NO339321B1 - Anordning og apparat for mengdebestemmelse av væsker i brønner med gasskondensatorer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for å måle fraksjonen av væske i en våtgass-strømning.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for å måle fraksjonen av to væsker i en flerfasestrømning av gass.

Oppfinnelsen vedører også et apparat for å bestemme en strømningsmengde av en våtgass-strømning eller en bestanddel i nevnte våtgass-strømning. Oppfinnelen vedrører også et apparat for å måle fraksjonene av vann og kondensat i en flerfasestrømning.

Oppfinnelsen vedrører også en anordning for å måle fraksjonen av en væske i en våtgass-strømning.

For våtgass-strømmer med en svært høy andel gass (f.eks. gassvolumfraksjon (GVF) > 99%), har det vist seg vanskelig å måle, "in-line", veldig små mengder av væsker og vann-i-væske-forholdet (WLR) med bruk av dobbeltenergi kjernemål-ingsteknologi. For undervannsgassbrønner er det for eksempel viktig å detektere, nær brønnhodet, begynnende produksjon av vann og også å bestemme vann-strømningsmengden for å gi et forvarsel om dannelse av hydratplugger og korro-sjon i lange undervannsstrømningsrør og for å styre injeksjonshastigheten av hydrat- og/eller korrosjonshemmere.

Det å skille mellom forskjellige væsker i en gasstrøm, så som kondensat og vann i en brønn med gasskondensat, er også uhyre viktig for å bestemme lønnsomheten til en gassbrønn og for planlegging av væskebehandlingsanlegg ved overflaten. Dette er fordi kondensater kan stå for en stor del av inntekten fra en gassbrønn (f.eks. vil en gassbrønn med en strømningsmengde på opptil 100 MMscf pr. dag og et kondensat/gass-forhold (CGR) på opptil 200 fat/MMscf, produsere opptil 20000 fat kondensat pr. dag).

De fleste kommersielle våtgass-strømningsmålere anvender en differensialtrykk-anordning sammen med annen måleteknologi for å måle strømningsmengder av gass og væske, for eksempel som beskrevet i P. Mehdizadeh mfl. "Wet gas metering: Trends in applications & technical developments", Society of Petroleum Engineers (SPE) 77351 og Ø.L. Bø, mfl. "New compact wet gas meter Based on a microwave water detection technique and differential flow Measurement", North Sea Flow Measurement Workshop, 22 - 25. oktober 2002.

Det har vært to retninger i utviklingen av strømningsmålere for våtgass med høy gassvolumfraksjon: Utvikling av korreksjonsfaktorer for måling av gasstrømningsmengde med énfasegass-strømningsmålere (så som Orifice-målere, Venturi-målere, V-konusmålere, Coriolismålere og ultrasoniske målere) når en liten mengde væske er til stede; og

Bruk av kombinerte in-line flerfasestrømningsmålere med gass/væske-separasjonsteknologi for å håndtere flerfasestrømninger med høy gassvolumfraksjon. Denne løsningen medfører imidlertid gjerne store og kostbare anordninger.

Det er følgelig ønskelig å utvide eksisterende strømningsmålere til trefasestrøm-ning og bestemmelse av vann-i-væske-forholdet til væskefasen i en strømning av våtgass.

Tre metoder anvendes i dag for å bestemme fasefraksjoner og/eller vann-i-væske-forholdet: enkel- og dobbelenergi kjernemagnetiske, elektromagnetiske (mikro-bølger, kapasitans-konduktans) og optiske (f.eks. infrarødt-baserte).

Roxar har anvendt mikrobølgebaserte følere for bestemmelse av vannfasefraksjon i undervannsgassbrønner: se 0. L. Bø, mfl. referert til over.

Basert på måling av smalbåndet, nær-infrarød (NIR - near-infrared) optisk transmisjon gjennom en olje/vann-blanding som strømmer i en innsnevret spalte har eProduction Solutions anvendt vannkuttmåleren Red-Eye(™) (fra tidligere Premium Instruments) for å måle vann-i-væske-forholdet for væskerike (olje/vann) strømmer. Red-Eye-anordningen er angitt å være en utførelsesform av

US 6076049B, og er hovedsaklig en oljefraksjonsmåler; lysutstråling sentrert rundt bølgelengden 950 nm blir hovedsaklig transmittert gjennom vannfase og gassfase, og blir hovedsaklig absorbert av oljefase. Lysutstråling med en andre bølgelengde på 1140 nm er også beskrevet; denne blir hovedsaklig absorbert av oljeinnhold og vanninnhold, og hovedsaklig transmittert av gassinnhold. Den smalbåndede vannkuttmåleren hevdes å gi full vannkuttdeteksjon uavhengig av innblandet gass. For å få en nøyaktig måling av transmisjonen ved 950 nm anvendes detektorer for å måle det direkte transmitterte lyset over den innsnevrede strømningsspalten, og også lyset som spres forover og bakover over spalten.

Red-Eye-måleren er imidlertid angitt å være uegnet for strømning med høyt inn-hold av gass (se en beskrivelse av Red-Eye-måleren på http://www.ep-solutions.com/PDFs/eP_L/L_Red_Eye_Water-Cut_Meter.pdf).

Ytelsen til Red-Eye-vannkuttmåleren er rapportert i SPE 84506 "High-Water Cut: Experience and Assessment in PDO" (SPE Annual Technical Conference and Exhibition, holdt i Denver, Colorado i USA 5-8. oktober 2003). Red Eye-målerens vannkuttnøyaktighet ble funnet å være innenfor +/-1 % absolutt i olje/vann-strømning for vannandeler mellom 85% og 100%, med et konfidensnivå som var høyere enn 90%. I olje/vann/gass-strømning (gassvolumfraksjon =< 25%) var nøyaktigheten innenfor +/- 2% absolutt med et konfidensnivå som var høyere enn 90%. Red Eye-måleren ga store feil (opptil 20% absolutt) ved lavere vannandeler, og også ved lav strømningsmengde (totalt 200m<3>/d). Det siste var fordi strømnin-gen ikke var skikkelig blandet.

US-patentet 6292756 B1 beskriver en smalbåndet infrarød vannfraksjonsmåler for bruk med gassbrønner (og for strømninger av flytende hydrokarboner). Den smalbåndede utsendte lysstrålen sentrert om en bølgelengde på omtrent 1450 nm blir hovedsaklig transmittert gjennom gassfasen og kondensatfasen (flytende hydro-karbon) i en strømning, og blir hovedsaklig absorbert av vannfasen i strømmen (dette er i overensstemmelse med de optiske spektralegenskapene til fluidene vist i figur 1). Den smalbåndede infrarøde vannfraksjonsmåleren hevdes å muliggjøre vannfraksjonsbestemmelse uavhengig av innblandet kondensat. Det finnes ikke publiserte testresultater eller alminnelig tilgjengelige produkter for vannfraksjons-deteksjon i våtgass-strømmer basert på smalbåndede målinger av optisk transmisjon ved en bølgelengde rundt 1450 nm.

For å måle dråpe-evaporasjonen og væske-/damp-fase interaksjoner i aerosoler og sprayer, er det i US-patentet 4470697 beskrevet en optisk metode for å måle konsentrasjonen av gassfasen. To laserstråler passerer gjennom en blanding av gass- og væskepartiklene, der en stråle har en bølgelengde som ikke absorberes av gassen og der den andre har en bølgelengde som absorberes av gassen. Dempning av hver stråle måles, dråpestørrelsesfordelingen måles ved en lysspredningsteknikk og konsentrasjonen av gass i lysstrålebanen betstemmes ut fra dempningen av hver stråle, dråpestørrelsesfordelingene og kjente parametere.

Ett konkret problem forbundet med måling av optisk transmisjon gjennom en flere-fasestrømning er spredningen av den optiske strålen forårsaket av forskjellige mekanismer, i tillegg til eventuell absorbsjon i fasene.

I sine mest generelle aspekter tilveiebringer oppfinnelsen anordninger for in-line (fu I Id iam eter) analyse av flerfasestrømninger som korrigerer for innvirkningen av lysspredning på måleprosessen.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning ifølge krav 1 og 12, samt et apparat ifølge krav 4, 7 og 10.

Særligere utførelsesformer av oppfinnelsen er angitt i kravene 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11 og 13.

