NO334550B1 - Fremgangsmåte og apparat for strømningsmålinger til en våtgass og målinger av gassverdier - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler en fremgangsmåte og et apparat for måling av de enkelte komponentene til et flerfasefluid hovedsakelig inneholdende en gass og de fysiske egenskapene til gassfasen, som definert i de innledende delene av krav 1 og 21 hhv.

Problemet med hvordan man måler olje-vann-gass blandinger har vært av interesse for oljeindustrien siden begynnelsen av 1980-tallet. Siden den gang har mye forskning blitt utført i utviklingen av en trefase strømningsmåling egnet for bruk i et industrielt miljø.

Flerfase strømning i olje- og gassindustrien er vanligvis definert som en blanding av væske og gass, der mengden av fri gass, også betegnet GVF, er mindre enn 90-95% av volumet av røret. For GVFer i intervallet 95% - 99,99%, blir ofte, i flerfasestrømninger, referert til som en våtgass der den flytende delen er vann og kondensat (lettolje). Men en typisk våtgass brønn har GVF over 97% og det er mest vanlig med GVFer i området 99,5 til 99,9%.

Det er flere teknikker og kjente instrumenter for måling av flerfase og våtgasser, noe som blir nærmere beskrevet nedenfor. Slike instrumenter må være rimelig nøyaktig (vanligvis bedre enn ± 5% av strømningshastigheten for hver fase), ikke-forstyrrende, pålitelig, strømningsregime uavhengige og gir nøyaktige målinger over hele fraksjonsrekkevidden til komponenten. Til tross for det store antallet løsninger som har blitt foreslått de siste årene, har ingen kommersielt tilgjengelige trefase våtgasstrømningsmålere klart å oppfylle alle disse kravene. I tillegg strenge krav satt til måling, må instrumentet utføre pålitelig operasjoner i et hardt og korrosivt miljø som for eksempel flere tusen meter under havoverflaten. Inne i røret, kan den flytende flerfasevæsken transporteres med en hastighet på 1-50 m/s med et trykk i overkant av 1000 bar og temperaturer over 200 °C. Sand er ofte også til stede og kan skade de indre delene av instrumentet.

Våtgass strømningsmålere er i økende grad brukt til brønntesting og fordelingsmåling.

For å optimalisere produksjonen og livet til et olje / gassfelt, må operatører være i stand til å jevnlig overvåke produksjonen av hver brønn på feltet. Den vanlige måten å gjøre dette på er å bruke en testseparator. Testseparatorer er dyre, og opptar verdifull plass på en produksjonsplattform, og det krever lang tid å overvåke hver brønn på grunn av at stabiliserte strømningsforhold er nødvendig. I tillegg er testseparatorer bare moderat nøyaktig (vanligvis ± 5 til 10% av hver fase av strømningsmengden) og kan ikke brukes godt til kontinuerlig overvåking. En våtgasstrømningsmåler kan benyttes i første omgang i stedet for en testseparator, og på sikt som en permanent installasjon i hver brønn. En slik ordning vil spare tapet i produksjonen som normalt forbindes med brønntesting. Slike tap er anslått til om lag 2% for en typisk offshoreinstallasjon. Fordelingsmåling er nødvendig når en felles rørledning blir brukt til å transportere output fra en rekke brønner eid av forskjellige selskaper til et prosessanlegg. Dette er oppnådd ved å sende resultatet fra hver brønn gjennom en testseparator før det går inn i en felles rørledning. Imidlertid, i tillegg til ulempene ved testseparatoren beskrevet ovenfor, er også dedikerte testrør til hver brønn nødvendig. En permanent installert våtgasstrømningsmåler vil gi betydelige fordeler for fordelingsmålingen.

En våtgasstrømningsmåler må også være robust med hensyn til usikkerhet i konfigurasjonsparametrene. Typiske konfigurasjonsparametere for kommersielt tilgjengelige våtgassmålere er tetthet, permittivitet (dielektrisk konstant), masseabsorpsjonskoeffisienter og viskositetsdata for alle væsker som finnes i våtgassen. For våtgasstrømningsmålere der skillet mellom væske og gass er basert på en tetthetsmåling av våtgass og en kjent tetthetsverdi for gass og flytende fase, de målte flytende fraksjonene (vann og olje) er svært påvirket av tetthetsverdien til gassen. I praksis bestemmer tetthetsverdien til gassen nullpunktet for den flytende delmålingen. I de fleste virkelige programmer kan usikkerheten til gasstettheten være i størrelsesorden 2-7 % og endre seg vesentlig over tid på grunn av komposisjonene endringer i reservoaret. Dette kan føre til betydelige målefeil for flytende deler som lett kan bli i størrelsesorden flere hundre prosent. For en typisk våtgass applikasjon med et arbeidstrykk på 150 bar, kan blandingen som måles (våtgass) ha en tetthet på 112,7 kg/m<3>. Forutsatt en gassdensitet på 110 kg/m<3>og kondensat (olje) tetthet på 650 kg/m<3>, blir beregnet GVF 99,5%. Det vil si, 0,5% av volumet i røret er flytende. Hvis derimot, tettheten til gassen var feil med 5% slik at den sanne gasstettheten var på 104,5 kg/m<3>i stedet for på 110 kg/m<3>, blir da beregnet GVF 98,5% som svarer til en flytende del på 1,5%. For eksempelet ovenfor, vil en endring i gasstettheten på 5% forårsaker en målingsfeil på den flytende fraksjonen (og strømningsmengden til væsken) på 200%. Hvis den målte blandingstettheten var noe lavere (dvs. 111,35 kg/m<3>) blir den beregnede GVF, basert på en gass densitet på 110 kg/m<3>da 99,75 %, tilsvarende en væskedel på 0,25 %. Igjen, hvis gasstettheten var feil med 5 %, slik at den sanne gasstettheten var 104,5 kg/m<3>i stedet for 110 kg/m<3>, blir da beregnet GVF på 98,75 % som tilsvarer en flytende fraksjon på 1,25 % hvilket forårsaker en målingsfeil på 400 % på den flytende fraksjonen. Følgelig øker målingsusikkerheten for de flytende delene knyttet til usikkerheten i gasstettheten eksponentielt med at gassfraksjonen i røret øker.

