NO326977B1 - Fremgangsmåte og innretning for måling av konduktiviteten av vannfraksjonen i en våtgass - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og innretning for måling av konduktiviteten av vannfraksjonen i en våtgass

Nærværende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og innretning for måling av vannkonduktiviteten i en flerfaseblanding av gass og minst én væske som inneholder vann i et rør.

En strømmende blanding av olje og gass eller av kondensat, vann og gass er en vanlig forekomst i oljeindustrien som et produkt av en ubehandlet brønnstrøm. En slik brønnstrøm blir ofte kalt en flerfaseblanding, hvor olje eller kondensat, vann og gass er kalt individuelle faser eller fraksjoner. Når gassmengden (GVF) er større enn 90 % av det totale volumet i røret, blir brønnen ofte kalt en våtgassbrønn. De fleste våtgasser har imidlertid en GVF på over 97 %, og det er vanlig med GVF-verdier i området 99,7-99,9 %.

Formasjonsvannet i hydrokarbonreservoaret er typisk saltvann, der saliniteten vanligvis er kjent for operatøren. Under normale forhold bør brønnen ikke produsere noe formasjonsvann. Formasjonsvannet i rørledningen kan faktisk forårsake hydrat- og skalldannelse i tillegg til alvorlig rørledningskorrosjon. Dersom mengden formasjons-og ferskvann (også kalt total vannfraksjon) i en brønn er velkjent for feltoperatøren, kan kjemiske inhibitorer injiseres i brønnstrømmen for å begrense de uønskede effektene som skyldes vannet. Alternativt kan produksjonshastigheten fra brønnen endres for å minimere eller redusere formasjonsvannproduksjonen eller stenge brønnen fullstendig for å skåne rørledningsinfrastrukturen. Det er spesielt interessant å måle formasjons- og ferskvanninnholdet i fjernstyrte undervannsbrønner siden kostnaden av rørledningene i en slik installasjon er betydelig. Det er vanlig for de fleste undervannsinstallasjoner å slå sammen brønner til en felles rørledning og transportere flerfasevæsken til en prosessinnretning. En slik prosessinnretning kan være plassert flere hundre kilometer fra hav-bunninstallasjonen som fører til lange flerfasetransportrør på havbunnen. Det kan følgelig ta mange måneder å påvise og identifisere en brønn som produserer saltvann uten en innretning som beskrevet i nærværende oppfinnelse installert ved brønnhodet på havbunnen. Dersom saltvannproduksjonen i en fjerntliggende undervannsbrønn er spesielt høy, kan det til og med være nødvendig å stenge brønnen for å unngå skade på rørledningsinfrastrukturen. Når man kjenner den totale vannfraksjonen (fraksjonen av formasjonsvann pluss ferskvann/kondensert vann) og vannsaliniteten, kan brønnens ferskvann- og formasjons vannfraksjon bestemmes, siden saliniteten av formasjonsvannet er kjent for operatøren. For å innfri feltoperatørens krav, kreves det et instrument for måling av i det minste vannkonduktiviteten/vannsaliniteten av brønnene. Vannfraksjonen kan enten beregnes basert på en sammensetningsanalyse av våtgassen og ved anvendelse av korrelasjoner for PVT (trykk, volum, temperatur) for beregning av vannfraksjonen, alternativt kan vannfraksjon måles som beskrevet i en av utførelsene av denne oppfinnelsen, noe som gir en mer nøyaktig bestemmelse av vannstrømningshastigheten. For å oppnå sikker og økonomisk drift av utstyret på havbunnen, må operatøren typisk kjenne vannfraksjonens saltinnhold med en oppløsning i området 0,1-0,5 vektprosent NaCl i vannfraksjonen, og våtgassens vannfraksjon med en oppoppløsning i området 0,01-0,1 % av rørets totale volum.

Mange våtgassbrønner har en gassfraksjon (GVF) på 97-99,9 % med en vannfraksjon i området 0,005-1 %. Det er imidlertid også vann til stede som damp i gassen. For endringer i trykk og temperatur kan noe av vanndampen i gassen være kondenserende og danne flytende vann. Massen av vanndamp i røret kan være mange ganger større enn massen av det flytende vannet i røret. I tillegg er dielektrisitetskonstanten for vanndamp vesentlig høyere (3-4 ganger) enn dielektrisitetskonstanten for den samme vannmassen som væskefase. Dielektrisitetskonstanten for en hydrokarbonblanding inneholdende vanndamp kan følgelig være 10-20 ganger større enn dielektrisitetskonstanten for en hydrokarbonblanding inneholdende den samme vannmassen som væske. Vanndamp er lite viktig for operatøren siden det ikke påvirker avskalling, voksing eller korrosjon av rørledningene i den samme utstrekning som saltvann. Kunnskap om den flytende vannfraksjonen og saltinnholdet av den flytende vannfraksjonen er som angitt ovenfor følgelig svært viktig, og vanndamp tilføyer således utfordringen av måling av den flytende vannfraksjonen og vannsaliniteten, siden forholdet mellom mengden av vann som væske og mengden av vann som damp også er trykk- og temperaturavhengig. Små variasjoner i trykket og temperaturen, forbundet med vekslende strømningshastigheter eller tilbaketrykk grunnet vekslende trykkfall i transportrørledningene kan følgelig i høy grad påvirke dielektrisitetskonstanten for hydrokarbonblandingen. Dielektrisitetskonstanten for gassen er normalt en kalibreringskonstant for instrumenter som utfører måling av vannfraksjonen av en våtgass. Dielektrisitetskonstanten for gass bestemmer nullpunktet av målingen av vannfraksjonen. Faseovergang fra flytende vann til vanndamp og vice versa påvirker vannfraksjonsmålingens nullpunkt, noe som gjør pålitelige målinger ved lave vannfraksjoner enda vanskeligere.

Mikrobølger blir i stor utstrekning brukt for måling av sammensetning og vannsalinitet av en flerfaseblanding. US 4 458 524 (1984) beskriver en flerfasestrømningsmåler som måler dielektrisitetskonstant, tetthet, temperatur og trykk. Slik innretning bruker fasedifferanse mellom to motta-antenner for å bestemme dielektrisitetskonstanten. Andre teknikker er dessuten kjent for å være basert på måling av resonansfrekvens. Eksempler på slik teknikk er beskrevet i W03/034051 og US 6466 035. US 5 103 181 beskriver en fremgangsmåte basert på måling av konstruktive og destruktive interferensmønstre i røret.

Ingen av fremgangsmåtene nevnt ovenfor er imidlertid i stand til å måle både vannfraksjonen og vannsaliniteten av en flerfaseblanding, og alle innretningene beskrevet ovenfor er sterkt påvirket av eventuelle endringer i dielektriske og tetthetsegenskaper ved gassen og oljen.

Det er velkjent at den komplekse dielektrisitetskonstanten av et medium kan måles ved å måle faseskift og dempning av en elektromagnetisk bølge gjennom medier. US 4 902 961 beskriver en fremgangsmåte for måling av kompleks dielektrisitetskonstant basert på måling av faseskift og effektdempning. Målingen utføres ved to ulike (faste) frekvenser, én i X-båndet og den andre i S-båndet. Andre eksempler kan finnes i NO 2001 0616 som beskriver en fremgangsmåte for måling av vannkonduktiviteten av den kontinuerlige fasen av en flerfaseblanding, basert på en effekt- og fasemåling ved mikrobølgefrekvenser; US 5 341 100 beskriver en fremgangsmåte og innretning for måling av væskekonduktivitet og hydrokarbonvolum basert på en måling av faseskift og dempning (effekt) av en elektromagnetisk bølge, og US 5 107 219 beskriver en fremgangsmåte og innretning for måling av konduktansen av en væske basert på måling av mikrobølgeenergi (effekt/tap) og faseskift.

Det er to hovedulemper forbundet med de ovennevnte innretningene og fremgangsmåtene. For det første endringen av dielektrisitetskonstanten av gassen grunnet variasjoner i vanndampinnholdet eller variasjoner i gasstetthet, som begge påvirker gassens dielektrisitetskonstant. For det andre har de ovennevnte fremgangsmåtene og innretningene begrenset nøyaktighet og evne til å registrere små variasjoner, siden de avhenger av en nøyaktig måling av effekt og tap ved bare én frekvens eller noen få (to) faste frekvenser. Nøyaktig måling av effekt og tap ved mikrobølgefrekvenser ved én frekvens eller to faste frekvenser er vanskelig å utføre, delvis grunnet impedansfeiltilpasning, som er svært vanlig for enhver mikrobølgebasert industriell innretning for måling av dielektrisitetskonstant, og delvis grunnet begrensninger ved selve elektronikken. Begrensningene ved måleelektronikken samt stående bølger grunnet impedansfeiltilpasning gjør det følgelig vanskelig å oppnå den nødvendige nøyaktighet, repeterbarhet og følsomhet for nøyaktige målinger av vannkonduktivitet og/eller vannfraksjon.

