JPS6032129B2 - 流れる流体およびスラリのサンプリング装置とその方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 １ 発明の分野 本発明は流動の組成に実質上同一組成の流動流体流の試
料を得る装置に関する。

２ 先行技術の記載 流動油井のサンプリングにおいては、必要なとき適当な
砂制御技術を施すことができるように、砂濃度を決める
ためには信頼性のある正確なサンプリング法の必要にせ
まられている。

原油生産の新しく開発された区域では、かなりの砂の生
成が起っている。砂生成量を正確に有効に決めるための
生成流体のサンプリング法は現在ない。サンプリング問
題に組合さって、多くの油井は極度に高速で、すなわち
１日当り油５，０００〜３０，０００バーレル（７９５
〜４，７７０〆）で生産されている。これは流動流の代
表試料を採取する技術を複雑にする。扱い易い大きさの
試料を得るのに十分な、しかも短時間の間に全高速流を
わきへそらせることは不可能だからである。流動流体に
同伴された砂の真の試料を確保することは困難であり得
る。

一つの問題は系の連動学的条件の変化が流体中の重い粒
子および軽い粒子を異なる通路に沿って起る圧力変化に
依存して異なる通路に沿うて流すことである。流動流内
にサンプリング装置を置くこと自体が系の運動学的条件
を変えるのに十分であり、そこで流動流に沿うて動く物
質の真の正確な試料を得ることは困難となるかまたは不
可能となる。固体を含む油井流体の代表的試料を得るこ
との別の問題は「固体粒子の成層または不規則析出が当
該運動学系で起り、そこで流の一部分だけの試料は流れ
の組成を必ずしも代表していないことである。

非等速サンプリング系で、特に砂のような同伴固体を含
んでいる流動流のサンプリングの不適当なことは認識さ
れてきており、等速系を工夫する試みがなされた。

たとえばし １９６ｇ王１０月２１日の米国特許第３，
４７３，３８８号および１９７３王１１月２５日の米国
特許第３，９２１，４５８号参照。これら等速サンプリ
ング装置の主な欠点は、等速サンプリングを確立するた
めに外部のポンプ送りと計装を必要とすることである。
流れる分散液の等速サンプリングの改良装置と改良法が
必要である。

発明の要約 本発明に従えば、当該流体流導管の内部に配置されまた
流体流導管中の流体流路を横切る面上に置かれた第１端
を有しまた当該第１端の当該流体流導管下流と連結して
いる第２機を有しているサンプリング導管およびサンプ
リング導管から流体をサンプリング装置からなっている
、流体流導管を通し流れる流体組成物をサンプリングす
るためのサンプリングループ装置が提供される。

サンプリング導管は当該流体流導管に関係して寸法が決
められ、当該流体流導管から当該サンプリング導管への
流体の等速とり出しを起させる。好ましくは、当該サン
プリング導管の第１端と第２端の間の当該流体流導管の
直径は当該サンプリング導管の直径よりも大きい。

さらに好ましくは、流体流導管の長さと直径の両者は当
該サンプリング導管より大きい。本発明はサンプリング
導管の入口においておよび流体流導管の乱されていない
流れの入口の上流の点で同一のまたは実質上同一の平均
流速を生じる手段を提供する。

二つの導管が互に連結している点の間の流体流導管また
はサンプリング導管の長さおよび（または）直径を調節
することによって、上記の流速関係を得ることができる
。直径の調節は導管の長さに沿ってどの点でも行なうこ
とができる。たとえば、サンプリング導管または流体流
導管の直径をサンプリングの面でのみ調節でき、そこで
どちらかの導管の直径は均一である必要はない。当速サ
ンプリングを得る実質的方法は、どちらかの導管の直径
を変えることなく導管の一つの長さを調節することであ
る。

