NO320172B1

NO320172B1 - Stromningsmaler og fremgangsmate for maling av individuelle mengder av gass, hydrokarbonvaeske og vann i en fluidblanding

Info

Publication number: NO320172B1
Application number: NO20040886A
Authority: NO
Inventors: Oystein Lund Bo; Ebbe Gustaf Nyfors; Rune Sorhus
Original assignee: Roxar Flow Measurement As
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-11-07
Also published as: US20050188771A1; GB2411476B; US7293471B2; GB0501650D0; NO20040886D0; NO20040886L; GB2411476A

Description

Denne oppfinnelse angår generelt strømningsmålinger i en fluidstrømning.

Oppfinnelsen er spesielt rettet mot måling av sammensetningen eller strømningsmengdene av de individuelle komponentene i et fluid som er en blanding av olje, gass og vann, dvs. en trefasestrømning.

Bakgrunn for oppfinnelsen

I oljeindustrien er det i forskjellige situasjoner et behov for å måle sammensetningen og de individuelle strøm-ningsmengder av en blanding av gassformige hydrokarboner, væskeformige hydrokarboner (olje eller kondensat) og vann, som strømmer i et rør. Den konvensjonelle teknikk går ut på å separere fluidet i en separator og å måle strømningen av hver av komponentene separat. Gjennom de siste år er det blitt tilgjengelig såkalte flerfasemålere, som måler sammensetningen og strømningsmengdene uten forutgående separasjon [1]. Et spesielt tilfelle av flerfasestrømning er den såkalte våt-gasstrømning, som innebærer at fluidblandingen er dominert av gassfasen og inneholder små mengder væske. Væskefasen består av vann og av lette væskeformige hydrokarboner (såkalt kondensat). I en våtgass er vanligvis GVF (gassvolumfraksjon) høyere enn omkring 95 volum%. Under måling i en våtgasstrøm-ningsapplikasjon ved bruk av en flerfasemåler, er den relative usikkerhet som er oppnåelig for væskekomponentenes strømningsmengder, for høy.

Foreliggende patentsøker har i den senere tid utviklet en våtgassmåler som er i stand til å måle vanninnholdet av en våtgasstrømning ved bruk av mikrobølgeteknologi og våt-gasstrømningsmengden basert på en differensialtrykkinnretning [2, 3]. Mengden av hydrokarbonvæske (kondensat) har i denne første generasjonen av våtgassmåler vært beregnet istedenfor å bli målt. Beregningen er basert på forutgående kjennskap til molekylsammensetningen av hydrokarbonblåndingen (gass og kondensat) ved bruk av en PVT-programvarepakke

(datamaskinprogramverktøy benyttet til å beregne termodynamiske egenskaper så som tettheter og gass/væske-forhold i fluider ved gitte temperaturer og trykk).

Beskrivelse av kjent teknikk

Strømningsmengdene for komponentene i en flerfasestrøm-ning kan måles med en testseparator eller en flerfasemåler. Testseparatoren er kostbar og omfangsrik. Derfor er det ikke praktisk å benytte en testseparator til å måle produksjonen kontinuerlig i hver brønn, men derimot å ha en testseparator for hvert oljefelt. Dette er særlig tilfellet ved installa-sjoner til havs. Hver brønn blir rutet gjennom testseparatoren med jevne mellomrom. Når en brønn rutes gjennom en testseparator endres betingelsene for brønnen, hvilket kan influere på produksjonen slik at målingen ikke representerer den gjennomsnittlige produksjon på korrekt måte. En testseparator er også langsom på grunn av den lange avsetningstiden. Avsetningstiden er særlig lang ved våtgassapplikasjoner på grunn av de små væskefraksjonene og derav følgende lang tid som kreves for å fylle opp separatoren.

Flerfasemålere måler sammensetningen av strømningen og strømningshastigheten separat [1]. Ut fra disse blir strøm-ningsmengdene beregnet. Flerfasemålere kan installeres for kontinuerlig "in-line" måling på hvert sted hvor det behøves målinger. En viktig anvendelse er å installere måleren undersjøisk i et sjøbunnsproduksjonssystem, hvilket hoved-sakelig skjer med en bæreramme ("skid"), montert på toppen av en undervannsbrønn. Hvis hver brønn i en gruppe brønner utstyres med en undervannsflerfasemåler, kan en felles rørledning benyttes for å knytte gruppen av undervannsbrønner til en produksjonsplattform, som kan være plassert titalls kilometer fra gruppen. Den plass som er tilgjengelig for en flerfasemåler i et undervannsproduksjonssystem er begrenset. Det er derfor en fordel med en kompakt konstruksjon.

En flerfasemåler måler fire størrelser, dvs. strøm-ningshastigheten og de relative fraksjoner av de tre komponentene (olje, vann og gass). Vanligvis er det også et behov for temperatur, trykk, tettheten av oljen og gassen samt vannets saltholdighet, som inngangsparametere for kompensasjonsformål, men disse vil det bli sett bort fra i den følgende forklaring av hovedmålingene. Teoretisk kan et slikt system karakteriseres ved et sett av fire ligninger, hvorav en ligning går ut på at summen av de tre komponentene er 100%. Følgelig må en flerfasemåler være basert på bruk av i det minste tre uavhengige målinger. Disse tre målingene kan f.eks. være en differensialtrykkmåling (DP) som i hovedsak gir strømningshastigheten, en dielektrisk måling som gir vanninnholdet og en nukleær måling som gir de individuelle gass/væske-fraksjonene. Usikkerheten i sammensetningsmålingen som benyttes ved vanlige flerfasemålere, er generelt for høy til anvendelse i en våtgassapplikasjon.

Det har vært foreslått [4-7] forskjellige typer av DP-baserte multippelmålere for tofase-våtgass. Slike målere er basert på måling av to eller flere differensialtrykk over forskjellige strømningsinnsnevringer i en rørseksjon, for å bestemme gass- og væskemengdestrømmene individuelt. En av de foreslåtte løsningene [4] er f.eks. basert på en sammenligning av akselerasjonstrykkfall (dvs. trykkfall bevirket ved akselerasjon av strømningen) og det permanente dissipa-sjons-trykkfall over en standard strømningssensor (f.eks. en Venturi). En ulempe med denne løsningsmetoden, som til en viss grad gjelder multippel-DP-målere generelt, er at den er meget følsom for egenskapene i de enkelte fluider. Mangelen på vannfraksjonsmåling i slike enheter er følgelig en faktor som forringer ytelsen. En annen metode sammenligner de målte differensialtrykk over en standard Venturi og en standard-åpning [5]. Den informasjon som inneholdes i de to DP-avlesningene fra separerte Venturi- og åpnings-målere, har imidlertid ofte en lav grad av uavhengighet, hvilket betyr at usikkerheten ved denne metoden med hensyn til væskedeteksjon-en, vil være forholdsvis høy. Enda en annen løsning [6] kombinerer DP-målingene over strømningselementer som er anbrakt nedstrøms i en separat blandeenhet. Da denne løsningen krever tre relativt omfattende geometrier (Venturi + blandeinnretning + annet strømningselement) installert i serie i et rør, er måleren ganske plasskrevende.

