NO310322B1 - Maling av flerfasestromning i ror - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåten og målesystemet i henhold til oppfinnelsen benytter måling på elektriske felt for bestemmelse av de elektriske egenskapene til fasene i en flerfaseblanding som utgjør en fluidstrømning gjennom et rør. Dette benyttes som en del av bestemmelsen av fasefraksjonene. Videre benyttes tidsvarierende signaler fra minst et par detektorer for de elektriske egenskapene til fluidet, kombinert med bruk av krysskorrelasjon for bestemmelse av en eller flere hastigheter i det strømmende fluidet. I tillegg måles et eller flere trykkfall over, ellen nærheten av, en innsnevring. Ved å kombinere målinger av de elektriske egenskapene med målinger av trykkfall, bestemmes fraksjonene til alle fasene i strømningen. Kombinert med målinger av hastighetene, beregnes volumstrømningsratene for fasene og ved videre å kombinere dette med fasenes massetettheter, bestemmes massestrømningsratene til fasene.

Description

Oppfinnelsen vedrører en ti smgangsmåte og et system for mengdemåling av en tofase væske/væske- eller væske/gass-blanding, eller en trefase væske/væske/gass-blanding som strømmer gjennom produksjons- eller transportrør. Fremgangsmåten og systemet skal benyttes til å måle den prosentvise sammensetningen av fasene i tverrsnittet av røret til enhver tid, samt de individuelle hastighetene til fasene. Ut fra disse målingene gir dermed fremgangsmåten og systemet muligheter for å beregne den volumetriske strømningsraten for hver av fasene i tofase- eller trefaseblandingen. I tillegg, ved at en kjenner enkeltfasenes massetettheter, kan en også beregne masse-strømningsratene til fasene. Fremgangsmåten og systemet er spesielt rettet mot anvendelser innenfor olje- og gassproduserende industri der fasene i en tofaseblanding typisk kan være hydrokarboner i væskeform som råolje eller kondensat og hydrokarboner i gassform - naturgass, eller råolje/kondensat og produsert- eller injisert vann. Fasene i en trefaseblanding kan typisk være råolje/kondensat, vann og naturgass.

Under produksjon av olje og gass er det ønskelig å utføre mengdemåling i form av massestrømningsrate eller volumstrømningsrate av rørstrømning bestående av en tofase- eller trefasekombinasjon av olje/vann/gass, såkalt flerfasemåling. Dette kan skje ved bruk av permanent installerte målesystemer, eksempelvis på en produksjonsplattform til havs eller på et produksjonsanlegg på land. Slike målesystemer er etter hvert i ferd med å erstatte konvensjonelle målemetoder bestående av omfangsrike testseparatorer med tilhørende enfase strømningsmålere som turbinmetere og måleblender som måler på enkeltfasene etter at disse er separert. Det er viktig å måle den produserte mengden fra et reservoar for å kunne kontrollere og styre produksjonsprosessen effektivt. Dette muliggjør en optimal totalproduksjon over et felts levetid. Det er også ønskelig å måle produksjonen fra enkeltbrønner individuelt, siden en endring i en enkelt brønn, for eksempel en plutselig økning i vannproduksjonen, er vanskelig å oppdage ved å måle den samlede produksjonen fra flere brønner. Det er også ofte fiskale elementer involvert der det er viktig å allokere produksjonen fra enkeltbrønner til de rette eiere der produksjonen fra slike prosesseres i et felles prosessanlegg med en annen eierstruktur enn brønnenes. Det ville også være ønskelig å kunne måle produsert olje til en nøyaktighet som er tilstrekkelig for kjøp og salg, men dette er foreløpig ikke realistisk ved bruk av flerfasemålere.

Mange av de senere oljefunn befinner seg i mindre reservoarer på relativt store vanndyp, og i slike tilfeller kan en ofte ikke forsvare konvensjonelle utbyggingsløsninger, slik som for eksempel dagens produksjonsplattformer til havs. For å kunne utvinne disse marginale ressursene har det derfor blitt gjennomført store satsninger på utvikling av undervannssystemer. Disse systemene omfatter både brønnhodekontroll, manifoldsystemer og etter hvert separatorer, og en ser konturene av fullstendige prosessanlegg plassert på havbunnen. I denne forbindelse er det også blitt behov for å måle produksjonsmengden nede på havbunnen, og flerfasemålere er derfor i ferd med å installeres for slik bruk.

Det er også blitt aktuelt å kunne måle strømningsratene kontinuerlig nede i selve brønnen, og det arbeides for tiden med utvikling av slike instrumenter. Brønnmåling i dag foregår gjerne på temporær basis, for eksempel som produksjonslogging der målesystemene føres ned i brønnen ved hjelp av wireline eller kveilerør. Dette er kostbart, og gir i stor grad kvalitative målinger. Det kan også gå relativt lang tid mellom hver gang slike målinger foretas, slik at en risikerer å regulere brønnene etter gamle data selv om produksjonen i mellomtiden kan ha endret seg. Oljebrønnenes kompleksitet har dessuten økt kraftig i den senere tid på grunn av nye og mer avanserte metoder innenfor bore-og kompletteringsteknologi, og produksjon fra lagdelte reservoarer, flergrenede og horisontale brønner er blitt vanlig praksis. Det å kunne utføre kontinuerlig nedihulls flerfasemåling på permanent basis vil muliggjøre effektiv reservoarstyring, og kombinert med for eksempel ventiler for kontroll av innstrømningen fra reservoaret, kan en oppnå såkalte «intelligente» brønner som vil gi økt oljeutvinning, redusert vannproduksjon og muligens redusert intervensjons-frekvens. I dag består permanent brønninstrumentering hovedsakelig av trykk- og temperaturmålere, og i noen grad av Venturimetere for væskeratemålinger. Det benyttes også i noen grad strømningsmodellej som baserer seg på målinger fra trykk- og temperaturmålere plassert på forskjellige steder, konserveringslover for masse og moment, termodynamiske sammenhenger, fysiske parametre og referansemålinger fra logging. Disse metodene avhenger imidlertid av modellenes »godhet», dvs. evnen til å predikere de individuelle strømningsratene av fasene innenfor de nødvendige usikkerheter, og på korrekte antakelser om de fysiske og geometriske parametrene i brønnen. De krever også en høy grad av kalibrering på stedet for å oppnå den ønskede nøyaktighet.

Når olje, vann og gass strømmer samtidig gjennom et rør, vil fordelingen av de tre fasene kunne danne et stort antall forskjellige regimer eller mønstre, både aksielt og radialt. Derfor vil strømningens påvirkning på et målesystem variere tilsvarende, noe som særlig fremkommer ved å utføre kontinuerlige målinger over tid. Generelt vil strømningen bestå av en kontinuerlig og en diskontinuerlig fase. Det vanlige er at væsken er den kontinuerlige fasen med fri gass som den diskontinuerlige. Den frie gassen kan hovedsakelig fordele seg på to måter, som større lommer, eller som myriader av svært små bobler finfordelt i væskefasen. I tillegg vil noe av gassen gjerne være oppløst i oljefasen, særlig under høye trykk. Når det gjelder væsken isolert sett, kan denne være oljekontinuerlig med vanndråper fordelt i oljen. Dette forekommer gjerne tidlig i en brønns levetid når oljen prosentvis ofte er den dominerende fasen. Denne blandingen er forøvrig elektrisk isolerende. I det motsatte tilfelle, vannkontinuerlig strømning, er oljedråper fordelt i vannet, noe som gir en elektrisk ledende væskefase. Størrelsen på de fordelte dråpene kan variere, og blandingsmekanismene kan være forskjellige, helt fra stabile emulsjoner til mer løse blandinger av de to fasene. I all hovedsak vil væsken transporteres som én fase med en felles hastighet. Unntakene fra dette er ved lave strømningshastigheter, der olje og vann kan være utsatt for hel eller delvis separasjon, og der røret har en annen helning enn horisontalplanet. Da vil tyngdekraften gjøre at den tyngste komponenten, som regel vannet, vil bevege seg med en lavere hastighet enn oljen. Denne hastighets-forskjellen kalles gjerne "slipp". I brønnstrømning kan det også forekomme at vannet har en negativ hastighet i forhold til den generelle strømningsretningen. Etter hvert som brønntrykket synker, vil en produsere mer fri gass, og det kan skje at gassen blir den dominerende fasen i strømningen. Da fordeler væsken seg gjerne som en film som strømmer forholdsvis sakte langs rørveggen, i kombinasjon med en dråpefase som i større grad følger gassen. Siden gassens massetetthet som regel er vesentlig lavere enn væskefasens massetetthet, vil det som regel alltid forekomme slipp mellom gass og væske. De ovenfor beskrevne forholdene fordeles gjerne i hovedgrupper med betegnelsene boble- slugg-, churn-, lagdelt- og annulær strømning. Et målesystem bør derfor være i stand til å kunne måle under alle de ovenfor beskrevne strømningsforhold, inkludert tilfeller av hastighetsslipp mellom fasene, spesielt da mellom væske og gass.

