NO313647B1 - Anordning for måling av egenskaper til en strömmende fluidblanding - Google Patents

Abstract

remgangsmåte for måling av egenskap-ene til en strømmende fluidblanding som omfatter minst to ulike komponenter, mens fluidblandingen strømmer gjennom en kanal eller et rør. Målingen foretas med en strømmåler som omfatter:. minst én sensor (2,3) i form av en hulromsresonator gjennom hvilken minst endel av fluidblandingen passerer,. - ... minst én elektronisk krets (4) som omfatter en sender (11) innrettet til å sende et elektrisk signal (9) inn i det strømmende fluid via en probe (7,11),. - , r minst én mottager innrettet til å motta et signal som har vandret gjennom den strømmende fluidblandingen, og. minst én signalprosessor (12) inn-. rettet til å utlede fluidspesifikke signaler fra de mottatte signaler.En oscillator som inngår i den elektroniske enhet (4), kan, i en foretrukken utførelse, være faselåst til resonansfrekvensen til sensoren (2,3) (i en såkalt FSA (feedback selv-oscillating ampli-fication) fremgangsmåte). Frekvensen blir deretter telt nede i hullet og resultatet overføres til overflaten som et digitalt siffer for hver måling av de aktuelle egenskaper.ppfinnelsen angår også konstruksjonen av en måler og en sensoranordning konstruert for å passe inn i et smalt ringrom i en produksjonsbrønn under overflaten.

Description

Oppfinnelsen vedrører et måler- og et sensorkonsept for måling av egenskaper ved en fluidstrømning. Måleren omfatter en sensor, en elektronisk enhet og en programvarepakke, spesielt for kontinuerlig måling av sammensetningen av et fluid som strømmer gjennom en rørledning eller en kanal. I dette dokumentet blir spesielt bruk som en nedhullsmåler for måling av vannandelen i det fluid som produseres i en oljebrønn, beskrevet. Oppfinnelsen kan imidlertid også benyttes til å måle andre egenskaper og verdier.

Sensoren er basert på bruk av både mikrobølgeresonans-prinsippet for måling av oljekontinuerlige fluider (vanndrå-per og gassbobler i olje, dvs. at oljen er den kontinuerlige fase), og målingen av konduktivitet for vannkontinuerlige fluider (oljedråper og gassbobler i vann, dvs. at vannet er den kontinuerlige fase). Måleren er ment for installasjon ved en produksjonssone i en oljebrønn. Måleren kan også måle det fluid som blir produsert fra en spesiell sone. Måleresultatet kan brukes til å styre en ventil som regulerer produksjons-hastigheten fra sonen. Slikt utstyr er spesielt nyttig i såkalte smarte brønner hvor flere soner produserer inn i den samme brønn. Innstrømningen fra en sone blir blandet med ho-vedstrømningen (som er blitt produsert fra andre soner og strømninger i et rørsystem) ved den ventil som regulerer vedkommende sone. Sammensetningen bør måles inne i brønnen (nede i hullet) mellom perforeringene i foringsrøret og ventilen, mens fluidet strømmer i ringrommet før det blir blandet med hovedstrømningen. Kjennskap til sammensetningen av det fluid som produseres, er viktig for den langsiktige optimalisering av utvinningen fra en sone.

Det finnes et antall forskjellige målere på markedet for måling av vanninnholdet i olje. Noen målere er basert på bruk av radioaktiv stråling, noen er kapasitive, og noen er basert på bruk av mikrobølger. De radioaktive sensorer er problema-tiske i mange miljøer på grunn av helserisikoen ved slik stråling, og de nødvendige sikkerhetsforanstaltninger. Ved anvendelser nede i borehull vil dette oppvise et alvorlig problem, spesielt under installasjonsfasen. I tillegg er nøy-aktigheten et problem fordi strålingen hovedsakelig er følsom for differanser i densitet, og differansen i densitet mellom olje og vann er liten eller endog lik null. De kapasitive sensorer måler permittiviteten (se kapittel 2 i Nyfors E., og P. Vainikainen, Industrial Microwave Sensors, Norwood, MA.: ArtechHouse, 1989) til fluidene ved frekvenser som er meget lavere enn de som brukes av mikrobølgesensorer. De er derfor meget følsomme for alle typer forurensning, ettersom et tynt lag av f.eks. skall eller voks har stor innvirkning på impe-dansen til slike sensorer. De krever også en forholdsvis komplisert mekaniske struktur, innbefattende et dielektrisk beskyttelsesbelegg på innsiden av sensoren slik at elektrode-ne ikke kommer i direkte kontakt med det fluid som måles. Mikrobølgesensorer har ikke disse problemer. En mikrobølge-sensor måler permittiviteten til et fluid. Fordi permittiviteten til vann er meget høyere enn permittiviteten til de fleste andre stoffer, olje innbefattet, er permittiviteten til et fluid som inneholder vann, meget følsom for vanninnholdet .