En annen løsning når det gjelder våtgassmåling er blitt brukt i Roxars måler [2], som benytter en enkelt DP-måling i kombinasjon med en mikrobølgebasert dielektrisk måling. Dette konseptet er i stand til å diskriminere mellom hydrokarboner og vann og følgelig til å måle de individuelle strømnings-mengdene av hydrokarboner og vann. Fordelingen mellom væskeformige hydrokarboner og gass blir beregnet ved bruk av en PVT-programpakke (datamaskinprogramverktøy brukt til å beregne termodynamiske egenskaper så som tettheter og gass/væske-forhold i fluider ved gitte temperaturer og trykk) basert på en gitt hydrokarbonsammensetning.

En betydelig ulempe ved de eksisterende multippel-DP-løsningene for tofasebruk er at ingen av løsningene skjelner mellom vann og hydrokarbonvæske (kondensat). I tillegg til mangelen på en måling av de individuelle strømningsmengdene for vann og hydrokarbonvæske, vil denne mangelen på innformasjon også ha sammenheng med en øket usikkerhet når det gjelder gass- og væskestrømningsmengdene. Den sistnevnte effekten bevirkes av det faktum at tofase-DP-modellene avhenger av nøyaktig kjennskap til fluidegenskåpene, spesielt tettheten, men også f.eks. viskositeten og overflatespenning-ene. Det er f.eks. slik at i de fleste våtgassapplikasjoner for oljeindustrien, er det en betydelig forskjell i tettheten av vann og de væskeformige hydrokarboner. Mens vann har en tetthet i området 1000 kg/m<3>, kan kondensatets tetthet være i området 550-750 kg/m<3>. Mangelen på kjennskap om vann/hydro-karbonvæskefraksjonen vil følgelig ledsages av en betydelig usikkerhet med hensyn til væsketettheten (og når det gjelder andre væskeegenskaper), hvilket i sin tur blir reflektert i

en usikkerhet i væske- og gasstrømningsmengdemålingene.

En begrensning i konseptet med å bruke en enkelt DP-måling i kombinasjon med en mikrobølgebasert dielektrisk måling [3] er at en måling av hydrokarbonvæskeinnholdet i våtgassen mangler, og følgelig er det behov for å ha forutgående kjennskap til hydrokarbonsammensetningen.

Det er et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en strømningsmåler som overvinner de forannevnte begrens-ningene .

Spesielt er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et våtgassmålekonsept for virkelig trefase, som er i stand til å måle de individuelle strømningsmengdene av gass, hydrokarbonvæske og vann i en våtgassrørstrømning.

Formålene med oppfinnelsen blir oppnådd med en strøm-ningsmåler egnet til å måle de individuelle strømnings-mengdene av gass, hydrokarbonvæske og vann i en overveiende gassholdig strømmende fluidblanding. En vanninnholdmåler gir et signal som representerer et mål på vanninnholdet i fluidet. En dobbelt struktur, betegnet DDP-enhet, for generering og måling av differensialtrykk, gir to målesignaler som representerer to uavhengige verdier av differensialtrykk (DP) i fluidet.

En signalprosesseringsenhet har innganger innrettet til å motta målesignalene og vanninnholdssignalet, og innbefatter en beregningsmodul for beregning av verdier som representerer de volumetriske strømningsmengdene av den nevnte gass, hydrokarbonvæske og vann i fluidet.

Foretrukne utførelser av strømningsmåleren er angitt i de uselvstendige kravene 2-14.

I et annet aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for måling av de individuelle strømnings-mengdene av gass, hydrokarbonvæske og vann i en overveiende gassholdig strømmende fluidblanding, for å tilveiebringe de individuelle strømningsmengdene av gass, hydrokarbonvæske og vann i strømningen. Fremgangsmåten omfatter frembringelse av et signal som representerer et mål på vanninnholdet i fluidet, ved bruk av en vanninnholdmåler, frembringelsen av målesignaler som representerer i det minste to uavhengige verdier av differensialtrykk. (DP) i fluidet, ved bruk av en dobbelt struktur for generering og måling av differensialtrykk, og avgivelse av målesignalene og vanninnholdssignalet til en signalprosesseringssenhet som har tilsvarende inngangskanaler innrettet til å motta signalene. Det beregnes verdier som representerer de volumetriske strømningsmengder av den nevnte gass, hydrokarbonvæsken og vann i fluidet, i en beregningsenhet i signalprosesseringsenheten.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen skal nå beskrives mer i detalj under henvisning til de tilhørende tegninger, der: Fig. 1 illustrerer et eksempel på det målte DP-forhold Venturi/V-konus som funksjon av Lochard-Martinelli-parameteren for gass/vann-strømning, slik som målt av Roxar. Fig. 2 illustrerer et første eksempel på en kombinert vanninnholdmåler og DDP-enhet ifølge oppfinnelsen, der det benyttes en V-konus oppstrøms og en Venturi nedstrøms. Fig. 3 viser et annet eksempel på en utførelse av en DDP-enhet ifølge oppfinnelsen, som benytter en Venturi oppstrøms og en rekonus nedstrøms. Fig. 4 viser et tredje eksempel på en utførelse av en DDP-enhet ifølge oppfinnelsen, som anvender en åpning oppstrøms og et ellipsoideformet, sentrert legeme nedstrøms. Fig. 5 illustrerer et første eksempel på en kompakt dobbelt differensialtrykkinnretning basert på akselerasjon, i henhold til oppfinnelsen, med et legeme i en rørseksjon. Fig. 6 viser et annet eksempel på en kompakt, dobbelt differensialtrykkinnretning basert på akselerasjon, ifølge oppfinnelsen, med et legeme i en rørseksjon. Fig. 7 viser et første eksempel på en utførelse i henhold til oppfinnelsen, med en dobbelt DP-akselerasjons/- gj envinningsinnretning. Fig. 8 viser et annet eksempel på en utførelse i henhold til oppfinnelsen, med en dobbelt-DP-akselera-sj ons/dissipasjons-innretning. Fig. 9 viser et tredje eksempel på en utførelse ifølge oppfinnelsen, med en dobbelt DP-akselerasjons/- dissipasjonsinnretning. Fig. 10 illustrerer en V-konus med mikrobølgeantenner for

vanndeteksjon (kjent teknikk).

Fig. 11 viser et eksempel på en mikrobølgerespons for en V- konus-sensor. Fig. 12 viser et skjematisk diagram for å illustrere de trinn som inngår i signalprosesseringsmodulen og deres interaksjon for trefase-våtgass-strømnings-måleren ifølge oppfinnelsen, basert på en dobbelt DP- og vannfraksjonsmåling. Fig. 13 er et skjematisk diagram som illustrerer de trinn som inngår i signalprosesseringsmodulene, og deres interaksjon for trefase-våtgasstrømningsmåleren ifølge denne oppfinnelse, basert på en dobbelt DP-og dielektrisk vannfraksjonsmåling. Fig. 14 er et skjematisk flytdiagram som illustrerer de iterative datamaskintrinn som anvendes for trefase-våtgasstrømningsmåleren ifølge denne oppfinnelsen, for beregning av fluidfraksjoner ut fra råmålinger og inngangsdata. Fig. 15 viser et eksempel på en utførelse av en trefase-våtgassmåler ifølge en kompakt versjon av oppfinnelsen, basert på en kombinert, dobbelt DP- og mikrobølgesensor. Fig. 16 viser et annet eksempel på en utførelse av en

trefasevåtgassmåler ifølge en kompakt versjon av oppfinnelsen, basert på en V-konus-strømningsmåler.

Fig. 17 viser et ytterligere eksempel på en utførelse av en

trefase-våtgassmåler ifølge denne oppfinnelsen.