Ifølge et første aspekt tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en anordning for å måle fraksjonen av en væske i en våtgass-strømning , der anordningen omfatter: én eller flere lyskilder som sender ut lys med en første bølgelengde der væsken er sterkt absorberende og sender ut lys med en andre bølgelengde som er nær den første bølgelengden og der væsken ikke er sterkt absorberende; og

én eller flere følere for å detektere transmisjonen av lyset ved de første og andre bølgelengdene gjennom nevnte gasstrømning,

der anordningen videre omfatter en prosesseringsanordning for å bestemme en væskefraksjon av væsken i våtgass-strømningen ved å korrigere

transmisjonen målt ved den første bølgelengden for lysspredningseffekter ved hjelp av transmisjonen målt ved den andre bølgelengden,

der lyskildene sender ut pulserende lys og føleren eller prosesseringsenheten omfatter en faselåsanordning for å låse frekvensen til det detekterte signalet til pulsfrekvens til det utsendte signalet.

Anordningen kan følgelig muliggjøre nøyaktig mengdebestemmelse avfraksjons-forholdet (så som vann-i-væske-forholdet) av én eller flere væskefaser ved å korrigere for lysspredningseffekter på de målte transmisjonene.

Væsken som detekteres kan være vann, og nevnte første bølgelengde er da fortrinnsvis omtrent 1450 nm. Som vist i figur 1 har vann en absorbsjonstopp ved 1450 nm ved standard trykk (omtrent 10<5>Pa) og temperatur (omtrent 20°C). Disse områdene kan variere avhengig av temperaturen og/eller trykket. Ved omgivelses-trykk forskyves for eksempel vannets OH-bånd fra 1460 nm til 1424 nm dersom temperaturen økes fra 5 til 85°C. Absorbsjonstoppens styrke endrer seg med omtrent 10% relativt [se V.H. Segtnan mfl. "Studies on the structure of water using two-dimensional near-infrared correlation spectroscopy and principal component analysis", Analytical Chemistry 73 (13): 3153-61 JUL 2001]. Spektralforskjellen ved det isobestiske punktet 1446 nm er nær null [se H. Maeda og Y. Ozaki "Near infrared spectroscopy and chemometrics studies of temperature-dependent spectral variations of water: relationship between spectral changes and hydrogen bonds", J. Near Infrared Spectroscopy 2 191-201 1995]. Over temperaturområdet fra 5 til 85°C synes det fordelaktig å måle vannabsorbsjon ved den isobestiske bølgelengden 1446 nm for å bestemme vannfraksjon.

Væsken som detekteres kan alternativt være kondensat, og nevnte første bølge-lengde blir da fortrinnsvis bestemt ved kalibrering av fluidprøver. For eksempel er kondensatet vist i figur 1 sterkt absorberende ved omtrent 350 nm.

Nevnte andre bølgelengde er fortrinnsvis innenfor 20% av den første bølgeleng-den og er helst den nær den første bølgelengden, samtidig som den er slik at væsken som måles har redusert optisk densitet ved denne bølgelengden.

Ved at de to bølgelengdene som anvendes i anordningen holdes forholdsvis nær ved hverandre, kan innvirkningen av bølgelengdeavhengig lysspredning på målingene ved hver bølgelengde minimeres.

Når væsken som detekteres er vann, er nevnte første bølgelengde fortrinnsvis omtrent 1450 nm, og nevnte andre bølgelengde er fortrinnsvis i området fra omtrent 1200 nm til omtrent 1300 nm. Når væsken som detekteres er kondensat, blir nevnte første bølgelengde fortrinnsvis bestemt ved kalibrering av fluidprøver, og kan være omtrent 350 nm for kondensateksempelet vist i figur 1, idet nevnte andre bølgelengde fortrinnsvis er omtrent 500 nm. Når væsken som detekteres er kondensat, er nevnte første bølgelengde typisk i området fra omtrent 250 nm til 450 nm, og nevnte andre bølgelengde er i området fra omtrent 450 nm til 600 nm.

De første og andre bølgelengdene velges fortrinnsvis slik at det er en forskjell på minst 2 mellom væskens optiske densiteter for disse bølgelengdene, når den måles over en optisk veilengde på 2 mm.

Siden optisk densitet måles logaritmisk og er proporsjonal med den optiske veilengden vil, dersom det er en forskjell på 2 i væskens optiske densitet mellom de aktuelle bølgelengdene og for den aktuelle veilengden, absorbsjonen ved den andre bølgelengden være 1/100 av den ved den første bølgelengden, og følgelig vil hovedinnvirkningen på transmisjonen ved den andre bølgelengden komme fra lysspredning.

Det kan være ønskelig å velge bølgelengdene slik at en oppnår en balanse mellom forskjellene i optisk densitet for væsken (som i alminnelighet vil øke med økende forskjell i bølgelengde) og endringen av lysspredningseffekten forårsaket av forskjellen mellom bølgelengdene.

For å muliggjøre in-line (eller fulldiameter) optisk væskefraksjonsbestemmelse er fortrinnsvis veilengden mellom nevnte lyskilder og nevnte føler minst 5 cm. I noen utførelsesformer kan veilengden mellom lyskildene og føleren være minst 10 cm. Dersom anordningen er innrettet for å måle væskefraksjoner i en strømning som hovedsaklig inneholder (i alminnelighet mer enn 99%) gass, bør absorbsjonen av smalstrålende lyskilder av væskefraksjonene være liten nok til å tillate plassering av lyskildene og føleren på hver side av diameteren til et standard rør (f.eks. 5 cm eller 10 cm eller større). Anordningene og apparatene ifølge foreliggende oppfinnelse er imidlertid like nyttige når de anvendes med små rørdiametre, for eksempel i et nedstrøms prøveuttaksrør. Det er for eksempel mulig å anvende foreliggende oppfinnelse på et mindre strømningsrør, f.eks. en optisk prøvetakingscelle med veilengde 1 mm for bruk ved kalibrering av absorbsjonsspektrene til kondensat- og vannfluidprøver ved rørets trykk- og temperaturforhold.

Strømningen gjennom anordningen er fortrinnsvis hovedsaklig vertikal. Dette kan medføre at strømningen i hovedsak er aksesymmetrisk gass-/dråpe-ringromsstrømning (annular-mist flow) langs banen mellom lyskildene og følerne.

I tilfeller der transmisjonsdempning forårsaket av lysspredning ved de innblandede væskedråpene er dominerende, er strømningen gjennom anordningen fortrinnsvis hovedsaklig horisontal. Dette kan medføre at væsken hovedsaklig dannes som et filmlag som strømmer langs bunnen av røret. I slike tilfeller kan lyskildene og føl-erne være anordnet over høyden av væskefilmen (dvs. hovedsaklig vertikalt). Alternativt eller i tillegg til en horisontal anordning kan strømningen oppstrøms av måleseksjonen bli hvirvlet opp for å slynge dråpene opp på rørveggen; dette kan også redusere antallet dråper og således lysspredningen.

Lyskilden som anvendes i anordningen kan omfatte en lysstrålingskilde som er i stand til å sende ut lys over et bredt spektrum. For å oppnå transmisjon ved spesi-fikke bølgelengder er det mulig å anvende kjente spektroskopimetoder og kjent utstyr for enten å begrense utstrålingen på et gitt tidspunkt til et smalt bånd av bølgelengder eller anvende hele spekteret til kilden og tilpasse detektoren for å begrense deteksjonen til to eller flere smale bølgelengdebånd. Alternativt kan de-tektorene innrettes for å avgi et spektraloppløst signal, dvs. i hvert fall et delvist transmisjonsspektrum. Når det tas spektroskopiske målinger, kan bølgelengdene som anvendes for målinger velges eller justeres avhengig av disse spektroskopiske målingene for eksempel ved hjelp av en anordning der de første og andre bølgelengdene fortrinnsvis karakteriseres ved å utføre periodiske absorbsjonsspektermålinger på prøver av énfasefluid som strømmer gjennom en optisk strømningscelle, ved samme trykk og temperatur som i røret.

I en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen kan lyskilden omfatte to eller flere smalbåndede lyskilder som sender ut lys med bestemte bølgelengder. De smalbåndede lyskildene er fortrinnsvis lysdioder (LED'er) eller laserdioder (LD'er). Lysdiodene eller laserdiodene anordnes fortrinnsvis slik at driftstemperaturen og der-med bølgelengden med maksimal lysutstråling holder seg tilnærmet konstant.

