NO323247B1

NO323247B1 - Fremgangsmåte og strømningsmåler for å bestemme strømningsratene til en flerfaseblanding

Info

Publication number: NO323247B1
Application number: NO20035481A
Authority: NO
Inventors: Arnstein Wee
Original assignee: Multi Phase Meters As
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2007-02-12
Also published as: CA2548063C; CN100439870C; RU2006124233A; BRPI0417435A; BRPI0417435B1; NO20035481D0; GB2426593A; NO20035481L; GB2426593B; RU2348905C2; CN1890535A; US7469188B2; US20070124091A1; WO2005057142A1; GB0613211D0; CA2548063A1

Abstract

Oppfinnelsen gjelder en metode og en strømningsmåler for måling av komposisjon og strømningsrate til en blanding bestående av for eksempel olje, vann og gass i et rør. Metoden kjennetegnes ved at elektriske taps- og fasemålinger utføres i minst to retninger i røret, at graden av annulær strømning (gasskonsentrasjon i midten av røret) beregnes basert på nevnte målinger, at permittiviteten av flerfaseblandingen beregnes basert på nevnte målinger og korrigeres for graden av annulær strømning, at blandingens tetthet måles og kompenseres for graden av annulær strømning, at hastigheten til væske og gass måles og at temperatur og trykk måles. Basert på kjennskap til tetthet og permittivitet til blandingens komponenter og resultatet av de foran nevnte beregninger og målinger, beregnes volum- og massestrømningsratene av olje, vann og gass i røret.

Description

Oppfinnelsen er relatert til en fremgangsmåte og en st røm - ningsmåler for måling av komposisjon og strømningsrater av individuelle komponenter til en flerfaseblanding.

Problemet med å måle olje-vann-gass blandinger har vært av interesse for petroleumsindustrien siden tidlig på 80-tallet. Siden da er betydelig forskning rettet mot utvik-ling av en tre-fase strømningsmåler for industriell anven-delse som eksempelvis beskrevet av R. Thorn, 6. A. Johansen og E. A. Hammer - 1997, " <*>Recent developments in three-phase flow measurement", Meas. Sei. Technol., Vol.8, No. 7, side. 691-701.

Det er et mangfold av kjente instrumenter for måling av flerfase strømningsrater. Et slikt instrument må være forholdsvis nøyaktig (typisk ± 5 % av aktuell strømningsrate for hver fase), ikke forstyrre strømningen i nevneverdig grad, pålitelig, upåvirket av hvordan flerfaseblandingen er fordelt i røret (strømningsregimet), pålitelig og dekke alle mulige kombinasjoner av olje, vann og gass. På tross av det mangfold av løsninger som til nå er blitt utprøvd, eksisterer det pr dato ingen flerfase strømningsmålere som oppfyller alle disse kravene.

Produksjonsratene til et olje/gassreservoir varierer avhengig av lokasjon og alder av brønnene. I tillegg til olje- og gasskomponentene, vil vann, sand og voks i mange tilfeller også være tilstede i den produserte brønnstrøm-men. Siden lokasjon og produksjonsrate på brønnene kan variere mye, er det stor variasjon på systemene som er ut-viklet for måling av flerfase strømningsrater. Målsetningen til oljeindustrien initielt med å utvikle en universell flerfasestrømningsmåler for å erstatte tradisjonelle sepa-rat orer/ enf ase måleløsninger for skattebegrunnet overvåk-ning av en brønns produksjonsrater, har ennå ikke blitt virkeliggjort.

Flerfasestrømningsmålere er i økende grad benyttet til testing og allokeringsmåling. For å kunne optimalisere produk-sjon og levetid for et olje-/gassfelt, må feltoperatøren være i stand til å monitorere produksjonen fra hver enkelt brønn. Den konvensjonelle måten å gjennomføre dette på er ved bruk av testseparatorer. Testseparatorer er kostbare og opptar verdifull plass på en plattform. Videre er det tid-krevende å utføre testene fordi det ofte tar lang tid å stabilisere brønnen på testseparatoren. Videre oppnåes det kun moderat nøyaktighet med en testseparator (typisk ± 5 til 10 % av hver fase), og testseparatoren kan ikke benyttes til kontinuerlig brønnovervåking. En flerfasestrøm-ningsmåler kan i det første eksempelet ovenfor erstatte en testseparator og på sikt benyttes til kontinuerlig overvå-king av hver brønn. Et slikt oppsett ville redusere pro-duksjonstap assosiert med brønn testing. Denne type tap er estimert til 2 % for en typisk offshore installasjon.

Allokeringsmåling er påkrevd når en felles rørledning blir benyttet til å transportere produksjonen fra flere brønner med ulike eiere til en felles produksjonsfasilitet. Denne målingen utføres pr i dag ved at hver brønn blir målt på en testseparator før den går inn på en felles rørledning. I tillegg til de ovenfor nevnte ulempene med testseparatorer vil det nå også være behov for dedikerte testerørledninger for hver brønn. En permanent installert flerfasestrømnings-måler gir dermed ytterligere besparelser i forbindelse med allokeringsmåling.

I henhold til en større gruppe av oljeselskaper er kravet til målenøyaktighet for en trefase strømningsmåler 5-10 % relativ usikkerhet på væske og gass strømningsrate og en feil i vannkuttmålingen som er innenfor 2 % abs for gass/ volumfraksjoner i området 0-99 % og vannkutt i området 0-90 %. Mer nøyaktige målinger er påkrevd ved allokeringsmåling. Kommersielt tilgjengelige flerfase strømningsmålere er nå på generelt grunnlag i stand til å måle de individuelle fasestrømningsratene med en usikkerhet mindre en 10 % over et forholdsvis bredt område mht strømningshastigheter og fasefraksjoner. Det er i hovedsak to områder hvor mer ar-beid er påkrevd for å kunne redusere måleusikkerheten ytterligere: strømningsregime-avhengighet og individuell fasehastighetsmålinger. Oppfinnelsen tar sikte på å redusere denne måleusikkerheten betydelig, spesielt usikker-heten relatert til strømningsregime-avhengigheten.