Eventuelle feil i den målte flytende fraksjonen knytter seg direkte til en korresponderende målefeil på de beregnede strømningshastighetene for en våtgassmåler siden strømningshastighetene utledes ved å multiplisere de målte fraksjonene med hastigheten til væskene i røret.

Formasjonsvannet i hydrokarbon reservoaret er typisk saltholdig vann. Under normale situasjoner, bør ikke brønnen produsere noe formasjonsvann. Faktisk kan formasjonsvann i rørledningen føre til hydrat- og skjelldannelse i tillegg til alvorlige korrosjon av rørledningen. Hvis mengden av formasjon og ferskvann (også omtalt som total vannfraksjon) i en brønn er kjent for feltoperatøren, kan kjemiske inhibitorer injiseres i brønnstrømmen for å begrense uønskede effekter som skyldes vann. Alternativt kan produksjonshastigheten fra brønnen endres for å hindre eller redusere produksjonen av vannformasjon eller stenge brønnen fullstendig for å spare rørledningens infrastruktur. Det er av spesiell interesse å måle formasjons-og ferskvannsinnholdet til fjernstyrte havbunnsbrønner siden kostnaden av rørledninger i en slik installasjon er voldsom. Det er vanlig for de fleste undervannsinstallasjoner å blande brønner i en felles rørledning og transportere flerfasefluidet til et prosessanlegg. Slike anlegg kan bli plassert flere hundre kilometer fra havbunnsinstallasjonen hvilket fører til lange flerfasetransportrør på havbunnen. Følgelig kan det ta mange måneder å oppdage og identifisere en brønn som produserer saltholdig vann, uten en våtgasstrømningsmåler som er i stand til å utføre nøyaktige målinger av det produserte vannet.

Mange våtgassbrønner har en gassfraksjon (GVF) på 97-99.9 % av vannfraksjonen

i størrelsesorden 0,005 - 1 %. Men det er også vann til stede som vanndamp i gassen. For å endre på trykk og temperaturer, noe av vanndampen i gassen kan kondenseres til å danne flytende vann. Massen av vanndamp i røret kan være mange ganger større enn massen til flytende vann i røret. I tillegg er den dielektriske konstanten til vanndampen betydelig høyere (3-4 ganger) enn den dielektriske konstanten for samme mengde vann i væskefase. Følgelig kan den dielektriske konstanten til en hydrokarbonblanding inneholdende vanndamp være 10-20 ganger større enn den dielektriske konstanten til en hydrokarbonblanding som inneholder samme mengde vann som væske. Vanndamp er av lav betydning for operatøren siden det ikke påvirker skaleringen, voksingen eller korrosjonen av rørledninger i samme grad som saltholdig vann. Men å kjenne den flytende vannfraksjonen og saltinnholdet i den flytende vannfraksjonen er svært viktig som

beskrevet ovenfor, og dermed øker vanndampen utfordringen med å måle den flytende vannfraksjonen siden forholdet mellom mengden vann som væske og mengde vann som damp er også trykk- og temperaturavhengig. Derfor kan variasjoner i trykk og temperatur, assosiert med endring av strømningshastigheter eller baktrykk på grunn av endret trykkfall i transportrørledninger, påvirke den dielektriske konstanten til hydrokarbonblandingen i langt større grad enn variasjoner i vannfraksjonen til flerfaseblandingen. Permittiviteten (dielektrisk konstant) til gassen er typisk en konfigurasjonskonstant til instrumenter som utfører målinger av vannets fraksjon til en våtgass, basert på et elektromagnetisk målingsprinsipp. Denne konfigurasjonskonstanten kan som et eksempel være basert på sammensetningen for gassen ved hjelp av Clausius Mossotti ligningen som beskrevet i " Measurement of the Liquid Water Flow Rate Using Microwave Sensors in Wet- Gas Meters - Not As Simple As You May Think" by H.E.E. Van Mannen, 26th International North Sea Flow Measurement Workshop, 2008 [1]. Fra Clausius Mosottiligningen kan det sees at den dielektriske konstanten for gass er svært avhengig av tettheten til gassen, men mengden vanndamp og sammensetningen av gass har også en betydelig innvirkning på permittiviteten til gassen slik at permittiviteten til gassen ikke kan entydig bestemmes basert på tettheten av gassen. Foren produserende våtgassbrønn, kan disse parametrene også endres over tid uten at operatøren har kjennskap til det. Siden permittiviteten til gassen bestemmer nullpunktet for målingen av vannets fraksjon, vil hvilke som helst endring i temperatur, trykk eller sammensetningen av gassen føre til en endring i gassens permittivitet som igjen påvirker nullpunktet til vannets fraksjonsmåling lage pålitelige målinger ved lave vannfraksjoner enda vanskeligere.

