JP3654964B2 - 多相流量測定 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は同一容積内に含まれる多相媒体を構成する異なった相の比率と性質を決定することの出来る方法ならびにその装置に関する。各相はこれらを識別することが出来る本質的な特徴を少なくとも1つ有するものとする。
【0002】
本発明は各々がその性質によって許容値を有し少なくとも許容値のうちの2つで各相を識別することが出来る複数の相を含む多相流体を構成する各々の相の比率を決定するために特に好適である。
【0003】
本発明は、水様相、有機物相、気相などの原油流体を構成する各相の占有率又は比率の決定に、また流体が循環する導管内の一定断面について流体の成分表の作成に、有利に応用されるがこれに限定されるものではない。
【0004】
原油流体は例えば砂粒子や水和物の結晶、アスファルト又はその他の異質物等の固体相も含むことがある。
【0005】
油井出口で同時に測定した原油流体の各相の各々の量の情報と特に水、油、気体の正確な流量の情報が各々の油井の制御と安全性のために特に必要とされ、また開発において原油流体を精製および/または処理施設へ輸送する回収システムの建設及び保護にも必要である。
【0006】
別の応用例は各相を分離することなく原油の多相流体の輸送に関するもので、最適運転速度が流体の組成に、より特定すれば液相の平均流速及びガス/液相の容量比に完全に依存し得るようなポンプ装置を使用する。
【0007】
多相流体又は原油流体の流れは急速に変化する多様な相の態様を示し、この種の流れに特に好適な迅速測定装置ならびにその方法が必要とされる。
【0008】
本発明は非侵襲的な方法で多相媒体を構成する識別可能かつ混合しない相の比率ならびに割合を知ることが有用な全ての他の分野にも応用し得るものである。
【0009】
さらに異なる性質を有する複数の相を含むことがあり少なくとも1つのパラメータで相互に識別可能な多相媒体中の1つの相の比率を得ようとする場合にも応用できる。
【0010】
【従来技術】
低周波電気の分野ですでに実用化され多相媒体の容量又は導電率の測定により媒体の分布図を作成することの出来る装置がすでに公知となっている。しかしこの種の装置は、媒体の導電率、電極間の短絡、場合によっては内壁面の酸化膜の形成、濡れやすさの問題など幾多の不便を有しており、産業的応用において望まれる測定の信頼性と簡便性を損なうことがある。
【0011】
ガンマ線又はエックス線を用いた装置は電磁波を使用する装置より感度的に劣り実用化するには更に鈍い方法であることが分っている。
【0012】
核磁気共鳴を使用するその他の装置も考えられる。このような装置は水や油の比率や流速とは無関係に測定を実施できる可能性を提供するが、同時に取り扱いの難しさ、重量、応答時間の問題があり石油業界の制約にはそぐわない装置となっている。
【0013】
本発明の出願人によるフランス特許第FR−2,647,549号では導管内を流れる多相流体に含まれる各相(水、油、又は気体)の各々の平均比率を求めるためにマイクロ波ビームを使用する装置ならびにその方法が開示されている。
【0014】
米国特許第4,812,739号及び米国特許第4,820,970号の開示により、多相流体の1つの相の共鳴周波数付近でマイクロ波ビーム周波数を変化させ流体を横断した波の減衰を測定することでこの相の比率を決定することが周知となっているが、この流体内に含まれる全ての相の比率を再現するものではない。
【0015】
更に、上記2つの特許では多相流体の組成変化に特に時間的な流体の誘電率変化に完全に適合したマイクロ波送信及び受信装置を説明していない。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は前述の欠点を克服した多相流体の各相の比率を決定するための方法ならびにその装置を提供し、この分野の装置の測定精度を改善することである。本発明は特に正確に多相流体に含まれる各々の相の性質及び比率を、特に操作員を危険にさらすことなく例えば導管内を流れる原油型流体に含まれる各相の比率を測定できる。
【0017】
特殊アンテナの使用により、組成が時間と共に変化する多相流体の分析を行うことができ、該変化は誘電率などの1つのパラメータにより識別することができる。
【0018】
更にリアルタイムで迅速に測定を行うことが可能である。即ち測定時間が多相媒体の構造の空間的時間的変化又は不安定性に対して小さい。
【0019】
以下の説明において、「アンテナを適合させる」という表現はアンテナから多相媒体への電磁場の放射を最適化することを表わしている。
【0020】
また、「多素子アンテナ」は複数素子を含むアンテナを表すために使用する。
【0021】