I utførelsesformer av oppfinnelsen utgjøres lyskildene av én enkelt kilde som er i stand til å sende ut smalbåndet lys med flere enn én bølgelengde (f.eks. en kombinert LED- eller LD-kilde). I én konkret utførelsesform anvendes en lyskilde som er i stand til å sende ut lys over et kontinuerlig område av bølgelengder.

Lyskilden(e) sender ut pulserende lysstråling, og føleranordningen eller prosesseringsanordningen omfatter en faselåsanordning for å låse frekvensen til det detekterte signalet til pulsfrekvensen til det utsendte signalet.

I et slikt tilfelle kan lyskilden(e) sende ut pulserende lys med forskjellige pulsfrekvenser til hverandre. Dette gjør at faselåsanordningen lett kan skille signaler ved én bølgelengde fra de ved en annen bølgelengde. Denne innretningen kan være spesielt nyttig i utførelsesformer som anvender kombinerte smalbåndede lysdioder eller laserdioder i én enkelt lyskilde.

Føleren omfatter fortrinnsvis én eller flere fotodioder, eller en gruppe av fotodioder, spesielt i utførelsesformer med spektroskopisk måling ved anvendelse av gitterspektrometere.

Et andre aspekt ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et apparat for å måle fraksjonen av to væsker i en flerfasestrømning av våtgass, der apparatet omfatter to anordninger ifølge det første aspektet over, der hver av nevnte anordninger er innrettet for å detektere én av nevnte væsker.

Den ene eller hver av anordningene ifølge det andre aspektet kan omfatte en hvilken som helst kombinasjon av de alternative eller foretrukne særtrekkene ved anordningene ifølge det første aspektet.

Fortrinnsvis er en første av nevnte anordninger en vanndetektorenhet med en første bølgelengde på omtrent 1450 nm, og en andre av nevnte anordninger en kondensatdetektorenhet med en første bølgelengde på omtrent 350 nm, for eksempel (avhengig av kalibreringsspektrene for det aktuelle kondensatet). Ved å måle fraksjonene av vann og kondensat i en flerfasestrømning er det mulig å beregne den totale andelen av væske i strømningen. Slike målinger kan også anvendes for å beregne den totale strømningsmengden og strømningsmengden av enkeltfaser i flerfasestrømmen.

Selv om de to anordningene i dette aspektet ikke trenger være anordnet rett etter hverandre langs strømningsbanen er en slik plassering foretrukket ettersom det innebærer at strømningsmønsteret er tilnærmet det samme gjennom begge anordningene.

I utførelsesformer av oppfinnelsen kan lyskildene i begge de to anordningene utgjøres av én enkelt kilde som er i stand til å sende ut lys med flere enn én bølgelengde. Mer spesifikt kan én enkelt lyskilde som er i stand til å sende ut lys over et område av bølgelengder anvendes som lyskilde for begge anordningene. Bruk av en lyskilde med et bredt utstrålingsspektrum kan som nevnt gjøre det mulig å ta spektroskopiske målinger.

I en videreutvikling av aspektene over kan oppfinnelsen omfatte bruk av krysskorrelasjon for å forbedre strømningsmengdemålingene som gjøres ved hjelp av én av utførelsesformene over. I henhold til to hovedvarianter kan krysskorrelasjon bestemmes enten mellom hvilke som helst av transmisjonsmålingen og minst én ytterligere føler anordnet med en vinkel i forhold til transmisjonsbanen til minst én av nevnte lyskilder for å detektere spredt lys. Alternativt kan krysskorrelasjon bestemmes mellom målingene som måler fraksjonen av to væsker i en flerfase-strømning av våtgass, ved anvendelse av de to anordningene ifølge det første aspektet ved oppfinnelsen.

Apparatet eller anordningen omfatter følgelig fortrinnsvis minst én, mer foretrukket minst to ytterligere følere anordnet med en vinkel i forhold til transmisjonsbanen til en lyskilde for å detektere spredt lys. Lyskilden og de respektive følerne for transmisjon og lysspredning er fortrinnsvis anordnet i et plan som står vinkelrett på røret.

Anordningen kan videre omfatte en prosesseringsanordning for å bestemme en korrelasjon eller måle krysskorrelasjonen mellom nivåene av spredt eller transmittert lys som detekteres av følerne i forskjellige posisjoner langs gasstrømningen.

Ved bruk av den andre varianten med krysskorrelasjon, kan lyskildene og detek-torene som anvendes for transmisjonsmålinger også anvendes for korrelasjons-målingene.

Alternativt eller i tillegg kan en ytterligere "lysspredningsføler" være tilveiebragt i hver anordning, og krysskorrelasjonen mellom spredningsmålingene kan bli bestemt.

Denne målte krysskorrelasjonen kan anvendes for å bestemme strømningsmeng-den til gasstrømmen, f.eks. ved å bestemme tidsintervallet mellom korrelerte hendelser og sammenlikne dette med avstanden mellom følerne. Prosesseringsanordningen kan følgelig videre være innrettet for å bestemme strømningsmengden til selve gasstrømmen, eller av en eventuell innblandet væske eller av en væskefilm dannet på rørveggen, fra den målte krysskorrelasjonen.

Det er derfor et ytterligere aspekt ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et apparat for å bestemme en strømningsmengde av en våtgass-strømning eller en

bestanddel i nevnte våtgass-strømning, omfattende:

en første lyskilde og en andre lyskilde anordnet nedstrøms for nevnte første lyskilde; og

to eller flere følere for å detektere transmisjonen eller spredningen av lyset fra de første og andre lyskildene gjennom nevnte våtgass-strømning; og

en krysskorrelator for å bestemme nevnte strømningsmengde ved å krysskorrelere den detekterte transmisjonen eller spredningen av lys fra nevnte første og andre lyskilder.

Nevnte strømningsmengde kan være en strømningsmengde av en væskefilm, f.eks. på en rørvegg, eller en strømningsmengde av væske innblandet i nevnte gasstrøm. I foretrukne utførelsesformer er prosesseringsanordningen innrettet for å bestemme flere enn én strømningsmengde, som kan omfatte den ene av eller begge strømningsmengdene angitt over.

Strømningen inneholder fortrinnsvis minst 95 volum% gass.

Andre kjente strømningsmengdemålere kan anvendes for å bestemme en strøm-ningsmengde. For eksempel kan varianter av foreliggende oppfinnelse kombine-res med en venturi-type strømningsmåler for å forbedre målingene av våtgass- og væskestrømningsmengde ytterligere, spesielt for strømninger av tørrgass og ekstremt uniformt fordelt våtgass (for eksempel de som inneholder vanndamp) der krysskorrelasjonsmetoden ikke fungerer.

Det er således beskrevet en overflatestrømningsmåler som innlemmer anordningen eller apparatet ifølge et hvilket som helst av aspektene over, med alternative og foretrukne særtrekk svarende til de alternative og foretrukne særtrekkene beskrevet i forbindelse med disse aspektene.

Lyskildene og beslektede elementer kan være hvilke som helst av de beskrevet over i forbindelse med de første og andre aspektene ved oppfinnelsen. Oppfinnelsen vedører også et apparat for å måle fraksjonene av vann og kondensat i en flerfasestrømning, der apparatet omfatter: en anordning for å måle vann som omfatter én eller flere lyskilder som sender ut lys med en første bølgelengde der vann er sterkt absorberende og sender ut lys med en andre bølgelengde som er nær den første bølgelengden og der vann ikke er sterkt absorberende;

én eller flere følere for å detektere transmisjonen av lyset ved de første og andre bølgelengdene gjennom nevnte gasstrømning;

og en anordning for å måle kondensat som omfatter én eller flere lyskilder som sender ut lys med en tredje bølgelengde der kondensat er sterkt absorberende og sender ut lys med en fjerde bølgelengde som er nær den tredje bølgelengden og der kondensatet ikke er sterkt absorberende;

og en eller flere følere for å detektere transmisjonen av lyset ved de tredje og fjerde bølgelengdene gjennom nevnte gasstrømning;

der apparatet videre omfatter en prosesseringsanordning for å bestemme væskefraksjoner av vann og kondensat i våtgass-strømningen ved å korrigere transmisjonen målt ved den første bølgelengden for lysspredningseffektene ved hjelp av transmisjonen målt ved den andre bølgelengden og korrigere transmisjonen målt ved den tredje bølgelengden for lysspredningseffektene ved hjelp av transmisjonen målt ved den fjerde bølgelengden.