For å bestemme de enkelte fraksjonene til en flerkomponentblanding av tre komponenter som gass, vann og kondensat (lett olje), er det tilstrekkelig å utføre målinger av to uavhengige fysiske egenskaper knyttet til komponentene i blandingen siden summen av de fraksjonene er 100 % og kan brukes som den tredje ligningen. Eksempler på kombinasjoner egnet for måling av fraksjonen av en våtgass er permittivitetsmåling i kombinasjon med tetthetsmåling, ledningsevnemåling i kombinasjon med tetthetsmåling eller to masseabsorpsjonsmålinger på to forskjellige energinivåer. For å beregne fraksjoner av komponenter (for eksempel volumfraksjoner), må tilsvarende fysiske egenskaper for hver av komponentene være kjent, for eksempel, når permittiviteten og tetthetsmålingen brukes til å måle permittiviteten og tettheten til en våtgass som inneholder gass, vann og kondensat (lettolje), må permittiviteten og tettheten til gass, vann og kondensat være kjent for å beregne volumfraksjoner av gass, vann og kondensat i røret.

Noen eksempler på kommersielt tilgjengelig ikke-påtrengende flerfasemålinger er vist i US 5103181, US 6097786, US 5135684 og WO 2007/129897. Et kjernefysisk densitometer brukes til å måle blandingstetthet og blandingstettheten er brukt (direkte eller indirekte) til å dele flerfaseblandingen i en væske og gass. Derfor er målerne betydelig påvirket av ukjente endringer eller avvik i gasstettheten som beskrevet i eksempelet ovenfor og videre målinger er ikke i stand til å måle gasstettheten og permittiviteten eller kompensere for endringer i gasstettheten og permittiviteten.

Det er også velkjent at sammensetningen av flerfaseblandingen kan måles basert på en måling av den kritiske frekvensen til røret. Eksempler på slike enheter finnes i US 4423623, US 5455516, US 5331284, US 6614238, US 6109097 og US 5351521, som beskriver metoder for å bestemme sammensetningen av en flerfaseblanding basert på måling av den kritiske frekvensen til et rør basert på tap-eller fasemålinger på en varierende frekvens. Men alle disse metodene blir sterkt påvirket av endringer i gasstettheten ved høy gassfraksjon, og vil ikke gi nøyaktig målinger av flytende komponenter i en våtgass.

Enheter for måling av forbruket av et flerfasefluid er godt kjent. Slike enheter kan være basert på krysskorrelasjon av et målingssignal som oppdager variasjoner i væske og gass dråpene i strømningen. Ved å overføre et bærersignal inn i en flyt og måle respons, det mottatte signalet inneholder informasjon om variasjoner i flyten forårsaket av amplitude (tap), fase eller frekvens modulasjon av forstyrrelser. Ved å utføre målinger på to deler av røret som ligger med en kjent avstand fra hverandre, kan man opprette to ganger varierende signaler som er forskjøvet i tid lik tiden det tar flerfasestrømning å forflytte seg mellom de to delene. Eksempel på slike enheter basert på et elektromagnetisk bærersignal er vist i US 4402230, US 4459858, US 4201083, US 4976154, W094/17373, US 6009760 og US 5701083

Andre enheter for måling av strømningsrater kan være basert på måling av differensialtrykket over en restriksjon i røret som en venturi, åpning, v-kjegle eller strømningsblander. Eksempler på slike enheter kan bli funnet i US 4638672, US 4974452, US 6332111, US 6335959, US 6378380, US 6755086, US 6898986, US 6993979, US 5135684, WO 00/45133 og WO03/034051. Alle disse enhetene er underlagt de samme begrensningene som beskrevet i eksempelet ovenfor, der eventuelle feil i den antatte gasstettheten eller permittiviteten kan forårsake betydelige feil på den målte strømningshastigheten til væsken.

Strømningsmålere som bruker statistisk informasjon fra strømningen for å utlede sammensetningen av flerfasen er også kjent. Et slikt eksempel er funnet i US 5576974. Typisk for slike enheter er at de stoler for mye på de statistiske opplysninger til å gi pålitelig resultat i praktiske anvendelser. Som i US 5576974 er både vannfraksjonen og gassfraksjonen beregnet basert på mikrobølgemålinger. Statistisk variasjon i mikrobølgesignalet passerer gjennom eller reflekteres fra en våtgasstrømmen er relatert til både dråpestørrelse, antall dråper og mengden vann i væskedråper. Både en økning i mengden av væskedråper og økning i mengden vann i flytende dråper fører til en økning i den statistiske variasjonen av mikrobølgesignalet. Derfor, er en enhet som beskrevet i US 5576974 som rent avhengig av informasjon fra en type sensorer, vil ikke kunne pålitelig skille mellom komposisjonene forandringer, på grunn av endring i vann/olje-forholdet sammenlignet med en endring i gass/væske-forholdet. Enhver tilstedeværelse av væskefilm i røret vil ytterligere komplisere tolkningen av statistisk informasjon siden den underliggende tidsvariansen av væskefilmen har en helt annen frekvens i forhold til væskedråper.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen for å overkomme de ovennevnte begrensningene i eksisterende løsninger.

Det er hensikten med oppfinnelsen å gi nøyaktige målinger av strømningshastighetene til olje, vann og gass i en våtgass.

Det er hensikten med oppfinnelsen å gi nøyaktig måling av væskefraksjoner til en våtgass når gassens egenskaper som for eksempel tetthet og permittivitet inneholder stor usikkerhet.