Fig. 18 viser et annet eksempel på en utførelse av en

trefase-våtgassmåler ifølge oppfinnelsen.

Fig. 19 viser et eksempel på en utførelse av en trefase- ( våtgassmåler ifølge oppfinnelsen, som anvender kapasitansprober for dielektriske målinger. Fig. 20 er en illustrasjon av hvordan en mikrobølgesensor forbindes med mikrobølge-drivelektronikk og signalprosesseringsmodulen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsen går ut på en måleenhet eller en måler for måling av de individuelle strømningsmengder av gass, hydrokarbonvæske og vann i en overveiende gassholdig strømmende fluidblanding, ved anvendelse av kombinasjonen av to differensialtrykkmålinger i kombinasjon med en vanninnholdmåler 7 (f.eks. ved bruk av en mikrobølgeresonator), for å måle de individuelle strømningsmengdene av gass, hydrokarbonvæske (olje eller kondensat) og vann i en fluidrørstrømning (ofte betegnet våtgasstrømning) med høy oppløsning.

Gassinnholdet kan ligge i området 90-100 volum%, men vil typisk være omkring 95 volum%.

Vanninnholdmåleren 7 avgir et signal som representerer et mål på vanninnholdet, eller med andre ord vannfraksjonen i fluidstrømningen. Det besørges to differensialtrykkmålinger ved å anordne en dobbelt struktur for generering 3 og måling 4 av differensialtrykk, betegnet som DDP-enhet 2, for å oppnå to uavhengige verdier av differensialtrykk (DP) i det nevnte strømmende fluid 1. En signalprosesseringsenhet 8 er innrettet til å motta de nevnte målesignaler og vanninnhold-signaler, ved bruk av inngangsenheter 9A-C. Inngangsenhetene 9A-C er typisk deler av signalprosesseringsenheten 8. En beregningsmodul er tilknyttet eller koblet til signalprosesseringsenheten 8 og er innrettet til å beregne verdier som representerer de volumetriske strømningsmengder av gassen, hydrokarbonvæsken og vann i fluidstrømningen 1.

Signalprosesseringsenheten 8 vil typisk enten være plassert ved eller nær en rørseksjonsdel eller anordnet på et fjerntliggende sted, f.eks. sammen med annen instrumentering. Oppfinnelsen er imidlertid beregnet til å omfatte alle løsninger der signalprosesseringsenheten er anordnet på et sted som kan anses å være passende, av fagfolk på området.

Rådataene, dvs. det digitale eller analoge signal som representerer målesignalene, kan lagres på et egnet lagringsmedium, så som en båndopptager, en CD-ROM, DVD-plate eller hvilket som helst annet lagringsmedium eller en elektronisk, magnetisk eller optisk lagringsenhet slik som vanlig kjent for fagfolk på området, for at signalprosesseringen kan utføres på et tidspunkt etter den tid som registreringen av målesignalene skjer.

Dette betyr at signalprosesseringen enten kan foretas lokalt eller ikke lokalt, og enten i sann tid eller på hvilket som helst annet passende senere tidspunkt.

For å gi en bedre forståelse for de teoretiske grunnlag for oppfinnelsen, er det i det følgende inkludert en noe teoretisk innføring for å gjøre det mulig for en fagperson på området å forstå prinsippene bak oppfinnelsen.

Enhver ikke-uniform seksjon av et rør vil resultere i en endring av strømningshastigheten. Basert på teorien for fluiddynamikk, er de treghetskrefter som kreves for å akselerere et fluidelement gjennom en slik ikke-uniform seksjon, forbundet med et visst differensialtrykk. Dette differensialtrykket står i relasjon til strømningshastigheten eller -mengden i røret. Følgelig kan en måling av det differensialtrykk som bevirkes i en ikke-uniform seksjon av røret, benyttes til å avlede strømningshastigheten. De hyppigst anvendte strukturer for DP-målinger er en Venturi og en plate med åpning. Strømningsmålinger med slike strukturer er blitt beskrevet i den internasjonale standard ISO 5167-1

[8] .

Enkeltfase-gasstrømningsmengden er generelt gitt ved følgende standardformel [8], som gjelder for alle akselera-sjonsbaserte differensialtrykkinnretninger for rørstrømning (f.eks. Venturi, åpning eller apertur, V-konus): hvor Qgo er enkeltf ase-gasstrømningsmengden [m3/s] , D er rørets indre diameter [m], AP er differensialtrykket over strømnings-innsnevringen [Pa], pg er gasstettheten (kg/m3] ,

er betaforholdet som representerer den relative reduksjon av strømningstverrsnittet, y er gassens ekspansjonsevne og Cd er den såkalte utløpskoeffisient ("discharge coefficient") som representerer en korreksjon relatert til det faktum at den effektive strømningsinnsnevring kan atskille seg fra den fysiske reduksjon av tverrsnittet.

Ved bruk av DP-målinger for å finne massestrømningen i 2-faset våtgasstrømning, må standardformlene korrigeres med hensyn til opptreden av væske i gassen. Dette gjøres vanligvis ved å introdusere såkalte tofase-multiplikatorer som er funksjoner av de individuelle fraksjoner av gass og væske og av tettheten av hver av komponentene. 2-fase-multiplikatoren representerer den såkalte overavlesning ("overreading") av differensialtrykket. Betegnelsen overavlesning benyttes fordi differensialtrykket med væske til stede i gassen er høyere enn det ville ha vært dersom gassen strømmet alene. Differensialtrykk-overavlesning bevirkes av det arbeidet som utføres av gassen for å akselerere væskefasen gjennom strøm-ningsinnsnevringen. 2-fasemultiplikatoren, Og [9-12] er definert som:

der Ap er det virkelige differensialtrykk mens Apg er det differensialtrykk man ville ha dersom gassen strømmet alene. I henhold til Lochard-Martinellis teori kan gasstrømnings-mengden skrives [9-12] som: der Qg er gasstrømningsmengden i en 2-faset våtgasstrømnings-situasjon, Qg0 er den gasstrømningsmengde som ville fremkomme fra det målte differensialtrykk under antagelse av gasstrøm-ning alene i henhold til (1), mens Og er den såkalte 2-fase-multiplikator som korrigerer for opptreden av væske i gassen. 2-fasemultiplikatoren er en funksjon av de individuelle fraksjoner av gass og væske og tetthetsforholdet. Den skrives vanligvis som en funksjon av Lochard-Martinellis parameter, Xim som: der ag er gassens massestrømningsfraksjon, pg er gassens tetthet og pi er væskens tetthet. Funksjonen (5) er en empirisk korrelasjonsfunksjon som f.eks. for en typisk innretning kan skrives på følgende form [10-11] :

der n er en eksponent som er karakteristisk for innretningen, av størrelse 0,1-0,5.

Når først gasstrømningsmengden er funnet i henhold til (4), kan væskestrømningsmengden Q± beregnes:

For å være i stand til å måle de individuelle gass- og væskestrømningsmengder i en våtgasstrøm ved bruk av grunnlaget i de foregående avsnitt, må de individuelle tetthetene av gassen og væsken ( pg og pi) samt de individuelle fraksjonene av gass { ag) og væske (ai = 1 - ag) være kjent på forhånd. Tetthetene kan vanligvis finnes ut fra trykk- og temperatur-målinger kombinert med PVT-beregninger, og for best mulig nøyaktighet også ut fra en tilleggsmåling av vannfraksjonen, mens de individuelle fraksjonene av gass og væske ofte kan være ukjente og varierende.

