NO323451B1 - Fremgangsmåte og apparat for å bestemme konduktivitet og volumtraksjon av vann i en flerkomponentblanding - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for å bestemme ledningsevnen i vann og vannandelen i en multikomponent-blanding av vann og i tillegg minst én væske eller gass i et rør,. idet fremgangsmåten omfatter følgende trinn:. a. elektromagnetiske fasemålinger på minst to målefrekvenser, utført mellom to mottaantenner plassert i forskjellig avstand fra en sendeantenne, b. basert på empirisk fastsatt(e) konstant(er) og målingene ovenfor bestemmes den reelle og imaginære dielektrisitetskonstanten, c. temperatur og trykk bestemmes, d. basert på kjennskap til den reelle og imaginære dielektrisitetskonstanten for komponentene i fluidblandingen og resultatet av trinnene a-c ovenfor, bestemmes ledningsevnen for vannet og/eller volumandelen av vannet.En innretning for å utføre fremgangsmåten er også beskrevet.

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og en innretning for måling av ledningsevne i vann og volumandel av vann i en multifaseblanding i et rør. Oppfinnelsen er basert på måling av den komplekse dielektrisitetskonstanten i multifaseblandingen. Den komplekse dielektrisitetskonstanten bestemmes ved å måle bølgefasekonstanten p for en plan elektromagnetisk bølge som forplanter seg nær inner-veggen i røret. Måling av P er basert på måling av faseforskjellen mellom to mottaantenner inne i røret, plassert på ulike avstander fra en tredje sendeantenne. Fasemålingen blir utført ved minst to frekvenser i området mellom 10 MHz og 10 GHz.

Fremgangsmåte og innretning er spesielt egnet for målinger med høy presisjon av ledningsevnen i vann og av volumandelen av vann i et strømmende fluid av hydrokarboner dispergert i en kontinuerlig vannfase. Oppfinnelsen kan for eksempel brukes til å måle volumandelen og ledningsevnen av en tofase blanding av olje og vann som flyter i et rør, der oljen er dispergert i en kontinuerlig vannfase. Et annet eksempel er bestemmelse av vannets ledningsevne for vannfasen i en multifaseblanding som inneholder olje, gass og vann, der oljen og gassen er dispergert i en kontinuerlig vannfase.

En strømmende blanding av olje, vann og gass eller av kondensat, vann og gass forekommer gjerne i oljeindustrien,

idet den er et produkt av en ubehandlet brønnstrøm. En slik brønnstrøm betegnes ofte som en multifaseblanding der olje, vann og gass betegnes som individuelle faser eller andeler. Ledningsevnen for vannfasen, ofte kalt saliniteten av vannet, kan påvirke målenøyaktigheten i målesystemer som brukes til å måle karakteristiske data for blandingen, slik som en multifase strømningsmåler for måling av volumet av olje, vann og gass og/eller strømningshastighet for massen. Det er derfor vanlig at slike instrumenter nytter ledningsevnen eller saliniteten i vannfasen som en kalibrerings-/konfigurerings-parameter. I mange tilfeller er ledningsev-

nen i vannet ukjent. Vannet i strømningsledningen kan for eksempel være basert på den samblandede produksjonen av mange brønner med ulike vannsaliniteter eller en brønn med multiple produksjonssoner der hver sone har forskjellig

vannsalinitet. I andre tilfeller kan sjøvann, ferskvann eller damp være injisert i reservoaret for å øke brønnproduk-sjonen, hvilket også medfører at saltholdigheten i vannet i reservoaret og brønnene endrer seg over tid. Under slike

forhold er det ofte vanskelig eller nesten umulig å oppnå en pålitelig verdi for ledningsevnen i vannet over tid. For undersjøiske (havbunn-) installasjoner er det vanskelig og kostbart å oppnå en prøve fra den aktuelle posisjonen for å analysere ledningsevnen i vannfasen.

Et multifase-strømningsmåleinstrument i henhold til nærværende oppfinnelse er i stand til å måle ledningsevnen og saliniteten i vannandelen og derved skaffe pålitelige målinger av strømningshastighetene for olje, vann og gass, også når det gjelder brønner eller samblandede strømnings-ledninger med vannsalinitet som endrer seg over tid.

Nærværende oppfinnelse kan også brukes til å bestemme volumandelen av vann og ledningsevnen i vannet eller saliniteten av en tofaset olje-vann-blanding der vannet er i den kontinuerlige fasen. Dette er en strømningstilstand som vanligvis oppstår i hydrokarbon-prosessanlegg og oljetrans-port-rørledninger. En innretning for å måle vannvolumandelen i en olje/vann-blanding blir ofte kalt et vannanalysa-torinstrument eller watercut-meter. Mange slike instrumenter er basert på ledningsevnen i vannet som kalibreringskonstant. I mange anvendelser er ledningsevnen i vannet ukjent, fordi vannet i strømningsledningen kan være basert på den samblandede produksjonen av mange brønner med forskjellig vannsalinitet. Følgelig kan målingen av vannvolumandelen være feilaktig. En vannanalysator basert på nærværende oppfinnelse vil levere pålitelige målinger av vannvolumandelen uavhengig av eventuelle endringer i vannets ledningsevne .