Noen eksempler på kommersielt tilgjengelige ikke-inntrengende flerfase strømningsmålere som beskrevet i NO 304333, NO 304332, US 5,103,181, WO 00/45133 og US 6,097,786, måler komposisjonen til flerfaseblandingen i tverrsnittet av røret og hastigheten til fasene for å beregne strømnings-ratene. For å kunne oppnå nøyaktige målinger må man da ha en homogen blanding i tverrsnittet av røret. Effekten av inhomogenitet i lengderetningen av røret er vanligvis minimalisert ved å måle komposisjonen i tverrsnittet av røret med høy hastighet.

Flerfasestrømningsmålere er normalt ikke montert i horisontal posisjon p.g.a. laminær (lagvis) strømningsprofil hvor vann ligger i bunn og gass er på topp av røret, en forde-ling som vil virke forstyrrende på målingene. For å oppnå en homogen flerfaseblanding i tverrsnittet av røret, er det vanlig å installere flerfasestrømningsmåleren på en slik måte at strømningen går vertikalt oppover eller nedover. Laminær strømning kan dermed forhindres. Når en flerfaseblanding bestående av gas og væsker strømmer i vertikal retning, kan annulært strømningsregime forekomme. Med annulært strømningsregime menes at mesteparten av væsken er distribuert som en ring langs veggen mens mesteparten av gassen er konsentrert i midten av røret. Annulær strømning forstyrrer målingene på en tilsvarende måte som laminær strømning i en horisontal installasjon. I horisontale rør vil annulær strømning hvor all gass er lokalisert i midten av røret normalt kun forekomme ved høye gassfraksjoner. For vertikale rør derimot, er betydelig konsentrasjon av gass i midten av røret observert selv ved midlere strømningsrater

(noen få meter pr sekund) og gassfraksjoner på 10 %. Selv en konsentrasjon av gass i midten av røret ved lave gassfraksjoner vil introdusere betydelige målefeil.

NO 304333, US 5,103,181, US 6,097,786 og US 5,135,684 benytter en nukleær tetthetsmåler. Det er ikke mulig å oppnå full dekning av tverrsnittet i røret når en nukleær tetthetsmåler benyttes til å måle tettheten. For å oppnå nøyak-tige målinger er man derfor avhengig av en homogen blanding i tverrsnittet av røret. Typiske kommersielt tilgjengelige nukleære detektorer for måling av tetthet, basert på Caesium 662 kEv-energitoppen, har en sirkulær utforming med diameter på 2" eller lavere. For dual energisystemer (rønt-gen- og gammastråler) som beskrevet i US 5,135,684 og US 6,097,786, er dekningsområdet normalt enda smalere siden det er behov for et komposittvindu i rørveggen slik at lav-energi røntgenstråler skal kunne trenge igjennom rørveggen.

Dekningsområdet i et 2" rør med en typisk kommersielt tilgjengelig gammastråle tetthetsmåler er vist i figur 16. 70-80 % dekning kan normalt oppnåes ved optimal plassering av detektor og kilde. I et 6" rør derimot, er det krevende å oppnå mer en 30 % dekning av tverrsnittet av røret, som vist i figur 17.

For å øke dekningen kan tetthetsmålingen plasseres inne i en venturi passasje som vist i US 5,135,684. Dersom diameteren i venturipassasjen er liten i forhold til diameteren til røret, vil store trykktap redusere anvendelsesområdet til flerfasestrømningsmåleren. Ved å plassere den nukleære tetthetsmålingen i en venturipassasje vil man også få en økende grad av annulær strømning i selv måleseksjonen. Når kilde og detektor er plassert i midten av røret, vil målingen underestimere tettheten ved annulær strømning. Måle-feilen vil øke for økende areal (diameter) av røret. Måle-feilen kan til en viss grad reduseres ved å plassere densi-tometeret til siden for senter i røret. På den andre siden vil man da måle en for høy tetthet ved forekomst av annulær strømning ved lavere gassfraksjoner.

Effekten av annulær strømning kan også reduseres ved å benytte en mikseinnretning. US Re 36,597 beskriver en metode hvor en fortregningsvolummåler er benyttet for å måle den totale strømningsraten og for å homogenisere strømningen i forkant av en komposisjonsmåling. Annulær strømning er da minimalisert. På den andre siden er flerfasestrømnings-måleren svært forstyrrende og inntrengende i strømningen og er sårbar siden den er avhengig av en begrensende og rote-rende mekanisk innretning lokalisert i midten av rørstrøm-men. Repeterbarheten til målingene for et slikt apparat vil også være påvirket av sanderosjon.

En annen metode for å redusere tilstedeværelse av annulær strømning er å benytte et mikseelement. US 5,135,684 beskriver en metode hvor en oppholdstank benyttes til å homogenisere flerfasestrømningen. Denne innretningen er derimot meget forstyrrende og inntrengende og forårsaker trykkfall i rørstrømmen, som igjen begrenser produksjonskapasiteten til brønnene. Ytelsen til mikseinnretningen vil også være avhengig av strømningsmønsteret, som f.eks. lengde av gass-og væskeslugger, som igjen begrenser operasjonsområdet til måleinstrument. En annen metode basert på en mikseinnretning er beskrevet i US 6,272,934.

