JPH11512831A - 管内三相流体流の監視方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 パイプライン（１２）もしくは他の流路内の多相流体流が、流れ形態探査機の組合せを用いて監視される。一つのセットの探知機が流体の界面間にある境界面を監視し、他の探知機が流路の円周まわりにある他の流体相の存在を監視する。２つのセンサ・リング・セット（14，16）の間における相境界面の変化を、流路の周囲に間隔を置いて配置された複数のセンサ（20，22，24，26）を用いて探知し、また流路を横切る流体の流れの形態を、環状の静電容量探知機を用いて探知することにより、流体流量の相対体積が測定できる。前記センサ・リングは、通常、相境界面を探知するために超音波変換器（28，30，32，34）を用い、一方静電容量装置は流路（12）円周まわりの異なる相の存在（もしくは不存在）を探知する。異なる探知機のアウトプットを合わせることにより、その流路内の流れ現象の徴候が得られる。ラインの流量は、環状の静電容量装置と共に、流路の周囲に均等間隔に同心円状に配置された熱線流速計のセット、もしくは同心円状に配置されたサーモパイル（熱電対列）のセットを使って、直接測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 管内三相流体流の監視方法 本発明は、体積および流量の測定、より具体的には、油井坑やパイプライン内 の液状炭化水素、水および気体を含む多相流体の体積と流量の測定に関する。 現在の実態は、単一相の流れの測定は、浮遊固体粒子を含む液体中のドプラー 効果など超音波を使用して、およびガスフローゲージなど各種の回転体を使用し て測定されている。二相液体流も、液体と液体の境界面の位置を正確に把握する コントローロトロン（登録商標）超音波ゲージなど、超音波を利用して測定でき る。貫入静電容量ゲージも、パイプ内の液体組成を判別するのに用いられる。最 後に、先行技術では、超音波が気体流中の液体スラグ、または液体流中の気体ス ラグなど、スラグ流の認知にも使用されている。 米国特許第４，２１５，５６７号（Ｖｌｃｅｋ）は、導管を通って流れるオイ ル、水、気体からなる採掘流をテストし、その流れの中のオイル、水、気体の比 率を測定する方法と装置に言及している。採掘流試料が試料ラインから試料容器 へ汲み込まれ、そこで熱せられて保留時間の間留まり、試料はオイルと水の層に 十分に分離される。試料から発生した気体は、容器から排出される。保留時間終 了時、試料は試料ラインを通して導管にポンプで返送される。試料が同ラインを 流れる間に、試料のオイルと水の比率を測定するために、試料のオイルおよび水 の含有量と試料の体積が測定される。また、試料ラインから試料容器にポンプで 送り込まれる際に試料の体積が測定され、この体積と、試料が導管に返送される 際の体積とを比較することによって、その試料の気体一液体比率が測定できる。 米国特許第３，２４６，１４５号（Ｈｉｇｇｉｎｓ）は、液体の相対密度を測 定するシステムに言及している。このシステムは、テスト目的のために液体を入 れるテスト容器を含んでいる。放射線源がその容器の一方に位置して、容器越し に容器内部の液体を透過する放射線を投射し、放射線探知機がその容器の反対側 に位置して、容器と液体を透過した放射線を探知する。放射線源と探知機との間 にある容器の壁の少なくとも一部は、低エネルギーの放射線が比較的透過しやす い材料からなっている。この構造により、低エネルギーの放射線は、自由に放射 線源から液体へ、液体から探知機へと透過することができる。所定の低エネルギ ー幅にのみ感応するエネルギー識別機がその探知機と接続され、更に識別機には その低エネルギー幅内で探知された放射線の指標を記録するための記録機が接続 されている。 先行技術が答えていない問題は、単一流路内のオイル、水、気体の組合せなど の三相流の測定をすることである。今日、この機能を果たすことができる監視装 置は存在しない。したがって本発明の目的は、三相流の測定をする装置と、そし てパイプ内の流れの状態が、スラグ流か、成層流か、環状流かを判別する装置を 提供する事にある。 本発明は、三相流、すなわち単一流路内の炭化水素、水、気体の三つの流体相 の流れを、パイプを通して測定することに関する。これらの装置は、オイルやガ ス凝縮物を産出する現場の油井坑もしくはその近くに据え付けられ、各油井坑か ら出る各相の成分比率を常時監視する。複数の油井坑の混合流は大きな径の集約 ラインに送られ、分離装置により沖合のプラットホームもしくは陸上の設備へと 導かれる。グループ分けされた複数の油井からの集約した流れは、分離装置で監 視することができ、各流体比率は油井毎に計算される。この方法で、各油井の日 常の監視が行われ、各流体の流れ形態の変化が記録される。