Oppfinnelsen vedører også en anordning for å måle fraksjonen av en væske i en våtgass-strømning, der anordningen omfatter: én eller flere lyskilder som sender ut lys med en første bølgelengde der væsken er sterkt absorberende og sender ut lys med en andre bølgelengde som er nær den første bølgelengden og der væsken ikke er sterkt absorberende; og

én eller flere følere for å detektere transmisjonen av lyset ved de første og andre bølgelengdene gjennom nevnte gasstrømning,

minst en ytterligere føler som er anordnet med en vinkel på transmisjonsbanen til minst én av de nevnte lyskilder for å detektere lysspredning;

der anordningen omfatter en prosesseringsanordning for å bestemme en væskefraksjon av væsken i våtgass-strømningen ved å korrigere transmisjonen målt ved den første bølgelengden for lysspredningseffektene ved hjelp av

transmisjonen målt ved den andre bølgelengden, og også omfattende en prosesseringsanordning for å måle krysskorrelasjonen mellom nivåene av lys detektert ved følerne for å detektere transmisjon og den ytterligere føler og bestemme en strømningsmengde av våtgass-strømningen eller en komponent i våtgass-strømningen fra nevnte målte krysskorrelasjon.

En fremgangsmåte for å måle en fraksjon av en væske i en strømning av våtgass er også beskrevet, der fremgangsmåten omfatter de trinn å: detektere transmisjonen av lys ved en bølgelengde der væsken er sterkt absorberende;

detektere transmisjonen av lys med en andre bølgelengde som er nær den første bølgelengden, og der væsken ikke er sterkt absorberende;

korrigere transmisjonen målt ved den første bølgelengden for lysspredningseffekter ved hjelp av transmisjonen målt ved den eller de andre bølgelengd-ene; og

beregne en væskefraksjon av væsken i våtgass-strømmen fra den korri-gerte transmisjonen.

Fremgangsmåten omfatter fortrinnsvis bruk av et apparat ifølge det første aspektet over, med eller uten hvilke som helst av eller alle de foretrukne eller alternative særtrekkene ved dette aspektet.

Som beskrevet over i forbindelse med apparatet kan væsken være vann, og nevnte første bølgelengde er da fortrinnsvis omtrent 1450 nm. Vann utviser en absorbsjonstopp ved 1450 nm ved standard trykk (omtrent 10<5>Pa) og temperatur (omtrent 20°C). Væsken kan være kondensat, og nevnte første bølgelengde bestemmes da fortrinnsvis ved kalibrering av fluidprøver. For eksempel er kondensatet vist i figur 1 sterkt absorberende ved omtrent 350 nm.

Nevnte andre bølgelengde er fortrinnsvis innenfor 20% av den første bølgeleng-den, og helst er den så nær som mulig den første bølgelengden samtidig som den er slik at væsken som måles har minimal optisk densitet ved denne bølgelengden. Ved å holde de to bølgelengdene som anvendes i anordningen forholdsvis nær hverandre er det mulig å minimere effekten av bølgelengdeavhengig lysspredning på målingene ved hver bølgelengde.

Når væsken som detekteres er vann, er nevnte første bølgelengde fortrinnsvis omtrent 1450 nm, og nevnte andre bølgelengde er fortrinnsvis i om rådet fra omtrent 1200 nm til omtrent 1300 nm. Når væsken som detekteres er kondensat, blir nevnte første bølgelengde fortrinnsvis bestemt ved kalibrering av fluidprøver, og er omtrent 350 nm for kondensateksempelet vist i figur 1 der nevnte andre bølge-lengde fortrinnsvis er omtrent 500 nm. Når væsken som detekteres er kondensat, er nevnte første bølgelengde typisk i området fra omtrent 250 nm til 450 nm, og nevnte andre bølgelengde er i området fra omtrent 450 nm til 600 nm.

Den første og andre bølgelengdene er fortrinnsvis valgt slik at det er en forskjell på minst 2 mellom væskens optiske densiteter ved disse bølgelengdene, målt over en optisk veilengde på 2 mm.

Siden optisk densitet måles logaritmisk og er proporsjonal med den optiske veilengden vil, dersom det er en forskjell på 2 i væskens optiske densitet mellom de aktuelle bølgelengdene og for den aktuelle veilengden, absorbsjonen ved den andre bølgelengden være 1/100 av den ved den første bølgelengden, og følgelig vil hovedinnvirkningen på transmisjonen ved den andre bølgelengden komme fra lysspredning.

Lyset ved hver bølgelengde blir fortrinnsvis elektronisk pulsert eller mekanisk kappet, og detekteringstrinnet omfatter bruk av en faselåsanordning for å låse frekvensen til det detekterte signalet ved hver bølgelengde til pulserings- eller kappefrekvensen til det utsendte signalet ved den aktuelle bølgelengden.

Fortrinnsvis blir lyset med den første bølgelengden pulsert med en annen pulser-ingsfrekvens enn lyset med den andre bølgelengden, slik at muligheten for inter-ferens mellom lyset med de forskjellige bølgelengdene reduseres eller fjernes.

En fremgangsmåte for å måle fraksjonen av to væsker i en flerfasestrømning av våtgass er også beskrevet, omfattende det å måle en fraksjon av en første væske i henhold til ovennevnte fremgangsmåte, og måle en fraksjon av en andre væske i henhold til ovennevnte fremgangsmåte.

Fremgangsmåten eller hver av fremgangsmåtene for å måle en fraksjon av en væske som anvendes kan omfatte enhver kombinasjon av de alternative eller foretrukne særtrekkene ved den førstnevnte fremgangsmåten.

Denne sistnevnte fremgangsmåten omfatter fortrinnsvis bruk av et apparat ifølge det andre aspektet over, med eller uten hvilke som helst av eller alle de foretrukne eller alternative særtrekkene ved dette aspektet.

Fortrinnsvis er den første væsken vann og den første bølgelengden som anvendes i trinnet med å måle fraksjonen av denne væsken er omtrent 1450 nm, mens den andre væsken er kondensat og den første bølgelengden som anvendes i trinnet med å måle fraksjonen av denne væsken er omtrent 350 nm. Ved å måle fraksjonene av vann og kondensat i en flerfasestrømning er det mulig å beregne den totale væskefraksjonen i strømningen. Disse målingene kan også anvendes for å beregne den totale strømningsmengden og strømningsmengden av enkeltfaser i flerfasestrømningen.

I en videreutvikling av de ovenfor beskrevne fremgangsmåter omfatter fremgangsmåten videre det trinn å detektere en første spredning av lys med minst én av nevnte bølgelengder ved en vinkel i forhold til transmisjonsbanen til lyset med den bølgelengden.

Deteksjonen av spredt lys kan anvendes for å korrigere det detekterte nivået av transmittert lys, enten i tillegg til eller som et alternativ til deteksjon av transmisjon ved en annen bølgelengde.

Fortrinnsvis omfatter videreutviklingen også de trinn å detektere en andre lysspredning ved en posisjon nedstrøms deteksjonen av den første lysspredningen og måle krysskorrelasjonen mellom nivåene av spredt lys detektert ved de to posisjonene.

Krysskorrelasjon av enten nevnte andre lysspredningsdeteksjon eller av to transmisjonsmålinger kan bli utført.

Den andre lysspredningsdeteksjonen kan skje ved en annen bølgelengde enn den der den første lysspredningen ble detektert. I det andre av fremgangsmåteaspekt-ene over kan for eksempel lysspredning bli detektert ved de første bølgelengdene som anvendes for å påvise hver av væskene. På denne måten kan lysspredningsdeteksjon ved to posisjoner oppnås kun med bruk av komponentene som er allerede finnes i anordningen.

Den målte krysskorrelasjonen kan anvendes for å bestemme strømningsmengden av våtgass-strømmen, f.eks. ved å bestemme tidsintervallet mellom korrelerte hendelser og sammenlikne dette med avstanden mellom de aktuelle følerne.

En fremgangsmåte for å bestemme en strømningsmengde av en strømning av våtgass eller en bestanddel i nevnte våtgass-strømning er også beskrevet, omfattende de trinn å: detektere en transmisjon eller spredning av lys ved en første posisjon i våtgass-strømningen;

detektere en transmisjon eller spredning av lys ved en andre posisjon i våtgass-strømningen, nedstrøms for nevnte første posisjon;

krysskorrelere den detekterte transmisjonen eller spredningen av lys ved nevnte første og andre posisjoner; og

beregne nevnte strømningsmengde fra nevnte krysskorrelasjon.