Effekten av annulær strømning kan også reduseres ved å ut-føre komposisjonsmålingene i tverrsnittet av en invertert venturi som vist i WO 00/45133, figur 1. Denne metoden er derimot meget inntrengende og forstyrrende i rørstrøm-ningen, og repeterbarheten til målingene vil være utsatt for sanderosjon.

Flerfase komposisjon- og strømningsmålere basert på mikro-bølger er kjent fra før. US 4,458,524 viser en flerfase-strømningsmåler basert på måling av permittivitet (dielektrisk konstant), tetthet, temperatur. Denne måleren er basert på måling av faseskift mellom to mottakerantenner for bestemmelse av permittivitet.

Andre kjente teknikker er basert på måling av resonansfre-kvens. Eksempler på slike teknikker er beskrevet i WO 3/034051 og US 6,466,035. Teknikker basert på måling av re-sonans frekvens vil normalt være begrenset til flerfasefor-hold hvor tapet i røret er lavt og vil derfor normalt ikke kunne fungere for høye vannkuttapplikasjoner og saltholdig vann pga høyt dielektrisk tap i flerfaseblandingen. US 5,103,181 beskriver en metode basert på måling av konstruk-tiv og destruktiv interferens mønster i røret.

Ingen av de ovenfor nevnte teknikkene er både ikke inntrengende / forstyrrende på rørstrømningen og samtidig i stand til å detektere og kompensere for graden av gass konsentrasjon i midten av røret (annulær strømning).

Oppfinnelsen beskriver en ikke-inntrengende / forstyrrende metode for å detektere tilstedeværelse av annulær strøm-ning, kompensere målingene som en funksjon av graden av annulær strømning for igjen å oppnå nøyaktige strømnings-målinger av de individuelle komponentene av en flerfase blanding.

Hensikten med oppfinnelsen er å frembringe en metode for å identifisere konsentrasjon av gass i midten av røret og videre kompensere permittivitet- og tetthetsmålinger for målefeil relatert til graden av gasskonsentrasjon i midten av røret. Videre er hensikten med oppfinnelsen å frembringe en forbedret flerfasestrømningsmåler for å unngå de ovenfor nevnte begrensningene i ytelse til kjente teknikker for flerfasestrømningsmålinger. Videre er hensikten med oppfinnelsen å frembringe en kompakt og rimelig struktur for å utføre nøyaktige målinger av olje, gass og vann produksjonsrater. Det er videre hensikten med oppfinnelsen å frembringe en ikke-inntrengede/forstyrrende innretning for å utføre målingene uten behov for en mekanisk mikseinnretning i forkant.

Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebrakt en fremgangsmåte for å bestemme

a. elektromagnetiske tap- og fasemålinger utføres i

minst to retninger av røret,

b. graden av annulær strømning beregnes basert på målingene i trinn a, c. permittiviteten av flerfaseblandingen beregnes basert på resultatet i trinn a og b inkludert korreksjon relatert til graden av annulær strømning, d. flerfaseblandingens tetthet måles og kompenseres

for graden av annulær strømning,

e. temperatur og trykk måles,

f. hastighet av væske og gass måles, og

g. basert på kjennskap til tetthet og permittivitet av de individuelle komponentene av flerfaseblandingen, og resultatet fra trinnene a-f ovenfor, beregnes volum- og rnassestrømningsratene av gass- og væskekomponentene.

En strømningsmåler i henhold til oppfinnelsen er definert i det selvstendige krav 12.

De uselvstendige krav 2-11 og 13-20 definerer foretrukne utførelser av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet med referanse til figurer, hvor: Fig. 1 viser en grafisk representasjon av tre eksempler av annulær strømning i et 4" rør,

Fig. 2 viser en enkel illustrasjon av oppfinnelsen.

Fig. 3 viser en fase vs. frekvenskurve,

Fig. 4 viser en graf av rå-målingene,

Fig. 5 viser tilhørende kompenserte målinger, begge basert på nevrale nettverk, Fig. 6 viser det elektriske feltet under cut-off-frekvensen til røret ved høyt tap, Fig. 7 illustrerer det elektriske feltet i sensoren ved lite tap for frekvenser over cut-off-frekvensen,

Fig. 8 viser en faserespons ved lite tap,

Fig. 9 illustrerer en enkel skisse av sensor-antenne-arrangement,

Fig. 10 er en enkel skisse av en antenneplassering,

Fig. 11 representerer en skisse av et arrangement med gammastråle -tetthetsmåler, Fig. 12 illustrerer et arrangement basert på tetthetsmåling med venturi, Fig. 13 viser målte frekvenser i tverrsnittet av røret, Fig. 14 viser målte frekvenser i lengderetningen av røret, Fig. 15 viser kompenserte målinger {benytter nevrale nettverk) vs. teoretiske målinger, Fig. 16 er en enkel skisse av en gammastråle-basert tetthet småling i en 2" rør, and Fig. 17 er en enkel skisse av en gammastråle-basert tetthetsmåling i en 2" rør.

Flerfasestrømningsmåleren i henhold til oppfinnelsen omfatter tre hovedelement som beskrevet nedenfor: Måling for å detektere konsentrasjon av gass i midten av røret (annulær strømning). Gass er ofte konsentrert i midten mens væske er mer konsentrert langs veggen i vertikale rørstrekk. I ekstreme tilfeller kan all gassen være konsentrert i midten av røret. For å identifisere gasskonsentrasjon i midten av røret, måles fase og tap mellom en senderantenne og to mottakerantenner lokalisert i ulik avstand. Målingen utføres ved tre eller flere forhåndsbestemte faseforskjeller mellom de to mottakerantennene. Sendeantennen og de to mottakerantennene er lokalisert i minst to tverrsnitt av røret. Taps- og fasemålingene er ut-ført over et bredt frekvensspekter (typisk 10 Mhz til 3,5 Ghz). Ved å benytte nevrale nettverk er det mulig å gjen-kjenne den karakteristiske responsen for annulær strømning (gasskonsentrasjon i midten av røret).