Fra det norske patentet NO 308922 Bl er det kjent en mikrobølgesensor for måling av blandingsforhold mellom strøm-mende fluider i et rør der en lengde av et rør utgjør en del av sensoren. Blandingsforholdet bestemmes ut fra måling av sensorens resonsansfrekvens når den er fylt med blandingsflu-idet.

Videre er det fra US-patentet 5,453,693 kjent produk-sjonsloggeutstyr for måling av brønnfluiders dielektriske egenskaper. Sender- og mottakerprober for elektromagnetiske signaler ligger langs verktøystammens omkrets ut mot ringrommet mellom foringsrør og verktøystammen. Ved måling av elektriske signalparametere bestemmes blant annet vannfraksjon.

I US-patentet 5,926,024 er det beskrevet en anordning for nedhulls måling av vannfraksjon i brønnfluider. Det vises en sentrert elektrisk leder som utgjør, sammen med et foringsrør som en ytre leder, en mikrobølgetransmisjonslinje nede i brønnhullet. En elektrisk svingekrets plassert på overflaten eller i brønnen er tilkoblet transmisjonslinjen, og ut fra en målt svingefrekvens kan brønnfluidets vannfraksjon bestemmes.

De forhold som en måler for måleoperasjoner nede i ringrommet i en oljebrønn må møte, er vanskelige. Disse er det høye trykket (typisk opp til 1.000 bar), den høye temperaturen (typisk opp til 180°C) , det meget begrensede rommet, den lave elektriske kraften som er tilgjengelig (på grunn av den vanligvis flere kilometer lange forsyningskabelen), og den krevde høye pålitelighet fordi det ikke er noen mulighe-ter til å vedlikeholde måleren når den først er blitt instal-lert ved avslutningen av oljebrønnen. Disse forholdene krever en spesielt utformet mikrobølgesensor for ringrommet. Sensoren må også være konstruert slik at et måleprinsipp kan brukes, som krever en absolutt minimumsmengde med elektronikk nede i borehullet hvor sensoren er plassert, på grunn av det begrensede rom, den begrensede effekt og kravet til pålitelighet i kombinasjon med den høye temperaturen. Målemetoden bør også være slik at en minimal mengde med informasjon må overføres til overflaten, på grunn av den lave databehand-lingskapasiteten til en flere kilometer lang kombinert kraft-/signalkabel.

Resonansfrekvensen til en mikrobølgeresonatorsensor kan måles med hovedsakelig to forskjellige metoder (se Vainikainen, P., "Measurement electronics of industrial microwave resonator sensors", Avhandling for graden Doctor of Technology, Helsinki University of Technology, Radio Laboratory, Report s. 194, 1991).

Det første medfører måling av frekvensresponsen til resonatoren ved å utføre et frekvenssveip, med f.eks. en VCO (Voltage Controlled Oscillator), en spenningsregulert oscillator) . Resonansfrekvensen blir så vanligvis utledet ved å utføre en kurvetilpasning. Hvis denne fremgangsmåten skal brukes i en nedhullsanvendelse, må enten hele frekvensresponsen som vanligvis involverer hundrevis av målepunkter, over-føres til overflaten for en måling av vanninnholdet, eller det må være en databehandlingskapasitet i elektronikken nede i borehullet. Overføring av frekvensresponsen til overflaten er langsom, og behandling av dataene nede i hullet vil gjøre den elektroniske enhet meget mer kompleks og upålitelig.

Den annen mulighet er den såkalte FSA-metode (feedback self-oscillating amplifier), tilbakekoplet, selvoscillerende forsterker metoden, som er basert på å låse en oscillator til sensorens resonansfrekvens. FSA-metoden er hurtig og enkel. at det ikke bør være noen annen resonanstopper nær den som benyttes, slik at det kan sikres at elektronikken alltid lå-ses på den riktige resonanstopp.