水、気体など不要流 体物の増加がある問題油井は、容易に判別でき、その油井への対応策を取ること ができる。本発明は、超音波と静電容量の流体測定技術を使用している。 本発明によれば、流路内の多相流体流を測定する装置は、流路内の相境界面を 探知するため流路周囲に均等間隔で配置されたセンサ探知機のリングと、流路周 りおよび断面の流体の流れの形態判別のための環状静電容量探知機とからなる。 本発明の好ましい実施態様は、二つの超音波センサのリングと、一つの静電容 量プレートのリングからなる。この超音波リングは、４つの変換機で構成するこ とができ、各変換機は、パイプの頂部、パイプの底部、そしてその頂部および底 部にある変換器と完全に直交するパイプ両側面の中間点に、それぞれ配置される 。 各変換器の配置と二つのリングの場所は、パイプ内の気体−液体および液体−液 体境界面の場所と動きに関する所望の情報を提供する。 前記静電容量リングは、パイプ内の管壁に極めて近い位置に同心円状に配置さ れた、一対の静電容量プレートとすることができる。もし適当な材料が使われて いるなら、管壁そのものを静電容量プレートとして使うこともできる。前記静電 容量リングは、パイプ円周に沿って約１２の円弧部に電気的に分離されていても よい。各円弧部は、環のその部分を流れる流体の誘電率を表示し、その流体の成 分が水か、液状炭化水素か、又は気体かを判別するのに使われる。この静電容量 プレートは、流入する流体に対しても開放されている。このため流入する流体の 誘電率を測定し、流路を横切る炭化水素から水を、そして恐らく気体からオイル を区別することができる。この静電容量の測定値は、静電容量表示機によって表 示される。超音波センサからのアウトプットと併せて、この静電容量測定値は、 流路内で生じている流体の流れの形態と、流体流の相対体積比率を示す。 本発明を用いた、三相の内部流量測定結果をグラフ化することによって、各油 井坑における各流体の相対比率を測定することができる。採掘現場の分離機で監 視される全採掘量に対するこの三つの流体の比は、油井坑の各相の生産量を常時 監視するために使用される。 図面 図１は、二つの超音波変換器のリングと、その二つの超音波変換器のリングの 中間に静電容量リングを有するパイプの一部分を示す。 図２は、図１の静電容量リングの詳細を示す。 図３は、四つの超音波変換器と、一つの静電容量リングをもつパイプであって 、パイプ中央にガス、その周りに液状炭化水素と水のあるパイプの断面を示す。 図４は、パイプ下側に水、その上に液状炭化水素と気体が流れる成層流を示す 。 図５は、図１に示した水、液状炭化水素、気体スラグのあるパイプで、パイプ 内にスラグ流状態が発生する予兆を示している。 詳細説明 図１には、パイプの区分１２に、三つの測定センサ・リング1４，１６，１８ をもつ多段監視ツールが示されている。測定センサ・リング１４，１６，１８は 、好ましくは、パイプラインへの敷設前にパイプ区分１２内側に設置される。代 替法としては、各センサ・リングがパイプ区分１２の内部に搭載され、これが後 に繋ぎ合わされてもよい。このパイプは水平位置に示されているが、例えば縦方 向、水平と縦の中間傾斜方向など、角度がついたパイプであってもこのツールは 機能する。 測定センサ・リング１４は、超音波変換器２０，２２，２４，２６を、また測 定センサ・リング１６は、超音波変換器２８，３０，３２，３４を有し、それぞ れのセットは、パイプ区分１２の頂部、両側部、底部に、相互に直交するように 搭載される。これらセンサは、図３と４に、より詳しく示されている。これらの センサ・リングは、もっと多くのセンサを、例えば超音波センサ・リングが、パ イプの内部円周上で頂上部から始めて等間隔に８から１６個のセンサを有してい てもよい。各変換器の配置と、二つのリングの場所は、そのリングの場所におけ る、パイプ内の気体／液体／液体間の位置と変化に関する所望の情報を提供する 。 第３の測定センサ・リング１８は、静電容量プレート３６と３８の同心円状の セットで、図１のパイプ区分１２の中央部、および図２に示されている。測定セ ンサ・リング１８の拡大が図２に示されている。静電容量プレート３６と３８の 同心円状の構成には、いくつかの非導電性の仕切４０があり、このためリング周 りにいくつかの個別の静電容量円弧部４２−６４が構成される。本発明では１２ 個の円弧部があるが、本発明の他の実施態様では、それより多い、もしくは少な い円弧部とすることもできる。例えば、パイプ環内の各流体相の領域範囲を測定 する目的に使用される静電容量プレートの同心円状のセットでは、必要とされる 感度に応じて８から２４個の個別の円弧部に分けることができる。各円弧部は静 電容量を表示、これが環内のその部分を流れる流体の誘電率を示し、これによっ てその地点における流れの流体成分が水か、液状炭化水素か、気体かの指標を提 供する。 