Mikrobølger er i utstrakt bruk til måling av sammensetning og vannsalinitet hos en multifaseblanding. Patent US 4,458,524 (1984) beskriver et multifase-strømningsinstrument som måler dielektrisitetskonstanten, egenvekt, temperatur og trykk. Slike innretninger nytter faseforskjellen mellom signalet fra to mottaantenner til å bestemme dielektrisitetskonstanten. Andre teknikker er også kjent som er basert på måling av resonansfrekvens. Eksempler på slike teknikker er beskrevet i WO3/034051 og US 6,466,035. US 5,103,181 beskriver en fremgangsmåte basert på måling av konstruktive og destruktive interferensmønstre i røret.

Imidlertid er ingen av fremgangsmåtene beskrevet ovenfor i stand til å måle den komplekse dielektrisitetskonstanten slik at en kan bestemme vannsaliniteten i multifaseblandingen.

Det er velkjent at den komplekse dielektrisitetskonstanten for et medium kan måles ved å måle faseforskyvning og dempning av en elektromagnetisk bølge gjennom mediet. US 4,902,961 beskriver en fremgangsmåte for måling av kompleks dielektrisitetskonstant basert på måling av faseforskyvning og effektdempning. Målingen blir utført ved to ulike (fas-te) frekvenser, den ene i X-båndet, den andre i S-båndet. Andre eksempler er å finne i NO 200 10 616 som beskriver en fremgangsmåte for å måle ledningsevne i vann av kontinuerlig fase i en multifaseblanding, basert på måling av effekt og fase på mikrobølgefrekvenser, mens US 5,341,100 beskriver en fremgangsmåte og innretning for måling av fluid-ledningsevne og hydrokarbonvolum basert på måling av faseforskyvning og dempning (effekt) av en elektromagnetisk bølge, og US 5,107,219 beskriver en fremgangsmåte og innretning for måling av ledningsevne hos et fluid basert på måling av mikrobølgeenergi (effekt/tap) og faseforskjell.

Hovedmanglene ved fremgangsmåtene og innretningene som er beskrevet ovenfor er begrenset nøyaktighet og evne til å måle små variasjoner, siden de forutsetter en nøyaktig måling av effekt eller tap. Nøyaktig måling av effekt og tap på mikrobølgefrekvenser er vanskelig å utføre, dels på grunn av impedans-mistilpasning, noe som er svært vanlig for hvilken som helst industriell innretning som er basert på måling av dielektrisitetskonstant, dels på grunn av be-grensninger i selve elektronikken. Følgelig gjør begrens-ningene i måleelektronikken og stående bølger som følge av impedansmistilpasning det vanskelig å oppnå den nødvendige nøyaktighet, repeterbarhet og følsomhet for nøyaktig måling av andel og/eller vannsalinitet/ledningsevne.

NO 20043470 beskriver en fremgangsmåte og innretning for å

bestemme vannsalinitet basert på fasemåling(er) alene. Denne fremgangsmåten kan imidlertid ikke brukes for strømmende fluid av hydrokarboner dispergert i en kontinuerlig fase av salint vann.

Unikheten ved nærværende oppfinnelse er evnen til å skaffe nøyaktige og repeterbare målinger av den komplekse dielektrisitetskonstanten og evnen til å måle små endringer i den komplekse dielektrisitetskonstanten uten behovet for å ut-føre måling av effekt og/eller tap. I stedet blir den komplekse dielektrisitetskonstanten målt basert på en diffe-rensiell måling av fase utført på minst to ulike frekvenser. Meget nøyaktige målinger av den komplekse dielektrisitetskonstanten kan utføres fordi fasen er langt mindre påvirket av impedans-mistilpasning enn tilfellet er ved måling av effekt/tap. Dessuten vil eventuelle avvik i banene for sensor, kabel og elektronisk måling lett kunne fjernes ved å bruke samme fysiske lengde i begge banene. Følgelig er nærværende oppfinnelse langt mindre utsatt for målefeil når det gjelder effektvariasjoner i frekvensspekteret og stående bølger (rippel) i arrangementet av sensor/antenne-måleelektronikk sammenliknet med teknikker basert på måling av elektrisk effekt og/eller elektrisk tap. Fremgangsmåten er særlig egnet til å utføre nøyaktige målinger av vannets ledningsevne og/eller volumandel i et strømmende fluid av hydrokarboner dispergert i en kontinuerlig vannfase.

Det er hensikten med nærværende oppfinnelse å skaffe nøyak-tig måling av den komplekse dielektrisitetskonstanten.

Det er hensikten med nærværende oppfinnelse å utføre nøyak-tige målinger av saliniteten og/eller ledeevnen av vannfasen i en multifaseblanding.

Det er hensikten med nærværende oppfinnelse å utføre nøyak-tige målinger av saliniteten og/eller ledeevnen av vannfasen i en multifaseblanding ved anullær gasskonsentrasjon i røret.