本発明は少なくとも1つの液相と少なくとも1つの気相を含む多相媒体の一部を構成する少なくとも1つの相の比率を決定することの出来る方法に関し、前記各相はこれを識別することの出来る少なくとも1つの特性を示すものとする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、
a)多相媒体に第1の放射源から周波数feを有する電磁場を放射する段階と、
b)前記多相媒体に対して固定された少なくとも1つの高さPiで、前記多相媒体を横断した電磁場の振幅Aeiと相偏移Pheiの値を測定する段階と、
c)段階b)で得られた振幅と相偏移の測定値と、処理手段に予め記憶させておいたデータと、関連する周波数の値とから、少なくとも1つの高さPiで、液相および/または気相の各々の比率を推定する段階と、
により決まる測定周期を少なくとも含むことを特徴とする。
【0023】
【作用】
電磁場の周波数値feをfe+1に変化させて段階a)からc)を反復させることが可能である。
【0024】
マイクロ波で異なる相を弁別する特性は誘電率で有り得る。
【0025】
多相媒体は一定の断面の導管内を流れるので、段階a)からc)を含む測定周期を1回又は複数回、複数の場所で実行することが可能で、ここから電磁場の方向により決まる導管の断面及びマイクロ波ビームの伝播方向と平行ではない方向を有する導管の側面の1つでの少なくとも1つの相の分類及び比率を推定することが出来る。
【0026】
複数の素子からなる送信アンテナと複数の素子を含む受信アンテナを用い、送信アンテナの全ての素子から多相媒体に放射を行って段階a)を行い、次に受信アンテナの全ての素子を走査することで段階b)を実行し、段階a)と段階b)とをかわるがわる実行することが出来る。
【0027】
複数の素子からなる送信アンテナと複数の素子を含む受信アンテナを用い、送信アンテナの1つの素子から多相媒体に放射を行って段階a)を行い、次に受信アンテナの対応する1つの素子を走査することで段階b)を実行し、送信アンテナと受信アンテナの全ての素子に対してこの操作を反復することが可能である。
【0028】
複数の素子からなる送信アンテナと複数の素子を含む受信アンテナを用い、送信アンテナの1つの素子から多相媒体に放射を行って段階a)を行い、次に受信アンテナの全ての素子を走査することで段階b)を実行し、段階a)と段階b)とをかわるがわる実行することが可能である。
【0029】
各相の性質と比率が既知の多相流体から段階c)の予め記憶させておくデータを決定することが出来る。
【0030】
周波数値が2ないし8GHzの範囲に含まれることが望ましいマイクロ波ビームを多相媒体に放射することが可能である。
【0031】
電磁場を用いておよび/または超音波を用いて多相媒体に放射を行いドップラー効果によって多相媒体に含まれる液相および/または気相および/または固体相等の少なくとも1つの相の速度を測定し、各相または相の各々の流量を求めることが出来る。
【0032】
本発明はまた既知の断面積の導管内を流れ少なくとも1つの液相と少なくとも1つの気相とから構成される多相媒体内に含まれる少なくとも1つの相の比率を決定するための装置に関し、該装置は組み合わせにおいて少なくともマイクロ波ビームなどの電磁場の放射手段と、少なくとも前記多相媒体を横断した電磁場の受信手段と、前記多相媒体を横断した電磁場の振幅と相偏移の測定値から前記導管の所定断面積あたりの液相および/または気相の占有率を直接求めることの出来る処理制御手段とを含む。
【0033】
送信及び受信手段は複数の放射素子を含む広帯域アンテナとすることが出来、前記素子は第1の材質で相互に隔離されており、前記装置は導管のマイクロ波透過性窓と前記アンテナの間に配置した第2の材質(c)を含み、前記第1と第2の材質は多相媒体に対する相対的誘電率変化に前記アンテナを対応させられるような誘電性を有する。
【0034】
第1の材質はエポキシ樹脂また第2の材質は少なくとも100℃に等しい温度と少なくとも100barまでの圧力変化に耐えられるようなセラミック材とすることが出来る。
【0035】
本装置は前記多相媒体の少なくとも1つの相の速度を測定することの出来る装置を含むことがある。
【0036】
本発明の方法ならびにその装置の応用は原油流体を構成する各相の比率の決定に関する。
【0037】
更に本発明は従来技術で一般に用いられてきた方法に対して数多くの利点を提供する。例えば、マイクロ波の放射は操作員の危険なしに使用でき、ガンマ線、エックス線、又は中性子放射を行う装置と比べて装置の操作に少ない人員しか必要としない。更に、本装置で実現されている部材は製油業の分野で使用される装置に要求される可搬性を満たすような重量と寸法を備えている。
【0038】
例えば数ミリメートル未満の波長のマイクロ波放射を用いることで異なった相同士の混合比率の正確な画像が得られ、測定精度を向上させることが出来る。各相の性質と量の決定は異なる周波数値での測定を行うことで改善される。
