JP4890713B2 - 多相流れ測定システム - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、分離した相の多相混合物、例えば、油相、気相および水相を含む混合物を含む産出量の測定に用いられるシステムを含む流れ測定技術に関する。特に、当該システムは、多相混合物の各成分または相の産出量を測定するために２相分離器と組合わせてコリオリ流量計を用いる。
【０００２】
２．課題の記述
パイプラインを流れる物質が多相を含む場合がしばしばある。本文において用いられるように、用語「相」とは、他の物質と接触状態で存在し得る１つの種類の物質を指す。例えば、油と水の混合物は、分離した油相と分離した水相とを含む。同様に、油、気体および水の混合物は、分離した気相と分離した液相とを含み、分離した液相は油相と水相とを含む。用語「物質」は、本文においては、物質が気体と液体とを含むものとして用いられる。
【０００３】
組合わされた多相流れにおいて体積流量あるいは質量流量を測定するのに流量計を用いるとき、特別な問題が生じる。特に、流量計は、組合わされた流れの直接的な測定を提供するように設計されるが、この測定は各相の個別の測定へ直接的に分割できる訳ではない。この問題は、油および気体の生産井が未処理の油、気体および塩水を含む多相流れを生じる石油産業において特に深刻である。
【０００４】
石油産業においては、油井およびガス井からの流出物の油相、気相および水相の各々を分離するのに用いられる装備を設けることが一般的慣例である。この目的のため、油田あるいは油田の一部における生産井は、主産出分離器、油井試験分離器、パイプライン輸送アクセス、塩水処理井および安全制御用機器を含む産出設備をしばしば共有する。油および気体の産出現場の適正な管理は、油田からおよび該油田における個々の油井から産出される油、気体および水の各体積の知識を要求する。この知識は、油田の産出効率の改善ばかりでなく、大量生産の商業的販売からの収益の所有権の配分にも用いられる。
【０００５】
初期の分離設備の据付けは、大型でかさ高の容器タイプの分離装置の据付けを含んでいた。これら装置は、内部弁および堰（weir）組立体と共に、水平あるいは垂直の長大な圧力容器を有する。業界用語では、「２相」分離器は、油および水を含む液相から気相を分離するのに用いられる分離器を指す。２相分離器を用いても、分離した油成分と水成分から実際の産出条件下で直接的な体積測定が可能になることはない。これは、油と水の組合わされた成分が実際には組合わされた液体流れから分けられるものではないからである。「３相」分離器は、液相から気相を分離し、液相を油相と水相とへ分離するのに用いられる。２相分離器と比較して、３相分離器は、更に多くの弁組立体および堰組立体を必要とし、典型的には、産出物質の油成分、気体成分および水成分への重力分離のため産出物の一層長い滞留時間を許容するよう体積が大きくなる。
【０００６】
旧型の圧力容器分離器はかさ高であり、比較的大きな表面積を占有する。この表面積は極めて制約的であり、沖合生産プラットフォームおよび海底仕上げテンプレートを含む或る設備においては極めて高価である。表面積が制限される場所で用いられるコンパクトなパッケージにおいて多相測定能力を提供する幾つかの開発努力が試みられた。これらのパッケージは、典型的には、多相流れ測定値を取得するのに核技術を用いることを必要とする。
【０００７】
コリオリ流量計は、振動管型密度計としても用いることができる質量流量計である。各相の密度は、特定の相に対する質量流量を体積測定値へ変換するために用いられる。組合わされた全体の流れにおける油、気体および水の個々の質量百分率を識別するためにコリオリ流量計を用いるとき、多くの困難が存在する。
【０００８】
米国特許第５，０２９，４８２号は、気体および液体の各成分の既知の質量百分率を持つ気体および液体の組合わされた流れをコリオリ流量計に流すことにより得られる、経験的に導出される相関関係を用いることを教示している。経験的に導出された相関関係は、合計質量流量の直接的なコリオリ測定に基いて、気体および液体の百分率が未知である、気体と液体との組合わされた流れにおける気体の百分率と液体の百分率とを計算するために用いられる。油井からの流体混合物の組成は、貯留岩の圧力低下につれて、圧力、体積および温度の現象に基いて時間と共に変化し得、その結果、密度値を検証し直す必要が常に存在する。
【０００９】
米国特許第４，７７３，２５７号は、測定される総合質量流量を水分に対して調整することにより、油および水の全体の流れにおける水の割合を計算することができること、および、油相および水相の密度で各相に対する質量流量を割ることにより、各相の対応する質量流量を体積値へ変換することができることを教示している。各相の密度は、実際の研究室の測定から決定されなければならない。米国特許第４，７７３，２５７号は、液体全体から気体を分離する分離装置に依存しており、このような分離は完全なものであると仮定される。
【００１０】
米国特許第５，６５４，５０２号は、研究室の密度測定とは対照的に、油および水の各密度測定値を取得するため分離器を用いる自己校正型コリオリ流量計について記載している。油の密度測定値は、含水率モニタまたはプローブによって測定される水分について補正される。米国特許第５，６５４，５０２号は、コリオリ流量計を通過する流体から気体を除去するための分離器に依存しており、気体がコリオリ流量計へ適用される流れの一部であるときの多相流の測定を提供する機構を教示してはいない。
【００１１】
