JPH09510787A

JPH09510787A - 多相ガス混合物を混合、測定、供給する装置及び方法

Info

Publication number: JPH09510787A
Application number: JP7524944A
Authority: JP
Inventors: ギューリッヒ、ヨハン
Original assignee: トータルソシエテアノニム; ズルツァープンペンアクチェンゲゼルシャフト
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1995-03-21
Publication date: 1997-10-28
Also published as: EP0752094B1; US5841020A; DE59501179D1; NO964012L; NO318914B1; NO964012D0; BR9507178A; WO1995026494A1; EP0752094A1; CA2186376A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、供給管（２）から導入される多相流体を混合し、その流量を測定するためのコンテナ（１）を使用する。流体の液状及びガス状成分はコンテナ中にて分離され、液体（１４）及びガス体（１０）として回収される。ガス容量（１０）及び液体容量（１４）の境界には、液面（１４ａ）が形成され、その瞬時の高さ（Ｚ）がセンサ（１３）によって測定される。コンテナ（１）中の流体は、更なる排出エレメント（８）に連結される少なくとも１つの排出エレメント（６）を備えた排出装置によって、同一の方向（２０ａ）にて再びコンテナ（１）から流出され、同時に混合される。第１の排出エレメント（６）は、液体の表面（１４ａ）に直交して配置され、かつ孔（７）を有し、該孔（７）は、コンテナ（１）が通常に操作された場合、幾つかは液面（１４ａ）の上にあり、幾つかは液面（１４ａ）の下にある。第１の排出エレメント（６）は、入口開口部（６）より排出エレメント（６）へ流入するガス状成分の流量を測定するために、入口開口部（６ａ）の近くに配置されたベンチュリノズル（９）を有する。ガス体（１０）中にはガス状成分の圧力を測定する圧力センサ（１１）が配置されている。測定値が供給された信号処理ユニット（２２）は、総流量、液状成分の流量及びガス状成分の流量を測定値から計算する。

Description

【発明の詳細な説明】多相ガス混合物を混合、測定、供給する装置及び方法本発明は、請求項１の前提部分に従って多相ガス混合物を混合、測定及び供給する装置に関するものである。本発明は、更に本発明に従う装置を操作する方法に関するものである。本発明はまた、本発明に従う装置あるいは本発明に従う方法によって操作される装置を備えたバッファタンク並びに供給装置に関するものである。多相ガス混合物は、例えば液状並びにガスあるいは揮発性成分のそれぞれを有する２流体成分のような、少なくとも２つの異なる相を構成している。ある方法においては、流体成分を混合あるいは均一にすること並びに液体の流れの流量を測定することが必要である。この種の混合物は原油源のボアホールから産生するものであり、該混合物は例えば種々のガス並びに原油から構成されており、それに水が含まれている場合もある。油井は、液状及びガス状成分の割合が短時間の間に広い範囲にわたって変化するという特性を有する。濃度計を使用する多相流体を混合及び測定する装置は、国際特許出願公開第９０／１３８５９号から公知である。この装置は例えば原油の供給において使用される。油井は、ガス、原油及び水から構成される混合物を供給し、該混合物の液状及びガス状成分の組成は、広い範囲にわたって変化する。公知の装置は、流体を流入するためのコンテナ並びに流体をコンテナから流出し、混合するための孔を備えた排液管を有する。コンテナは、流体の中間貯蔵並びにコンテナの下方部分に液状の流体成分を回収し、コンテナの上方部分にガス状の流体成分を回収する分離器として提供される。測定装置は、流量を測定するためにベンチュリノズルとともに、そして流体の流れの質量／密度を測定するために濃度計とともにコンテナの外側の排液管の次に設置されている。この公知の装置では測定装置がコンテナの外側に配置され、測定装置が通常Ｘ線あるいはガンマ線によって動作する濃度計を必要とし、従って複雑で、高価で、かつ煩雑であるという欠点を有する。本発明の目的は、コンテナの内側にある流体の流れの流量及び密度を簡便な方法にて測定することを可能にした多相ガス混合物の混合及び測定の装置並びに方法を提供することにある。本発明の更なる目的は、液状及びガス状成分の組成が変動する多相ガス混合物を供給するための多相ポンプからなる装置並びに多相ポンプによって多相ガス混合物を供給するための方法を提供することにある。この目的は、請求項１に記載の特徴に従う装置によって達成される。従属請求項２〜９は更に本発明の有効な実施形態に関するものである。この目的は更に、請求項１０に従う方法によって達成される。従属請求項１１及び１２は更に、有効な実施形態に関するものである。この目的はまた請求項１３に従う方法にて達成される。従属請求項１４〜１７は更に、有効な実施形態に関するものである。本発明は、コンテナから流体を排出するための排出手段を備えた除去装置を備えている。本発明に従うと、圧力はコンテナ中においてセンサによって測定され、特にガス状流体の圧力、除去装置あるいは排出手段中の圧力並びにコンテナ中における液体形成面のレベルが測定される。これらの測定値及び予め周知の排出手段あるいは除去装置のそれぞれの校正曲線に基づいて、信号評価装置によってガス状成分の流量、液状成分の流量並びに例えば２つの成分の流量の間の関係あるいは２つの成分の合計である総流量のような更なる特徴的な値を決定することを可能にする。本発明は、特に原油源から発生する多相流体の混合及び測定に適している。本発明の利点は、混合された及び／あるいは均一な流体の液状及びガス状成分の流量並びに平均比混合物密度が、圧力及び温度センサによる簡便な方法にて決定できるという点にある。