【0039】
更に、一般的に使用される周波数範囲を用いるため装置の価格を安価に抑えられる。
【0040】
本装置の提供する別の利点は多相流体の構造の時間的変動即ち誘電性物質の成分変動に対応した特殊アンテナの使用による。アンテナは流体が窓などのマイクロ波透過性の導管壁を通過する際の見かけの損失を最小限に抑えるように構成されている。
【0041】
また、同期検出装置の使用により測定精度が向上する。
【0042】
更に、本発明の装置は例えば原油流体の性質に由来する化学的浸蝕などの装置が接触する多相流体に由来する損耗に対して抵抗性がある。
【0043】
本発明はこれを制限するものではない添付の図面に図示した実施例についての説明からより良く理解されまた利点も明らかとなろう。
【0044】
【実施例】
以下に説明する実施例は導管内を流れる多相原油流体を構成する各相の比率を検出することが出来る。識別するまた比率を知りたい各相は例えば水又は塩水などの水様相と、油などの有機物相と、メタンを主成分とする気相とからなりこれらの相対的誘電率は各々6〜100、2〜3、約1程度である。水と油又は気体の間の誘電率の相違は非常に大きいが気体と油の間の誘電率の差は比較的小さい。
【0045】
塩水は例えば1リットルあたり0〜300g望ましくは0〜100gの塩類を含む水である。
【0046】
流体は例えば固体粒子の形状を成すような例えば砂粒子や水和物等の固体相を含むことがある。
【0047】
以下に示す実施例では、複数の相からなる例えば多相流体などの中を伝播する際に電磁エネルギービーム又は電磁場例えばマイクロ波などが各相の性質の差に由来する誘電率又は導電性の値の差をなす不連続面に衝突した際に少なくとも一部が反射され拡散されることを利用するものである。
【0048】
マイクロ波ビームが遭遇した不連続性又は不均一性により反射されることによるビームの大きさと相偏移の値を測定することでデータテーブルを作成し、異なる相の性質を検出しまた多相流体中に含まれる各相の比率を決定する。
【0049】
有利にも、電磁ビームはエネルギーが数ミリワット程度と小さい。
【0050】
各相の速度測定は多相流体内に含まれる各相の占有率の測定と組み合わせることで各相の容積率の値を導出することが出来る。
【0051】
図1A、図1Bに図示した装置は、多相流体例えば水又は塩水と油と気体とを含む原油流体などの多相流体が循環する測定導管1を含む。導管1は後述する測定に必要な装置に設けた方形の形状の測定素子を相互に結合した複数の素子を含む。流体は導管3から導入し、円筒形の断面から方形断面への流れの通過を最小限の攪乱で行うのに適した形状を有する第1の連結部材4を通り、さらに変形の際に発生した乱流を抑制するための抑制部材5を通過する。測定部材2と流体排出導管7の間の通路は測定部材2から流体排出導管7の形状に流れを適合させる役割を有する第2の連結部材6を介在させる。各々の部材2、3、4、5、6、7は例えば各々の部材の間の気密性確保が主要な目的で製油業の分野で一般に使用されるフランジ8などにより連結される。
【0052】
有利にも、測定部材の方形の形状は流れる多相流体の大部分を相流にする傾向にあり、このような流れは流体の相の各々1つで構成される複数の相を形成する。このような流れの相により測定が容易になり、その結果作図が容易に行えるようになる。
【0053】
さらに、測定部材2は例えば測定導管の入り口に配置した温度センサーCtと圧力センサーCpなどのセンサーを設けてある。これらのセンサーは誤差の補正を行うためのデータを収集する熱力学的条件を測定する。
【0054】
図1Bに図示した装置は多相流体を構成する各々の相を定性定量するため即ち性質と比率を知るための測定系C1を含む。
【0055】
本装置は、
−例えばマイクロ波供給源10と、例えば複数の素子12iで構成された送信アンテナ(図2A、図2B参照)に同一振幅同一相のビームを伝送してアンテナ12の全ての素子12iがほぼ等しく均一な電磁場を放射できるようにするための装置11、送信アンテナ12とほぼ整列させて配置したマイクロ波透過性の窓13を含むマイクロ波ビームなどの電磁場の放射ブロックを含む。供給源10で精製されたマイクロ波ビームは窓13を通して多相流体に放射され、次に原油流体内を通過しここで原油流体に含まれる不均一性のため一部が拡散される。窓13と同一種類の窓13' の後ろに配置した受信ブロック15は散乱されることなく流体を通過した初期電磁場と流体内に含まれる不純物又は不均一性により拡散された電磁場の一部とからなる電磁場を受信する。受信ブロックは、例えば複数のアンテナ素子14i(図2A、図2B参照)を含む受信アンテナ14と、アンテナの後方に配置してあり各々のアンテナ素子14iで受信した電磁場を表す信号を供給するための装置16とを含む。