３相分離装置は、水相からの油相の完全な分離を必ずしも提供するわけではない。分離された油相における水分の測定のために含水率プローブが用いられるのは、典型的には約１０パーセント以下の残留水分が、見た目には分離された油分に残るからである。用語「含水率」は、多相混合物の水分を記述するのに用いられ、油と水の混合物における油の体積と水の体積との間の関係を表わす比率に対して適用されることが多い。用語「含水率」の最も一般的な用法によれば、油と水との合計１００バーレルの液体のうち水が９５を占めるとき、油井の産出流体は９５％の含水率を有することになる。用語「含水率」は、産出される水の総体積に対する油の総産出体積の比率を示すのにも時には用いられる。用語「含油率（oil cut）」は、油と水の組合わされた体積で割った油の体積を意味する。ここで定義されたように、用語「含水率」は、水と油を含む全液体混合物の百分率として水または油を表わす値と数学的に等価な任意の値を包含する。
【００１２】
気体が流れの一部であるときにも、また、コンパクトなパッケージが流体に対する直接的な測定を行うのに核技術の使用を必要としない場合にも、多相流れの測定を行うためにコンパクトなパッケージを提供する必要が依然として存続する。従って、本発明の特徴は、気体と液体の混合物を有する系、または、液体の混合物を含む液体系において、これらの混合物が混和性であるか非混和性であるかに拘わらず、多相流れ測定を行うことが可能な方法および装置を提供することである。
【００１３】
解決手段
本発明は、相成分の密度を決定するために産出物質のマニュアルによるサンプリングあるいは研究室の分析を必要としない、完全に自動化されたコリオリ流量計型油井試験システムを提供することにより、先に概要を述べた課題を克服する。更に、この試験システムは、低圧力における溶解気体の解放から生じる体積測定誤差を除去する。
【００１４】
本発明による油井試験システムは２つの動作モードを有する。当該試験システムは、組成混合物から分離された各成分、すなわち、油相、気相および水相を含む坑口産出物質の体積を測定するように、通常の油井試験システムとして働く。当該油井試験システムはまた、密度測定のための産出流体の人手によるサンプルを取得する必要を回避する特別の密度決定モードを備える。油井試験システムから得た現場密度測定値は、物質を実地条件において測定するため、研究室の測定よりも正確である。
【００１５】
油井試験システムはまた、多相坑口産出流体を含む組合わされた流れを個々の構成要素へ分離する装置をも備える。渦流分離器を単一の油井からの産出物で選択的に充填するために、弁マニフォールドが用いられる。重力が複数の油井からの油相、気相および水相を分離する間、これらの混合物を保持するよう、重力分離器が用いられる。各成分の分離後、重力分離器からの産出成分混合物の液体成分を少なくとも部分的に引き出すために、ダンプ弁が開かれる。
【００１６】
コリオリ流量計は、質量流量計モードと密度計モードとで動作させることができる。流量計は、油成分および水成分が各分離器から流出するときに、これらの成分の質量流量を測定するのに用いられる。密度の測定値は、多相流れの分離された油成分から得られる。分離された油相の含水率の示度を得るため、含水率モニタが用いられる。流体密度、温度、質量流量および含水率測定値は、産出流れにおける油相と水相の体積流量を計算するのに用いられる。この補正により、油の体積流量を更に正確に計算することができる。
【００１７】
望ましい実施の形態においては、加圧気体源を試験分離器に接続することによって、体積試験誤差もまた最小化される。加圧気体源は、分離器のダンプ弁が試験分離器内部からの液体の流れを許容しているときでも、実質的に一定の分離器圧力を維持するために用いられる。
【００１８】
本発明の他の特徴、目的および利点は、当業者には、添付図面と組み合わせて以降の論述を読むならば明らかになるであろう。
望ましい実施の形態の詳細な記述
図１は、石油産業において使用されるコンパクトな多相流れ測定システム１００の概略図を示している。システム１００は、垂直な２相の渦流分離器１０４内へ放出する流入多相流管１０２を備える。渦流分離器１０４は、気体を上部の気体測定流管１０６へ放出し、液体を下部の液体測定流管１０８へ放出する。気体測定流管１０６と液体測定流管１０８とは、流れ測定が行われた後に放出管路１１０へ再び合流する。制御装置１１２は、システム１００の各構成要素を動作させる関連回路および中央プロセッサを含む。システム１００は、移動できるようにスキッド構造部１１４上に取付けられ、産出マニフォールド１１６は複数の油井またはガス井から多相流れをシステム１００へ供給する。放出管路１１０は、販売販売地点に達する前に、３相産出分離器１１８まで伸びて気相、水相および油相の分離を行う。
【００１９】
流入多相流管１０２は、矢印１２０の方向に沿って産出マニフォールド１１６から油、気体および水を含む多相流体を受取る。ベンチュリ部１２２は、公知のベルヌーイ効果を用いてベンチュリ部の頸部における流管１０２内の流入多相流体の圧力を低減する。液体用コリオリ流量計１６６内部の全動作圧力に近いレベルへの圧力低下が生じることが望ましい。この圧力低下が、流管１０２内部の多相流体からの気体を解放または急速気化する。傾斜増減部１２４は、渦流分離器１０４の手前における多相流体の気相と液相における重力分離を容易にする。水平放出要素１２６は渦流分離器１０４に対する供給を行う。
【００２０】
渦流分離器１０４は、内部の作動構成要素を示すため、中間部分図に示される。水平放出要素１２６は、渦流分離器１０４の円筒状の内部分離部へ接線方向に放出するように配置される。この放出法により、渦流分離器１０４内の多相流体の液体部分１２８にトルネード効果またはサイクロン効果が生じる。
【００２１】