Denne sensor ifølge oppfinnelsen er en mikrobølgehulrom-resonator med ny konstruksjon, spesielt innrettet for bruk nede i borehull, f.eks. i en olje-/gassbrønn. Fordelene er at den er egnet for permanent installasjon i et ringrom på grunn av frekvensresponsen som gjør den egnet for måling med FSA-metoden, en enkel oppbygning og prober som også kan brukes til å måle konduktiviteten til fluidet for å bestemme vanninnholdet når fluidet er vannkontinuerlig. Med disse egenska-pene kreves bare en minimal mengde med elektronikk nede i hullet, noe som gjør det mulig å oppnå god pålitelighet også ved de høye temperaturer som påtreffes i nedhullsmiljøet. En minimal mengde med dataoverføring er nødvendig, som muliggjør hurtige målinger. All programvare for utførelse av de nødven-dige beregninger av vanninnholdet, kan lokaliseres på overflaten .

Disse fordelene kan oppnås ved å bruke teknikken og trekkene i henhold til de vedføyde patentkrav.

En mer detaljert beskrivelse av noen utførelsesformer av oppfinnelsen er gitt nedenfor, og en foretrukket utførelses-form er spesielt vist. Anvendelsen som en permanent nedhullsmåler for måling av vanninnholdet i innstrømningen fra en enkelt sone i en oljebrønn, blir brukt som et eksempel. De føl-gende figurer er brukt i beskrivelsen: Fig. 1 Tverrsnittet av en semisektor-formet bølgeleder. Fig. 2 Konstruksjonen av den nedhulls semisektor-formede hulromsresonatorsensor, vist ved hjelp av en langs-gående skisse og et tverrsnitt. Fig. 3 Tverrsnittet gjennom en oljebrønn med to sensorer av ovennevnte type montert i ringrommet i brønnen. Fig. 4 Den elektriske feltintensitet i sensoren i TE-modus med n & 1 < 3, m=l projisert på en sylindrisk ut-foldet overflate. Posisjonen til probene er markert med kryss.

Fig. 5 Utformingen av probene sett i tverrsnitt.

Fig. 6 Frekvensresponsen til sensoren målt med en nettverksanalysator. Saliniteten til vannet er 3%. Vanninnholdet varierer trinnvis fra 0% til 25%.

Fig. 5 Utformingen av probene sett i tverrsnitt.

Fig. 6 Frekvensresponsen til sensoren målt med en nettverksanalysator. Saliniteten til vannet er 3%. Vanninnholdet varierer trinnvis fra 0% til 25%. Fig. 7 Prinsippet for FSA-metoden for måling av resonansfrekvensen.

På figurene blir de samme henvisningstall brukt på iden-tiske eller lignende komponenter og elementer når det finnes hensiktsmessig. Det skal også bemerkes at figurene er teg-ninger som primært skisserer prinsippene og følgelig kan vis-se praktiske detaljer være utelatt selv om de er nødvendige for å realisere oppfinnelsen. Til slutt skal det nevnes at skalaen ikke er den samme på hver tegning, selv ikke i forskjellige deler eller forskjellige retninger på en enkelt tegning.

På fig. 1 er hovedformen til en såkalt semisektor-formet sensor 2 vist i tverrsnitt. Formen til en sensor 2 kan således defineres ved hjelp av vinkelen cp, den indre radius b og den ytre radius A. Den omgivende vegg 21 for sensoren 2 er laget av et stivt og elektrisk ledende materiale som har en hul utforming, slik at fluidet kan passere fritt gjennom det "buede rør", perpendikulært til papirplanet. Det antall semi-sektorer som kan være anordnet i et ringrom, f.eks. mellom et produksjonsrør og et foringsrør i en olje- eller gass-brønn, vil avhenge av vinkelen cp.

Lengden av sensoren 2 er vist på fig. 2, som på venstre side viser en skisse tatt langs sensorens akse og på høyre side viser et enderiss av sensoren. Her er det antatt at en-degitteret 18, som også er ledende, er anordnet ved begge ender av sensoren 2. Som det kan ses innbefatter midtpartiet til sensoren bare et enkelt kammer, mens endegitrene bare er innført ved endepartiene for å avskjerme hulrommet i resonatoren fra omgivelsene.

På fig. 3 er det vist en foretrukket utførelsesform hvor to slike sensorer 2, 3 er anordnet som en integrert enhet i ringrommet i et produksjonsrør, fortrinnsvis nedhulls i en olje-/gassbrønn. Så kan også høyfrekvensutstyr være innbefattet i nedhullsenheten, mens alt annet utstyr, slik som den elektroniske kretsen 4 og eventuelle beregnings- eller sig-nalbehandlingsenheter (12) kan være anordnet på overflaten.