【0056】
送信アンテナ12と受信アンテナ14は例えば1ないし10GHz望ましくは2ないし8GHzの周波数範囲で作動する半固定円筒状の導波管により各々装置11と16に結合される。
【0057】
装置16は各々のアンテナ素子14iを走査するため装置16に含まれる整流子(図示していない)を制御するマルチプレクサ17と通常の電気的結合22を介して復調装置に結合した処理制御装置21へ低周波信号を供給するのに適した既知の種類の復調装置18へ結合してある。装置21から供給される各々のアンテナ14iの走査周波数は望ましくは多相流体の流れの速度より十分に高速となるように選択する。
【0058】
処理制御装置21は光カプラー結合によりモジュール18に結合することが出来る。
【0059】
装置21は例えばデータを受信してこれを処理する能力を有するマイクロコントローラとすることが出来る。装置21は前述の装置の大半とマイクロ波放射源を制御して本発明による方法の計測シーケンスを調整する。
【0060】
有利にも、復調装置18は信号対雑音比(S/N比)を改善するため同期検出装置を含むことが出来る。この場合、マルチプレクサ17は使用する信号を変調するための信号を供給する信号生成回路を含むことが出来る。
【0061】
望ましくは窓13、13’を使用する周波数において減衰率が小さくあらゆる侵襲特に原油流体の化学的侵食からアンテナを保護するのに適した材質から作成する。透明窓13はメタンとH2 S(硫化水素)に対して抵抗性の良好なPVDFで作成することが出来る。
【0062】
測定導管に対して処理系全体を折り曲げられるような電気的物理的特性の可撓性ケーブルを用いてマイクロコントローラ21を他の部材に結合することも可能である。このようにすると各相の分布の画像をマイクロコントローラのモニタ上で利用者に提供することが簡単に出来る。
【0063】
図1B、図2B、図3に関連して説明した電気回路及びコンピュータの制御の実施例は例えば次のような段階を含む:
−マイクロコントローラ21が送信動作を開始し
−同時に放射アンテナ12の各々のアンテナ12iへ周波数Feを有するマイクロ波ビームを発生させるマイクロ波放射源10への送信命令を送り、
−その直後に受信アンテナの素子14iを走査するために装置16の整流子を起動するように例えば200KHzに等しく選択した周波数でマルチプレクサ17へ信号を供給し、
−復調装置18が放射源からの基準信号も受信する。
【0064】
基準信号と受信アンテナ14の素子14iから受信した信号に基づいて、復調装置18はアンテナ素子14iから受信した散乱電磁場の振幅Aeiと同じ素子から受信した散乱電磁場の相偏移PHeiの値に対応する2つの低周波信号を生成する。これらの値はマイクロ波供給源の周波数の値Feから得られる。
【0065】
アンテナの各々の素子14iは例えば高さPiで測定系の高さに位置を揃え、例えば散乱された電磁場の値AeiとPHeiが関連する即ちこの高さに対応する相の性質と量が関連する測定系の内部に向けて取り付ける。
【0066】
アンテナ14iで受信した散乱電磁場を表わす2つの信号AeiとPHeiはマイクロコントローラへ送信され、ここでFeを放射周波数とする値の組み合わせ[(Aei,PHei,Pi)Fe]を含むデータテーブルの形状で記憶する。
【0067】
測定精度を向上させるためには、複数の周波数の値Feについて振幅と相偏移の値を測定することが可能である。この場合、前述したような周波数Feでの測定周期の最後に、マイクロコントローラが周波数の値を新しい値Fe+1に変更して測定周期を再開し、新しいデータA(e+1)i,PH(e+1)iの測定と記憶を高さPiの全てのアンテナ素子について繰り返す。
【0068】
気体、油、水の3つの相の識別を最適化することの出来る望ましい周波数帯域は実験により求めることが出来た。
【0069】
望ましくは次の4つの周波数帯域で実施する:
−帯域1=2.1GHz〜2.4GHz
−帯域2=2.6GHz〜3.15GHz
−帯域3=3.7GHz〜4GHz
−帯域4=6.1GHz〜6.3GHz
【0070】
これら4つの周波数帯域の中から、次のように4つの値を選択するのが望ましい:
F1≒2.6GHz、F2≒3GHz、F3≒3.8GHz、F4≒6.1GHz
【0071】
上記のように選択した周波数の値では、
−実質的に3つの相の1つで導管が完全に満たされている場合、振幅と位相についてほぼ均一な受信アンテナの応答が得られる、
−2.6GHzにほぼ等しく選択した周波数は塩類濃度が高い流体に特に適合している。このような流体では信号の減衰が非常に大きいので、低い周波数を用いて雑音を抑えることが望ましい。
−周波数F1はさらに気相と油相の2つの相の振幅の識別が行える、
−周波数F2、F3、F4は全ての相について均一な応答を得ることが出来る。
【0072】