Nevnte strømningsmengde kan være en strømningsmengde av en væskefilm, f.eks. på rørveggen, eller en strømningsmengde av væske innblandet i nevnte våtgass-strømning. I foretrukne utførelsesformer bestemmer fremgangsmåten flere enn én strømningsmengde, som kan omfatte den ene av eller begge disse strømningsmengdene.

Strømningen inneholder fortrinnsvis minst 95 volum% gass.

Som angitt over kan det ved visse strømningsforhold være fordelaktig å kombinere disse aspektene med kjente strømningsmålere, så som en venturi-type strømningsmåler.

De ovennevnte og ytterligere aspekter ved oppfinnelsen er beskrevet nærmere i de følgende eksemplene og illustrert i de vedlagte figurene.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet, kun som et eksempel, med henvisning til de vedlagte figurene, der: Figur 1 viser optisk densitet (OD) målt over en optisk veilengde på 2 mm for forskjellige fluider som finnes på oljefelter; Figur 2A viser et skjematisk vertikalt tverrsnitt av en anordning ifølge en første utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 2B viser et skjematisk horisontalt tverrsnitt av en anordning ifølge en første utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 3 viser et skjematisk horisontalt tverrsnitt av en anordning ifølge en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 4 viser tidsmidlede spenningssignaler i transmisjonsdetektoren og lysspredningsdetektoren i eksempler gjort med bruk av utførelsesformen i figurene 2A og 2B; Figur 5 viser spenningssignalene i figur 4 normalisert med hensyn til målingene for tomme rør og plottet på en logaritmisk skala sammen med målinger normalisert mellom de to bølgelengdene; Figur 6 viser estimater av kordemidlet («chord-average») vannfasefraksjon fra dataene i figur 5; Figur 7 viser et tverrsnitt av en anordning ifølge en ytterligere utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 8 viser tidsserier av oppstrøms V(U) og nedstrøms V(d) NIR-transmisjonssignalerfor A =1200 nm; Figur 9 viser et eksempel på krysskorrelering av NIR-transmisjonssignalene i figur 8; og Figur 10 viser midlet krysskorrelasjonshastighet tvi og bulkgasshastighet ug plottet mot tilsynelatende gasshastighet ugs, og den gjennomsnittlige krysskorrelasjons-hastighetenU2og væskefilmhastigheten Ulf plottet mot tilsynelatende væskehastighet uls.

For å få til en fullstendig mengdebestemmelse av fraksjonene av vann og kondensat i en brønn med gasskondensat gjør utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse optiske bulktransmisjonsmålinger ved to forskjellige smalbåndede bølge-lengder: Ved A » 1450 nm (NIR) er vann absorberende, og gass og kondensat er transpa-rente. Bulktransmisjonsmåling ved denne bølgelengden vil gi vannfasefraksjonen (^vann)-

Ved A » 350 nm (UV) er kondensat absorberende, og gass og vann er transpa-rente. Bulktransmisjonsmåling ved denne bølgelengden vil detektere tilstedevær-else av kondensat; måling av kondensatfasefraksjonen (akondensat) er mulig dersom kondensatet er veldefinert ved den valgte bølgelengden (som f.eks. kan bestemmes gjennom kalibrering med bruk av en optisk følerprøvecelle med veilengde 1 mm som inneholder det ønskede kondensatet).

I utførelsesformene av foreliggende oppfinnelse blir det korrigert for mulig tap av transmisjonsenergi som følge av lysspredning ved væskedråper i våtgass-strømningen (spesielt ved gass-/dråpestrømning eller gass-/dråpe-ringromsstrømning) ved å anvende transmisjonmålinger ved andre bølgelengder. For eksempel en ytterligere transmisjonsmåling ved en bølgelengde nær 1450 nm for å bedre vannmengdebestemmelsen (f.eks. ved 1200 nm der vann er mye mindre absorberende enn ved 1450 nm) og en ytterligere transmisjonsmåling ved en bølgelengde nær 350 nm for å bedre kondensatdeteksjonen (f.eks. ved ca. 500 nm).

Fluorescensmåling utover 350 nm kan også lette deteksjon av kondensater og bidra til å skille dem fra vann. Se for eksempel Schlumbergers CFA-(Composition Fluid Analyser)-analyseenhet for bruk i MDT; S. Betancourt mfl. "Analyzing hydrocarbons in the borehole" Oilfield Review (Høsten 2003), s. 54.

For å vise at vanndeteksjonsenheten fungerer i praksis er det gjort optiske transmisjons- og lysspredningsmålinger i strømninger av våtgass med luft/vann i

et rør med diameter 5 cm (2 tommer) for smalbåndede bølgelengder Ai =1450nm og Å2= 1200 nm (figur 4) ved anvendelse av anordningen vist i figurene 2A og 2B.

Figur 2A viser et sidesnitt av en rørseksjon 20 som en første utførelsesform av en måleanordning ifølge foreliggende oppfinnelse er festet til. En strømning av våtgass passerer gjennom rørseksjonen 20 i retningen angitt av pilen 15.

Måleanordningen har et antall lysdioder (LED'er) og fotodioder (PD'er) anordnet langs rørseksjonen 20.

En vanndetektorenhet 30 har to NIR-lysdioder 31 og 32 med smalbåndede lysut-strålingsegenskaper ved forskjellige bølgelengder: LED 31 sender ut lys med en øvre bølgelengde A =1450 nm (der vann er absorberende) og LED 32 sender ut lys med en øvre bølgelengde A =1200 nm (der vann er mye mindre absorberende). Ideelt sett er de smalbåndede lysutstrålingsegenskapene til lysdiodene slik at deres fulle bredde ved halvparten av maksimum (FWHM - Full Width at Half Maximum) er 100 nm eller mindre.

Vanndetektorenheten 30 har tre PD-detektorer i NIR-området: en transmisjonsdetektor PD (180°) 33, en lysspredningsdetektor PD (90°) 34 og en refleksjonsdetektor PD (0°) 35. For vannfraksjonsbestemmeise blir det transmitterte signalet målt av transmisjonsdetektoren PD (180°) 33 ved A =~1450 nm korrigert for lysspredningseffekter med det transmitterte signalet målt av samme PD (180°) 33 ved A =-1200 nm.

Lysspredningsdetektoren PD (90°) 34 anvendes for væskedråpedeteksjon og dråpehastighetsmåling (for eksempel ved krysskorrelasjon med den fra kondensatdetektorenheten 40 - se nedenfor).

En kondensatdetektorenhet 40 har to lysdioder 41 og 42 med smalbåndede lys-utstrålingsegenskaper ved to forskjellige bølgelengder: LED 41 sender ut UV-lys ved A =~350 nm (der kondensat er absorberende) og LED 42 sender ut grønt lys ved A =~500 nm (der kondensat er mye mindre absorberende).

Kondensatdetektorenheten 40 har også tre PD-detektorer i det ultrafiolette/synlige området: en transmisjonsdetektor PD (180°) 43, en lysspredningsdetektor PD (90°) 44 og en fluorescens- & refleksjonsdetektor PD (0°) 45.

For kondensatfraksjonsbestemmelse blir transmisjonssignalet målt av transmisjonsdetektoren PD (180°) 43 ved A =350 nm korrigert for lysspredningseffekter av det transmitterte signalet målt av transmisjonsdetektoren PD (180°) 43 ved A = 500 nm.

Rørveggens glatthet i følerseksjonen bør reduseres tilstrekkelig til å minimere fore-komst av uheldige refleksjoner fra rørveggen. Dette kan gjøres ved passende valg av innvendig overflate, eller ved mekanisk oppriving. I dette eksempelet reduseres rørveggens naturlige glatthet i følerseksjonen ved sandbehandling for å minimere refleksjonen fra rørveggen. Ideelt sett bør totalt optisk absorberende rørvegg-materiale anvendes i den optiske følerseksjonen.

Lysspredningsdetektoren PD (90°) 44 anvendes for væskedråpedeteksjon og dråpehastighetsmåling (ved å krysskorrelere med den fra vanndetektoren-

heten 30).

Væskedråpehastigheten funnet ved krysskorrelasjon av signalene fra de to lys-spredningsdetektorene eller fra de to transmisjonsdetektorene forventes å være nær fasetransport-(«carry-phase»)-gasshastigheten når gassens tetthet er høy og dråpestørrelsen liten.

Krysskorrelasjon av signalene fra de to refleksjonsdetektorene vil kunne gi den langsomme væskefilmhastigheten (refleksjonsmålinger er mer følsomme for inhomogenitetene i veggfilmen).