測定装置は、組立が非常に簡単で、経済的かつメンテナンスが容易なものである。本発明の更なる利点は、測定装置が混合する前に流体を液状並びにガス状成分に分離するために提供されるコンテナに組み込むことができる点にある。コンテナは特に大容量を保持することが可能なように製造され、かつ液状及びガス状成分の組成における変動を補償するために中間貯蔵あるいはバッファタンクとして使用することができる。本発明の更なる利点は、測定装置がバッファタンク中に組み込むことが可能で、それにより、流れの方向に従って、供給装置、例えばポンプが必要に応じてコンテナの内側あるいは外側に配置されるという点にある。とりわけ、ポンプがバッファタンクの内部に組み込まれていることは油井の深海供給設備においては有効であることが明らかにされている。本発明の利点は、測定装置を用いて、多相混合物がポンプの補助により信頼できる方法にて供給され得るという点にある。ここにおいて供給処理の変数、例えば圧力値は、実際の値が所望の値に到達するように多相ポンプの回転速度を調整する本発明に従う方法を用いて、実際の値として測定され、かつ所望値として規定される。より高度の更なる調整は、多相ポンプの操作特性を考慮するために、例えば多相ポンプの有利な操作点を確実にするため、あるいはポンプ及び／あるいは駆動装置における衝撃荷重を制限するために、この実測−所望値調整に重畳される。本発明の更なる利点は、本発明に従う方法及び／あるいは本発明に従う装置が、油井においてボアホールの開口部に存在する圧力を低減及び／あるいは調整するために使用され得る点にある。それにより単位時間当たりに流出する量が影響を受ける。さらにそれにより油井の生産量が増大する。また更に、低圧時のみにボアホールから原油を産生する油井が経済的に得られる。本発明の更なる利点は多相ポンプが信頼のおける方法にて操作され、従ってトラブルの発生する度合いも低く、その結果例えば深海における掘削設備のように問題解決のためにアクセスすることが困難な場所において多相ポンプを使用することが可能になる点にある。本発明はいくつかの実施形態を参照にして図面において説明される。図１ａは、穴を有する排出手段及び複数のセンサを備えたコンテナを示す。図１ｂは、排出手段及びセンサ並びに一体化された供給装置を備えた更なるコンテナを示す。図２は、供給管からコンテナへの入口点の詳細部分を示す。図３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆは、除去装置／排出手段の種々の実施形態の長手方向の断面図。図４は、供給装置のブロック図。図５は、多相ガス混合物を多相ポンプにて供給するための更なる装置を示す。図１ａはコンテナを示し、そのコンテナに対して供給管２が入口開口部３にて開口し、かつ流れの方向２０ａに沿って流れる多相流体をコンテナ１に供給する。液状及びガス状流体成分は、液状成分がコンテナ１の下方部分において液体容量１４として回収され、かつガス状成分がコンテナ１の上方部分においてガス容量１０として回収されることによりコンテナ１中にて分離される。液面１４ａはガス容量１０及び液体容量１４の間の分離層を形成し、該液面１４ａの実際の高さＺが、基準高さＺ＝０にて定義されたセンサ１３にて測定され、それにより実際の高さＺ_Lは常に液面１４ａに該当する。例示した実施形態において、圧力センサがセンサ１３として使用され、これは更に当業者においては周知の実際の高さＺ_Lを測定するのに好適な測定方法とともに使用される。コンテナ１中の流体は、少なくとも１つの排出手段６並びにそれに続く排出手段８からなる除去装置６，８を介して流れの方向２０ａにおける流れに従ってコンテナ１から流出あるいは排出される。例示した実施形態において、排出手段６は液面１４ａに対して垂直に配置され、かつ通常の操作時において一部は液面１４ａの下にあり、一部は液面１４ａの上にある開口部７を有する。開口部７は特に液状成分の排出手段６への通路として提供され、個々の開口部７の直径は各種の大きさに選択可能であり、排出される液状成分の量及び液面１４ａの高さＺ_Lの間の関係が好ましいものになるように、高さＺの方向の開口部７の配置を選択することが可能である。開口部７の代わりに、排出手段６は例えばその幅が対応する液状成分の排出量を決定するような細長いスリットを備えた壁の部分を備えることも可能である。排出手段６は、その上端に入口開口部６ａを形成する開口部を備え、該開口部６ａよりガス状成分の大部分がガス容量１０から排出手段６に流入する。排出手段６はその入口開口部６ａの部分にベンチュリノズル９を有し、該ベンチュリノズル９は連結手段１２ａを介して圧力センサ１２に連結され、それにより入口開口部６ａから排出手段６に流入するガス状成分の流量が測定され得る。ベンチュリノズル９に代えて、例えば孔のようなガス状容量の流れを測定するための他の測定手段も勿論適している。例示した実施形態において、圧力センサ１１並びに温度センサ１５はガス状成分の温度とともにガス状成分の圧力を測定するためにコンテナ１の上端部においてガス容量１０の領域に配置されている。これにより、ガス状成分の圧力ｒｈｏが測定され得る。除去装置はまた、全てが排出手段８に開口するか、あるいは別々にコンテナから外へ導かれ複数の排出手段６を備えている。校正曲線は、ガス状成分の流量並びに液状成分の流量が実測値から計算されることによって、各々の排出手段６の排出特性についてあるいは全ての除去装置６，８のそれぞれについて決定される。例示した実施形態において示すように、液体の流入量によって引き起こされる液面１４ａの高さＺ_Lの変動を減衰し、かつ高エネルギー流体の噴出による損傷を回避するために、流れの方向２０ａにおけるコンテナ１の入口開口部３の後方に、液体あるいはジェット分散器４が配置されている。液体分散器４は、コンテナ１内のエレメント及び構造物におけるジャーク様ストレスを低減あるいは回避する。例示した実施形態において、流体の流れの方向２０ａは垂直方向に屈折されている。