DE69213301T2

DE69213301T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften einer Mehrphasenströmung

Info

Publication number: DE69213301T2
Application number: DE69213301T
Authority: DE
Inventors: Boer Johannis Josephus Den
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1991-04-26
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-04-24
Also published as: MY110440A; EP0510774A3; OA09541A; EP0510774B1; DE69213301D1; NO921568L; US5287752A; EP0510774A2; NO921568D0; CA2066894A1; NO317859B1; CA2066894C; GB9109074D0; DK0510774T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Gas- und Flüssigkeitsdurchsätze und/oder des Wassergehalts von durch eine Rohrleitung aus einem Bohrloch strömende Mehrphasengemische aus Öl, Wasser und Gas.
Bei der herkömmlichen Mehrphasendurchflußmessung werden die Phase in einer Rohrleitung in Prüfseparatoren voneinander getrennt. Prüfseparatoren sind aber zu teuer für den Einbau eines solchen in jedes Bohrloch. Üblicherweise wird bei jeder Förderstation ein Prüfseparator eingebaut, und die Förderung jedes Bohrlochs erfolgt dann über den Separator, wenn man die Messung der Bohrlochliefermenge für unbedingt notwendig hält. In der Praxis bedeutet das, daß die Strömung aus jedem Bohrloch nur einmal im Monat gemessen wird, und auch dann nur einen Tag lang. Auch sind Prüfseparatoren mit einer Reihe von Problemen behaftet: sie sind manchmal schwer zu steuern, die Drosselung ist begrenzt, sie sind sperrig und sind unter Umständen nicht repräsentativ, da sie den Durchsatz nur während eines Teils der Förderzeit eines Bohrlochs prüfen. Bei an der Grenze der Wirtschaftlichkeit liegenden Feldern kann durch die Kosten derartiger Separatoren die Entwicklung sogar unrentabel werden, 80 daß man sie wegläßt und die tatsächlichen Bohrlochlieferleistungen nicht mißt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten Messung des Durchsatzes jeder Komponente in einem gemeinsam in einer Rohrleitung fließenden Öl-Wasser-Gas-Gemisch bereitzustellen, ohne daß die Phasen getrennt werden müssen.
Auch ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Lösung für das Mehrphasenmeßproblem zu liefern und eine wirtschaftliche Vorgehensweise zur Erzielung einer kontinuierlichen Messung der Förderung aus einem einzigen Bohrloch bereitzustellen.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mehrphasenmessung in einer Rohrleitung bereitzustellen, das bzw. die auf Dauer in einzelnen Abflußleitungen oder in einem örtlichen Prüfsammler durchgeführt oder eingebaut werden können, wodurch sich lange und teure Prüfleitungen zu Satellitenbohrlöchern erübrigen.
Bereitgestellt wird von der Erfindung daher ein Verfahren zur Bestimmung der Flüssigkeits- und Gasdurchsätze und/oder des Wassergehalts von auf unstetige Weise durch eine waagrechte oder geneigte Rohrleitung fließenden mehrphasigen Gemischen aus Öl, Wasser und Gas, das die folgenden Schritte beinhaltet:
a) die Anbringung eines Paars von unbeweglichen parallelen Platten innerhalb der Rohrleitung in einer Linie mit der Strömung, wobei die Platten im wesentlichen senkrecht angeordnet sind und mindestens eine der Platten mehrere in Segmente geteilte Elektroden aufweist, wobei die Segmente einer Elektrode untereinander angeordnet sind und so eine nxm-Matrix aus n Spalten und m Zeilen von Kondensatorplatten bilden, wobei n,m = 2,3...., und die andere Platte des Paars mindestens eine kontinuierliche Elektrode aufweist, so angeordnet, daß jedes Segment jeder Elektrode auf der ersten Platte und die Elektrode auf der zweiten Platte einen kapazitiven Sensor bilden, der ein mit dem jeweils dazwischen befindlichen Gemisch aus Öl, Wasser und Gas in Zusammenhang stehendes Signal abgibt;
b) Messung mittels Impedanz des Niveaus der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche in der Rohrleitung und des Gasanteus über den gesamten Querschnitt der Rohrleitung, wobei diese Messung aus einer einzigen Spalte von Sensoren erhalten wird;
c) kontinuierliche Messung der Strömungsmustergeschwindigkeit durch Bestimmung der Zeit des Durchgangs von Störungen innerhalb der Strömungsmuster zwischen auf einer selben Zeile nahe dem oberen Ende der Rohrleitung angeordneten Matrixsegmenten;
d) kontinuierliche Messung der Flüssigphasengeschwindigkeit zwischen auf dem gleichen Niveau oder der gleichen Zeile angeordneten Matrixsegmenten durch Kreuzkorrelation der Impedanzvariationen zwischen denselben; sowie
e) die Ableitung der Durchsätze sowohl der Flüssigkeit als auch des Gases aus den vorstehenden Meßgrößen.