En byggeblokk for denne oppfinnelsen kombinerer to DP-målinger som inneholder uavhengig informasjon (forskjellige øg-funksjoner), for å bestemme gass/væske-fraksjonene. Som resultat kan det bli oppnådd et mål på ocg, ai samt de individuelle strømningsmengdene av gass og væske.

Ved konstruksjon av en dobbelt DP-innretning for individuell måling av gass og væske, er det et essensielt designkriterium at de to DP-avlesninger er ulike og at de inneholder uavhengig informasjon. Kjernen ved konstruksjon av en dobbelt DP-innretning for å detektere væskeinnhold, er at de to differensialtrykkene vil reagere ulikt på nærvær av væsker i gassen.

Ut fra ligning (1) og ligning (4) kunne man generelt skrive det målte differensialtrykk i de to differensialtrykk-innretningene som funksjoner av gassfraksjonen og av gasstrømningsmengden: der i den enkleste modellen Ci og C2 er konstanter som karakteriserer hvert differensialtrykk, mens Ogi og <Dg2 er de respektive tofasemultiplikatorene for de to differensialtrykk. Ifølge grunnlaget i avsnittene ovenfor, er differensialtrykk- forholdet gitt ved:

Hvis de to strømningsmålerne har en ulikhet i sin respons med hensyn til nærvær av væske i gassen, vil deres respektive tofasemultiplikatorer inneholde uavhengig informasjon, hvilket betyr at differensialtrykk-forholdet vil være en funksjon (F) av Lochard-Martinelli-tallet og av gassfraksjonen og av de individuelle tetthetene:

Når fasenes tettheter er kjent på forhånd, kan det målte differensialtrykk-forhold følgelig benyttes til å bestemme gassfraksjonen, ved løsning av ligningene (13) og (14) for gassmassefraksjonen. Væskefraksjonen finnes ut fra gassfraksjonen fordi summen av disse må være lik én:

Funksjonen F(ZLM) er en empirisk relasjon som må defineres for hver strømningsmålerinnretning ved hjelp av eksperimenter. Fig. 1 illustrerer et eksempel på en slik relasjon oppnådd gjennom eksperimenter utført av foreliggende patentsøker på et av utførelseseksemplene ifølge denne oppfinnelse, spesielt i en gass/vann-våtgasstrømning i en kombinasjon av Venturi/V-konus.

En viktig faktor ved konstruksjon av en dobbelt DP-gass/væske-måler ifølge denne oppfinnelse, er at de to differensialtrykk-variable skal inneholde uavhengig informasjon, hvilket er tilfellet i den eksperimentrekke som er illustrert på fig. 1. Hvis dette ikke er tilfellet, vil differensialtrykkforholdet være bare en konstant og kan ikke benyttes til å utlede ag. Tre hovedtyper av midler som fører til at de tilsiktede resultater blir oppnådd, er antydet nedenfor som eksempler på hvordan foreliggende oppfinnelse kan realiseres: Måling av differensialtrykkene over to topologisk ulike strømningsinnretninger (geometrier som ikke kan trans-formeres inn i hverandre ved kontinuerlige deformasjoner)

montert umiddelbart i serie i en rørseksjon.

• Måling av to akselerasjons-differensialtrykk på forskjellige steder i den samme strømningsinnsnevringen. • Måling av akselerasjons-differensialtrykket og diffe-rens i al trykket i forbindelse med trykkgjenvinning i den samme DP-innretningen.

En type av dobbelt-DP-utførelsen (DDP-enhet) kan konstrueres ved bruk av to topologisk ulike strukturer 20, 21A-C, som genererer differensialtrykk (DP), f.eks. to strømningsinnsnevringer installert nær hverandre, f.eks. montert i serie i en rørseksjon, slik at den ene DP-genererende struktur forstyrrer strømningsmønsteret ved den andre DP-genererende struktur. Denne løsningen utnytter det faktum at DP-overavlesningen i betydelig grad avhenger av strømningsmønsteret, dvs. hvordan væskefasen er fordelt i gassen. Overavlesningen er f.eks. ulik dersom væsken strømmer som en tynn film ved den indre veggen i røret (annulær strømning), sammenlignet med det tilfellet der den strømmer som dråper innblandet i gassfasen (tåkestrømning).

En DP-innretning kan lages ved å innsnevre rørdia-meteren, mens den andre DP-innretningen konstrueres ved å innsette et legeme i røret. Denne ulikheten i topologi fører til forskjell i strømningsmønsteret nedstrøms for innretningene. Den ene DP-innretningen vil i dette tilfellet frembringe et strømningsmønster umiddelbart nedstrøms for innretningen, med radialt utadrettede hastighetskomponenter, mens den andre DP-innretningen vil frembringe hastighetskomponenter som peker radielt innad. En slik forskjell kan utnyttes til å frembringe differensialtrykk-overavlesninger som inneholder uavhengig informasjon som benyttes til å utlede strømnings-mengde og væskeinnhold. De to DP-innretningene bør installeres nær hverandre i røret for å maksimere forskjellen mellom de to. Den oppstrøms innretning vil da ha et fullt utviklet annulært/tåke-rørstrømningsregime som sine innløps-betingelser, mens nedstrømsinnretningen vil ha et strømnings-regime ved sitt innløp som er influert av oppstrøms-DP-innretningen.

Fig. 2 viser et eksempel på en utførelse av foreliggende oppfinnelse der DDP-enheten 2 omfatter en dobbelt differensialtrykk-genererende del 3 og en tilsvarende dobbelt differensialtrykk-målende del 4. En fluidstrømning 1 er vist strømmende på innsiden av et rør 30, der strømningen har en retning fra høyre mot venstre i dette eksempelet. Fluid-strømningen 1 møter først et oppstrømselement, en første differensialtrykk-genererende innretning 20, hvilket i dette tilfellet er en V-konus-struktur 20 [10] for å generere et første differensialtrykk Api i fluidstrømningen. To trykkuttak 5A, 5B er plassert nær V-konusstrukturen 20. Til trykkuttakene 5A, 5B er det koblet en tilsvarende differensialtrykk- transmitter 6A av en type som er velkjent for fagfolk på området, for å avgi differensialtrykksignaler til tilhørende signal-grensesnitt 9A for en signalprosesseringsenhet 8.

Nedstrøms for V-konusen 20 er det anordnet en annen differensialtrykk-genererende innretning 21A-C, hvilket i dette eksemplet er en Venturi, for å generere et annet differensialtrykk, Ap2. Dette annet differensialtrykk vil være uavhengig av det første differensialtrykk, forutsatt at den første (oppstrøms) differensialtrykk-genererende innretning er plassert umiddelbart oppstrøms for den andre (nedstrøms) differensialtrykk-genererende innretning. Et annet sett trykkuttak 5C, 5D er anordnet sammen med en tilhørende differensialtrykk-transmitter 6B for å generere og overføre et signal som representerer dette annet differensialtrykk, til signalprosesseringsenheten 8.

Ved innløpet til den første differensialtrykk-(DP)-genererende innretning er strømningen mer annulær-lignende der væsken er tilbøyelig til å strømme som en film. Umiddelbart nedstrøms for det første DP-elementet finnes det på den annen side et strømningsområde med stor turbulens, en sirkulerende strømning og en virvel-spredning som er tilbøyelig til å blande væsken inn i gasskjernen. Når det nedstrøms element (en Venturi i dette eksempelet) er plassert umiddelbart nedstrøms for den første innretningen, innebærer denne situasjon at væsken trenger mer inn i gasskjernen ved innløpet av den nedstrøms strømningsmåler, hvilket er en faktor som vil øke forskjellen mellom de to differensial-trykkinnretningene.