Figur 2B er et tverrsnitt gjennom apparatet ifølge den første utførelsesformen tatt ved vanndetektorenheten 30. Strømningen av våtgass i røret 20 er vist skjematisk som hovedsaklig bestående av gass 21 som inneholder et antall vanndråper 22 og med en vannfilm 23 dannet på den innvendige overflaten i røret 20. LED-driveren 51 og forsterkerne 53 og 54 (henholdsvis koblet til fotodiodene 33 og 34) er koblet til en synkroniseringsforsterker 52 som gjør det mulig å fjerne eller redusere falske signaler og støy slik at det dannes et innfase deteksjonsspenningssignal Vmnfase. I de utførte eksperimentene er materialet i rørseksjonen ugjennomtrengelig for infra-rødt lys og har en innvendig diameter D = 54,8 mm. LED 31 anvendt for de viste resultatene var fra serien Hamamatsu L7850-01 (InGaAs) med en maksimal utsendt bølgelengde på 1450 nm og et glasslinsevindu for smal retningsvirkning. LED 32 var en Roithner Lasertechnik LED1200-35M32 (InGaAs) med maksimal utsendt bølgelengde 1200 nm og sfærisk glasslinse. LED-driveren 51 var en Roithner Lasertechnik Model D-31, med variabel pulsvarighet, repetisjonshastighet og strømamplitude.

Fotodiodene 33, 34 og 35 var fra serien Hamamatsu G8370, InGaAs PIN fotodioder med aktive områder henholdsvis ved cp5mm, cp3mm og cplmm. Disse har en lysfølsomhet i psektralområdet 1000 nm til 1600 nm, og er optimalisert for en topp ved 1550 nm. Forsterkerne 53 og 54 var Hamamatsu C4159-03 forsterkere for infrarøde detektorer (InGaAs), som har DC til 15 kHz frekvensrespons og som gir tre områder av omformingsimpedans (10<7>, 10<6>, 10<5>). Synkroniseringsforsterke-ren 52 var en Model SR830 fra Stanford Research Systems.

Et apparat ifølge en alternativ utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er illustrert i et plansnitt i figur 3. For å håndtere utviklende/endrende rørstrømninger av våtgass, og endringene i de optiske spektralegenskapene til flytende vann og spesielt kondensat/olje som funksjon av trykk, temperatur og tid, muliggjør apparatet i figur 3 rask optisk spektroskopisk måling over et valgt UVA/IS/NIR-område. Målingen gjøres langs én enkelt optisk bane 139 over diameteren til røret 20 gjennom ett enkelt par av optiske («sapphire») utstrålingsvinduer 131 og mottaksvinduer 133. En kollimerende linseanordning og en fiberoptisk lyskobling (ikke vist) er anordnet ved utstrålingsvinduet 131 og mottaksvinduet 133. Den kollimerte optiske strålens diameter er omtrent noen få mm.

I tilfeller der en strømning av våtgass ikke er fullt utviklet, vil væskefasefraksjonen i alminnelighet endre seg langs strømningsrørets akse. Aksielt atskilte transmisjo-ner ved to optiske baner målt med en smalbåndet bølgelengde for hver bane (f.eks. ved 1450 og 1200 nm som i den første utførelsesformen over) kan føre til feil i den endelige bestemmelsen av væskefasefraksjonen. For eksempel vil væskedråpenes størrelse i alminnelighet reduseres når strømningen akselererer aksielt, og følgelig gi opphav til forskjellige fasefraksjoner og forskjellige lysspred-ningsnivåer.

Én av de foreliggende utførelsesformer løser dette problemet ved å måle de to bølgelengdedempningene langs én enkelt optisk bane 139, dvs. ved å anvende kombinerte lysdioder som sender ut lys med to smalbåndede bølgelengder som én lyskilde ved anvendelse av et dikrotisk speil, der hver lysdiode blir pulsert med forskjellig frekvens. Én fotodetektor (PD) kan anvendes for å detektere begge

signalene; de blir da skilt ved de tilhørende referansefrekvensene ved å anvende synkroniseringsforsterkere med to kanaler.

Det spektroskopiske skjemaet ifølge denne utførelsesformen har de fordeler at det måler, langs samme banne og praktisk talt samtidig, vann- og oljetransmisjons-dempninger forårsaket av absorbsjon og/eller dråpeskapt lysspredning, over et område av de valgte bølgelengdene. En bedre fjerning av lysspredningseffekten kan oppnås for transmisjonsdempninger målt ved de valgte bølgelengdekanalene som dekker absorbsjonstopper for vann (rundt 1450 nm) og absorbsjonstopper for kondensat/olje (f.eks. omtrent 350 nm for kondensat) med bruk av de målt ved de valgte nærliggende bølgelengdekanalene vekk fra vannabsorbsjonstoppen (f.eks. rundt 1200 nm) og fra kondensat/olje-absorbsjonstoppen (f.eks. rundt 500 nm). Innretningen ifølge denne utførelsesformen kan også i stor grad fjerne eventuelle delvise transmisjonsdempninger forårsaket av tilsmussing av det optiske vinduet

(f.eks. som følge av utfelling av partikler/dråper), som i denne utførelsesformen vil være identiske siden kun ett enkelt par av optiske vinduer anvendes for alle bølge-lengder. Følgelig kan denne utførelsesformen gi en mer nøyaktig bestemmelse av vann- og oljefasefraksjoner i våtgass, og således våtgassens vann-i-væske-forhold (WLR). Spektroskopiske målinger i det valgte bølgelengdeområdet (for å muliggjøre rask skanning av spekterdata) kan også bidra til å detektere og således definere endringer i vannets (molekylære) absorbsjonstopp nominelt rundt 1450 nm og kondensatets/oljens absorbsjonstopp ved en bølgelengde i det ultra-fiolette/synlige området, nominelt bestemt ved spektroskopisk (kalibrering) måling av en oljeprøve. Dette er fordi den nominelle spektralposisjonen og amplituden til absorbsjonstoppene til vannet og kondensatet/oljen (f.eks. målt ved gitt trykk og temperatur) kan variere dersom trykket og/eller temperaturen endrer seg (det er kjent at kondensatets/oljens fargeabsorbsjonstopp vil variere fra brønn til brønn, og også kan endre seg over tid for en gitt brønn).

Posisjonen og amplituden til kondensatets (oljens) fargeabsorbsjonstopp kan bestemmes ved spektroskopisk kalibreringsmåling i UV/VIS-om rådet gjort ved rørets trykk og temperatur, f.eks. ved hjelp av en aktiv prøvetakingsanordning som omfatter en optisk prøvestrømningscelle med en optisk veilengde på 1 mm. Dette vil gi en bedre bestemmelse av kondensatfraksjonen (oljefraksjonen). Ved å gjøre en spektroskopisk måling i NIR-området av vannprøven tatt av samme aktive prøve-takingsanordning med en optisk strømningscelle, kan vannets OH-bånd absorb-sjonstoppamplitudeskift ved en bølgelengde rundt 1450 nm karakteriseres bedre ved rørets trykk og temperatur, noe som kan føre til en bedre bestemmelse av vannfraksjonen.

Fiberoptisk koblede lyskilder som dekker UV/VI S/N I R-om rådet er alminnelig til-gjengelig. For eksempel er kilden 132 i figur 3 en kombinert deuterium-halogen lyskilde som dekker bølgelengdeområdet 215-2000 nm (f.eks. AvaLight-DH-S fra Avantes; www.avantes.com). Denne kilden 132 er koblet til transmisjonsvinduet 131 av et optisk f iberknippe 140. To separate fiberoptikk-baserte spektrometere

153 og 154 er tilveiebragt og koblet til mottaksvinduet 133 av et optisk f iberknippe 142, hvorav ett dekker UV/VIS-området (f.eks. 200-750 nm) for å måle kondensat-/oljefraksjon og ett dekker NIR-området (f.eks. 900-1700 nm) for å måle vannfraksjon (begge tilgjengelige fra Avantes). Spektrometrene mottar en referansestråle 141 fra lyskilden, som anvendes for å korrigere for lyskildens intensitetsvariasjon

med en personlig datamaskin 155, som også analyser transmisjons-/absorbsjons-spekterutmatinger ved valgte bølgelengdekanaler for å bestemme vannfraksjonen, oljefraksjonen og vann-i-væske-forholdet. Et område av aktuelle bølgelengder kan velges for å gjøre den spektroskopiske målingen raskere (et fullt spektralskann

over 2048 bølgelengdepikseler kan normalt gjøres på 2 ms). Referansestrålen 141 kan også anvendes for faselåsingsformål.