Vorteilhafterweise beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren den zusätzlichen Schritt der Messung des Wassergehalts in dem mit Flüssigkeit gefüllten Teil der Rohrleitung durch Berechnung der Dielektrizitätskonstante des Fluids zwischen den Platten aus der Kapazitätsmessung.
Bereitgestellt wird durch die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Flüssigkeits- und Gasdurchsätze und des Wassergehalts von auf unstetige Weise durch eine waagrechte oder geneigte Rohrleitung fließenden mehrphasigen Gemischen aus Öl, Wasser und Gas, gekennzeichnet durch ein Paar von unbeweglichen parallelen Platten innerhalb der Rohrleitung in einer Linie mit der Strömung, wobei die Platten im wesentlichen senkrecht angeordnet sind und mindestens eine der Platten mehrere in Segmente geteilte Elektroden aufweist, wobei die Segmente einer Elektrode untereinander angeordnet sind und so eine nxm Matrix aus n Spalten und m Zeilen von Kondensatorplatten bilden, wobei (n,m = 2,3....), und die andere Platte des Paars mindestens eine kontinuierliche Elektrode aufweist, so angeordnet, daß jedes Segment jeder Elektrode auf der ersten Platte und die Elektrode auf der zweiten Platte einen kapazitiven Sensor bilden, der ein mit dem jeweils dazwischen befindlichen Gemisch aus Öl, Wasser und Gas in Zusammenhang stehendes Signal abgibt; sowie Einrichtungen, gestaltet zur:
- Messung mittels Impedanzmessung des Niveaus der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche in der Rohrleitung und des Gasanteils über den gesamten Querschnitt der Rohrleitung aus einer einzigen Spalte von Sensoren;
- kontinuierliche Messung der Strömungsmustergeschwindigkeit durch Bestimmung der Zeit des Durchgangs von Störungen innerhalb der Strömungsmuster zwischen auf einer selben Zeile nahe dem oberen Ende der Rohrleitung angeordneten Matrixsegmenten; - kontinuierliche Messung der Flüssigphasengeschwindigkeit zwischen auf dem gleichen Niveau oder der gleichen Zeile angeordneten Matrixsegmenten durch Korrelation der Impedanzvariationen zwischen denselben;
- Messung des Wassergehalts im mit Flüssigkeit gefüllten Teil der Rohrleitung durch Berechnung der Dielektrizitätskonstante des Fluids zwischen den Platten aus der Impedanzmessung; sowie
- die Ableitung der Durchsätze sowohl der Flüssigkeit als auch des Gases aus den vorstehenden Meßgrößen.
Das Erfindungsprinzip beruht darauf, daß während einer Mehrphasenströmung in einer Rohrleitung die Verteilung der Flüssigkeits- und Gasphasen über die Rohrleitung nicht homogen ist; selbst bei konstantem Flüssigkeits- und Gasdurchsatz unterliegt sie zeitlichen Veränderungen.