更に分離壁５がコンテナ１内に配置されており、液面１４ａの移動を減衰する目的にてコンテナの外壁１ａ及び入口開口部３の部分の分離壁５の間にチャンバ３３ａを形成している。このカーミングチャンバ（calming chamber）３３ａは、ガス容量１０及び液体容量１４の各々への少なくとも１つの通路を有し、それにより供給管２を介して流入する流体が容量１４へ入る。排出手段６は、カーミングチャンバ３３ａの外側に配置される。センサ１１，１２，１３及び１５にて測定される物理的パラメータは連結された信号線１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ，１５ｂを介して信号評価装置２２に送られ、該信号評価装置２２は信号を評価し、信号線２２ａ，２２ｂを介して計算された値を高レベルユニットあるいは表示機器に転送するためにコンピュータあるいはマイクロコンピュータをそれぞれ備え、かつ入力及び出力手段を備えている。コンテナ１は、供給管２を介して流入される多相流体を混合及び測定するために設けられている。多相流体は、コンテナ１中にてガス状及び液状成分に分離される。液状及びガス状成分が共に排出手段６に入り、そこで混合され、排出手段８を経てコンテナ１から排出される。流出する混合された流体中における液状及びガス状成分の混合比は、ガス容量１０のガス圧並びに液面１４ａの実際の高さＺ_Lに依存する。図１ｂは、既に記載されたコンテナ１を示し、このコンテナ１は付随的に二相ポンプ１９と、更にベンチュリノズル１７ａを備えている。排出手段６は排出手段８に開口し、該排出手段８はポンプ１９に開口し、次いでポンプ１９がベンチュリノズル１７ａに開口し、そこからコンテナ１を出ていく。ベンチュリノズル１７ａにおける圧力は圧力センサ１７にて測定され、信号線１７ｂを経てコンピュータ２２に供給される。均一化された多相流体の流量は圧力センサ１７の信号から計算される。ベンチュリノズル１７ａはまた、多相流体の流量を測定するために流れの方向２０ａに関してポンプ１９の前方に配置されている。ポンプ１９を駆動する駆動装置は同様にコンテナ１に組み込まれ、あるいはコンテナ１の外側に置かれ、この場合駆動装置がコンテナ壁１ａを貫通する駆動軸を介して二相ポンプ１９に連結されている。この配列の利点としては、ポンプ１９がコンテナの内側にあり、従ってコンテナ１によって保護される点にある。図２は液体分散器４の構造の詳細を示している。流れの方向２０ａにて供給管２より流入される多相混合物は、広い範囲にわたって液状及びガス状成分に関して変動し、それにより大量の液状成分が短期間の間に入口開口部３に導入される。液体分散器４はコンテナ１中の設備を損傷から保護するために流入流体を異なった方向に流れるように複数の分岐した流れに分離するために設けられている。例示された液体分散器４はコンテナの入口開口部３の後方に直接配置されるカバーエレメントを備え、該カバーエレメントは、例示した実施形態において孔３１を備えた円筒状部分３０並びに一方の端部にて部分３０を閉じるカバー部分３２を備え、部分３０は他方の端部にて入口開口部３と連結されている。分離壁５は液体分散器４の前方に置かれ、それによりカーミングチャンバがコンテナ壁１ａ及び分離壁５の間に形成される。コンテナ１に流入される流体のガス状及び液状成分は、例えば原油を供給する場合のように、ほぼ一時的な変動を引き起こされる。続く排出手段８あるいは除去装置６，８の各々におけるこれらの変動を低減するために、コンテナ１が中間貯蔵及び／あるいはバッファタンクとして提供されるようにコンテナ１の容積をデザインすることが可能である。これによって、排出される均一化された流体の密度のほぼ短期間の変動を回避することを可能にする。ボアホールの発生時に圧力が減少した場合、油井の生産量が増大することは周知である。従って本発明に従うコンテナ１の好ましい適用可能性としては、供給管２をボアホールに連結し、排出手段８の後方にポンプ１９を連結することであり、それによりコンテナ１の圧力が低減される。二相ポンプ１９は、排出手段８の後に配置されるのが好ましい。コンテナ１にて測定される多相流体の値は、二相ポンプを調整するための制御値として使用される。二相ポンプ１９のそれぞれの操作あるいは制御において、二相ポンプ１９に突然過負荷がかかるのを、あるいは二相ポンプ１９が例えば流れが中断されるような操作範囲のような許容されない操作範囲に入ることを回避するために、均一化された流体の平均混合物密度ｒｈｏ_mixは短時間の間に急激に増大しないことが必要となる。図３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ及び３ｆは、孔の開いたあるいは開口部７が設けられた除去装置６，８あるいは排出手段６の各種実施形態の長手方向の断面図を示す。装置は内部空間１０から流体を排出し、かつコンテナ１の外側に流体を排出し、あるいはコンテナ１の内側にある多相ポンプ１９へ誘導するために動作する場合、除去装置６，８と指定され、その際除去装置６，８は流体混合物をできるだけ均一にする働きを有する。除去装置６，８は排出手段６，８を備える。圧力は、除去装置６，８の各々あるいは排出手段６にある圧力センサ１２によって測定される。除去装置６，８あるいは排出手段６の実施形態の各々には校正曲線が測定され、該校正曲線は、除去装置６，８に流入するガス状及び液状流体成分の流量がガス容量１０の圧力と除去装置６，８の圧力の間との圧力差及び測定された液面の実際の高さＺ_Lから計算されることを許容する。図３ａ〜３ｆにおいて示された排出手段６，８は通常の操作状態を示す。通常の操作時に液面１４ａは、実際の液面の高さであるＺ_LがＺ＝０から最大の高さＺ_maxの範囲にて変動する。本発明に従う装置の通常操作時において、排出手段６は液状及びガス状成分を形成する液面１４を貫通する。図３ａに示した排出手段６の実施形態は、対応する圧力センサ１２を備えたベンチュリノズル９を有する。入口開口部６ａにベンチュリノズルがあることは、ガスの流れが比較的正確に測定できるという利点を有する。開口部７は、全ての開口部７が最大液体レベルＺ_maxにて液体に囲まれるよう配列されている。