例えばデータはデジタル化した点の行列の形状を成すことが出来る。
【0073】
センサーCp、Ctで測定した温度値と圧力値を考慮するような適切なソフトウェアを用いて、マイクロコントローラでデータ処理を行い、データから流体内に存在する各々の相の比率を推定する。この比率は導管内においてアンテナ素子14iの大きさにほぼ等しい高さと、導管の深さにほぼ等しい大きさをを有するスライスについて求めることが出来る。この処理は後述するように別の方法で行うことも可能である。
【0074】
*前述のように記憶させることで得られたデータテーブルと予備試験において得られたデータテーブルから測定データと予め得ているデータテーブルとの比較を行って側面Piに対応する相の性質と量を推定する段階を処理に含むことが出来る。
【0075】
*別の実施例において、処理は例えば測定したヒストグラムから決定した閾値と周波数の関数として得られた信号の大きさと位相の変動の動向の規則性を用いて各々の相の性質と比率を推定する。
【0076】
大きさと位相についての閾値は試験において実施したリストグラムの積分値の10%と90%で計算する。
【0077】
*ニューラルネットワークを使用するデータ分類法を実施することも可能である。
【0078】
*相分布の画像はマイクロ波の伝播方向での各相の分布についての情報を得るため受信アンテナの全ての素子14iから得られた信号の分析を行うことによって得ることが出来る。これは測定導管の深さおよび導管の高さにしたがって相の分布を決定することに対応する。受信した信号全ての振幅と位相を分析し、例えばトモグラフィーのアルゴリズムを適用する。
【0079】
*原油流体について行った実験は層流構造を有する油と水と気体の相を含む即ち各々の相が密度にしたがって配置された導管内の相の形状を成しており、以下の表にまとめたように大きさと位相を決定するための上下の閾値を得ることが出来た。
【0080】
【表1】
【0081】
予め記憶させてあるデータは既知の組成の流体と一定の圧力温度状態から得ることが出来る。
【0082】
有利にも、本発明の範囲を逸脱することなく、例えば次の方法を実行することで測定精度を改善することが可能である:送信アンテナの素子12iを作動させ同時に対応する受信アンテナの素子14iを走査する。送信及び受信アンテナの全ての素子の組み合わせ(12i、14i)について同様の走査を繰り返す。
【0083】
また次のような方法を用いることも出来る:電磁場を放射する送信アンテナの素子12iを作動させ、受信アンテナの全ての素子又は一部の素子14iを走査して散乱信号を測定する。アンテナ素子14iについて全てを1度に又は1つづつ順次走査することが出来る。
【0084】
このようにして物理現象を表わす補助的な情報を得ることが出来、これによって、例えば適切な処理アルゴリズムを用い、例えば画像化することで得られた各相についてのより正確な量を決定することが出来る。
【0085】
図2Aと図2Bは本発明による装置で使用するアンテナの詳細図と測定導管に対する配置を示す。アンテナの構成並びにアンテナを実現する材質の選択により望ましくは2〜8GHzの広い周波数帯域で機能させることが出来るようになる。
【0086】
アンテナは例えば1〜300の間望ましくは1〜100の間で誘電率の値が比較的変動する原油流体に適している。
【0087】
図2Aと図2Bに図示したアンテナ12、14は相互に並置してありエポキシ樹脂など素子同士を連結子例えば100bを超える比較的高い圧力と少なくとも100℃に等しい比較的高温に素子が耐えられるようにするための材料rで隔離した32個の素子12iと32個の素子14iを含む。この樹脂の誘電率の値はほぼ4に等しく、CIBA社から発売されている市販のCW191BO/HY2954BD型の樹脂とすることが出来る。
【0088】
送信アンテナ12の放射表面はマイクロ波透過性窓に密着させそのアンテナ素子12i全てから放射表面の前面においてほぼ均一で同相のマイクロ波を放射する。
【0089】
アンテナ12と窓13の間にセラミックなどたとえば2から8GHzの間で変化することのあるマイクロ波ビームのエネルギーと位相の伝送を最適化するようにまた原油流体内に最大限の透過が得られるように選択した部材を配置することが出来る。
【0090】
有利にも、セラミックは原油流体の相対透過率の最大値と最小値の関数として選択される相対透過率がほぼ30に等しい値を有している。
【0091】
図示していない別の実施態様において、アンテナ12と14は例えばサティモ(SATIMO)社のフランス特許第FR−2,635,187号に開示されているような線形素子で構成される。この素子は多素子アンテナについて前述したような基準に合わせて材質を選択したマイクロストリップ状のアンテナプレートに固定する。
【0092】
