KFUPM ePrints

Microwave Technique for Monitoring Fluid Level in the Horizontal Petroleum Carrying Pipeline

l Microwave Technique for Monitoring Fluid Level in the Horizontal Petroleum Carrying Pipeline. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF
Restricted to Abstract Only until 18 May 2015.

5Mb

Arabic Abstract

عملية الإنتاج من النفط الخام من بئر أفقي أو قريب من الأفقي في كثير من الأحيان يتم استخراج خليط من مكونات متعددة من النفط والماء والغاز. ومن المهم الحصول على قياسات دقيقة لنسبة كل مادة من المحتويات الموجودة في خط الأنابيب لنجاح تسجيل ورصد إمدادات النفط. على الرغم من أن العديد من التقنيات الكهربائية موجودة في عدد من الأوراق البحثية المنشورة لتحديد نسب هذه المكونات، إلا أن عدد قليل منهم يستخدم أجهزة استشعار الميكروويف. لذلك فإن الهدف من هذا العمل البحثي هو تصميم الواجهة الأمامية من جهاز استشعار ميكروويف مبسط لتحديد محتويات السوائل المتعددة التي تتدفق من خلال خطوط الأنابيب التي تحمل البترول. وتخضع الأمواج الكهرومغناطيسية (EM) المنبعثة داخل خط الأنابيب إلى الخصائص الهندسية والكهربائية لخط الانابيب. وبما أن خط الأنابيب مشابه لهيكل أسطواني الشكل، لذلك فإن من الضروري إجراء تحليلا شاملا على هذا الهيكل الاسطواني المملوء بسائل متعدد المكونات. وتستخدم الحلول المحسوبة للنموذج الأسطواني المملوء بمادة واحدة أو مادتين للتحقق من النتائج التي سيتم الحصول عليها من قبل برنامج المحاكاة المستخدم. وتم استخدام الموجات الكهرومغناطيسية المنعكسة والتي تم الحصول عليها من برنامج المحاكاة لأنبوب النفط المثبت عليه هوائيان من أجل قياس نسبة النفط والماء. الهوائي المثبت على جزء الأنبوب المحاط بطبقة موصلة، استخدم من أجل قياس الموجات المنعكسة والترددات لمستويات مختلفة من النفط. وكذلك الهوائي المثبت على الجزء العازل من الأنبوب استخدم لقياس مقدار الطاقة المنعكسة لمستويات مختلفة من الماء. وتم رصد النتائج التي حصل عليها من أجل تكوين جدول مرجعي والذي سيستخدم مع النتائج المقاسة عملية من أجل تحديد نسب المواد الثلاثة الساكنة داخل أنبوب النفط. عدد من الخطوات العملية تم بنائها من أجل التحقق من صحة الجداول المرجعية التي تم تكوينها من خلال برنامج المحاكاة. وتم ملاحظة نسبة اختلاف بسيطة بين النتائج وذلك بسبب عدم الدقة البشرية في استخدام الأجهزة المتوفرة في المختبر أثناء عملية تجميع الهوائي مع الأنبوب. وتم التحقق من تجربة عملية لإيجاد النتائج بدون استخدام جهاز تحليل الإشارات. وهذه التجربة تم عملها باستخدام أدوات عدة مثل: (جهاز التردد المتحكم من قبل الجهد، مدور الإشارة، موجه الإشارة، وجهاز قياس الجهد) من أجل تأكيد صحة المبدأ. وأيضا معالج من نوع Arduinoتم استخدامه في هذه التجربة من أجل تخزين الجداول في ذاكرته والذي يقوم بتحليل النتائج وعرض مستوى المواد على جهاز الحاسوب. ولكن هذا الهوائي المصنع لمراقبة المواد يعاني من قلة الدقة في تحديد نسب المياه الساكنة في الأنبوب والتي تزيد عن 30% من ارتفاع الأنبوب.

English Abstract

Crude-oil production process from a horizontal or near horizontal well often extracts a multiphase mixture of oil, water and gas. Accurate measurement of the ratio of multi-phase contents within the pipeline is important for successful logging and monitoring the oil supply. Although several electrical techniques exist in the literature to determine the phase ratio, a few of them use microwave sensors. The aim of this research work is to design the front-end of a simple microwave sensor to determine the contents of multiphase liquids flowing through a petroleum-carrying pipeline. Electromagnetic (EM) scattering within the pipeline is governed by the geometrical and electrical properties of the pipeline. Since a pipeline resembles a cylindrical structure, a thorough analysis is essential on the modal behaviour of the cylindrical waveguide filled with multi-phase fluid. Calculated solutions for single phase and simple two-phase cases are used to verify the model used by a full wave Finite Element Method (FEM) based simulator (HFSS). Simulated reflection responses (S11) of the pipeline model with two integrated antennas are used to monitor the oil and water level. The antenna places in the shielded region of the Plexiglass pipeline are used to monitor the resonant frequency changes with changing oil level of the pipeline. The antenna integrated in the non-shielded region of the pipeline is used to monitor the changes of the reflected power (|S11|) due to changing water level of the pipeline. The observed responses are tabulated to generate a look-up table that can be used with experimental measurements of S11 to determine the contents of the steady-state three-phase pipeline. Measurement setups are fabricated to experimentally verify the simulated look-up tables. Minor discrepancies between simulated and measured S11 curves are due to human errors during the in house fabrication and assembly process. Measurement setup without using the network analyser is also investigated. Basic measurements are performed using microwave components (VCO, circulator, directional coupler, detector, and voltmeter) demonstrated the proof of concept. An Arduino microcontroller is also integrated with this setup, which can store the look-up tables and display the contents level of the three-phase pipeline on a laptop. The major drawback of the this two antenna reflection measurement setup is low resolution and measurement limit of maximum 30% of water contents of the steady state pipeline.



Item Type:Thesis (PhD)
Subjects:Engineering
Electrical
Petroleum > Fluid Separation and Processing
Divisions:College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor:Iqbal, Sheikh S.
Committee Co-Advisor:Ragheb, Hassan A.
Committee Members:Mittra, Raj and Hassan, Essam E.M. and Sharawi, Mohammad S.
ID Code:139182
Deposited By:Yanal Al-Faouri (g200805060)
Deposited On:28 May 2014 11:16
Last Modified:28 May 2014 11:16

Repository Staff Only: item control page