JP3631233B2 - 多相流体及び湿潤気体を測定するためのメーター - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
油井から出てきたばかりの炭化水素流体は、気体炭化水素、液体炭化水素及び水の混合物である。流体が気体相と液体相とで構成されていることを意味するいわゆる２相状態にあるこれら炭化水素燃料を計測することが必要とされている。液体相は、一般的には油と水の２つ又はそれ以上の成分で構成されていることが多い。液体の量に対して気体の量が多い場合、多相油井流体はしばしば湿潤気体と呼ばれる。
【０００２】
（従来技術）
現在でも、多相流れを測定するための方法と装置は知られている。例えば、ＷＯ９９／５６０９１は、パイプラインに沿って流れる液体と気体の混合物の中の気体の割合を測定する方法を開示している。この方法は、気体と液体の均一な混合物を作るためのフローコンディショナーと、フローコンディショナーの下流に配置されるベンチュリ管とを提供する段階を含んでいる。２つの流れ要素の前後で及び／又は２つの流れ要素の間の点における差圧を測定することによって、液体と気体の流れの中の気体の割合を求めることができる。
【０００３】
（発明の概要）
本発明の第１の態様によれば、直列の少なくとも３つの流れ要素を備えた多相流体を測定するためのメーターが提供されている。３つの要素の中の第１の要素は、中を通過する流体を混合するよう配置されているのが望ましく、第２及び第３の要素は、差圧ベースの流量測定装置であるのが望ましい。第２及び第３の要素は、満足できる程度の混合を実現できる既存の第１の要素の後に設けられている。差圧ベースの流量測定装置は、互いに独立した測定値を提供するよう構成されているのが望ましい。各流れ要素は、その長さに沿って、或る形態の圧力降下を作り出す。第１及び第３の要素は、１つ又は複数の内側突起物により形成された内側形状を有するのが望ましく、第２の要素はベンチュリ管を含んでいるのが望ましい。
【０００４】
本発明の第１の態様の好適な実施例は、圧力又は差圧の測定値を使って、気体及び液体の流量に関して非常に正確で安定した測定値を提供できるようになっている。気体空隙率が中程度、高い、及び非常に高い場合にでも、正確で安定した測定が維持される。
【０００５】
本発明の第２の態様によれば、中に少なくとも２つの突起物を有するコンジットを備えた流れ要素が提供されている。流れ要素は、実質的に互いに反対側の内側表面から内向きに突出する２つの突起物を有しているのが望ましい。この突起物は、コンジットの軸方向長さに沿って互い違いに配置されるのが望ましい。このような流れ要素は、中を通過する流体を十分に混合して均一な混合物を形成する。差圧は、流れ要素の前後で測定される。
【０００６】
（好適な実施例の詳細な説明）
以下、本発明の各態様を、添付図面を参考にしながら実施例を挙げて更に詳細に説明する。
本発明を示す流量測定装置の例を図１に示す。この装置は、実質的に円筒形の３つの流れ要素（１、２、３）が、この事例ではフランジ（５、６）により直列に連結され構成されている。第１要素（１）内には、穴の軸に向けて突き出している２つのウェッジ（８、９）がある。各ウェッジ（８、９）は、穴に対して斜めに向き、概ねメーター（３１）の上流端に向いている第１表面（１０、１３）と、穴の軸と並行に走っている第２表面（１１、１４）と、穴に対して斜めに向き、概ねメーター（３２）の下流端に向いている第３表面（１２、１５）とを有している。所与のウェッジ（８、９）は、実質的に半円筒形の外周面を有しており、その湾曲部分は、穴の円筒形内壁に沿っている。この例では、２つのウェッジ（８、９）は、上流ウェッジ（８）が円筒形の穴の頂部にあり、下流ウェッジ（９）が穴の底部にあるように互い違いに配置されている。下流ウェッジ（９）の上流側面（１３）と上流ウェッジ（８）の下流側面（１２）との間には間隙があり、ウェッジが、全体として流れを妨害することなく穴の断面の５０％以上突出できるようになっている。