図１では、超音波測定センサ・リング１４と１６、および静電容量測定センサ ・リング１８の各測定センサから出る配線が、中央施設（図示せず）にあって測 定センサ設備を監視するコンピュータ１９に接続されている状況を示す。測定セ ンサ・リング１４，１６，１８から得られたセンサ・データは、各流体相毎にパ イプ区分１２の断面領域についての正確な測定結果を提供する。このような一連 の断面状況の積み重ねにより、相対体積を得ることができる。全油井の混合流を 、その設置場所において（恐らく集中設備の分離装置において）測定する事によ り、本発明を用いて、各流体別の油井毎の相対寄与度を計算することができる。 採掘油井坑においては、多くの異なる流れの状態がみられるであろう。図３は 、環状流の認知と監視に応用される測定理論を示す。環状流は通常は気体比率や 全体の生産率が高いときに発生する。気体がパイプ内の中央部を流れ、液体がそ の気体の気泡と管壁の中間にできる環状部内を流れる。 環状流において、図３に示す状況の時には、パイプ内壁周りの静電容量プレー トは、３６０度いずれも水であることを示す。図において、気体が無地、液状炭 化水素が左上がりの斜線、水が右上がりの斜線で示されている。気体／液体の境 界面は、変換器からの超音波信号で探知することができる。境界面では非常に強 い反射が起こるので、変換器から境界面へ行って帰る走査時間は容易に測定され る。より難しいのは、気体と変換器の間にあるオイルと水の液体／液体の相境界 面である。この境界面は、二相液体流内の超音波技術の使用により検出される。 本発明により、したがってパイプ内三つ全ての流体により占められる相対領域を 判別できる。 この領域の変化率を監視し、回収場所での合計の体積率を得ることにより、さ かのぼって三相の相対流量と、時間経緯に対するその変化を知ることができる。 図４は、成層流の例を示す。この流れの状態は、静電容量リングと超音波セン サの両者を使用して探知、測定することができる。静電容量により、管壁または 他の流路壁面のどの部分を気体、水、液状炭化水素が占めているのかが判別でき る。超音波センサも診断的な機能を果たす。頂部の変換器３２は、気体を介して 音波を伝播させる事ができない。側面の変換器３０と３４も、気体／液体境界面 がたまたま各変換器と垂直になっていない限り、恐らく応答信号を受信すること はない。これに対して底部変換器２８は、気体／液体境界面の明確な信号を得る はずである。変換機２８が発信し、受信した信号と、静電容量データとが、領域 の算定を可能にする。 本発明の代替実施態様は、気体／液体境界面をより良くイメージするために、 測定センサ・リング１４に、より多くの超音波変換器を設けることである。例え ば、図示したような成層流を正確にイメージするには、多分６，８或いは１０も の変換器が必要かもしれない。 図５は、パイプ１２内のスラグ流状態を示す。ここでも静電容量リング１８は 液体／液体境界面の位置に関する情報を提供し、超音波測定センサ・リング１４ と１６は、パイプに沿って動く気体スラグを探知する。測定センサ１４と１６と の間の正確な距離を知ることで、流れの気体部分の更なる容量算定ができる。 本発明の他の実施態様は、特に環の外周の縁近傍から、流体の流量を直接測定 するようにデザインすることである。例えば、第１静電容量リングの近傍に第２ 静電容量リングを設ければ、液体の急激な僅かの目盛り変化を示し、これはその スピードを表す。例えば、波打つ液体対液体、気体対液体の境界面は環に沿って 進み、その速度は測定可能である。もう一つの実施態様は、変換器付きの第１測 定センサ・リング 14 のすぐ上流に、スパーカを設置することである。短時間の 気泡噴出を生み、測定センサ・リング14と16の間でその気泡が液体と一緒に流れ る時間を測定する。これにより、液体の速度が測定できる。いいかえれば、第１ センサ・リングのすぐ上流でパイプの底部にスパーカが設置され、流体流の中に 一連の気泡を発生させれば、その気泡の流れはリングを通過するときに監視され 、これで流量が計算される。 本発明の更に精巧な実施態様は、温度センサと熱線流速計の複数のリングを設 け、各場所での温度と、一連の熱線の冷却量を監視することにより、流量を直接 計算することである。これらセンサの配置は静電容量リングと同様で、それと共 同で機能する。この複数センサのリングは、パイプ環内の各流体相の流量を測定 するための同心円状の熱線流速形もしくはサーモパイル（熱電対列）のセットを 含むことができる。この熱感応リングは、必要な感度に応じて、８から24の個別 の静電容量円弧部に分割される。この実施態様では、パイプの環内流体温度を監 視する温度感応探針セットを含むこともできる。