Fig. 4 viser feltet inne i sensoren for forskjellige bølgemodi. x-merkene som er synlige på diagrammene, representerer posisjonen av de prober som brukes i en FSA-operasjon, som forklart nedenfor.

På fig. 5 er en utførelsesform av en probe 7, 11 vist mer detaljert. Her er det antatt en koaksiabel probekonstruk-sjon, men andre konvensjonelle probeutforminger kan også benyttes .

På fig. 6 er frekvensresponsen vist som forklart senere i beskrivelsen, og på fig. 7 er FSA-metoden vist prinsipielt, som forklart senere.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved at når permittiviteten til et fluid blir målt for å bestemme sammensetningen, blir det benyttet en mikrobølge-hulromsresonator. Resonatoren er en halvsektorformet hulromsresonator med endestrukturer bestående av radiale/aksiale plater eller endegitre 18, som tillater strømningen å passere uhindret gjennom sensoren 2. Probene er plassert slik at kobling til resonansmodiene i nærheten av de anvendte modi, blir eliminert, noe som gjør sensoren velegnet for FSA-metoden til måling av resonansfrekvens. De samme prober som brukes til å koble mikrobølgesig-nalet til sensoren, kan også brukes til å måle fluidets konduktivitet, f.eks. i tilfelle med et vannkontinuerlig fluid bestående av olje, vann og gass. Programvaren for beregning av sammensetningen kan være anbrakt langt unna, f.eks. på overflaten i tilfelle anvendelse til måling nede i hullet i en oljebrønn, på grunn av den lille dataoverføringsmengde som er nødvendig. Foran (oppstrøms for) sensoren kan det være en blander 17, av en hvilken som helst konvensjonell type, som sikrer at fluidet er godt blandet i tilfelle fluidet har seg-regert under strømning i ringrommet.

Trykkfallet over denne blanderen, eller en annen del i ringrommet som skaper dragsug, kan også måles, og strømnings-hastigheten kan utledes fra en empirisk kalibrert modell. Fra strømningshastighets- og sammensetningsmålingen kan produk-sjonsverdier for eksempelvis vann og hydrokarboner beregnes.

Beregningsmetodene vil bli forklart nedenfor:

forholdet blir vanligvis uttrykt som det totale volum av en av komponentene i forhold til volumet til blandingen, f.eks.

når VA er volumet av komponent A og VB er volumet av komponent B i en prøve av volumet, er Vm = VA + VB totalvolumet for blandingen. Hvis f.eks. A er vann og B er olje, er cpA vanninnholdet i blandingen. I tilfelle av fluid produsert i en oljebrønn, kan B være en kjent blanding av olje og gass, og vil derfor generelt bli kalt hydrokarbonkomponenten. Den måte em avhenger av cp, avhenger av hvordan komponentene blandes med hverandre, og er derfor spesifikk for disse komponentene. Som en modell for denne avhengigheten kan en kjent modell (se kapittel 2, 4 i Nyfors E., og P. Vainikainen, Industrial Microwave Sensors, Norwood, MA.: ArtechHouse, 1989), benyttes, eller det kan benyttes en empirisk kalibrert modell. Ved å bruke denne modellen kan cp så utledes fra en målt verdi av Em •

For målingen av em kan en mikrobølgeresonator benyttes som sensor. En slik sensor har en resonansfrekvens som er av-hengig av permittiviteten til mediet som den er fylt med. Hvis fo er resonansfrekvensen til sensoren når den er tom, og fm når den er fylt med blandingen, er permittiviteten, som fastslått i Nyfors E., og P. Vainikainen, Industrial Microwave Sensors, Norwood, MA.: ArtechHouse, 1989:

Det er tidligere kjent at mikrobølgeresonatorer for måling av fluider kan være laget av sylindriske rør med forholdsvis åpne gitterendestrukturer som tillater fluidet å strømmen gjennom sensoren, men hindrer mikrobølgene fra å unnslippe. Se f.eks. US-patentet 5,103,181 (Gaisford med flere) . Foreliggende oppfinnelse omfatter en ny type sensor i form av en mikrobølge-hulromsresonator formet for å passe inn i ringrommet og med endegitterstrukturer. Sensorens tverrsnitt er den del av en sektor som er avgrenset mellom to kon-sentriske sirkler. En slik form vil her bli kalt en semisektor (fig. 1).