Det er hensikten med nærværende oppfinnelse å utføre nøyak-tige målinger av vannvolumandelen i en multifaseblanding.

Det er hensikten med nærværende oppfinnelse å utføre nøyak-tige målinger av vannets ledeevne og/eller volumandel i et strømmende fluid av hydrokarboner dispergert i en kontinuerlig vannfase.

Fremgangsmåtene i henhold til nærværende oppfinnelse omfatter følgende trinn: a. elektromagnetiske fasemålinger ved minst to målefrekvenser blir utført mellom to mottaantenner plassert i forskjellig avstand fra en sendeantenne,

b. basert på empirisk bestemte konstant(er) og målingene ovenfor blir reell og imaginær dielektrisitetskonstant bestemt,

c. temperatur og trykk blir bestemt

d. basert på kunnskap om reell og imaginær dielektrisitetskonstant for komponentene i fluidblandingen og resultatet av trinnene a-c ovenfor blir ledeevnen i vann og/eller volumandelen av vann bestemt.

Innretningen i henhold til nærværende oppfinnelse er videre karakterisert ved egenskapene som er definert i det uav-hengige kravet 6.

Avhengige krav 2 - 5 og 7 - 8 definerer foretrukne utførel-ser av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil bli ytterligere beskrevet i det følgende, med henvisning til de vedlagte tegningsfigurene, der: Figur 1 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutfø-relse av en innretning for måling av vannvolumandelen og vannets ledningsevne i henhold til nærværende oppfinnelse, Figur 2 viser et skjematisk tverrsnitt langs linjen III-III på figur 1, Figur 3 viser et skjematisk bilde av en kompakt mekanisk enhet av antennene (probesammenstilling), Figur 4 viser en graf av den reelle delen av dielektrisitetskonstanten for vann, Figur 5 viser en graf av den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten for vann, Figur 6 viser en graf av den teoretiske fase-versus-frekvens-responsen for innretningen, Figur 7 viser en graf av den målte fase-versus-frekvens-responsen for innretningen, Figur 8 viser en graf av den teoretiske verdien av p/co versus frekvens for innretningen, Figur 9 viser en graf av den målte verdien av p/co versus frekvens for innretningen, Figur 10 viser en graf av den empirisk avledede korreksjonsfaktoren (multiplikasjonsfaktor), Figur 11 viser en graf av den målte vannandelen for et vidt område av ledningsevne i vannet og 5 ulike målefrekvenser for typisk strømmende fluid med en kontinuerlig vannfase og lav vannsalinitet, Figur 12 viser en graf av det beregnede standardavviket for vannandel versus ledningsevne i vannet for de 5 målefrekvensene på figur 11, Figur 13 viser en graf av den målte vannandelen for et vidt område av ledningsevne i vannet og 5 ulike målefrekvenser for typisk strømmende fluid med en kontinuerlig vannfase og høy vannsalinitet, Figur 14 viser en graf av det beregnede standardavviket for vannandel versus ledningsevne i vannet for de 5 målefrekvensene på figur 13, Figur 15 viser en graf av den målte ledningsevnen i vannet versus referanseledningsevnen i vann for et bredt område av vannsalinitet.

Nedenfor finnes et sammendrag av hovedelementene som inngår i bestemmelse av ledningsevnen av vannet og vannvolumandelen i multifaseblandingen.

1) En sendeantenne 1 og to mottaantenner 2 og 3 stikker litt inn i røret, som vist på figur 2. De to mottaantennene 2 og 3 er plassert i avstandene di 4 og d2 5 fra sendeantennen 1. Antennene 1, 2 og 3 kan være

utført som én enhet 21, som tilsvarer en kompakt må-leprobe, som vist på figur 3. Faseforskjellen mellom

antennene 2 og 3 blir målt for minst to frekvenser sendt fra sendeantennen 1. Forutsatt at det er tilstrekkelig tap inne i røret i området nær antennene, vil forplantning av den elektromagnetiske bølgen mellom sendeantennen og mottaantennene 2 og 3 følge teorien for forplantning av plane bølger. Basert på en fasemåling ved minst to frekvenser kan den reelle og imaginære delen av den komplekse dielektrisitetskonstanten for fluidet i røret bestemmes for minst to ulike verdier av den komplekse dielektrisitetskonstanten av vann, fordi den komplekse dielektrisitetskonstanten også er en funksjon av målefrekvensen.

2) Basert på en bestemmelse av temperatur og trykk og

kjennskap til den komplekse dielektrisitetskonstanten for vann og hydrokarbon, blir vannandelen beregnet for alle målefrekvenser for et bredt område av mulige led-ningsevner for vann. 3) Verdien av ledningsevne for vann som fører til samme måling av vannvolumandel for alle målefrekvensene i punkt 3 blir bestemt, og utgjør et mål for ledningsevnen i vannet inne i røret. 4) Midlere verdi for vannvolumandel for alle målefrekvensene blir beregnet ved bruk av verdien for vannets ledningsevne som ble funnet i punkt 3. Dette represen-terer et mål på vannvolumandelen inne i røret.

