NO335934B1

NO335934B1 - Method and apparatus for measuring concentrations of a conductive water fraction in a multiphase stream, and use thereof

Info

Publication number: NO335934B1
Application number: NO20020168A
Authority: NO
Inventors: Erling Hammer
Original assignee: Hammertech As
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 2002-01-14
Publication date: 2015-03-30
Also published as: NO20020168D0; NO20020168L

Abstract

Det omtales en fremgangsmåte til måling av interfasenivå mellom fluider, og den kjennetegnes ved at det ved hjelp av et magnetfeltdannende organ, opprettes et varier- ende magnetfelt i et av fluidene hvorved det opprettes et motsatt rettet magnetfelt som er en funksjon av fluidets egenskaper med hensyn til andel ledende fraksjon i fluidet, og fraksjonens ledningsevne; og egenskapene til nevnte fluid registreres ved registrering av systemets fremherskende impedans eventuelt en resonansfrekvens; og ved tilsvarende registreringer i ulike fluidsjikt i respektive høydenivåer, og i de forekommende interfasesjikt, og deretter innbyrdes sammenligning av nevnte egenskaper, bestemmes de et eller flere forekommende interfasenivå. Det omtales også en anording til gjennomføring av fremgangsmåten. Til måling av konsentrasjoner/andeler av et første fluid i et andre fluid i flerfase blandinger, eller i strømninger av fluidene, er det angitt flere fremgangsmåter og apparater, samt anvendelser av disse.A method of measuring interphase level between fluids is disclosed and is characterized in that by means of a magnetic field forming means a varying magnetic field is created in one of the fluids thereby creating an opposite directed magnetic field which is a function of the properties of the fluid with respect to the fluid. to the proportion of conductive fraction in the fluid, and the conductivity of the fraction; and the properties of said fluid are recorded by recording the prevailing impedance of the system, optionally a resonant frequency; and by corresponding records in different fluid layers at respective height levels, and in the interphase layers occurring, and then comparing said properties, they determine one or more interphase levels. There is also mentioned a device for carrying out the method. For measuring concentrations / proportions of a first fluid in a second fluid in multiphase mixtures, or in flows of the fluids, several methods and apparatus are disclosed, as well as applications thereof.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et apparat til måling av konsentrasjoner av en ledende vannfraksjon i en flerfase-strøm, slik det fremgår av innledningen i de etterfølgende krav 1 henholdsvis 2. Oppfinnelsen gjelder særlig å måle på ledende fraksjon i flerfasestrømmer der fluidene er innbyrdes ikke-blandbare. The present invention relates to a method and an apparatus for measuring concentrations of a conductive fraction of water in a multiphase flow, as is evident from the introduction in the following claims 1 and 2 respectively. The invention relates in particular to measuring the conductive fraction in multiphase flows where the fluids are mutually non-miscible.

Oppfinnelsen vedrører også en anvendelse av fremgangsmåten og apparatet. The invention also relates to an application of the method and the apparatus.

Oppfinnelsene har særlig tilknytning til olje-industri hvor en håndterer ikke-blandbare faser av hydrokarboner (olje og gass) og vann, idet det også kan være tilstede salter (gir vannet en salinitet) i vannfraksjonen, og større eller mindre mengder av faste partikler, såsom sand. Oppfinnelsene anvendes når man håndterer strømmende blandinger av slike fluider, og ønsker å vite innbyrdes sammensetninger. The inventions are particularly related to the oil industry, where immiscible phases of hydrocarbons (oil and gas) and water are handled, as there may also be salts present (giving the water a salinity) in the water fraction, and larger or smaller amounts of solid particles, such as sand. The inventions are used when one handles flowing mixtures of such fluids, and wants to know their mutual compositions.

I denne forbindelse skal det vises til de følgende patentpublikasjoner: SE-399. 962, US-4.165.641, NO-980070, SU-1.696.885, JP-11006755 og US patent-skriftene US-4.816.758, US-5.549.008, US-4.458.524 og US-4.367.440. De metoder som omtales i de ovennevnte patenter som gjelder nivåmålinger, innebærer at minst en av fasene må være konduktiv. De kjente metodene kan derfor bare måle vann, eller ikke-vann, og kan ikke skille mellom gasser og oljefasene. I slike blandinger er det normalt også to grenseflatesjikt mellom vannet og oljen over vannflaten, dvs. vannkontinuerlig - og en oljekontinuerlig fase, og dessuten er det en skumfase mellom oljefasen og gassfasen. Det har vist seg de frekvensene som anvendes i de ovennevnte kjente metodene er for lav for at metoden skal kunne brukes til å fremskaffe målinger på flere ikke-ledende faser. Dette i relasjon til foreliggende oppfinnelse som gjelder målinger som utføres på flerfasestrømmer, av blandinger av olje og vann. In this connection, reference should be made to the following patent publications: SE-399. 962, US-4,165,641, NO-980070, SU-1,696,885, JP-11006755 and US patents US-4,816,758, US-5,549,008, US-4,458,524 and US-4,367,440. The methods mentioned in the above-mentioned patents which apply to level measurements imply that at least one of the phases must be conductive. The known methods can therefore only measure water, or non-water, and cannot distinguish between gases and the oil phases. In such mixtures, there are normally also two interface layers between the water and the oil above the water surface, i.e. water-continuous and an oil-continuous phase, and furthermore there is a foam phase between the oil phase and the gas phase. It has been shown that the frequencies used in the above-mentioned known methods are too low for the method to be used to obtain measurements on several non-conductive phases. This is in relation to the present invention, which concerns measurements carried out on multiphase flows, of mixtures of oil and water.