液体部分１２８は、分離された水相、油相および同伴する気相を含む主（majority）液相である。サイクロン効果から生じる遠心力により、同伴気相は液体部分１２８から更に分離されるが、同伴気相の付加的な重力分離を可能にする比較的低い流量を除いて、同伴気相を完全に除去することはできない。液体部分１２８は渦流分離器１０４から液体測定流管１０８へ放出する。水トラップ１３０が渦流分離器１０４の下部に取付けられる。このトラップは周期的な水の密度測定値を得るように抽気されるが、制御装置１１２へ水の密度情報を提供するよう水密度計（図１には示さず）を水トラップ１３０と組合わせて取付けてもよい。
【００２２】
渦流分離器内部の多相流体の気体部分１３２は、油と水のミストと共に気体を含む主（majority）気相である。ミストの部分的な凝縮を生じるよう、ミスト収集スクリーン１３４が用いられ、ミストは凝縮状態において液体部分１２８へ落下する滴を形成する。
【００２３】
気体部分１３２は気体測定流管１０６への放出を行う。気体測定流管１０６は、気体測定流管１０６内部の圧力の絶対圧力示度を経路１３６により制御装置１１２へ送る圧力送信器１３５を備える。圧力送信器１３５は、例えば米国ミネソタ州エデン・プレーリーのローズマウント社からのモデル２０８８圧力送信器のように購入することができる。管１３８が、気体測定管路１３６を渦流分離器１０４の底部に接続する。管１３８は、気体測定流管１０６内部の点１４４と渦流分離器１０４の底部の点１４６との間の静水ヘッドに関する圧力情報の送信に用いられる圧力送信器１４２と結合された水圧計１４０を含む。経路１４８は、圧力送信器１４２を制御装置１１２に接続し、制御装置は圧力送信器１４２からの静水ヘッド・データを用いて、圧力調整のため、電気的に動作する絞り弁１５０、１７４を開閉する。これにより、渦流分離器１０４の適正な動作が保証される。すなわち、気体部分１３２が液体測定流管１０８へ放出を行う点または液体部分１２８が気体測定流管１０６へ放出を行う点まで、渦流分離器が気体で過充填されないようにする。経路１５２、１７６は制御装置１１２を絞り弁１５０、１７４と接続するが、この絞り弁は例えば米国アイオワ州マーシャルタウンのフィッシャ社からモデルｖ２００１０６６−ＡＳＣＯ弁として購入できる。
【００２４】
気体測定流管１０６におけるコリオリ質量流量計１５４は、気体測定流管１０６内部の多相流体の気体部分１３２から質量流量および密度の測定値を提供する。コリオリ質量流量計１５４は流量送信器１５６と接続され、測定値を表わす信号を制御装置１１２に対して提供する。コリオリ流量計１５４は、気体測定流管１０６を流れる物質の質量流量、密度および温度の測定を含む動作を行うように電子的に構成される。コリオリ流量計１５４の例は、米国コロラド州ボールダーのマイクロ・モーション社から入手可能なＥＬＩＴＥモデルＣＭＦ３００３５６ＮＵおよびモデルＣＭＦ３００Ｈ５５１ＮＵを含む。
【００２５】
経路１５８は、前記信号の送信のため流量送信器１５６を制御装置１１２と接続する。気体測定流管１０６における逆止弁１６０は、矢印１６２の方向における確実な流れを保証し、これにより液体部分１２８が気体測定流管１０６へ侵入するのを阻止する。
【００２６】
液体測定流管１０８は、液体測定流管１０８内部の液体部分１２８に乱流を生じさせて油相、水相および同伴気相の重力分離を阻止する静圧ミキサ１６４を備える。コリオリ流量計１６６は、液体測定流管１０８内部の液体部分１２８の質量流量および密度の測定値を提供し、これら測定値を表わす信号を制御装置１１２へ送るため流量送信器１６８に接続される。
【００２７】
含水率モニタ１７２は液体測定流管１０８に取付けられ、液体測定流管１０８内部の液体部分１２８における含水率を測定する。含水率モニタの形式は、流れにおける含水率がどれだけ大きいと予測されるかに従って選定される。例えば、容量計は比較的安価であるが、含水率が約３０容積％を越える場合には、他の形式の測定計も必要とされる。容量プローブまたは抵抗プローブは、油および水が極めて異なる誘電率を有するという原理に基いて動作する。これらのプローブは、水分が増加するに伴い感度が低下し、水の体積が流れ全体の約２０〜３０％より小さい場合にのみ、許容可能な程度に正確な含水率の測定値を生じる。３０％の上限精度は、多くの生産井において観察されるレベルよりずっと小さい。例えば、油井の総液体産出体積は９９％が水分であり得る。従って、容量型または抵抗型の含水率モニタは、比較的低い水分を有する油成分における含水率の決定に限定される。
【００２８】
含水率の測定に用いられる市販の装置は、近赤外センサ、容量／インダクタンス・センサ、マイクロ波センサおよび高周波センサを含む。各形式の装置は使用限度と関連する。このため、含水率プローブは、油と水の組合わされた流れにおける水の体積百分率を測定することができる。
【００２９】
マイクロ波装置を含む含水率モニタ装置は、流体混合物の約１００パーセントまでの量の水を検出することが可能であるが、３相の流れを含む環境では、気体成分を油と解釈することになりやすい。この解釈が生じるのは、或るスペクトルにおける水が原油よりも６０倍以上のマイクロ波エネルギを吸収するという原理に基いてマイクロ波検出装置が動作するからである。吸収率の計算は天然ガスが存在しないことを前提とするが、天然ガスは原油の２倍のマイクロ波を吸収する。このため、マイクロ波含水率検出システムは、混合物中の気体が測定に影響を及ぼしたことを補償することによって、含水率の示度を補正することが可能である。
【００３０】
経路１７３は、含水率モニタ１７２を制御装置１１２に接続する。制御装置１１２は、電気的に動作する２路弁１７４を用いて、弁１５０と共働して渦流分離器１０４の適正な動作を保証するように、すなわち、気体部分１３２が液体測定流管１０８へ放出することを防止し、液体部分１２８が気体測定流管１０６へ流出することを防止するために弁１７４を開閉するよう、液体測定流管１０８内の圧力を制御する。経路１７６は弁１７４を制御装置１１２に接続する。液体測定流管１０８における逆止弁１７８は、矢印１８０の方向における確実な流れを保証し、これにより気体部分１３２が液体測定流管１０８へ侵入するのを防止する。気体測定流管１０６は、Ｔ字部において液体測定流管１０８と合流し、産出分離器１８に導く共通放出流管１１０を形成する。