別の方法はどちらかまたは両導管のあらさを変え、それ
によって当該導管の摩擦係数を変えることである。本装
置を使うサンプリング法は本発明の一面でもある。

本発明の利点は当速サンプリング系を得るのに外部ポン
プ装置がいらないことである。特に顕著な利点は、追加
のサーボ機構系にたよることなく流体の性質と流動条兼
の広い範囲にわたり当速サンプリングを維持することで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は流体流導管のループを横切る分路としてのサン
プリング導管を示す本発明の装置の概略図である。 第２図は本発明の１具体化の概略図である。第３図は水
中の砂のサンプリング誤差に対するサンプリング速度の
影響を示すグラフである。第４図は第１図の装置の別の
具体化の概略図である。第５図は広い範囲の操作条件に
わたり当速サンプリング条件を維持する本発明の１具体
的の能力を示すグラフである。特定態様の記載 本発明の中心となる特徴は流体流導管から試料が導管中
の流体と同一組成を有する流体試料を得る装置と方法で
ある。 サンプリング導管中の流体試料の分析法は本発明の主関
心事ではない。たとえば、流体が掩集器中に流出できる
ようにサンプ１′ング導管の一部分をとめるため２個の
ソレノィドゲートをつけることによって、流体の自然の
試料を回収できる。所定の時間これを間隔を置いてくり
返し、流体流導管を流れる流体の組成を決める。流体流
導管を流れる分散物の代表的試料は、試料を等速的にと
り出すときだけ得ることができる。サンプリング導管入
口のおよびそのまわりの流体の流線が、サンプリング導
管入口のおよびそのまわりの分散粒子の軌道を描く流線
と一致するとき、等速とり出しまた等速サンプリングが
起る。このような流体と粒子の流線の一致は等速流と呼
ぶことができる。サンプリング導管入口の平均流体速度
が流体流導管の乱されてない流れで入口の上流点での平
均流体速度に等しいときだけ、等速流が起る。サンプリ
ング導管入口の流体とり出しの平均速度が上流流体流導
管の平均流体速度より大きいときは、分散粒子の慣性が
入口を通り不均衡な数の粒子をはこび、一方流体流線は
入口に収れんする。こうして得られた試料は流体流導管
中の流体よりも低濃度の分散粒子を含む。逆に、試料導
管入口の平均流体とり出し速度が上流流体流導管の平均
速度より小さいときは、分散粒・子の慣性は流体流線が
入口を通り発散するとき不均衡な数の粒子を入口にはこ
ぶ。こうして得られた試料は流体流導管中の流体よりも
高濃度の分散粒子を含む。問題の分散粒子は気泡、主流
体と混ざらない液体、または固体であることができる。
サンプリング入口直径、サンプリング点における流体流
導管直径、二つの導管の長さ、二つの導管の直径を調節
することにより、本発明に従い等速流が得られる。本発
明による等速サンプリングは、サンプリング導管および
流体流導管の流れが共に層流かまたは共に乱脈であれば
、流体流導管中の速度に敏感ではない。望む試料容量を
生じるようサンプリング導管の寸法を決めることにより
まずサンプリング導管で得られる試料の大きさを決め、
ついでたとえばサンプリング入口直径およびサンプリン
グ導管の両端の両端間の流体流導管の長さを調節して、
両導管において同一流れを得る。導管の直径と長さの間
の関係は試行錯誤により容易に決定できるが、適当な関
係を近似する適当な式を使い、ついで望む等速流を得る
のに必要な調節をするのが好ましい。 乱流および層流に対する流れの規則的パタン特性は異な
るから、このような規則的パタンに対する式は別々に開
発する必要がある。乱流を有するパイプ導管に対し流体
流導管の長さとサンプリング導管の長さの比を評価する
式の１例は１式により示される。 ただし、Ｌ＝サンプリング導管の入口と出口の間の流体
流導管の長さ、〆＝入口と出口の間のサンプリング導 管の長さ、 Ｄ：流体流導管の直径、 ｄ＝サンプリング導管の直径、 ｘ＝サンプリング導管の内蓬対サンプ リング入口内径の比、 ｙ＝サンプリング導管入口の下流の流 体流導管の内蓬対入口の流体流導 管の内径の比。 上記式は導管のあらさ特性を無視できると仮定し、流体