Grunnlovene for elektromagnetiske bølger som forplanter seg i et tapsbeheftet medium er godt beskrevet i litteraturen (f.eks. Fields and Waves in Communication Electronics av S. Ramo, J.R. Winnery og T.V. Duzer). Den generelle likningen for det elektriske feltet i en positivt vandrende elektromagnetisk bølge der x- og y-komponentene av det elektriske feltet vandrer i retningen z, kan beskrives ved følgende likning:

Likning 1:

der:

E = elektrisk feltvektor

Ei = elektrisk felt i x-retning

E2 = elektrisk felt i y-retning

\|/ = fasevinkel mellom x- og y-komponenten

k = fasekonstant eller bølgetall

For en elektromagnetisk bølge som forplanter seg i et tapsbeheftet medium slik som en blanding av olje og/eller gass dispergert i vann, blir bølgetallet k et komplekst tall som vist i likning 2 nedenfor.

Likning 2:

der:

a = bølgedempningskoeffisient

P = bølgefasekonstant

Den eksponensielle forplantningsfaktoren for fasorbølger, e~<jkz>, fra likning 1 blir da:

Likning 3:

der a og P kan beregnes i henhold til likning 4 og 5 nedenfor :

Likning 4:

Likning 5:

der:

8' = reell del av den komplekse dielektrisitetskonstanten for mediet

e" = imaginær del av den komplekse dielektrisitetskonstanten for mediet

co = vinkelfrekvens

H = permeabilitet i mediet

Likning 6:

For luft, gass, olje og kondensat er den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten for alle praktiske formål lik null. For vann gjelder at den komplekse dielektrisitetskonstanten kan beskrives ved en enkelt Debye relakse-ringslov som følger:

Likning 7:

der:

Svann = kompleks dielektrisitetskonstant for vann

ex = dielektrisitetskonstant ved uendelig frekvens es = statisk dielektrisitetskonstant

co = vinkelfrekvens

Svann = ledningsevne for vann

e0 = Bolzmanns konstant

Likning 7 kan omarrangeres for beregning av den reelle (s' ) og imaginære (e") delen av dielektrisitetskonstanten for vann, som vist i lokning 8 og 9 nedenfor:

Likning 8:

Likning 9:

der:

es = statisk dielektrisitetskonstant

eoo = dielektrisitetskonstant ved uendelig frekvens Svann = ledningsevne for vann

t = dipol-relaksasjonstid

co = vinkelfrekvens

80 = Bolzmanns konstant

Målinger av og likninger for den statiske dielektrisitetskonstanten for vann, dipolrelaksasjonstiden og dielektrisitetskonstanten ved uendelig frekvens er godt beskrevet i litteraturen. Noen eksempler finnes i J.B. Hasted, som har utføret en kritisk gjennomgang av tilgjengelige data i Aqueous Dielectrics (1973). Nyere data er publisert av Udo Kaatze i J. Chem. Eng. Data, 1989 p371- 374 og Meissner og Wentz i Report from Boeing/ AER Investigation for CMIS.

Det foreligger også bevis på at den statiske dielektrisitetskonstanten for vann, dipolrelaksasjonstiden og dielektrisitetskonstanten ved uendelig frekvens i tillegg er avhengig av saliniteten av vannet. Den statiske dielektrisitetskonstanten for vann, dipolrelaksasjonstiden og dielektrisitetskonstanten ved uendelig frekvens for ferskvann kan så bli multiplisert med en vannsalinitetsavhengig korreksjonsfaktor for å finne verdiene for ss, ew og t for salint vann. Noen eksempler på likningene for korreksjonsfaktor for vannsalinitet for es, 8oo og t er publisert av Meissner og Wentz i Report from Boeing/ AER Investigation for CMIS side 17 og i J.B. Hasted: Aqueous Dielectrics (1973)

Figur 4 viser en graf av den reelle delen av dielektrisitetskonstanten for salint vann (NaCl salt) ved 25 °C i henhold til likning 8 med en salinitet på 1 %, 5 %, 10 % og 20 % NaCl etter vekt 10 11 12 13. Figur 6 viser en graf av den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten for salint vann ved 25 °C i henhold til likning 9 med en salinitet på 1 %, 5 %, 10 % og 20 % NaCl etter vekt 10 11 12 13 plottet på samme skala som figur 4. Ved å sammenlikne figur 4 og 5 fremgår det at verdien av den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten av salint vann er meget mer påvirket av en endring i salinitet eller frekvens, sammenliknet med den reelle delen av dielektrisitetskonstanten.