Det er også velkjent at sammensetningen av flerfaseblandingen kan måles basert på en måling av rørets grensefrekvens. Eksempler på slike innretninger finnes i US 4 423 623, US 5 455 516, US 5 331 284, US 6 614 238, US 6 109 097 og US 5 351 521 som beskriver fremgangsmåter for å bestemme sammensetningen av en flerfaseblanding basert på en måling av et rørs grensefrekvens basert på tap- eller fasemålinger ved varierende frekvens. NO 2004 3470 beskriver en fremgangsmåte og en innretning for å bestemme vannsalinitet kun basert på fasemåling(er). Alle disse innretningene blir imidlertid sterkt påvirket av endringer i dielektrisitetskonstanten for gassen på grunn av variasjoner i vanndampinnholdet eller variasjoner i gasstetthet, som begge blir sterkt påvirket av endringer i dielektrisitetskonstanten hos gassen. Innretninger som er basert på måling av konduktans eller resistans er også kjent når det gjelder målig av konduktans i vann og vannfraksjon. Disse innretningene blir imidlertid sterkt påvirket av oljeforurensning som isolerer måleresultatet fra prosessen, siden disse målingene normalt blir utført ved meget lave frekvenser. Drift i elektronikken som følge av temperaturvariasjoner og aldring er også et vanlig problem ved slike innretninger. Følgelig er slike innretninger ikke egnet for målinger med høy presisjon av ledeevne og vannfraksjon i en våtgasstrøm. Alle innretninger som er nevnt ovenfor krever også et flerfasefluid for å kunne utføre målingen. Dette betyr at innretningene ikke kan skaffe nøyaktig måling ved stillestående betingelser i røret.

Som nevnt ovenfor krever alle de tidligere nevnte innretningene nøyaktig informasjon om tettheten i olj e/kondens at og dielektrisitetskonstanten av gass og olje (kondensat). Disse dataene er en funksjon av temperatur og trykk, og kan også endre seg betydelig i løpet av levetiden for brønnen, på grunn av innblanding av fluid fra multiple produksjonssoner i en brønn. Multiple produksjonssoner betyr at brønnen produserer fra ulike lag i undergrunnen, og sammensetningen av hydrokarbon og vann kan være forskjellig for de ulike sonene. I praksis er det også ganske ofte vanskelig å skaffe nøyaktig estimat av disse kalibrerings-innsignalene, spesielt for brønner som produserer fira multiple produksjonssoner i undergrunnen.

Innretninger for måling av strømningshastighetene av en flerfasevæske er velkjente. Slike innretninger kan være basert på krysskorrelasjon av et målesignal som påviser variasjoner i væske- og gassdråper av strømmen. Ved å sende en bærebølge inn i strømmen og måle responsen, inneholder det mottatte signalet informasjon om variasjonene i strømningen forårsaket av modulering av amplitude (tap), fase eller frekvens i forstyrrelsene. Ved å utføre målingene på to seksjoner av røret plassert i en kjent avstand, kan det dannes to tidsvarierende signaler som er tidsforskjøvet tilsvarende tiden det tar flerfasestrømmen å flyte mellom de to seksjonene. Eksempler på slike innretninger er beskrevet i US 4 402 230, US 4 459 958, US 4 201 083, US 4 976 154, WO 94/17373, US 6 009 760 og US 5 701 083.

Andre innretninger for måling av strømningshastigheter kan være basert på måling av differensialtrykk på tvers av en restriksjon i røret slik som et venturirør, en åpning, en v-konus eller strømningsmikser. Eksempler på slike innretninger kan finnes i US 4 638 672, US 4 974 452, US 6 332 111, US 6 335 959, US 6 378 380, US 6 755 086, US 6 898 986, US 6 993 979, US 5 135 684, WO 00/45133 og WO 03/034051.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å unngå de ovenfor nevnte begrensningene ved eksisterende løsninger.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av salinitet og/eller konduktivitet i vannfasen av en flerfaseblanding som inneholder små vannmengder.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av salinitet/vannkonduktivitet med et minimum av kalibreringsparametre.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av vannfraksjonen av en flerfaseblanding som inneholder små vannmengder.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av konduktiviteten av vannfraksjonen av en våtgass med store variasjoner i gassens dielektriske egenskaper.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av konduktiviteten av vannfraksjonen av en våtgass med store variasjoner i tettheten av gassen.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av konduktiviteten av vannfraksjonen av en våtgass uten behov for noen strømning gjennom innretningen.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av konduktiviteten av vannfraksjonen av en våtgass med store variasjoner dielektriske egenskaper hos olje/kondensat.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av konduktiviteten av vannfraksjonen av en våtgass med store variasjoner i tetthet hos olje/kondensat.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av konduktiviteten av vannfraksjonen av en våtgass med lav vannsalinitet.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av vannsalinitet og vannfraksjon, og kompensere måleresultatene for mulige variasjoner i dielektriske egenskaper eller tetthetsegenskaper hos gassen.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å utføre nøyaktige målinger av vannsalinitet og vannfraksjon, og kompensere måleresultatene for mulige variasjoner i dielektriske egenskaper eller tetthetsegenskaper hos olje/kondensat.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å sørge for strøm-stopp i innretningen, slik at egenskapene i væskefasen lar seg måle mer nøyaktig.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å sørge for separasjon av væske- og gassfasene i en flerfaseblanding, slik at en kan oppnå mer nøyaktige målinger av væskefasen.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å skaffe en ikke-inntrengende innretning for å utføre målingene.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å skaffe en kompakt mekanisk struktur for å utføre målingene.

Disse formålene blir oppnådd i henhold til nærværende oppfinnelse ved en fremgangsmåte som omfatter følgende trinn: a. elektromagnetiske målinger ved minst to målefrekvenser blir utført i et rør nær rørveggen i en første tverrsnittposisjon der blandingen i hovedsak inneholder gass, og i en andre tverrsnittposisjon der blandingen i hovedsak inneholder væske,

b. temperaturen i flerkomponentblandingen blir bestemt, og

c. basert på empirisk bestemt sammenheng mellom målingene utført i trinn a og b og konduktiviteten i rent vann, blir konduktiviteten i vannet som finnes i flerkomponentblandingen bestemt.

Innretningen ifølge oppfinnelsen er videre karakterisert ved egenskapene definert i det uavhengige kravet 15.

Avhengige krav 2-14 og 16-23 definerer foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen.

Nærværende oppfinnelse er basert på bredbåndselektromagnetiske målinger utført på to ulike steder i et horisontalt rør med en strømmende eller stillestående flerfasevæske inneholdende vann og gass. De to målingene utføres i en videre passasje i det horisontale røret for å gi hold-up av væsker i innretningen. Frekvensområdet er typisk i området 1 MHz - 10 GHz. Det foretrukne arrangementet er å ha ett sender- og mottakerpar lokalisert i toppen av en videre passasje av en horisontal rørledning og et annet sender- og mottakerpar lokalisert i bunnen av den videre passasjen i rørledningen, som vist på figur 1. Sender- og mottakerparet i toppen av røret utfører målinger overveiende i gassfasen av flerfasevæsken, og sender- og mottakerparet i bunnen utfører målinger overveiende i væske- eller vannfasen av flerfasevæsken. Utvidelsen av rørdiameteren tjener til å tilveiebringe væske hold-up rundt antennene i bunnen av røret, slik at målingene kan utføres på en større del av væsken(e). Fremgangsmåten kan også brukes med et dobbelt mottakerpar i toppen og bunnen av røret for å utføre differensialmålinger. I et slikt arrangement kan fremgangsmåten og innretningen utvides for målinger av høyere vannkonduktiviteter og vannfraksjoner. Refleksjonsmetoder slik som sending og måling av reflektert elektromagnetisk energi i en åpen koaksial probe, eller radarteknikk basert på overføring og mottaking av en reflektert elektromagnetisk puls fra røret, kan også brukes til å utføre bredbåndsmålinger i toppen og bunnen av røret. Målingene i bunnen av det horisontale røret blir sammenlignet med målingene i toppen av det horisontale røret for å bestemme vannkonduktiviteten og vannfraksjonen. Målingen i toppen og bunnen av røret kan også bli sammenlignet for å verifisere at det er separasjon av væske- og gassfasene i innretningen. Dersom ingen separasjon finner sted, kan driftstiltak slik som endring av strømningshastighetene i brønnen bli utført for å oppnå separasjon av væske- og gass i innretningen. Alternativt kan en bruke fremgangsmåten som er beskrevet i NO 2004 3470, basert på måling av kompleks dielektrisitetskonstant i blandingen til å bestemme vannfraksjon og vannkonduktivitet under slike omstendigheter. Elektromagnetisk energi blir så sendt over antenne 7 på figur 2, og faseforskjellen på antennene 6 og 8 blir brukt for å avlede vannfraksjon og vannkonduktivitet. Fremgangsmåten i henhold til NO 2004 3470 vil imidlertid ikke gi så høy måleoppløsning som nærværende oppfinnelse basert på separering. Innretningen kan også utvides til å bestemme strømningshastigheten(e) for multifaseblandingen.