【００３１】
制御装置１１２は、システム１００の動作を制御するために用いられる自動化システムである。基本レベルにおいては、制御装置１１２は、遠隔装置の動作のための駆動回路とインターフェースばかりでなく、データ取得およびプログラミング・ソフトウエアでプログラムされるコンピュータ８４を含む。制御装置１１２の望ましい形態はフィッシャ社のモデルＲＯＣ３６４である。
【００３２】
産出マニフォールド１１６は、複数の電気的に動作可能な三方向弁、例えば弁１８２、１８４を備え、それぞれの弁は油井１８６またはガス井１８８のような対応の産出供給源を有する。当該用途において用いられる特に望ましい三方向弁は、ＭＡＴＲＹＸ ＭＸ２００アクチュエータを有するＸｏｍｏｘのＴＵＦＦＬＩＮＥ ０３７ＡＸ ＷＣＢ／３１６油井切換え弁である。この弁は、それぞれ産出流体を個々の対応する油井から受取るように構成されることが望ましいが、油井群からの産出物も受取ることもできる。制御装置１１２は、経路１９０上に信号を送ることによりこれらの弁を選択的に構成する。これらの弁は、１つの油井１８８あるいは組合わせ（例えば、油井１８６と１８８）からの多相流体をレール１９２へ流して流入多相流管１０２へ流体を分配するように選択的に構成され、他の弁はバイパス流管１９４を通って流すことによりシステム１００をバイパスするように選択的に構成される。
【００３３】
産出分離器１１８は、圧力送信器１９５と、制御装置１１２に対する信号の送信のための経路１９６とに接続される。分離器１１８は、当業者には周知の従来の任意の方法で気体販売管路、油販売管路および塩水放出管路（図１には示さない）と接続される。
【００３４】
システム１００の動作
図２は、制御装置１１２のプログラミングに用いられる制御ロジックを表わすプロセスＰ２００の概略プロセス図を示す。これらの命令は、典型的には、制御装置１１２によるアクセスおよび使用のため電子メモリあるいは電子記憶装置に常駐する。プロセスＰ２００を具現する命令は、制御装置１１２による、または任意の可能な方法でシステム１００に接続される同様の装置による検索、解釈および実行のため、任意の機械読み取り可能な媒体に格納することができる。
【００３５】
プロセスＰ２００は、制御装置１１２が産出試験モードに入ることが適正であると決定するステップＰ２０２で始まる。図１に関しては、これは、制御装置１１２が、油井をまたは産出供給源１８６、１８８に対応するオペレータが選択した油井の組合わせを、レール１９２を通してまたは流入多相流管１０２へ流すように、産出マニフォールド１１６の弁１８２、１８４を選択的に構成することを意味する。この決定は、通常は、或る時間的遅延に基いて、例えば、各油井毎に少なくとも毎週１回の試験に基づいて行われる。試験モードもまた、他の弁がバイパス管路１９４を介してシステム１００をバイパスするよう構成される間に、常にシステム１００へ流すよう選択的に構成されている産出マニフォールド１１６の各弁に関して連続的に実施される。この形式の油井試験測定は、３相産出分離器１１８を通過する流れ全体の特定の産出供給源（例えば供給源１８６、１８８）に対する百分比を分配可能性に基づいて割り当てる際に、従来から用いられている。
【００３６】
手動操作される弁１９６、１９７は、システム１００の選択的な切離しのために開閉され、すなわち、弁１９６、１９７はスキッド構造部１１４に取付けた全ての要素の切離しのために閉じられる。電気的に操作される弁１９９は常閉である。弁１９６、１９７の内部にある第２のまたは冗長バイパス管路１９８は、弁１９９が開き且つ弁１５０、１７４が閉じられるとき、流れにシステム１００をバイパスさせる。
【００３７】
試験はステップＰ２０４で始まり、制御装置１１２は、多相流体における液相から気体を分離するために、渦流分離器１０４を流れる総流量を増減するよう弁１５０、１７４を開閉させる。システム１００を通過する総流量を減じる必要はない。これは、制御装置１１２が弁１９９を開いて内部バイパス１９８を通る流れを許容することができるからである。正確な流量は、渦流分離器および液体測定流管１０８の物理的体積と、システム１００に対し供給源１８６、１８８が分配することができる流体量とに依存する。
【００３８】
システム１００を通る流量を減じる目的は、残りの液相における水からの油の実質的な重力分離を阻止するほど流量が充分に大きい期間にも、渦流分離器１０４の使用によって、重力分離の補助により、液体測定流管１０８から同伴気泡を除去することである。渦流分離器１０４における遠心力により分離を行って、流量を増すことにより液相からの気相の実質的に完全な分離を達成することも可能である。この目的のため、制御装置１１２は、図３および図４を参照して説明するように、駆動利得またはコリオリ流量計１６６からのピックオフ電圧を監視する。
【００３９】
図３は、コリオリ流量計１６６（図１）における流管の周波数応答に対する気体減衰の実際的な影響を示す仮想データのプロットである。透過率の対数は、コリオリ流量計１６６の駆動コイルへ印加される交流の周波数、例えば周波数ｆ₀、ｆ₁およびｆ₂の関数としてプロットされる。透過率Ｔ_rは、駆動入力で流量計のピックオフ・コイルの出力を割った値に等しく、Ｔ_rは駆動利得である。すなわち、
【００４０】
【数１】
（１） Ｔｒ＝出力／入力＝ＶａｃPICKOFFCOIL／ＶａｃDRIVECOIL
第１の曲線３００は、式（１）の無減衰のシステム、すなわち、測定されている流体には気体は存在しない場合に対応する。第２の曲線３０２は、気体が存在する減衰システムに対応している。両曲線３００および３０２は、それぞれ固有振動数ｆ_nにおいて最適値３０４、３０４′を有する。
