JPH0735980B2 - 二相及び三相流の測定の改良 - Google Patents

二相及び三相流の測定の改良

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JPH0735980B2
JPH0735980B2 JP3504970A JP50497091A JPH0735980B2 JP H0735980 B2 JPH0735980 B2 JP H0735980B2 JP 3504970 A JP3504970 A JP 3504970A JP 50497091 A JP50497091 A JP 50497091A JP H0735980 B2 JPH0735980 B2 JP H0735980B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、親出願、出願番号07/502,691の一部継続出願
である。本発明は、気体流を液体流から物理的に分離す
ることを必要としない、二相流又は三相流のオンライン
測定に関するものである。
関連技術の説明 従来の流量計は気体と液体の両方を同時に扱うことがで
きないので、二相流（気体と液体が一緒になった流れ）
の測定は非常に困難であった。従来の流量計は、差圧
型、容積型、質量流量型の３種類に分類される。最初の
種類のものには、オリフィス板、ベンチュリー管、ピト
ー管等が含まれる。２番目の種類のものには、タービン
型、容積流量計、磁気流量計等が含まれる。また、最後
の種類のものには、振動型（コロリス）、熱移動型、運
動量型等が含まれる。
最初の種類のものは、下流側圧力取出点における流速に
関連する差圧出力を、下記のベルヌーイの式に従って発
生する。
Δｐ＝ρv2/2g ……（１） ここで、Δｐは、装置前後の差圧 ρは、下流側圧力取出点における流体の密度 ｖは、下流側圧力取出点における流体の速度 ｇは、重力定数 である。
したがって、気体／液体比の変化は密度ρに影響を与
え、速度の変化として現れる。どれだけの量の気体とと
れだけの量の液体が計器を通過して流れたかを知ること
が重要であるが、この種の流量計ではこれを知ることが
できない。
二番目の種類の装置は、気体と液体を区別することがで
きず、何れに対してもほぼ等しい流速を示す。このもの
においても、流れが二相流である場合にはどれだけの量
の気体とどれだけの量の液体が計器を通過したかを決定
することができない。第三の種類のものも同様の問題が
あり、更に、流体中に容積で20％を超える気体が含まれ
ている場合には、振動型質量流量計が正常に振動を発生
できないという問題もある。
上記の技術の何れもが流体の成分を解析できないため、
従来においては、流体を物理的に分離し、それぞれの成
分を個々に測定する必要があった。２種類の分離器が知
られている。旧式の二相分離器と新式の動的分離器であ
る。前者のものは、流入する流体を減速して気体が膨張
できるようにし、頂部から流出する気体を測定するとと
もに、底部から流出する液体を測定する。流体が三つの
成分、例えば、油、水及び気体から構成されている場合
には、排出された液体の解析が更に行われる。後者の場
合においては、２つの傾斜管が使用される。気体は上側
の管に回収され、液体は底の管に流れる。このものにお
いても、三相の流体の場合には、油／水の含有量の解析
が更に必要となる。
これらの方法の重大な欠点は、装置の大きさと、測定中
における遅れである。液体中で小さな気体の泡が浮き上
がるには、充分な時間が必要とされる。泡が上方に浮き
上がる速さは、ストークの法則によって決定される。
vT＝ｋ（ρＬ−ρｇ）d2／μ ……（２） ここで、vTは、泡の終点速度 ｋは、寸法定数 ρＬは、液体の密度 ρｇは、気体の密度 μは、液体の粘度 ｄは、泡の直径 したがって、高粘性流体の中では、終点速度は非常に遅
く、分離のためにより長い時間が必要となる。すなわ
ち、容器の寸法を大きくしなければならず、また、それ
によりコストも増大する。
ほとんどの油井は、気体、油及び液体を同時に産出す
る。経済的、操業的理由で、そのような三相流の各成分
を測定することが必要とされる。それぞれの井戸で測定