Det unike ved nærværende oppfinnelse er evnen til å tilveiebringe nøyaktige målinger av vannfraksjonen og vannsalinitet/konduktivitet av en hydrokarbon-flerfaseblanding som inneholder små mengder vann. Videre tillater fremgangsmåten variasjoner i dielektrisitetskonstanten for gassen som følge av variasjoner i mengden av vanndamp i gassen. Målingene av vannkonduktivitet og vannfraksjon kan gjøres med et minimum av tilleggsinnretninger, siden kun en temperaturmåling er nødvendig i tillegg til de elektromagnetiske målingene. Videre tilveiebringer fremgangsmåten og innretningen hold-up av væske i måleseksjonen, slik at væskefasen kan måles med en høyere presisjon. Fremgangsmåten muliggjør detektering av væske-hold-up i målingen, som kan nyttes til å verifisere at måleren virker i henhold til dens tiltenkte betingelser. Fremgangsmåten skaffer også nøyaktige målinger av vannsalinitet og vannfraksjon til tross for store variasjoner i gass- og kondensattetthet, noe som i høy grad forenkler kalibrering av innretningen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningsifgurene, hvor: Figur 1 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksemplifisert utførelse av en innretning for måling av vannkonduktiviteten i henhold til nærværende oppfinnelse. Figur 2 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksemplifisert utførelse av en innretning for måling av volumfraksjonen og vannkonduktiviteten i henhold til nærværende oppfinnelse. Figur 3 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksemplifisert utførelse av en innretning for måling av volumfraksjonen og vannkonduktiviteten i henhold til nærværende oppfinnelse. Figur 4 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksemplifisert utførelse av en innretning for måling av volumfraksjonene og vannkonduktiviteten i henhold til nærværende oppfinnelse.

Figur 5 viser i større skala en planskisse av en del av figur 2.

Figur 6 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksemplifisert utførelse av en innretning for måling av volumfraksjonene, strømningshastighetene og vannkonduktiviteten i henhold til nærværende oppfinnelse. Figur 7 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksemplifisert utførelse av en innretning for måling av volumfraksjonene, strømningshastighetene og vannkonduktiviteten i henhold til nærværende oppfinnelse. Figur 8 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksemplifisert utførelse av en innretning for måling av volumfraksjonene, strømningshastighetene og vannkonduktiviteten i henhold til nærværende oppfinnelse.

Figur 9 viser en graf av den reelle delen av dielektrisitetskonstanten for vann.

Figur 10 viser en graf av den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten for vann.

Figur 11 viser en graf av det målte tapet for innretningen på figur 1.

Figur 12 viser en graf av det normaliserte bredbåndtapsforholdet vs. vannsaliniteten for innretningen på figur 1. Figur 13 viser en graf av det normaliserte bredbåndtapsforholdet vs. vannsaliniteten for innretningen av figur 1. Figur 14 viser en graf av den teoretiske faseforskjellen vs. frekvens for innretningen på figur 2. Figur 15 viser en graf av den målte faseforskjellen vs. frekvens for innretningen på figur 2. Figur 16 viser en graf av kalibreringsfaktoren Z vs. fase for innretningen på figur 2. Figur 17 viser en graf av den målte vannfraksjonen for et bredt område av vannkonduktivitet og fem ulike målefrekvenser for en typisk strømmende væske med en kontinuerlig vannfase og saltvann. Figur 18 viser en graf av det beregnede standardavviket for vannfraksjon vs. vannkonduktivitet for de 5 målefrekvensene på figur 17. Figur 19 viser en graf av den målte vannfraksjonen vs. referansevannfraksjonen for saliniteter i området 0,5 % - 25 % NaCl og vannfraksjoner i væskefasen i området 30 - 100 %. Figur 20 viser en graf av den målte konduktiviteten vs. referansekonduktiviteten for saliniteter i området 0,5 % - 25 % NaCl og vannfraksjoner i væskefasen i området 30 - 100 %.

Nedenfor følger en oppsummering av hovedelementene som er involvert i bestemmelse av konduktiviteten av vannet og vannvolumfraksjonen av flerfaseblandingen.

Elektromagnetiske målinger blir utført ved bruk av en sendeantenne 2 og motta-antenner 3 plassert i bunnen av en videre seksjon av et horisontalt rør 1 og en sendeantenne 4 og motta-antenne 5 som er plassert på toppen av den samme seksjonen av røret 1. Antennene trenger litt inn i røret 1. Innretningen eller sensoren kan også være utformet som vist på figur 2, hvor en sendeantenne 7 og to motta-antenner 6, 8 er plassert i bunnen av en videre seksjon av et horisontalt rør 12, og en sendeantenne 10 og to motta-antenner 9, 11 er plassert på toppen av den samme seksjonen av røret 1. De to motta-antennene 11,9 er plassert i ulike avstander 13,14 fra sendeantennen 10. Den samme antennekonfigurasjonen er brukt i bunnen av røret. Antennene kan lages som en kompakt probeenhet 20 som vist på figur 5, hvor sendeantennen 17 og de to motta-antennene 18,19 er elektrisk isolerte fra metallhuset 20 med keramisk glass 16.

De elektromagnetiske bredbåndmålingene kan også utføres basert på sending av elektromagnetisk energi på en åpen-avsluttet koaksial leder 7 og måling av egenskapene til det reflekterte signalet. Det utsendte signalet kan enten være en puls eller et sinussignal. En åpen koaksial leder plasseres deretter på toppen av røret, og en annen koaksial leder plasseres på bunnen av røret som vist på figur 3. Den elektromagnetiske bredbåndmålingen kan også utføres ved overføring av en elektromagnetisk puls fra en antenne 40 gjennom en åpning (rille) i røret og måling av egenskapene til den reflekterte pulsen som vist på figur 4.

Det er velkjent at måling av små komponentfraksjoner av en flerfaseblanding er

ekstremt krevende. Måleusikkerheten reduseres når komponentfraksjonen øker i forhold til rørets totalvolum. Et horisontalt rør fungerer som en gravitetsseparator som separerer flerfaseblandingen og derved danner en større konsentrasjon av væsker i bunnen av røret og en høyere konsentrasjon av gass i toppen av røret. Ytterligere hold-up av væske kan tilveiebringes ved å utvide rørdiameteren der måleinnretningen er plassert. Deretter vil

det være en høyere konsentrasjon av væske rundt antennene som er plassert på bunnen av rør 1 og overveiende gass rundt antennene som er plassert på toppen av rør 1. Væskekonsentrasjonen rundt måleinnretningen i bunnen er høyere sammenlignet med rørets gjennomsnittlige væskefraksjon. En gradvis økning og reduksjon av diameteren 21 er foretrukket, en trinnendring kan imidlertid også anvendes. Med en gradvis endring av diameter med mindre enn 7 graders vinkel, kan turbulent strømning i sensoren unngås. Turbulent strømning kan forstyrre separering av væske- og gassfasene i sensoren.

Ved å utføre elektromagnetiske målinger av tap eller fase over et bredt frekvensspektrum (1 MHz - 10 GHz) med antennene plassert på bunnen av røret, og sammenligne resultatet med lignende målinger utført med antennene på toppen av røret, bestemmes vannfraksjonen og vannkonduktivitet/salinitet. Ved å utføre de samme målingene på toppen og bunnen av røret er innretningen også i stand til å kompensere målingene for mulig variasjon av gassfasens egenskaper, slik som vanndampinnhold eller endringer i gasstettheten grunnet trykkendringer i rørledningen. Fremgangsmåten er også svært lite påvirket av endringer i tettheten av oljen eller kondensatet, slik at nøyaktige vannfraksjonsmålinger kan utføres uten noen nøyaktig informasjon om hydrokarbontettheter og unngå bruk av en innretning for måling av trykket i røret for kompenseringsformål. Målingene på toppen og bunnen av røret kan også sammenlignes for å veri-fisere at det foreligger separasjon av væske- og gassfasene i innretningen. Dersom ingen separasjon finner sted, kan driftstiltak slik som endring av strømningshastighetene av brønnen utføres for å oppnå væske og gasseparasjon. Temperaturen og trykket av flerfaseblandingen kan også måles. Kun én temperaturmåling er nødvendig for å oppnå den ønskede funksjonaliteten, siden trykkvariasjoner kun har liten effekt på vannfraksjonsmålingen og marginal effekt på målingen av vannkonduktiviteten. En trykksender kan imidlertid brukes til ytterligere å forbedre målingen dersom svært høy presisjon er påkrevd for vannfraksjonsmålingen. For enkelhets skyld har disse innretningene blitt utelatt fira tegningene og vil ikke bli ytterligere drøftet i beskrivelsen av den nye oppfinnelsen.