I det følgende beskrives den foreliggende oppfinnelsen i form av et system for måling av karakteristiske parametre for en flerfase råolje- eller kondensat-, produsert og/eller injisert vann- og naturgass-strømning i et transportrør, samt en fremgangsmåte som benytter de målte parametrene til bestemmelse av de individuelle strømningsratene for råolje/kondensat, vann og naturgass. Systemet omfatter et kompakt sensorlegeme med i hovedsak sirkulært tverrsnitt, som er plassert sentralt inni et transportrør med en forholdsvis konstant indre diameter, og som har et sirkulært tverrsnitt. Sensorlegemet vil i en første variant danne en koaksial sensor der strømningen transporteres i et ringrom mellom det ytre av legemet og den indre overflaten av røret. I en annen variant vil sensorinnsatsen utformes som en sensorinnsats utformet prinsipielt motsatt av den første, med en struping av diameteren, der en går fra en diameter lik transportrørets indre diameter, og så reduserer diameteren over i en sylindrisk del og deretter øker diameteren igjen til en indre diameter lik transportrørets indre diameter. Sensorlegemet er videre plassert konsentrisk med transportrøret. Når flerfasefluidet strømmer gjennom røret, vil det oppstå et differensialtrykk mellom et område oppstrøms av sensorinnsatsen og området midtveis på sensorinnsatsen på grunn av den innsnevringen av tverrsnittsarealet som innsatsen forårsaker. Systemet er således forsynt med en første differensialtrykkmåler for å måle det nevnte differensialtrykket kontinuerlig over tid. Dette differensialtrykket vil avhenge av den totale massestrømningsraten, og vil dermed indirekte også avhenge av massetettheten til flerfasefluidet. Selve sensorinnsatsen er forsynt med flere elektroder av delvis forskjellige størrelser for måling av de elektriske egenskapene til fluidet som beveger seg i den ovenfor nevnte innsnevringen, gjennom å måle på det elektriske feltet mellom de enkelte nevnte elektroder og motelektrode-anordninger til disse. Systemet inneholder dertil egnede elektroniske kretser med innganger og utganger til dette formålet. Fremgangsmåten går ut på å benytte målingen på det elektriske feltet sammen med en andre måling for å beregne fasefraksjonene, mens de hurtige, tidsvarierende verdiene av det elektriske feltet fra et første par elektroder krysskorreleres for å bestemme hastigheten til gassfasen i strømningen. Det benyttes i og for seg kjente fysiske modeller for de ovenfor nevnte måleprinsippene, og disse kombineres for å omsette de målte verdiene for differensialtrykket og de elektriske egenskapene til fasefraksjoner av olje, vann og gass. Alle beregningene foregår i en dertil egnet beregningsenhet i form av en datamaskin forsynt med innganger for å ta inn alle relevante signaler fra de enkelte målere, et program som beregner og lagrer de ønskede størrelser, samt utganger for å sende ut resultatene av beregningene. Ved å introdusere ytterligere differensialtrykkmålere, er det i hovedsak fire måter å benytte innretningen på for å bestemme fraksjoner og volumstrømningsrater. Disse vil bli beskrevet nærmere under.

I en første utførelsesform av fremgangsmåten krysskorreleres de elektriske signalene fra et andre par elektroder på sensorlegemet for å finne hastigheten til væskefasen. Denne hastigheten kan uttrykkes som en funksjon av det målte differensialtrykket, enkeltfasenes massetettheter som antas kjent, gassfraksjonen og vann-i-væskefraksjonen. Den målte elektriske størrelsen kan også uttrykkes som en funksjon av gassfraksjonen og vann-i-væskefraksjonen, samt enkeltfasenes elektriske egenskaper som også antas kjent. Ved å løse disse likningene, vil en finne de tre fasefraksjonene. I og med at også hastighetene til væske- og gassfasene blir målt, kan volumstrømningsratene for de enkelte fasene bestemmes ved multiplikasjon av enkeltfasenes fraksjoner med de respektive strømningshastigheter og tverrsnittsarealet. Videre vil en kunne bestemme enkeltfasenes massestrømningsrater ved å multiplisere volumstrømningsratene med enkeltfasenes respektive massetettheter.

I en annen utførelsesform kan det monteres en andre differensialtrykkmåler i en posisjon i nedstrømsenden av sensorlegemet, ved overgangen fra legemet tilbake til det åpne røret. Der vil det oppstå et differensialtrykk mellom en posisjon i ringrommet og en posisjon nedstrøms av legemet. Dette differensialtrykksignalet vil i prinsippet være en speilvendt utgave av det første differensialtrykket, og vil ved først å inverteres kunne krysskorreleres med det første differensialtrykket og gi hastigheten til væsken på tilsvarende måte som ved en krysskorrelasjon av de elektriske signalene. Dermed kan en substituere krysskorrelasjonen av de elektriske signalene og ellers beregne fasefraksjoner og volumstrømningsrater på tilsvarende måte som beskrevet for den første utførelsesformen av fremgangsmåten ovenfor.

I en tredje utførelsesform av fremgangsmåten kan det benyttes en tredje differensialtrykkmåler i en viss avstand oppstrøms eller nedstrøms av sensorlegemet. Ved hjelp av denne kan det måles et differensialtrykk som er avhengig av massetettheten til trefaseblandingen gjennom den statiske trykkforskjellen som oppstår på grunn av blandingens tyngde. Dette betinger at røret plasseres tilnærmet vertikalt slik at de to terminalene til den tredje differensialtrykkmåleren monteres med en viss minste vertikal avstand. Siden massetettheten til blandingen er en funksjon av enkeltfasenes massetettheter, samt de tre fasefraksjonene, kan en ved å kombinere dette med målingen på det elektriske feltet mellom en av elektrodene og rørveggen, beregne de tre fasefraksjonene. I dette tilfellet vil en benytte den første differensialtrykkmålingen til å bestemme væskestrømningsraten ved bruk av momentumlikningen, mens den andre differensialtrykkmålingen blir overflødig. I alle disse tre utførelses-formene av fremgangsmåten vil en benytte den koaksiale varianten av sensorlegemet, og en vil videre benytte krysskorrelasjon av de elektriske signalene fra det første paret av elektroder til å bestemme gassens hastighet, som i de fleste tilfeller antas å være forskjellig fra væskens hastighet.

I en fjerde utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er prinsippet i hovedsak identisk med den tredje utførelsesformen, men sensorinnsatsen utgjøres av en sensorinnsats som tilveiebringer en struping av røret med en sentral passasje for strømningen. I dette tilfellet utgjøres de elektriske sensorenhetene av par av elektrode/motelektrode-anordninger plassert inne i den sylindriske delen av innsnevringen, siden en ikke lenger kan bruke transportrørets vegg som motelektrode. Forøvrig vil en benytte første og tredje differensialtrykkmåler som i den tredje utførelsesformen, og en vil måle gassens hastighet ved krysskorrelasjon mellom et par av de nevnte elektrodeanordningene

Det er kjent fra norsk patentsøknad nr. 971791 (Japan National Oil Corp., Yokogawa Electric Corp., NKK Corp., Japan Petroleum Exploration Co. Ltd., Teikoku Oil Co. Ltd.) en innretning som benytter prinsipper som kan minne om

den foreliggende oppfinnelsen. De felles trekkene er at begge oppfinnelsene måler hastighet og fasefraksjoner i en flerfaseblanding, og begge benytter en eller flere koaksiale sensorer der en måler de elektriske egenskapene i trefaseblandingen som strømmer mellom en ytre elektrode formet som en sylinder og en indre sylinderformet elektrode, konsentrisk plassert inni røret. Videre krysskorreleres det mellom to sensorer plassert i en fast avstand fra hverandre

langs rørets akse for å bestemme en eller flere hastigheter. Endelig kan det elektriske måleprinsippet kombineres med en trykkfa -måler for å bestemme en av fraksjonene ved å kombinere trykkfallslikningen med likningen for de elektriske egenskapene. De to oppfinnelsene er imidlertid vesentlig forskjellige ved at instrumentet beskrevet i patentsøknad nr. 971791 måler den dielektriske konstanten mellom henholdsvis to ytre adskilte eksitasjonselektroder, som eksiteres med et sveip av frekvenser gjennom mikrobølgeområdet, og en konsentrisk plassert indre felles elektrode, eventuelt to adskilte slike elektroder, som ligger konstant på det elektriske jord potensialet. Den indre elektroden er hul, altså rørformet, slik at strømningen passerer både på innsiden og på utsiden av denne. I den foreliggende oppfinnelsen måles det elektriske feltet mellom flere elektroder på utsiden av et massivt, i hovedsak sylindrisk, indre legeme konsentrisk plassert inni røret, og tilhørende motelektroder. I patentsøknad nr. 971791 foretas målingene ved å variere frekvensen over et relativt stort område, og deretter velges det ut to frekvenser for å måle en enkelt fasefraksjon i væsken. Først måles vannfraksjonen ved å måle permittivitetsforskjellen ved de to frekvensene basert på vannets dielektriske tap, eller dispersjon, i dette området. Deretter måles oljefraksjonen tilsvarende, ved to andre frekvenser, forutsatt at oljen har et dielektrisk tap i det sveipede frekvensområdet. Hvis oljen er tapsfri, brukes en måling fra en strømningsmåler av differensialtrykktypen ved momentumlikningen som gjelder for denne, kombinert med en av impedansmålingene til å bestemme oljefraksjonen. Differensialtrykkmåleren er plassert oppstrøms av impedanssensorene og adskilt fra disse. Gassfraksjonen beregnes alltid ved subtraksjon av de to andre fasefraksjonene fra summen av