【０００７】
第２要素（２）は周知のベンチュリ管である。この要素は実質的に円筒形であり、集束部分（１６）と、「スロート」部分（１７）と、広がり部分（１８）で構成されている。集束部分（１６）の上流側の圧力タッピング（１９）と、スロート部分（１７）内の別の圧力タッピング（２０）により、差圧測定（ＤＰ１）を行うことができる。
【０００８】
メーターの第３要素（３）は、第１要素（１）と同じ設計で、２つのウェッジ（２１、２２）を備えている。各ウェッジ（２１、２２）は、穴に対して斜めに向き、概ねメーター（３１）の上流端に向いている第１表面（２３、２６）と、穴の軸と並行に走っている第２表面（２４、２７）と、穴に対して斜めに向き、概ねメーター（３２）の下流端に向いている第３表面（２５、２８）とを有している。所与のウェッジ（２１、２２）は、実質的に半円筒形の外周面を有しており、その湾曲部分は、穴の円筒形の内壁に沿っている。この例では、２つのウェッジ（２１、２２）は、上流ウェッジ（２１）が円筒形穴の頂部にあり、下流ウェッジ（２２）が穴の底部あるように互い違いに配置されている。下流ウェッジ（２２）の上流側面（２６）と上流ウェッジ（２１）の下流側面（２５）との間には間隙があり、ウェッジが、全体として流れを妨害することなく穴の断面の５０％以上突出できるようになっている。要素（３）は、２つのタッピングが本体（２９、３０）内に作られ、１つのタッピング（２９）は上流ウェッジ（２１）の前に、１つのタッピング（３０）は下流ウェッジ（２２）の後に配置されているという点で要素１（１）と異なっている。これらのタッピング（２９、３０）を使って、メーターの要素（３）の前後で差圧測定（ＤＰ２）を容易に行うことができる。
【０００９】
本例では、全てのタッピング（１９、２０、２９、３０）が実質的に最上位置に配置されており、圧力測定装置（ＤＰ１、ＤＰ２、３４）へと垂直上方向に向いている。３つの流れ要素（１、２、３）から構成されるメーターは、通常はフランジ（４、７）を使ってパイプラインに接続されており、流れの方向は、上流端（３１）から下流端（３２）へ向かっている。メーターは、先ず水平位置に配置しなければならない。上流圧力（３４）は、流体温度の読み（３５）と共に測定しなければならない。
【００１０】
差圧、上流圧及び温度の測定値（ＤＰ１、ＤＰ２、３４、３５）は、気体及び液体の流れと、恐らくは流量と処理条件に関する表示も含めて計算するためのアルゴリズムを有する処理要素（３３）にフィードバックされる。これらのアルゴリズムについては後に説明する。代わりに、処理要素（３３）は、ルックアップテーブルを利用して測定値から気体と液体の流量を求めることもできる。
【００１１】
流れ要素１（１）の役割は、混ぜ合わせることである。気体の含有割合が高い多相流れでは、一般的に、気体は液体よりもかなり高速でパイプの中心に沿って流れ、液体は壁に付着しがちである。或いは、一般的に、液体の大部分は、液体の上方に位置する気体よりもかなり遅い速度でパイプの底部に沿って流れる。原位置速度（ｉｎ−ｓｉｔｕ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ）間の差は、しばしばスリップと呼ばれる。流れ要素１（１）のウェッジ（８、９）は、液体を壁又はパイプの底部から引き離して気体の流れの中に入り込ませる。これによって、メーターの第２及び第３流れ要素２及び３（２、３）の性能にとって重要な混合状態が作り出される。
【００１２】
メーターの第２及び第３流れ要素（２、３）は、差圧ベースの流量測定装置である。これら２つの差圧要素の構造は、独立した測定値を提供できるようになっていることが重要である。これは、液体が存在している場合、各要素が異なるように挙動しなければならないことを意味している。
【００１３】
気体及び液体の流量は、以下の方法で導き出すことができる。
先ず、質量流量は、単一相の乾燥気体条件を仮定して、第２及び第３要素から測定される。