To innretninger kan også kombineres for å finne flerfaseblandingens strømningshastigheter som vist på figur 6. De to innretningene (sensorer) er atskilt med en kjent avstand 28. Ved å utføre simultane målinger med antenneparene 6, 7, 8 og antenneparene 22,23, 24, og krysskorrelere disse målingene, er det mulig å oppnå en måling av hastigheten til væsken som strømmer i bunnen av røret. Lignende målinger kan utføres med antenneparene 9, 10, 11 og 25, 26, 27 for gassfasen. Målinger mellom det øvre antenneparet 30 og det nedre antenneparet 29 i tverrsnittseksjonen av røret kan også kombineres for å måle hastigheten, ved å krysskorrelere disse målingene med de samme målingene utført mellom det øvre antenneparet 32 og det nedre antenneparet 31. Tverrsnittmålingen kan deretter utføres ved sending på antenne 7 og mottak på antenne 9 og 11. Likeledes ved sending på antenne 10 og mottak på antenne 6 og 8. Når et signal, også kalt en bærebølge, blir sendt inn i strømmen, danner gass- og væskeboblene i strømmen variasjoner eller modulasjoner av bærebølgen som kan påvises på motta-enden. Målesignalet kan konstrueres slik at forstyrrelsene av strømmen danner både amplitudemodulasjon (tap), fasemodulasjon og frekvensmodulasjon av den utsendte bærebølgen, hvilket kan brukes til krysskorreleringsformål. Konfigurasjonen på figur 6 muliggjør bruk av høye målefrekvenser, idet rørseksjonen 71 tjener som høypassfilter grunnet den høyere grensefrekvensen for rørseksjonen 71 sammenlignet med rørseksjonen rundt antennene. Det er velkjent at spredningstapet grunnet spredning av bærebølgen ved væskedråper øker betydelig med frekvensen, og målesensitiviteten for små forstyrrelser slik som væskedråper i gassen er derfor større med en høyere bærebølgefrekvens sammenlignet med en lavfrekvent bærebølge.

Innretningen kan også kombineres med strømningselement 33 slik som en venturi, v-konus eller måleskive for å bestemme strømningshastighet for væske(r) og gass som vist på figur 7.

Innretningen kan også kombineres med en flerfasestrømningsmåler 36 som beskrevet i WO 2005/057142 installert i en vertikal seksjon av røret som vist på figur 8. Det er da vanlig å installere flerfasemåleren nedstrøms for en blender T35. Strømningsretningen er nå vist med en pil 34.

Nedenfor følger en mer detaljert beskrivelse av oppfinnelsen:

Grunntrekkene for elektromagnetiske bølger som forplanter seg i et vilkårlig medium og forløpet hos elektromagnetiske felt i et rør (bølgeleder) er godt beskrevet i litteraturen (f.eks. «Fields and Waves in Communication Electronics» av S. Ramo, J.R. Whinnery og T. V. Duzer, 1984). Elektromagnetiske måleprinsipper og fremgangsmåter for å forme og analysere målesignalene er også godt beskrevet i «Microwave Electronics - measurements and material characterization» av Chen et al, (Wiley), «Electromagnetic mixing formulas and applications» av Ari Sihvola, (IEE Electromagnetic Wave Series 47) og «Aqueous Dielectrics» av J.B. Hasted (Chapman and Hall).

Den generelle ligningen for det elektriske feltet ved en positivt vandrende elektromagnetisk bølge i fritt rom med x- og y-komponentene av det elektriske feltet som forplanter seg i retningen z, kan beskrives med følgende ligning:

hvor:

E = elektrisk feltvektor

Ei = elektrisk felt i x-retning

E2 = elektrisk felt i y-retning

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

k = fasekonstant eller bølgetall

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

— J r

hvor:

a = bølgedempningskoeffisient

P = bølgefasekonstant

Den eksponensielle forplantningsfaktoren for viserbølger, e J i ligning 1 blir da

Hvor a og P kan beregnes ifølge ligning 4 og 5 nedenfor:

hvor:

e' = reell del av den komplekse dielektrisitetskonstanten for mediet e" = imaginær del av den komplekse dielektrisitetskonstanten for mediet co = vinkelfrekvens

H = mediets permeabilitet,

hvor kompleks dielektrisitetskonstant e av mediet kan beskrives ifølge ligning 6 nedenfor:

For luft, gass, olje og kondensat er den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten null for alle praktiske formål. For vann kan den komplekse dielektrisitetskonstanten beskrives med en enkel Debye-avspenningslov som vist nedenfor:

hvor:

ewater = kompleks dielektrisitetskonstant for vann

e.0 = dielektrisitetskonstant ved uendelig frekvens

es = statisk dielektrisitetskonstant

co = vinkelfrekvens

Owater <=> vannkonduktivitet

e0 = Boltzmanns konstant

Ligning 7 kan omarbeides for beregning av den reelle (e') og imaginære (e") delen av dielektrisitetskonstanten for vann, som vist i ligning 8 og 9 nedenfor:

hvor:

es = statisk dielektrisitetskonstant

m = dielektrisitetskonstant ved uendelig frekvens

Owater = vannkonduktivitet

t = dipolavspenningstid

co = vinkelfrekvens

e0 = Boltzmanns konstant

Målinger av og ligninger for den statiske dielektrisitetskonstanten for vann, dipolavspenningstiden og dielektrisitetskonstanten ved uendelig frekvens er godt beskrevet i litteraturen. Noen eksempler kan finnes i J.B. Hasted som har utført en kritisk gjennomgang av tilgjengelige data i «Aqueous Dielectrics» ( 1973). Nyere data er publisert av Udo Kaatze i J. Chem. Eng. Data, 1989 s. 371- 374 og Meissner og Wentz i «Report from Boeing/ AER investigation for CMIS» og «A formulation for the Static Permittivity of Water and Steam at temperatures from 238 K to 873 K at Pressures up to 1200 Moa, Including Derivates and Debye- Hunckel Coefftcients» av D. P. Fernandez et al., J. Phys. Chem. Ref. Data, volum 26, nr. 4,1997.

Det er også materiale som viser at den statiske dielektrisitetskonstanten for vann, dipolavspenningstiden og dielektrisitetskonstanten ved uendelig frekvens også er avhengig av vannets salinitet. Den statiske dielektrisitetskonstanten for vann, dipolavspenningstiden og dielektrisitetskonstanten ved uendelig frekvens for ferskvann kan da multipliseres med en vannsalinitetsavhengig korreksjonsfaktor for å oppnå verdiene for es, e» og x for saltvann. Noen eksempler på ligningene for vannsalinitets-korreksjonsfaktoren for eSj eæ og x er publisert av Meissner og Wentz i «Report from Boeing/ AER inverstigation for CMIS» side 17 og J. B. Hasted: «Aqueous Dielectrics»

( 1973).

Figur 9 viser en graf av den reelle delen av dielektrisitetskonstanten for saltvann (NaCl-salt) ved 25 °C ifølge ligning 8 med en salinitet på 1, 5, 10 og 20 vektprosent NaCl 37, 38, 39, 40. Figur 10 viser en graf av den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten for saltvann ved 25 °C ifølge ligning 9 med en salinitet på 1, 5, 10 og 20 vektprosent NaCl 41, 42, 43, 44, plottet på samme skala som figur 9. Ved å sammenligne figur 9 og 10 fremgår det at verdien av den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten av saltvann påvirkes mer av en endring av saliniteten eller frekvensen sammenlignet med den reelle delen av dielektrisitetskonstanten, og derved kan, ved å utføre måling over et bredt frekvensområde, den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten skjelnes fra den reelle delen av dielektrisitetskonstanten.

Den effektive reelle delen av den komplekse dielektrisitetskonstanten er:

hvor:

e' : reell del av dielektrisitetskonstanten

e" : imaginær del av dielektrisitetskonstanten

I blandingsmodeller blir dielektrisitetspermittiviteten av en flerfaseblanding uttrykt ved den effektive reelle delen av dielektrisitetskonstanten for hver delkomponent og dennes volumfraksjon. Flere omfattende gjennomganger av dielektrisitetsblandingsmodeller er blitt publisert i litteraturen, van Beek, 1967; Tinga at al, 1973; Wang & Schmugge, 1980; Shutko & Reutov, 1982; Hallikainen et al, 1985; Sihlova, 1989 og «Flow permittivity models and their applications in multiphase meters», av E. Hammer, Proe. Multiphase Metering, IBC Technical Services, 12.-13. mars 1997, Aberdeen. Hanai-Bruggeman-ligningen, opprinnelig utledet av Bruggeman (1935) og senere modifisert av Hanai (1936) for å gi komplekse dielektrisitetskonstanter, knytter dielektrisitetskonstanten for en tokomponentblanding til volumfraksjonene av komponentene. Dersom to-komponentblandingene er dråper som en indre fase dispergert i et kontinuerlig medium av en ytre fase, blir ligningen:

hvor:

£inner = dielektrisitetskonstant av den indre fasen (dispergert fase)

Eouter = dielektrisitetskonstant av den ytre fasen (kontinuerlig fase)

£mix = målt dielektrisitetskonstant av blandingen

binner = volumfraksjon av indre fase (dispergert fase)

^outer = volumfraksjon av ytre fase (kontinuerlig fase)

Ved å måle dielektrisitetskonstanten for en flerfaseblanding og kjenne den effektive dielektrisitetskonstanten av de individuelle komponentene i blandingen, slik som vann og hydrokarbon, kan volumfraksjonen av vann og hydrokarbon beregnes. Dielektrisitet-segenskaper for hydrokarboner kan finnes i: «Handbook of Chemistry andPhysics»

(CRC Press) og «Complex permittivity of crude oils and solutions of heavy oil frac-tions», av Friisø et al, i Journal of Dispersion Sei. Technology, 19(1), (1998) side 93-126.