図2Aと図2Bに図示した多素子アンテナ12、14は前述の線型素子を含むアンテナに比べて感度が高い。送信及び受信アンテナの素子12i、14iの間隔又は距離は例えば装置において得られる空間解像度即ち不均一性によって散乱される電磁場の測定点の間の距離にしたがって設定する。
【0093】
別の実施例において、本発明による装置では導管内を流れる各々の相についての流速を求めることが出来る。
【0094】
速度測定のために設けた測定系C2(図1B参照)は測定装置を有利に補完することが出来る。例えば測定系は各相の定量的測定系C1の後方に配置することが出来る。
【0095】
測定系C2は例えばビーム放射装置23と、多相流体を横断したマイクロ波の受信装置24とを含み、受信装置24はマイクロコントローラ21に接続してある信号処理装置25に接続する。素子は電気的結合22と同一の電気的結合で接続する。
【0096】
受信装置24と信号処理装置25は例えば本発明の出願人のフランス特許出願第FR−94/08380号に記載されている装置と類似の装置とし、例えば測定導管の高さで導管内を流れる多相流体についての速度範囲を実現することが出来る。
【0097】
更に別の実施の方法は適切な装置を用いて当業者に周知のようにドップラー効果による速度測定を行うことである。
【0098】
ビームの放射装置はマイクロ波などの電磁波又は超音波などの圧力波の放射源を含むことが出来る。
【0099】
このような測定系C2は導管のある点における速度の値を正確に決定することが出来る。この情報をマイクロコントローラに転送して信号処理の段階で積分し例えば図1A、図1B、図3に関連して説明したような方法の各段階にしたがって性質を特定した1つの相に1つの速度値を対応させるようにする。相の速度値と性質から、適切な論理モデルを使って、多相流体の1つの相について導管の複数の点での流量を決定することが出来る。
【0100】
これに関連した密度測定は各相の各々の流量の値を補完することが出来る。
【0101】
本発明の有利な態様において、原油流体の相の各々について速度測定を行い各々の相についての流量の正確な値を得るようにする。
【0102】
図4に関連して説明する好適な実施態様において、測定導管内を循環する流体の各相の分布の表示を行うためと同時に各々の相について放射のドップラー効果による速度測定を行うために単一の測定系を使用する。
【0103】
図4に図示した装置は図1Bに図示した装置とは、特に図1Bの測定系C1の部材の配置と構成が異なる。実際に、マイクロ波ビームの放射に必要な全ての部材(9、10、11、12、13)を含む測定系C1の送信部分は測定導管の一側面に配置してあり信号の受信に必要な部材(13’14、15、16)を含む部分は測定導管の他方の速面に配置しドップラー信号を得るために放射部分に対してずらしてある。マルチプレクサ17と復調装置18は結合22により図1Bについて説明したのと同様にマイクロコントローラ21へ結合する。
【0104】
多相流体の各相の速度の表示と測定を実現する方法は信号処理で前述した実現方法の1つとは異なっている。
【0105】
マイクロコントローラ21は該分野の当業者には周知の信号のスペクトル分析例えばドップラースペクトルの分析を行い測定導管の高さで得られた速度プロフィールから水、油、気体の各相の速度を決定するため復調装置18からの信号の処理を行う更なる段階を実行する。導管の断面のある場所について1つの相の性質と量およびその相に関連する速度が分ると、適切なソフトウェアを用いて導管の複数の場所又は領域での流体の各相についての流量を決定することが出来る。
【0106】
この実施態様は1つの相の量と速度を検出し流量を推定するために単一の測定モジュール又は測定系を使用していることから特に有利である。
【0107】
図5に図示した別の実施態様では、例えば第1の測定系C1(図1B参照)の後方に配置した第2の測定系を用いて多相流体の速度プロフィールを測定するために反射ドップラー効果を用いる。
【0108】
測定系C2は放射及び受信手段31例えば図1B、図2A、図2Bを参照して説明したアンテナと構造及び性質が同一のアンテナを含み、この多素子アンテナ31は送信ならびに受信が出来るという利点を提供する。
【0109】
この場合、ドップラー効果は送受信アンテナ31を一定の角度例えば測定導管2に対して30°程度傾斜させることで得られる。
【0110】
第2の放射源10’はマルチプレクサ30と装置32を介して送受信アンテナ31に結合させ、該回路は特に送受信アンテナ31の素子31iに放射源10’からのマイクロ波信号とまた検出処理回路へこのアンテナの素子で受信した拡散信号とを恒久的に伝送する役割を有する。
【0111】
マイクロコントローラ21は、各々の相の量の測定系又は表示系C1と速度又は速度範囲測定系C2’を例えばシーケンス制御する。特に測定系C2’の段階でマイクロ波の放射時刻と送受信アンテナ31の素子31iの多重化を制御する。