En vanninnholdsmåler 7 er anordnet f.eks. direkte koblet til røret 30, for å frembringe og overføre et signal som representerer vanninnholdet i fluidstrømningen, til signalprosesseringsenheten 8 gjennom et passende signalgrensesnitt 9C forbundet med signalprosesseringsenheten 8.

Signalprosesseringsenheten 8 omfatter en beregningsmodul 10 for å utføre prosesseringstrinnene på de signalene som blir mottatt fra differensialtrykk-transmitterne 9A og 9B og fra grensesnittet 9C for vanninnhold-målesignalet.

En annen utførelse av den dobbelt differensialtrykk-genererende innretning 3, som er en del av foreliggende oppfinnelse, er vist på fig. 3. Rekkefølgen av de to differensialtrykkgenererende innretningene er her ombyttet i .sammenligning med fig. 2, idet en Venturi 21A-C nå benyttes om det oppstrøms element og en V-konus 20 som det nedstrøms element. Enda et annet eksempel er skissert på fig. 4, der det anvendes en åpning eller apertur 23 som det oppstrøms element og et ellipsoide-formet legeme 22A installert midt i røret, som det nedstrøms element.

En kompakt versjon av en dobbelt-DP-innretning kan konstrueres for måling av to akselerasjons-trykkfall ved eller nær den samme strømningsinnsnevring. Den grunnleggende fysikk bak en slik utførelse er basert på treghetsforskjellen for de to fasene, hvilket skyldes ulikheten i tetthet. Strømningsinnsnevringen vil typisk være en enkelt strømnings-tverrsnitts-reduserende innretning montert i den nevnte strømning 1, for å variere tverrsnittet av strømningen. To differensialtrykk-målestrukturer er anordnet for å måle differensialtrykk i to forskjellige posisjoner langs den nevnte strømningstverrsnitt-reduserende innretningen. Geometrien av DP-innretningen (som også kan benyttes som et mikrobølge-sensorelement) består i et sentrert avlangt legeme 24B innsatt i midten av en rørseksjon 30, som illustrert på figurene 5 og 6. Det innsatte legemet 24B, 25B har et innløps- eller inngangsområde hvor strømningstverrsnittet reduseres, etterfulgt av et midtområde med i det vesentlige konstant og redusert strømningstverrsnitt, og endelig med et utløps- eller utgangsområde der strømningstverrsnittet igjen økes til sin fulle verdi. I noen versjoner blir inngangs-området umiddelbart fulgt av utgangsområdet, slik at det ikke blir noe mellomliggende eller midtområde. Ideen er at den lette gassfasen, som også er den kontinuerlige fasen i en våtgassanvendelse, vil bli akselerert først, nemlig i innløpsområdet. Medrivningskrefter fra gassen vil så på sin side akselerere væskefasen og dette vil skje etter gass-akselerasjon. Dette betyr at det differensialtrykk som måles ved innløpsområdet, vil være dominert av gassakselerasjonen, mens akselerasjonen av væskefasen vil være tilbøyelig til å ha en større effekt på den andre DP-målingen ved den rette seksjonen. Generelt uttrykt er en DDP-enhet 2 innrettet til å ha en første differensialtrykk-måleinnretning anordnet i et av de nevnte områdene, og en annen differensialtrykk-måleinnretning i et annet av de nevnte områdene. Begge disse DP-målestrukturene kan være innrettet til å måle akselerasjonstrykk. I en annen versjon er en DP-målestruktur innrettet til å måle akselerasjonstrykk og den andre DP-målestrukturen innrettet til å måle trykkgjenvinning. Det således oppnådde DP, forholdet AP2/APi vil følgelig inneholde innformasjon om væskeinnholdet. Ved lavere væskeinnhold vil dette forholdet være lavt, mens med høyere væskeinnhold, vil forholdet øke.

Avhengigheten kan skrives i formen (10), men den eksakte formen må bestemmes eksperimentelt for hver ny geometri.

Enda en annen mulig løsning for dobbelt-DP-måling som kan kombineres med en mikrobølge-vannfraksjonsmåler, er å måle og sammenligne akselerasjons-differensialtrykket og trykkgjenvinningen over den samme strømningsinnsnevringen. Denne utførelse av oppfinnelsen utgjør dermed en forbedring sammenlignet med den type måling som benyttes i patentet i henhold til referansen [4], der en Venturimåler benyttes for 2-faset gass/væske-strømning. Prinsippet ifølge foreliggende oppfinnelse er imidlertid ikke begrenset til en Venturi, men kan også realiseres ved bruk av et sentrert legeme som DP-element, i hvilket tilfelle strømningsmåleren også kan omfatte en måleenhet for dielektrisk permittivitet, eksempelvis en mikrobølge-måleenhet som omfatter en mikro-bølgeresonator eller -sensor 40, mikrobølge-drivelektronikk 41 og tilhørende mikrobølgesignal-prosesseringsfunksjoner som er en del av signalprosesseringsmodulen 8, f.eks. den versjon hvis geometri er illustrert på fig. 7 og målingen er skjematisk illustrert på fig. 20. Detaljer ved virkemåten av en V-konus er forklart i referansene [3], norsk patentnummer 315584, som her inkorporeres ved henvisning. De sistnevnte kombinasjonene vil være en mulig løsning for et 3-fase-våtgassmålekonsept, nemlig en full trefase-våtgassmåler.

En kompakt versjon av dette prinsippet kan realiseres ved å innføre en plutselig endring i strømningstverrsnittet (en geometri som genererer turbulens) i en forøvrig mer glatt eller jevn geometri, og å måle to differensialtrykk innenfor det reduserte strømningstverrsnitt. Disse to differensialtrykk vil så ha en viss forskjell i den relative størrelse av akselerasjons- og taps-(dissipasjons)-relaterte differensialtrykk. Eksempler på slike strukturer er vist på figurene 8-9. Fig. 8 illustrerer en DDP-genererende enhet i likhet med den på fig. 6, med tilføyelse av en turbulens-genererende geometri 26 ved den ene ende av det avlange legemet 25B som er innsatt i rørseksjonen 30. Fig. 9 illustrerer en alternativ utførelse av den DDP-genererende struktur, der en turbulensgenererende struktur eller geometri 26 er arrangert som en del av Venturi-organet 21B-C, f.eks. festet til rørveggene ved den ene ende av den trange seksjonen av Venturi-organet. På figurene 8 og 9 danner den turbulens-genererende geometri 26 en brå endring i diameteren av strømningstverrsnittet. I det følgende avsnitt forklares det grunnleggende ved komponentmålinger basert på dielektrisk permittivitet. Når to stoffkomponenter (A og B), (væske, gass eller faste partikler) , med ulik permittivitet (eA og eB) blandes, har blandingen en permittivitet sm som er avhengig av blandingsforholdet a for de to komponentene i [14]. Blandingsforholdet uttrykkes vanligvis som det totale volum av den ene av komponentene i forhold til volumet av blandingen, så som

der VA er volumet av komponent A og Vs er volumet av komponent B i en prøve med volum Vm = VA + VB av blandingen. Hvis f .eks. A er vann og B er gass, representerer <xA vanninnholdet (vann-volumandelen) av blandingen. I tilfellet av at fluidet produseres i en våtgassbrønn, kan B være en kjent blanding av gass og væske-hydrokarboner, og vil derfor generelt bli betegnet som hydrokarbonkomponenten. Den måten som em avhenger av aA på, er relatert til hvordan komponentene blander seg med hverandre og er derfor spesifikk for disse komponentene. Som en modell på denne avhengigheten, kan det benyttes en

kjent modell [14], eller en empirisk kalibrert modell. Bruggeman-formelen [14] har f.eks. demonstrert at den er en god blandingsmodell i tilfellet av hydrokarbon/vann-blandinger.