【００４１】
図４は、多相流体に同伴された気泡として過渡的な気泡がコリオリ流量計１６６へ侵入する事象４００に対する、駆動利得と時間との関係を示す仮想データのプロットである。気泡は時間４０２において侵入し、時間４０４に出る。駆動利得は図４においては百分率として表わされ、例えばｔ₁、ｔ₂およびｔ₃の時間間隔の関数としてプロットされる。制御装置１１２（図１）は、駆動利得または透過率を閾値４０６と比較することによって監視するようにプログラムされる。曲線４０８の駆動利得または透過率が閾値４０６を越える場合、制御装置１１２は密度が過渡気泡の存在により影響されていることを認識する。このため、コリオリ流量計１６６は、ステップＰ２０６のためには、駆動利得が閾値４０６より小さいときに得られた密度値のみを用いる。閾値４０６の正確なレベルは、意図される使用環境と特定の流量計設計とに依存しており、多相流体における１〜２体積％より少ない気体を許容するようになされる。
【００４２】
動作状態のコリオリ流量計においては、ピックオフ電圧が図４に示す曲線４００の事象４００に反比例して低下することがしばしばある。流量計は、このような振幅の低下を検出するようにプログラムされることがあり、気体減衰作用が消されるまで最大設計仕様の振幅に対し振動コイルを振動させることにより応答する。
【００４３】
制御装置１１２はステップＰ２０４について述べた方法で駆動利得が閾値４０６より小さくなるまで弁１５０、１７４を開閉するので、ステップＰ２０６においては、コリオリ流量計１６６は同伴気体のない液相の密度を測定する。この密度測定値は、気体空所のない液相の密度を表わすものとされる。この密度測定値は以下の論議においてはρ_Lと呼ばれ、同伴気体は含まないが気体と油を含む液体混合物の密度を記述するために用いられる。液体測定流管１０８における多相流体についての直接的な測定の実施に代わりに、研究室分析のための多相流体のサンプルを取得すること、または、経験的に得られる流体相関関係を用いて密度測定値を近似し、ρ_Lの次善の近似値を得ることも可能である。
【００４４】
ステップＰ２０８において、制御装置１１２は、圧力送信器１３５および圧力差計１４０から受取る圧力信号とコリオリ流量計１５４、１６６を通る総流量とに基いて、製造者の仕様にしたがって渦流分離器１０４における分離結果を最適化するように、弁１５０、１７４を選択的に調整する。このステップにおいては、産出マニフォールド１１６は活性油井試験測定のために流すよう構成される。このステップでは、渦流分離器１０４は、ステップＰ２０４と比較して違うように機能するが、これは、制御装置１１２が図４に示す閾値４０６よりも駆動利得を小さくするようには弁１５０、１７４を調整しないためである。この状況では、液体測定流管１０８を流れる主液相は、同伴される気泡を含み得る。
【００４５】
ステップＰ２１０は、液体測定流管１０８内に同伴気体を含む主液相の総質量流量Ｑ_TLと主液相の密度とを測定するためにコリオリ流量計１６６を用いることを含む。この密度測定値は以降の論議においてρ_measと呼ばれる。
【００４６】
ステップＰ２１２において、制御装置１１２は、多相流体中の気体の乾燥気体密度ρ_gasを決定する。気体密度は、米国気体協会により開発された周知の相関関係を用いて気体の重力に基いて圧力と温度の情報から計算されるが、研究室分析が、多相流れからの生成気体の実際の測定から決定される気体密度に対する他の経験的な相関を提供してもよい。気体密度の決定のための別の代替手法は、ステップＰ２０４と同時に、あるいは、制御装置１１２が弁１５０、１７４を選択的に調整して図４に示される駆動利得の大きさを最小化する別のステップＰ２１０において、コリオリ流量計１５４から実際の密度測定値を得ることである。状況によっては、気体密度は液体密度に比較して相対的に小さいので、気体密度は一定であると仮定することも可能であり、気体密度を一定と仮定しても、その結果の誤差レベルは許容可能である。
【００４７】
ステップＰ２１４において、制御装置１１２は、液相における気体空所の割合Ｘ_L
【００４８】
【数２】

を計算する。但し、
Ｘ_Liはコリオリ流量計１６６を通過する多相流体における気体空所を表わす空所割合であり、
ｉは連続的な反復を表し、
ρ_measは既述のステップＰ２１０で得られる密度測定値であり、
ρ_calcは約Ｘ_Liの空所割合を持つ多相液体の密度を近似する計算または見積り密度値である。
【００４９】
式（２）は反復収束アルゴリズムにおいて使用される。したがって、最初の推量（first guess）から、例えば、特定の生産供給源１８６に対する試験測定の前サイクルからのρ_calcに対する記憶値または０．８ｇ／ｃｃのような任意の値から、計算を開始することが許容される。
【００５０】
ρ_calcの値に対する最初の推量を提供する特に望ましい方法は、含水率モニタ１７２から含水率測定値を取得することである。したがって、多相流体混合物に気体が存在しないものと仮定して、ρ_calcについて式（３）
【００５１】
【数３】

を解くことが可能である。但し、
ＷＣは液体混合物の総体積で液体混合物中の水の量を割った値からなる割合として表わされた含水率であり、
ρ_wは液体混合物中の水の密度であり、
ρ₀は液体混合物中の油の密度である。
【００５２】
ρ_calcに対して結果として得られた最初の推量は、気体空所割合を持たない液体混合物の理論値である。値ρ_wおよびρ₀が正しいとすると、Ｘ_iがゼロより大きいとき、測定される密度ρ_measはρ_calcより小さい。値ρ_wおよびρ₀は、油相と水相を含む主液相のサンプルについて行われる研究室の測定値から得られる。例えば、水の密度値は水トラップ１３０に接続された比重計から得られる。これらの値も、米国石油協会により発行された周知の経験的相関により、許容可能な精度レベルに近似される。