を行うために複数の分離容器を建設することは非常に不
経済である。現場で測定を低コストで行いたいという大
きな経済的要求がある。海面下レベルの油井や沖合にあ
るプラットホームにおいては、装置の大きさもまた重要
な問題である。
したがって、３つの成分を物理的に分離することなしに
測定したいという強い要求がある。
発明の要約 したがって、本発明の目的は、液体から気体を物理的に
分離することなしに、多相流体の流れを測定するための
新規な装置を提供することである。
本発明は、直列に接続され、第１及び第２の流体の流れ
を測定して第１及び第２の流体の流れを表す第１及び第
２の信号を供給する第１及び第２の流量計と、第１及び
第２の流量計の間に設けられ、第１及び第２の流量計の
間における流体の流れを制限する流れ制限器と、流量計
のそれぞれに作動的に接続され、各流量計内の圧力を示
す第１及び第２の信号を提供する第１及び第２の圧力測
定手段とを有する多相流体の流れ測定装置を提供するこ
とにより、上記の問題を解決するものである。
図面の簡単な説明 本発明のより完全な理解、及び付随する多くの利点は、
添付の図面との関連において以下の詳細な説明を参照す
ることによって、本発明がより良く理解されるにつれて
明らかになるであろう。
図１は、オンライン二相流量計を示し、 図１（ａ）は、図１に示された流量計の出力を測定する
コンピュータを示し、 図２は、電子式油／水監視装置を備えた三相流量計を示
し、 図２（ａ）は、図２に示された流量計の出力を測定する
コンピュータを示し、 図３は、密度型油／水監視装置を備えた三相流量計を示
し、 図３（ａ）は、図３に示された流量計の出力を測定する
コンピュータを示す。
好ましい実施例の記載 図１は、気体を液体から物理的に分離する必要のない、
二相流出力のオンライン測定を示す。流体（液体と気
体）は、ポート（１）から流量計に入る。その全流量
は、出力V1がコンピュータ（10）（図１（ａ））に接続
された流量計（２）によって容積流量として測定され
る。その温度T1と圧力P1は、温度計（３）と圧力変換器
（４）によって測定される。そして、その流れは、圧力
をP2に低下させる制限器（５）を通過する。これによ
り、流体内の気体は膨張し、したがって、流量計（６）
は、より大きな容積流量V2を示す。その温度T2と圧力P2
は、（７）と（８）によってそれぞれ測定される。流量
計内の流体はポート（９）から流出する。
容積流量は以下のように表される。
V1＝G1＋L;V2＝G2＋Ｌ ここで、 V1は、１秒間に第１流量計を通過する流体の総量 G1は、１秒間に第１流量計を通過する気体の総量 V2は、１秒間に第２流量計を通過する流体の総量 G2は、１秒間に第２流量計を通過する気体の総量 Ｌは、１秒間に両方の流量計を通過する液体の総量 もし気体が存在しない場合には、液体は非圧縮であるた
めV1＝V2となり、ポート（１）から流入した量と同量が
ポート（９）から流出しなければならない。しかしなが
ら、もしいくらかの気体が存在する場合には、気体の容
積は、シャルル・ボイルの法則に従って膨張し、したが
って、流量計（６）内の流速は、流量計（２）内よりも
速くなる。即ち、 V1＜V2 ……（３） となる。
それゆえ、容積流量の増加は、液体中の気体の量に比例
する。
もし制限器（５）が容認できない程、圧力を低下させな
ければ、蒸発による液体の減少は非常に少ないため、２
つの流量計の間の差は気体のみに起因する。
したがって、流量計（２）と（６）における気体の関係
はシャルル・ボイルの法則によって次のように与えられ
る。
P1G1／T1＝P2G2／T2＝（P2＋ΔＰ）G1／T1＝P2（G1＋Δ
Ｖ）／T2 ……（４） ここで、 ΔＰ＝P1−P2であり、ΔＶ＝G2−G1である。式（４）を
変形すると下記式が得られる。
両方の流量計を断熱し、それらを互いに接近して取り付
けることによって容易に達成できるT1T2の場合におい
ては、 ΔP/P2＝ΔV/G1又はΔＶ＝G1ΔP/P2 ……（６） となる。
もし流体が気体のみである場合は、V1＝G1かつV2＋G2…
…（７） となる。
これは、最も大きな容積増加を与える（ΔＶ＝ΔVma