Bei unterschiedlichen Durchsätzen ändert sich die Verteilung erheblich, und man kann verschiedene Strömungsarten identifizieren. Mehrphasenströmung bezieht sich auf die Strömung sowohl einer Gas- als auch einer Flüssigphase durch ein Rohr, wobei die Flüssigphase gleichzeitig aus zwei Komponenten, Öl und Wasser, besteht.
Dazu ist zu bemerken, daß aus US-Patent Nr. 3 580 072 die Verwendung einer einzigen Kapazitäts- Wassergehaltsonde innerhalb einer Rohölförderleitung bekannt ist, wobei die von der Sonde erfaßte Kapazität mit einer Standardkapazität verglichen und so ein Signal erzeugt wird, dessen Amplitude proportional dem Wassergehalt in dem an der Sonde vorbeifließenden Öl ist.
Außerdem ist dazu zu bemerken, daß aus der Veröffentlichung in Sensors and Actuators, Band A 21, Nr. 1/3, Februar 1990, Lausanne CH, Seiten 115-122 von R W Time unter dem Titel "A field-focusing capacitance sensor for multiphase flow analysis" [Ein feldfokussierender Kapazitätssensor für Mehrphasenströmungsanalyse] die Verwendung von nicht hineinragenden Elektroden um eine Rohrleitung zur Überwachung des Flüssigkeitsanteils und der Strömungsart in derselben bekannt ist.
Es folgt nun eine nähere, beispielhafte Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen:
Figur 1 mehrere Strömungsmuster in einer Rohrleitung für waagrechte Mehrphasenströmung wiedergibt;
Figur 2 ein Modell eines unstetigen Strömens in einem waagrechten Rohr wiedergibt;
Figur 3 einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Mehrkapazitäts-Mehrphasen-Durchflußmeßgeräts wiedergibt;
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Mehrkapazitäts- Durchflußmeßgerätsensoraufbau wiedergibt;
Figur 5 das Betriebsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt;
Figuren 6a-e typische Signale aus dem erfindungsgemäßen Mehrkapazitäts-Durchflußmeßgerät wiedergeben; und
Figur 7 schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungssystems wiedergibt.
Aus Figur 1 ist die Darstellung einer Strömungsmusterkarte verschiedener Strömungsarten für eine waagrechte Mehrphasenströmung in einer Rohrleitung zu entnehmen.
Die waagrechte Achse verkörpert die Leerraumgasgeschwindigkeit in m/s, während die senkrechte Achse die Leerraumflüssigkeitsgeschwindigkeit in m/s verkörpert.
Die gestrichelten Linien verkörpern den Gasvolumenanteil (GVA) in Prozent.
Die schwarzen Abschnitte in einer Rohrleitung stellen Flüssigkeit dar, während die weißen Abschnitte in einer Rohrleitung Gas darstellen. In Figur 1 sind die folgenden Strömungsarten wiedergegeben: Blasenströmung, Pfropfenströmung, Schwallströmung, Ringströmung, geschichtete Strömung, wellenförmige Strömung und Nebel.
Typischerweise richtet sich die Beschreibung der Strömungsarten nach ihrem Erscheinungsbild in der Rohrleitung; die geschichtete Strömung weist zwei ausgeprägte Schichten auf, eine flüssige und eine gasförmige; bei der Schwallströmung ist der Querschnitt der Rohrleitung zuerst mit Gas, dann mit Flüssigkeit, dann mit Gas usw. gefüllt.
Bei den normalerweise in einer Rohrleitung anzutreffenden Strömungsarten handelt es sich um geschichtete Strömung, Schwall-, Pfropfen-, Blasen- und Ringströmung.