【００５３】
ステップＰ２１６において、制御装置１１２は、ρ_calcに対する最後の推量が式（２）にしたがってＸ_Liの計算を提供したかどうかを決定する計算を行うが、Ｘ_iの値は許容可能な誤差範囲内に収束してしまっている。ρ_calcに対する次の推量は、
【００５４】
【数４】

により計算される。但し、
ρ_calciは式（２）からの値Ｘ_Liを用いて計算された、ρ_calcに対する次の推量であり、
ρ_Lは液体混合物の密度であり、残りの変数は先に定義した。
【００５５】
ステップＰ２１８は、式
【００５６】
【数５】

が真であるならば収束が存在する場合の収束についての試験である。但し、
Ｄは無視し得る誤差例えば０．０１ｇ／ｃｃを表わすデリミッタ、またはコリオリ流量計１６６から得られる精度限界を近似するデリミッタの絶対値であり、
ρ_calciは式（４）により計算された現在値であり、
ρ_calci-1は、ρ_calciに対応するＸ_Liを生じた式（２）の先の反復からのρ_calciの古い値である。
【００５７】
ステップＰ２１８において制御装置１１２が収束が存在しないと決定する場合、ステップＰ２２０において、新たな推量値ρ_calciが古い推量値ρ_calcに代入され、収束が存在するまでステップＰ２１４〜Ｐ２１８が反復される。
【００５８】
含水率は
【００５９】
【数６】

として計算される。但し、
ＷＣは含水率であり、
ρ₀は主液体成分における油の密度であり、
ρ_wは主液体成分における水の密度である。
つまり、気相が多相流れの中になければ、含水率計１７２はやや冗長となるので除去しても良い。含水率はこの反復的収束手法に対する所要値ではないからである。
【００６０】
含水率計が許容可能な正確さと精度で機能する範囲内に、含水率計１７２により与えられる測定含水率値が入るならば、一層厳格なまたは非反復的な解がステップＰ２１４Ａにおいて得られる。含水率計の示度は液体成分の関数であり、これにより、３つの式のシステムの同時解は３つの変数に対する解を与えることができる。ここで、該式とは
【００６１】
【数７】

である。但し、
ρ_wは流れにおける水の密度であり、
ρ₀は流れにおける油の密度であり、
ρ_gは流れにおける気体の密度であり、
ρ_mixは組合わされた流れの密度であり、
ｑ_wは水の体積流量の割合（すなわち、含水率）であり、
ｑ₀は油の体積流量の割合であり、
ｑ_gは気体の体積流量の割合であり、
ｆ（ｓａｔ）は合計示度Ｍを与える特定の含水率計形式に一義的な流れ成分の関数である。
【００６２】
含水率計がマイクロ波計である場合は、関数ｆ（ｓａｔ）＝Ｍは
【００６３】
【数８】

として近似される。但し、
ｍ_wは純水における計器の示度であり、
ｍ₀は純粋な油における計器の示度であり、
ｍ_gは純粋な気体における計器の示度であり、残りの項は先に述べた。
【００６４】
典型的な流量計においてｍ_w＝６０、ｍ₀＝１およびｍｇ＝２である場合、式（８）〜（１１）をｇ_wについて解くと、
【００６５】
【数９】

となる。各項は先に定義されており、
【００６６】
【数１０】

である。
【００６７】
収束がステップＰ２１８において達成されると、ステップＰ２２２が続き、コリオリ流量計１５４を用いて、ステップＰ２０８の流動条件下でコリオリ流量計１５４を通過する主気相の質量流量Ｑ_TGと密度ρ_mgasが測定される。
【００６８】
ステップＰ２２４は、
【００６９】
【数１１】

により、気体測定流管１０６を通過する主気相中の気体空所の割合Ｘ_Gについて解くことを含む。但し、
ＸＧは、主気相の全体積に関して取られた気体の体積に対応する割合であり、
ρ_mgasはステップＰ２２２において得られる値であり、
ρ_gasはステップＰ２１２において得られる値であり、
ρ_LはステップＰ２０６において得られる値である。
【００７０】
ステップＰ２２４において、含水率モニタ１７２から得られる含水率の値は、必要に応じて、主液相における気体の存在を補償するよう調整される。例えば、気体空所の割合Ｘ_Liが既知である場合、油と水のみが存在するという仮定に基いて、この値を用いてマイクロ波吸収に対する含水率の示度を補正することが可能である。
【００７１】
ステップＰ２２６は、このように取得されたデータを用いて主液相と主気相とにおける３つの相の流量について解くことを含む。これらの式はこの目的のために有効である。すなわち、
【００７２】
【数１２】

が成り立つ。但し、
Ｑ_Lはシステム１００を通過する液相の総質量流量であり、
Ｘ_iは、ステップＰ２１４から決定され且つステップＰ２１８において収束を生じる主液相中の気体空所の割合であり、
Ｑ_TGは、ステップＰ２２２において測定される主気相の総気体質量流量であり、
Ｘ_Gは、ステップＰ２２４において決定される主気相における気体空所の割合であり、
Ｑ_Gは、システム１００における気体の総質量流量であり、
Ｑ₀は、システム１００における油の総質量流量であり、
Ｑ_wは、システム１００における水の総質量流量であり、
Ｑ_Oは、システム１００における油の総質量流量であり、
ＷＣは、ステップＰ２２４において必要とされる補正を伴う含水率モニタ１７２から与えられる含水率であり、
Ｖ_Lは、システム１００を流れる液相の総体積流量であり、
ρ_Lは、ステップＰ２０６において決定される液相の密度であり、
Ｖ_Oは、システム１００における油の総体積流量であり、
ρ_Oは、流動条件における油の密度であり、
Ｖ_Gは、システム１００における気体の総体積流量であり、
ρ_gasは、流動条件における気体の密度であり、
Ｖ_wは、システム１００における水の総体積流量であり、