【0112】
マイクロコントローラ21は処理モジュール33から出力された信号のスペクトル分析も行って導管の高さにおける速度プロフィールを検出しまた多相流体の1つの相に関連する速度値を得る。適切なソフトウェアにより、例えば、ドップラースペクトルから原油多相流体の速度に直接的に比例するドップラー周波数を求めることが出来る。
【0113】
図6に図示した装置は測定部材2に図面においてC1とC1”でそれぞれ図示したC1(図1B)同様の2つの測定系をまとめてある。第1の測定系C1は図1Bと同様に多相流体の表示を行うことを目的としている。第2の測定系C1’の受信アンテナ14’は送信アンテナ12’に対して測定導管の軸にそってずらし多相流体の速度又は速度プロフィールを測定するように成してある。2つの測定系は相の量とその速度を表す測定値を得るために互いに十分に接近して配置する。この装置の変形の実施は図6に関して説明したことと同一であるが、伝送ドップラー効果を用いる第2の測定系から受信した信号の処理が異なる。
【0114】
送信装置、受信装置、復調装置、マルチプレクサ、マイクロコントローラは図1Bに図示した装置と同一である。
【0115】
本発明の範囲を逸脱することなく、測定部材2は距離d(図面上には図示していない)だけ離してC1の形式の2つの測定系を備えることが出来る。
【0116】
第1の測定系は所定の時刻tにおける流れの表示を行い、第2の測定系は所定の時刻t+δtでの流れの表示を行う。ここでδtは流れの速さと距離dの関数である。第1の測定系および第2の測定系のアンテナ素子から受信した信号の古典的相互相関法により流体の各々の相の速度と比率を確定することが出来る。
【0117】
測定部材2は有利にもチューブ24などの外部侵襲から部材を保護し石油業界の安全基準に装置を良く適合させるような気密性の保護外套を設けてある。
【0118】
測定導管1は原油流体により侵されないような材質特に硫化水素により腐食しないような材質で実施するのが望ましい。図面には図示していないが内部および/または上部に配置してアンテナ部材の寄生放射を減少させ測定精度ならびにテーブルのデータから得られる導管の内部及び上部のデジタル化画像の品質を向上させることの出来るような高周波を吸収する材質を含むことが出来る。
【0119】
周波数可変の供給源を所定のマイクロ波の周波数で放射し数マイクロ秒程度で1つの周波数から別の周波数へ切り換えることの出来る適当な装置を介してマイクロコントローラへ接続した複数の供給源に置き換えた場合にも本発明の範囲から逸脱するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による装置の斜視図とその原理の略図である。
【図2】アンテナとその配置の詳細図である。
【図3】本発明による信号の制御処理装置を構成する部材の構成の実施例である。
【図4】各相の量と速度を検出するための単一測定系を含む実施態様を示す。
【図5】第1の測定系の前にドップラー効果による速度測定系を配置した別の実施例である。
【図6】1つの相の量と速度を検出するためにマイクロ波を使用する2つの測定系を含む実施態様を示す。
【符号の説明】
1 導管
2 測定部材
3 導管
4 連結部材
5 抑制部材
9 放射ブロック
10 マイクロ波供給源
12 アンテナ
13 窓
13’ 窓
14 受信アンテナ
15 受信ブロック
16 信号供給装置
17 マルチプレクサ
18 復調装置
21 処理制御装置(マイクロコントローラ)
22 電気的結合
23 放射装置
24 受信装置
25 信号処理装置
30 マルチプレクサ
31 送受信アンテナ
32 回路
33 処理装置
C1 測定系
C2 測定系
Claims (15)
- 少なくとも1つの液相と少なくとも1つの気相とを含む多相媒体の一部を構成する少なくとも1つの相の比率を測定するための方法であって、前記各相はこれらを識別し得る少なくとも1つの特徴を有し、
a)前記多相媒体に、第1の周波数値(fe)を有する第1の放射供給源からの電磁場を放射する段階と、
b)前記多相媒体に対して固定された少なくとも1つの高さ(Pi)で、前記多相媒体を通過した前記電磁場の振幅(Aei)と相偏移(Phei)の値を測定する段階と、
c)前記電磁場の周波数値を前記第1の周波数値(fe)から第2の周波数値(fe+1)に変化させ、前記段階a)からc)を反復する段階と、
d)前記段階b)及びc)で得られた振幅と相偏移の測定値を処理手段に予め記憶させてあるデータと比較することにより、及びこれに関連する周波数値とから、少なくとも1つの高さ(Pi)で、前記液相及び/又は前記気相の各々の比率を推定する段階と