図３ｂは通常円形の横断面を有し、上端が完全に開口し、かつ圧力センサ１２が最大液体レベルＺ_maxの境界の僅か上方に配置された排出手段６の更なる実施形態を示す。図３ｃは、複数の開口部７を有する排出手段６の更なる実施形態を示す。例示された３つの実施形態は、排出手段６の多数の可能な実施形態のうちの一例である。図３ｄは、混合された流体の圧力が排出手段８の内部にて測定されるよう排出手段８に配列された圧力センサ１２を有する除去装置６，８の更なる実施形態を示す。図３ｅは、高さＺ＝０の位置に配置された圧力センサ１２を備えた排出手段６を示し、このように配置された圧力センサ１２が同様に排出手段８の内部にある混合された流体の圧力を測定する。図３ｆは、第１の固定部分６ｃ並びに垂直方向に移動可能な部分６ｂを備えた排出手段６の更なる一実施形態を示す。固定部分６ｃは、その頂部に案内部分６ｆ及び外壁に孔７を有し、底部は後続する排出手段８へ開口している。可動部分６ｂは、長手方向における２つの部分６ａ、６ｂの相互の位置を規定するために底部に案内部分６ｆを有する。フロート体６ｄは可動部分６ｂに装着され、かつフロート体６ｄの位置、及びそれによる可動部分６ｂの位置が液面１４ａのレベルＺ_Lを追従することから液状成分による浮力を受ける。２つのアバットメント（abutment）６ｅが可動部分６ｂの内部に配置され、該アバットメント６ｅが案内部分６ｆと作動的な接触をすることにより、可動部分６ｂの最大可能経路が差異ΔＨに制限される。可動部分６ｂは液状成分の通路となる孔７を有する。可動部分６ｂは、頂部にベンチュリノズル９及びセンサ１２を備えた入口開口部６ａを有する。フロート体６ｄの利点は、ガス状流体成分のみが入口開口部６ａから流入するので、測定装置によるガスの流れ（ガス状流体成分の流量）の正確な測定が入口開口部６ａにて可能になることを確実にする点にあり、この測定はまた例えば孔においても実施される。ここにおいてコンテナ１の内側に排出手段６が配置されているので、液状成分のみが孔７を通じて排出手段６に流入し、ガス状成分のみが入口開口部６ａを通じて排出手段６に流入し、それにより入口開口部６ａにおける測定装置は排出手段６に流入するガス状流体成分の総量を測定することになる。液面１４ａの高さＺ_Lの測定は、例示した実施形態においては長手方向における可動部分６ｂの移動を測定する経路センサによって実施される。既に述べられた装置の操作に適した流れている多相流体を混合及び測定する方法について、詳細を以下に述べる。排出手段６あるいは除去装置６，８の幾何学的実施形態の各々において、実験的な、あるいは計算による関係は、液面１４ａの高さＺ_L並びにガス状成分の流量Ｑ”の関数として液状成分の流量Ｑ’を決定することを可能にするために予め設定される。このために、実際に測定された液面１４ａの高さＺ_L及び理論上の液面１４ａの高さＺ_L,thの間の相互関係を示す相対液体レベルＦＬＬが定義される。理論上の高さＺ_L,thは、ガス状成分が排出手段６に流入しない場合、すなわち流量Ｑ”が０に等しい場合に排出手段６に存在する液面１４ａの高さを表している。ガスの速度ｃはガスの流れＱ”から計算される。排出手段６の幾何学的な実施形態の各々において、関係：ＦＬＬ＝ｆ（ｒｈｏ＊ｃ²）は、実験的に、あるいは計算によって（ＦＬＬは、（ｒｈｏ＊ｃ²）の関数である）設定される。この関係は、排出手段６の内径の大きさ並びに開口部７の配列及び直径その他に依存する。この方法を実行するために、ＲＯＭ及びＲＡＭを備えたプロセッサー並びに入力及び出力手段からなるコンピュータ２２が、信号線１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１５ｂを介してセンサ１１、１２、１３、１５の測定値を読みとり、計算値を表示し、あるいは信号線２２ａ、２２ｂを介して更なる装置に伝達するために使用される。コンテナ１に配置された排出手段６あるいは選択された配列の各々における校正曲線を示す実験的あるいは計算による関係ＦＬＬ＝ｆ（ｒｈｏ＊ｃ²）は、コンピュータ２２における記憶ユニットに記憶される。本発明に従う方法は以下の工程から構成される。１．流体が供給管２よりコンテナ１に導入され、実際の高さＺ_Lである液面１４ａが形成されながら、それぞれ液状及びガス状成分に分離される。２．液面１４ａの実際の高さＺ_Lは、例示した実施形態にて圧力センサとして実施されるセンサ１３によって測定される。３．排出手段６に流入するガス状成分の流量Ｑ”は、排出手段６の校正曲線から実際の高さＺ_Lを考慮しながら、ガス容量１０における圧力及び排出手段６あるいは排出手段８のいずれかにおける圧力間の圧力差から計算される。ガス状成分はまた、液面１４ａ上にあるこれら開口部７を通じて排出手段６に流入する。これらのガス状成分は、流量Ｑ”の計算において校正曲線から考慮される。４．ガス状成分の温度及び圧力は、ガス容量１０及びそこから計算されたガス密度ｒｈｏにおいて測定される。５．ガスの速度ｃが流量Ｑ”及びガス密度ｒｈｏから計算される。実験的なあるいは計算された関係ＦＬＬ＝ｆ（ｒｈｏ＊ｃ²）に基づいて、理論上の高さＺ_L,t _h が測定された高さＺ_Lから計算される。６．排出手段６に流入する液状成分の流量Ｑ’は、開口部７の配列を考慮しながら、排出手段６における理論上の高さＺ_L,thから排出手段の高さにわたる積分によって計算される。７．液状成分Ｑ’及びガス状成分Ｑ”の流量が明らかになると、以下の量が簡単に計算される。液状成分に対するガス状成分の比率：ＧＬＲ＝Ｑ”／Ｑ’ 混合物密度ｒｈｏ_mix Ｑ’及びＱ”の合計としての混合された流体の流量Ｑ_mix。８．液状及びガス状成分が排出手段６にて混合され、均一化され、それにより流体は均一化された状態でコンテナ１から排出される。本発明に従って、流量Ｑ”はまた、例えば図３ｆに例示されたノズル９あるいは他の開口部を介した圧力差測定のような、孔、入口ノズルから決定される。この測定はまた貫通流を測定するための他の装置によって実施される。