Den effektive dielektrisitetskonstanten for et materiale er definert som:

Likning 10:

der:

8' = reell del av dielektrisitetskonstanten

e" = imaginær del av dielektrisitetskonstanten

I blandingsmodeller blir den dielektriske permittiviteten for en multifaseblanding uttrykt ved dielektrisitetskonstanten for hver enkelt inngående komponent og dennes volumandel. Flere inngående gjennomganger av dielektriske blandingsmodeller er publisert i litteraturen (van Beek 1967, Tinga et al. 1973, Wang & Schmugge 1980, Shutko & Reutov 1982, Hallikainen et al. 1985, Sihlova 1989). Hanai-Bruggeman-likningen som opprinnelig ble utledet av Brugge-man (1935) og senere modifisert av Hanay (1936) til å gi komplekse dielektrisitetskonstanter, relaterer dielektrisitetskonstanten for en tokomponentblanding til volumandelene av komponentene. Dersom tokomponentblandingen er smådråper som en indre fase, dispergert i et kontinuerlig medium av en ytre fase, blir likningen:

Likning 11:

der: sindre = dielektrisitetskonstant for den indre fasen

(dispergert fase)

Sytre = dielektrisitetskonstant for den ytre fasen

(kontinuerlig fase)

Sbiand = dielektrisitetskonstant for blandingen

<t>indre = volumandel av indre fase (dispergert fase)

<t>ytre = volumandel av ytre fase (kontinuerlig fase)

Følgelig kan en beregne volumandelen av vann og hydrokarbon ved å måle dielektrisitetskonstanten av de enkelte komponentene i blandingen, slik som vann og hydrokarbon.

Dielektrisitetskonstanten av vann er en funksjon av blant annet vannets ledningsevne og målefrekvensen. Fordi vannandelen er uavhengig av både vannets ledningsevne og målefrekvensen, kan imidlertid vannets ledningsevne bli bestemt ved å utføre en vannandelsmåling ved minst to ulike målefrekvenser og justere vannets ledningsevne fra likning 9 inntil vannandelen som beregnes i henhold til likning 11 gir samme verdi ved alle målefrekvenser.

En måte å oppnå en vannandelsmåling på som kan utføres ved en vilkårlig forhåndsfastsatt frekvens, er å bruke en innretning som vist på figur 1.

Innretningen inneholder et rør 7 med et strømmende fluid som inneholder vann og hydrokarboner. Strømretningen er an-gitt med en pil 8. Temperatur og trykk 6 blir målt av kom-penseringshensyn, men for resten av denne gjennomgangen blir disse målingene ignorert. En sendeantenne 1 og to mottaantenner 2 og 3 stikker litt inn i røret, som vist på figur 2. De to mottaantennene 2 og 3 er plassert i avstander di 4 og d2 5 fra sendeantennen 1. Antennene 1, 2 og 3 kan utføres som én enhet 21, som tilsvarer en kompakt målepro-be, som vist på figur 3. Antennene 1, 2 og 3 kan støpes inn i et dielektrikum 9 slik som en glassfylt keramisk form. Optimal dimensjon for di er i området 8-12 mm, og for d2 vil optimal dimensjon typisk være det dobbelte av dimensjo-nen til di. Antennene vil typisk stikke noen få mm inn i røret. Faseforskjellen mellom antennene 2 og 3 blir målt ved minst to frekvenser sendt fra sendeantennen 1. Frekvensene bør også velges slik at det er tilstrekkelig forskjell på den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten mellom den høyeste og den laveste frekvensen, slik at hellingen i kurven for vannandel versus ledningsevne, som vist på figur 11 og 13, har tilstrekkelig endring til å oppnå nødvendig følsomhet ved beregningen av standardavvik av vannandel på figur 12 og 14. Frekvensene blir typisk valgt i området 500 til 5000 MHz, men frekvenser i området 10 MHz til 10 GHz kan brukes. Forholdet mellom den laveste og høyeste frekvensen vil være avhengig av valget av målefrekvenser og ytelsen av måleelektronikken. For de fleste anvendelser vil et forhold på to mellom høyest og lavest frekvens være tilstrekkelig. Forutsatt at det finnes tilstrekkelig tap inne i røret i området nær antennene, vil bølgen som forplanter seg mellom sendeantennen 1 og mottaantennene 2 og 3 følge teorien for plane bølger. I denne sammenhengen vil tilstrekkelig tap typisk angi en kontinuerlig multifase blanding der ledningsevnen i vannet ved den gitte temperaturen overstiger om lag 15 mS/cm. En ledende vannfilm langs rør-veggen, hvilket ofte oppstår i våtgassbrønner, kan også gi tilstrekkelig tap slik at bølgen som forplanter seg mellom sendeantenne og mottaantenner følger teorien for plane bøl-ger .

I henhold til teorien for plane bølger kan faseforskjellen mellom mottaantennene 2 og 3 beskrives som:

Likning 12:

der:

Acp = f asef orskj ellen mellom mottaantennene 2 og 3

P = bølgefasekonstant (se likning 5)

ki = d2 - di

di = avstand fra sendeantenne 1 til mottaantenne 2

d2 = avstand fra sendeantenne 1 til mottaantenne 3

Ved å måle f asef orskj ellen Acp og å kjenne verdien av ki for systemet, kan bølgefasekonstanten p fra sendeantenne til mottaantenne bestemmes. Siden p også er en funksjon av frekvensen (co), kan x være en mer praktisk måleparameter, som når det gjelder nærværende patentsøknad defineres som:

Likning 13:

der:

P = bølgefasekonstant (se likning 5)

co = vinkelfrekvens (rad)

X kan så beregnes fra den målte faseforskjellen, målefrekvensen og verdien av ki i henhold til likning 14 nedenfor:

Likning 14:

Ved å kombinere likningene 5, 12, 13 og 14 får en følgende likning for den reelle { e' ) og imaginære (e") delen av dielektrisitetskonstanten inne i røret.