流は２．５００〜１００，０００のレィノールズ数で乱
流と仮定する。 ここで、パィ．フ。導管レィノールズ数はｄｖｐ 仏 により与えられる。 ただし、ｄ＝パイプ径、 ｖ＝流体速度、 ｐ＝流体密度、 仏＝流体粘度。 サンプリング導管からの試料の回収を必要としない種々
の分析法、たとえば側光、電気的方法などを使用できる
。 たとえば、流体の密度または比重の測定に、オートメー
ション・プロダクツ、インコボレーテツド、ヒュースト
ン、テキサスから入手できるＣＬ−ｌＯＴＹシリーズ密
度セルのような密度セルを使用できる。この装置は電気
コイルにより機械振動されるＵ字管からなっている。振
動数は流体の質量の関数となる。流体の密度が増すと、
Ｕ字管の有効質量が増す。ピックアップコイルを使うこ
とにより、振動数を感知し、流れる流体の密度または比
重の関数であるＡＣ電圧に変えることができる。好まし
い具体化においては、サンプＩＪング導管の試料を採取
する手段を備える。 ここで使う「採取」の用語は試料の物理的捕獲または回
収および次の分析および（または）試料の導管内分析ま
たは評価を含むものである。本装置は流体、固体、ガス
、流体と固体の混合物、およびガスと液体の混合物の均
一系および不均一系のサンプリングに使用できる。本装
置は砂のような同伴粒状固体を含む液体のサンプリング
に特に有用なことがわかった。本装置と本法を液体含有
団体で使う場合、流体流導管を流体が垂直下方流をする
ように配置するときは、流体中の固体のばらばらな分散
を得ることができる。 この垂直配置は少なくとも理論的には、サンプリング導
管によって真の代表的試料を採取できる流れを系を与え
る。しかし、固体の類似のばらばらな分散を得るために
適当なライン内混合手段を備えるときは、水平系を使用
できる。第１図は装置の概略図を示し、流体流導管１０
を通る流体流路は矢印で示してある。サンプリング導管
１２は導管１０の内側に配置された中空プローブ１１を
有する。サンプリング導管は入口端竃５および上記入口
機１５の下流の当該導管１０と連結する出口端１３を有
している。流体流は導管１０およびサンプリング導管１
２を通り進み、出口１３を通り出て導管１０１こ戻る。
流量計１８および１９を夫々導管１０および１２につけ
て、導管内の流量を測定する。上記のような採取または
分析装置は１４で示されている。第１図に示すように、
プローブ１１の入口１５は流体流の通路に垂直の面で導
管１０の壁１６から離れて位置している。 この位置は入口１５と一線になって流体をとらえ、サン
プリング導管１２への試料の入る点での流体の乱れを最
小にする。本発明の実施においては「入口１５は導管１
０内の流体の流路に横の面上にあるべきである。本発明
は入口１５が第１図で一般的に示されるように流体流路
に垂直な面上にあることを必要としない。第１図は入口
端１５が導管１０のほぼ中央にあることを示しているが
、フ。 。ーブ１１によって生じる導管１０内の流れの乱れは試
料が入口１５に入った後起るから、上記の中央にある必
要はない。しかし、壁に沿って起り得るチャネリング効
果を避けるために、入口は壁ＩＳから離れて置かれるの
が好ましい。入口１５はプローブ１１の延長部１７上に
置かれており、この延長部は流体流導管１０の縦軸に平
行な面内にある。 導管１０およびサンプリング導管１２の長さを上記のよ
うに調節して、等速サンプリングを得る。 プローブ１１および入口１５を終る延長部分１７はアー
チ形であることができ、また導管１０内の配置に関し上
で議論した同一考慮をする。第２図は１つの採取装置を
示し、サンプリング導管１１２はプローブ１１１および
延長部１１７を使って導管１１０内におびている。流体
は導管１１０を通り入口１１５に流れ、サンプリング導
管１１２に流れ、導管１１２、出口１１３を通り、入口
１１５の下流の導管１１０に流れる。サンプリング導管
１１２の各端または、いずれかの２点に、２個の自動操
作弁１１４があり、同時に働らくときはその間でサンプ