除去装置６，８に流入するガス状成分の流量Ｑ”並びに液状成分の流量Ｑ’は、本発明に従う更なる方法によって計算される。この方法は、反復処理法による２つの未知の量を含む式を解くものである。未知の量はＱ’及びＱ”である。除去装置６，８の幾何学的形状並びにその実験的に決定された特性ＦＬＬ＝ｆ（ｒｈｏ＊ｃ²）は明らかになっている。更に流体成分の密度ｒｈｏ’は、ほぼ一定で既知であると仮定される。本発明に従う更なるこの方法は以下の工程から構成される。１．流体が供給管２よりコンテナ１に導入され、実際の高さＺ_Lである液面１４ａが形成されながら、それぞれ液状及びガス状成分に分離される。２．コンテナ１のガス容量１０におけるガス状成分の圧力並びに温度が測定され、この結果からガス密度ｒｈｏが計算される。３．液面１４ａの実際の高さＺ_Lが測定される。４．更に、除去装置６，８における均一化された流体の圧力が、例えば図３ｄに従うセンサ１２の配列において、あるいは図１ｂに従うベンチュリノズル１７ａにおいて測定される。この際ベンチュリノズル１７ａは、図１ｂに示す様に多相ポンプ１９の後方、あるいは多相ポンプ１９の前方に置かれる。５．Ｑ’及びＱ”間の容量比としての比αが仮定される。６．平均混合物密度ｒｈｏ_mixが容量比としての比αから計算される。この際、密度ｒｈｏ及びｒｈｏ’は既知である。７．均一化された流体の流量Ｑ_mixは、工程４において測定された圧力から測定（計算）される。８．ガス状成分の流量Ｑ”並びに液状成分の流量Ｑ’は比αを介して流量Ｑ_mix から計算される。９．ガス速度ｃは、流量Ｑ”，ガス密度ｒｈｏ及び除去装置６，８の幾何学的形状から計算される。１０．理論上の高さＺ_L,thは、関係ＦＬＬ＝ｆ（ｒｈｏ＊ｃ²）に基づいて測定された高さＺ_Lから計算される。１１．排出手段６にて示される理論上の高さＺ_L,thから、排出手段６に流入するガス状成分の流量Ｑ’が、開口部７の配列を考慮しながら、排出手段の高さにわたる積分によって計算される。１２．流体成分の流量Ｑ’及びガス状成分の流量Ｑ”間の新しい比α₁が計算される。１３．計算された比α₁は、仮定された比αと比較される。２つの比の差が予め設定可能な量よりも大きくなる場合、新たな比αが仮定され、反復が工程６の初めから再開される。あるいは反復が中断され、Ｑ’及びＱ”に対して求められた値が示される。液状成分Ｑ’並びにガス状成分Ｑ”の流量が明かになると、以下の量が簡単に計算される。液状成分に対するガス状成分の比率：ＧＬＲ＝Ｑ”／Ｑ’ 混合物密度rｈｏ_mix Ｑ’及びＱ”の合計としての混合された流体の流量Ｑ_mix。コンテナ１のガス容量１０におけるガス状成分の温度を測定することは、温度が他の手段によって既知であるか、一定である場合、省略され得る。図４は、供給管２よりコンテナ１へ流入する多相混合物を排出管８、多相ポンプ１９及びポンプ排出管２０を介して、流れの方向２０ａに沿って処理プラント２１に搬送するために、コンテナ１及び処理プラント２１間に配置された供給装置を示す。多相ポンプ１９は回転速度を測定するために、シャフト１８ａを介して駆動装置１８並びに装置２５に連結されている。例示した実施形態においては電気モータが駆動装置１８として使用されているが、例えば内燃機関のような他の駆動装置でも適用可能である。本発明に従う測定装置２６は、排出管８を通じて流れる多相混合物の流量Ｑ_Tを測定するために、流れの方向２０ａにおいてポンプ１９の前方に置かれている。更に、測定装置２６は液状成分の流量Ｑ’及びガス状成分の流量Ｑ”を測定し、それらは制御システム２２に転送される。この値から、制御システム２２が比ＧＬＲ＝Ｑ”／Ｑ’を計算する。処理変数は、測定装置２７によって実際の値Ｐ_Iとして測定される。入力及び出力手段をも備えた信号評価及び制御システム２２は、測定値ｎ，Ｑ_T及びＰ_Iを受け取り、駆動装置１８を制御するため、及び特に回転速度ｎを調整するために設定値Ｓを決定する。制御システム２２は、好ましくは設定値Ｓを計算するためのコンピュータあるいはマイクロプロセッサのいずれかを備えているとよい。多相混合物を供給するためにポンプ１９の調整に関して、各種の操作状態において際だった差異が見られる。第１操作状態：通常操作制御システム２２には設定可能な所望値Ｐ_Sが与えられる。処理変数は測定装置２７にて測定され、この所望値Ｐ_Iは制御システム２２に供給される。通常操作において、制御システム２２は、実際の値Ｐ_Iが所望値Ｐ_Sに対応するように設定値Ｓを介してポンプ１９の回転速度ｎを調整する。多相混合物の供給において、調整に適する複数の処理変数がある。流れの方向２０ａに関してポンプ１９の前方に置かれた装置１の多相混合物の圧力は、例えば図１ａに示すように実際の値Ｐ_Iを測定するための処理変数として好適である。装置１は、好ましくはバッファタンクとして使用される。更にこれに代わる処理変数としては、例えば流れの方向２０ａに関してポンプ１９の後方に置かれた装置２１の多相混合物の圧力、ポンプ１９を横切る圧力差あるいは流量Ｑ_Tが挙げられる。好ましい実施形態において、油井の産生口における圧力あるいはバッファタンク中の圧力はいずれも処理変数として使用され、実際の値Ｐ_Iとして測定され、かつ制御システムによってほぼ一定に保持される。所望値Ｐ_Sは、より高レベルのステアリングユニットあるいは操作する者によって変えられ得る。第２操作状態：許容できるポンプの操作範囲のモニタリングこの操作状態において、ポンプ１９の出力特性が、ポンプが許容できる操作範囲にて操作されることを確実にするために回転速度ｎの調整において考慮される。全てのポンプは、理想的な効率によって特徴づけられるいわゆる最高［効率］点（ＢＥＰ）を有し、この点にて供給される流量が理想供給フローＱ_TRとして定義される。幾何学的形状に加えて、最高［効率］点はポンプの回転速度ｎに依存する。実際の回転速度ｎの関数として理想供給フローＱ_TRの計算に必要なデータは、制御システム２２に記憶される。実際の流量Ｑ_Tは、理想供給フローＱ_TRから一定の値が逸脱するのみである。そうでなければ流れの中断、振動あるいは脈動がポンプ１９に発生する。