Likning 15:

Figur 6 viser den teoretiske faseforskjellen ved mottaantennene for en plan bølge som forplanter seg fra sendeantennen til mottaantennene for k± = 0,008. Faseforskjellen blir beregnet i et frekvensområde fra 0,1 til 3500 MHz med en vannandel på 1,0 og en vannsalinitet på 1 %, 1,75 %, 2,5 %, 5 %, 7 %, 9 % og 15 % salt (NaCl) 14 15 16 17 18 19 20 etter vekt. Figur 7 viser den tilsvarende målte faseforskjellen for innretningen på figur 1 med tilsvarende verdier for k± og vannsalinitet. Figur 8 viser den teoretiske verdien av x (dvs. beta/co) for et frekvensområde på 750 MHz til 3500 MHz med en vannsalinitet på 1 %, 1,75 %, 2,5 %, 5 %, 7 %, 9 % og 15 % salt (NaCl) 14 15 16 17 18 19 20 etter vekt, og figur 9 viser den tilsvarende målte verdien av x f°r innretningen på figur 1 med tilsvarende verdier for k± og vannsalinitet.

Som det fremgår av figurene 7 og 8 stemmer de teoretiske og de målte verdiene godt overens ved frekvenser over, la oss si 2000 MHz for alle vannsalinitetene og stort sett over hele frekvensområdet når det gjelder høyere vannsalinitet. For lavere vannsalinitet og når målefrekvensen blir redu-sert under 2000 MHz, avviker den målte verdien av x fra den teoretiske verdien av %, under antakelse av plane bølger som forplanter seg mellom sende- og mottaantenne. Dette avviket skyldes bølgeledermodus inne i røret som bryter med forutsetningen med rent plane bølgeforplantning mellom sende- og mottaantenne.

Dette avviket mellom målt og teoretisk verdi for x kan imidlertid korrigeres ved å bruke en korreksjonsfaktor

(Multiplikasjonsfaktor) som er avhengig av vannsalinitet eller ledningsevne. Den salinitet- eller ledningsevne-avhengige multiplikasjonsfaktoren kan utledes empirisk ved å måle faseforskjell som funksjon av frekvens for et kjent sett av vannsaliniteter, som beskrevet nedenfor.

Figur 10 viser en graf av korreksjonsfaktoren (Multiplika-sj onsf aktor) som er funnet ved å dividere de målte verdiene med de teoretiske verdiene av % for vannsaliniteter på 1 %, 1,75 %, 2,5 %, 5 %, 7 %, 9 % og 15 % salt (NaCl) 14 15 16 17 18 19 20 etter vekt, og et frekvensområde på 750 MHz til 3500 MHz. Korreksjonsfaktoren er en funksjon av frekvens og vannsalinitet og kan beregnes for en vilkårlig kombinasjon av frekvens og vann-ledningsevne ganske enkelt ved å inter-polere mellom grafene.

Ved å bruke Multiplikasjonsfaktoren til å korrigere målingen, blir den målte verdien av % :

Likning 16:

der:

M(co,avann) = Multiplikasjonsf aktor, avhengig av frekvens og vann-ledningsevne

Acp = f asef orskj ellen mellom mottaantennene 2 og 3

ki = d2 - di

di = avstand fra sendeantenne 1 til mottaantenne 2

d2 = avstand fra sendeantenne 1 til mottaantenne 3

co = målefrekvens (rad)

Trinnene som er involvert ved bestemmelse av vann-ledningsevne og vann- (volum-)andel er listet nedenfor, idet trinnene som inngår for å temperatur- og trykk-kompensere målingene ignoreres: 1) Mål f asef orskj ellen Acp ved en f orhåndsf astsatt frekvens co

2) Anta en ledningsevne for vann avann på c?i

3) beregn Multiplikasjonsf aktor M(co, avann)

4) Beregn % i henhold til likning 16

5) Beregn imaginær del av dielektrisitetskonstanten (8") for mediet inne i røret i henhold til likning 9 6) Beregn reell del av dielektrisitetskonstanten { e' ) for mediet inne i røret i henhold til likning 15 7) Beregn den måte effektive dielektrisitetskonstanten for mediet inne i røret (8eff) i henhold til likning 10 8) beregn volumandelen av vann i henhold til likning 11 idet den indre fasen er hydrokarboner, ytre fase er vann og målt dielektrisitetskonstant er den effektive dielektrisitetskonstanten beregnet i trinn 7 ovenfor. 9) Gjenta trinnene 2-8 for et vidt område av vann-ledningsevne (<g>2, o3, <g>4, ... ) . Vann-ledningsevnen vari-erer typisk fra den laveste ventede vann-ledningsevne til den høyeste ventede vann-ledningsevne for fluidet som flyter i røret i trinn på f.eks. 1-5 mS/cm 10) Gjenta trinnene 1-9 for en annen målefrekvens eller andre målefrekvenser.