Det er hensikten med oppfinnelsen å gi nøyaktige målinger av væskefraksjonen av en våtgass når gassens egenskaper som tetthet og permittivitet er i endring over tid.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å skaffe tilveie måling av tettheten av gassen i en våtgass som inneholder væske.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å skaffe tilveie måling av permittiviteten til en gass i en våtgass som inneholder væske.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å tillate bruk av enkle rutiner for kalibrering av til en våtgasstrømningsmåler.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å tillate bruk av enkle bekreftelsesrutiner for en våtgasstrømningsmåler.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å skaffe tilveie en flerfasestrømningsmåling med høy nøyaktighet ved våtgasstrømningsforhold.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å skaffe tilveie et lite trykkfall i røret til det strømmende fluidet i flerfase.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å skaffe tilveie et ikke-påtrengende apparat for å utføre våtgasstrømningsmålinger.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å tillate kompakt installasjon av en våtgasstrømningsmåler.

Det er hensikten med oppfinnelsen å gi en kompakt mekanisk struktur for å utføre målingene.

Dermed består oppfinnelsen som definert i krav 1 av en fremgangsmåte for å bestemme strømningshastigheten til et fluid bestående av en flerkomponentblanding av gass og minst en væske i et rør, idet framgangsmåten består av følgende trinn:

a. temperaturen og trykket på flerkomponentblandingen bestemmes,

b. fraksjonene til flerkomponentblandingen bestemmes basert på minst to målte fysiske egenskaper for flerkomponentblandingen og kunnskapen om de samme fysiske egenskapen til de enkelte komponentene i

flerkomponentblandingen,

c. hastigheten til flerkomponentblandingen bestemmes,

d. basert på resultatet fra trinn a-c, er strømningshastighet til den enkelte komponenten i fluidet bestemt,

idet fremgangsmåten videre omfatter å bestemme de fysiske egenskapene til minst en av komponentene i flerkomponentblandingen der

e. en elektromagnetisk taps- eller en fasemåling blir utført,

f. en statistisk parameter knyttet til den elektromagnetiske målingen beregnes,

g. de nevnte statistiske parameterne blir sammenlignet med en empirisk utledet terskelverdien tilsvarende verdien av de statistiske parameterne når bare en av komponentene til flerkomponentblandingen er til stede, og h. nevnte fysiske egenskaper til nevnte fluid blir bestemt hvis de statistiske parametere overstiger terskelverdien for den nevnte komponenten og brukt i trinn b-d for å skaffe til veie en forbedret verdi av fraksjoner, hastighet og strømningshastighet til de enkelte komponentene i flerkomponentblandingen.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen omfatter funksjonene som er definert i det selvstendige kravet 18.

De uselvstendige kravene 2 til 17 og 19 til 28 definerer foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det følgende med henvisning til figurene, der: Fig. 1 viser en skjematisk longitudinal delvis visning av hovedelementene i oppfinnelsen, Fig. 2 viser en skjematisk longitudinal delvis visning av en eksemplifisert legemliggjøring av et apparat for måling av olje-, vann- og gassfraksjoner og strømningshastigheter i henhold til oppfinnelsen, Fig. 3 viser en kurve som relaterer seg til en statistisk elektrisk parameter til væskefraksjonen til en våtgass, Fig. 4 viser målt væskefraksjon til en våtgass kontra en referanseverdi som en funksjon av tiden. Fig. 5 viser en skjematisk longitudinal delvis visning av en eksemplifisert legemliggjøring av et apparat for å utføre elektromagnetiske målinger i henhold til oppfinnelsen, Fig. 6 viser en skjematisk longitudinal delvis visning av en eksemplifisert legemliggjøring av et apparat for å utføre elektromagnetiske målinger i henhold til oppfinnelsen. Figur 7-10 viser et målingseksempel hvor gasstettheten og gasspermittiviteten inneholder en feil på 5-8 % og deretter korrigeres med en måling i løpet av en periode med ren gass i røret.

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en fremgangmåte og apparat for måling av strømningshastigheter og volumfraksjoner til en våtgassblanding i et rør i tillegg til permittiviteten, tettheten og/eller massen av lydabsorpsjon i gassfase. Oppfinnelsen inneholder fire elementer som vist i figur 1. En rørformet del 1, en enhet for måling av hastighet av våtgassblandingen 2, en enhet for måling av gass-, olje- og vannfraksjon til våtgassblandingen 3, og en enhet for å påvise tilstedeværelse av ren gass i rørformet del 4. Strømningsretningen kan være enten oppover eller nedover. Enheten kan også være plassert enten vannrett eller i en hvilke som helst annen vinkling, men vertikalt oppover- og nedoverstrømning er foretrukket retning. Enheten inneholder også elementer for måling av temperatur og trykk for kompenseringsformål, men disse elementene er utelatt fra tegninger og nærmere beskrivelse for enkelhetsskyld. Noen av disse enhetene kan kombineres sammen som vist i figur 2, der enheten for måling av fraksjoner av gass, olje og vann har vært kombinert med enheten for å påvise tilstedeværelse av ren gass i den rørformede delen.

En venturi kan da brukes som et strømningsapparat for å måle hastigheten til våtgassen. Venturi består av en konvergent del 10 i en smal passasje 11 i et rør. Ved å måle oppstrøms trykk 7 og trykket i den trange passasjen 8 ved hjelp av en trykksender 6, kan strømningshastigheten til væsken (e) bestemmes. Den foretrukne strømningsretningen er vist med en pil 9.