Figur 2 zeigt ein Modell einer unstetigen Strömung. Der Pfeil A verkörpert einen Film; der Pfeil B verkörpert einen Schwall, und der Pfeil C verkörpert ein Schwallelement.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeiten vorteilhafterweise bei unstetiger Strömung.
In der Praxis stellt dies keine Einschränkung dar, da bei fast allen praktischen Anwendungen das Gas und die Flüssigkeit unstetig strömen.
Erfindungsgemäß werden die Flüssigkeits und Gasdurchsätze durch kontinuierliche Messung sowohl der Flüssigkeit jeder Phase als auch der von jeder Phase eingenommenen Querschnittsflächen des Rohrs erfaßt.
Zuerst sei die Flüssigkeit besprochen. Dabei läßt sich der Gesamtdurchfluß über eine Zeit T einfach als
TO u(t)R(t)A dt (1)
ausdrücken, wobei
u(t) die Flüssigkeitsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt t bedeutet,
R (t) den Flüssigkeitsfüllmengenanteil zum Zeitpunkt t darstellt, d.h. den von Flüssigkeit eingenommenen Anteil der Querschnittsfläche des Rohrs, und
A die Querschnittsfläche des Rohrs darstellt.
Die Beschreibung der Schwallströmung gliedert sich normalerweise in zwei Teile, einen sich langsam fortbewegenden Flüssigkeitsfilm, der das Rohr nur teilweise ausfüllt, und einen sich rasch fortbewegenden Flüssigkeitsschwall, der das Rohr vollständig ausfüllt, aber nur eine kurze Zeit lang. Die Aufspaltung der Gleichung 1 in diese Teile und deren Betrachtung über die Wiederholungsperiode des Schwalls ergibt den Flüssigkeitsdurchsatz, Q&sub1;
wobei Ts die für den Durchgang des Schwalls erforderliche Zeit bedeutet und
Tf die für den Durchgang des Films erforderliche Zeit bedeutet.
Die Lösung des Integrals ergibt zwei Teile, einen für den Film und einen für den Schwall
Q&sub1; - (usTsRs + ufTfRf) A/Ts + Tf (3)
wobei us die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Schwall bedeutet,
Rs die Flüssigkeitsfüllmenge im Schwall bedeutet,
uf die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Film bedeutet und
Rf die Flüssigkeitsfüllmenge im Film bedeutet.
Die Messung aller dieser Parameter erfolgt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das Gas wird zwischen den Schwallen im Gebiet über dem Flüssigkeitsfilm und im Schwall als in der Flüssigkeit mitgerissene Gasblasen transportiert. Ein ähnlicher Ansatz wie der für den Flüssigkeitsdurchsatz verwendete ergibt zwei Teile des Gasdurchsatzes, Qg:
Qg - (usTs(1 - Rs) + uTTf(1 - Rf)) A/Ts + Tf (4)
wobei uT die Schwallgeschwindigkeit bedeutet, d.h. die Geschwindigkeit, mit der der Schwall sich das Rohr entlang bewegt. Wiederum mißt die Erfindung alle diese Parameter.
Figur 3 gibt einen Aufbau des erfindungsgemäßen Mehrkapazitäts-Mehrphasen-Durchflußmeßgeräts wieder.
Die Meßstrecke 1 besteht aus einem zwei Platten 2, 3 in einer Linie mit der Strömung aufnehmenden Füllstück 5, wobei auf einer dieser Platten 2 eine Anzahl segmentierter Elektroden 4 eingeätzt ist, die eine nxm-Matrix aus Kondensatoren bildet (n,m = 1,2,3...., womit n Spalten und m Zeilen in der Matrix bezeichnet sind). Die Platte 3 ist mit mindestens einer zusammenhängenden Elektrode versehen (deutlichkeitshalber nicht dargestellt).
Gezeigt werden die Platten 2, 3 im aus dem Füllstück 5 herausgezogenen Zustand, während die gestrichelten Linien W die Lage der Platten 2, 3 im Füllstück 5 zeigen. Die Pfeile V verkörpern die Strömungsrichtung. Das Füllstück 5 ist mit Flanschen 6 zwecks entsprechender mechanischer Verbindung mit der Abflußleitung versehen.