Det er et formål med oppfinnelsen å frembringe en ny fremgangsmåte og et apparat til måling av konsentrasjoner/andeler av en ledende fraksjon i strøm-mende flerfase-blandinger, og særlig der fluidene er innbyrdes ikke-blandbare. It is an object of the invention to produce a new method and apparatus for measuring concentrations/proportions of a conductive fraction in flowing multiphase mixtures, and in particular where the fluids are mutually immiscible.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at The method according to the invention is characterized in that

at det påtrykkes en vekselspenning ved anvendelse av en eksitasjonsspole som er anordnet omsluttende rundt et legeme, så som et rør, som frem-fører flerfase-strømmen, hvor vekselspenningens frekvens er i størrelsesorden 5MHz og opp til 20 MHz, that an alternating voltage is applied using an excitation coil which is arranged encircling a body, such as a pipe, which carries the multiphase current, where the frequency of the alternating voltage is in the order of 5 MHz and up to 20 MHz,

at en indusert spenning registreres med en detektorspole som er anordnet omsluttende rundt legemet, hvorved vannkonsentrasjonen i flerfasestrøm-men å bestemmes basert på nevnte induserte spenning, that an induced voltage is registered with a detector coil arranged enclosing the body, whereby the water concentration in the multiphase flow is determined based on said induced voltage,

at trinnet hvor det påtrykkes en vekselspenning ytterligere omfatter at det påtrykkes en første resonansfrekvens f1 ved anvendelse av nevnte eksitasjonsspole og en andre resonansfrekvens f2 ved anvendelse av en andre eksitasjonsspole, og that the step where an alternating voltage is applied further comprises applying a first resonant frequency f1 when using said excitation coil and a second resonant frequency f2 when using a second excitation coil, and

at de første og andre resonansfrekvenser (fl hhv f2) er innbyrdes forskjellige, slik at den resulterende induserte spenning i detektorspolen utgjør summen av induserte spenninger fra magnetfeltene som oppsettes av eksitasjonsspole og den andre eksitasjonsspole, frembringer uavhengige parametre. that the first and second resonance frequencies (fl and f2) are mutually different, so that the resulting induced voltage in the detector coil constitutes the sum of induced voltages from the magnetic fields set up by the excitation coil and the second excitation coil, produces independent parameters.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at The device according to the invention is characterized in that

et legeme, så som et rør, innrettet til å fremføre flerfasestrømmen, a body, such as a pipe, adapted to carry the multiphase current,

en eksitasjonsspole, an excitation coil,

en detektorspole, hvor a detector coil, where

- eksitasjonsspolen og detektorspolen er anordnet omsluttende rundt legemet, og eksitasjonsspolen er innrettet til å påtrykkes en vekselspenning, detektorspolen er innrettet til å registrere en indusert spenning slik at konsentrasjoner av ledende vann i flerflasestrømmen kan bestemmes, - eksitasjonsspolen er innrettet til å påtrykke en vekselspenning med en første resonansfrekvens fl, idet - apparatet videre omfatter en andre eksitasjonsspole innrettet til å påtrykke en vekselspenning med en andre resonansfrekvens f2, hvor de første og andre resonansfrekvenser er innbyrdes forskjellige, slik at den induserte spenning i detektorspolen, hvilken induserte spenning som er summen av indusert spenning fra magnetfeltene som dannes av eksitasjonsspolen og den andre eksitasjonsspole, frembringer uavhengige parametre. - the excitation coil and the detector coil are arranged encircling the body, and the excitation coil is arranged to apply an alternating voltage, the detector coil is arranged to register an induced voltage so that concentrations of conductive water in the multiphase flow can be determined, - the excitation coil is arranged to apply an alternating voltage with a first resonant frequency fl, the apparatus further comprising a second excitation coil arranged to apply an alternating voltage with a second resonant frequency f2, where the first and second resonant frequencies are mutually different, so that the induced voltage in the detector coil, which induced voltage is the sum of induced voltage from the magnetic fields formed by the excitation coil and the second excitation coil produces independent parameters.

Ifølge en foretrukket utførelse av apparatet er detektorspolen anordnet mellom de to eksitasjonsspolene. According to a preferred embodiment of the apparatus, the detector coil is arranged between the two excitation coils.

Ifølge enda en foretrukket utførelse er de to eksitasjonsspolene og detektorspolen montert inne i en kappe, så som av stål, og kappen omslutter legemet. According to yet another preferred embodiment, the two excitation coils and the detector coil are mounted inside a jacket, such as steel, and the jacket surrounds the body.