これらの影響が発生する限界値がポンプ限界として示される。限界値はこれらの不利益な効果を避けるために実際の流量Ｑ_T以上に制御システム２２に対して規定される。例示した実施形態において、限界値は比Ｑ_T／Ｑ_TRで示される値ｑ^* _minによって制御システム２２に対して規定され、それによりＱ_TR及びｑ^* _minに対する値が規定された場合、流量Ｑ_Tminが決定される。制御システム２２は、連続的に新たな比Ｑ_T／Ｑ_TRを計算する。多相ポンプは、ポンプ限界が不足しないことを確実にするために限界値のみが常にモニタリングされるように操作される。加えて実際の値Ｐ_Iが制御システムによって調整される場合、限界値のモニタリングは、ポンプ限界が不足しないことを常に確実にするために実際の値Ｐ_Iの調整より高い優先順位にて実施される。限界値ｑ^* _min が不足する場合、ポンプ限界以上で多相ポンプを操作するために回転速度ｎが増大される。従ってこの場合、実際の値Ｐ_Iと所望値Ｐ_S間の差異は、その代わりに限界値を維持するために許容される。限界値は、例えばＱ_TRの８５％というような相対値として、あるいは例えば制御システム２２のＱ_minのような絶対値として特定され得る。多相ポンプの許容される操作範囲は更に、回転速度ｎに依存する最大許容流量Ｑ_maxによって制限される。比Ｑ_T／Ｑ_TRが更なる限界値ｑ^* _maxとして定義されるので、Ｑ_TR及びｑ^* _maxの値が規定された場合、流量Ｑ_Tmaxが決定される。制御システム２２は、規定された限界値ｑ^* _maxを越えた場合、回転速度ｎを低減するように限界値ｑ^* _maxをモニタリングする。この方法において、多相ポンプにおける操作範囲は、２つの限界値ｑ^* _min及びｑ^* _maxによって規定される。多相混合物を供給するためのポンプ１９の調整において、更なる操作状態がモニタリングされる。第３操作状態：出力のモニタリングＧＬＲ比がより大きい、あるいは低い混合物密度のいずれかにおいて特に発生するような高い回転速度ｎをポンプが有する場合、混合物密度が許容不可能な方法にて増大する場合にはすぐに回転速度ｎを低減する必要がある。特に混合物密度が急激に上昇した場合、駆動装置１８が過負荷となり、許容されるトルクが大きくなりすぎ、あるいはポンプが例えばベアリング、スクープまたはブレードにおいて損傷を受けるという危険性が存在する。駆動装置１８によって伝達される出力のモニタリングは、供給装置を機械的損傷から保護する役割を果たす。伝達された出力は、例えば電気モータ１８によって消費される出力を測定することによって測定され得る。伝達された出力は、回転速度ｎの関数、あるいはＧＬＲ比の関数として概算することができる。図１ｂに示す実施形態において、制御システム２２は、該制御システム２２がＧＬＲ比から最大許容出力を得ることによって、かつ最大出力Ｐ_maxを越えた場合制御システム２２が回転速度ｎを減ずることによって、高い優先順位にて出力をモニタリングする。ポンプ限界のモニタリング並びに実際の値Ｐ_Iの調整は低い優先順位にて起こる。図５は、バッファタンク１を備えた本発明に従う装置を示す。供給管２は油井のボアホールに連結され、オーバーフローした多相混合物が流れの方向２０ａに沿ってバッファタンク１に流入する。バッファタンク１にて液状及びガス状成分が分離され、液面１４ａによって互いに分離された液体容量１４並びにガス容量１０を形成する。孔７を有する排出手段６が液面１４ａを貫通し、液状及びガス状成分の両方が排出手段６及びそれに続く排出手段８を経て多相ポンプ１９に到達し、続くポンプ排出管２０を経て処理プラント２１に到達する。排出手段６は、流入するガスの流れを圧力センサ１２にて測定するためにベンチュリノズル９を備えた入口開口部６ａを有する。更に、圧力センサ１１はガス容量１０の圧力を測定するためにバッファタンク１に装着され、ガス容量１０の温度を測定するために温度センサ１５、並びに液面１４ａの実際の高さＺ_Lを測定するために圧力センサ１３がバッファタンク１に装着されている。測定値は電気的信号線１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１５ｂを介して制御システム２２に供給される。測定値から、制御システム２２は、例えば流量Ｑ_T、液状成分の流量Ｑ’、ガス状成分の流量Ｑ”あるいは実際の値Ｐ_Iのような調整に必要な値を計算する。必要な測定値はバッファタンクにて直接測定される。このことは、ポンプ１９が必要に応じてバッファタンク１の内側あるいは外側に配置され得るという利点となる。さらに制御システム２２は、第２の測定によって流量Ｑ_Tの測定の精密度を高めるために、回転速度測定装置２５によってポンプ１９の回転速度ｎを、出力測定装置１６にてポンプ１９に伝達された出力を、そして圧力センサ１７を伴うベンチュリノズル１７ａによって実際の流量Ｑ_Tにおける測定値を測定する。測定値は、電気的信号線１６ｂ、１７ｂ、２５ｂを介して制御システム２２に供給され、制御システム２２によって処理され、制御変数Ｓの計算に使用され、そして信号線１８ｂを介して駆動装置１８に供給される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９５年１２月２１日【補正内容】明細書多相ガス混合物を混合、測定、供給する装置及び方法本発明は、請求項１の前提部分に従って多相ガス混合物を混合、測定及び供給する装置に関するものである。本発明は、更に本発明に従う装置を操作する方法に関するものである。本発明はまた、本発明に従う装置あるいは本発明に従う方法によって操作される装置を備えたバッファタンク並びに供給装置に関するものである。多相ガス混合物は、例えば液状並びにガスあるいは揮発性成分のそれぞれを有する２流体成分のような、少なくとも２つの異なる相を構成している。ある方法においては、流体成分を混合あるいは均一にすること並びに流体の流れの流量を測定することが必要である。