Gass-, olje- og vannfraksjonen til våtgassen kan bestemmes ved å kombinere målingen fra en gamma detektor 16, som måler gammafotoner som sendes ut fra en gammakilde 15, med elektriske radiofrekvensmålinger utført med antennene 14. Antennene 14 er ved bruk koaksiale ledere som er satt inn i røret. Metoden for å oppnå fraksjonene til komponentene til våtgassen ved hjelp av apparater vist i figur 2 er nærmere beskrevet i NO 324812 og WO 2007/129897. Imidlertid må denne enheten konfigureres med tettheten og permittiviteten til olje, vann og gass. Faktisk trenger alle våtgasser eller flerfasemålere disse konfigurasjonsdataene. En måte å oppnå disse konfigurasjonsegenskapene er å bruke PVT simuleringsprogrammet til å generere temperatur og trykkavhengige oppslagstabeller for olje-, vann- og gassverdiene. Foret våtgassprogram, er egenskapene til gassen av størst betydning, og generelt for alle flerfase strømningsmålingsprogrammer, er egenskapene for den største fraksjonen i røret de viktigste konfigurasjons parametere for å få nøyaktige målinger av de minste fraksjonene av flerfasefluidet.

Egenskapene til gassfasen er målt i tidsperioder hvor den rørformede delen ikke inneholder væsker. Dette kan typisk skje hvis brønnen er støtvis eller pulserende slik at bare gass strømmer i korte tidsperioder. Den rørformede delen kan også være fri for væske under stenge- og oppstartsperioder av brønnene. For å kunne oppdage hendelser er en pålitelig måling for deteksjon av ren gass i rørdelen nødvendig. For å gi pålitelig deteksjon, må en måling for ren gassdeteksjon jobbe helt uavhengig av egenskapene til gassen, noe som betyr at en ren tetthets, permittivitetsmasseabsorpsjonsmåling ikke kan brukes til dette formålet.

Den nåværende oppfinnelsen bruker mangel på typiske kjennetegn ved væske i gassen som er et tidsvarierende signal knyttet til den naturlige variasjonen i strømmen på grunn av væskedråper og flytende film langs veggen. Hvis ren gass strømmer i rør, er det ingen variasjoner i sig na I kvaliteten. En empirisk utledet terskelverdien for variasjon i signalet kan brukes til å definere kriteriene for ren gass. Når ren gass blir oppdaget, kan permittiviteten (dielektrisk konstant), tettheten, massefortynningen til gassen måles ved hjelp av enheten 3. Enhet 3 kan være hvilke som helst av konvensjonelle flerfase- eller våtgasstrømningsmålere inneholdende sensorer for måling av permittiviteten, tettheten og masse absorpsjonen til våtgassen. Imidlertid siden ren gass har blitt oppdaget, kan enheten i stedet bli brukt til å måle permittiviteten, tettheten og masseabsorpsjonen av ren gass for å korrigere konfigurasjonsparametrene for gassverdiene. En måte å korrigere gassegenskapene er å bruke de målte verdiene til ren gass for å beregne korreksjonsforholdet til konfigurasjonsparameterne. Siden gassegenskapene er sterkt påvirket av temperatur og trykk, brukes den målte gassverdien for å kalkulere en korreksjonsfaktor til en oppslagstabell av gassverdiene er en praktisk måte å adoptere den korrigerte gassverdimålingen til et større temperatur- og trykkutvalg. Korreksjonsfaktormetoden kan også utvides til et enda større trykk- og temperaturområde ved hjelp av en trykk- og temperaturavhengig oppslagstabell for korreksjonsfaktorer der hver temperatur og trykk i tabellen representerer en måling på ren gass.

Metoden er nærmere beskrevet nedenfor, med referanser til de vedlagte figurene.

Den elektromagnetiske målingen utført ved hjelp av antennene 14 kan brukes til å få en måling av variasjoner i strømmen relatert til strømmen av væskedråper i gassen eller strømmen av væskefilm langs rørveggen. Tilstedeværelsen av væske i den våte gassen vil dermed føre til et tidsvarierende signal som kan brukes til å utlede statistiske parametre som standardavviket til signalet. En elektrisk måling som er direkte skalert mot diameteren på røret er foretrukket fordi dråpediameteren også er knyttet til rørdiameteret. Elektriske parametere som kritisk bølgelederfrekvens til et rør, fase- eller frekvens karakteristikken til en bølge som reflekteres fra en diameterendring i røret (slik som den divergerende delen av Venturi 12), den målte fasekoeffisienten eller dempningskoeffisienten til en forplantet elektromagnetisk bølge i et rør eller frekvensen til et resonanshulrom eller strukturen i røret er godt egnede elektriske parametere. Faktisk kan tap eller fasemålinger av en forplantet elektromagnetisk bølge i et rør eller målt tap eller fase fra en reflektert bølge fra mediet i røret brukes. Bølgelengden på målingssignalet skal fortrinnsvis være liten slik at signalet er i stand til å oppdage små variasjoner forårsaket av små væskedråper. De fleste enhetene basert på måling av kritisk frekvens, frekvens av et resonanshulrom i røret og refleksjonsegenskaper eller fase eller dempningskoeffisient av forplantende elektromagnetiske bølger bruker signaler med små bølgelengder. Et typisk frekvensområde er 100 - 5000 MHz avhengig av rørdiameteren, imidlertid kan større og mindre frekvenser også brukes. Eksempler på hvordan de fleste av disse elektriske parameterne kan fås ved å bruke apparatet vist i figur 2 er nærmere beskrevet i WO 2007/129897 og WO 2005/057142. Resonansfrekvensen til et resonanshulrom inne i røret kan også brukes som et elektrisk signal. Et eksempel på en enhet som passer til dette formålet finnes i WO 03/034051. Denne enheten kan også brukes til å måle gass-, olje- og vannfraksjoner til våtgassen. Kapasitans-og induktanssensorer er også mye brukt for å måle fraksjoner av flerfasefluider basert på måling av permittiviteten og konduktivitet. Elektriske signaler innhentet fra kapasitans- og induktanssensorer kan også brukes, men disse enhetene er mindre egnet på grunn av lav frekvens og dermed stor bølgelengde på de elektriske signalene og dermed mindre egnet til å fange opp små variasjoner som kreves for nøyaktige væskemålinger til en våtgass som betyr at enheten har begrensninger for hvor lite væske det er i stand til å se i gassen sammenlignet med metoder basert på målinger ved høyere frekvenser.