Ifølge oppfinnelsen anvendes fremgangsmåten og apparatet til å måle den ledende vannfase i en strømmende blanding av olje, vann og gass hvor vannet er elektrisk ledende, mens gassen og oljen er ikke-ledende. According to the invention, the method and apparatus are used to measure the conductive water phase in a flowing mixture of oil, water and gas where the water is electrically conductive, while the gas and oil are non-conductive.

Prinsippene for oppfinnelsen skal forklares mer detaljert i den etterfølgende beskrivelse og illustrert i de etterfølgende figurer. The principles of the invention will be explained in more detail in the following description and illustrated in the following figures.

De fem første figurene 1 -5, med den tilhørende tekst, er for å illustrere det opp-finneriske prinsipp skissert i forbindelse med nivåmålinger som ifølge prioritets-søknaden 19993436, norsk patent NO-326.208, mens figurene 6-7 gjelder utførelsene for måling på flerfasestrømninger som ifølge oppfinnelsen. The first five figures 1-5, with the associated text, are to illustrate the inventive principle outlined in connection with level measurements as according to priority application 19993436, Norwegian patent NO-326,208, while figures 6-7 concern the designs for measurement on multiphase flows as according to the invention.

Nærmere bestemt viser figur 1 en apparatoppstilling i form av en separasjonstank med fasene (nedenfra) vann, olje, og gass, og mellomliggende grensesjikt. More specifically, Figure 1 shows an apparatus arrangement in the form of a separation tank with the phases (from below) water, oil and gas, and an intermediate boundary layer.

Figur 2 viser et blokkdiagram over elementene som inngår i detektoren. Figure 2 shows a block diagram of the elements included in the detector.

Figur 3 viser målekurven for impedansen i spolen avhengig av sjiktet målesonden befinner seg i. Figur 4 viser hvordan oppfinnelsen kan benyttes til oppkopling av nivåmåleutstyr for måling av nivåer i en beholder. Figur 5 viser en sammenstilling av en eksitasjons- og detektorspole for måling av vannfraksjon i flerfase blandinger som ifølge oppfinnelsen. Figur 6 viser en sammenstilling av to eksitasjonsspoler og en detektorspole for måling av ledende væske, (vannfraksjon). Figur 7 viser resultatet av målinger utført på en strømmende blanding av olje/vann/gass ved anvendelse av apparaturen vist på figur 6. Figure 3 shows the measurement curve for the impedance in the coil depending on the layer the measuring probe is in. Figure 4 shows how the invention can be used to connect level measuring equipment for measuring levels in a container. Figure 5 shows an assembly of an excitation and detector coil for measuring the water fraction in multiphase mixtures as according to the invention. Figure 6 shows an assembly of two excitation coils and a detector coil for measuring conductive liquid, (water fraction). Figure 7 shows the result of measurements carried out on a flowing mixture of oil/water/gas using the apparatus shown in Figure 6.

Nytt måleprinsipp. New measurement principle.

Et varierende magnetfelt som skjærer gjennom et medium vil indusere virvel-strømmer i mediet dersom det er elektrisk ledende eller deler av det er elektrisk ledende. Disse virvelstrømmene vil sette opp et magnetfelt som er rettet i mot det påtrykte feltet. Det motinduserte feltet vil være proporsjonalt med fraksjonen av de ledende komponenter i mediet og den elektriske ledningsevenen til disse. A varying magnetic field that cuts through a medium will induce eddy currents in the medium if it is electrically conductive or parts of it are electrically conductive. These eddy currents will set up a magnetic field which is directed against the applied field. The counter-induced field will be proportional to the fraction of the conductive components in the medium and the electrical conductivity of these.

Det magnetiske feltet kan genereres av en spole som får strøm fra en oscillator. Den elektriske impedans i spolen vil da være avhengig av mediet omkring. Føl-somheten øker med magnetfeltets frekvens, men frekvensen begrenses oppad av feltets inntrengningsdybde i mediet. The magnetic field can be generated by a coil powered by an oscillator. The electrical impedance in the coil will then depend on the surrounding medium. The sensitivity increases with the frequency of the magnetic field, but the frequency is limited upwards by the depth of penetration of the field into the medium.

Plasseres en slik spole ned i en separasjonstank vil impedansen i spolen være minst i vann og størst i gass I skum, olje og vann/olje emulsjoner, vil vi få verdi-er på spoleimpedansen i mellom de nevnte yttergrenser. I olje-, vann-, gass-blandinger er det vist eksperimentelt at frekvenser mellom 5MHZ og 15 MHZ vil være et optimalt kompromiss mellom økning i følsomhet og reduksjon i inntrengningsdybde. Frekvensen bestemmes av spolens diameter og vindingstall. Størst følsomhet får man ved spolens resonansfrekvens If such a coil is placed in a separation tank, the impedance in the coil will be least in water and greatest in gas. In foam, oil and water/oil emulsions, we will get values of the coil impedance between the mentioned outer limits. In oil, water, gas mixtures, it has been shown experimentally that frequencies between 5 MHZ and 15 MHZ will be an optimal compromise between increase in sensitivity and decrease in penetration depth. The frequency is determined by the diameter and number of turns of the coil. The greatest sensitivity is obtained at the resonant frequency of the coil

hvor L er spolens induktans og C er spolens resulterende kapasitans mellom vindingene. where L is the inductance of the coil and C is the resultant capacitance of the coil between the turns.