Figur 11 viser den resulterende beregning av vannandel versus vann-ledningsevne for 5 forskjellige målefrekvenser beregnet i henhold til trinnene 1-10 med en trinnstørrelse på 1 mS/cm for en vann-ledningsevne på 29,1 mS/cm og vannandel på 1,0 inne i røret. Målefrekvensene som er brukt i dette

tilfellet er 800 MHz, 1100 MHz, 1500 MHz, 2100 MHz og 3400 MHz, henholdsvis 22 23 24 25 og 26. Av grafen på figur 12 fremgår det at vannandelmålingen har en forskjellig hel-ling versus vann-ledningsevne for de forskjellige målefrekvensene, og vannandelmålingene krysser ved en verdi på vann-ledningsevne på om lag 29 mS/cm. Dvs. for en vann-ledningsevne på 2 9 mS/cm er vannandelmålingen den samme for alle målefrekvensene, hvilket igjen gir en måling av vannandelen og vann-ledningsevnen. En kan også nytte statistis-ke metoder til å bestemme krysningspunktet eller punktet der spredningen i vannandelmålinger har en minimumsverdi. Eksempelvis kan en utlede en kurve slik som vist på figur 12 ved å beregne standardavviket mellom vannandelmålingene for hver verdi av vann-ledningsevne. Figur 12 viser en graf av det beregnede standardavviket mellom de beregnede vann-andelene for alle målefrekvensene. Som det fremgår av figur 12 har denne grafen et minimum omkring 2 9 mS/cm, som svarer til ledningsevnen i vannet. Én måte å bestemme plasseringen av minima for grafen på figur 12 på, er å tilføre en kurve-tilpasning (slik som en polynomkurvetilpasning av 5. orden) til det beregnede standardavviket versus vann-ledningsevne og å bruke en datamaskin til numerisk å finne minima på den kurvetilpassede funksjonen.

Figur 13 og 14 viser den målte vannandelen versus vann-ledningsevne for en vann-ledningsevne på 127,4 mS/cm (figur 13) og det beregnede standardavviket for vannandelmålingene versus vann-ledningsevne (figur 14). Som det fremgår av figur 14, har grafen et minimum omkring 127 mS/cm. Figur 15

viser den målte vann-ledningsevnen for et område av vann-ledningsevner.

På grunnlag av gjennomgangen ovenfor er følgende trinn involvert når det gjelder å bestemme vann-ledningsevne og vann- (volum-)andel: 11) Bestem ledningsevnen for krysningspunktet mellom de ulike vannandelsberegningene, alternativt bestem ledeevnen for minimumspunktet på standardavviks-kurven for vannandel versus vann-ledningsevne. Denne led-ningsevneverdien er et mål for ledningsevnen til vannet multifaseblandingen. 12) Beregn middelverdien for vannandelsmålingene for

alle målefrekvensene og vann-ledningsevnen fra trinn

11. Vannandelsbereningen kan utføres i henhold til

trinn 1-10 ovenfor ved å bruke vann-ledningsevnen som ble bestemt i trinn 11. Middelverdien for vannandel er et mål på vannandelen i multifaseblandingen.

Siden antennene befinner seg nær veggen, vil den målte vann-ledningsevnen og vannandelen være representative for vannandelsverdiene og vann-ledningsevneverdiene langs rør-veggen. Siden saltet i vannet er vel oppløst i vannet, vil vann-ledningsevnen være den samme over hele tverrsnittet av røret. For en tofase olje/vann-blanding kan vannandelen være ujevnt fordelt over rørtverrsnittet. For å oppnå en representativ måling av vannandelen i rørtverrsnittet, kan det være nødvendig med en innretning som blander eller ho-mogeniserer, oppstrøms for måleinnretningen.

Når det gjelder et multifase fluid som inneholder vann, olje og gass eller vann, kondensat og gass i oppoverstrøm-mende rørledninger, er det normalt en høyere konsentrasjon av gass i midten av røret, sammenliknet med mengden av gass langs rørveggen. Denne effekten kan kalles annulær gasskonsentrasjon. I ekstreme tilfeller vil stort sett all væske være fordelt som en ring langs rørveggen, mens all gassen flyter i midten av røret. Denne forekomsten kalles gjerne annulærstrøm. I annulærstrøm eller ved annulær gasskonsentrasjon vil målingen av vannandel ikke være representativ for vannandelen i hele tverrsnittet av røret, men vil re-presentere et mål på vannandelen nær rørveggen. Siden saltet i vannet er vel oppløst, vil imidlertid ledningsevnen i vannet være upåvirket av fordelingen av væske og gass i rørtverrsnittet.

Når en kjenner ledningsevnen i vannet er det mulig å bestemme saltinnholdet i vannet. Tabeller over ledningsevne versus saltinnhold finnes i CRC Handbook of Chemistry and Physics. Algoritmer for beregning av ledningsevne versus saltinnhold og temperatur finnes i Robinson and Stokes: Electrolyte Solutions (1959) og A.L. Horvarth: Handbook of Aqueous Electrolyte Solutions (1985).