Den nye sensoren er således en semisektor-formet hulromsresonator-sensor. Det skal understrekes at det kan benyttes en, to eller flere enn<1> to slike semisektor-formede elementer i ringrommet. Følgelig refererer "semi" ikke til halv-parten av omkretsen, men isteden til en hvilken som helst andel av omkretsen. Det rom som ikke fylles med en bølgeleder, kan benyttes til kabler, koblinger, osv.

I hule bølgeledere, dvs. elektrisk ledende rør, kan mik-robølger forplante seg i forskjellige bølgemodi kalt TE- eller TM-bølgemodi (se kapittel 3 i Collin, R.E., Foundations for Microwave Engineering, New York: McGraw-Hill, 1966) som har spesiell grensefrekvenser. Energi kan forplante seg på en spesiell modus bare ved frekvenser over grensefrekvensen for vedkommende modus. Modiene i semisektor-formede bølgeledere kan løses etter den samme prosedyre som for sylindriske bøl-geledere. Modiene blir da kalt TE™ eller TM™, og deres grensefrekvenser er gitt av

hvor c er lyshastigheten i vakuum (3xl0<8> m/s), og a er den største radien i semisektoren (fig. 1). Indeksen v er gitt av hvor cpo er sektorvinkelen (fig. 1) , og n er et heltall (n=0,1,2,... (TE), og n=l,2,3,... (TM)). P™ = kca er den m. løsning av ligningen hvor Ju og Yv er Bessel funksjoner av første og annen type og orden u, b er den minste radius (fig. 1) og P'm = kca er den m. løsning på ligningen

hvor apostrofen betegner den deriverte med hensyn på funksjo-nens argument. I det generelle tilfellet kan ligningene (6) og (8) bare løses numerisk.

En mikrobølge-resonansmodus i en semisektor-formet hulromsresonator er basert på en TE™ eller TMvm-bølgeledermodus. Resonatoren har en lengde L av den semisektor-formede bølge-leder avgrenset av endestrukturer som tilveiebringer en åpen eller kortsluttet krets til bølgemodusen, slik at bølgene blir reflektert frem og tilbake og genererer et stambølge-mønster i den avgrensede bølgelederseksjon. Bølgemodusen får en tredje indeks 1 tilknyttet lengden L av resonatoren. Reso-nansf rekvensen til de forskjellige modi er derfor (se Nyfors E., og P. Vainikainen, Industrial Microwave Sensors, Norwood, MA.: ArtechHouse, 1989, p 150):

hvor Xum betegner Pum eller P'um. Oppfinnelsen er en resonator med kortsluttede ender og kan derfor understøtte TMumi modi med indeks 1=0,1,2,... og TEumi-modi med 1=1,2,3,....

Ifølge oppfinnelsen er det blitt utformet en halvsektorformet mikrobølge-hulromsresonator-sensor for måling av vanninnholdet i det fluid som produseres i en oljebrønn, mens fluidet strømmer i ringrommet. Et eksempel på resonatoren er vist på fig. 2, og fig. 3 viser et tverrsnitt av oljebrønnen med to slike sensorer montert på utsiden av rørledningen. Sensoren har liten klaring til foringsrøret, noe som er nød-vendig når rørledningen eller produksjonsrøret (som innbefatter sensorer og lignende) blir ført glidende på plass under avslutning av oljebrønnen. To sensorer kan brukes som vist på fig. 3, til å forbedre påliteligheten ved å tilveiebringe re-dundans, eller for å forbedre samplingen i tilfelle med seg-regasjon. To seksjoner av omkretsen til rørledningen er et-terlatt frie på fig. 3 for å tillate plass til kabler og lignende til andre produksjonssoner dypere i brønnen, å passere.

Den utførelsesform som er vist på fig. 2, kan brukes til forskjellige brønndimensjoner, den viste sensor ble imidlertid utformet for en brønn med en 4" rørledning i et 7" foringsrør (et 7" foringsrør blir kalt en hylse). Tabell 1 viser resonansfrekvensen til de 10 modi med lavest resonansfrekvens, og fig. 1 viser et kvalitativt bilde av den elektriske feltintensitet for TE-modiene med n & 1 < 3, m=l projisert på en sylindrisk overflate. Modusen med lavest resonansfrekvens (TEun, n=l) ble valgt for måleformål fordi det er det mest praktiske valg, spesielt når FSA-metoden blir benyttet .