Da L er omvendt proporsjonal med det motinduserte feltet i mediet og C er avhengig av permittiviteten til mediet, kan resonansfrekvensen fø benyttes til å bestemme om spolen befinner seg i olje, skum eller gass da kapasitansen C (men ikke induktansen L) vil være forskjellig i hvert av disse lagene. Både spoleimpedanse og resonansfrekvens vil være avhengig av ledningsevnen og størrelsesfordelingen av den ledende komponenten (prosessvannet) ved detektorspolen. As L is inversely proportional to the counter-induced field in the medium and C is dependent on the permittivity of the medium, the resonance frequency can be used to determine whether the coil is in oil, foam or gas as the capacitance C (but not the inductance L) will be different in each of these layers. Both coil impedance and resonant frequency will depend on the conductivity and size distribution of the conductive component (process water) at the detector coil.

Men det er den relative endring i impedans, eventuelt resonansfrekvens, som eksempelvis gir de forskjellige fasenivåene i en separasjonstank. Variasjonen i vannets ledningsevne og dråpestørrelsesfordeling av vann i oljen (oljekonti nuerlig blanding) samt dråpestørrelsesfordeling av olje i vannet (vannkontinuerlig blanding) får derfor ingen innflytelse på nivåmålingen. Figur 1 viser en prinsippskisse av måleoppstillingen på laboratoriet i form av en separasjonstank/beholder 10 (såsom av glass) som rommer de tre fasene vann, olje, og gass som tre separate sjikt nedenfra i nevnte rekkefølge, samt mellomliggende grensesjikt. Mellom oljefasen og vannfasen dannes det to emulsjons-sjikt. Det nederste av disse sjikt er et vannsjikt 13 med en andel av emulgerte oljedråper, som benevnes et vannkontinuerlig sjikt, og et overliggende oljesjikt 15 som inneholder en andel emulgerte vanndråper som benevnes et oljekontinuerlig sjikt. En målesonde i form av en spole 12, fortrinnsvis anordnet i et rør av elektrisk isolerende materiale (et plastrør)), og koplet opp mot en impe-danseanalysator 17, settes ned i beholderen og impedansen måles i tur og orden i hvert av de ovennevnte sjiktene. Figur 2 viser oppkoplingen av detektorelektronikken. Koplingen består av en detektorspole 20 inneholdende en kapasitans C1 koplet i parallell med en spole L1. En forsterker 26 er tilbakekoplet med spolen Ls og kapasitansen C1. Videre er spolen 20 koplet til en fasedetektor 22, som igjen er forbundet med en inte-grator 24, som igjen er koplet til en spenningsoscillator VCO. But it is the relative change in impedance, possibly resonant frequency, which, for example, gives the different phase levels in a separation tank. The variation in the conductivity of the water and the droplet size distribution of water in the oil (continuous oil mixture) as well as the droplet size distribution of oil in the water (continuous water mixture) therefore have no influence on the level measurement. Figure 1 shows a principle sketch of the measurement set-up at the laboratory in the form of a separation tank/container 10 (such as glass) which contains the three phases water, oil and gas as three separate layers from below in the mentioned order, as well as an intermediate boundary layer. Between the oil phase and the water phase, two emulsion layers are formed. The lowest of these layers is a water layer 13 with a proportion of emulsified oil droplets, which is referred to as a water continuous layer, and an overlying oil layer 15 which contains a proportion of emulsified water droplets which is referred to as an oil continuous layer. A measuring probe in the form of a coil 12, preferably arranged in a tube of electrically insulating material (a plastic tube)), and connected to an impedance analyzer 17, is placed in the container and the impedance is measured in turn in each of the above the layers. Figure 2 shows the connection of the detector electronics. The coupling consists of a detector coil 20 containing a capacitance C1 connected in parallel with a coil L1. An amplifier 26 is fed back with the coil Ls and the capacitance C1. Furthermore, the coil 20 is connected to a phase detector 22, which in turn is connected to an integrator 24, which in turn is connected to a voltage oscillator VCO.

Oscillatoren VCO er forbundet til den tilbakekoplete kretsen via en motstand RO, og direkte koplet til fasedetektoren 22. Denne oppkoblingen vil sikre eksi-tasjon av spolen ved resonans samt muliggjøre at spolens impedans og resonansfrekvens kan måles (ved resonans er impedansen ren resistans). The oscillator VCO is connected to the feedback circuit via a resistor RO, and directly connected to the phase detector 22. This connection will ensure excitation of the coil at resonance and enable the impedance and resonance frequency of the coil to be measured (at resonance the impedance is pure resistance).

Forklaring til Fig 2. Explanation for Fig 2.