Vannfraksjonen (aw) i en hydrokarbonbasert våtgass kan f.eks. ved bruk av Bruggeman-formelen uttrykkes som:

der ew »1 (typisk ~80) er vannets permittivitet, Zhc~ 1-2 er hydrokarbonets permittivitet og zm±x er den målte blandingens permittivitet. I det følgende skal grunnlaget for mikrobølgeresonatorer skisseres. Et eksempel på hvordan målingen av permittivitet kan realiseres, er ved bruk av en mikrobølgeresonator. En slik sensor har en resonansfrekvens som avhenger av permittiviteten av det medium som den er fylt med. Hvis f0 er resonansfrekvensen for sensoren når den er tom, og fm når den er fylt med blandingen, er permittiviteten av blandingen [17]

Det grunnleggende om mikrobølgeresonatorer er blitt beskrevet i f.eks. [17].

En mikrobølgeresonator kan realiseres som et elektromagnetisk hulrom mellom to reflekterende diskontinuiteter

[17]. Når en mikrobølgeresonatorsensor er implementert i et rør for det formål å måle permittiviteten av fluidet som strømmer i røret, må diskontinuitetene ha en struktur som er tilstrekkelig åpen til at fluidet kan passere gjennom sensoren. En praktisk type diskontinuitet er en økning i (cut-off) grensefrekvensen [17]. Hvis resonans-bølgelederen har en grensefrekvens som er lavere enn den for røret, og resonansfrekvensen for den modus som nevnes, er den samme som grensefrekvensen, kan energi ikke forplante seg i røret. Det trengs derfor ingen annen reflekterende diskontinuitet. Mikrobølger kan forplante seg langs mange forskjellige strukturer. Det er heller ingen grunn til at strukturen skal være uniform. Derfor kan tverrsnittet av resonansstrukturen inne i røret være ulikt på forskjellige steder langs strukturen. I tilfelle av ikke-uniforme strukturer, er bølge-modusen inhomogen og kan generelt verken beskrives ved noen bølgemodi kjent fra litteraturen og heller ikke løses analytisk. I slike tilfeller kan resonansfrekvensene og feltfordelingene løses tilnærmet ved numeriske metoder ved bruk av f.eks. FEM (finite element method)-programvare. Enhver struktur som har en lavere resonansfrekvens enn grensefrekvensen for røret, kan i prinsippet benyttes som resonatorsensor [17]. Flere eksempler (basert på Venturi-rør, åpninger, V-konuser) på hvordan man kan realisere en kombinert geometri til bruk som mikrobølgeresonator og differensialtrykk-strømningsmåler, er beskrevet i [3]. Et eksempel på V-konus-geometri er vist på fig. 10. Denne strukturen vil oppføre seg som en mikrobølgeresonator. Den elektromagnetiske virkning av V-konus-sensoren kan betraktes som en l/4-bølgelengde-koaksialresonator der den elektromagnetiske energien er avgrenset i det mikrobølgehulrom som er definert ved lengden av V-konusen. Denne strukturen har en fordelaktig elektromagnetisk feltfordeling som gjør den velegnet for deteksjon av vannfraksjonen i en våtgasstrømning: • I aksiell retning har feltet sitt maksimum ved kanten av konusen der gasshastigheten er høyest. Vanninnholdet vil

følgelig bli målt på dette stedet.

• Feltet er jevnt fordelt langs omkretsen av gapet, hvilket gjør sensoren mindre avhengig av strømningsregimet.

Datamaskinsimuleringer av elektromagnetiske felter ved bruk av FEM-metoden samt målinger har vist en frekvens-respons med en ren og eneste resonanstopp i det aktuelle frekvensområdet, se eksempelet på kurven på fig. 11.

En trefase-våtgassmåler for de individuelle målingene av gass-, hydrokarbonvæske- og vannstrømning kan konstrueres ved en kombinasjon av en dobbelt-DP-strømningsmåleinnretning og en separat vannfraksjons-deteksjonssensor. Vannfraksjons-enheten kan f.eks. være basert på hvilken som helst type av dielektrisk måling som gir et mål på blandingens permittivitet. Mikrobølgeresonatoren er en praktisk løsning for den dielektriske målingen, som kan benyttes sammen med dobbelt-DP-målingen for å utgjøre en følsom og kompakt realisering av målekonseptet for trefase-våtgass.

Signalprosesseringsenheten 8 i trefasemåleren ifølge oppfinnelsen omfatter moduler for å foreta de beregningstrinn som er illustrert i flytdiagrammet på fig. 12 og fig. 13. Fig. 12 viser de beregningsmoduler som kan anvendes i det tilfellet at en generell vanninnholdsmåler er kombinert med en DDP-enhet, mens fig. 13 viser beregningsmodulene i det spesielle tilfellet der vanninnholdsmåleren er basert på en dielektrisk måling av permittiviteten av fluidblandingen. 1) I modulen 100 og undermodulen 110 blir de individuelle egenskapene for gass, hydrokarbonvæske og vann beregnet basert på den målte eller gitte temperatur og trykk og på den gitte molekylær-sammensetning av gassen og hydrokarbonvæsken. I modul 100 blir de individuelle tetthetene (p) av gass, hydrokarbonvæske og vann beregnet på basis av målt temperatur og trykk ved bruk av empiriske modeller eller f.eks. ut fra en PVT-programvaremodul.

Prr, pyr, Modeller . „ „

I tilfellet av en dielektrisk måling av vannfraksjon (fig.

13), blir de individuelle permittiviteter for gass, hydro-

karbonvæske og vann beregnet i blokk 110 ut fra de gitte individuelle tetthetene av komponentene, med trykk og temperatur basert på empiriske modeller. 1) I modul 200 blir sammensetningen av fluidstrømningen beregnet på basis av det målte differensialtrykkforhold og den målte vannfraksjon. I tilfellet med en generell vannfrak-sjonsmåler (fig. 12), er den målte vannfraksjon en inngangs-størrelse til beregningsmodulen. De tre ukjente ( awi ac,ag) blir funnet ved å løse det følgende ligningssett der FC-Xlm) er en empirisk kalibreringsmodell. Dette sett av ligninger må normalt løses numerisk ved hjelp av iterative datamaskinmidler. I tilfellet av at det benyttes en dielektrisk metode for vannfraksjonsdeteksjon (f.eks. en mikrobølgesensor), for vanndeteksjon (fig. 13), er den målte permittivitet av blandingen basis for måling av sammensetningen, og ligningssettet kan skrives som:

I tilfellet av at den dielektriske vanndeteksjonsenhet er en mikrobølgeresonator, blir permittiviteten av blandingen funnet ut fra den målte resonansfrekvens basert på ligning (18). Utgangen fra modulen 2 00 er de individuelle volum-

strømningsfraksjoner av gass, hydrokarbonvæske og vann.