fraksjonene som er lik 1. Den utførelsesform av foreliggende oppfinnelse som kan minne om strømningsmåleren beskrevet i patentsøknad nr. 971791, skiller seg fra denne ved at den først måler hastigheten til hele væskefasen ved krysskorrelasjon mellom to målinger av de elektriske egenskapene. Det måles samtidig et trykkfall mellom en posisjon, f.eks. oppstrøms av det indre legemet og en posisjon i innsnevringen langs det nevnte legemet. Den generelle momentumlikningen for trykkfallsmålere, der væskehastigheten inngår, kombineres så med likningen for de elektriske egenskapene for å bestemme både gassfraksjonen og vann-i-væskefraksjonen samtidig. En annen vesentlig forskjell er at i den foreliggende oppfinnelsen benyttes et og samme legeme både til å generere trykkfall og til å

måle de elektriske egenskapene, slik at begge målingene skjer i tilnærmet en og samme posisjon. I tillegg måles gasshastigheten ved en andre krysskorrelasjon mellom et annet par elektroder på det indre legemet. I patentsøknad nr. 971791 beskrives ingen separat måling av gassens hastighet, kun av vann og olje. I det tilfellet der instrumentet beskrevet i patentsøknad nr. 971791 bruker momentumlikningen for å bestemme oljefraksjonen, antas det ingen hastighetsforskjell mellom fasene etter at disse er blandet i en statisk mikser oppstrøms av målerne.

Det er videre kjent fra norsk patent nr. 304333 (Fluenta AS), en fremgangsmåte og en innretning for måling av fraksjoner i en flerfase-strømning. De felles trekkene med den foreliggende oppfinnelsen er at det benyttes måling av de elektriske egenskapene for bestemmelse av de elektriske egenskapene til trefaseblandingen som strømmer gjennom en åpning mellom to elektroder. Dette kombineres i begge tilfeller med et annet måleprinsipp som er følsomt for massetettheten til blandingen. Likningene fra de to måleprinsippene kobles sammen for å beregne de tre komponentfraksjonene. Fremgangsmåten og instrumentet beskrevet i patent nr. 304333 er imidlertid vesentlig forskjellig, da det der spesifiseres et gammadensitometer inneholdende en radioaktiv kilde og en gammadetektor som det andre måleprinsippet, mens den foreliggende oppfinnelsen benytter en variant av en eller flere trykkfallsmålere i fraksjonsberegningen. Særlig er det en vesentlig forskjell der foreliggende oppfinnelse baseres på først å måle væskehastigheten ved krysskorrelasjon, som i første og andre utførelse av innretningen, og dernest å beregne fasefraksjonene utfra kombinasjonen av de andre to målingene. Vesentlig forskjellig er også foreliggende oppfinnelses tredje og fjerde utførelse, der massetettheten i foreliggende oppfinnelse tilveiebringes ved differensialtrykkmåling, og ikke ved gammadensitometri. Sensorutformingen er i tillegg vesentlig forskjellig, da patent nr. 304333 spesifiserer en ikke-inntrengende sensor med motstående elektroder som er inkorporert i rørets vegg, men adskilt fra det strømmende mediet med et isolerende materiale. Den foreliggende oppfinnelsen benytter en inntrengende sensor med flere sylindriske elektroder i kontakt med strømningen der en måler det elektriske feltet mellom disse elektrodene og rørets vegg, eventuelt direkte mellom to elektroder plassert i innsnevringen.

Det er forøvrig også kjent fra US Patent no. 5,693,891 (Brown, A., Allen, J.) et måleprinsipp for å måle mengden av en tofaseblanding som strømmer gjennom et rør. Dette er en måler som benytter en innsnevring av røret med en jevn overgang fra en større til en mindre diameter og differensialtrykkmålingen over denne til beregning av strømningsraten til tofase- væske/væske eller væske/gass.

I tillegg måles et andre differensialtrykk over to punkter langs røret med forskjellig høydenivå for å bestemme massetettheten (gradio-manometerprinsippet) til fluidet. En benytter så tettheten i beregningen av strømningsraten for å få totalraten. Dette er forøvrig samme prinsipp som er beskrevet i US Patent no. 4,856,344, bortsett fra at de to benytter litt forskjellige kombinasjoner av posisjoner langs røret for å måle differensialtrykkene. I begge de to patenterte målesystemene nevnt ovenfor benyttes tre trykktappingspunkter plassert etter hverandre langs røret, der det midterste punktet er felles for de to differensialtrykkmålingene. Det felles trekket med den foreliggende oppfinnelsen er å måle differensialtrykket mellom et punkt oppstrøms en innsnevring og et punkt i innsnevringen og benytte relasjonen mellom differensialtrykk og strømningsrate til å beregne en ønsket parameter. Dette er ellers velkjent teknologi fra Venturiprinsippet. De vesentligste ulikheter er at de beskrevne oppfinnelsene i US Patent no. 5,693,891 og 4,856,344 begge mangler elektriske måleprinsipper og kan således kun benyttes til måling av en tofaseblanding. I den foreliggende oppfinnelsen måles, både i første og andre utførelse, først en hastighet som benyttes i relasjonen mellom volumstrømningsrate og differensialtrykk. Deretter kombineres denne relasjonen med relasjonen mellom fasenes elektriske egenskaper og fraksjonsforhold, og likningssystemet løses med hensyn på alle de tre fasefraksjonene. I den tredje og fjerde utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelsen blir differensialtrykket for strømningsratemåling tilveiebrakt av en innsnevring som også inneholder elektroder for bestemmelse av de elektriske egenskapene til fluidet der materialet i innsnevringen også fungerer som elektrisk isolator mellom elektrodene og omgivelsene. Således utgjør dette en separat, kombinert sensorinnsats som kan inkorporeres i et vanlig transportrør. I tillegg bruker den foreliggende oppfinnelsen to par trykktappingspunkter, altså fire tilsammen, som er uavhengige av hverandre, for å måle de to differensialtrykkene.

En kombinasjon av et av de to sistnevnte, US Patent no. 5,693,891 eller US Patent no. 4,856,344 og norsk patent nr. 304333, vil kunne gi en fullstendig flerfase strømningsmåler ved å benytte strømningsraten fremkommet ved US

Patent no. 5,693,891 eller 4,856,344 og beregne fasefraksjonene utfra innretningen beskrevet i patent nr. 304333 og deretter beregne fasestrømningsratene, forutsatt at alle fasene strømmer med samme hastighet. I den foreliggende oppfinnelsen er gammadensitometeret gjort overflødig. Siden væskehastigheten kan måles ved krysskorrelasjon mellom to målinger på elektriske felt, som i den første utførelsen av innretningen, vil den foreliggende oppfinnelsen således være en ytterligere forbedring av en tenkt kombinasjon mellom de ovenstående siden en har muligheten til å benytte kun en differensialtrykkmåler. I tillegg vil den foreliggende oppfinnelsen innbefatte ytterligere en hastighetsmåling som bestemmer gassens hastighet når denne er forskjellig fra væskens hastighet. En slik innretning er ikke beskrevet i noen av de tre ovenstående patenter, og disse kan derfor ikke håndtere hastighetsslipp mellom fasene. Den mest vesentlige forskjellen er imidlertid at ingen av de ovenfor nevnte patenter beskriver en kombinasjon av en elektrisk og en differensialtrykkmåling i en og samme enhet slik at en kan utføre disse målingene i en og samme posisjon eller innenfor et meget begrenset område omkring den samme posisjonen.

Fremgangsmåten og systemet ifølge oppfinnelsen defineres nøyaktig i de vedføyde patentkravene.

Fremgangsmåten og systemet som ligger til grunn for den foreliggende oppfinnelsen er basert på robuste prinsipper som har en lang historie av gode resultater innenfor strømningsmåling. Ved å benytte et system henhold til denne oppfinnelsen, vil en oppnå følgende fordeler: Oppfinnelsen inneholder ikke radioaktive kilder, noe som gjør at en slipper unna de farer og ikke minst de regulativer som gjelder for frakt, oppbevaring, bruk og returnering av radioaktivt materiale. I tillegg blir systemet uavhengig av eventuelle belegg av radioaktivt materiale, noe som ofte kan forekomme i

produksjonsrør for råolje.