からなる少なくとも1つの測定周期を含むことを特徴とする方法。 - 電磁場で前記各相を識別する前記特徴が誘電率であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記多相媒体は所定の断面の導管内を流れ、前記段階a)からd)を含む測定周期を1回又は複数回複数の点で実施し、これから前記電磁場の方向により決まる前記導管の断面と前記電磁場の方向に平行ではない方向を有する導管の側面の1つとにおける少なくとも1つの相の分布と比率を推定することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 複数の素子(12i)からなる送信アンテナ(12)と複数の素子(14i)からなる受信アンテナ(14)とを用い、前記送信アンテナ(12)の全ての前記素子(12i)から前記多相媒体に放射を行って前記段階a)を実施し、次いで、前記受信アンテナ(14)の全ての前記素子(14i)を走査して前記段階b)を実施し、前記段階a)と前記段階b)とをかわるがわる実施することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 複数の素子(12i)からなる送信アンテナと複数の素子(14i)からなる受信アンテナを用い、前記送信アンテナ(12)の1つの素子(12i)から前記多相媒体に放射を行って前記段階a)を実施し、次いで、前記受信アンテナの対応する素子(14i)を走査して前記段階b)を実施し、さらに前記アンテナの全ての素子(12i)と(14i)についてこの操作を反復することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 複数の素子(12i)からなる送信アンテナと複数の素子(14i)からなる受信アンテナとを用い、前記送信アンテナ(12)の1つの素子(12i)から前記多相媒体に放射を行って前記段階a)を実施し、次いで、前記受信アンテナ(14)の全ての前記素子(14i)を順次走査して前記段階b)を実施し、前記段階a)と前記段階b)とをかわるがわる実施することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 各相の性質と比率が既知の多相流体から前記段階d)の予め記憶させておいたデータを決定することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 2ないし8GHzの間に含まれる周波数値を有するマイクロ波ビームを前記多相媒体に放射することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 電磁場および/または超音波を用いて前記多相媒体に放射を行いドップラー効果により前記多相媒体に含まれる液相および/または気相および/または固体相などの少なくとも1つの相の速度を測定して前記相又は相の各々の流量を決定することを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 少なくとも1つの液相と少なくとも1つの気相とから構成され既知の断面積の導管内を流れる多相媒体に含まれる少なくとも1つの相の比率を測定するための装置であって、少なくとも異なる周波数の少なくとも2つの電磁場の放射手段と、少なくとも前記多相媒体を横断した前記電磁場の受信手段(14)と、前記2つの電磁場の周 波数をしんしゃくして、前記多相媒体を横断した前記2つの電磁場の振幅と相偏移の測定値を予め記憶させてあるデータと比較することにより、前記導管の所定の断面積あたりの前記液相及び/又は前記気相の占有率を直接的に求めることが出来る処理制御手段(21)とを、組み合わせにおいて含むことを特徴とする装置。
- 送信手段(12)と前記受信手段(14)は複数の素子を含む広帯域アンテナであり、前記素子はエポキシ樹脂(r)でお互いから隔離されており、前記装置は前記アンテナ(12、14)と前記導管のマイクロ波透過性窓(13、13’)との間に配置したセラミック(c)を含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記第1の部材はエポキシ樹脂であって前記第2の部材はセラミックであり温度(T)と圧力(P)の各々100℃と100bar程度の高い値に耐え得るように成してあることを特徴とする請求項11に記載の装置。
- 前記多相媒体の少なくとも1つの相の速度を測定することが出来る装置を含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記多相媒体は原油流体である請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記多相媒体は原油流体である請求項10から請求項13のいずれか1項に記載の装置。
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