x）。即ち、V1＝G1の時、 ΔVmax＝ΔＶ＝V2−V1 ……（８） となる。言い換えれば、 ΔVmax＝V1ΔP/P2 ……（９） となる。
もし、流体が気体と液体を半々の割合で含んでいる場
合、 ΔＶ＝1/2ΔVmax となる。
ΔＶは、全量が液体の場合の零から、全量が気体の場合
のΔVmaxまでの間で変化する。したがって、ΔV/ΔVmax
の比率は、圧力がP2で温度がT2の作動状態における気体
と液体の比率を導き出す。
ここで、 G1＋ΔＶ＝G1P1／P2；G1［（P1／P1）−１］＝V2−V1＝
G1ΔP/P2 即ち、 となる。
G1は、第１流量計の流体内の気体の量 ……（10） V1内の液体部分は、Ｌ＝V1−G1となる。
Ｌ＝V1−（V2−V1）P2／ΔＰ 第２流量計内の気体の量は、 G2＝G1＋（V2−V1）＝（V2−V1）（１＋P2／ΔＰ） 液体に対する気体の割合は、下記式によって与えられ
る。
G/L＝［（V2−V1）P2／ΔＰ］／［V1（V2−V1）P2／Δ
Ｐ］ ……（13） 全ての測定素子の出力は、上記の計算を行うコンピュー
タ（10）に送られる。又、このコンピュータ（10）は、
P2とT2からP3とT3を外挿し、標準圧力と温度、即ち、１
バール、15.5℃の大気下のタンク内における最終的な油
の量を予測する。
図２に示された構成は、流体が、油と水のように混合し
にくい液体から成っている場合に使用される。図１の構
成のものは、どれだけの量の気体とどれだけの量の液体
が管内を流れているかを決定できるが、液体の総量に対
する水の割合を解析するためには、米国特許第4,503,38
3に開示されているような、電子式油／水監視器（11）
の付加が必要となる。そのような装置においては気体は
油として見做されるため、液体内の気体の割合が分かっ
ている場合には、液体中のどれだけが油であるかを決定
することができる。例えば式（13）による気体／液体の
比率が約40％で、油／水監視器（11）が水の比率が約42
％であると表示している場合、40％を除いた残りの60％
だけが液体であることが分かる。即ち、その混合物は、
42％の水と40％の気体と18％の油とによって構成されて
いる。
……（14） したがって、図２の構成のものは、第３の成分を更に解
析でき、コンピュータ（10）（図２（ａ））のディスプ
レーに示されるように、水の割合と、気体、油及び水の
合計量が出力される。
図３においては、油／水監視器が垂直の容器（13）と差
圧変換器（12）に置き換えられている。流体の抗力に起
因する圧力損失の影響を最小限にするため、この容器の
断面積は、容器に通じている管よりも大きくなってい
る。したがって、差圧ΔＰは、式（15）に示されるよう
に、流体密度ρの直接的な関数となる。
ΔＰ＝ρh;ρ＝ΔP/h ……（15） ここで、ｈは、容器（13）の高さである。
液体の密度は、式（16a）から次のとおり得られる。
ρＬ＝ρV1/L ……（16a） SL＝ＳV1/L ……（16b） その液体の実際の密度は、温度計（３）を用いて、基準
温度に対する補正が行われる。
SL＝ρＬ／〔１−α（T1−TS）〕ρＷ ……（17） ここで、SLは、温度係数を因数とする液体の相対密度
（S.G.）、 ρＬは、液体中の気体の比率（温度係数を考えないとき
の絶対密度）を考慮して計算された液体の密度（式16
a）、 αは、液体の熱膨張、 T1は、液体の温度、 TSは、標準温度である。
混合流体内の水の割合は、下記のように計算される。
100（SL−S0）／（SW−S0）＝％Ｗ ……（18） ここで、SWは、処理水の相対密度、 S0は、処理油の相対密度、 SLは、気体を含まない混合流体の相対密度、 Ｓは、気体を含む混合流体の相対密度である。
例： もし、水のSWが1.1で純粋な油のS0が0.9であり混合流体
におけるＳの測定血がＳ＝0.8で、かつ流量計における
流量の差異に基づき（式（11）から）、SL＝ＳV1/L式
（16b）を式（18）のSLに代入することにより、L/V比が
0.75（即ち、液体内に25％の気体）であることが判った
場合には、式（18）より、液体中の水の割合は、 100（0.8/0/75−0.9）／（1.1−0.9）＝水83％ となる。