Elektromagnetiske prinsipper muliggjør en enkel og solid konstruksjon, og bruken av relativt lavfrekvent elektronikk er allerede kvalifisert for undervanns-og nedihullsbruk. I tillegg vil bruken av kvalifiserte og robuste fysiske modeller gi systemet pålitelighet.

» Differensialtrykkmålere er påHtelige og er blitt brukt av flere innenfor flerfasemåling i lang tid. Det dynamiske området for slike er stort, og det kan

brukes for 0-100% gassfraksjon.

• Det er mulig å lage et svært kompakt instrument som gir lav vekt og lite plassbehov sammenliknet med andre instrumenter på markedet. • Det kan benyttes standard rør, kun med tappinger for differensialtrykkmålinger, absolutt trykkmåling og temperaturmåling, noe som gir vesentlige besparelser i forhold til de spesialkonstruksjoner som benyttes i mange eksisterende systemer. Figur 1 viser en første utførelsesform av oppfinnelsen med transportrøret, sensorlegemet med elektroder, samt en differensialtrykkmåler i oppstrømsenden av sensorlegemet. Figur 2 viser en detalj av en variant av oppfinnelsen med transportrøret, sensorlegemet med elektroder, stagene, samt en ytre eksitasjonselektrode. Figur 3 viser en andre utførelsesform av oppfinnelsen med transportrøret, sensorlegemet med elektroder, en differensialtrykkmåler i oppstrømsenden av sensorlegemet og en differensialtrykkmåler i nedstrømsenden av sensorlegemet. Figur 4 viser en tredje utførelsesform av oppfinnelsen med transportrøret, sensorlegemet med elektroder, en differensialtrykkmåler i oppstrømsenden av sensorlegemet, samt ytterligere en differensialtrykkmåler lengre oppstrøms av sensorlegemet. Figur 5 viser en fjerde utførelsesform av oppfinnelsen med transportrøret, en sensorinnsats med innvendige elektrodeanordninger, en differensialtrykkmåler i oppstrømsenden av sensorlegemet, samt ytterligere en differensialtrykkmåler lengre oppstrøms av sensorlegemet. Figur 6 viser to mulige utforminger av elektrodeanordningene montert i den sylindriske delen av sensorinnsatsen.

Det henvises nå til Figur 1 der den første utførelsesformen av oppfinnelsen er illustrert. Det indre sensorlegemet 1 i innretningen har et sirkulært tverrsnitt med varierende diameter i den aksielle retningen av røret 11. Det har en inngangsseksjon 2 med økende diameter i strømningsretningen, som er vertikalt oppover i henhold til pilen på Figur 1, og fortsetter i en sylindrisk måleseksjon 3 og ender opp i en utgangsseksjon 4 med avtakende diameter slik at den danner et strømlinjeformet legeme 1. Inngangs 2 - og utgangsseksjonene 4 har en gradvis, glatt endring i diameter (f.eks. konisk) henholdsvis før og etter overgangen til måleseksjonen 3. Dette sikrer at det permanente trykktapet over sensorlegemet 1 blir minst mulig ved at sensorlegemets 1 konstruksjon skaper minst mulig turbulens og friksjon. De nevnte overgangsseksjonene 2 og 4 kan forsåvidt også ha en kurvet (f.eks. parabolsk) endring i diameter. Videre vil inngangs 2 - og utgangsseksjonene 4 være laget i et erosjonsbestandig materiale for å motstå eventuell påvirkning av partikler i fluidstrømningen 14. Dette materialet kan være et metall av høy kvalitet, en industriell keramikk eller et annet materiale med høy bestandighet mot mekanisk slitasje. Sensorlegemet 1 er opphengt i stag 5 som er festet i en ring 33 med samme indre diameter som transportrøret og som er festet mellom to flenser 32a og 32b, der den ene flensen 32a tilhører det røret 11 sensorlegemet 1 er montert inn i, og den andre flensen 32b tilhører et tilstøtende rør 34 montert nedstrøms av det ovenfor nevnte røret 11. Disse stagene 5 kan være montert skråstilt eller vinkelrett i forhold til rørets langsgående akse, og de vil samtidig, ved at et eller flere av dem er hule, fungere som gjennomføringer for ledningene 8 mellom sensorlegemet 1 og elektronikkenheten 9 på utsiden av røret 11.

Den sylindriske delen av sensorlegemet 1, også kalt måleseksjonen 3,

består vekselvis av sylindriske elementer 6 av et elektrisk isolerende materiale og sylindriske metalliske elektroder 7a-d i lengderetningen, slik at de danner en glatt enhet. De isolerende elementene 6 kan være laget av en termoplast eller et annet egnet elektrisk isolerende materiale. Elementene vil videre ha en minst mulig indre diameter 35 for å sikre styrken i legemet, men med stor nok diameter 35 til å gjøre plass til ledningene 8 fra elektrodene 7a-d til elektronikkenheten 9. Tilsvarende vil de metalliske elektrodene 7a-d i det ytre også ha form som sylindrer med et

innvendig hull som tilsvarer de isolerende modulenes 6 indre diameter 35. Ledningene 8 vil således føres fra innsiden av måleseksjonen 3, gjennom stagene 5 og til utsiden av strømningsrøret 11. Der føres de videre til en elektronikkenhet 9 på utsiden av det nevnte røret 11 via ledningsgjennomføringer i flensringen 33.

Denne utformingen av sensoren gir en koaksial sensor som er kjennetegnet ved to særlige fordeler; det er en av de mest følsomme typer av sensorer for måling av elektriske egenskaper, og den gir en symmetrisk geometri i måleområdet 10 i ringrommet mellom måleseksjonen 3 og røret 11 som gjør at det elektriske feltet blir symmetrisk. Elektrodene 7a-d kan ha forskjellige lengder, og avstanden mellom disse kan variere avhengig av hva de er ment å måle. Hovedsakelig vil det være to par måle-elektroder 7a og 7b, samt 7c og 7d der det ene paret 7a og 7b består av like store, men relativt korte elektroder med relativt kort avstand mellom. Det andre paret 7c og 7d består av like store, men noe lengre elektroder med en relativt stor avstand mellom. I tillegg kan måleseksjonen 3 forsynes med ytterligere elektroder etter behov, såkalte »guard-elektroder», for å sørge for at det elektriske feltet i måleområdet 10 er så homogent som mulig. Guard-elektrodene vil i slike tilfeller bli drevet på samme elektriske potensiale som måle-elektrodene 7a-d og geometrisk sett vil de plasseres tett inntil måle-elektrodene 7a-d. Fremgangsmåten er å kontinuerlig måle det elektriske feltet mellom elektrodene 7a-d og veggen til røret 11 i måleområdet 10 slik at en bestemmer de elektriske egenskapene til det til enhver tid strømmende fluid 14 i ringrommet 10 mellom måleseksjonen 3 og det indre av strømningsrøret 11. Dette kan gjøres på to måter. Den ene måten er å eksitere elektrodene 7a-d på sensorlegemet 1 med en elektrisk spenning og måle størrelsen av det elektriske feltet mellom disse elektrodene 7a-d og veggen til røret 11 som legges på det elektriske jordpotensialet. I dette tilfellet vil det være særlig viktig å benytte guard-elektroder. Den andre metoden er illustrert på Figur 2 og utføres ved å legge en stor sylindrisk elektrode 12 ute ved veggen til røret 11 på en slik måte at den plasseres konsentrisk med dette røret 11, men isoleres fra dette med et elektrisk isolerende materiale 13. En slik elektrode vil ha en lengde minst på størrelse med avstanden fra oppstrømsenden til første elektrode 7a til nedstrømsenden av den siste elektroden 7d på sensorlegemet 1. Ved bruk av dette prinsippet eksiteres den nevnte sylindriske elektroden 12 med en elektrisk spenning og en måler størrelsen av det elektriske feltet mellom denne elektroden 12 og de enkelte elektrodene 7a-d på sensorlegemet 1 som i dette tilfellet elektrisk sett kan ligge på et virtuelt jordpotensiale. De elektriske egenskapene til det strømmende mediet 14 er avhengig av det fraksjonsmessige (f.eks. i prosent) forholdet mellom olje, vann og gass i fluidstrømningen 14 og en får dermed, idet vi igjen henviser til Figur 1, utgangssignaler fra de elektroniske kretsene 9a-d som representerer dette fraksjonsforholdet. Det eksisterer flere fysiske modeller for sammenhengen mellom fraksjonsforhold og elektriske egenskaper for en blanding av fluider 14. Som et eksempel kan det vises til Boyles modell for parallelt orienterte sfæroider av en fase 15 fordelt i et kontinuum av en annen fase 16.1 denne modellen er de elektriske egenskapene uttrykt ved permittivitetene (de dielektriske konstantene) til enkeltfasene i en blanding, samt permittiviteten i blandingen 14 selv, som funksjon av fraksjonen av den diskontinuerlige fasen 15 i blandingen 14. For en tofase

væske/væske blanding 14 der den diskontinuerlige fasen 15 er vanndråper som er fordelt i et kontinuum 16 av olje, vil for eksempel følgende modell kunne benyttes:

= 1 - $vaf når bare olje og vann er tilstede, fordi $vaf<+> fan = 1. og der £waf, og snq er permittivitetene til henholdsvis vannet, oljen og væskeblandingen, <fa, at er vannfraksjonen i væskefasen, og Aa er en formfaktor som avhenger av sfæroidenes form. For perfekte små kuler er denne typisk 1/3. Den relative summen av vannfraksjonen og oljefraksjonen er her lik 1, noe som gir den andre nødvendige likningen i dette systemet. Man kan da beregne fraksjonene av de to fasene 15 og 16 direkte siden en forutsetter kjente permittiviter for enkeltfasene, mens væskeblandingens permittivitet er resultat av den målte størrelsen.