Figur 4 zeigt weitere Einzelheiten des Sensoraufbaus der Figur 3.
In diesem Fall beträgt die Anzahl der Zeilen auf der ersten Platte 2 acht, während sich die Anzahl der Spalten auf der ersten Platte auf drei beläuft.
Auf der ersten Platte 2 sind drei senkrechte Spalten von Elektroden dargestellt, die drei Spalten zu acht Kondensatorplatten bilden.
Dazu ist aber zu bemerken, daß jede geeignete nxm-Matrix eingesetzt werden kann. Eine typische Anordnung ist in Figur 4 dargestellt, wo jede der acht Kondensatorplatten pro Spalte auf der ersten Platte 2 mit den durchgehenden Elektroden auf der anderen Platte 3 einen Kondensator bildet. Die von jedem Kondensator gemessene Impedanz ist eine Funktion der Dielektrizitätskonstante und der Leitfähigkeit des den Spalt zwischen seinen Elektroden ausfüllenden Fluids, und diese hängen wiederum vom tatsächlichen Gemisch aus Öl, Wasser und Gas im Spalt ab. Wird der Spalt von Wasser ausgefüllt, so ist die gemessene Kapazität klein und die Leitfähigkeit hoch. Mit zunehmender Ölmenge und der Bildung einer Öl-Wasser-Emulsion nimmt die Leitfähigkeit ab und steigt die Kapazität auf einen hohen Wert an. Öl allein ergibt eine niedrige Leitfähigkeit und eine Kapazität zwischen den Zahlen für Wasser und Emulsion. Gas allein ergibt eine niedrige Leitfähigkeit und eine Kapazität zwischen den Zahlen für Öl und Wasser. Als geeignete Abmessungen ergeben sich eine Höhe h von 10 cm, eine Breite b von 17 cm und ein Abstand d von 1 cm.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt die Breite b 4 cm, und es ist eine durchgehende Elektrode vorhanden, die alle Spalten der Segmente abdeckt. Der Verlauf der Dielektrizitätskonstante F ist schematisch in Figur 5 dargestellt, deren waagrechte Achse die Dielektrizitätskonstante verkörpert, während die senkrechte Achse die Höhe h verkörpert.
Bei den durch die Messungen mittels der Kondensatoren zugänglichen Grundparametern handelt es sich um das Niveau der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche im Rohr, den Gasanteil über das gesamte Rohr, die Geschwindigkeit der unstetigen Strömungen, die Geschwindigkeit der Flüssigphase und den Wassergehalt im mit Flüssigkeit gefüllten Teil des Rohrs. Das Flüssigkeitsniveau und den Gasanteil (sinnvoll bei Schwallströmung, Pfropfenströmung, Blasenströmung und geschichteter Strömung) erhält man aus einer einzigen Spalte von Kondensatoren durch Vergleich des Werts der gemessenen Impedanz mit dem für Gas zwischen den Platten zu erwartenden. Die unstetige Strömungsgeschwindigkeit ermittelt man durch Messung der Zeit für die Störungen innerhalb der unstetigen Strömungen zwischen Kondensatoren auf der gleichen Zeile nahe der Oberseite des Rohres, und die Flüssigkeitsgeschwindigkeiten mißt man zwischen Kondensatoren auf dem gleichen Niveau oder der gleichen Zeile durch Korrelation der Impedanzvariationen zwischen ihnen. Diese Variationen gehen auf die turbulente Natur der Mehrphasenströmung zurück, und die Korrelation mißt effektiv die für die Fortbewegung der Flüssigkeit von einem Kondensator zum nächsten erforderliche Zeit. Prinzipiell kann der Wassergehalt durch Berechnung der Dieelektrizitätskonstante des Fluids zwischen den Platten aus den Kapazitätsmessungen bestimmt werden - es besteht eine direkte Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstante eines Öl-Wasser-Gemischs und dem Verhältnis des Wassers im Öl. Alle Impedanzmessungen erfolgen kontinuierlich.
