частоты уменьшается со временем; (ii) сдвига частот гармоник конструкции по мере того, как толщина отложения увеличивается, и (iii) величины демпфирования колебаний на гармониках конструкции, на основании детектированных колебаний. Дополнительно, второй определитель 26 также может быть приспособлен для определения модуля упругости как действительной, так и мнимой составляющей какого-нибудь отложения материала на внутренней стороне конструкции на основании данных, являющихся следствием по меньшей мере одного из (i)-(iii). Например, величина демпфирования каждой частоты гармоники будет отличаться в зависимости от модуля упругости. Для этой цели определитель 26 может использовать подготовленную справочную таблицу, включающую в себя различные величины демпфирования каждой частоты гармоники для данной геометрии трубопровода, для набора модулей упругости. На основании детектированной в настоящее время величины демпфирования каждой частоты гармоники может выводиться текущий модуль упругости отложения. А на основании текущего модуля упругости, подобно вышеприведенному, по меньшей мере приблизительно, затем может определяться вид отложения. Например, парафин является вязкоупругой средой, наряду с тем, что минеральные отложения (осажденная соль) являются сравнительно жесткой и твердой средой. Отложение равной толщины этих двух будет показывать сравнительно разные величины демпфирования колебаний на гармониках.
Далее будет описано измерительное устройство согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, как проиллюстрировано на фиг.5. Измерительное устройство 10 по фиг.5 подобно таковому по фиг.1, но устройство 18 может быть опущено. Взамен, колебания в трубопроводе 14 могут вызываться средой 16, протекающей внутри трубопровода 14. Если поток неравномерный, как в большинстве реальных потоков добычи, например снарядном режиме двухфазного потока, он будет обмениваться механической энергией с трубной конструкцией 14, заставляя ее колебаться. В качестве альтернативы, если поток достаточно неравномерен, ударные волны могут вводиться в поток, например, внезапным увеличением скорости потока на определенный процент. Такие ударные волны будут пробегать через трубопровод 14 и привносить колебания в трубопровод 14, которые могут детектироваться.
В своей основе настоящий способ, использующий одиночное измерительное устройство, как описано выше, выдает точечное измерение. Однако, точные сведения о толщине парафина в одной точке дают возможность настраивать в реальном времени существующую модель отложения парафина трубопровода, так что предсказание (необязательный этап (e) на фиг.2) слоя парафина, к тому же, на удаленном расстоянии от точки измерения, возможно с очень высокой точностью. Обычно должно быть достаточным иметь измерение в нескольких критических точках (например, на врезке в магистральный трубопровод новых скважин, стыках и т.д.), чтобы покрыть полный трубопровод. Примерные модели отложения парафина, которые могут использоваться в соединении с настоящим изобретением, раскрыты в публикации «Simulating Wax Deposition in Pipelines for Flow Assurance»; Beryl Edmonds, Tony Moorwood, Richard Szczepanski, and Xiaohong Zhang; Energy Fuels, 2008, 22 (2), 729-741 («Имитационное моделирование отложения парафина в трубопроводах для обеспечения потока»; Берил Эдмондс, Тони Морвуд, Ричард Сжепански и Ксайохонг Жанг; Энергетическое топливо, 2008 год, 22 (2), 729-741).
Отсюда, в полезной компоновке настоящего изобретения, как проиллюстрировано на фиг.6, несколько измерительных устройств 10 типа, описанного выше, скомпонованы в разных местоположениях вдоль трубопровода 14. Кроме того, предусмотрено центральное средство 34 обработки (например, компьютерное устройство), какое центральное средство 34 обработки приспособлено для приема локальных данных толщины слоя парафина из измерительных устройств 10. Принятые локальные данные могут использоваться средством 34 обработки для предсказания толщины слоя парафина в местоположении, удаленном оттуда, где расположены измерительные устройства 10, с использованием модели отложения парафина трубопровода 14, а также для обновления существующей модели отложения парафина трубопровода. Несомненно, компоновка по фиг.6 также могла бы использоваться без модели отложения парафина. В таком случае, выходные данные являются множеством точечных измерений, одно в положении каждого измерительного устройства.
Фиг.7 - схема компоновки согласно еще одному другому варианту осуществления настоящего изобретения, в котором два измерительных устройства 10a, 10b скомпонованы в разных местоположениях вдоль трубопровода 14. Устройства 10a, 10b, в основном, имеют такой же тип, как устройство 10, описанное выше, хотя определители 24 и 26 могут быть не включены в устройство 10a.
На участке трубопровода 14, где скомпоновано устройство 10a, также предусмотрен нагреватель 36. Нагреватель 36 приспособлен для нагревания внутренней стенки упомянутого участка трубопровода 14 до температуры выше температуры появления парафина, таким образом предотвращая осаждение на нагретом участке. Нагреватель 36, например, может быть электронагревательным кабелем, установленным локально вокруг наружной стороны трубопровода 14. Устройство 10b, с другой стороны, скомпоновано на ненагретом участке трубопровода 14, как проиллюстрировано. Устройство 10a и нагреватель 36 могут быть расположены выше по потоку или ниже по потоку от устройства 10b.
При работе устройство 10a выполняет вышеприведенные этапы (a)-(b) для нагретого участка трубопровода 14. Одновременно устройство 10b выполняет вышеприведенные этапы (a)-(d) для ненагретых участков, но дополнительно с использованием данных, являющихся следствием работы устройства 10a, в качестве калибровочных данных. Например, колебания, детектированные устройством 10a, могут вычитаться из колебаний, детектированных устройством 10b при определении резонансной частоты, по выбору, уже во временной области до того, как применяется БПФ для определения доминантных частот колебаний. При этом способе устройство 10b может определять толщину отложения с учетом колебаний в трубопроводе 14, вызванных потоком в трубопроводе 14.
Фиг.8 иллюстрирует в общих чертах способ определения толщины материала, отложенного на внутренней поверхности конструкции, такой как трубопровод. На этапе 100 нагрев применяется к участку конструкции. На этапе 200 колебания детектируются на таком нагретом участке. Эти данные предоставляют калибровочные данные, указывающие колебания, присутствующие там, где не существует отложений. На этапе 300 колебания детектируются на ненагретом участке, то есть на участке конструкции, где формируется отложение. На этапе 400 эти колебания анализируются и определяется резонансная частота (или частоты). На этой стадии изменения резонансной частоты (или частот) со временем могут контролироваться и использоваться для определения толщины материала, этапы 800 и 900. Вслед за определением резонансной частоты на этапе 500 определяется толщина отложения. С использованием колебаний, детектированных на этапе 300, результат калибруется на этапе 600. Результат выдается на этапе 700.
Специалист в данной области техники осознал, что настоящее изобретение никаким образом не ограничено предпочтительным вариантом(ами) осуществления, описанным выше. Наоборот, многие модификации и варианты возможны в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Например, настоящее изобретение применимо ко всем разновидностям конструкций или резервуаров, проводящих углеводородные потоки, какие углеводородные потоки содержат компоненты, которые возможно откладываются на стенке резервуара, например парафин. К тому же в компоновке по фиг.6 первый и второй определители 24, 26 каждого устройства 10 могут быть централизованы в средство 34 обработки. К тому же вместо использования датчика 20 колебания в трубопроводе 14 могут детектироваться посредством оптического детектора или акселерометра.