リング導管１１２内の流体を採取する。第３の自動弁１
１６がライン１１８に位置し、このラインはサンプリン
グ導管１１２と弁１１６を通し連結している。弁１１６
を開くと、サンプリング導管１１２内の試料をライン１
１８を経て捕集器１１９に送る。弁１１６は自動的に働
かす必要はない。導管１１２からの流れを助けるために
、逃がし弁（図示してない）も備えることができる。本
発明の１具体化においては、流体流を導管１１０および
サンプリング導管１１２を通し安定化させる。 弁１１４を働かせ、直後に弁１１６を働かせて試料を容
器１１９に排出させる。弁１１６を閉じ、弁１１４を再
開し、上記工程をくり返す。予め決めた間隔で試料を採
取するようプログラムされた簡単な計算機により、上記
工程を便利に行なうことができる。第４図は第１図の装
置と同一ェレメントと機能を有する装置の概略図である
が、ェレメントを異なる空間形態で配置してある。 そのため、両図ではこれらのェレメントに同一名称を使
っている。第４図では、サンプリング導管入口１５と出
口１３の間の流体流導管１０の長さはサンプリング導管
１２の長さと同一である。第１図、第２図、第４図では
流体流導管の直径およびサンプリング導管の直径は実質
上均一として示してあるが、これは本発明の要件ではな
いことは明らかである。 直径の変動は上記のサンプリング近似式で証明され、ま
た当業者により異なる系で同様に証明できる。本発明の
装置および方法の正当な操作に対する本質的特徴は、サ
ンプリング導管入口とサンプリング導管入口に相当する
面における流体流導管において流体速度が同一であるこ
とである。 この結果を得るために使用できる変数を記載してきたし
、また当業界で認め、かつ選択するような種々の組合せ
で使用できる。系の固体濃度を実際に測定する場合に非
等速系よりすぐれた等速系の利点を示すために、サンプ
リング導管および流体流導管における流速を変えて実験
室試験を行なった。 第３図には、試料中の固体濃度対固体の真の濃度に対し
サンプリング速度とパイプ速度の間の関係をプロットす
ることにより、非等速流から生じる誤差を示す。使用流
体固体混合物は水中の１重量％の砂からなり、砂は８０
〜１２０メッシュの寸法で変化した（メッシュ寸法は米
国標準ふるい系列である）。本発明の１具体化の性能の
例を第５図に示す。 この装置は次の方式で設計し、組立て、操作した。１日
当り１０００バーレル（１６０で）の速度で１．５イン
チ（０．０３８の）内雀導管を流れる０．２重量％の砂
を含む油をサンプリングするようサンプリング装置を設
計した。 この装置の一般形態を第１図に示す。次の工程に従に０
．５インチ（１．２７弧）直径のサンプリング導管を使
い、油流を等速サンプリングするよう装置を設計した。 ■ サンプリング導管の入口と出口の間の流体流導管の
長さ（Ｌ）対サンプリング導管の長さ（そ）の比は上記
１式に従い３．２と計算さた。 ただしＤ＝１．５インチ（３．８１肌）、ｄ＝０．５イ
ンチ（１．２７肌）、ｘ＝１．２４４，ｙ＝１．０であ
る。この比は両導管が円滑で、その長さちゆう均一直径
をもっという仮定に基づく。【ｂ｝ 第１工程‘ａ｝で
さめたＬ／〆比を使い、第１図の形態に類似のサンプリ
ングロープをつくった。 サンプリング導管長さ（ク）を３フィ−ト（０．９１４
仇）と選び、そこで流体流導管の長さ（Ｌ）は９．６フ
ィート（２．９２の）につくった。｛ｃー 第１図の形
態を参照し、流体流導管１０中の流速を流量計１８を使
って測定し、同時にサンプリング導管１２の速度を流量
計１９を使って測定した。【ｄ｝ 流量計１８および１
９により測定した速度が同一となるように、サンプリン
グ導管の小部分を除去することによって長さの比Ｌ／そ
を調節した。 この装置を使い、広範囲の速度と流体の性質にわたり等
速サンプリングを維持する本発明の能力を示す試験を行
なった。 流体粘度を１．０〜４０センチポィズと変えた１７の試
験において、流体の密度は０．８６〜１．０夕／地の範
囲であり、サンプリング導管の流体速度は５〜１５フィ