In Figur 5 stellen E, F, G und H jeweils das Fließen von Gas allein, Öl allein, Wasser-in-Öl-Emulsion (Wassergehalt weniger als 40%) und Öl-in-Wasser- Emulsion (Wassergehalt größer als 40%) dar.
Die Figuren 6a-6e zeigen eine typische Gruppe der zur Erzielung der Messungen des Niveaus (Figur 6a) und der Geschwindigkeit (Figuren 6b-e) beim Durchgang einiger weniger Schwalle verwendeten Signale. Auf der linken Seite der Figuren 6a-e ist die mit einer Meßstrecke 1 versehene Abflußleitung 5 dargestellt. Die Fließrichtung wird dabei durch den Pfeil V verkörpert.
In Figur 6a verkörpert die senkrechte Achse das Niveau (in cm), während die waagrechte Achse die Zeit (in Sekunden) verkörpert.
In Figur 6b-e verkörpern die senkrechten Achsen die Admittanz (in Volt), während die waagrechten Achsen die Zeit (in Sekunden) verkörpern.
Die physikalischen Messungen müssen die Daten für Gleichungen 3 und 4 liefern. Nochmals sei die Gleichung für die Flüssigkeitsströmung angeführt:
Q&sub1; = (usTsRs + ufTfRf) A/Ts + Tf (3)
Dabei sind die kontinuierlich zu messenden Parameter der von der Flüssigkeit eingenommene Querschnitt (Rs und Rf), die Geschwindigkeit, mit der sich die Flüssigkeit fortbewegt (us und uf), und ob sich ein Schwall vorbeibewegt oder nicht (Ts und Tf).
Zuerst sei die Flüssigkeitsfläche besprochen. Gemessen wird diese mit nur einer Spalte von Kondensatoren. Hierin liegt ein Unterschied gegenüber der herkömmlichen Grenzflächenmessung unter Verwendung von Kondensatoranordnungen, da es nicht hinreicht, nach einer einzigen Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zu suchen. Während des Durchtritts einer unstetigen Strömung, z.B. eines Schwalls, wird in der Flüssigkeit viel Gas mitgerissen, weshalb man ein Verfahren benötigt, mit dem das Istverhältnis von Flüssigkeit zu Gas auf dem Niveau jeder Platte gemessen wird. Das kann ganz leicht geschehen, wenn die Impedanz sowohl der Flüssigkeit als auch des Gases bekannt ist, es handelt sich einfach darum, die Messung mit den Vergleichswerten zu vergleichen und zu interpolieren und so das Verhältnis zu finden. Dabei ist die Gasimpedanz zwar konstant, doch wird durch Änderungen des Wassergehalts die Impedanz der Flüssigkeit erheblich verändert, was kompensiert werden muß. Es wurde von der Annahme ausgegangen, daß während einer langen Meßzeit, zum Beispiel 20 Sekunden, mindestens eine Platte vollständig mit Flüssigkeit bedeckt gewesen sein wird. Bei einer Emulsion aus Öl und externer Flüssigkeit liegt bei vollständiger Bedeckung einer Platte die gemessene Kapazität auf einem Maximalwert. Aus diesem Maximalwert berechnet man dann den Gasanteil bei jeder Platte. Ist die externe Phase Wasser, so weist die bedeckte Platte die größte Leitfähigkeit auf, und es kann dasselbe Prinzip angewendet werden.