Måling av fraksjonsandeler av olje, vann og gass i tverrsnittet av røret blir gjort. Distribusjonen av fraksjonene olje, vann og gass i tverrsnittet er basert på måling av permittiviteten og tettheten og kjente verdier for permittivitet og tetthet for olje, vann og gass. Ved å måle temperatur og trykk kan målingene kompenseres for variasjon i temperatur og trykk. Målingene av permittivitet og tetthet er kompensert for graden av annulær strømning ved å benytte et nevralt nettverk som beregner tilsvarende tetthet og permittivitet for en homogent blandet flerfasestrøm.

(Homoget blandet flerfasestrøm i denne sammenhengen betyr den permittiviteten eller tettheten som ville ha blitt målt for en ekvivalent homogen flerfaseblanding).

Måling av væske- og gasshastighet måles ved å måle små variasjoner i flerfaseblandingen ved to kryss-seksjoner i en gitt avstand fra hverandre som igjen er krysskorrelert. Ved å analysere det krysskorrelerte signalet og identifisere de to største punktene på krysskorreleringskurven i tillegg til statistisk sortering av målingene, er det mulig å foreta en måling av væske- og gasshastigheten.

Ved å kombinere målingene fra punkt 2 og 3 sammen med kjente verdier for areal av tverrsnitt på røret (sensor) og tetthet av olje, gass og vann, er det mulig å beregne olje, vann og gass volumstrømningsrater og massestrømningsrater Svakhet til eksisterende løsninger

Svakheten til eksisterende løsninger er i hovedsak relatert til to faktorer, henholdsvis: Eksisterende flerfase strømningsmålere forutsetter en homogen blanding av olje, gass og vann i tverrsnittet av røret. Ved annulær strømning (gasskonsentrasjon i midten av røret), vil det forekomme store målefeil. Figur 1 viser en grafisk representasjon av tre eksempler av annulær strøm-ning i et 4" rør og hvilken effekt dette har på tetthetsmålingen med utgangspunkt i en 2" gammadetektor. Selv om dette er et ekstremt tilfelle siden all gassen er konsentrert i midten av røret, illustrerer det at store feil vil forekomme.

Det er behov for et mekanisk mikseelement. Noen flerfase-målere benytter et mekanisk mikseelement for å homogenisere flerfasestrømningen. En mikser vil normalt redusere graden av annulærstrømning, men til gjengjeld blir flerfasemåleren meget inntrengende / forstyrrende i rørstrømmen. Noen mik-se innretninger inneholder dessuten bevegelige deler som vil være utsatt for mekanisk sanderosjon og kan også ødelegges ved raske hastighetsvariasjoner assosiert med oppstart og nedstenging av brønner.

Unikhet ved oppfinnelsen

Unikheten til oppfinnelsen er evnen til å detektere tilstedeværelse av annulær strømning (gasskonsentrasjon i midten av røret) og videre kompensere målingene relatert til graden av annulær strømning. Figur 2 viser en enkel skisse av oppfinnelsen.

Taps og fase målinger utføres ved å måle mottatt effekt og fasedifferanse av et bredbåndig signal (typisk 10 Mhz til

3,5 Ghz) som er utsendt fra en senderantenne og mottatt ved to mottakerantenner. Målingen er utført i minst to og fort-rinnsvis tre plan i røret hvor ett plan ligger i tverrsnittet av røret, et andre plan ligger i lengderetningen av

røret og et tredje plan med en vinkel (f.eks. 45 grader) i forhold til strømningsretningen. Frekvensen varieres fra 10 Mhz til 3,5 Ghz avhengig av diameteren på røret, ved å måle frekvensen ved minst tre faste fasevinkler og benytte en kalibreringskonstant for systemet, kan permittiviteten til flerfaseblandingen i røret måles.

Annulær strømning kan detekteres og kompenseres for ved å analysere distribusjonen til fasemålingene. Årsaken til dette er at fase vs. frekvenskurven er tilnærmet lineær ved homogen strømning, mens den ved annulær strømning er mer kurvete som vist i figur 3. Dette representerer en ny effekt som tidligere ikke er beskrevet i litteraturen. Siden det er en omfattende jobb å utvikle nøyaktige model-ler for å modellere et såpass komplekst og ikke-lineært fenomen, kan nevrale nettverk benyttes ved å trene nettver-ket til å detektere tilstedeværelse av annulær strømning og kompensere målingene. Laboratorietester basert på denne metoden har gitt 100 % identifikasjon av annulær strømning. Nevrale nettverk benyttes også til å kompensere feilen i målingen forårsaket av gasskonsentrasjon i midten av røret. Basert på målingen (målt frekvens og frekvensdistribusjon i alle måleplanene), kan den korresponderende homogene målefrekvensen (teoretiske frekvens) beregnes. Vedlagte graf i figur 4 viser den opprinnelige målingen og figur 5 viser de tilhørende kompenserte målingene vedbruk av nevrale nettverk.