Figur 11 viser målt tap vs. frekvens for sensoren på figur 1 for antennene på bunnen av røret for luft (gass) 45, olje 46, ferskvann 47 og saltvann med vannsalinitet på henholdsvis 0,1 %, 0,5 %, 1,5 % og 16 %, henholdsvis for 48, 49, 50, 51. Gassfraksjonen (GVF) er i dette tilfellet 99 % med en tilsvarende væskefraksjon på 1 % av totalvolumet i sensoren. All væske er lokalisert i bunnen av røret. Som det fremgår av kurvene på figur 11, er tapet i det lave frekvensområdet mye større med gass, olje eller ferskvann i sensoren, sammenlignet med det lave frekvenstapet med noe salt i vannet. Selv en liten endring i vannsaliniteten på 0,1 % NaCl forårsaker en endring på mer enn 15 dB tap i det lave frekvensområdet. Endringen av tap ved lav frekvens er dobbel. Uten noe salt i væsken er koblingen mellom antennene utelukkende kapasitiv, hvilket favoriserer overføring av energi mellom antennene ved høyere frekvenser. Koblingen mellom antennene er gitt ved antenneareal, dielektrisitetskonstant for mediet mellom antennene og frekvens. Ved den aktuelle frekvensen (under 10 GHz), er dielektrisitetskonstanten for olje, ferskvann og gass nesten konstant over hele frekvensområdet.

Den kapasitive koblingen mellom antennene øker imidlertid med frekvensen grunnet den økte kapasitive koblingen ved høyere frekvenser og det faktum at antennen blir mer effektiv ved kortere bølgelengder. Sensorens antenner er faktisk dipoler som blir innsatt i røret. Lengden av antennene er bare noen fa mm, slik at én bølgelengde tilsvarer en frekvens langt over 10 GHz. Apertur eller koblingseffektivitet for en dipolantenne er gitt ved ligningen:

hvor:

A : antenneapertur (koblingseffektivitet)

X : bølgelengde

Det fremgår altså av ligning 12 at koblingseffektiviteten øker med 3 dB for hver dobling av frekvensen av det utsendte signalet.

Når vannfasen inneholder salt og væskefasen er vannkontinuerlig, blir væsken ledende. Dette kan forekomme enten ved separasjon, dvs. at vann strømmer i bunnen av røret med et lag kondensat eller olje på toppen, eller ved at vannfraksjonen er stor nok slik at oljen dispergeres som dråper i en kontinuerlig vannfase. Sistnevnte forekommer typisk for vannfraksjoner over 30 % for en vann/kondensatblanding.

Når væsken blir ledende, endres formen på tapskurven 48,49, 50, 51. Selv om en ledende væskefase innfører mer tap ved alle frekvenser, er variasjonen over frekvensspekteret forskjellig for en ledende væske sammenlignet med en ikke-ledende væske.

Koblingen av antennen til mediet mellom antennene er mer effektiv med et ledende medium, siden antennearealet og bølgelengden av det utsendte signalet er mindre viktig for ledende kobling. Denne effekten er spesielt til nytte for koblingseffektiviteten ved lav frekvens. Selve mediet har imidlertid nå større tap, slik at tapet mellom antennene med et ledende medium er høyere. Dette tapet er sterkt avhengig av frekvens og salinitet, grunnet frekvens- og salinitetavhengigheten av den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten for vann, som vist på figur 10. For en kontinuerlig vannvæske som inneholder salt er altså forholdet mellom tap ved høye og lave frekvenser mye lavere enn for en kontinuerlig vannvæske som ikke inneholder salt. Bredbåndtapsforholdet R (eller bare tapsforhold), som når det gjelder nærværende patentsøknad er definert som målt tap i høyfrekvensbåndet dividert med målt tap i lavfrekvensbåndet, kan brukes til å finne saliniteten eller ledeevnen til vannet. Tapsforholdet R finnes ved å utføre en sveip i lavfrekvensområdet av frekvensspekteret og ta middelverdien av alle tapsmålingene, og likeledes utføre en sveip i et høyfrekvensbånd og ta middelverdien av alle tapsmålingenen som er utført i dette båndet. R finnes så ved å dividere de to middelverdiene. Sveipen bør i det minste inneholde to målinger valgt slik at avstanden mellom frekvensene tilsvarer en periode hvor frekvensen av det overliggende rippelmønsteret som skyldes stående bølger som oppstår i kablene i målebanen. Ved å gjøre slik, kan en minimere virkningen av stående bølger. Ved bruk av flere frekvenser over et bredere frekvensområde for øvre og nedre sveip, kan den uønskede virkningen grunnet stående bølger i målebanene reduseres ytterligere. Bredden av frekvenssveip bør fortrinnsvis være et multiplum av frekvensperioden for de stående bølgene.

Ved å omarbeide ligning 1, kan tapsforholdet R beregnes som:

hvor:

R bredbåndtapsforhold

PTH utsendt høyfrekvensenergi

PTL : utsendt lavfrekvensenergi

<xH dempningskoeffisient ved høy frekvens

<xL dempningskoeffisient ved lav frekvens

Z avstand mellom sende- og motta-antennene.

Dempningskoeffisientene kan beregnes ved bruk av ligning 4. For luft er dempekoeffisientene omkring null. Ved å måle bredbåndtapsforholdet R i luft blir ligning 13:

hvor:

Kl : målt bredbåndtapsforhold i luft

Når R og Kl er angitt i desibel (dB), blir ligning 14:

Virkningen av variasjoner i dielektrisitetsegenskapene for gassen på grunn av varierende mengde vanndampmasse i gassen, og virkningen av eventuell tetthetsendring i gassen, kan effektivt fjernes ved å normalisere målingen på bunnen av røret til målingen på toppen av røret som vist i ligning 15. Dette gjøres ved å dividere målingen av bredbåndtapsforholdet på bunnen av røret med bredbåndtapsforholdet målt på toppen av røret. Denne normaliseringen reduserer også målefeil som skyldes avvik i frekvensspekteret for elektronikken og kablene.

Det normaliserte bredbåndtapsforholdet kan også brukes til å verifisere at separasjon og hold-up av væske forekommer i innretningen, hvor en verdi av RNormaiized=l betyr at ingen separasjon finner sted.

Figur 12 viser en graf av det målte normaliserte bredbåndtapsforholdet vs. vannsaliniteten for en gassfraksjon på 99,3 %, 98,6 % og 97,2 % gass, henholdsvis 52, 53, 54. Kurven 55 er oppnådd ved å interpolere den gjennomsnittlige målingen av 52, 53 og 54 vs. vannsalinitet. Dvs. på grunnlag av en målt verdi for normalisert bredbånds-tapsforhold og den empiriske kalibreringskurven 55 er det mulig å utlede saliniteten i vannet. Den enkleste måten å finne kalibreringskurven 55 på, er å fylle innretningen delvis eller helt med vann med forskjellig salinitet, og registrere det målte normaliserte bredbånds-tapsforholdet. De målte verdiene kan så bli kurvetilpasset for å oppnå en passende kurve eller ligning som viser sammenhengen mellom det normaliserte bredbånds-tapsforholdet og saliniteten i vannet i flerfaseblandingen.

Ligning 15 kan brukes til å avlede den komplekse dielektrisitetskonstanten for væsken basert på en måling av normalisert R. Den komplekse dielektrisitetskonstanten finnes ved å justere den reelle og imaginære delen av dielektrisitetskonstanten i ligning 4 inntil høyre side av ligning 15 tilsvarer venstre side av ligning 15. Dette er en ukomplisert prosess, det er imidlertid litt mer krevende fordi verdien av Z er en funksjon av bølgelengden i det utsendte signalet idet motta-antennen befinner seg i nærfeltet til senderen. Empiriske tester har vist at eksperimentavledede kalibreringskurver kan brukes ved lav vannsalinitet. Figur 13 viser nedre salinitetsområde for dataene vist på figur 12. Som det fremgår av grafen, er kurven ganske bratt i det nedre området, og målingene av bredbåndtapsforholdet gir om lag de samme verdiene uansett mengden av væske i sensoren. I området under 1 % NaCl i vannfasen kan en empirisk utledet kalibreirngskurve brukes som er funnet ut fira måling av bredbåndtap med ulike mengder væske i sensoren og som er nesten upåvirket av mengden olje i vannet så lenge væsken er vannkontinuerlig. Denne kurven kan også brukes for høyere vannsaliniteter, men måleusikkerheten vil da være større fordi kurvens helling er slakere.