Fremgangsmåten for å bestemme egenskapene til gassen og beregne forbruk av de enkelte komponentene av våtgass blir da: 1) Beregn temperatur- og trykkoppslagstabeller for tetthet, permittivitet, masseabsorpsjonskoeffisienter til gass, olje og vann basert på sammensetningen for fluidene. 2) Utføre elektriske målinger som fasekoeffisient eller dempningskoeffisient i en forplantende elektromagnetisk bølge i røret, rørets kritiske frekvens eller refleksjons frekvens, fase eller tap av en bølge forplanter seg gjennom eller fra mediet i røret. Eksempler på hvordan du gjør dette finner du i WO 2007/129897 og WO 2005/057142. 3) Beregn en statistisk parameter basert på de tidsvarierende elektriske målingene fra trinn 1. 4) Sammenlign resultatet fra trinn 2 mot en empirisk utledet terskelverdi tilsvarende ren gass i røret. 5) Dersom den beregnede statistiske parameteren fra trinn 2 er under terskelverdien fra trinn 3, er egenskapene til gassen målt slik som tetthet, permittivitet og masseabsorpsjonskoeffisienter. Gassens egenskaper kan måles med sensorer fra nær sagt alle konvensjonelle flerfase- eller våtgassmålere og eksempler på hvordan man kan måle dette kan finnes i WO 2007/129897, WO 2005/057142, WO 03/034051, WO00/45133 eller US 6405604 6) Beregn korreksjonsfaktor til oppslagstabellene for gasstetthet, permittivitet og masse absorpsjonskoeffisient innhentet i trinn 1, slik at den samsvarer med de målte verdiene fra trinn 5. 7) Beregn fraksjon av gass, olje og vann (for eksempel flerfaseblandingen) ved bruk av de korrigerte gassegenskapene fra trinn 6. i WO 2007/129897 WO 2005/057142, WO 03/034051, WO 00/45133 eller US 6405604 8) Beregn hastigheten til fraksjoner i røret basert på målte fraksjonene fra trinn 7 og målte gassverdier fra trinn 6. Eksempler på hvordan man gjør dette finner du i WO 2007/129897, WO 2005/057142, WO 03/034051, WO00/45133 eller US 6405604

Strømningsenheten kan enten være en enhet basert på måling av trykkfall 6 som for eksempel en venturi eller ved hjelp av krysskorrelasjonsteknikker som beskrevet i WO 2007/129897 og WO 2005/057142. Andre strømningsenheter 2 basert på måling av differansetrykk som en V-kjegle eller måleskive og Dall rør kan også brukes. Disse er godt kjente målingsprinsipper og ytterligere informasjon om hvordan du bruker disse enhetene kan bli funnet i Handbook of MultiPhase Metering utstedt av Norsk Forening for Olje- og Gassmåling.

I tillegg til de elementene som er beskrevet ovenfor, inneholder måleapparatet også elementer for å utføre elektriske målinger og en datamaskin for å utføre beregninger, men det er velkjent hvordan å realisere nødvendig elektronikk og programvare for å utføre slike målinger og beregninger.

Transmisjons- og refleksjonsmetoder er velkjente metode for å karakterisere materialet som vist i figur 3 og 4. Elektromagnetiske metoder kan være basert på et strålende spalte 17 gjennom veggen som vist i figur 3, eller ved hjelp av en åpen koaksialdirigent 18 som vist i figur 4. En puls eller kontinuerlig frekvens er overført på koaksialkabelen 18.

Basert på en måling av amplituden og fasevanasjonene reflektert tilbake på koaksialdirigenten, kan permittiviteten av materialet i røret bestemmes. Utformingen og arbeidsmiljøprinsipper for transmisjons- og refleksjonssensorer som vist i figur 3 og 4 er nærmere beskrevet i " Microwave Electronics - measurement and material characterization" av Chen et. al., Wiley (2004), og " Permittivity Measurements of Thin Liquid Film Layers using open- ended Coaxial Probes", Meas. Sei. Technol., 7 (1996), 1164-1173.

To antenner som vist i figur 6 kan også brukes til å utføre elektromagnetiske målinger. Antennene er koaksiale ledere isolert med et isolerende materiale fra rørveggen, og som trenger litt inn i røret og virker som en dipol antenne inne i røret. Senderantennen 28 og mottake ranten nen 28 kan også gjøres som en egen enhet 27 som er samlet inn i røret eller som separate antenner. Antennene kan også være plassert langs omkretsen av røret eller aksialt langs røret eller i en kombinasjon av hvilke som helst aksiale og radiale lokalisering. Denne enheten kan brukes til å måle tap, fase av en elektromagnetisk bølge innen mediet av røret.