Når røret oppfører seg som en bølgeleder (lavt tap), er metoden for å detektere annulær strømning noe annerledes. Under cut-off-frekvensen vil det elektriske feltet utbre seg i henhold til teori for en plan bølge som illustrert i figur 6. Ved lavt tap i røret og frekvenser over cut-off frekvensen fc, vil det elektriske feltet være som vist i figur 7, noe som tilsvarer TEn. Idet feltet i røret endrer seg fra å være en plan bølge til TEu, inntreffer det en brå endring i fasedifferansen på mottakerantennene. Denne faseendringen er illustrert i figur 8. Ved å variere frekvensen på sendeantennen og måle frekvensen ved minst tre forhåndsbestemte fasevinkler, kan frekvenslokasjonen til den brå faseendringen bestemmes, som igjen er et mål på cut-off-frekvensen til røret.

Tilstedeværelse av annulær strømning ved lave tap måles ved å velge en målefrekvens som er betydelig lavere enn cut-off-frekvensen til røret. Siden cut-off-frekvensen er en funksjon av permittiviteten til blandingen inne i røret, vil målefrekvensen variere som en funksjon av permittiviteten. Ved denne målefrekvensen vil ikke røret oppføre seg som en bølgeleder, og det elektriske feltet vil dermed være som vist i figur 6. Tapet måles ved å sende på utvalgte frekvenser og måle mottatt effekt på to mottakerantenner. Ved å sammenligne målt tap i tre plan, kan annulær strøm-ning bli detektert og kompensert for ved å benytte nevrale nettverk som beskrevet ovenfor.

For å kunne beregne olje, vann og gassfraksjon i tverrsnittet av røret, er det behov for å måle tettheten til flerfaseblandingen i tverrsnittet av røret. Denne målingen vil også være påvirket av gasskonsentrasjon i midten av røret. Når tilstedeværelse og grad av gasskonsentrasjon i midten av røret er kjent, kan tetthetsmålingen kompenseres for effekten av gasskonsentrasjon på en tilsvarende måte ved å bruke nevrale nettverk.

Tetthetsmålingen er, i henhold til oppfinnelsen, utført på to måter avhengig av anvendelsesområdet: Gammastråle- absorbsjon. Ved å måle absorbsjon av en gammastråle i flerfaseblandingen med kjennskap til absorpsjons-koeffisienten for olje, vann og gass i tillegg til permittiviteten til flerfaseblandingen og permittiviteten til olje, vann og gass, er det mulig å kalkulere blandingens tetthet på en iterativ måte. Som en del av denne iterasjonen, kan gammastråle-absorbsjonsmålingen bli korrigert for tilstedeværelse av annulær strømning ved hjelp av et nevralt nettverk.

Venturi massestrømnin<g>smålin<g.> En venturi kan benyttes til å måle tettheten til blandingen. Trykkfallet over innløpet til venturien er en funksjon av massestrømningen og tettheten til flerfaseblandingen. Videre er trykket over utlø-pet av venturien en funksjon av massestrømningen, tettheten og kompressibiliteten til flerfaseblandingen. Ved å kombinere målingen over innløpet og utløpet av venturien sammen med målingen av væske- og gasshastighet fra kryss-korrela-sjon, er det mulig å beregne blandingens tetthet på en iterativ måte. Gasskonsentrasjon i midten av røret vil derimot medføre målefeil. Som en del av iterasjonen for å beregne tettheten, kan målingen da bli korrigert for graden av annulær strømning (gasskonsentrasjon).

En kombinasjon av gammastråle-absorbsjon (pkt 1) og venturi (pkt 2) kan også benyttes. Denne kombinasjonen vil i hoen tilfeller utvide måleområdet til systemet.

Figur 9 illustrerer en enkel mekanisk struktur som kan benyttes til å måle dielektriske egenskaper (permittivitet), strømningsregimet i tverrsnittet (annulær eller homogent) og hastighet til en flerfaseblanding. Probene (antenner) er koaksialkabler som er stukket inn i røret slik at en ledende senterleder er isolert fra rørveggen av et dielektrisk materiale som f.eks. plast eller keramikk, som vist i figur 10. Tre av antennene er benyttet som sendere og tre av antennene er benyttet som mottakere. Strømningsretningen til rørstrømmen er illustrert med en pil.

Sensoren benyttes til å måle både komposisjonen og hastigheten (væske og gass) til flerfase blandingen.

Måling av hastighet

Ved å kontinuerlig sende og måle responsen på antenneparene Txl/Rx2 og Tx2/Rx3 lokaliseret en kjent avstand S+L, er det mulig å fremstille to tidsvarierende signaler som er separert i tid tilsvarende den tid det tar flerfaseblandingen å gå mellom de to antennesettene. Målefrekvensen er valgt på en slik måte at lite energi går i lengderetningen. Ved lite tap i røret vil frekvensen typisk være betydelig under og en funksjon av den målte cut-off-frekvensen til røret. Ved å krysskorrelere de to signalene ved å bruke følgende formel:

Ligning 1;

hvor x(t) og y(t) er de mottatte signalene, kan tidsforsinkelsen x beregnes. Tidsforsinkelsen x mellom signalet x(t) og y(t) er et mål på tiden det tar for en liten forstyr-relse i flerfasestrømningen å bevege seg fra det første til det andre antenneparet. Ved å benytte høyfrekvente signaler til å måle variasjonene i strømningen er det også mulig å benytte høye mottaksrater. Dermed vil signalet inneholde informasjon om små variasjoner forårsaket av små gassbobler i væskefasen eller små vanndråper i oljefasen, som i dette tilfelle representerer hastigheten til væsken, og store

variasjoner som en gass-slugg som typisk vil representere hastigheten til gassfasen.

Ved å filtrere de mottatte dataene og statistisk klassifi-sere de målte krysskorrelasjonshastighetene, er det mulig å måle både væske- og gasshastigheten.