ρ_wは、流動条件における水の密度である。
【００７３】
制御装置１１２は、ステップＰ２２８において、各相に対する体積流量および質量流量に対する計算結果と、温度、密度および質量流量の直接測定値を含むシステム出力とを提供する。これらの流量は時間積分され、試験間隔毎に累積産出体積を提供する。
【００７４】
制御装置１１２は、ステップＰ２３０において、現場効率を最適化するよう、産出マニフォールド１１６を含むシステム構成要素と対話する。例えば、ガス・キャップが主体となる駆動エネルギを有する油田においては、油が回収された後にガス・キャップが枯渇状態となるとき、産出効率が最適化される。参考のために、気体の前に油を産出することが望ましく、油が枯渇状態になるにつれ、気体と油の接触部は以前の油層へ向かって下へ移動する。気体と油の接触部のこの移動により、以前には主に油を産出した油井が主に気体を生じるように変化することとなり得る。油井におけるこの劇的に増加する気体産出に対する適正な応答は、通常、貯留岩の排油エネルギを枯渇させないよう油井を閉鎖させ、または、その産出率を低減させる。制御装置１１２はこのような動作を行うようにプログラムされ得る。油と水の接触部を移動させるために、あるいは、他の全ての因子が等しいならば高コストの油井の前に１つの低コストの油井を産出することにより経営の観点から現在の経済的性能を最適化するために、同様な応答をプログラムすることができる。
【００７５】
当業者は理解するように、ここに述べた望ましい実施の形態は、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、明らかな修正を受け得るものである。したがって、本発明者は、本発明における全ての権利を保護するために均等論に依存する意図をここに表明する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による自動油井試験システムの概略レイアウトを示す。
【図２】 図１のシステムの動作を管理するフローチャートを示す。
【図３】 コリオリ流量計における流管の周波数応答に対する気体減衰の実際の影響を示す仮想データのプロットである。
【図４】 過渡的な気泡がコリオリ流量計に進入する場合の駆動利得と時間との関係を示す仮想データのプロットである。

Claims (31)

1. 気相と複数の液相とを含む流れ環境において使用される多相流れ測定システム（１００）であって、流入する多相流体を、同伴気体を含む主液体成分を有する主液相と主気体成分を有する主気相とへ分離する分離器（１０４）を備える多相流れ測定システムにおいて、
   前記主液相における含水率（ＷＣ）を測定する含水率モニタ（１７２）と、
   前記主液相の液相流量と液相密度とを測定する流量計（１６６）と、
   前記主液相の流量を測定するよう構成され、且つ、前記主液相における分離した液相と分離した気相との流量を定量化する計算を行うよう構成された制御装置（１１２）と
   を具備する多相流れ測定システム。
2. 前記流量計（１６６）が質量流量計を含む、請求項１記載の多相流れ測定システム（１００）。
3. 前記質量流量計（１６６）がコリオリ質量流量計である、請求項２記載の多相流れ測定システム（１００）。
4. 第１の液体に同伴気泡が実質的にないように、前記分離器（１０４）から前記第１の液体を流す液体測定流管（１０８）と、
   前記液体測定流管（１０８）における前記第１の液体の密度ρ_Ｌを決定する密度計（１６６）と、
   を更に備える、請求項１記載の多相流れ測定システム（１００）。
5. 前記主液相における密度ρ_ｍｅａｓを測定する第２の密度計を更に備え、
   前記制御装置（１１２）が、前記密度ρ_ｍｅａｓと前記密度ρ_Ｌとの間の関係に基いて、空所の割合Ｘ_Ｌを計算し、前記空所の割合Ｘ_Ｌを前記液体成分の総流量Ｑ_ＴＬに適用して、前記主液相の液体成分と気体成分とにそれぞれ対応する流量Ｑ_Ｌ、Ｑ_Ｇを提供するように更に構成される、
   請求項４記載の多相流れ測定システム（１００）。
6. 前記制御装置（１１２）が、反復的な収束計算を用いて前記空所の割合Ｘ_Ｌを計算するように更に構成される、請求項５記載の多相流れ測定システム（１００）。
7. 前記制御装置（１１２）が、測定された密度値と前記空所の割合Ｘ_Ｌに基く理論密度値との間の差に基いて、前記反復収束計算を収束させるように更に構成される、請求項６記載の多相流れ測定システム（１００）。
8. 前記制御装置（１１２）が、非反復計算を用いて空所の割合Ｘ_Ｌを計算するように更に構成される、請求項７記載の多相流れ測定システム（１００）。
9. 前記制御装置（１１２）が、前記反復計算からの結果を前記非反復計算からの結果と比較することにより、前記空所の割合Ｘ_Ｌを計算するように更に構成される、請求項８記載の多相流れ測定システム（１００）。
10. 前記多相流れ測定システムにおける温度と圧力での気体密度ρ_ｇａｓを生成する気体密度計（１５４）を更に備え、
    前記制御装置（１１２）が、前記気体密度ρ_ｇａｓと前記液体密度ρ_Ｌと前記空所の割合Ｘ_Ｌとに基いて密度ρ_ｃａｌｃを計算するように更に構成される、
    請求項５記載の多相流れ測定システム（１００）。
11. 前記制御装置（１１２）が、前記気体密度ρ_ｇａｓと前記空所の割合Ｘ_Ｌとの積に、１から前記空所の割合Ｘ_Ｌを差し引いた値と前記液体密度ρ_Ｌとの積を加えたものが前記密度ρ_ｃａｌｃに等しいという関係に従って、前記密度ρ_ｃａｌｃを計算するように更に構成される、請求項１０記載の多相流れ測定システム（１００）。
12. 前記制御装置（１１２）が、密度ρ_ｍｅａｓを測定する前記手段により決定される値ρ_ｍｅａｓに関して許容可能な誤差範囲内でρ_ｃａｌｃが収束するまで、Ｘ_Ｌの連続値によって値ρ_ｃａｌｃを反復することによる反復計算を用いて、前記主液相の前記流量を決定するように構成される、請求項１１記載の多相流れ測定システム（１００）。