Når detektorspolen L1 er i resonans med C1 er tilbakekoplingsimpedansen for forsterker 26 rent resistiv og faseforskyvningen mellom©2 og©1 vil være -180 vinkelgrader. Da er q>1 + q>2 =0 og spenningen ut fra fasedetektoren 22 er null. Integratoren 24 vil da ha en konstant utgangsspenning som holder den spenningsstyrte oscillatoren på oo2. Dersom nå detektorspolens induktivitet endrer seg ved at spolen omgis av et annet materiale, vil tilbakekoplingsnettverket for forsterker 26 introdusere en faseforskyvning slik at q>1 + q>2 blir forskjellig fra null. Fasedetektoren 22 gir dermed ut en spenning som integreres opp i integratoren 24 og den spenningsstyrte oscillatoren endrer frekvensen a>2 inntil L1 og C1 igjen er i resonans og dermed q>1 + q>2 = 0. Frekvensen©2 vil således være karakteristisk for den væsken detektorspolen omgis med. When the detector coil L1 is in resonance with C1, the feedback impedance for amplifier 26 is purely resistive and the phase shift between ©2 and ©1 will be -180 angular degrees. Then q>1 + q>2 =0 and the voltage from the phase detector 22 is zero. The integrator 24 will then have a constant output voltage which keeps the voltage-controlled oscillator at oo2. If now the inductance of the detector coil changes because the coil is surrounded by a different material, the feedback network for amplifier 26 will introduce a phase shift so that q>1 + q>2 becomes different from zero. The phase detector 22 thus outputs a voltage which is integrated in the integrator 24 and the voltage-controlled oscillator changes the frequency a>2 until L1 and C1 are again in resonance and thus q>1 + q>2 = 0. The frequency ©2 will thus be characteristic of the liquid with which the detector coil is surrounded.

Resultater fra laboratoriemålingen med sondekoplingen ifølge figurene 1 og 2 er vist i figur 3. Den målte spoleimpedansen er vist som funksjon av nivå i separa-sjonstanken (N=10, f=11 MHz) (N er antall viklinger, og f er frekvensen). Results from the laboratory measurement with the probe connection according to figures 1 and 2 are shown in figure 3. The measured coil impedance is shown as a function of level in the separation tank (N=10, f=11 MHz) (N is the number of windings, and f is the frequency) .

Av figurene 1 og 3 vil det framgå at når spolen er omgitt av prosessvann (f.eks. vann med ledningsevne 5 Siemens/meter) er spoleimpedansen lav (ca 10 ohm). Den begynner å stige ved ca. 5 cm grunnet vanndråper i oljen. Ved 7 cm (i vann/olje-emulsjonslaget) har impedansen steget til ca. 200 ohm for så å øke til 350 ohm i oljefasen. Figures 1 and 3 show that when the coil is surrounded by process water (e.g. water with a conductivity of 5 Siemens/metre) the coil impedance is low (approx. 10 ohms). It starts to rise at approx. 5 cm due to water droplets in the oil. At 7 cm (in the water/oil emulsion layer), the impedance has risen to approx. 200 ohms and then increase to 350 ohms in the oil phase.

Istedenfor å benytte kun en eneste spole som flyttes manuelt fortløpende til de nevnte sjiktene, nevnt ovenfor, kan man benytte en neddykkbar stang hvortil det er montert et antall slike spoler og som totalt da dekker alle de ulike sjiktene som vises på figur 1, slik det vil framgå av neste eksempel. Instead of using only a single coil which is moved manually successively to the mentioned layers, mentioned above, one can use a submersible rod to which a number of such coils are mounted and which in total then covers all the different layers shown in figure 1, as it will appear from the next example.

Det praktiske arrangement. The practical arrangement.

Under henvisning til figur 4, er et gitt antall spoler 30a,30b..30h (i dette eksem-pelet 7 spoler) montert til en neddykkbar stang, er nedsatt/plassert inne i et tett rør 32 av elektrisk isolerende materiale. Spoletilkoplingene i form av ledninger føres gjennom røret 32 til en elektronikkboks (ikke vist spesielt på figuren) plas-sert på tankens 34 topp. En standard elektronisk multiplekser kopler spolene til detektorelektronikken én etter én og målesignalet fra detektorelektronikken føres videre for tolkning, presentasjon, informasjon og styring. With reference to Figure 4, a given number of coils 30a, 30b..30h (in this example 7 coils) are mounted to a submersible rod, are lowered/placed inside a tight tube 32 of electrically insulating material. The coil connections in the form of wires are led through the pipe 32 to an electronics box (not shown specifically in the figure) placed on top of the tank 34. A standard electronic multiplexer connects the coils to the detector electronics one by one and the measurement signal from the detector electronics is passed on for interpretation, presentation, information and control.