Måling av komposisjon

For å kunne måle strømningeraten til olje, vann og gas, må man også måle komposisjonen i tverrsnittet av røret (%olje, % vann & % gass) . Ved å måle blandingens permittivitet emix og blandingens tetthet pnix, kan følgende ligninger benyttes:

Lignin<g> 2:

hvor:

♦on - Volumf raks jon av olje i tverrsnittet av røret ♦water = Volumf raks jon av vann i tverrsnittet av røret ♦gas - Volumfraksjon av gass i tverrsnittet av røret Ligning 3:

hvor:

poii ■ Tetthet til olje

Pwater = Tetthet til vann

pgas = Tetthet til gass

Pmix = Målt tetthet

Måling av temperatur og trykk er også påkrevd for å kompensere de ovenfor nevnte parametrene for temperatur- og trykkvariasjoner, men for enkelthets skyld vil dette bli ignorert i den videre diskusjonen av måleprinsippet.

Bruggemans mikseligning relaterer permittiviteten (dielektrisk konstant) av en to-komponentblanding til volum frak-sjonen av de to komponentene. Dersom de to komponentene i blandingen er dråper fordelt som en indre dispergert fase i et kontinuerlig medium av en ytre fase, blir ligningen som følger:

Li<g>ning 4:

hvor:

£inner = Permittivitet av den indre fasen (dispergert

fase)

e©uter Permittivitet av den ytre fasen (kontinuerlig

fase)

e*ri.x = Målt permittivitet til flerfaseblandingen

*inner = Volumf raks jon til den indre fasen (dispergert fase) *out«r = Volumf raks jon til den ytre fasen (kontinuerlig fase)

Måling av temperatur og trykk er også påkrevd for å kompensere de ovenfor nevnte parametrene for temperatur- og trykkvariasjoner, men for enkelthets skyld, vil dette bli ignorert i den videre diskusjonen av måleprinsippet.

Den ovenfor nevnte ligningen kan også benyttes for en tre-faseblanding som f.eks. olje, vann og gass, hvor den indre fasen er en homogen blanding av to av fasene dispergert i en ytre fase. Eksempelvis kan en indre olje/vannblanding være dispergert i en ytre kontinuerlig fase av gass på samme måten som gassbobler kan være dispergert i en ytre kontinuerlig fase av en olje/vannblanding.

Den laveste cut-off-frekvensen til en sirkulær bølgeleder er TE11 med:

Li<g>nin<g> 5:

hvor:

fe Cut-off-frekvens

r = Radius til røret

e Permittivitet (dielektrisk konstant) inne i

bølgelederen (røret)

u = Permeabilitet inne i bølgelederen (røret)

Under cut-off-frekvensen vil det elektriske feltet utbre seg som en plan bølge som illustrert i figur 6. Ved lite tap i røret og over cut-of f-f rekvensen fc er det elektriske feltet i røret i henhold til TEn som vist i figur 7. Når feltet i røret endrer seg fra en plan bølge til TEn, opp-står det en brå endring i fasedifferansen mellom antennene Rxl og Rx2 i figur 9. Denne faseendringen er illustrert i figur 8. Ved å sende ut et frekvenssveip på sendeantennen Txl og måle frekvensen av minst tre forhåndsbestemte fasedifferanser på de to mottagende antennene, kan frekvenslokasjonen (målt frekvens) på faseendringen mellom mottakerantennene måles. Denne frekvensen er et mål på cut-off-frekvensen fc til røret.

Ligning 5 kan omskrives som følger:

Lignin<g> 6; hvor:

fe Frekvens til elektromagnetisk bølge (cut-off-frekvens til TEu)

e = Permittivitet (dielektrisk konstant) inne i røret

k2 kan bestemmes ved å måle frekvensen fc med en kjent permittivitet inne i røret.

Med høyt tap inne i røret måles permittiviteten til flerfaseblandingen ved å sende ut et frekvenssveip på en av sendeantennene og måle frekvensen ved minst tre forhåndsbestemte fasedifferanser på mottakerantennene lokalisert med en avstand S og L fra sendeantennen. For frekvenser under cut-off-frekvensen til røret eller når tapet inne i røret er lavt, vil det elektriske feltet bevege seg som en plan bølge. Fasedifferansen mellom mottakerantennene representerer tiden det tar for den plane bølgen å bevege seg fra den ene til den andre antennen og kan bli beskrevet som:

Lignin<g> 7:

hvor:

AS = L-S (ref. fig. 12)

A6 & Fasedifferanse mellom mottakerantennene X a Bølgelengde

I henhold til plan-bølge-teori kan hastigheten til en elektromagnetisk bølge beskrives som:

Ligning 8:

hvor:

f a Frekvens til elektromagnetisk bølge X = Bølgelengde til elektromagnetisk bølge

e a Permittivitet (dielektrisk konstant) inne i røret u = Permeabilitet inne i røret

c = Hastighet til lys i vakuum

Siden frekvensen er målt ved forhåndsbestemte fasedifferanser, kan ligning 6 og 7 kombineres som vist nedenfor:

Lignin<g> 9:

hvor:

f = Frekvens til elektromagnetisk bølge e = Permittivitet (dielektrisk konstant) i røret

ki kan bestemmes ved å måle frekvensen ved fasedifferansen AØ med en kjent permittivitet inne i røret.

Permittiviteten inne i røret er målt i minst to retninger. Først sendes det på antenne Txl og mottas på antenne Rx2 og Rxl (figur 9) slik at permittiviteten i tverrsnittet av røret måles. Videre sendes det på Tx3 og mottas på Rx2 og Rx3 slik at permittiviteten i lengderetningen av røret måles.

Det er også mulig å måle permittiviteten ved å sende på Tx3 og motta på Rxl og Rx2 slik at man foretar en måling som er delvis i lengderetningen og delvis i tverrsnittet av røret.