Die Messung der Flüssigkeitsgeschwindigkeiten erfolgt durch Korrelation der Signale aus in derselben Zeile angeordneten Matrixsegmenten. Prinzipiell benötigt man die Geschwindigkeit bei jeder Kondensatorzeile, doch ist dies anscheinend für die zur überwachung der Bohrlochförderung erforderlichen, nur begrenzten Genauigkeit nicht erforderlich - eine einzige Zeile nahe der Unterseite des Rohrs ergibt eine hinreichend repräsentative Geschwindigkeit sowohl für die Flüssigfilmgeschwindigkeit (uf) als auch die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Schwall (us).
Die Durchtrittszeiten des Schwalls und des Films werden aus den Sensorplatten nahe der Oberseite des Rohrs bestimmt. Erreicht die Flüssigkeit die Oberseite des Rohrs, so fließt ein Schwall vorbei. Liegt die Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche unterhalb der Rohrscheitellinie, so fließt der Flüssigkeitsfilm vorbei.
Betrachtet man die Gleichung für die Gasströmung,
Qg = (usTs(1 = Rs) + uTTf(1 - Rf))A/Ts + Tf (4)
so benötigt man nur noch einen weiteren Parameter zur Messung der Gasströmung, nämlich die Schwalltranslationsgeschwindigkeit uT. Diese mißt man durch Messung des Zeitunterschiedes zwischen dem Eintreffen eines Schwalls bei der ersten Kondensatorspalte und einer der nachfolgenden Spalten.
Eine einfache schematische Darstellung des im Prototyp eingesetzten Meßelektronik- und Signalverarbeitungssystems gibt Figur 7. Aus allen Kondensatoren tritt das gleiche, an die durchgehenden Elektroden mittels eines Oszillators O angelegte Sinussignal aus. Jeder einzelne Kondensator ist dann über einen Ladungsverstärker 11 an zweiphasig empfindliche Detektoren 10 angeschlossen und liefert so Signale, die der Admittanz zwischen den Kondensatorplatten proportional sind. Ein Detektor gibt ein der Suszeptanz zwischen den Platten der Elektroden proportionales Signal und der andere ein der Leitfähigkeit proportionales Signal ab.
Danach erfolgt eine Weiterverarbeitung der Signale in einer zweckgebundenen Verarbeitungseinheit 12, was die zur Eingabe in das Strömungsmodell (Gleichungen 3 und 4) und für nachfolgende Berechnung der Flüssigkeits- und Gasdurchsätze erforderlichen Parameter ergibt.
In einer günstigeren Ausführungsform der Erfindung kommt eine 2x8-Matrix aus Kondensatorplatten zum Einsatz.
Für den Fachmann ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen verschiedene mögliche Abwandlungen der vorliegenden Erfindung. Derartige Abwandlungen seien in den Schutzbereich der Ansprüche aufgenommen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Flüssigkeits- und Gasdurchsätze und/oder des Wassergehalts von auf unstetige Weise durch eine waagrechte oder geneigte Rohrleitung fließenden mehrphasigen Gemischen aus Öl, Wasser und Gas, das die folgenden Schritte beinhaltet:

a) die Anbringung eines Paars von unbeweglichen parallelen Platten innerhalb der Rohrleitung in einer Linie mit der Strömung, wobei die Platten im wesentlichen senkrecht angeordnet sind und mindestens eine der Platten mehrere in Segmente geteilte Elektroden aufweist, wobei die Segmente einer Elektrode untereinander angeordnet sind und so eine nxm-Matrix aus n Spalten und m Zeilen von Kondensatorplatten bilden, wobei n,m = 2,3...., und die andere Platte des Paars mindestens eine kontinuierliche Elektrode aufweist, so angeordnet, daß jedes Segment jeder Elektrode auf der ersten Platte und die Elektrode auf der zweiten Platte einen kapazitiven Sensor bilden, der ein mit dem jeweils dazwischen befindlichen Gemisch aus Öl, Wasser und Gas in Zusammenhang stehendes Signal abgibt;