Ｃは流量係数、ｄは実効絞り直径、ΔΡは差圧、ρは気体密度、βはパイプ直径に対するｄの割合であり、下付き数字ａ及びｂはそれぞれ要素２及び３を示している。
【００１４】
流体ストリーム内に液体が存在する場合、実測流量Ｑ_ｍａ、Ｑ_ｍｂは、真の気体質量流量Ｑ_ｇｃよりも大きくなる。この過剰な読みは、下記のマルティネリパラメータＸ：

に関連していると考えられ、ここに、ｘは気体の質量割合であり、蒸気に関連する場合はしばしばクオリティと呼ばれ、ρは密度であり、下付き文字ｇとｌは、それぞれ気体と液体を示す。
【００１５】
過剰読みとマルティネリパラメータとの間の関係は、以下のように表される。

【００１６】
定数Ｍに関して２つのＤＰ要素（２、３）の間に十分な区別があるとすれば、Ｑ_ｍ及びｘとＱ_ｇｃとの関係を示す、下記の２つの独立した式が存在する。

気体の質量割合又はクオリティｘの解は、以下の式で与えられ：

ここに、

は、単一相気体流れを想定して測定された流量の比であり、

は、気体対液体の密度比の平方根である。
【００１７】
クオリティ、即ち気体質量割合が確認できたら、下記のようにして、気体質量流量を計算することができる。

【００１８】
最後に、気体質量流量及び気体質量割合は分かっているので、液体質量流量は以下のように計算できる。

【００１９】
上流の混合流れ要素（１）及び第３流れ要素（３）の形状は、液体及び気体両方を正確に測定するための重要な因子である。第１要素（１）上流ミキサーは、マルティネリパラメータと両ＤＰ要素（２、３）に関して過剰読み取りされる特定のメーター要素との間の予測可能な関係を維持するという点で、特に重要である。第３要素（３）の独特な内側形状は、この関係を確実に第２要素（２）と異なるようにしており、気体質量割合の式の満足な解が得られるようにしている。
【００２０】
第１要素は、流れを完全に混ぜ、均一化する。図１に示す例は、特別に開発された内側二重ウェッジ形状を備えた第１要素を示している。しかし、どの様な流れミキサー又は流れ均一化器でも、例えばミキサープレートのようなものでも、第１要素に適している。第２及び第３要素は、それぞれの前後で測定された、差圧測定値を有している。第２及び第３要素は、流体が存在すると違ったように挙動して液体の流れに対し互いに実質的に異なる関係を作り出すので、独立した差圧測定値が提供される。これは、第２及び第３流れ要素が、そこを流れる流体に対して異なる形状を呈することによって実現される。図１の例は、第２要素がベンチュリ管で、第３要素が二重ウェッジ形状である例を示している。しかし、中を流れる流体に対して異なる形状を呈し、従って独立した差圧測定値が得られるような２つの要素であれば、どの様なものでもこれに適している。例えば、上記のベンチュリ管及び二重ウェッジと同様に、ベンチュリ管又は二重ウェッジの何れかの替わりに、図２に示すようなスロット要素を用いることもできる。スロットは、メータースプールと同じ直径の中実バー（１００）材料内に機械加工されたものである。機械加工されたスロット（１０１）は、同心曲面の上面及び底面と、各側に並行な垂直面とを備えている矩形又はＯ字型の対称な断面を有し、バー（１００）を軸方向に貫いて走っている。更に、２つの差圧測定要素は、どの様な順序でもよい。
【００２１】
２相又は多相流れの流路に関する既存の設備がブラインドＴ設備のような混合を提供することのできる要素を有している場合、本発明は、それぞれを通る流体の差圧を測定する手段を有している２つの流れ要素を、前記混合要素の下流に組み込むことによって具現化することができる。
【００２２】
この独特な装置を用いれば、９１％から９９．５％までの様々な気体空隙率において、気体及び液体の両方に関して非常に正確で安定した測定値を得ることのできることが実証されており、更に、もっと広範囲の気体割合に対しても適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】２相又は多相の流体を測定するためのメーターを概略的に示している。
【図２】流れ要素の１つとして用いられるスロット要素を示している。

Claims (18)