Modellen ovenfor kan også generaliseres for bruk i en trefaseblanding der væsken betraktes som en godt blandet kontinuerlig fase 16, med gassbobler som en diskontinuerlig fase 15 fordelt på tilsvarende måte som over:

= 1 - (/ fgas når både olje, vann og gass er til stede (fordi fa, at <+> <fh\\<+> <faas = V, og der sgas og sm;x er permittivitetene til henholdsvis gassen og trefaseblandingen og ^as er gassfraksjonen. I likningen

over er det £mix som er resultatet av den målte størrelsen, og en ser at denne er gitt som en implisitt parameter. Enkeltfasenes permittiviteter antas kjente på forhånd. % kan elimineres ved å kombinere likning 2 med likning 1. Her er det forøvrig den relative summen av vannfraksjonen, oljefraksjonen og gassfraksjonen som til sammen er lik 1, gitt av den generelle sammenhengen:

Dermed har en gitt to likninger, men det trengs ytterligere en likning for å finne fraksjonene av alle tre fasene. Dette vil en komme tilbake til etter først å ha sett på ytterligere bruk av målingene av de elektriske egenskapene. Forsåvidt kan Likning 1 og Likning 2 substitueres med andre modeller for sammenhengen mellom de samme parametrene, eller med modeller for sammenhengen mellom f.eks. konduktivitetene til enkeltfasene og fraksjonsforholdene. I det sistnevnte tilfellet vil det således være konduktiviteten som representerer de målte elektriske egenskapene.

Ved å måle på det elektriske feltet i måleområdet 10 kontinuerlig over tid og samtidig punktprøve enkeltmålinger med en relativt høy frekvens, får en tidsvarierende signaler fra detektorene 9a-d som uttrykker de mer eller mindre tilfeldige variasjonene i fraksjonsforholdene i fluidet 14 i den tilsvarende tidsperioden. Denne tidsvariasjonen illustrerer dynamikken i strømningen som skyldes de mange strømningsmønstre som kan forekomme. Dersom et slikt mønster holder seg rimelig konstant i det korte tidsrommet det passerer et elektrodepar 7a og 7b eller 7c og 7d, vil signalene repetere seg fra den ene elektroden, f.eks. 7a til den andre, f.eks. 7b. Disse signalene kan derfor brukes til å beregne en av hastighetene i strømningen ved hjelp av den i og for seg kjente metoden krysskorrelasjon, der krysskorrelasjonskoeffisienten, Rxy( t), beregnes etter følgende formel:

Ved å krysskorrelere signalene x( t) og y( t) finner man tidsforsinkelsen, t, fra det tidspunkt en forstyrrelse 17 i fluidstrømningen 14 passerer f.eks. den første store elektroden 7c (oppstrøms) til det tidspunktet når den passerer den andre store elektroden 7d (nedstrøms), ved at krysskorrelasjonskoeffisienten der antar sitt maksimum. I og med at avstanden mellom elektrodene er kjent, vil en enkelt beregne hastigheten til forstyrrelsen 17.1 praksis gjøres dette ved å sende de respektive signaler fra detektorkretsene 9c, som gir signalet x( t), og 9d, som gir signalet y( t), og som er koplet til sine respektive elektroder 7c og 7d, inn på en krysskorrelator 22. En slik krysskorrelator 22 kan enten være en kommersielt tilgjengelig mikroelektronikkrets som håndterer signalene fra detektorkretsene 9c og 9d direkte, eller en del av programvaren i en beregningsenhet 31, som håndterer data etter at de først er behandlet av et inngangstrinn. Det er gjerne slik at relativt store elektroder, som f.eks. 7c og 7d, tenderer til å detektere store variasjoner 17 i strømningen som f.eks. kan skyldes store gassbobler, mens de gjerne vil filtrere ut små variasjoner 36 som måtte skyldes små inhomogeniteter i væskefasen. Av denne grunn vil den målte hastigheten hovedsakelig representere hastigheten til store gassbobler, vgas. De små elektrodene 7a og 7b derimot, har en lengde som er kortere enn de store elektrodene 7c og 7d og har derfor en skarpere romlig oppløsningsevne. Disse kan dermed detektere små variasjoner 36 i strømningen. De små variasjonene 36 skyldes tilsvarende små gassbobler og/eller små vanndråper eller ansamlinger av slike vanndråper fordelt i oljen. Disse små forstyrrelsene 36 vil normalt ha en transporthastighet som er tilnærmet lik væskens gjennomsnittlige hastighet, vnq. Forsåvidt vil signalene fra de små elektrodene 7a og 7b også kunne inneholde informasjon om de større forstyrrelsene i strømningen 14 og kan således også brukes til å måle hastigheten til disse. På samme måte som med signalene fra detektorkretsene 9c og 9d til de store elektrodene 7c og 7d, vil de tidsvarierende signalene fra detektorene 9a og 9b til de små elektrodene 7a og 7b gi signalene x( t) og y( t) for behandling i en krysskorrelator 21 for derved å bestemme en hastighet som er representativ for hastigheten til væsken, Vnq.

I beregningene som er referert over, trengs ytterligere en likning for å kunne bestemme fraksjonene, og i denne oppfinnelsen benyttes differensialtrykkmåling for å løse dette. Sensorlegemet 1 vil nemlig forårsake et trykkfall, AP, når strømningen passerer gjennom det innsnevrede området 10 i ringrommet mellom sensorlegemet 1 og rørveggen 11. Dette differensialtrykket blir målt ved hjelp av en egnet differensialtrykkmåler 18, mellom en posisjon 19 oppstrøms av sensorlegemet 1 til en posisjon 20 langs den sylindriske delen 3 av sensorlegemet 1, i måleseksjonen. På tilsvarende måte kan selvfølgelig også dette differensialtrykket måles mellom en posisjon ved den sylindriske delen av sensorlegemet 1 og en posisjon nedstrøms av det samme sensorlegemet 1. Ved hjelp av i og for seg kjente fysiske sammenhenger kan en benytte differensialtrykket til å bestemme den totale massestrømningsraten, Q, i røret. En slik generell fysisk sammenheng er gitt i Likning 5 nedenfor:

Cd er »discharge coefficient»

yei »specific heat ratio»

per massetettheten til fluidet 14

AP er det målte differensialtrykket fra måleren 18

d er ytre diameter på sensorlegemet 1

D er indre diameter til røret 11

Det er vist f.eks. i (Hammer, E.A., Nordtvedt, J.E.: »Scientific/Technical Report

No. 239: MULTIPHASE FLOW MEASUREMENT USING A VENTURIMETER»

University of Bergen, November 1990.) at for væske/gass strømning vil en kunne benytte følgende relasjon:

Ved å utnytte den opplagte sammenhengen i Likning 7: og kombinere dette med Likning 6 ovenfor, får en:

Av Likning 8 kan vi se at gassfraksjonen, feas, er direkte avhengig av blandingens massetetthet, pnq, væskens hastighet, vnq, og arealet til rørtverrsnittet, A, samt av det målte differensialtrykket, AP. Det foreligger også en kjent sammenheng for massetettheten til fluidet, der massetetthetene til enkeltfasene forutsettes kjent: idet man generelt har:

Ved relativt lave trykk vil gassens tetthet være neglisjerbar i forhold til væskenes tettheter, og blandingstettheten blir tilnærmet lik væskens tetthet, slik som det fremgår av Likning 9 ovenfor. Ved høyere trykk er ikke det nødvendigvis tilfelle, og da må det tas hensyn til dette og likningene må endres tilsvarende.