En lignende ordning basert på tre antenner for å utføre elektromagnetiske målinger er vist i figur 5. Antennene er koaksiale ledere isolert av et isolerende materiale fra rørveggen og som trenger litt inn i røret og virker som en dipol antenne inne i røret. Antennene kan gjøres som en kompakt enhetssonde 26 som vist i figur 5 hvor senderantennen 24 og de to mottakerantennene 25, 23 er elektrisk isolert fra metallhuset 26 av keramikk eller glass eller et lignende isolerende materiale. Enheten kan brukes til å måle, fase og tap av en elektromagnetisk bølge i røret som også kan bli ytterligere utvidet til å måle fasekoeffisient og tapskoeffisient til en elektromagnetisk bølge som reiser inne i røret. WO 2007/129897 gir ytterligere informasjon om hvordan denne enheten kan brukes til å skaffe disse parametrene. Fraksjonene og hastigheten til våtgassen (flerfase blanding) som beskrevet i trinn 7 og 8 ovenfor kan utledes ved hjelp av noen kjent målingsprinsipper egnet for måling av den enkelte komponentfraksjonen og komponenthastigheten i en våtgass (for eksempel våtgass strømningsmålere). Som et eksempel kan komponentfraksjoner og hastigheter til blanding utledes ved hjelp av doble energimasseabsorpsjonsmålinger som beskrevet i US 5135684 eller kapasitans / induktans målingsprinsipper i kombinasjon med enkel energimasseabsorpsjon som beskrevet i NO 304333 eller kapasitans/induktans målingsprinsipper i kombinasjon med krysskorrelasjon og venturi som vist i WO 00/45133 eller metoder basert på flere trykkfallsmålinger som beskrevet i WO 02/44664. Noen av disse enhetene kan kombineres med en elektromagnetisk måling som beskrevet i trinn 2-3 ovenfor for deteksjon av ren gass (væskefrie perioder) i røret. Eksempel på et apparat som kan kombineres med de ovennevnte våtgasstrømningsmålerne for påvisning av ren gass er vist i figur 3-6, men i prinsippet kan enhver elektromagnetisk målingsenhet være i stand til å utføre elektromagnetiske målinger av variasjonen i væskefraksjonen til en våtgass ved høyere frekvenser (typisk 100 til 5000 MHz) kan brukes til å skaffe statistiske parameter krevet for gassdeteksjon.

Figur 7-10 viser et måleeksempel hvor gasstettheten og gasspermittiviteten inneholder en feil på 5-8% og deretter korrigeres med en måling i løpet av en periode med ren gass i røret. Den statistiske parameteren beregnet ut ifra den elektromagnetiske målingen 30 er vist i figur 7 hvor standardavviket av et reflektert signal om en elektromagnetisk bølge innenfor røret vises. Målingen er utført ved StatoilHydros testanlegg for våtgass på Kårstø og sammenlignet mot en empirisk utledet terskelverdien 32 for ren gass. Y-aksen 31 viser standardavviket og x-aksen 34 er tid i sekunder. For et kort på ca 20 minutter 33 er ren gass oppdaget i røret. Figur 8 viser målt gass fraksjon 35 til en våtgass måleenhet i forhold til referanse gass fraksjon 36. X-aksen 34 er tid i minutter og y-aksen 37 er gass tomrom fraksjonen (GVF) i røret. I løpet av en periode på ca 250 minutter er en GVF nær 100 % i røret. Følgelig er den statistiske parameteren over gassens terskelverdi. Figur 10 viser målt strømningshastighet til gassen 42 versus referansestrømningshastigheten til gassen (målt ved testanlegget) for samme periode. Fra figur 10 er det sett at perioden med en GVF på 100 % svarer til en periode uten flyt. Fra figur 7 er det sett at det beregnede standardavviket 30 til de elektriske parameterne er under gassterskelen for ca. 10-20 minutter umiddelbart etter infusjonshastighetsprofilen har vært slått av. I denne perioden har gassverdiene (permittiviteten og gasstettheten) blitt målt. Etter ca. 10-20 minutter, starter kondensasjonen av væsker å oppstå på grunn av reduksjonen i temperatur, og derfor er det ikke lenger mulig å utføre pålitelige målinger av gassverdier selv om det fremdeles ikke er noen strøm og en GVF nær 100 % i røret. Sett fra figur 10, er det en betydelig mindre forskjell mellom referansegasstrømmens hastighet 43 og målt gasstrøm 42 etter at gassegenskapene har blitt målt. Figur 9 viser

innvirkning på den målte vannfraksjonen 36 versus referansevannfraksjonen 39. Y-aksen er prosentandelen av vann i røret som en prosentandel av det totale volumet av røret og x-aksen 34 er tiden i minutter. I utgangspunktet er det en 5 % feil i de dielektriske egenskapene til gassen (første 500 minutter) og mens referansevannfraksjonen 39 er ca. 0,0025 %, målt vannfraksjon 38 er nær null, noe som faktisk betyr at en negativ vann fraksjon har blitt beregnet. Men når permittiviteten av gass har blitt målt i væskefri periode 33 og brukt for de videre målingene (fra ca. 800 minutter og utover), den målte vannfraksjonen 38 er mye nærmere referansevannfraksjonen 39.

Fremgangsmåten og apparatet til oppfinnelsen kan også brukes til å utlede egenskapene til andre deler av flerkomponentblandingen. For eksempel kan metoden også brukes til å bestemme andre fysiske egenskaper til fluidet som trykkfasthet eller molvekten ved hjelp av egnede matematiske modeller knyttet til de ovenfor nevnte målinger med tilsvarende fysiske mengde eller ved å legge til andre sensorer egnet til å måle egnede fysiske egenskaper. Ett eksempel på et slikt instrument er en gasskromatograf som er et instrument som kan måle ulike hydrokarbon fraksjoner til gassen (for eksempel i fraksjoner av metan, butan, pentan etc).