この温度測定と、請求項 10 に 示す温度低下率を合わせて，その流体の流量を得ることができる。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年１２月１７日 【補正内容】 請求の範囲 １． 流路内の複数の流体境界面を探知する、流路周囲に均等間隔にセンサを有 するセンサ・リング手段と、流路を横切る流体の流れの形態を判別する環状の静 電容量探知機と、 を有する流路内の多相流体流を測定する装置。 ２． 前記センサ・リング手段が、流路内の複数の流体境界面の変化を探知する 、流路に沿ってお互いに距離をおいて配置された２セットのセンサ・リングを含 む、請求項１に係る装置。 ３． 前記センサ・リングが超音波変換器を有する、請求項１もしくは２に係る 装置。 ４． 前記環状の静電容量探知機が、流路内の各流体相の領域範囲を測定する目 的で同心円状に配置された静電容量プレートのセットを含む、請求項１から３の いずれかに係る装置。 ５． 前記静電容量プレートが、予め定められた数の個別の静電容量円弧部に分 割されている、請求項１に係る装置。 ６． 前記２セットのセンサ・リングの内の１つのセンサ・リングの上流で、流 路の底部に配置された、流体流の中に一連の気泡を発生させるスパーカを更に含 む、請求項２に係る装置。 ７． 流路内の流量を測定する、同心円状に配置された熱線流速計セット、もし くは同心円状に配置されたサーモパイル・セットを含む、請求項１から６のいず れかに係る装置。 ８． 流路内の多相流体流を測定する方法であって、 流路の周囲に配置された複数のセンサを持つセンサ・リングにより、第１場所 において多相流体流内の複数の流体境界面を判別するステップと、 流路の周囲に配置された複数のセンサを持つセンサ・リングにより、下流側の 第２場所において多相流体流内の複数の流体境界面を判別するステップと、 前記第１場所から前記第２場所への複数の流体境界面の変化を探知するステッ プと、 環状の静電容量探知機を用いて、流路を横切る流体の流れの形態を判別するス テップと、 からなる方法。 ９． 同心円状に配置された静電容量プレート・セットにより、流路内の各流体 の領域範囲を測定することにより、流路を横切る流体の流れの形態を判別する、 請求項８に係る方法。 １０． 前記２つのセンサ・リングの内の１つのセンサ・リングのすぐ上流で、 流路の底部に配置された、流体流の中に一連の気泡を発生させるスパーカを備え ることを含む、請求項７から９のいずれかに係る方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 流路内の複数の流体境界面を探知する、流路周囲に均等間隔にセンサを有 するセンサ・リング手段と、流路を横切る流体の流れの形態を判別する環状の静 電容量探知機と、 を有する流路内の多相流体流を測定する装置。 ２． 前記センサ・リング手段が、流路内の複数の流体境界面の変化を探知する 、流路に沿ってお互いに距離をおいて配置された２セットのセンサ・リングを含 む、請求項１に係る装置。 ３． 前記センサ・リングが超音波変換器を有する、請求項１もしくは２に係る 装置。 ４． 前記環状の静電容量探知機が、流路内の各流体相の領域範囲を測定する目 的で同心円状に配置された静電容量プレートのセットを含む、請求項１から３の いずれかに係る装置。 ５． 前記静電容量プレートが、予め定められた数の個別の静電容量円弧部に分 割されている、請求項６に係る装置。 ６． 前記２セットのセンサ・リングの内の１つのセンサ・リングの上流で、流 路の底部に配置された、流体流の中に一連の気泡を発生させるスパーカを更に含 む、請求項２に係る装置。 ７． 流路内の流量を測定する、同心円状に配置された熱線流速計セット、もし くは同心円状に配置されたサーモパイル・セットを含む、請求項１から６のいず れかに係る装置。 ８． 流路内の多相流体流を測定する方法であって、 流路の周囲に配置された複数のセンサを持つセンサ・リングにより、第１場所 において多相流体流内の複数の流体境界面を判別するステップと、 流路の周囲に配置された複数のセンサを持つセンサ・リングにより、下流側の 第２場所において多相流体流内の複数の流体境界面を判別するステップと、 前記第１場所から前記第２場所への複数の流体境界面の変化を探知するステッ プと、 環状の静電容量探知機を用いて、流路を横切る流体の流れの形態を判別するス テップと、 からなる方法。 ９． 同心円状に配置された静電容量プレート・セットにより、流路内の各流体 の領域範囲を測定することにより、流路を横切る流体の流れの形態を判別する、 請求項８に係る方法。 １０． 前記２つのセンサ・リングの内の１つのセンサ・リングのすぐ上流で、 流路の底部に配置された、流体流の中に一連の気泡を発生させるスパーカを備え ることを含む、請求項７から９のいずれかに係る方法。