2) I modul 300 blir gasstrømningsmengden beregnet ut fra et av de målte differensialtrykk og fra de beregnede fraksjonene i henhold til opplegget ifølge ligningene (l)-(5): 3) I modul 330 blir det avsluttende trinn ved beregning av hydrokarbonvæske- og vannstrømningsmengder utført på basis av beregnede fraksjoner og gassmengde:

Fig. 14 illustrerer hvordan beregningen i trefase-våtgasstrømningsmåleren ifølge foreliggende oppfinnelse kan omfatte en iterasjonsprosedyre som del av beregningen av fluidfraksjoner slik som i blokk 200 på fig. 13, ut fra rå målinger og inngangsdata.

En innledende gjetning på fraksjonene i fluidstrømningen blir innledningsvis gitt sammen med tettheten og den dielektriske permittivitet av gassen, vannet og hydrokarbonvæsken, fra modulene 100 og 110 til en beregningsmodul som utfører estimeringen av mengdene av gass, vann og hydrokarbonvæske .

Basert på de gitte inngangssignaler, blir det beregnet (i 400) verdier for differensialtrykkforholdet AP2/APi og blandingens permittivitet emiX. Disse beregnede verdiene sammenlignes 500 med de målte verdiene. I tilfellet av at de beregnede verdiene avviker fra de målte verdiene med mindre enn en gitt størrelse, blir de beregnede og målte verdiene ansett for å være like, og de foreliggende inngangsverdier for faksjonene utgjør det ønskede resultat.

I tilfellet av at de beregnede verdiene og de målte verdiene avviker med en størrelse som overskrider en gitt verdi, blir det avgitt et signal til oppdaterings-fraksjons-modulen for at en ny oppdatering eller en ny beregning av fraksjonene kan beregnes. Typisk vil en beregning bli foretatt ved å benytte en Newton-metode eller annen lignende teknikk som er kjent for fagfolk på området, basert på de målte og estimerte verdiene.

De nye beregnede fraksjonene er så den nye inngangs-verdien for beregningen og sammenligningen. Denne iterasjon vil typisk bli utført et antall ganger inntil en løsning blir nådd, dvs. inntil beregnede størrelser er lik de målte størrelsene innenfor en gitt toleranse eller gitt feilmargin.

De forskjellige funksjoner og moduler i signalprosesseringsmodulen som omtalt ovenfor, vil typisk bli realisert som datamaskin-programkode eller programvare innrettet til å operere i en signalprosesseringsmodul som er en del av en generell datamaskin, mikroprosessor eller beregningsinnret-ning som er kjent for fagfolk på området, eller det kan dreie seg om en skreddersydd, innebygget (embedded) mikroprosessor.

En trefase-våtgassmåler kan f.eks. realiseres ved hjelp av et antall forskjellige kombinasjoner av en av dobbelt-DP-innretningene som er beskrevet ovenfor, i kombinasjon med en av de mikrobølgeresonatorene som er listet opp i referanse

[3] , hvis hele innhold her inkorporeres ved henvisning. Noen få eksempler på mulige utførelser er vist på figurene 15-18.

Figurene 15-18 illustrerer eksempler på arrangementet av mikrobølge-koblingsstrukturer 40, som kan være f.eks. prober, sløyfer, irisinnretninger eller kombinasjoner av slike, for å være i stand til å eksitere og måle et elektromagnetisk felt i resonansstrukturen 42, se f.eks. sidene 40-43 i [17]. Mikrobølgeresonansene kan måles med mange forskjellige teknikker som er kjent for alle fagfolk på området, basert på f.eks. måling av refleksjonen (krever bare en koblingsinnret-ning) eller transmisjon (krever to koblingsinnretninger) av mikrobølger, slik som beskrevet på sidene 30-37 i [17]. Hvilken som helst type egnet mikrobølge-drivelektronikk som er kjent for folk på området, kan benyttes slik som skjematisk illustrert på fig. 20, for å danne et passende signalgrensesnitt mot mikrobølge-koblingsstrukturene 40. En slik drivenhet 41 vil typisk omfatte en utgangsmodul for å levere utgangssignaler til mikrobølge-koblingsstrukturene 40 for eksitering av et mikrobølgefelt, og en signal-mottaker-modul for å motta signal fra mikrobølge-koblingsstrukturene som representerer en karakteristisk egenskap ved mikrobølge-feltet i resonansstrukturen 42, f.eks. amplituden eller fasen av mikrobølgefeltet, typisk karakterisert i form av refleksjons- eller transmisjons-koeffisienten for resonatoren. Drivelektronikken 41 kan enten være låst til resonansfrekvensen (se f.eks. sidene 125-130 i [17]), eller kan måle refleksjons- eller transmisjonskoeffisienten som funksjon av frekvens, dvs. frekvensresponsen, hvorfra karakteristikkene for resonansen kan utledes slik som beskrevet på sidene 30-37 i [17]. Drivenheten 41 eller i det minste mottakermodulen vil være koblet til signalprosesseringsmodulen 8 slik at karakteristikkene som er oppnådd for mikrobølgefeltet, blir overført til og kan prosesseres i signalprosesseringsmodulen 8.

Som et alternativ til den mikrobølgebaserte vanndeteksjon er det også mulig å anvende en kapasitiv type dielektrisk måling for å bestemme vanninnholdet, som illustrert f.eks. på fig. 19. Kapasitanselektroder 50 er anordnet på en slik måte at den totale kapasitansen bestemmes av våtgassen 1 som strømmer i røret 30. En kapasitansmåling slik som f.eks. beskrevet i referanse [18] kan så kombineres med en dobbelt-DP-enhet for å danne en trefase-våtgassmåler. Typisk vil kapasitanselektrodene bli koblet til signalprosesseringsmodulen 8 gjennom en drivelektronikk- modul, i likhet med den mikrobølgesensor som er illustrert på fig. 20.

Som oppsummering tilveiebringer den her beskrevne oppfinnelse et konsept for en trefase-våtgassmåler som er i stand til å måle de individuelle strømningsmengder av gass, hydrokarbonvæske og vann i en våtgasstrømning. Dette utgjør en ny måte til å kombinere en dobbelt-DP- og en vanndeteksjonsenhet (f.eks. en mikrobølgeresonator).

Denne nye innretningen og fremgangsmåten for trefase-måling gir en lavere usikkerhet ved måling av våtgass-strømningsmengde, sammenlignet med et tofase-gass/væske-konsept på grunn av muligheten av å kvantifisere væske-egenskapene (vann + hydrokarbonvæske).

Videre kan en trefase-våtgassmåler ifølge denne oppfinnelse gjøres kompakt fordi den samme sensorgeometrien kan utnyttes for måling av fluidsammensetning og for måling av strømningsmengde.

Referanser

[1] Nyfors, E., A. Wee, "Measurement of mixtures of oil, water, and gas with microwave sensors. New developments and field experience of the MFI MultiPhase,. and WaterCut Meters of Roxar", Proe. Subsurface Sensing Technologies and Applications II, at SPIE' s 45<01> Annual Meeting, San Diego, July-August 2000, pp. 12-21, Invited.

[2] 0. Lund Bø, E. Nyfors, T. Løland, J.P. Couput, "New compact Wet Gas Meter based on a microwave water detection technique and differential pressure flow measurement" 20th

North Sea Flow Measurement Workshop, 2002.