Den foreliggende oppfinnelse: The present invention:

Dette måleprinsippet benyttes til måling av vannfraksjon i flerfase blandinger der vannkomponenten er den eneste elektrisk ledende komponenten. Det benyttes da en eksitasjonsspole 40 med en oscillator 41 og en deteksjonsspole 42 med en spenningsdetektor 43, som vist i figur 5. Begge spolene 40,42 anordnes utenpå et rør av elektrisk isolerende materiale 44 som fremfører flerefasebland-ingen. En oscillator setter opp en vekselspenning i spolen for induksjon av et magnetfelt gjennom røret. Fraksjonen (andelen) av elektrisk ledende komponenter i blandingen bestemmer styrken av det induserte magnetfelt, og derved den indusert spenning i detektor/målespolen. This measurement principle is used to measure the water fraction in multiphase mixtures where the water component is the only electrically conductive component. An excitation coil 40 with an oscillator 41 and a detection coil 42 with a voltage detector 43 are then used, as shown in Figure 5. Both coils 40, 42 are arranged on the outside of a tube of electrically insulating material 44 which carries out the multiphase mixture. An oscillator sets up an alternating voltage in the coil to induce a magnetic field through the tube. The fraction (proportion) of electrically conductive components in the mixture determines the strength of the induced magnetic field, and thereby the induced voltage in the detector/measuring coil.

I en olje-/vann-/gassblanding vil den induserte spenning i målespolen være avhengig av vanninnholdet, men ikke av gass- og oljeinnholdet i blandingen, siden disse to siste komponentene ikke er elektrisk ledende. I flerfase strømnings- metre benyttes i dag permittivitetsmåling og/eller gamma-absorbsjonsmåling for å bestemme fraksjonene i blandingene. Begge disse målemetodene blir på-virket av alle tre komponentene samtidig, noe som kompliserer fraksjonsbereg-ningen. Dette måleprinsippet gjør det mulig å måle vannfraksjonen fra 0 til 100% vann uavhengig av mengden av de andre komponentene i blandingen når disse er elektrisk isolerende. Målingene vil imidlertid bli influert av vannkom-ponentens ledningsevne, men ved å benytte seg av impedansen ved resonans kan denne innflytelse elimineres. In an oil/water/gas mixture, the induced voltage in the measuring coil will depend on the water content, but not on the gas and oil content of the mixture, since these last two components are not electrically conductive. In multiphase flowmeters today, permittivity measurement and/or gamma absorption measurement are used to determine the fractions in the mixtures. Both of these measurement methods are affected by all three components at the same time, which complicates the fraction calculation. This measurement principle makes it possible to measure the water fraction from 0 to 100% water regardless of the amount of the other components in the mixture when these are electrically insulating. The measurements will, however, be influenced by the conductivity of the water component, but by using the impedance at resonance this influence can be eliminated.

Dråpestørrelsesfordelingen i væskeblandingen vil også influere på måleresul-tatet både i vannkontinuerlig og vanndiskontinuerlig fase. For å kompensere for denne innflytelsen trengs en måling med en parallelt stående eksitasjonsspole med annen resonansfrekvens. Vi har da tre uavhengige målevariable til å løse de tre ukjente: Ledningsevne i vannkomponenten, dråpestørrelesfordelingen i væskeblandingen og vannfraksjonen (vannkutt). The droplet size distribution in the liquid mixture will also influence the measurement result in both the water continuous and water discontinuous phase. To compensate for this influence, a measurement with a parallel standing excitation coil with a different resonance frequency is needed. We then have three independent measurement variables to solve the three unknowns: Conductivity in the water component, the droplet size distribution in the liquid mixture and the water fraction (water cut).

Det praktiske arrangement for måling av vannfraksjonen i væske/ gassbland-inger. The practical arrangement for measuring the water fraction in liquid/gas mixtures.

Måleren for deteksjon av vannkutt i rørstrøm bygges eksempelvis som vist i figur 6. The meter for detecting water cuts in pipe flow is built, for example, as shown in figure 6.

To eksitasjonsspoler 50,52 er viklet rundt et isolerende rør 54 ("liner") av et elektrisk isolerende materiale (så som av såkalt peek). Mellom de to eksitasjonsspolene 50,52 er det om røret 54 viklet en detektorspole 56 for feltet som genereres av de to ytterspolene. De tre spolene 50,52,56 er montert inne i en kappe 58 såsom av stål, og hele denne enheten omslutter det legeme (rør/ka-nal) som væsken strømmer igjennom. Væsken strømmer fortrinnsvis nedenfra og oppad, som vist med pilen 60. De to eksitasjonsspolene 50,52 er tilkoplet respektive eksitasjons-oscillatorer 62 hhv 64 som setter opp respektive veksel-spenninger med ulike frekvenser fl og f2, for eksempel slik at f1>f2. Videre er detektorspolen 56 tilkoplet en spenningsdetektor 66 som registrerer den induserte vekselspenning som følge av det induserte motrettede magnetfelt som igjen følger av vannet i den strømmende olje. Den induserte spenningen i detektorspolen er til enhver tid summen av den induserte spenningen fra de magnetiske felt fra eksitasjonsspolen og inneholder således to frekvenser. Amplituder og frekvenser detekteres og vannfraksjon og ledningsevne i vannet beregnes f.eks. ved hjelp av matematiske modeller eller et nevralt nettverk. Dersom det benyttes én frekvens og resonansfrekvensen for én spole eller indusert spenning i detektorspolen benyttes, må ledningsevnen i vannet være kjent. Vannfraksjon og ledningsevne kan variere. Two excitation coils 50,52 are wound around an insulating tube 54 ("liner") of an electrically insulating material (such as so-called peek). Between the two excitation coils 50,52, a detector coil 56 for the field generated by the two outer coils is wound around the tube 54. The three coils 50,52,56 are mounted inside a casing 58, such as made of steel, and this whole unit encloses the body (pipe/channel) through which the liquid flows. The liquid preferably flows from below upwards, as shown by arrow 60. The two excitation coils 50,52 are connected to respective excitation oscillators 62 and 64 respectively which set up respective alternating voltages with different frequencies fl and f2, for example so that f1>f2. Furthermore, the detector coil 56 is connected to a voltage detector 66 which registers the induced alternating voltage as a result of the induced opposing magnetic field which in turn follows from the water in the flowing oil. The induced voltage in the detector coil is at all times the sum of the induced voltage from the magnetic fields from the excitation coil and thus contains two frequencies. Amplitudes and frequencies are detected and water fraction and conductivity in the water are calculated, e.g. using mathematical models or a neural network. If one frequency is used and the resonance frequency for one coil or induced voltage in the detector coil is used, the conductivity of the water must be known. Water fraction and conductivity may vary.