Claims (28)

1. Fremgangsmåte for å bestemme strømningshastighetene til et fluid bestående av en flerkomponentblanding av en gass og minst en væske i et rør, metoden består av følgende trinn: a. temperaturen og trykket til flerkomponentblandingen bestemmes, b. fraksjonene til flerkomponentblandingen bestemmes basert på minst to målte fysiske egenskaper for flerkomponentblandingen og kunnskapen om de samme fysiske verdiene til de enkelte komponentene i flerkomponentblandingen, c. hastigheten til flerkomponentblandingen bestemmes, d. basert på resultatet fra trinn a-c, er strømningshastigheten til de enkelte komponentene i fluidet bestemt, karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter å bestemme de fysiske egenskapene til minst en av komponentene i flerkomponentblandingen der e. en elektromagnetisk taps- eller fasemåling blir utført, f. en statistisk parameter knyttet til den elektromagnetiske målingen beregnes, g. den nevnte statistiske parameteren blir sammenlignet med en empirisk utledet terskelverdien tilsvarende verdien av den statistiske parameteren når bare en av komponentene til flerkomponentblandingen er til stede, og h. nevnte fysiske verdier til nevnte fluid blir bestemt hvis den statistiske parameteren overstiger terskelverdien for den nevnte komponenten og brukt i trinn b-d for å skaffe til veie en forbedret verdi av fraksjonene, hastigheten og strømningsraten til de enkelte komponentene i flerkomponentblandingen.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor den fysiske verdien er permittivitet.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor den fysiske verdien er tetthet.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor den fysiske verdien er en koeffisient for masseabsorpsjon.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor den målte fysiske verdien er massedemping.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor den målte fysiske verdien er ledningsevne.

7. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående kravene hvor hastigheten er målt basert på målinger av trykkfall over en restriksjon i røret.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, hvor en venturi (12) brukes til å gi trykkfall.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, hvor en V-kjegle brukes til å gi trykkfall.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, hvor et Dall rør brukes til å gi trykkfall.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, hvor en åpning brukes til å gi trykkfall.

12. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående krav 1-7, hvor krysskorrelasjonsteknikker brukes for å bestemme hastigheten til flerkomponentblandingen.

13. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående kravene, hvor den elektromagnetiske målingen er basert på måling av fase eller tap til en elektromagnetisk bølge sendt gjennom mediet i røret.

14. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående kravene, hvor den elektromagnetiske målingen er basert på måling av fase eller tap av en reflektert elektromagnetisk bølge inne i røret.

15. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående kravene, hvor den elektromagnetiske målingen er basert på måling av en resonansfrekvens i røret.

16. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående kravene, hvor den elektromagnetiske målingen er basert på måling av energitap og/eller faseskift av elektromagnetiske bølger som reflekteres fra mediet i røret.

17. Fremgangsmåte i henhold til hvilke som helst av de foregående kravene, hvor standardavviket brukes som statistisk parameter.

18. Apparat for å bestemme strømningshastighetene til et fluid bestående av en flerkomponentblanding av gass og minst en væske i et rør, apparatet består av en rørformet del (1) og følgende elementer: a) midler for fastsettelse av temperaturen og trykket på flerkomponentblandingen, b) middel for å måle minst to fysiske verdier til flerkomponentblandingen, c) midler for beregning av fraksjoner av de enkelte komponentene i flerkomponentblandingen basert på kunnskap om de nevnte fysiske egenskapene til de enkelte komponentene til flerkomponentblandingen, d) midler for å bestemme hastigheten til flerkomponentblandingen, e) midler for beregning av strømningshastigheten på de enkelte fraksjonene til flerkomponentblandingen, karakterisert vedmidler for å bestemme de fysiske verdiene til minst en av komponentene i flerkomponentblandingen, bestående av f) midler for å utføre en elektromagnetisk taps- eller fasemåling, g) midler for å beregne en statistisk parameter basert på en elektromagnetisk måling, h) midler for å sammenlikne den statistiske parameteren mot en empirisk bestemt terskelverdi, og i) midler for å måle en fysisk verdi til minst en av komponentene i flerkomponentblandingen.

19. Apparat ifølge krav 18, bestående av midler for overføring av elektromagnetisk energi i den rørformede delen og opptak av mottatt elektromagnetisk energi fra den rørformede delen (1).

20. Apparat ifølge krav 18 eller 19, som omfatter midler for å gi elektromagnetisk resonans i den rørformede delen (1).

21. Apparat i henhold til hvilke som helst av de foregående krav 18-20, bestående av midler for overføring av elektromagnetisk energi i den rørformede delen (1) og opptak av reflektert elektromagnetisk energi fra den rørformede delen (1).

22. Apparat i henhold til hvilke som helst av kravene 18-21, bestående av midler for måling av nevnte hastighet i en trang passasje til den rørformede delen (1).

23. Apparat i henhold til hvilke som helst av kravene 18-22, hvor en venturi (12) brukes til å fastslå nevnte hastighet.

24. Apparat i henhold til hvilke som helst av kravene 18-22, hvor en V-kjegle brukes til å fastslå nevnte hastighet.

25. Apparat i henhold til hvilke som helst av kravene 18-21 bestående av midler for måling av nevnte hastighet ved å krysskorrelere målinger utført i to tverrsnitt av den rørformede delen (1).

26. Apparat i henhold til hvilke som helst av kravene 18-25, bestående av en radioaktiv kilde (15), og en fotondetektor (16) for måling av fysiske verdier av flerkomponentblandingen.

27. Apparat i henhold til hvilke som helst av kravene 18-25, som består av flere trykkfallsmålinger for måling av fysiske verdier til flerkomponentblandingen.

28. Apparat i henhold til hvilke som helst av kravene 18-25, bestående av en kombinasjon av en trykkfallsenhet og krysskorrelasjon av hastigheten til enheten for måling av fysiske verdier til flerkomponentblandingen.