Tabell 1 Resonansfrekvensen til de 10 modi med lavest resonansfrekvens i en semisektor-formet mikrobølge-hulromsresonator med dimensjonene: a = 72 mm, b = 62 mm, cp0 = 128,3°, og L = 225 mm. v ble gitt av

(5), P'ui av (8) og f x av (9). Legg merke til at

verdiene av Pum som er beregnet fra ligning (6) viser at alle TM-modi i resonatoren har høyere reso-nansf rekvenser enn de som er vist i tabellen.

Ved måling av resonansfrekvensen til en resonatorsensor ved hjelp av FSA-metoden, er det nødvendig med to koblingsprober. Fordi den anvendte modus har et antall radiale elektriske felt, er koblingsprober av den elektriske type (se Nyfors E., og P. Vainikainen, Industrial Microwave Sensors, Norwood, MA.: ArtechHouse, 1989) som er radialt lokalisert, det naturlige valg. Den grunnleggende utforming som benyttes ifølge oppfinnelsen, er vist på fig. 5. I den realiserte utforming er probene montert på den konkave, sylindriske overflate i posisjoner som er indikert med kryss på fig. 4. En har lik avstand til de brede ender og er forskjøvet 1/3 av avstanden fra midten mot en kort ende, og den annen har lik avstand til de korte ender og er forskjøvet 1/3 av avstanden fra midten mot en bred ende. I disse posisjonene er minst en av probene alltid i et nullpunkt for en modus med minst en lik nummerert subindeks (n eller 1), eller minst en indeks lik 3, for derved å unngå kobling til disse modi. Dette er også klart vist på fig. 4 ut fra det faktum at maksimalt ett av kryssene er synlige, bortsett fra den anvendte modus. Med probene montert i de indikerte posisjoner, blir det oppnådd en frekvensrespons som er velegnet for FSA-metoden. Fig. 6 viser frekvensresponsen til sensoren målt med en nettverksanalysator, når sensoren er fylt med forskjellige blandinger av olje og vann med forskjellig vanninnhold. Det kan konklu-deres at det ikke er noen forstyrrende resonanstopper i nærheten av den anvendte topp. Sensoren er derfor velegnet for måling med FSA-metoden.

Endegitterstrukturen til sensoren som består av radiale/aksiale plater, er vist på figurene 2 og 3. Platene innde-ler hovedsakelig den semisektor-formede bølgeleder i 5 mindre semisektor-formede bølgeledere. På grunn av den mindre sek-torvinkel, vil de ha en høyere grensefrekvens. I den viste utførelsesform er grensefrekvensen til gitrene 5 GHz i luft. Fordi dette er høyere enn den anvendte resonansfrekvensen på 1,2 GHz (tabell 1), kan mikrobølgene ikke unnslippe gjennom endegitrene. Fordi dempningen under grensefrekvensen er endelig, må endegitrene ha en endelig lengde. De viste 50 mm har vist seg å være nok. Når sensoren er fylt med målefluidet, endres både resonansfrekvensen og grensefrekvensen til gitrene i henhold til ligning (2), men forholdet vil være kons-tant. Gitrene vil derfor være tette under alle forhold. Gitrene skaper nesten ingen blokkering for strømningen, noe som gjør denne sensoren ideell for måling av et strømmende fluid.

FSA-metoden ble beskrevet i detalj i norsk patentsøknad nr. 98 2538, og vil bare bli beskrevet kort her. Prinsippet for FSA-metoden er vist på fig. 7. Utgangen fra en forsterker 23 er koblet til en probe 7 i en resonatorsensor. Signalet blir mottatt med den annen probe 11 og matet tilbake til inngangen på forsterkeren 23. Når innsetningstap i sensoren er lavere enn forsterkningsgraden i forsterkeren, er det en net-to forsterkningsgrad i kretsen, som fører til oscillasjon. Hvis forsterkeren har en forsterkningsgrad som faller med frekvensen, er den anvendte resonans den laveste, og det er ingen andre resonanser nær den anvendte, dvs. at oscillasjon bare er mulig ved den høyre resonanstopp. I tillegg til forsterkningsgrad-betingelsen er det imidlertid også en fasebe-tingelse for oscillasjon: den totale faseendring som signalet opplever under en omdreining i kretsen, må være hvor n er et heltall. Dette betyr at kretsen generelt ikke oscillerer nøyaktig på resonansfrekvensen, men på den nærmes-te frekvens hvor fasebetingelsen er oppfylt. Når sammensetningen endres slik at resonansfrekvensen endres, hopper oscillasjonen fra en frekvens (n) til den neste (n ± 1) i trinn. Fordi faseendringen blir dominert av faseendringen i kablene, avhenger størrelsen av trinnet hovedsakelig på lengden av kablene:

hvor d er den totale lengde av kablene og ec er permittiviteten til isolasjonsmaterialet i kablene. På grunn av faseend-^ ringen i både sensoren og elektronikken, er det reelle trinn litt mindre. I praksis betyr den diskrete beskaffenheten til FSA-metoden at oppløsningen til resonansfrekvensmålingene hovedsakelig er begrenset av lengden av kablene. Hvis d = 10 m og ec = 9, => Af = 10 MHz. Fordi sensorens følsomhet er omtrent 10 MHz/% (vann), er oppløsningen omtrent 1% (vann), som er tilstrekkelig for anvendelse nede i borehullet. Sensoren er blitt testet i en testsløyfe fylt med råolje og vann med forskjellig salinitet (S = 0 ... 15 %). Resonansfrekvensen ble målt både med en nettverksanalysator og FSA-elektronikk som var bygd for å passe inn i et hus med en indre diameter på 19 mm, og for å bli brukt nede i et borehull. Resultatene var meget gode. Differansen i resonansfrekvensen målt med nettverksanalysatoren og den som er målt med FSA-elektronikken nede i borehullet, var i overensstemmelse med ligning (11). Sensoren virket godt gjennom hele det oljekontinuerlige området (opp til 76% (vann) i dette forsøket).

Differansen mellom en kurve og den neste i dette diagrammet, svarer til omkring 5%. I det vannkontinuerlige området ble fluidets konduktivitet målt ved å måle belastningsmotstanden til en av probene. Resultatene viser at den målte belast-ningsresistans kan kalibreres mot vanninnholdet når konduktiviteten (saliniteten og temperaturen) til vannet er kjent. Den samme sensor kan derved også brukes med vannkontinuerlige fluider (vanligvis ved slutten av levetiden til en oljebrønn) ved å tilføye en enkel elektronisk krets som måler belastningsresistansen til en av probene.

Det er blitt beskrevet en sensor som er basert på en semisektor formet mikrobølge hulroms resonator. Endegitterstrukturen til sensoren skaper ingen blokkering for et strømmende fluid, og sensoren passer inn i ringrommet i en oljebrønn. På grunn av plasseringen av probene, er sensoren velegnet for måling ved bruk av FSA-elektronikk, som er blitt bygd for å passe inn i et hus som også passer inn i ringrommet. På grunn av utformingen av probene, kan de også benyttes til å måle sammensetningen i vannkontinuerlige fluider basert på måling av belastningsresistansen. Sensoren er derfor egnet for måling av sammensetningen av innstrømningen fra en pro-duks jonssone i en smartbrønn.

Oppfinnelsen kan modifiseres på mange måter. Mer enn en sektorformet sylinder kan være integrert i hver buet enhet, eller hver sensor 2,3 kan med andre ord omfatte ikke bare en enkelt, men to eller flere parallelle hulromsresonatorer, hver med sine egne prober. Slike parallelle sensorer 2, 3 kan være atskilt med felles skillevegger ettersom motsatte sider av en enkelt vegg kan brukes i hver tilstøtende resonator. Hver resonator må være forsynt med separate prober. Probene må imidlertid ikke nødvendigvis ha samme utforming som vist på fig. 5. I stedet kan probene ha enhver egnet utforming som kan bestemmes av fagkyndige personer i henhold til gitte krav.

Den komplette måleren kan omfatte en enkelt nedhullsen-het hvor en enkelt eller mer enn en sensor er anordnet. Denne nedhullsenheten kan så også innbefatte nødvendig kabling og høyfrekvenskomponenter, omformere og grensesnittanordninger, slik at enheten kan utplasseres i en enkelt operasjon. Hvis mange sensorer med små dimensjoner er anordnet langs omkretsen, er en mer eller mindre geometrisk løsning rimelig ettersom sensorene da vil ha en strømning av nesten rent vann, mens andre av sensorene vil ha en strømning av nesten ren olje, på grunn av segregering. Prinsippet vil da være å telle antallet sensorer med hovedsakelig olje og antallet med sensorer som inneholder hovedsakelig vann. Nøyaktigheten av resultatet vil så øke med antallet sensorer. En blander ved inngangen kan da utelates, og segregasjonsgraden kan også bestemmes. Nok en annen løsning er å bruke bare en probe i hver sensor og så måle den reflekterte energi. Så vil en invertert spiss (nedadrettet respons) bli registrert i resonansdiagram-met. Fremgangsmåten som benyttes med bare en probe, vil så være frekvensrespons-metoden og ikke FSA-metoden, som i andre tilfeller blir bedømt å være den mest fordelaktige, men imidlertid ikke den eneste brukbare metode.