I den første utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelsen blir væskens hastighet målt med krysskorrelasjon av de elektriske signalene fra detektorene 9a og 9b, ved hjelp av krysskorrelatoren 21 som referert ovenfor, og gassfraksjonen inngår i permittivitetsmodellen gitt i Likning 2. Ved å sette inn for pr, q i Likning 8, oppnår man en andre likning der ^as er uttrykt ved de to andre fasefraksjonene, og sammen med Likning 2 og Likning 3 kan en dermed løse dette med hensyn på alle de tre fasefraksjonene. En forutsetter her at massetetthetene til enkeltfasene er kjent, slik at en kan benytte Likning 9 i beregningene. Siden man allerede har målt væskens hastighet, finner man olje-og vannstrømningsratene ved å multiplisere den målte hastigheten med fasefraksjonene til henholdsvis olje og vann, og med rørtverrsnittsarealet. Som beskrevet tidligere vil også gassens hastighet bli målt, ved en krysskorrelasjon av signalene fra detektorene 9c og 9d, koplet til de to elektrodene 7c og 7d i måleseksjonen 3 av sensorlegemet 1. Dette foretas i krysskorrelatoren 22. Dermed finner en også enkelt gassens strømningsrate på tilsvarende måte som beskrevet for væskefasene ovenfor. Ønskes massestrømningsratene fås disse ved å multiplisere de enkelte fasenes volumstrømningsrater med sine respektive massetettheter. Denne oppfinnelsen har den åpenbare fordelen at en blir uavhengig av andre typer tetthetsmålere, for eksempel gammadensitometere som inneholder radioaktive kilder. En annen fordel er at differensialtrykkmåleren 18 er meget rask i forhold til et gammadensitometer og derfor kan følge strømningsvariasjonene i samme takt som måleinnretningen for elektrisk felt 9, og dermed sørge for at en måler på representative data til enhver tid. I tillegg måles det også i samme fysiske posisjon, slik at det oppnås en fullstendig synkronisering av målingene.

I en annen utfør> sesform av oppfinnelsen, idet vi henviser til Figur 3 og forutsetter at den første ifferensialtrykkmåleren er montert i oppstrømsenden av sensorlegemet 1, introduseres det en andre differensialtrykkmåler 23 som måler trykkforskjellen mellom et punkt 24 i måleområdet 10 og et målepunkt 25 nedstrøms av sensorlegemet 1. Avstanden fra punktet 24 i ringrommet til målepunktet 25 nedstrøms av sensorlegemet 1 er ideelt sett den samme som avstanden fra målepunktet 19 oppstrøms sensorlegemet 1 til målepunktet 20 i det innsnevrede området 10 i måleseksjonen 3 målt av den første differensialtrykkmåleren 18. Dermed vil de to målte differensialtrykkene være tilnærmet like i størrelse. Ser en på tidsvariasjonen i signalene fra differensialtrykkmåleme 18 og 23, vil de være tilnærmet likeformet i de to tilfellene, bortsett fra at de vil være speilbilder av hverandre. Fremgangsmåten vil da være å invertere signalet fra differensialtrykkmåleren 23 og deretter krysskorrelere det med signalet fra måleren 18 i krysskorrelatoren 26. Siden den tidsavhengige variasjonen i differensialtrykksignalene hovedsakelig vil skyldes lokale variasjoner i væskefraksjonen, vil en ved å krysskorrelere disse signalene kunne finne hastigheten til væsken på en alternativ måte sett i forhold til den første utførelses-formen av oppfinnelsen. For å beregne alle fraksjoner og rater, vil den videre fremgangsmåten være identisk med den som er beskrevet i den første utførelses-formen av oppfinnelsen ovenfor. Denne andre utførelsesformen av oppfinnelsen kan benyttes som en fullstendig trefase-strømningsratemåler, og en kan, idet vi igjen henviser til Figur 1, fjerne de små elektrodene 7a og 7b, med tilhørende elektroniske kretser 9a og 9b for å gjøre innretningen enklere og sensorlegemet 1 kortere. Men dersom den benyttes sammen med den første utførelsen av oppfinnelsen, vil en kunne oppnå fordelen av redundans i målingen av væskehastig heten.

I en tredje utførelsesform av oppfinnelsen, idet det henvises til Figur 4, vil det bli benyttet en tredje differensialtrykkmåler 27 i en avstand noe fjernere oppstrøms av sensorlegemet 1 i et område av røret 11 uten noen inntrengende deler eller andre forstyrrelser. I tillegg forutsettes det at denne delen av røret er montert tilnærmet vertikalt slik at de to terminalene 28 og 29 til differensialtrykkmåleren 27 monteres med en viss minste vertikal avstand, h, i mellom seg. Differensialtrykkmåleren 27, med tilhørende terminaler 28 og 29 kan forsåvidt også plasseres nedstrøms av sensorlegemet 1. Ved hjelp av denne innretningen kan det måles et differensialtrykk som er avhengig av massetettheten til flerfaseblandingen 14 gjennom den statiske trykkforskjellen som oppstår på grunn av blandingens tyngde. Siden massetettheten til blandingen 14 er en funksjon av enkeltfasenes massetettheter, samt de tre fasefraksjonene som gitt i Likning 9, kan en ved å kombinere dette med målingen av de elektriske egenskapene, samt relasjonen i Likning 2 og Likning 3, mellom en av elektrodene, f.eks. 7d med tilhørende detektorkrets 9d og rørveggen 11, beregne de tre fasefraksjonene. Relasjonen mellom gassfraksjonen, t^ as, og den statiske trykkforskjellen, AP, er som gitt i Likning 10 under:

Her er g tyngdens akselerasjon, Fr er friksjonstapet og pipt er massetettheten til fluidet i tilførselslinjene 30 til differensialtrykkmåleren 27, der de to sistnevnte parameterene må være kjent. Siden ^as er gitt eksplisitt i Likning 10, kan man finne de andre to fasefraksjonene ved hjelp av Likning 2 og Likning 3, og en kan deretter beregne massetettheten til blandingen ved å benytte Likning 9.1 dette tilfellet vil en benytte den første differensialtrykkmåleren 18 til å bestemme væskestrømningsraten ved bruk av momentumlikningen (Likning 6), slik at i denne utførelsen kan, med henvisning til Figur 3, differensialtrykkmåleren 23 gjøres overflødig. I tillegg kan en, med henvisning til Figur 1, på tilsvarende måte som i andre utførelse beskrevet ovenfor, fjerne de små elektrodene 7a og 7b, med tilhørende detektorer 9a og 9b og krysskorrelator 21, for å gjøre innretningen enklere.

I alle de tre ovenfor nevnte utførelsesformene av innretningen vil en benytte krysskorrelasjon av de elektriske signalene fra detektorene 9c og 9d tilhørende elektrodeparet 7c og 7d til å bestemme gassens hastighet, som i de fleste tilfeller antas å være forskjellig fra væskens hastighet.