[3] E. Nyfors, 0. Lund Bø, "Kompakt strømningsmåler", Norsk

Patent, 315584.

[4] E. Rhodes, "Device and method for determining flow rates in a two-phase stream", European patent EP0076882, 1981.

[5] T. V. Nguyen, "Methods for metering two-phase flow", US patent US4576043, 1984.

[6] P. R. Daniel and J.S. Lund, "A meter for the measurement of multiphase fluids and wet gas", International patent WO0208702, 2002.

[7] J. R. Fincke, Improved method and system for measuring multiphase flow using multiple pressure differentials. WO patent WO122041, 2001.

[8] International standard ISO 5167-1: Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices.

[9] D. Chisholm, "Two-phase flow in pipelines and heat exchangers", Longman Inc, 1983, Chap 11.

[10] D. Chisholm, "Flow of Incompressible Two-Phase Mixtures throughsharp edged Orifices", Journal of Mechanical Engineering Science, Vol 9, No 1, 1967.

[11] D. Chisholm, "Research Note: Two-Phase flow through sharp edged Orifices", Journal of Mechanical Engineering Science, Vol 19, No 3, 1977.

[12] H. De Leeuw, "Liquid correction of Venturi meter Readings in Wet Gas Flow", North Sea Flow Measurement

Workshop, 1997.

[13] F. McCall, Fluid flow meter, US patent, US 4 638 672, 1987 .

[14] A. Sihvola, "Electromagnetic mixing formulas and applications, Inst. of Electrical Engineers, 1999, ISBN 0 85296 772 1, Ch. 9.

[15] Tiuri, M.E., E.G. Nyfors, P.-V. Vainikainen, S.H. Ståhl, Mittausmenetelmå ja - laite kiinteån, radeisen aineen massavirtauksen ja kosteuden tai jonkin muun ominaisuuden måårååmiseksi. ( Method and device for measuring the material flow and the moisture, or some other property, of a solid, granular material; in Finnish), Suomi-Finland patent No. 69372, filed 30.12.1983.

[16] Nyfors, E.G., Å. Bringsvor, Måler, særlig for kontinuerlig måling av blandingsforholdet mellom to fluider som strømmer i rør, f. eks. vanninnhold i olje; samt fremgangsmåte for gjennomføring av slik måling. ( Meter, especially for the continuous measurement of the mixing ratio of two fluids flowing in a pipe; and method for performing such measurements; in Norwegian), Norwegian patent No. 308.922, Filed June 3, 1988.

[17] Nyfors, E., Cylindrical microwave resonator sensors for measuring materials under flow, Thesis, Helsinki Univ. of Tech., Radio Lab. Report S243, May 2000, 181p.

18] E. Hammer, E. Dykesteen, "Fremgangsmåte og instrument for måling av trekomponents medium", Norsk patent, 304333.

Claims

1. Strømningsmåler egnet til å måle de individuelle strømningsmengdene av gass, hydrokarbonvæske og vann i en overveiende gassholdig strømmende fluidblanding (1), omfattende - en vanninnholdmåler (7) for å avgi et signal som representerer et mål på vanninnholdet i fluidet, - en dobbelstruktur til å generere (3) og måle (4) differensialtrykk, betegnet DDP-enhet (2), for å frembringe to målesignaler (6A og 6B) som representerer to uavhengige verdier av differensialtrykk i fluidet (1), og - en signalprosesseringsenhet (8) som har innganger (9A-C) innrettet til å motta de nevnte målesignalene og det nevnte vanninnhold-signal, og en beregningsmodul (10) for å beregne verdier som representerer de volumetriske strømningsmengder av nevnte gass, hydrokarbonvæske og vann i fluidet.

2. Strømningsmåler ifølge krav 1, der DDP-enheten (2) omfatter to topologisk ulike strukturer (20, 21A-C) for generering av differensialtrykk DP, installert nær hverandre i et rør (30) slik at den ene DP-genererende struktur påvirker strømningsmønsteret ved den andre DP-genererende strukturen.

3. Strømningsmåler ifølge krav 1, der DDP-enheten (2) omfatter en enkelt strømningstverrsnittreduserende innretning montert i fluidstrømningen slik at den varierer tverrsnittet av fluidstrømningen, og to differensialtrykkmålestrukturer arrangert for å måle differensialtrykkene i to forskjellige posisjoner ved eller nær den strømningstverrsnittreduserende innretning.

4. Strømningsmåler ifølge krav 3, der den strømnings-tverrsnittreduserende innretning omfatter et avlangt legeme.

5. Strømningsmåler ifølge krav 3, der den (eneste) strøm-ningstverrsnittreduserende innretning definerer et innløps-område, et område med redusert tverrsnitt og et utløpsområde, der DDP-enheten (2) omfatter en første differensialtrykk-måleinnretning anordnet i et av de nevnte områder, og en annen differensialtrykkmåleinnretning er anordnet i et annet av de nevnte områdene.

6. Strømningsmåler ifølge krav 3, der begge differensial-trykkmålestrukturene er innrettet til å måle akselerasjons-trykkfall.

7. Strømningsmåler ifølge krav 3, der en differensial-trykkmålestruktur er innrettet til å måle akselerasjons-trykkfall og den andre differensialtrykkmålestrukturen er innrettet til å måle trykkgjenvinning.

8. Strømningsmåler ifølge krav 1, der vannfraksjonsmåleren omfatter en enhet for måling av dielektrisk permittivitet.

9. Strømningsmåler ifølge krav 8, der den nevnte enhet omfatter en mikrobølgeresonator.

10. Strømningsmåler ifølge krav 9, omfattende en V-konus og et venturirør, der V-konusen benyttes i en mikrobølge-resonator.

11. Strømningsmåler ifølge krav 9, omfattende et legeme plassert sentralt i røret og en åpning, der det sentrale legemet benyttes i en mikrobølgeresonator.

12. Strømningsmåle ifølge krav 8, der enheten for måling av dielektrisk permittivitet omfatter en kapasitans-måleinnretning.

13. Strømningsmåler ifølge krav 8, der den nevnte enhet og strukturene for generering og måling av differensialtrykk er kombinert i en felles struktur.

14. Strømningsmåler ifølge krav 13, der den felles struktur er et enkelt langstrakt legeme, hvilket legeme benyttes både til å generere to uavhengige differensialtrykk og som del av en mikrobølgeresonator.

15. Fremgangsmåte for måling av de individuelle strømnings-mengdene av gass, hydrokarbonvæske og vann i en overveiende gassholdig strømmende fluidblanding (1), for å gi de individuelle strømningsmengder av gass, hydrokarbonvæske og vann i strømningen, omfattende følgende trinn: - å frembringe et signal (9E) som representerer et mål på vanninnholdet i fluidet, ved bruk av en vanninnholdmåler (7), - å frembringe målesignaler (5A-D, 6A-B, 9A-B) som representerer i det minste to uavhengige verdier av differensialtrykk i fluidet, ved bruk av en dobbel struktur til å generere (3) og måle (4) differensialtrykk, - å avgi de nevnte målesignaler og vannfraksjonssignalet til en signalprosesseringsenhet (8) som har tilsvarende inngangskanaler (9A-E) innrettet til å motta de nevnte signalene, og - å beregne verdier som representerer de volumetriske strømningsmengdene av nevnte gass, hydrokarbonvæske og vann i fluidet, i en beregningsenhet (10) i signalprosesseringsenheten (8) .