1. ２相又は多相の流体の気体質量流量及び合計液体質量流量を測定するためのメーターにおいて、中を通過する流体を混合又は均一化するために配置されている第１流れ要素と、この第１流れ要素の下流に位置するよう配置され、中を通過する流体を混合又は均一化する第２流れ要素及び第３流れ要素と、を有し、前記第２流れ要素及び前記第３流れ要素は、各々、中を通過する流体の流れパターンを変える手段と、その要素を通過する流体の差圧を表示する手段と、を有していることを特徴とするメーター。
2. 使用に際しては、前記第２流れ要素は、前記第１流れ要素の下流に配置され、前記第３流れ要素は、前記第２流れ要素の下流に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のメーター。
3. 前記第２及び第３流れ要素は異なる内部形状を有し、それにより、中を通過する流体の流れパターンを異なる仕方で変える、請求項１又は２に記載のメーター。
4. 独立した差圧測定値が、前記第２及び第３流れ要素によって提供されることを特徴とする、請求項３に記載のメーター。
5. 前記第２及び第３流れ要素はそれぞれ、中を通過する流体に圧力降下を作り出すように配置されていることを特徴とする、請求項３又は４に記載のメーター。
6. 前記流れ要素の内の少なくとも１つは、１つ又はそれ以上の内側突起物を有するコンジットを備えていることを特徴とする、請求項１から５の何れか１項に記載のメーター。
7. 前記コンジットは、前記コンジットの内側面の実質的に互いに反対側の点から内方向に突出する２つの突起物を有していることを特徴とする、請求項６に記載のメーター。
8. 前記突起物は、前記コンジットの軸方向長さに沿って互い違いに配置されていることを特徴とする、請求項７に記載のメーター。
9. 前記第１流れ要素と、前記第２及び第３流れ要素の内の一方とは、それぞれが１つ又はそれ以上の内側突起物を有しているコンジットを備えており、前記第２及び第３流れ要素の他方は、ベンチュリ管を備えていることを特徴とする、請求項６から８の何れか１項に記載のメーター。
10. 前記第２及び第３流れ要素のそれぞれを通過する流体の差圧測定値を示す信号を受信し、前記受信した信号に基づいて前記気体質量流量及び合計液体質量流量を求めるように配置されている処理要素を含んでいることを特徴とする、請求項１から９の何れか１項に記載のメーター。
11. 前記メーターを通過する流体の上流圧を測定するために圧力センサーが設けられており、前記処理要素は、前記圧力センサーからの圧力測定値を示す信号を受信し、それを使って前記流体の前記気体質量流量及び合計液体質量流量を求めるように配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載のメーター。
12. 前記メーターを通過する流体の温度を測定するために温度センサーが設けられており、前記処理要素は、前記温度センサーからの温度測定値を示す信号を受信し、それを使って前記流体の前記気体質量流量及び合計液体質量流量を求めるように配置されていることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のメーター。
13. 前記処理要素は、アルゴリズムを使って前記流体の前記気体質量流量及び合計液体質量流量を求めるように配置されていることを特徴とする、請求項１０から１２の何れか１項に記載のメーター。
14. 前記処理要素は、ルックアップテーブルを使って前記流体の前記気体質量流量及び合計液体質量流量を求めるように配置されていることを特徴とする、請求項１０から１２の何れか１項に記載のメーター。
15. ２相又は多相の流体の気体質量流量及び合計液体質量流量を測定する方法において、
    前記２相又は多相の流体を、流れ要素を通過させることによって、混合又は均一化する段階と、
    前記混合又は均一化された流体を、通過する流体の流れパターンを変化させる手段を含む第２流れ要素を通過させ、前記第２流れ要素の前後で差圧を測定する段階と、
    前記流体を、通過する流体の流れパターンを変化させる手段を含む第３流れ要素を通過させ、前記第３流れ要素の前後で差圧を測定する段階と、
    前記第２及び第３流れ要素の前後で測定された差圧を使って、前記通過させた流体の、前記気体質量流量と前記液体質量流量の何れか又は両方を求める段階と、
    を備えていることを特徴とする方法。
16. 前記第２及び第３流れ要素は、それぞれが異なる内部形状を有し、それにより、異なる仕方で中を流れる流体の流れパターンを変化させる、請求項１５に記載の方法。
17. 前記差圧測定流れ要素のそれぞれによって、独立した差圧測定値が提供されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第２及び第３流れ要素のそれぞれは、中を通過する流体に圧力降下を作り出すように配置されていることを特徴とする、請求項１５から１７の何れか１項に記載の方法。

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