Et tolkningsskjema ifølge én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse anvender de optiske bulktransmisjonsmålingene gjort ved to nærliggende bølgelengder (f.eks. Ai = 1450 nm og Å2= 1200 nm) for bestemmelse av gjennomsnittlig vannfasefraksjon over en korde.

Ved bestemmelse av vannfasefraksjonen er det første fenomenet som påvirker bulktransmisjonsmålingen geometrisk dråpeskapt spredning (A=1).

Transmisjonssignalet Tdempes eksponentielt:

som gir aVann:

Dette fører til en overestimering av aVann dersom det ikke korrigeres for lysspredning siden dempningsmålingen vil omfatte lysspredningseffekter.

Antatt at lysspredningseffektene er de samme ved Ai og A2, dvs.

] is { X±) = ] is (A2), og med Ai og A2fortrinnsvis valgt slik at

Følgelig kan et godt estimat av avann oppnås dersom lysspredningen korrigeres:

Det neste fenomenet som påvirker transmisjonsmålingen er Rayleigh-dråpespredning (dråpestørrelse <= bølgelengde).

Følgelig: som gir aVann:

Som over velges fortrinnsvis Ai og A2 slik at \ iA { X1) » \ iA (A2). For

Ai = 1450 nm og A2= 1200 nm er A = (1200/1450)<4>= 0,47.

Det finnes et tredje lysspredningsfenomen, nemlig diffraksjonspredning, som ligger mellom Rayleigh-spredning og geometrisk spredning. Å ikke ta hensyn til denne vil føre til veldig store feil. Valg av Ai og A2så nær hverandre som mulig vil kunne minimere disse feilene. For å estimere variasjonen av lysspredningsbakgrunnen med bølgelengden er det mulig å utføre en potenslovbasert kurvetilpasning til de faktiske målingene og da foreta korreksjon ved anvendelse av denne empirisk bestemte størrelsen. Likningene for korreksjonen er veldig like de allerede gitt, dersom det anvendes en potenslov.

Merk at lysspredning kan være enten bølgelengdeavhengig eller bølgelengdeuav-hengig avhengig av sprederens beskaffenhet og størrelse. Ved Rayleigh-spredning er spredningstverrsnittet asc= (%)nk<4>a<6>; der k = bølgetall x A"<1>, a =

radius til lysspredende partikkel.

Som følge av den betydelige bølgelengdeavhengigheten ved Rayleigh-spredning velges bølgelengden for den ikke-absorberte korreksjonslyskilden (f.eks. lysdiodene 32 og/eller 42) fortrinnsvis så nær bølgelengden til den absorberte lyskilden (f.eks. lysdiodene 31 og/eller 41) som mulig, dog slik at det fortsatt er stor innbyr-des forskjell i optisk densitet.

Et tilsvarende skjema kan anvendes for å bestemme kondensatfraksjon fra transmisjonsmålinger gjort ved Ai=350 nm og A2=500 nm.

I utførelsesformen i figur 3, dvs. når det anvendes en bredbåndet eller spektroskopisk lyskilde, kan mer avanserte tolkningsmetoder anvendes for å karakterisere posisjonen og amplituden til absorbsjonstoppene rundt 1450nm og 350 nm, henholdsvis for vann og kondensat, for eksempel ved hjelp av kurvetilpasningsmeto-der. Mer avanserte tolkningsmetoder kan også anvendes for å fjerne grunnlinje-skiftene i absorbsjonstoppene for vannet og kondensatet forårsaket av lysspredningen. Beregningen av grunnlinjeforskyvningen kan bedre gjøres ved å anvende et område av bølgelengder vekk fra vannets og kondensatets absorbsjonstopper, for eksempel et passende område av bølgelengder rundt 1300 nm for vann og rundt 350 nm for kondensat.

For det optiske systemet i utførelsesformen vist i figurene 2A og 2B viser figur 4 tidsmidlede spenningssignaler (Vinnfase) i transmisjonsdetektoren PD (180°) 33 og lysspredningsdetektoren PD (90°) 34 ved bølgelengdene Ai = 1450 nm og Å2= 1200 nm, normalisert med de respektive målingene for tomme rør. Luftstrøm-ningsmengden var stort sett fast ved 1400 Sm<3>/t, mens vannstrømningsmengden varierte fra 0 til 2 m<3>/t den faktiske gassandelen var fra 99,75% til 100%.

Figur 5 viser et plott av de normaliserte spenningssignalene i figur 4 som funksjon av faktisk gassandel, ytterligere normalisert med de respektive målingene ved Å2med den forventning at lysspredningseffekten stort sett ville være borte. Dette er fordi, som beskrevet over, at ved Ai, transmisjonsabsorbsjon og lysspredningseffekter eksisterer sammen, mens ved Å2lysspredningseffekten dominerer og absorbsjonsbidraget er lite (ideelt gjelder jj^A-l) » p.A(A2)). Som følge av den lille forskjellen mellom Ai og Å2forventer vi at lysspredningseffektene er veldig like, dvs. at i_is(a1) i_is(a2) når dråpestørrelsen er betydelig større enn bølgelengden.

I figur 5 kan det sees at transmisjonsdetektorsignalet avtar med økende vannandel (eller avtagende gassandel) både ved den vannabsorberte bølgelengden Ai = 1450 nm og ved bølgelengden Å2= 1200 nm der vann er mye mindre absor berende. Ved A2er transmisjonstapet hovedsaklig som følge av lysspredningen forårsaket av væskedråper i våtgass-strømningen siden vannet er mye mindre absorberende ved denne bølgelengden (se figur 1). Videre er reduksjonen av transmisjonssignalet ledsaget av en økning av lysspredningssignalet. Dette er vist av 90°-spredningsdetektorsignalet i figur 5, som øker med økende vannandel. 1 det nedre plottet i figur 5 er 90°-lysspredningsmålingene for Ai også normalisert med de for A2for å danne SJS2. I det øvre plottet i figur 5 sammenfaller SJS2meget godt medTJT2. Etter korrigering for lysspredningseffekter vil således 90°-spredningsdetektorsignalet SJS2også kunne anvendes for å avlede væskefasefraksjon (i lysspredningsbanen). På tilsvarende måte kan det være mulig å anvende signalet fra refleksjondetektorene 35 og 45 for å avlede væskefasefraksjon (i refleksjonsbanen).

Basert på dataene i figur 5 (øvre plott) viser figur 6 kordegjennomsnittlig vannfasefraksjon estimert fra det normaliserte transmisjonssignalet Ti(Ai) (basert på likning 2 over) og fra Ti (Ai )/T2(A2) og Si(Ai)/S2(A2) (basert på likning 4 over).

Disse dataene viser at det ved å anvende optiske NIR-transmisjonsmålinger er

mulig å estimere vannfasefraksjon ved svært høye gassandeler (her > 99,7%), og dette er funnet å være repeterbart. Dette nivået av oppløsning av de optiske transmisjonssignalene, som følge av små endringer i vannfasefraksjonen i det ekstremt høye området av gassandeler og i løpet av kort tid, har tidligere ikke kunnet oppnås med bruk av kjernebaserte densitetsmålingsmetoder.

De kordemidlede resultatene for vannfasefraksjon vist i denne oppfinnelsen er basert på (logV(t))-midlingsskjemaet. Kordegjennomsnittlig vannfasefraksjon avledet fra log(V(t))-midlingsskjemaet er mindre enn eller lik det fra (logV(t))-midlingsskjemaet.

I utførelsesformen illustrert i figurene 2A og 2B kan således kordegjennomsnittlig vannfasefraksjon predikeres ved å korrigere for tapet av transmisjonsenergi for årsaket av lysspredning ved væskedråper i en strømning av våtgass ved anvendelse av en transmisjonsmåling for en annen nærliggende bølgelengde, så som 1200 nm, hvor vann er mye mindre absorberende. Målingene fra 90°-lysspredningsdetektoren ved de to bølgelengdene vil også kunne anvendes for å estimere vannfasefraksjon.

Figur 7 viser et apparat ifølge en utførelsesform av krysskorreleringsaspektet ved foreliggende oppfinnelse som jobber i NIR-området og gjør transmisjonsmålinger i en oppovergående gasstrømning 15 gjennom en rørseksjon 20 med diameter 52 mm som befinner seg ved venturihalsen. Den aksielle avstanden mellom NIR-følerne er 100 mm.