b) Messung mittels Impedanz des Niveaus der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche in der Rohrleitung und des Gasanteils über den gesamten Querschnitt der Rohrleitung, wobei diese Messung aus einer einzigen Spalte von Sensoren erhalten wird;

c) kontinuierliche Messung der Strömungsmustergeschwindigkeit durch Bestimmung der Zeit des Durchgangs von Störungen innerhalb der Strömungsmuster zwischen auf einer selben Zeile nahe dem oberen Ende der Rohrleitung angeordneten Matrixsegmenten;

d) kontinuierliche Messung der Flüssigphasengeschwindigkeit zwischen auf dem gleichen Niveau oder der gleichen Zeile angeordneten Matrixsegmenten durch Kreuzkorrelation der Impedanzvariationen zwischen denselben; sowie

e) die Ableitung der Durchsätze sowohl der Flüssigkeit als auch des Gases aus den vorstehenden Meßgrößen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt der Messung des Wassergehalts in dem mit Flüssigkeit gefüllten Teil der Rohrleitung durch Berechnung der Dielektrizitätskonstante des Fluids zwischen den Platten aus der Kapazitätsmessung beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gas- und Flüssigkeitsdurchsätze sowie der Wassergehalt aus durch die Matrix erzeugten Signalen abgeleitet werden.

4. Vorrichtung zur Bestimmung der Flüssigkeitsund Gasdurchsätze und/oder des Wassergehalts von auf unstetige Weise durch eine waagrechte oder geneigte Rohrleitung fließenden mehrphasigen Gemischen aus Öl, Wasser und Gas mit einem Paar von unbeweglichen parallelen Platten innerhalb der Rohrleitung in einer Linie mit der Strömung, wobei die Platten im wesentlichen senkrecht angeordnet sind und mindestens eine der Platten mehrere in Segmente geteilte Elektroden aufweist, wobei die Segmente einer Elektrode untereinander angeordnet sind und so eine nxm-Matrix aus n Spalten und m Zeilen von Kondensatorplatten bilden, wobei n,m = 2,3...., und die andere Platte des Paars mindestens eine kontinuierliche Elektrode aufweist, so angeordnet, daß jedes Segment jeder Elektrode auf der ersten Platte und die Elektrode auf der zweiten Platte einen kapazitiven Sensor bilden, der ein mit dem jeweils dazwischen befindlichen Gemisch aus Öl, Wasser und Gas in Zusammenhang stehendes Signal abgibt; sowie Einrichtungen, gestaltet zur:

- Messung mittels Impedanzmessung des Niveaus der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche in der Rohrleitung und des Gasanteils über den gesamten Querschnitt der Rohrleitung aus einer einzigen Spalte von Sensoren;

- kontinuierliche Messung der Strömungsmustergeschwindigkeit durch Bestimmung der Zeit des Durchgangs von Störungen innerhalb der Strömungsmuster zwischen auf einer selben Zeile nahe dem oberen Ende der Rohrleitung angeordneten Matrixsegmenten;

- kontinuierliche Messung der Flüssigphasengeschwindigkeit zwischen auf dem gleichen Niveau oder der gleichen Zeile angeordneten Matrixsegmenten durch Korrelation der Impedanzvariationen zwischen denselben;

- Messung des Wassergehalts im mit Flüssigkeit gefüllten Teil der Rohrleitung durch Berechnung der Dielektrizitätskonstante des Fluids zwischen den Platten aus der Impedanzmessung; sowie

- die Ableitung der Durchsätze sowohl der Flüssigkeit als auch des Gases aus den vorstehenden Meßgrößen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, in der aus den parallelen Platten, die aus nichtleitendem Material sind und in die mehrere Elektroden geätzt sind, eine regelmäßige Anordnung von kapazitiven Sensoren gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, in der die Matrix eine 2x8-Matrix bildet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, in der die Platten in einem Füllstück angeordnet sind, das an die Rohrleitung angeschlossen werden kann.