この例においては、水の比率は、0.83×75％＝62％であ
り、油井は、水62％、油13％、自由気体25％を作動状態
において発生している。
より低い圧力においては気体が膨張する（G3）が、その
量は、コンピュータ（10）（図３（ａ））によって外挿
推定することができる。
流体の密度を知ることにより、密度補正を必要とする他
の形式の流量計、例えば、オリフィス板型、質量流量計
等を使用することができる。
明らかに、本発明の数々の変形と変更は、上記の教示か
ら可能である。それゆえ、本発明は、添付の請求の範囲
内において、ここに詳細に記述された以外の方法で実施
できるものと理解されなければならない。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】気体、第１液体及び第２液体から成る三相
    流を測定する装置であって、この装置は、前記三相流内
    の前記第１及び第２液体の流れに対する気体の流れを測
    定する手段を有し、この手段は、 前記三相流と連通する直列に接続された第１及び第２の
    流量計で、この第１及び第２の流量計を通る流体の流れ
    の容積量を表す第１及び第２の流れ信号を供給するも
    の、 第１及び第２の流量計の間に設けられ、第１及び第２の
    流量計の間における三相流体の流れを制限する流れ制限
    器、 前記第１及び第２の流量計のそれぞれに作動的に接続さ
    れ、前記第１及び第２の流量計内の流体圧力をそれぞれ
    表す第１及び第２の信号を提供する第１及び第２の圧力
    測定手段、 少なくとも部分的には、前記第１及び第２の流量信号と
    前記第１及び第２の圧力信号に基づき、前記三相流体の
    流れの中における気体の流れを表す気体流信号を発生す
    る処理手段、及び 前記三相流と連通し、前記気体流測定手段と直列に結合
    され、前記気体と前記第２液体の流れに対する第１液体
    の流れを決定し、前記気体と前記第２液体の流れに対す
    る第１液体の流れを表す第１液体流信号を発生する監視
    手段で、これにおいて、前記三相流内の前記気体は、前
    記監視手段にとっては前記第２液体のように映るもの、 を有し、 前記処理手段は、前記気体流信号と前記第１液体流信号
    とに基づき、前記三相流中の前記第２液体の流れを表す
    第２液体流信号を発生する手段を有するところの装置。
  2. 【請求項２】気体、第１液体及び第２液体から成る三相
    流を測定する装置であって、この装置は、前記三相流内
    の前記第１及び第２液体の流れに対する気体の流れを測
    定する手段を有し、 この手段は、 前記三相流と連通する直列に接続された第１及び第２の
    流量計で、この第１及び第２の流量計を通る流体の流れ
    の容積量を表す第１及び第２の信号を供給するもの、 第１及び第２の流量計の間に設けられ、第１及び第２の
    流量計の間における三相流体の流れを制限する流れ制限
    器、 前記第１及び第２の流量計のそれぞれに作動的に接続さ
    れ、前記第１及び第２の流量計内の流体圧力をそれぞれ
    表す第１及び第２の圧力信号を提供する第１及び第２の
    圧力測定手段、 少なくとも部分的には、前記第１及び第２の流れ信号と
    前記第１及び第２の圧力信号に基づき、前記三相流にお
    ける気体の流れを表す気体流信号を発生する処理手段、
    及び 前記三相流と連通する差圧送信機と垂直容器とを有する
    とともに、前記気体流測定手段と直列に結合され、前記
    三相流の相対密度を測定し、これに対応する密度出力信
    号を発生する密度計 を有し、 前記処理手段は、少なくとも部分的には、前記気体流信
    号と前記密度出力信号に基づき、前記三相流体の流れの
    中の前記第１及び第２液体の流れを表す第１液体流信号
    と第２液体流信号を発生する手段を有するところの装
    置。
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