13. 前記制御装置（１１２）が、気体空所の割合Ｘ_Ｌｉが前記密度ρ_ｃａｌｃで割った前記密度ρ_ｍｅａｓと前記密度ρ_ｃａｌｃとの差に等しいという関係に従って、前記密度ρ_ｃａｌｃの値を反復するように構成される、請求項１２記載の多相流れ測定システム（１００）。但し、Ｘ_Ｌｉはρ_ｃａｌｃの反復近似に基く気体空所の割合である。
14. 前記含水率モニタ（１７２）が、前記含水率（ＷＣ）が（密度ρ _ｃａｌｃ ―油の密度）／（水の密度―油の密度）に等しいという関係に従って動作する、請求項１記載の多相流れ測定システム（１００）。但し、前記油の密度は前記主液相における油の密度であり、前記水の密度は前記主液相における水の密度である。
15. 前記分離器から送られた主気体成分の密度ρ_ｍｇａｓを測定する密度計（１５４）と、
    前記主気体成分の流量を測定する気体流量計（１５４）と、
    を更に備える、請求項１記載の多相流れ測定システム（１００）。
16. 前記制御装置が、前記密度ρ_ｍｇａｓを用いて、密度に基いて、前記主気相の空所の割合Ｘ_Ｇを計算するように更に構成される、請求項１５記載の多相流れ測定システム（１００）。
17. 液相と気相とを含む流体環境において多相流れ測定を行う方法（Ｐ２００）であって、
    流入する多相流れを、同伴気体を含む主液体成分を有する主液相と主気体成分を有する主気相とへ分離するステップ（Ｐ２０４）と、
    前記主液相の液相流量と液相密度とを測定するステップ（Ｐ２１０）と、
    前記主液相の含水率（ＷＣ）を測定するステップと、
    前記主液相における分離した液相と分離した気相との流量を定量化するよう計算するステップ（Ｐ２２６）と、
    を含む方法（Ｐ２００）。
18. 前記主液相の前記流量を測定する前記ステップが、
    第１の主液体に同伴気泡が実質的にないように前記分離手段から前記第１の液体を流すステップと、
    前記第１の液体の密度ρ_Ｌを測定するステップ（Ｐ２０６）と、
    を含む、請求項１７記載の方法（Ｐ２００）。
19. 前記主液相の前記流量を測定する前記ステップが、
    前記液相に同伴気体泡を含み得る通常の流れ条件下で、前記主液相における密度ρ_ｍｅａｓを測定するステップ（Ｐ２１０）と、
    決定された前記密度ρ_ｍｅａｓと前記密度ρ_Ｌとの間の関係に基いて空所の割合Ｘ_Ｌを計算するステップ（Ｐ２１４）と、
    前記空所の割合Ｘ_Ｌを前記主液相の総流量Ｑ_ＴＬに適用して、前記液体成分の流量Ｑ_Ｌと前記主液相の気体成分の流量Ｑ_Ｇとをそれぞれ提供するステップと、
    を更に含む、請求項１８記載の方法（Ｐ２００）。
20. 前記空所の割合Ｘ_Ｌを計算する前記ステップ（Ｐ２１４）が、反復収束計算を行うステップを含む、請求項１９記載の方法（Ｐ２００）。
21. 前記反復収束計算が、測定された密度値と前記空所の割合Ｘ_Ｌに基く理論密度値との間の差に基いて収束する、請求項２０記載の方法（Ｐ２００）。
22. 前記空所の割合Ｘ_Ｌを計算する前記ステップ（Ｐ２１４）が、非反復計算を行うステップを含む、請求項２１記載の方法（Ｐ２００）。
23. 前記空所の割合Ｘ_Ｌを計算する前記ステップ（Ｐ２１４）が、前記反復解からの結果を前記非反復計算の結果と比較して最善の解答を得るステップを含む、請求項２２記載の方法（Ｐ２００）。
24. 多相流れ測定システムにおける温度と圧力での気体密度ρ_ｇａｓを決定するステップと、
    前記主液相の液体密度ρ_Ｌを測定するステップと、
    決定された前記密度ρ_ｍｅａｓと前記密度ρ_Ｌとの間の関係に基いて、空所の割合Ｘ_Ｌを計算するステップ（Ｐ２１４）と、
    前記気体密度ρ_ｇａｓと、前記液体密度ρ_Ｌと、空所の割合Ｘ_Ｌを計算する前記ステップから決定された前記空所の割合Ｘ_Ｌとから、密度ρ_ｃａｌｃを計算するステップ（Ｐ２１６）と、
    を更に含む、請求項１９記載の方法（Ｐ２００）。
25. 前記密度ρ_ｃａｌｃを計算する前記ステップ（Ｐ２１６）が、関係
    ρ_ｃａｌｃ＝（ρ_ｇａｓＸ_Ｌ）＋（１−Ｘ_Ｌ）ρ_Ｌ
    に従って働く、請求項２４記載の方法（Ｐ２００）。但し、Ｘ_Ｌは前記主液体成分の空所の割合である。
26. 密度ρ_ｃａｌｃを計算する前記ステップ（Ｐ２１６）が、密度ρ_ｍｅａｓを測定する前記ステップから決定される値ρ_ｍｅａｓに関して許容可能な誤差範囲内でρ_ｃａｌｃが収束するまで、Ｘ_Ｌの連続値によりρ_ｃａｌｃの値を反復させるステップを含む、請求項２５記載の方法（Ｐ２００）。
27. 値ρ_ｃａｌｃを反復させる前記ステップが、関係
    Ｘ_Ｌｉ＝（ρ_ｃａｌｃ−ρ_ｍｅａｓ）／ρ_ｃａｌｃ
    に従って働く、請求項２６記載の方法（Ｐ２００）。但し、Ｘ_Ｌｉはρ_ｃａｌｃの反復近似に基く気体空所の割合である。
28. 密度ρ_ｃａｌｃに基いて前記主液相における含水率ＷＣを計算するステップ（Ｐ２２４）を更に含む、請求項２７記載の方法（Ｐ２００）。
29. 前記含水率を計算する前記ステップ（Ｐ２２４）が、関係
    ＷＣ＝（ρ_ｃａｌｃ−ρ_ｏ）／（ρ_ｗ−ρ_ｏ）
    に従って働く、請求項２８記載の方法（Ｐ２００）。但し、ρ_ｏは前記主液相における油の密度、ρ_ｗは前記主液相における水の密度である。
30. 主気相の密度ρ_ｍｇａｓを測定するステップ（Ｐ２２２）と、
    前記主気相の流量を測定するステップ（Ｐ２２２）と、
    を含む、請求項１９記載の方法（Ｐ２００）。
31. 前記密度ρ_ｍｇａｓを用いて、密度に基いて、前記主気相における空所の割合Ｘ_Ｇを計算するステップを更に含む、請求項３０記載の方法。

Images