Effekten av annulær strømning på de målte responsene i

tverrsnittet kan forklares som følger. Når flerfaseblandingen er homogent blandet vil fasedifferansen vs. frekvens være tilnærmet lineær. Annulær strømning virker forstyrrende på symmetrien mellom L- og S-retningen, med utgangspunkt i sendeantennen, og medfører at fasekurven krummer mer. Antennene i lengderetningen er betydelig mindre påvirket av annulær strømning (figur 14) siden symmetrien er opprettholdt også ved annulær strømning. Ved å måle frekvensen ved flere forhåndsbestemte fasedifferanser er det mulig å både detektere og kompensere for effekten på målingene.

Eksperimentelle data har vist at effekten på målingene er relatert til stigningen (d6/df) til fasedifferansen. En metode for å kompensere for feilen introdusert av annulær strømning er å først trene et nevralt nettverk til å gjen-kjenne tilstedeværelse av annulær strømning. Et andre nevralt nettverk kan i neste omgang bli trenet til å kompensere feilen i målingene som vist i figur 15. Figur 13 og 14 illustrerer en typisk respons fra antennene ved annulær strømning. Fra figur 14 fremgår det at frekvens ved gitte fasedifferanser skifter til en høyere verdi når volumet av annulær strømning t% av totalt volum] øker. Responsen er forutsigbar over hele konduktivitetsområdet. Antennene i tverrsnittet av røret oppfører seg vesentlig annerledes som vist i figur 13. For små mengder av annulær strømning er oppførselen tilsvarende som i lengderetningen. Derimot, for økende volum av annulær strømning, oppfører stigningen til kurven og frekvensen til fase punktene seg vesentlig annerledes i forhold til antennene i lengderetningen.

Tilstedeværelse av annulær strømning kan også måles ved å måle tap i lengderetningen og tverrsnittet av røret. Først sendes det på Txl og mottas på Rx2 og Rxl for å måle det relative tapet i tverrsnittet av røret. Deretter sendes det på Tx3 og mottas på Rx2 og Rx3 for å måle det relative tapet i lengderetningen av røret. Det er også mulig å ut-føre en måling av permittiviteten ved å sende på Tx3 og motta på Rxl og Rx2 og dermed foreta en måling som ligger mellom tverrsnittet og lengderetningen av røret.

Ved annulær strømning (gasskonsentrasjon i midten av røret), vil målingen i lengderetningen være ulik målingen i tverrsnittet av røret. Målingen må utføres slik at røret ikke oppfører seg som en bølgeleder. En måte å oppnå dette på er ved å velge en målefrekvens som er lavere en cut-off-frekvensen for TEn.

Måling av gammastråleabsorbsjon er en vanlig teknikk for måling av tetthet. Denne teknikken utnytter at absorbsjon av fotonstråling i et hvilket som helst materiale i røret kan uttrykkes ved følgende formel:

Ligning 10:

hvor:

N0 = Tellerate for tomt rør (stråling)

N = Målt tellerate (stråling)

M = Strålings-masseabsorbsjonkoeffisient for materialet inne i røret.

d = Lengde gjennomstrålt materiale i tverrsnittet av

røret.

p = Tetthet til materialet inne i røret

Ved å måle telleraten til et medium som har en kjent masse-absorbsjonskoeffisient som for eksempel ferskvann, kan parameter d bli bestemt i henhold til ligning 11:

Lignin<g> 11:

hvor :

N0 = Tellerate i tomt rør (stråling)

Nfresh-water = Målt tellerate (stråling) med ferskvann i

røret

Ufreoh-water Strålings-masseabsorbs jonskoef f isient for

ferskvann

d = Lengde gjennomstrålt materiale i tverrsnittet

av røret.

<p>fresh-water = Tetthet til ferskvann

Siden tetthetsmålingen ikke dekker hele tverrsnittet av røret, forutsetter målingen en homogen blanding i tverrsnittet av røret. Dekningsområdet i et 2" rør med en vanlig tilgjengelig gammastråle tetthetsmåler er vist i figur 16. 70-80% dekning kan normalt oppnås ved optimal arrangering av detektor og kilde.

I et 6" rør derimot, fig 17, er det vanskelig å oppnå mer enn 30 % dekning i tverrsnittet av røret. Hvis man derimot kjenner graden av gasskonsentrasjon i midten av røret, er det mulig å kompensere målingene for å oppnå en mer korrekt måling av væske- og gassforholdet i tverrsnittet. Kompensa-sjonsalgoritmen kan utvikles med utgangspunkt i en geomet-risk beskrivelse av det nukleære dekningsområdet inne i røret eller ved å benytte et nevralt nettverk trenet til å korrigere målingene.

En annen metode for å måle tetthet er å benytte en venturi. En hvilken som helst restriksjon i røret vil medføre has-tighetsendring av flerfaseblandingen og introdusere et trykkfall over innsnevringen. I henhold til teori for fluiddynamikk er kvadratroten av trykkfallet proporsjonalt med massestrømningen i røret. En venturi er en struktur hvor rørdiameteren gradvis reduseres mot en seksjon med en mindre diameter. Deretter økes diameteren gradvis tilbake til opprinnelig størrelse. Måling av massestrømning ved hjelp av venturi er beskrevet i ISO 5167-1.