I en fjerde utførelsesform av oppfinnelsen, idet det henvises til Figur 5, vil en benytte den samme første differensialtrykkmåler 18 for å måle trykkforskjellen mellom en terminal 19 oppstrøms av en sensorinnsats 39 og en terminal 20 i innsnevringen av sensorinnsatsen 39. På samme måte som tidligere beskrevet kan dette differensialtrykket like gjerne måles mellom en posisjon nedstrøms av sensorinnsatsen 39 og en posisjon i innsnevringen av sensorinnsatsen 39.1 denne utførelsen er sensorinnsatsen 39, og dermed innsnevringen med måleområdet 10 utformet på en alternativ måte i forhold til de foregående utførelsesformene. Sensorinnsatsen 39 er laget av et elektrisk isolerende materiale 42 som f.eks. kan være en termoplast eller et annet elektrisk isolerende materiale. Den er laget med utgangspunkt i en massiv bolt med ytre diameter tilsvarende rørets 11 indre diameter. Videre har en frest ut først en konvergerende seksjon 43 og derfra en sylindrisk seksjon 44 som utgjør måleområdet 10 før det videre er frest ut en divergerende seksjon 45 der en går tilbake til rørets 11 opprinnelige indre diameter. I måleområdet 10 er det plassert to elektrodeanordninger 40 og 41 for måling av de elektriske egenskapene til det strømmende mediet 14.1 dette tilfellet kan en ikke benytte rørets 11 vegg som motelektrode, og en må derfor bygge inn par av elektroder for å utføre målingen. Disse er det vist eksempler på i Figur 6a og 6b, og det henvises derfor til disse for en nærmere beskrivelse av hvordan slike innretninger kan anordnes. I Figur 6a vises to buede elektroder 40a og 40b som er plassert mot hverandre over rørets 11 tverrsnitt. Disse er kopiert lenger nedstrøms, i form av elektrodene 41a og 41b, i den sylindriske seksjonen 44 av sensorinnsatsen 39. Alternativt, som vist i Figur 6b, kan de utformes som nærtliggende ringer, f.eks. som vist med elektroder 40a og 40b, der dette ringparet igjen er kopiert nedstrøms i form av elektrodene 41a og 41b. En av disse innretningene, f.eks. 40, brukes til å måle de elektriske egenskapene til det strømmende mediet 14 for bruk i beregningen av fraksjonene. Deretter benyttes signalene fra både 40 og 41 til krysskorrelering for å finne hastigheten til de store forstyrrelsene 17, som gjerne er gassen. Tilsvarende de andre utførelsesformene av oppfinnelsen, idet det henvises til Figur 5, vil anordningene 40 og 41 være koblet til elektroniske kretser 9c og 9d ved hjelp av ledninger 8 for generering av signaler som kan behandles av krysskorrelatoren 22, før resultatet av dette sendes inn på beregningsenheten 31. Den ene trykk-tappingen, representert ved terminalen 20, til differensialtrykkmåleren 18 vil plasseres i den sylindriske delen 44 av innsnevringen. Det må derfor være en kanal 46 gjennom sensorinnsatsen 39 som når inn til måleområdet 10 for å kunne detektere et korrekt differensialtrykk. Videre vil en benytte den samme tredje differensialtrykkmåleren 27 i en avstand noe fjernere oppstrøms, eller for den del nedstrøms, av sensorinnsatsen 39 i et område av røret 11 uten noen inntrengende deler eller andre forstyrrelser. Også her forutsettes det at denne delen av røret er montert vertikalt slik at de to terminalene 28 og 29 til differensialtrykkmåleren 27 monteres med en viss minste vertikal avstand, h, i mellom seg. For å utføre beregningene går en fram på samme måte som i tredje utførelse, men en benytter målingen av de elektriske egenskapene fra , f.eks. 40, inn i Likning 3, kombinerer denne med Likning 2, og Likning 10 som får sin verdi fra differensialtrykkmåleren 27. Videre beregnes massetettheten til blandingen ved å benytte Likning 9, og en benytter den første differensialtrykkmåleren 18 til å bestemme væskestrømningsraten ved bruk av Likning 6. Hastigheten til gassen beregnes ved bruk av Likning 4, som får sine inngangsdata fra de elektroniske kretsene 9c og 9d, koplet til anordningene 40 og 41. ^

Alle beregninger foretas i en beregningsenhet 31 i form av en datamaskin som også innbefatter et inngangstrinn for innlesning og omforming av data fra måleenhetene 9,18, 22 og 27. Dataene behandles så av en dataprosessor som styres av dertil egnet programvare. Som en del av programvaren kan det legges inn beregningsverktøy for å regne om resultatene fra de trykk- og temperaturforhold det er målt under til standard trykk- og temperaturforhold. Beregningsenheten 31 innbefatter også en innretning for lagring av data. Videre omfatter beregningsenheten 31 et utgangstrinn der resultatene av beregningene kan sendes til en utlese-enhet 37 for visning av data på f.eks. en skjerm, de kan sendes til en utskriftsenhet, eller resultatene kan sendes over en kommunikasjonsline 38 til f.eks. brukerens kontrollsystem.

Claims (22)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av tverrsnittsfraksjoner og eventuelt massestrømningsrater for de enkelte faser i en strømning av en flerfaseblanding ved en posisjon i et rør, hvor hastigheter for henholdsvis gass- og væskefase i strømningen måles ved hjelp av krysskorrelering av målinger av fysiske parametere for flerfaseblandingen som utføres ved posisjonen og opp- og/eller nedstrøms for denne, blant hvilke parametere inngår elektriske egenskaper for fasene, idet målingene av fasenes elektriske egenskaper også gir direkte informasjon relatert til fasenes tverrsnittsfraksjoner, karakterisert ved at en innsnevret strømningspassasje tilveiebringes ved den aktuelle posisjonen, differensialtrykk måles mellom en posisjon oppstrøms eller nedstrøms for den innsnevrede passasjen og en posisjon ved passasjen, i den innsnevrede strømningspassasjen måles fasenes elektriske egenskaper, spesielt blandingens permittivitet og/eller konduktivitet, ved hjelp av elektroder anbrakt der, og ut fra differensialtrykkmålingen, på forhånd kjente verdier for fasenes massetettheter, målt hastighet for væskefasen og målingen av permittivitet og/eller konduktivitet for blandingen, beregnes de endelige tverrsnittsfraksjoner av fasene.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at målingene av fasenes elektriske egenskaper foretas med relativt brede elektroder for måling av den ene fasens hastighet ved krysskorrelasjon, og samtidig med relativt smale elektroder for måling av den andre eller begge fasenes hastighet ved krysskorrelasjon.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at differensialtrykk måles mellom to posisjoner, ved hjelp av gjennomføringer/trykktappinger gjennom en rørvegg, oppstrøms eller nedstrøms for og ved et sensorlegeme som tilveiebringer den innsnevrede strømningspassasjen, hvilket sensorlegeme samtidig omfatter par av brede og smale elektroder for måling av fasenes elektriske egenskaper, idet motelektroder utgjøres av rørveggen eller en separat, rørformet motelektrode-anordning anbrakt tett på innsiden av rørveggen, men isolert elektrisk fra denne.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at de bestemte tverrsnittsfraksjonene kombineres med de allerede bestemte hastighetene av fasene, samt tversnittsarealet av den innsnevrede passasjen, for å bestemme de enkelte fasenes volumstrømningsrater ved de aktuelle forhold ved den aktuelle posisjonen, eventuelt justeres kombinasjonsprosessen med egnet beregningsverktøy for bestemmelse av volumstrømningsrater ved standard trykk- og temperaturforhold.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at de bestemte volumstrømningsratene kombineres med de enkelte fasenes på forhånd kjente massetettheter for å bestemme de enkelte fasenes massestrømningsrater ved de aktuelle forhold ved den aktuelle posisjonen, eventuelt justeres kombinasjonsprosessen med egnet beregningsverktøy for bestemmelse av massestrømningsrater ved standard trykk-og temperaturforhold.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at et ytterligere differensialtrykk måles mellom en posisjon ved den innsnevrede strømningspassasjen og en posisjon nedstrøms eller oppstrøms av passasjen, hvorved en av fasenes hastighet bestemmes ved krysskorrelering av de to differensialtrykkmålingene, og den andre fasens hastighet bestemmes ved krysskorrelering av målingene av fasenes elektriske egenskaper ved den førstnevnte posisjonen og opp- eller nedstrøms for denne.

7. Fremgangsmåte for bestemmelse av tverrsnittsfraksjoner og eventuelt massestrømningsrater for de enkelte faser i en strømning av en flerfaseblanding ved en posisjon i et rør, hvor hastigheten for gassfasen i strømningen måles ved hjelp av krysskorrelering av målinger av fysiske parametere for flerfaseblandingen som utføres ved posisjonen og opp- og/eller nedstrøms for denne, blant hvilke parametere inngår elektriske egenskaper for fasene, idet målingene av fasenes elektriske egenskaper også gir direkte informasjon relatert til fasenes tverrsnittsfraksjoner, karakterisert ved at en innsnevret strømningspassasje tilveiebringes ved den aktuelle posisjonen, et første differensialtrykk måles mellom en posisjon oppstrøms eller nedstrøms av den innsnevrede passasjen og en posisjon ved passasjen, et andre differensialtrykk måles mellom en posisjon relativt fjernt fra den innsnevrede passasjen og en posisjon nærmere den innsnevrede passasjen, idet de to sistnevnte posisjonene befinner seg i forskjellig høyde, i den innsnevrede strømningspassasjen måles fasenes elektriske egenskaper, spesielt blandingens permittivitet og/eller konduktivitet, ved hjelp av elektroder anbrakt der, ut fra målingen av blandingens permittivitet og/eller konduktivitet og den andre differensialtrykkmålingen, samt på forhånd kjente verdier for fasenes massetettheter, beregnes de endelige tverrsnittsfraksjonene av fasene, og ut fra den første differensialtrykkmålingen og tverrsnittsfraksjonene beregnes volumstrømningsraten til væskefasen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at det første differensialtrykket måles ved hjelp av gjennomføringer/trykktappinger gjennom en rørvegg oppstrøms eller nedstrøms for og ved et sensorlegeme som tilveiebringer den innsnevrede strømningspassasjen, hvilket sensorlegeme samtidig omfatter de nevnte elektroder for måling av fasenes elektriske egenskaper, idet motelektroder utgjøres av rørveggen eller en separat, rørformet motelektrode-anordning anbrakt tett på innsiden av rørveggen, men isolert elektrisk fra denne.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at det første differensialtrykket måles ved hjelp av gjennomføringer/trykktappinger gjennom en rørvegg oppstrøms eller nedstrøms for og ved en sensorinnsats, bestående av en konvergerende passasje som går over i en sylinderformet passasje og ender opp i en divergerende passasje, hvor sensorinnsatsen tilveiebringer den innsnevrede strømningspassasjen, idet elektrodene for måling av fasenes elektriske egenskaper er anbrakt på innsiden av den sylindriske passasjen i sensorinnsatsen.

10. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 7-9, karakterisert ved at de bestemte tverrsnittsfraksjonene kombineres med de allerede bestemte hastighetene for fasene, samt tversnittsarealet av den innsnevrede passasjen, for å bestemme de enkelte fasenes volumstrømningsrater ved de aktuelle forhold ved den aktuelle posisjonen, eventuelt justeres kombinasjonsprosessen med egnet beregningsverktøy for bestemmelse av volumstrømningsrater ved standard trykk- og temperaturforhold.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at de bestemte volumstrømningsratene kombineres med de enkelte fasenes på forhånd kjente massetettheter for å bestemme de enkelte fasenes massestrømningsrater ved de aktuelle forhold ved den aktuelle posisjonen, eventuelt justeres kombinasjonsprosessen med egnet beregningsverktøy for bestemmelse av massestrømningsrater ved standard trykk-og temperaturforhold.

12. System for bestemmelse av tverrsnittsfraksjoner og eventuelt massestrømningsrater for de enkelte faser i en strømning av en flerfaseblanding ved en posisjon i et rør, hvor hastigheter for henholdsvis gass- og væskefase i strømningen måles ved hjelp av krysskorrelering av målinger av fysiske parametere for flerfaseblandingen som utføres ved posisjonen og opp- og/eller nedstrøms for denne, blant hvilke parametere inngår elektriske egenskaper for fasene, idet målingene av fasenes elektriske egenskaper også gir direkte informasjon relatert til fasenes tverrsnittsfraksjoner, karakterisert ved en innsnevret strømningspassasje ved den aktuelle posisjonen, anordninger for måling av differensialtrykk mellom en posisjon oppstrøms eller nedstrøms forden innsnevrede passasjen og en posisjon ved passasjen, anordninger for måling av fasenes elektriske egenskaper, spesielt blandingens permittivitet og/eller konduktivitet, i den innsnevrede strømningspassasjen ved hjelp av elektroder anbrakt der, og anordninger for ut fra differensialtrykkmålingen, på forhånd kjente verdier for fasenes massetettheter, målt hastighet for væskefasen og målingen av blandingens permittivitet og/eller konduktivitet, å beregne de endelige tverrsnittsfraksjoner av fasene.

13. System ifølge krav 12, karakterisert ved at anordningene for måling av fasenes elektriske egenskaper omfatter relativt brede elektroder for måling av den ene fasens hastighet ved krysskorrelasjon, samt relativt smale elektroder for måling av den andre eller begge fasenes hastighet ved krysskorrelasjon.

14. System ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved et sensorlegeme som tilveiebringer den innsnevrede strømningspassasjen, hvilket sensorlegeme samtidig omfatter par av brede og smale elektroder for måling av fasenes elektriske egenskaper, idet motelektroder utgjøres av rørveggen eller en separat, rørformet motelektrode-anordning anbrakt tett på innsiden av rørveggen, men isolert elektrisk fra denne, og gjennomføringer/trykktappinger gjennom en rørvegg i to posisjoner, oppstrøms eller nedstrøms for og ved sensorlegemet, for måling av differensialtrykk mellom disse to posisjonene.

15. System ifølge et av kravene 12-14, karakterisert ved at anordningene for å beregne tverrsnittsfraksjonene videre er innrettet for å kombinere de bestemte tverrsnittsfraksjonene med de allerede bestemte hastighetene av fasene, samt tversnittsarealet av den innsnevrede passasjen, for å bestemme de enkelte fasenes volumstrømningsrater ved de aktuelle forhold ved den aktuelle posisjonen, eventuelt også for å justere kombinasjonsprosessen med egnet beregningsverktøy for bestemmelse av volumstrømningsrater ved standard trykk- og temperaturforhold.

16. System ifølge krav 15, karakterisert ved at anordningene for å beregne tverrsnittsfraksjonene videre er innrettet for å kombinere de bestemte volumstrømningsratene med de enkelte fasenes på forhånd kjente massetettheter for å bestemme de enkelte fasenes massestrømningsrater ved de aktuelle forhold ved den aktuelle posisjonen, eventuelt også for å justere kombinasjonsprosessen med egnet beregningsverktøy for bestemmelse av massestrømningsrater ved standard trykk-og temperaturforhold.

17. System ifølge krav 12, karakterisert ved ytterligere anordninger for måling av differensialtrykk mellom en posisjon ved den innsnevrede strømningspassasjen og en posisjon nedstrøms eller oppstrøms av passasjen, hvorved en av fasenes hastighet kan bestemmes ved krysskorrelering av de to differensialtrykkmålingene, og den andre fasens hastighet kan bestemmes ved krysskorrelering av målingene av fasenes elektriske egenskaper ved den førstnevnte posisjonen og opp- eller nedstrøms for denne.

18. System for bestemmelse av tverrsnittsfraksjoner og eventuelt massestrømningsrater for de enkelte faser i en strømning av en flerfaseblanding ved en posisjon i et rør, hvor hastigheten for gassfasen i strømningen måles ved hjelp av krysskorrelering av målinger av fysiske parametere for flerfaseblandingen som utføres ved posisjonen og opp- og/eller nedstrøms for denne, blant hvilke parametere inngår elektriske egenskaper for fasene, idet målingene av fasenes elektriske egenskaper også gir direkte informasjon relatert til fasenes tverrsnittsfraksjoner, karakterisert ved en innsnevret strømningspassasje ved den aktuelle posisjonen, anordninger for måling av et første differensjaltrykk mellom en posisjon oppstrøms eller nedstrøms av den innsnevrede passasjen og en posisjon ved passasjen, anordninger for måling av et andre differensialtrykk mellom en posisjon relativt fjernt fra den innsnevrede passasjen og en posisjon nærmere den innsnevrede passasjen, idet de to sistnevnte posisjonene befinner seg i forskjellig høyde, anordninger for måling av fasenes elektriske egenskaper, spesielt blandingens permittivitet og/eller konduktivitet, i den innsnevrede strømnings-passasjen ved hjelp av elektroder anbrakt der, anordninger for ut fra målingen av blandingens permittivitet og/eller konduktivitet og den andre differensialtrykkmålingen, samt på forhånd kjente verdier for fasenes massetettheter, å beregne de endelige tverrsnittsfraksjonene av fasene, og for ut fra den første differensialtrykkmålingen og tverrsnittsfraksjonene å beregne volumstrømningsraten til væskefasen.

19. System ifølge krav 18, karakterisert ved et sensorlegeme som tilveiebringer den innsnevrede strømningspassasjen, hvilket sensorlegeme samtidig omfatter de nevnte elektroder for måling av fasenes elektriske egenskaper, idet motelektroder utgjøres av rørveggen eller en separat, rørformet motelektrode-anordning anbrakt tett på innsiden av rørveggen, men isolert elektrisk fra denne, og gjennomføringer/trykktappinger gjennom en rørvegg, i to posisjoner, oppstrøms eller nedstrøms for og ved sensorlegemet, for måling av det første differensialtrykket mellom disse to posisjonene.

20. System ifølge krav 18, karakterisert ved en sensorinnsats, bestående av en konvergerende passasje som går over i en sylinderformet passasje og ender opp i en divergerende passasje, hvor sensorinnsatsen tilveiebringer den innsnevrede strømningspassasjen, idet elektrodene for måling av fasenes elektriske egenskaper er anbrakt på innsiden av den sylindriske passasjen i sensorinnsatsen, og - gjennomføringer/trykktappinger gjennom en rørvegg, i to posisjoner, oppstrøms eller nedstrøms for og ved sensorinnsatsen, for måling av det første differensialtrykket mellom disse to posisjonene.

21. System ifølge et av kravene 18-20, karakterisert ved at anordningene for å beregne tverrsnittsfraksjonene videre er innrettet for å kombinere de bestemte tverrsnittsfraksjonene med de allerede bestemte hastighetene for fasene, samt tversnittsarealet av den innsnevrede passasjen, for å bestemme de enkelte fasenes volumstrømningsrater ved de aktuelle forhold ved den aktuelle posisjonen, eventuelt også for å justere kombinasjonsprosessen med egnet beregningsverktøy for bestemmelse av volumstrømningsrater ved standard trykk- og temperaturforhold.

22. System ifølge krav 21, karakterisert ved at anordningene for å beregne tverrsnittsfraksjonene videre er innrettet for å kombinere de bestemte volumstrømningsratene med de enkelte fasenes på forhånd kjente massetettheter for å bestemme de enkelte fasenes massestrømningsrater ved de aktuelle forhold ved den aktuelle posisjonen, eventuelt også for å justere kombinasjonsprosessen med egnet beregningsverktøy for bestemmelse av massestrømningsrater ved standard trykk-og temperaturforhold.