Claims (8)

1. Strømningsmåler for kontinuerlig måling av egenskaper i minst én andel som inngår i en strømmende fluidblanding omfattende minst to forskjellige komponenter som flyter gjennom et rør eller en kanal, hvilken måler (1) omfatter minst én sensor (2,3) utformet som en bølgeleder gjennom hvilken fluidblandingen (10) strømmer, - minst én elektronisk krets (4) som omfatter en sender (5) innrettet til å sende et elektrisk signal (6) inn i fluidblandingen (10), minst én mottager (8) innrettet til å motta et signal (9) ved hjelp av en mottager-probe (11) i sensoren (2,3), og minst én signalprosessor (12) innrettet til å utlede fluidspesifikke verdier (13) fra det mottatte signal (9), karakterisert ved at sensoren(e) (2,3) i form av hulromsresonator(er) er utformet til å passe inn i et ringformet rom (14) mellom et utvendig rør (15) og en innvendig kjerne (16), slik at minst en del av fluidet (10) strøm-mer gjennom sensoren(e) (2,3), og at sensoren(e) omfatter minst én rørkanal av tynnvegget, elektrisk ledende materiale med tverrsnitt formet som en semisektor (2,3) med dimensjoner som fortrinnsvis tillater at flere slike sensorer anbringes tett ved siden av hverandre eller i av stand fra hverandre rundt i ringrommet (14).

2. Strømningsmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at det er anbragt en blander (17) oppstrøms for hver sektorformet sensor.

3. Strømningsmåler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver sensor (2,3) omfatter i det minste én semi-sektorformet hulromsresonator.

4. Strømningsmåler ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at hver sensor (2,3) er forsynt med et gitter (18) ved hver av sine ender (19), hvil-ket gitter tillater at fluidstrømning passerer uhindret, men stopper mikrobølger.

5. Strømningsmåler ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at hver sensor er forsynt med minst én innvendig mikrobølge-probe (22) innrettet til å sende og/eller motta mikrobølge-energi inn i/fra hver hulromsresonator (2,3), hvilke(n) mikrobølge-probe(r) (22) er plassert ved et nullpunkt for en spesiell oscillerende modus for å unngå kobling til spesifikke forutbestemte modi.

6. Strømningsmåler ifølge et av kravene 1-5, der den elektroniske krets (4) omfatter en oscillator som blir faselåst til resonansfrekvensen for sensoren (2,3) i henhold til den såkalte FSA-metode (feedback self-oscillating ampiification), og der frekvensen bestemmes nede i et brønn-hull, mens resultatet overføres til overflaten som et tall som representerer hver måling av de(n) aktuelle egenskap(er).

7. Strømningsmåler ifølge krav 6, for måling på en fluidblanding omfattende vann og hydrokarboner, der det inngår midler til å måle trykkfallet over måleren (1) eller noen av dens komponenter, samt midler til å utlede strømningshastigheten fra denne måling under bruk av en empirisk kalibrert modell, og midler til å kombinere disse resultater med egenskapen(e) funnet ved hjelp av mikrobølgemålinger for å gi separate pro-duks jonsmålinger for vann og hydrokarboner.

8. Sensor innrettet for bruk nede i brønnhull, særlig i en produksjonsbrønn under overflaten, karakterisert ved at sensoren(e) (2,3) er konstruert slik at de(n) passer inn i et ringformet rom (14) mellom et utvendig rør (15) og en innvendig kjerne (16), slik at minst en del av fluidblandingen (10) strømmer gjennom sensoren (2,3), og at sensoren(e) omfatter minst én rørkanal av tynnvegget, elektrisk ledende materiale med tverrsnitt formet som en semisektor (2,3) med dimensjoner som fortrinnsvis tillater at flere slike sensorer anbringes tett ved siden av hverandre eller i avstand fra hverandre rundt i ringrommet (14), og der det inngår i det minste en semi-sektorformet hulromsresonator.