この種の混合物は油井のボアホールから産生するものであり、該混合物は例えば種々のガス並びに石油から構成される混合物であり、それに水が含まれている場合もある。油井は、液状及びガス状成分の割合が短時間の間に広い範囲にわたって変化するという特性を有する。多相ガス混合物を測定するための既知の装置は、基本的に異なる測定方法を有する２つのグループに分けられる。多相ガス混合物の組成が濃度計によって直接測定されるか、あるいは多相ガス混合物を液状流体成分及びガス状流体成分に分離し、各々の流体成分が別々の測定装置によって測定される。濃度計を使用する多相流体を混合及び測定する装置は、国際特許出願公開第９０／１３８５９号から公知である。この装置は例えば原油の供給において使用される。石油源は、ガス、石油及び水から構成される混合物を供給し、該混合物の液状及びガス状成分の組成は、広い範囲にわたって変化する。公知の装置は、流体を流入するためのコンテナ及び流体をコンテナから流出し、混合するための孔を備えた排液管を有する。コンテナは、流体の中間貯蔵並びにコンテナの下方部分に液状の流体成分を回収し、コンテナの上方部分にガス状の流体成分を回収する分離器として提供される。測定装置は、流量を測定するためにベンチュリノズルとともに、そして流体の流れの質量／密度を測定するために濃度計とともにコンテナの外側の排液管の次に設置されている。この公知の装置では測定装置がコンテナの外側に設置され、測定装置か通常Ｘ線あるいはガンマ線によって動作する濃度計を必要とし、従って複雑で、高価で、かつ煩雑であるという欠点を有する。多相ガス混合物をガス状流体成分並びに液状流体成分に分離し、かつ両成分を別々に測定する多相流体を測定するための更なる装置は、イギリス特許出願公開第２，０８９，０４９号にて公知である。この装置は、中間貯蔵として使用されるコンテナに加えて液状流体成分を測定する装置を収容するための比較的広いスペースが必要とされるという欠点を有する。特に容積の大きな測定シリンダが必要である。更に測定装置は、幾度もメンテナンスが必要である移動可能な軸受けされたフロートを必要とする。本発明の目的は、コンテナの内側にある流体の流れの流量及び密度を簡便な方法にて測定することを可能にした多相ガス混合物の混合及び測定の装置並びに方法を提供することにある。本発明の更なる目的は、液状及びガス状成分の組成が変動する多相ガス混合物を供給するための多相ポンプからなる装置並びに多相ポンプによって多相ガス混合物を供給するための方法を提供することにある。この目的は、請求項１に記載の特徴に従う装置によって達成される。従属請求項２〜９は更に本発明の有効な実施形態に関するものである。この目的は更に、請求項１０に従う方法によって達成される。従属請求項１１及び１２は更に、有効な実施形態に関するものである。この目的はまた請求項１３に従う方法にて達成される。従属請求項１４〜１７は更に、有効な実施形態に関するものである。本発明は、コンテナから流体を排出するための排出手段を備えた除去装置を備えている。本発明に従うと、圧力はコンテナ中においてセンサによって測定され、特にガス状流体の圧力、除去装置あるいは排出手段中の圧力並びにコンテナ中における液体形成面のレベルが測定される。これらの測定値及び予め周知の排出手段あるいは除去装置のそれぞれの校正曲線に基づいて、信号評価装置によってガス状成分の流量、液状成分の流量並びに例えば２つの成分の流量の間の関係あるいは２つの成分の合計である総流量のような更なる特徴的な値を決定することを可能にする。本発明は、特に原油源から発生する多相流体の混合及び測定に適している。本発明の利点は、混合された及び／あるいは均一な流体の液状及びガス状成分の流量並びに平均比混合物密度が、圧力及び温度センサによる簡便な方法にて決定できるという点にある。測定装置は、組立が非常に簡単で、経済的かつメンテナンスが容易なものである。本発明の更なる利点は、測定装置が混合する前に流体を

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＢＲ，ＣＡ，ＪＰ，ＭＸ，ＮＯ，ＵＳ【要約の続き】はガス状成分の圧力を測定する圧力センサ（１１）が配置されている。測定値が供給された信号処理ユニット（２２）は、総流量、液状成分の流量及びガス状成分の流量を測定値から計算する。

Claims

【特許請求の範囲】１．少なくとも１つの液状及び１つのガス状成分を有する多相流体を混合及び測定する装置において、液状及びガス状成分を分離するためのコンテナ（１）と、コンテナ（１）に開口する供給管（２）と、流体を排出するための除去装置（６、８）と、除去装置が通常操作時に液状及びガス状成分の間に形成する液面（１４ａ）を貫通するように配列された孔（７）を備えた排出手段（６）を有することとを備え、センサ（１１）がコンテナ（１）の圧力値を測定するために設けられ、センサ（１２）が除去装置（６，８）の圧力値を測定するために設けられ、少なくとも１つのセンサ（１３）が液面（１４ａ）の高さ（Ｚ_L）の値を測定するために設けられ、センサ（１１，１２，１３）が、少なくともガス状成分の流量（Ｑ”）並びに液状成分の流量（Ｑ’）を測定値から計算するために、信号線（１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ）を介して信号受信評価システム（２２）に接続されていることを特徴とする装置。２．請求項１に記載の装置において、排出手段（６）が、通常操作時において液面（１４ａ）の上方に位置する入口開口部（６ａ）を有し、かつセンサ（１２）を備えた貫通流測定装置（９）が入口開口部（６ａ）に配置されていることを特徴とする装置。３．請求項１あるいは２に記載の装置において、除去装置が複数の排出手段（６）を有し、センサ（１２）が少なくとも１つの排出手段（６）に配置されていることを特徴とする装置。４．請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置において、センサ（１１）及び温度センサ（１５）が液面（１４ａ）の上方に存在するガス状成分をモニタリングし、それによりガス状成分の密度が決定されることを特徴とする装置。