ート／秒（１．５２４〜４．５７の／秒）と変った。第
５図に示したこの試験結果はサンプリング導管対流体流
導管における速度の比は、レィノ−ルズ数４，０００〜
６０，０００の範図にわたり１．０に等しい。このよう
な装置での等速サンプリングが速度の変化に不惑である
ことを望むときは、流体流導管およびサンプリング導管
の両者において層流または乱流を保つ必要のあることも
、上記試験は示している。第５図が示すように、約２０
００以下のレィノールズ数のサンプリング導管では、サ
ンプリング工程は次第に等速的でなくなる。これはサン
プリング導管の流れが層流となることに主に帰因してい
る。本発明の原理とこの原理を適用することを意図して
いる最上の方式とを記載した。 上記は単に例であって、本発明の範囲から離れることな
く他の手段や技術を使用できる。ＦＩＧ．ｌ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３ ＦＩＧ．４ ＦＩＧ．５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （ａ）流体流導管１０内に配置された入口部分１５
   を有するサンプリング導管１２およびこの入口部分１５
   の下流の位置においてこの流体流導管１０に連絡してい
   る出口部分１３を有し、ただしこの入口部分１５はこの
   流体流導管１０内の流体流の軸に実質上平行な軸にそつ
   てこの流体流導管１０から流体流を受け入れるのに適合
   しており、またサンプリング導管１２はこの流体流導管
   １０からこのサンプリング導管入口部分１５中への、常
   態では等速の流体とり出しを生ずるようにこの流体流導
   管１０に相対的な寸法と配置を有しており、（ｂ）サン
   プリング導管１２によつて受け入れられる流体の予め選
   ばれる量を分離し、かつ不等速な方法でこのサンプリン
   グ導管入口部分１５に入る流体が、この予め選ばれる量
   の、分離される流体中に含まれることを妨げる装置、お
   よび（ｃ）上記の予め選ばれる量の、分離される流体の
   組成の少くとも一つの特性を分析するための装置、を含
   む、流体流導管１０を通じて流れる流体をサンプリング
   するための装置。 ２ サンプリング導管１２の直径は流体流導管１０の直
   径よりも小さく、流体流導管１０の長さは、サンプリン
   グ導管入口部分１５とサンプリング導管出口部分１３と
   の間で測られる場合にはサンプリング導管１２の長さよ
   りも長い、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 分離装置は、配置された少くとも一つのバルブ１１
   ４を含み、かつ予め選ばれる量の流体とサンプリング導
   管入口部分１５との流体の連絡を分離するように選択的
   に操作し得る特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４ 分離装置が、配置された第２のバルブ１１４をさら
   に含み、かつ予め選ばれる量の流体とサンプリング導管
   出口部分１３との流体の連絡を分離するように選択的に
   操作し得る特許請求の範囲第３項に記載の装置。 ５ 第１および第２のバルブ１１４を実質上同時に閉鎖
   する装置および第１および第２のバルブ１１４の閉鎖に
   呼応して、第１および第２のバルブ１１４の中間で捕集
   された流体を捕集容器１１９へ送る装置をさらに含む特
   許請求の範囲第４項記載の装置。 ６ 流体の一部分を等速の方法でサンプリング導管１２
   中へそらせる工程；流体の輸送に呼応して不等速な方法
   でサンプリング導管１２中へ引き出された流体が捕集容
   器１９中に導入されることを妨げるように適合した方法
   でサンプリング導管１２から捕集容器１９へ流体を輸送
   する工程；および捕集容器１９中に含まれる流体の組成
   の少くとも一つの特性を分析する工程を含む、流体流導
   管１０を通じて流れる流体をサンプリングする方法。