Nivåmåling av grenseflaten mellom olje og vann nede i brønnen er et kritisk element i å få separasjonen til å gå godt.
Hvis man på en enkel måte kan klare å skille produksjonsvannet fra råoljen nede i brønnen, vil økonomien for mange oljefelt forbedres drastisk. Hydros H-Sep-konsept tar sikte på å utnytte den naturlige gravitasjonsseparasjonen i en horisontal seksjon av brønnen, for å oppnå dette. Vannet legger seg på bunnen av foringsrøret mens olje flyter oppå, så prinsipielt er det bare å tappe passelig fort fra topp og bunn. Sammen med partnerne Kværner Oilfield Products (separator) og Weir (nedihulls pumpe) tar Hydro sikte på å installere dette i en testbrønn på Brage-feltet tidlig i 2001.
Måleteknikk kan gi suksess
Dersom man ikke tapper helt riktig, vil det langsomt akkumuleres en ubalanse, og separatoren blir full av enten vann eller olje. Nøkkelen til å styre olje- og vannstrømmen ut av separatoren blir derfor å måle nivået av faseovergangen mellom olje og vann.
Sintef Instrumentering har arbeidet i mange år med å utvikle sensorer for tilsvarende problemstillinger i oljebrønner, og ble engasjert av Kværner for å utvikle en nivåsensor for H-Sep-prosjektet.
Tverrfaglighet i praksis
Mange fysiske prinsipper kan utnyttes for å finne posisjonen av en slik faseovergang. Et prinsipp er å benytte den store forskjellen i elektriske egenskaper mellom olje og produksjonsvann. Både ledningsevnen og dielektrisitetskonstanten er vesentlig større for vann enn for olje, og dette åpner for flere brukbare metoder.
Det viktigste er å finne noe som er enkelt og robust og påvirkes lite av brønnmiljøet. Kværner hadde på forhånd bestemt seg for å utnytte et kapasitansmåleprinsipp, og ettersom Sintef har lang erfaring med kapasitanssensorer i oljebrønner, ble dette valgt. Men måleprinsippet er bare en av svært mange detaljer som må være på plass før en sensor i et brønnmiljø blir en suksess. Kværner har stilt krav til fem års levetid og en maksimaltemperatur på 175 grader Celsius. Skal dette oppnås, må robusthet overfor høye trykk, surt miljø og høye temperaturer være på topp. Materialkravene er formidable.
Den valgte løsningen er basert på en keramisk innpakking i kombinasjon med duplex-stål og Inconel. Innvendig finner man elektronikk som er spesielt utviklet for å tåle høy temperatur i lang tid. Så langt har vi innenfor utviklingsprosjektet driftserfaring på mer enn 2000 timer ved 175 grader Celsius for kritiske deler av denne sensoren.
Mange muligheter for feil
Sensorer i brønnmiljø har ikke særlig godt ord på seg med hensyn til langtidspålitelighet. Dette gjelder uansett hvem som er leverandør. Skader på kabelforbindelsen som fører til lekkasjer er kanskje det vanligste. H-SepTM prosjektet har basert seg på et kommersielt tilgjengelig kommunikasjonssystem. Mellom nivåmåleren og kommunikasjonssystemet brukes rør i Inconel som sveises til sensorkapslingen. Tetthetsprøving under høyt trykk og vekslende temperatur blir en vesentlig del av kvalitetssikringen. En annen viktig test er kombinasjonen av høy temperatur og kraftig vibrasjon.
Det er ikke bare «sammenbruddsfeil» det er viktig å teste for. Kapasitive prinsipper tar utgangspunkt i feltfordelingen rundt en eller flere måleelektroder som endres når vann kommer opp på «vinduene». Hvordan denne feltfordelingen er koblet til endringer i væske-fasenes bevegelse langs sensoren måtte studeres.
I Nansens fotspor
Da Fritjof Nansen lå med Fram i Arktis kom de ut for dødvannet. Skipet beveget seg som i sirup. Som den naturvitenskapsmann han var, slo ikke Nansen seg til tåls med kommentarer om Draugen, men satte igang en vitenskapelig undersøkelse av fenomenet. Forklaringen var undervannsbølger. Under visse forhold får man lagdeling i sjøen på grunn av ulik tetthet av vannet. På disse grenseflatene mellom ulike lag, kan det oppstå bølger når skipet går gjennom dem. Bølgemotstanden knyttet til undervannsbølger var den fysiske forklaring på Draugens grep om skuta.
Den samme problemstillingen oppstår på grenseflaten mellom olje og vann dypt nede i brønnen, nærmere Lucifer enn Draugen. Og denne bølgedannelsen virker inn på målingene. Tilsvarende vil ulik overflatespenning hos væskene skape feil, for ikke å snakke om sensorhusets fuktingsegenskaper. Kunnskaper om modifikasjon av overflateegenskapene til keramer og hydrodynamiske beregninger, er derfor viktige detaljer i utviklingsprosessen.
Prototypen virker bra
For å prøve ut separasjonsprinsippet under mest mulig realistiske forhold, er en prototyp av separatoren kjørt sammen med en prototyp av sensoren i en høytrykkssløyfe på Hydros Forskningssenter i Porsgrunn. Resultatene er meget oppløftende. Måleren virker bra, og separasjonen funksjonerer som planlagt i en lukket sløyfe hvor nivåmålingen brukes til å regulere strømmen av olje og vann ut av separatoren.