Ved å bruke ulike frekvenser har man to uavhengige ligninger som kan benyttes til å beregne vannfraksjon og ledningsevnen i vannet ved bruk av nevnte matematiske modeller. By using different frequencies, you have two independent equations that can be used to calculate the water fraction and the conductivity in the water using the aforementioned mathematical models.

Bruk av én frekvens kan frembringe både resonansfrekvens og impedanse som gir ot uavhengige variable som også kan benyttes til å beregne væskefraksjon og ledningsevnen i væsken. Use of one frequency can produce both resonance frequency and impedance which give ot independent variables which can also be used to calculate liquid fraction and the conductivity in the liquid.

De eksperimentelle resultater fra målinger utført på en trekomponent strøm-ningsrigg (olje/vann/gass) er vist i figur 7. Figuren viser den induserte spenning i millivolt som funksjon av vannfraksjonen i prosent. Det framgår at både for de to overgangsfasene, vannkontinuerlig og oljekontinuerlig fase, synker den induserte spenning når vannandelen stiger. Forsøkene, med målepunktene angitt på figur 7, viser det brå fallet i indusert spenning med økende vannandel, ved overgangene mellom vannkontinuerlig og oljekontinuerlig fase. Nøyaktig hvor fallet inntreffer avhenger av fra hvilken retning man måler fra. Enten i oljekontinuerlig med avtagende vannfraksjon eller i vannkontinuerlig med økende vannfraksjon. Man oppnår således en hysteresesløyfe, og dette område definerer da skillet mellom de to grensesjiktene. The experimental results from measurements carried out on a three-component flow rig (oil/water/gas) are shown in Figure 7. The figure shows the induced voltage in millivolts as a function of the water fraction in percent. It appears that for both the two transition phases, water continuous and oil continuous phase, the induced voltage decreases as the water content rises. The experiments, with the measurement points indicated in Figure 7, show the abrupt drop in induced voltage with increasing water content, at the transitions between the water-continuous and oil-continuous phase. Exactly where the fall occurs depends on the direction from which you measure. Either in oil continuous with decreasing water fraction or in water continuous with increasing water fraction. A hysteresis loop is thus achieved, and this area then defines the distinction between the two boundary layers.

Spenning-eksitasjon/detector-spolene ifølge figurene 5-6 er innbefattet i en større krets, slik som den som anvendes i forbindelse med figurene 1-4, for å analysere impedanse/resonans-frekvensen, og hvor sammenligningen gjen-nomføres med kalibrerte måleverdier, slik at man kan fremskaffe data over innhold/fordeling av ledende komponent i flerfasefluidet. Dermed kan man analysere på fraksjonen av ledende komponent. The voltage excitation/detector coils according to figures 5-6 are included in a larger circuit, such as that used in connection with figures 1-4, to analyze the impedance/resonance frequency, and where the comparison is carried out with calibrated measurement values , so that data can be obtained on the content/distribution of conductive components in the multiphase fluid. Thus, one can analyze the fraction of the conducting component.

Fremgangsmåten og anordningen som er beskrevet i forbindelse med figurene 5-7, er særlig anvendelig for å måle ledende komponent(er) i strømmende flerfaseblandinger av vann, olje og gass. Dette er relevant under utvinningen av hydrokarboner fra et oljefelt under den vanlige transporten og behandlingen av slike blandinger, for eksempel i raffinerier. The method and device described in connection with figures 5-7 are particularly applicable for measuring conductive component(s) in flowing multiphase mixtures of water, oil and gas. This is relevant during the extraction of hydrocarbons from an oil field during the normal transport and processing of such mixtures, for example in refineries.