Med innretningen ifølge figur 2 kan en imidlertid bruke to forskjellige fremgangsmåter. For vannsaliniteter under for eksempel 0,5 % kan den ovennevnte fremgangsmåten basert på måling av bredbåndtapsforhold brukes. For vannsaliniteter over 0,5 % kan målingen baseres på en måling av den komplekse dielektrisitetskonstanten for flerfaseblandingen. Den komplekse dielektrisitetskonstanten bestemmes ved å måle bølgefasekonstanten p for en plan elektromagnetisk bølge som forplanter seg nær rørets innervegg. Målingen av p er basert på måling av fasedifferansen mellom de to motta-antennene 6, 8, plassert inne i røret i forskjellig avstand fra en tredje sendeantenne 7. Fasemålingen utføres ved minst to frekvenser i området mellom 1 MHz og 10 GHz.

Dielektrisitetskonstanten for vann er blant annet en funksjon av vannkonduktiviteten og målefrekvensen. Siden vannfraksjonen er uavhengig både av vannkonduktivitet og målefirekvens, kan imidlertid vannkonduktiviteten bestemmes ved å utføre en vannfraksjonsmåling ved minst to forskjellige målefrekvenser og justere vannkonduktiviteten i ligning 9 inntil vannfraksjonen beregnet ifølge ligning 11 gir den samme verdien ved alle målefirekvensene.

De to motta-antennene 6 og 8 er plassert på avstander di 14 og d213 fra sendeantennen 7. Optimal dimensjon av di er i området 8-12 mm, og for d2 vil optimal dimensjon typisk være to ganger dimensjonen av di. Antennene vil typisk trenge noen få mm inn i røret. Fasedifferansen mellom antennene 6 og 8 er målt for minst to frekvenser sendt på sendeantennen 7. Frekvensene bør også velges slik at det er tilstrekkelig forskjell i den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten mellom høyeste og laveste frekvens, slik at hellingen av vannfraksjonsmålingen og konduktivitetskurven, som vist på figur 17, er tilstrekkelig forskjellige til å oppnå den nødvendige følsomheten på vannfraksjonens standardawiksberegning på figur 18. Frekvensområdet bør også velges på grunnlag av en optimeringsregel for bruk av hele det dynamiske måleområdet for elektronikken. Frekvensene velges typisk i området 20-5000 MHz, men frekvenser i området 10 MHz til 10 GHz kan brukes. Forholdet mellom laveste og høyeste frekvens vil være avhengig av valget av målefrekvenser og måleelektronikkens kapasitet. For de fleste anvendelser ville et forhold lik 2 mellom høyeste og laveste frekvens være tilstrekkelig. Forutsatt at det er tilstrekkelig tap inne i røret i området nær antennene, vil den elektromagnetiske bølgen som forplanter seg mellom sendeantennen 7 og motta-antennene 6 og 8 oppføre seg i henhold til planbølgeteori. I denne sammenhengen vil tilstrekkelig tap typisk bety en vann-kontinuerlig flerfaseblanding der konduktiviteten av vannet ved den gitte temperaturen er over om lag 8 mS/cm. En ledende vannfilm langs rørveggen, noe som hyppig forekommer i våtgassbrønner, kan også gi tilstrekkelig tap, slik at forplantningsbølgen mellom sende- og motta-antennene oppfører seg i samsvar med planbølgeteori.

I samsvar med planbølgeteorien kan faseforskjellen mellom motta-antennene 2 og 3 beskrives slik:

hvor:

= faseforskjell mellom motta-antenner 2 og 3

p = fasekonstant for forplantningsbølgen (jf. ligning 5)

Z = d2-di

di = avstand fra sendeantenne 7 til motta-antenne 6

d2 = avstand fra sendeantenne 7 til motta-antenne 8

Ved å måle fasedifferansen Acp og når man kjenner verdien av Z for systemet, kan følgelig fasekonstanten p for bølgen som forplanter seg fra sende- til motta-antennene bestemmes. Eksperimenter har vist at verdien av Z også er en funksjon av bølgelengden for det utsendte signalet, og det foreligger også en svak avhengighet av væskens konduktivitet. Dette skyldes det faktum at motta-antennene er plassert nær sendeantennen og modellen for planbølgeforplantning da ikke er absolutt gyldig. Denne atferden kan modelleres ved å innføre et frekvensavhengig ledd som vist i ligning 19 nedenfor:

hvor:

p = fasekonstant for forplantningsbølgen (jf. ligning 5)

co = vinkelfrekvens (rad)

X kan deretter beregnes ut fra den målte faseforskjellen, målefrekvensen og verdien av Z ifølge ligning 20 nedenfor:

Kombinasjon av 5,17,19 og 20 gir følgende ligning for den reelle (e') og imaginære (e") delen av dielektrisitetskonstanten inne i røret.

En noe enklere måte å kalibrere målingen på, er funnet ved å bruke en faseavhengig kalibreringsfaktor Z. Dette følger av at den effektive antenneavstanden Z er en funksjon av den utsendte bølgelengden som igjen er en funksjon av den målte faseforskjellen mellom de to motta-antennene. Den effektive avstanden Z er også avhengig av flerfasekonduktiviteten, og Z kan da beregnes som vist nedenfor:

hvor:

Z effektiv antenneav stand (kalibreringskonstant)

A<p målt faseforskjell

omiX : konduktivitet av flerfaseblandingen

Eksempler på slike funksjoner er vist på figur 16 med vannsaliniteter på henholdsvis 0,47 %, 5,21 %, og 16,08 %. Den tilhørende kurven velges på grunnlag av den målte vannkonduktiviteten, og den målte faseforskjellen definerer punktet på kurven. Interpolering mellom kurvene kan brukes for mellomliggende konduktivitetsverdier.

Konduktiviteten av olje-/vannblandingen kan beregnes i samsvar med Maxwell Garnett-blandingsformelen som vist nedenfor:

hvor:

<W : konduktivitet av olje-vannblandingen

CToii : oljekonduktivitet

tfwater vannkonduktivitet

(poii : oljefraksjon i væskefasen

Den komplekse dielektrisitetskonstanten kan bestemmes ved en iterativ beregningssløyfe. Det antas et konstant forhold mellom den reelle og imaginære delen

av dielektrisitetskonstanten når utførelsen av disse iterasjonene forenkler beregningene. Eksperimenter har vist at bruk av det samme forholdet mellom den reelle og imaginære dielektrisitetskonstanten for rent vann også for en blanding av vann og olje gir nøyaktig beregning for volumfraksjonen. Denne tilnærmingen gir bare små målefeil, idet Bruggeman-blandingsformelen er en relativt lineær funksjon.

Forholdet mellom den reelle og den imaginære dielektrisitetskonstanten er følgelig definert slik:

Den reelle delen av dielektrisitetskonstanten for blandingen kan da beregnes ved å kombinere ligning 24 og 5 som vist nedenfor:

Figur 14 viser den teoretiske faseforskjellen ved motta-antennene for en planbølge som går fra sendeantennen til motta-antennene for Z = 0,008. Faseforskjellen blir beregnet i et frekvensområde fra 0,1 til 3500 MHz med en vannfraksjon på 1,0 og en vannsalinitet på 1,1,75,2,5, 5, 7, 9 og 15 vektprosent salt (NaCl) 56 57 58 59 60 61 62. Figur 15 viser den tilsvarende målte faseforskjellen for innretningen på figur 2 med tilsvarende verdier for Z og vannsalinitet.

Trinnene som er involvert for å bestemme vannkonduktiviteten og vannfraksjonen (volum) er listet nedenfor, idet en ser bort fra trinnene som gjelder temperatur- og trykkompensering av målingene:

1) Mål faseforskjellen Aq> ved en forhåndsfastsatt vinkelfrekvens co.

2) Anta en vannkonduktivitet awater lik tr;.

3) Beregn reell og imaginær dielektrisitetskonstant for vann i samsvar med ligning 8 og 9.

4) Beregn K ifølge ligning 24.

5) Beregn konduktivitet av olje-/vannblandingen basert på den siste beregningen av oljefraksjonen og konduktiviteten av vann og olje ved bruk av ligning 23.

6) Beregn effektiv antenneavstand Z ved bruk av ligning 22.

7) Beregn målt verdi av P ved bruk av ligning 17.

8) Beregn den reelle delen av dielektrisitetskonstanten for olje/vannblandingen ved bruk av ligning 25. 9) Beregn den imaginære og effektive reelle delen av dielektrisitetskonstanten av olje/vannblandingen ved bruk av ligning 24 (imaginær del) og 10 (effektiv reell del). 10) Beregn volumfraksjonen av vann basert på den effektive reelle delen av dielektrisitetskonstanten for vann, olje og olje/vannblandingen ved bruk av ligning 11.

11) Gjenta trinn 5-10 inntil beregningen av vannfraksjonen har konvergert.

12) Gjenta trinn 2-11 for neste målefrekvens.

13) Gjenta trinn 2-12 for et bredt område av vannkonduktiviteter { 02, 03, 04,...).

Vannkonduktiviteten varieres typisk fra den laveste forventede vannkonduktiviteten til den høyeste forventede vannkonduktiviteten for væsken som strømmer i røret, i trinn på for eksempel 1-5 mS/cm.