Nærværende oppfinnelse kan brukes til å bestemme vannandel og vann-lednigsevne eller salinitet i en tofase olje-vann-blanding der vann er den kontinuerlige fasen som vanligvis forekommer i hydrokarbon-prosessanlegg og transport-rørledninger. Mange instrumenter for måling av vannandelen i en olje-vann-blanding er basert på vannets ledningsevne som en kalibreringskonstant. I mange anvendelser er vannets ledningsevne ikke kjent, fordi vannet i strømningsledningen er basert på den samblandede produksjonen fra mange brønner som kan ha vann av ulik salinitet. I andre tilfeller kan sjøvann, ferskvann eller dampinjeksjon inn i reservoaret endre saltinnholdet i brønnene over tid. Siden nærværende oppfinnelse måler både vannandelen og saliniteten av vannet, er målingen av vannandelen upåvirket av endringer i vannets salinitet, og salinitetsmålingen kan også nyttes til å identifisere plasseringen av det produserte vannet fra brønnen. Eksempelvis kan, når saliniteten av vannet i reservoaret og det injiserte vannet er kjent, mengden av injeksjonsvann og reservoarvann i det produserte vannet fra brønnen bestemmes.

Nærværende oppfinnelse kan også brukes til å bestemme vannets ledningsevne eller saliniteten i en multifaseblanding som inneholder gass i tillegg til vannandelen nær rørveggen i en multifaseblanding som inneholder gass. Vannets ledningsevne eller salinitet er typisk en kalibreringsparame-ter for de fleste multifasemåleinstrumentene. I mange anvendelser, særlig for undersjøiske/havbunns-installasjoner kan vannets ledningsevne være ukjent som følge av samblan-det strøm fra multiple brønner eller en brønn med multiple produksjonssoner der hver sone har forskjellig vannsalinitet. Under slike forhold kan det være vanskelig eller nesten umulig å oppnå en pålitelig verdi for vannets ledningsevne over tid. Følgelig vil kalibreringen av multifase strømningsmåler være feil, hvilket alvorlig vil kunne redu-sere nøyaktigheten av strømningshastighetsmålingene med strømningsmåleren. En multifase strømningsmåler som nytter nærværende oppfinnelse er i stand til å måle ledningsevne og salinitet av vannandelen og dermed skaffe pålitelige målinger av strømningshastighetene for olje, vann og gass, også for brønner med samblandede strømningsledninger med endringer i vannsaliniteten over tid.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for å bestemme ledningsevne av vann og vannvolumandel i en multikomponent-blanding av vann og minst én annen væske eller gass i et rør, idet fremgangsmåten omfatter følgende trinn: a. elektromagnetiske fasemålinger på minst to målefrekvenser, utført mellom to mottaantenner plassert i forskjellig avstand fra en sendeantenne, b. basert på empirisk fastsatt(e) konstant(er) og målingene ovenfor bestemmes den reelle og imaginære dielektrisitetskonstanten, c. temperatur og trykk bestemmes, d. basert på kjennskap til den reelle og imaginære dielektrisitetskonstanten for komponentene i fluidblandingen og resultatet av trinnene a-c ovenfor, bestemmes ledningsevnen for vannet og/eller volumandelen av vannet.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, idet de elektromagnetiske målingene blir utført i et frekvensområde mellom 10 MHz og 10 000 MHz.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, idet de elektromagnetiske fasemålingene blir utført nær rørveggen.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, idet den empirisk bestemte konstanten er en funksjon av ledeevnen i vannet og/eller av målefrekvensen.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, idet volumandelen av vann og vannets ledningsevne blir beregnet basert på sta-tistiske metoder.

6. Innretning for bestemmelse av vannets ledningsevne og volumandel i en multikomponentblanding av vann og minst én annen væske eller gass i et rør, idet innretningen omfatter en rørformet seksjon og følgende elementer: a. midler for å utføre elektromagnetiske fasemålinger mellom to mottaantenner plassert i forskjellig avstand fra en sendeantenne, på minst to målefrekvenser, b. en datamaskin og et matematisk program for å beregne de reelle og imaginære dielektrisitetskonstantene basert på ovennevnte målinger og minst én empirisk bestemt konstant, c. midler for å bestemme temperatur og trykk, d. midler for å beregne vannets ledningsevne og/eller volumandelen av vann i fluidblandingen, basert på kunnskap om den reelle og imaginære dielektrisitetskonstanten for komponentene i fluidblandingen og egenskapene a-c.

7. Innretning i henhold til krav 6, idet den rørformede seksjonen omfatter minst én sendeantenne og minst to mottaantenner plassert i stort sett samme område langs rørveg-gen.

8. Innretning i henhold til krav 7, idet den omfatter elektroniske midler for å sende minst to frekvenser over minst én sendeantenne av gangen og registrere fasedifferan-sen for frekvensene ved minst to mottaantenner.