Slike strømmende blandinger er mer eller mindre blandet til emulsjoner, for eksempel oljedråper i vann (vannkontinuerlig fase) eller vanndråper i olje (oljekontinuerlig fase), dvs. på en skala mellom ren vannfase og ren oljefase. Over tid vil tilstanden i en slik blanding variere. Such flowing mixtures are more or less mixed into emulsions, for example oil droplets in water (water continuous phase) or water droplets in oil (oil continuous phase), i.e. on a scale between pure water phase and pure oil phase. Over time, the state of such a mixture will vary.

Dette betyr at fremgangsmåten og anordningen, i kombinasjon med anvendelse av hysteresekurve-presentasjoner som vist på figur 7, kan anvendes til å finne (ved hjelp av dataprosessering med matematiske modeller eller nevrale nettverk) hvilken emulsjonstype som er dominant i det strømmende fluidet til enhver tid, og hvor den nevnte emulsjonsgrad befinner seg (i dråpestørrelses-fordel-ing). Således kan man hele tiden overvåke og få fram informasjon om tilstanden i flerfasestrømmen. Dette er en særlig viktig anvendelse av oppfinnelsen, og representerer et stort fremskritt for oljeindustrien. This means that the method and device, in combination with the use of hysteresis curve presentations as shown in Figure 7, can be used to find (by means of data processing with mathematical models or neural networks) which emulsion type is dominant in the flowing fluid at any given time , and where the aforementioned degree of emulsion is located (in droplet size distribution). Thus, one can constantly monitor and obtain information about the state of the multiphase current. This is a particularly important application of the invention, and represents a major advance for the oil industry.

Tilsvarende metodologi anvendes for å kartlegge enhver forekommende over-gangsemulsjoner mellom ren olje og vannfaser i en tank, så som i en lagertank, som beskrevet i forbindelse med figur 1-4 - se det parallelle norsk patent NO-326.208 som gjelder nivåmålinger. Således kan man kartlegge hvor over-gangen mellom de oljekontinuerlige og vannkontinuerlige fasene ligger. A similar methodology is used to map any occurring transition emulsions between pure oil and water phases in a tank, such as in a storage tank, as described in connection with figure 1-4 - see the parallel Norwegian patent NO-326,208 which applies to level measurements. Thus, one can map where the transition between the oil-continuous and water-continuous phases is located.

Dessuten kan oppfinnelsen anvendes på alle flerfaseblandinger (særlig ubland-bare blandinger), som inneholder en blanding av ledende og ikke-ledende komponenter. For eksempel generelt innenfor kjemisk industri, og næringsmiddel-industrien, så som under behandling av melk, for eksempel under homogeni-sering hvor fraksjonen/andelen av fett i melken skal reguleres eller emulgeres. Furthermore, the invention can be applied to all multiphase mixtures (especially immiscible mixtures), which contain a mixture of conductive and non-conductive components. For example, in general within the chemical industry and the food industry, such as during the treatment of milk, for example during homogenization where the fraction/proportion of fat in the milk is to be regulated or emulsified.

Claims

1. Method for measuring concentrations of a conductive water fraction in a multiphase flow, characterized by that an alternating voltage is applied using an excitation coil (50) which is arranged encircling a body, such as a pipe, which carries the multiphase current, where the frequency of the alternating voltage is in the order of 5 MHz and up to 20 MHz, that an induced voltage is registered with a detector coil (56) which is arranged encircling the body, whereby the water concentration in the multiphase flow is determined based on said induced voltage, that the step where an alternating voltage is applied further comprises applying a first resonance frequency f1 using said excitation coil (50) and a second resonance frequency f2 using a second excitation coil (52), and that the first and second resonance frequencies (fl and f2) are mutually different, so that the resulting induced voltage in the detector coil (56) constitutes the sum of induced voltages from the magnetic fields set up by the excitation coil (50) and the second excitation coil (52), produces independent parameters.

2. Apparatus for measuring concentrations of a conductive water fraction in a multiphase flow, characterized in that a body, such as a pipe, adapted to carry the multiphase current, an excitation coil (50), a detector coil (56), where - the excitation coil (50) and the detector coil (56) are arranged encircling the body, and the excitation coil (50) is adapted to be applied an alternating voltage, - the detector coil (56) is adapted to register an induced voltage such that concentrations of conductive water in the multiphase current can be determined, - the excitation coil (50) is arranged to apply an alternating voltage with a first resonance frequency fl, the apparatus further comprises a second excitation coil (52) arranged to apply an alternating voltage with a second resonance frequency f2, where the first and second resonance frequencies are mutually different, so that the induced voltage in the detector coil (56), which induced voltage is the sum of induced voltage from the magnetic fields formed by the excitation coil (50) and the second excitation coil (52) produce independent parameters.

3. Apparatus in accordance with claim 2, characterized in that the detector coil (56) is arranged between the two excitation coils (50,52).

4. Apparatus in accordance with claim 2 or 3, characterized in that the two excitation coils (50 and 52) and the detector coil (56) are mounted inside a jacket (58), such as steel, and the jacket (58) surrounds the body.

5. Use of the method according to claim 1 and the apparatus according to claims 2 - 4 to measure the conductive water phase in a flowing mixture of oil, water and gas where the water is electrically conductive, while the gas and oil are non-conductive.