５．請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置において、供給管（２）が入口開口部（３）にてコンテナ（１）に入り、入口開口部（３）がカバーエレメント（３４）によって閉じられ、カバーエレメント（３４）が流入する流体を異なる方向に流れる複数の分岐した流れに分割するための複数の孔（３１）を有することを特徴とする装置。６．請求項５に記載の装置において、カバーエレメントが孔（３１）を有する円筒状部分（３０）並びに一端にて前記部分（３０）を閉鎖するカバー部分（３２）を備え、該部分（３０）は他方の端部にて入口開口部（３）に連結されていることを特徴とする装置。７．請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置において、分離壁（５）がコンテナ壁（１ａ）及び分離壁（５）の間に中間の空間（３３ａ）を形成するようにコンテナ（１）に配置され、分離壁（５）がコンテナ（１）の残りの内側空間への通路を有し、入口開口部（３）が液面（１４ａ）の変動を低減するために中間の空間（３３ａ）へ開口しており、排出手段（６）が中間の空間（３３ａ）の外側に存在することを特徴とする装置。８．請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置において、排出手段（６）が、排出手段（８）を介してコンテナ（１）の内側あるいは外側に配置されるポンプ（１９）に連結されていることを特徴とする装置。９．請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置において、貫通流測定装置（１７ａ）が、混合された流体の流量（Ｑ_mix）を測定するために、流れの方向においてポンプの前方あるいは後方に配置され、該貫通流測定装置（１７ａ）がコンテナ（１）の内側あるいは外側に配置されていることを特徴とする装置。１０．流れを有する多相流体を混合及び測定する方法において、液体がコンテナ（１）に流入され、かつ液状及びガス状成分に分離され、同時に液面（１４ａ）が形成され、液状及びガス状成分がコンテナ（１）の外に流出され、かつ孔（７）を備えた排出装置（６）を有する除去手段（６，８）を介して混合され、液面（１４ａ）の実際の高さ（Ｚ_L）がセンサ（１３）によって測定され、コンテナ（１）のガス状成分の圧力がセンサ（１１）によって測定され、除去装置（６，８）の圧力がセンサ（１２）によって測定され、液状成分の流量（Ｑ’）及びガス状成分の流量（Ｑ”）が、除去装置（６，８）の校正曲線が記憶された信号評価装置（２２）によって測定値から計算されることを特徴とする方法。１１．請求項１０に従う方法において、コンテナ（１）のガス状成分の温度が測定され、かつそれらの密度（ｒｈｏ）がその値から計算されることを特徴とする方法。１２．請求項１０あるいは１１のいずれか１項に記載の方法において、流量（Ｑ’）及び（Ｑ”）から、ガス状成分の流量（Ｑ”）及び液状成分の流量（Ｑ’）間の比が計算され、混合された流体の平均ガス密度（ｒｈｏ_mix）が計算され、あるいは混合された流体の流量（Ｑ_mix）が計算されることを特徴とする方法。１３．多相ポンプ（１９）及び請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置によって多相混合物を供給する方法において、処理関連値の所望値（Ｐ_S）が規定され、処理関連値の実際の値（Ｐ_I）が測定され、多相ポンプ（１９）の回転速度（ｎ）が測定され、理想的な流量（Ｑ_TR）が回転速度（ｎ）に依存する多相ポンプ（１９）の特徴的なデータから計算され、多相ポンプ（１９）によって供給される多相混合物の流量（Ｑ’，Ｑ”，Ｑ_T）が測定され、通常操作時において、実際の値（Ｐ_I）が所望値（Ｐ_S）に近づくように回転速度（ｎ）が調整され、Ｑ_T／Ｑ_TR比が予め決定可能な限界値（ｑ^* _min）よりも低下する場合、回転速度（ｎ）が増大され、Ｑ_T／Ｑ_TR比が予め決定可能な限界値（ｑ^* _max）を越える場合、回転速度（ｎ）が低減されることを特徴とする方法。１４．請求項１３に記載の方法において、所望値（Ｐ_S）が以下のパラメータ、すなわち、流れの方向（２０ａ）に対して、多相ポンプ（１９）の前方に置かれた装置（１）における多相混合物の圧力、流れの方向（２０ａ）に対して、多相ポンプ（１９）の後方に置かれた装置（２１）における多相混合物の圧力、多相ポンプ（１９）にかかる圧力差、あるいは流量（Ｑ_T）、のいずれか１つから構成されていることを特徴とする方法。１５．請求項１３あるいは１４に記載の方法において、比率Ｑ’／Ｑ”に対応するＧＬＲ比が液状成分の流量（Ｑ’）及びガス状成分の流量（Ｑ”）から計算され、ＧＬＲ比が予め決定可能な値を下回る場合、回転速度（ｎ）が低減されることを特徴とする方法。１６．請求項１３〜１４のいずれか１項に記載の方法において、駆動装置（１８）によって多相ポンプ（１９）に伝達される出力（Ｐ）が測定され、かつ、伝達された出力（Ｐ）が予め決定可能な値（Ｐ_max）を越える場合、回転速度（ｎ）が低減されることを特徴とする方法。１７．請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法において、多相ポンプ（１９）の回転速度（ｎ）は、第１の優先順位において、伝達された量（ＧＬＲ）あるいは電力（Ｐ）の限界値が維持され、第２の優先順位において、限界値（ｑ^* _min）がポンプ限界を下回らないように維持され、第３の優先順位において、限界値（ｑ^* _max）が許容される流量（Ｑ_max）を越えないように維持され、第４の優先順位において、所望値（Ｐ_S）が維持される、ように調整されることを特徴とする方法。１８．請求項１〜９のいずれか１項に従う装置、あるいは請求項１０〜１７のいずれか１項に従う方法によって操作される装置を備えたバッファタンクあるいはポンプ（１９）を有する油井における深海供給プラントあるいは陸上供給プラント。