I henhold til Bernoullis ligning, kan massestrømningen beregnes som:

Ligning 12:

hvor:

Qm Total massestrømningsrate

C = Utløpskonstant

e Ekspansjonskoeffisient

= Diameter forhold mellom venturi hals- og rørdia-meter

D = Rørdiameter

Ap = Målt trykkfall mellom innløp og venturihals

p = Tetthet til flerfaseblandingen

Trykkgjenvinningen ved utløpet av venturien vil være en

funksjon av massestrømningsraten, tetthet og kompressibiliteten til flerfaseblandingen. Når gassinnholdet i flerfaseblandingen er høyt, vil trykkgjenvinningen ved utgangen av venturien være høyere i forhold til trykkgjenvinningen ved lavt gassinnhold. Ved å kombinere ligning 12 med en måling av trykkgjenvinning ved utgangen av venturien, vil det være

mulig å få en mer nøyaktig måling av tettheten til flerfaseblandingen .

Ligning 1-12, sammen med nevrale nettverksbaserte korrek-sjons funksjoner, kan på en iterativ måte benyttes til å beregne olje, vann og gass masse- og volumstrømningsrater.

Claims

1. Fremgangsmåte for å bestemme strømningsratene til en flerfaseblanding omfattende en gass og minst en væske i et rør, hvilken fremgangsmåte omfatter følgende trinn: a. elektromagnetiske tap- og fasemålinger utføres i minst to retninger av røret, b. graden av annulær strømning beregnes basert på målingene i trinn a, c. permittiviteten av flerfaseblandingen beregnes basert på resultatet i trinn a og b inkludert korreksjon relatert til graden av annulær strøm-ning, d. flerfaseblandingens tetthet måles og kompenseres for graden av annulær strømning, e. temperatur og trykk måles, f. hastighet av væske og gass måles, og g. basert på kjennskap til tetthet og permittivitet av de individuelle komponentene av flerfaseblandingen, og resultatet fra trinnene a-f ovenfor, beregnes volum- og massestrømningsratene av gass-og væskekomponentene.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor komposisjonen av flerfaseblandingen også blir beregnet.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor de elektromagnetiske målingene utføres i tverrsnittet og lengderetningen av røret.

4. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-3, hvor de elektromagnetiske målingene utføres ved å gjennomføre et frekvenssveip på en sendeantenne i flerfasestrømmen og hvor frekvensen måles ved minst tre forhåndsbestemte fasedifferanser ved to mottakerantenner i flerfasestrømmen.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, hvor man i trinn b bestemmer graden av annulær strømning basert på distribusjonen av de målte frekvensene.

6. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-4, hvor man i trinn b bestemmer graden av annulær strømning basert på minst to målinger av permittiviteten av flerfaseblandingen, som igjen er ulikt påvirket av graden av annulær strømning.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, hvor man i trinn b bestemmer graden av annulær strømning basert på måling av differensielt tap mellom mottakerantennene.

8. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-7, hvor hastigheten av væske og gass måles ved å krysskorrelere målinger foretatt ved to antennesett i flerfaseblandingen lokalisert med en kjent avstand fra hverandre.

9. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-8, hvor tettheten av flerfaseblandingen måles ved å benytte gammastråleabsorbsjonsteknikker.

10. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-8, hvor tettheten av flerfaseblandingen måles ved å benytte en venturi.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, hvor trykkgjenvinningen over utløpet av en venturi måles.

12. Strømningsmåler for å bestemme strømningsratene for en flerfaseblanding bestående av en flerkomponent blanding av en gass og minst en væske i et rør, hvilken strømningsmåler består av en rørformet seksjon og følgende elementer: a. middel for måling av elektromagnetisk tap og fase i minst to retninger av rørseksjonen, b. middel for å måle graden av annulær strømning basert på målingene i trinn a, inkludert en egnet data-modell, c. en datamaskin og et matematisk program for beregning av permittiviteten av flerfaseblandingen basert på resultatene fra trinn a og b, inkludert korreksjon relatert til graden av annulær strømning, d. middel for bestemmelse av flerfaseblandingens tetthet, inkludert korreksjon relatert til graden av annulær strømning, e. middel for bestemmelse av hastighet av væske(r) og gass, f. middel for bestemmelse av temperatur og trykk, og g. middel for beregning av volum- og massestrømnings-rater for gass og væske(r) i flerfaseblandingen basert på elementene a-f og kjennskap til tetthet og permittivitet av de individuelle komponentene av flerfaseblandingen.

13. Strømningsmåler i henhold til krav 12, hvor rørseksjo-nen omfatter en sendeantenne og to mottakerantenner i det samme tverrsnittet av rørseksjonen, og en sendeantenne og to mottakerantenner lokalisert i lengderetningen av rør-seksjonen.

14. Strømningsmåler i henhold til krav 13, omfattende elektronisk middel for å sende ut et frekvens-sveip på en sendeantenne og samtidig måle fasedifferanse og tap for frekvens-sveipet på to mottakerantenner.

15. Strømningsmåler i henhold til krav 14, omfattende middel for å beregne graden av annulær strømning basert på den målte fasedifferansen og/eller tapet.

16. Strømningsmåler i henhold til krav 14, omfattende middel for å beregne graden av annulær strømning basert på måling av permittivitet i tverrsnittet og lengderetningen av rørseksjonen.

17. Strømningsmåler i henhold til hvilket som helst av kravene 13-16, omfattende middel for beregning av hastigheten av væske og gass ved å krysskorrelere målinger utført ved to antennepar plassert ved to ulike tverrsnitt av rør-seksjonen separert med en kjent avstand fra hverandre.

18. Strømningsmåler i henhold til krav 12-17, omfattende en tetthetsmåler basert på måling av gammastråleabsorbsjon i flerfaseblandingen.

19. Strømningsmåler i henhold til krav 17, omfattende middel for å beregne tettheten av flerfaseblandingen basert på måling av trykkfall over en venturi.

20. Strømningsmåler i henhold til krav 19, omfattende middel for å måle trykkgjenvinning i utløpet av en venturi.