Figur 17 viser de resulterende vannfraksjonsberegningene vs. vannkonduktivitet for 5 ulike målefrekvenser beregnet i henhold til trinn 1-10 ved en trinnstørrelse på 1 mS/cm for en vannkonduktivitet på 29,1 mS/cm og vannfraksjon på 1,0 inne i røret. Målefrekvensene anvendt i dette tilfellet er henholdsvis 800 MHz, 1100 MHz,

1500 MHz, 2100 MHz og 3400 MHz 66 67 68 69 og 70. Fra grafen ifølge figur 17 ser en at vannfraksjonsmålingen har forskjellig helling vs. vannkonduktivitet for de ulike målefrekvensene, og vannfraksjonsmålingene krysser hverandre ved en vannkonduktivitet på om lag 29 mS/cm. Dvs. for en vannkonduktivitet på 29 mS/cm er vannfraksjonsmålingen den samme for alle målefrekvensene, hvilket igjen gir et mål på vannfraksjonen og vannkonduktiviteten. Statistiske metoder kan også brukes til å bestemme krysningspunktet eller punket der spredningen av vannfraksjonsmålingene har en minimumsverdi. Ved for eksempel å beregne standardavviket mellom vannfraksjonsmålingene for hver verdi av vannkonduktiviteten, kan en avlede en kurve som vist på figur 18. Figur 18 viser en graf av det beregnede standardavviket mellom de beregnede vannfraksjonene for alle målefrekvensene. Som det fremgår av figur 18 har denne grafen et minimum rundt 29 mS/cm, tilsvarende konduktiviteten av vannet. En måte for å bestemme minimumspunktet på grafen på figur 18 er å bruke kurvetilpasning (slik som en 5.-ordens polynom-kurvetilpasning) på det beregnede standardavviket vs. vannkonduktivitet og så bruke en datamaskin for numerisk å finne minima ved den kurvetilpassede funksjonen. Figur 15 viser den målte vannkonduktiviteten for et område av vannkonduktiviteter.

Basert på drøftingen over er følgende tilleggstrinn involvert i bestemmelse av vannkonduktiviteten og vann-fraksjonen (volum): 14) Bestem konduktivitetsverdien for krysningspunktet mellom de ulike vannfraksjonsberegningene, alternativt bestem konduktivitetsverdien for minimumspunktet av vannfraksjonsstandardavledningskurven vs. vannkonduktivitet. Denne konduktivitetsverdien er et mål på konduktiviteten av vannet i flerfaseblandingen

15) Beregn middelverdien av vannfraksjonsmålingen for alle målefrekvenser og vannkonduktiviteten fra trinn 14. Vannfraksjonsberegningen kan utføres i samsvar med trinn 1-12 ovenfor ved å bruke vannkonduktiviteten som ble bestemt i trinn 11 og den midlere vannfraksjonen fra alle frekvensmålingene. Denne middelverdien for vannfraksjonen er et mål på vannfraksjonen i flerfaseblandingen

Når man kjenner konduktiviteten av vann, er det mulig å bestemme saltinnholdet i vannet. Tabeller av konduktivitet vs. saltinnhold kan finnes i CRC Handbook of Chemistry and Physics. Algoritmer for å beregne konduktiviteten vs. saltinnhold og temperatur kan finnes i Robinson and Stokes, «Electrolyte Solutions» ( 1959) ogA. L. Horvath, «Handbook of Aqueous Electrolyte Solutions» ( 1985).

Transmisjons- og refleksjonsmetoder kan også brukes til å måle fraksjonene og vannkonduktiviteten som vist på figur 4. En kombinert sende- og motta-innretning 40 er plassert på rørveggen. Innretningen kan enten være en påfestet innretning som sender signalene gjennom rørveggen 1, eller som sender direkte inn i strømmen gjennom rørveggen 1. Innretningen sender et signal, slik som en puls med en gitt varighet og form. Et reflektert signal blir mottatt fra flerfaseblandingen, og basert på en analyse av det reflekterte signalet kan en bestemme den komplekse dielektrisitetskonstanten i flerfaseblandingen slik at fraksjonene og vannkonduktiviteten kan oppnås på en lignende måte som beskrevet ovenfor.

En åpen koaksial probe 7 kan også brukes for å måle fraksjonene og vannkonduktiviteten som vist på figur 3. En koaksialleder med en innerleder 7, skjerm 73 og dielektrisk isolasjon 73 er montert åpen kant-i-kant med rørveggen 1 som vist. Ved å sende et signal på koaksiallederen og analysere det reflekterte signalet på koaksiallinjen som følge av impedansforskjell mellom koaksialkabelen og røret 1 som inneholder flerfasevæsken, kan en bestemme den komplekse dielektrisitetskonstanten av flerfaseblandingen. Basert på den målte komplekse dielektrisitetskonstanten kan en bestemme fraksjonene og vannkonduktiviteten av flerfaseblandingen.

Konstruksjonen og virkemåten for transmisjons- og refleksjonssensorer som vist på figur 3 og 4 er nærmere beskrevet i «Microwave Electronics - measurement and material characterization» av Chen et. al., Wiley (2004) og «Permittivity Measurements of Thin LiquidFilm Layers using open- endedKoaksial Probes», Meas. Sei. Technol., 7

(1996), s.l 164-1173.

Krysskorreleringsteknikk blir ofte brukt for måling av flerfasestrømning. Teknikk for strømningsmåling ved krysskorrelasjon av flerfasestrømninger er bredt beskrevet i «Cross Correlation Flow Meters, their design and applications» av M.S. Beck og A.

Plaskowski (Adam Hilger, Bristol).

Når en sender et radiofrekvent bæresignal inn i strømmen og måler responsen, vil det mottatte signalet inneholde informasjon om variasjonene i strømmen som skyldes amplitude (tap), fase- eller frekvensmodulering fra forstyrrelsene. Ved å utføre målingene ved to seksjoner av røret, plassert med en kjent avstand, kan man danne to tidsvarierende signaler som er tidsforskjøvet lik den tiden det tar flerfasestrømmen å bevege seg mellom de to seksjonene.

Ved krysskorrelering av de to signalene og bruk av formelen:

hvor x(t) og y(t) er de prøvetatte signalene, kan en beregne tidsforsinkelsen x. Tidsforsinkelsen x mellom signalene x(t) og y(t) er et mål på tiden det tar en forstyrrelse i strømmen å bevege seg fra det første til det andre antenneparet.

Det er velkjent at tap som følge av spredning er sterkt frekvensavhengig. Spredning betyr at en forstyrrelse slik som en gass- eller væskeboble gjenutsender deler av den elektromagnetiske energien, slik at energi tapes i forplantningsretningen mot mottakeren. Spredning er normalt inndelt i Rayleigh-spredning og Mie-spredning, som er nærmere beskrevet i «Electromagnetic Mixing Formulas and Applications» av Ari Sihvola - IEE Electromagnetic Waves serie 47.

Rayleigh-spredningen for en dielektrisk kule, slik som væskedråper, er gitt i henhold til Sihvola med følgende ligning:

hvor:

os : spredningstverrsnitt

a diameter av spredningsobjektet

f : frekvens

Ho : permeabilitet av våkum

e0 dielektrisitetskonstant av våkum

Einner : dielektrisitetskonstant av spredningsobjekt

eouter : dielektrisitetskonstant av den kontinuerlige fasen

Som det fremgår av ligning 27 øker det effektive spredningstverrsnittet av et objekt betydelig med frekvensen. Ved bruk av en høy målefrekvens kan en følgelig oppnå bedre måleoppløsning fordi signalet dempes mer i forplantningsretningen. Økning av frekvensen reduserer imidlertid også tapet i rørets lengderetning, som vist nedenfor.

Grunnleggende atferd hos røret både under og over grensefrekvensen er godt beskrevet i litteraturen ( f. eks. «Fields and Waves» in Communication Electronics by S. Ramo, J. R. Whinnery og T. V. Duzer - 1984).

Grensefrekvensen av laveste modus i en sirkulær bølgeleder (TEn) er ifølge Ramo et al. gitt ved ligning 28 nedenfor:

hvor:

\ i : permeabilitet innenfor sensoren (røret)

e dielektrisitetskonstant innenfor sensoren (røret)

a rør-radius

Den kritiske bølgelengden er gitt ved:

hvor:

a : rør-radius

Ifølge Ramo et al. er det en dempning uten faseskift for frekvenser under grensefrekvensen for en bølgeleder, og faseskift uten dempning for frekvenser over grensefrekvensen, og hverken dempning eller faseskift nøyaktig på grensefrekvensen. Det er også velkjent at denne grunnleggende karakteristikken hos en bølgeleder kan brukes til å måle grensefrekvensen for røret ved å måle plasseringen til faseskiftet. Basert på den målte frekvensen kan dielektrisitetskonstanten av flerfaseblandingen innen røret avledes ifølge ligning 30 nedenfor:

hvor:

6 : målt dielektrisitetskonstant

k2 : målt grensefrekvens i luft

fc : målt grensefrekvens av flerfaseblanding

For innretningen vist på figur 5 kan en bruke en høy målefrekvens for krysskorrelasjonsmålingen. Diameteren av den minste rørseksjonen 71 hindrer at energi beveger seg og blir reflektert tilbake i lengderetningen av røret ved grensefrekvensen til sensoren, siden sensoren har en større diameter og således en lavere grensefrekvens, som beskrevet ved ligning 28.

Denne fremgangsmåten forutsetter imidlertid en kontinuerlig måling av grensefrekvensen, slik at målefrekvensen kan justeres mellom hver måleprøve. Både det målte tapet, fasen eller den målte grensefrekvensen kan brukes til å beregne krysskorrelasjonshastigheten ifølge ligning 26.

Dempningskoeffisienten for en elektromagnetisk bølge som forplanter seg i lengderetningen av røret kan ifølge Ramo et al. beregnes ifølge 31 nedenfor:

hvor:

a : dempningskoeffisient

Xc : grensebølgelengde

fc : grensefrekvens

f : målefrekvens

Ved derfor å bruke en målefrekvens som er betydelig under grensefrekvensen, er forholdet f/fc mye mindre enn 1, slik at dempningen i rørets lengderetning blir i hovedsak uavhengig av frekvens. Ved å kombinere ligning 29 og 31 nærmer dempningskoeffisienten seg den konstante verdien:

hvor:

a : rør-radius

Ved å måle eller beregne rørets grensefrekvens og velge en målefrekvens som er betydelig lavere enn grensefrekvensen, går svært lite energi i rørets lengderetning og gir følgelig elektromagnetisk isolasjon mellom de to probeparene i oppstrøms- og nedstrøms-tverrsnittet av røret.

Signalprosesseringsmetoder for å bestemme væske- og gasshastigheter basert på krysskorrelasjonsmålinger er velkjent, og eksempler kan finnes i «Simulation of two peaks correlation methodfor gas- liquidflow velocity measurements», PhD ved UMIST, 1985 av Corral Davalos og «Development of signal interpretation models for multiphase flow rate metering of oil - water - gas flow», PhD ved University of Bergen 1996 av Øivind Midttveit og «A pulsed ultrasound cross correlation system for velocity measurement in two componentfluids», PhD ved UMIST 1986 av Xu L-A og «Analysis of Space and Time Structures in Two Phase Flow us ing Capacitance Sensors», PhD ved University of Stavanger 1993 av Rune Viggo Time.

En venturistrømningsmåler blir vanligvis brukt ved måling av strømningshastighet av en flerfasevæske. Enhver innsnevring i røret vil resultere i en endring av hastigheten av flerfaseblandingen og tilføre et trykktap tvers over innsnevringen. Ut fra teorien om væskedynamikk er kvadratroten av trykktapet proporsjonal med den totale massestrømningshastigheten i røret. Et venturirør er en struktur hvor rørdiameteren gradvis reduseres i et avsnitt av røret med mindre diameter. Det mindre avsnittet kan være et kort eller et relativt langt avsnitt. Deretter utvides diameteren gradvis til rørets opprinnelige størrelse. Massestrømningsmålinger med en slik struktur er beskrevet i ISO-standardene 5167 «Measurement of fluidflow by means of pressure differential devices inserted in circular cross- section conduits running full» del 1 - generelle prinsipper og del 4 - venturirør.

I henhold til ISO 5167-1 kan massestrømningshastigheten beregnes som:

hvor:

Qm = total massestrømningshastighet

C = utløpskoeffisient

p = diameterforhold mellom venturiinnsnevring og rør d = diameter av venturiinnsnevring

Ap = målt trykktap mellom innløp og venturiinnsnevring

p = tetthet av flerfaseblandingen

Valget av venturirør for flerfase- og våtgassstrømningsbetingelser er nærmere beskrevet i «Design of a flow metering process for two- phase dispersedflows», Int. J. Multiphase Flow volum 22, nr. 4, s. 713-732, «A study of the performance ofVenturi meters in multiphase flow», av Hall, Reader-Harris og Millington, 2<nd> North American Conference on Multiphase Technology og «Liquid Correction of Venturi Meter Readings in Wet Gas Flow», av Rick de Leeuw, North Sea Flow Measurement Workshop - 1997.

Claims (22)

1. Fremgangsmåte for å bestemme vannkonduktivitet for en flerkomponentblanding av i det minste én væske som inneholder vann i et rør, hvor fremgangsmåten omfatter følgende trinn: a. elektromagnetiske- eller tapsmålinger ved minst to målefrekvenser innenfor området 1 MHz til 10 000 MHz blir utført ved én første og én andre posisjon nær rørveggen, b. temperaturen i flerkomponentblandingen blir bestemt, karakterisert ved en fremgangsmåte for å bestemme vannkonduktiviteten av vannfraksjonen hvor flerkomponentblandingen også inneholder en gass, hvor c. den første posisjon blir plassert hvor blandingen hovedsakelig inneholder gass og den andre posisjon blir plassert hvor blandingen hovedsakelig inneholder væske, d. forholdet mellom i det minste én av tap- eller fasemålingene fira den første posisjon og den tilsvarende tap- eller fasemåling fra den andre posisjon blir beregnet, e. basert på en empirisk bestemt sammenheng mellom forholdet definert i trinn d og konduktiviteten av vann blir konduktiviteten av vannet som inneholdes i flerkomponentblandingen bestemt fra resultatet av trinn d.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor målingene blir utført i et stort sett horisontalt røravsnitt.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 2, hvor nevnte røravsnitt har et utvidet tverrsnittsareal.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 2 eller 3, hvor den første elektromagnetiske målingen blir utført øverst i røret.

5. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, hvor de elektromagnetiske målingene blir utført basert på målinger av transmisjonstap mellom en sendeantenne og en motta-antenne inne i røret.

6. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1 til 4, hvor elektromagnetiske målinger blir utført basert på måling av faseforskjeller mellom to motta-antenner plassert på forskjellig avstand fra en sendeantenne.

7. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1 til 4, hvor elektromagnetiske målinger blir utført basert på måling av reflektert elektromagnetisk energi fra røret.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, hvor målinger blir utført på et sinussignal.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, hvor målinger blir utført på et pulsformet signal.

10. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor vannfraksjonen i væsken blir bestemt.

11. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, hvor hastigheten av flerkomponentblandingen blir bestemt.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, hvor hastigheten av flerkomponentblandingen blir bestemt på grunnlag av krysskorreleringsteknikk.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, hvor hastigheten av flerkomponentblandingen blir bestemt på grunnlag av trykkfall over en trang passasje i røret.

14. Innretning for å bestemme vannkonduktiviteten av en flerkomponentblanding av i det minste én væske som inneholder vann i et rør, hvilken innretning omfatter et rørformet avsnitt samt følgende elementer: a. midler for å utføre elektromagnetiske fase- eller tapsmålinger ved i det minste to målefrekvenser innenfor området 1 MHz til 10 000 MHz nær veggen av det rørformede avsnitt ved en første og en andre posisjon, b. midler for å bestemme temperaturen av flerkomponentblandingen, karakterisert ved at flerkomponentblandingen også inneholder en gass, og at midlene for å bestemme konduktiviteten av vannfraksjonen inneholder følgende elementer: c. midlene i punkt a ved nevnte første posisjon er anbrakt hvor blandingen hovedsakelig inneholder gass og midlene i punkt a ved den andre posisjon er anbrakt hvor blandingen hovedsakelig inneholder væske, d. en datamaskin for å beregne forholdet mellom i det minste én av tap-eller fasemålingene fra den første posisjon og den tilsvarende tap- eller fasemålingen fra nevnte andre posisjon, e. en datamaskin og et matematikkprogram for å beregne konduktiviteten av vannet som inneholdes i flerkomponentblandingen basert på resultatet av punkt d og en empirisk frembrakt kalibreringskurve for sammenhengen mellom forholdet angitt i punkt d og konduktiviteten av vann.

15. Innretning i henhold til krav 14, hvor det rørformede avsnittet er en i hovedsak horisontal rørseksjon.

16. Innretning i henhold til krav 15, hvor det nevnte rørformede avsnittet har et utvidet tverrsnittsareal.

17. Innretning i henhold til krav 15 eller 16, som omfatter elektroniske midler for å sende elektromagnetisk energi på minst to frekvenser over to sendeantenner og registrere mottatt elektromagnetisk energi for frekvensene på minst to motta-antenner.

18. Innretning i henhold til hvilket som helst av kravene 14-16, som omfatter elektroniske midler for å sende elektromagnetisk energi og motta energi reflektert fra røret.

19. Innretning i henhold til hvilket som helst av kravene 16-18, som omfatter et matematisk program for å beregne vannfraksjonen i væsken.

20. Innretning i henhold til hvilket som helst av kravene 14-19, som omfatter midler for å måle hastigheten for en flerfaseblanding.

21. Innretning i henhold til krav 20, som omfatter midler for å måle nevnte hastighet ved krysskorrelering av målinger utført i to tverrsnitt i de rørformede avsnittene.

22. Innretning i henhold til krav 20, som omfatter midler for å måle nevnte hastighet i en trang passasje i det rørformede avsnittet.