Referansenumrene anvendt i figur 7 svarer til de identiske elementene illustrert i figurene 2A og 2B, og disse elementene vil ikke bli beskrevet ytterligere her. Det skal imidlertid bemerkes at apparatet ifølge denne utførelsesformen omfatter et par av hovedsaklig dupliserte detektorer, slik at motsvarende elementer i settet oppstrøms er merket "a", og de i settene nedstrøms er merket "b".

I figur 8 er et sett av tidsserier for en NIR-transmisjonsmåling i to plan plottet for lysdiodene 32a og 32b og med de motsatt vendte fotodetektorene 33a og 33b kjørende ved en bølgelengde A = 1200 nm, for en gasstrømningsmengde cjtg på omtrent 1420 Sm<3>/h og en vannstrømningsmengde qi_ på omtrent 2 m<3>/h.

Figur 9 viser et eksempel på krysskorrelasjon R( t) av transmisjonssignalene vist i figur 8 med transittid r. To dominerende krysskorrelasjonstopper er angitt, svarende til to strømningshastigheter tvi og 112. Den første toppen (med en kort transittid) svarer til den hurtige væskedråpehastigheten i gasskjernen, og den andre toppen svarer til den langsomme væskefilmhastigheten på rørveggen.

Transittidene svarende til den estimerte bulkgasshastigheten uG= qG/ aGA og til væskefilmhastigheten Ulf =(2Ap/pi_)<1/2>estimert fra venturi-differentialtrykket Ap er også angitt ( A er rørarealet; qGer referanse-gasstrømningsmengden; ct<g>er gassvolumfraksjonen). Det kan sees at tvi og 112 sammenfaller med henholdsvis den predikerte bulkgasshastigheten og væskefilmhastigheten med rimelig god nøyaktighet.

Dette kan videre sees i figur 10, der det øvre plottet viser den tidsmidlede krysskorreleringshastigheten ui og bulkgasshastigheten u<g>plottet mot linjebetingelse tilsynelatende gasshastighet ugs (målt ved en oppstrøms venturienhet). Tilsvarende viser det nedre plottet i figur 10 den tidsmidlede krysskorreleringshastighetenU2og væskefilmhastigheten Ulf plottet mot rørets tilsynelatende væskehastighet uls.

Det bemerkes at krysskorreleringshastigheten 112 konsistent ligger godt over den estimerte filmhastigheten Ulf =(2Ap/pi_)<1/2>. Hastigheten 112 målt ved krysskorrelasjon kan være hastigheten til bølgene forårsaket av at væske dras av fra væskefilmen på veggen av den hurtigstrømmende gassen, som normalt beveger seg fortere enn filmhastigheten. Følgelig vil 112 i alminnelighet overestimere væskefilmhastigheten.

Det er også mulig å tolke gass- og væskestrømningsmengder basert på Smith-modellen (Smith, S.L. "Void fractions in two-phase flow: A correlation based on an equal velocity head model". Proe. Instn Mech Engrs Vol. 184 Pt.1 Nr. 36, 647-664, 1969), med en kjent væskeinnblandingsfaktor K (K er estimert til omtrent 0,95 for strømningene i figur 10), ved anvendelse av væskefilmhastighet-inndata fra den optiske krysskorrelasjonsmålingen og væskefasefraksjon-inndata muligens avledet fra optiske transmisjonsmålinger med fjerning av lysspredningseffekter f.eks. som beskrevet i utførelsesformer over.

Selv om konkrete utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse er beskrevet over vil fagmannen innse at disse kun er eksempler, og spesielt at modifikasjoner og variasjoner kan gjøres i utførelsesformene over uten å fjerne dem fra oppfinnel-sens ramme.

Claims (13)

1. Anordning for å måle fraksjonen av en væske i en våtgass-strømning , der anordningen omfatter: én eller flere lyskilder som sender ut lys med en første bølgelengde der væsken er sterkt absorberende og sender ut lys med en andre bølgelengde som er nær den første bølgelengden og der væsken ikke er sterkt absorberende; og én eller flere følere for å detektere transmisjonen av lyset ved de første og andre bølgelengdene gjennom nevnte gasstrømning, der anordningen videre omfatter en prosesseringsanordning for å bestemme en væskefraksjon av væsken i våtgass-strømningen ved å korrigere transmisjonen målt ved den første bølgelengden for lysspredningseffekter ved hjelp av transmisjonen målt ved den andre bølgelengden, der lyskildene sender ut pulserende lys og føleren eller prosesseringsenheten omfatter en faselåsanordning for å låse frekvensen til det detekterte signalet til pulsfrekvens til det utsendte signalet.

2. Anordning ifølge krav 1, der lyskildene sender ut pulserende lys med forskjellige pulsfrekvenser til hverandre.

3. Anordning ifølge krav 1, videre omfattende minst én ytterligere føler anordnet med en vinkel på transmisjonsbanen til minst én av nevnte lyskilder for å detektere spredt lys.

4. Apparat for å måle fraksjonen av to væsker i en flerfasestrømning av gass, der apparatet omfatter to anordninger ifølge krav 1, der hver av nevnte anordninger er innrettet for å detektere en respektiv av nevnte væsker.

5. Apparat ifølge krav 4, der apparatet videre omfatter en prosesseringsanordning innrettet for å måle krysskorrelasjonen mellom lysnivåene detektert ved hver anordning.

6. Apparat ifølge krav 5, der nevnte prosesseringsanordning videre er innrettet for å bestemme en strømningsmengde av våtgass-strømningen eller en bestanddel i våtgass-strømningen fra nevnte målte krysskorrelasjon.

7. Apparat for å bestemme en strømningsmengde av en våtgass-strømning eller en bestanddel i nevnte våtgass-strømning, omfattende: en første lyskilde og en andre lyskilde anordnet nedstrøms for nevnte første lyskilde; og to eller flere følere for å detektere transmisjonen eller spredningen av lyset fra de første og andre lyskildene gjennom nevnte våtgass-strømning; og en krysskorrelator for å bestemme nevnte strømningsmengde ved å krysskorrelere den detekterte transmisjonen eller spredningen av lys fra nevnte første og andre lyskilder.

8. Apparat ifølge krav 7, der nevnte strømningsmengde er én av en strømningsmengde av en væskefilm og en strømningsmengde av væske innblandet i nevnte våtgass-strømning.

9. Apparat ifølge et hvilket som helst av kravene 7 til 8, der korrelatoren er innrettet for å bestemme flere enn én strømningsmengde.

10. Apparat for å måle fraksjonene av vann og kondensat i en flerfasestrømning, der apparatet omfatter: en anordning for å måle vann som omfatter én eller flere lyskilder som sender ut lys med en første bølgelengde der vann er sterkt absorberende og sender ut lys med en andre bølgelengde som er nær den første bølgelengden og der vann ikke er sterkt absorberende; én eller flere følere for å detektere transmisjonen av lyset ved de første og andre bølgelengdene gjennom nevnte gasstrømning; og en anordning for å måle kondensat som omfatter én eller flere lyskilder som sender ut lys med en tredje bølgelengde der kondensat er sterkt absorberende og sender ut lys med en fjerde bølgelengde som er nær den tredje bølgelengden og der kondensatet ikke er sterkt absorberende; og en eller flere følere for å detektere transmisjonen av lyset ved de tredje og fjerde bølgelengdene gjennom nevnte gasstrømning; der apparatet videre omfatter en prosesseringsanordning for å bestemme væskefraksjoner av vann og kondensat i våtgass-strømningen ved å korrigere transmisjonen målt ved den første bølgelengden for lysspredningseffektene ved hjelp av transmisjonen målt ved den andre bølgelengden og korrigere transmisjonen målt ved den tredje bølgelengden for lysspredningseffektene ved hjelp av transmisjonen målt ved den fjerde bølgelengden.

11. Apparat ifølge krav 10, der apparatet videre omfatter en prosesseringsanordning innrettet for å måle krysskorrelasjonen mellom lysnivåene detektert ved anordningen for å måle vann og anordningen for å måle kondensat og bestemme en strømningsmengde av våtgass-strømningen eller en bestanddel i våtgass-strømningen fra nevnte målte krysskorrelasjon.

12. Anordning for å måle fraksjonen av en væske i en våtgass-strømning, der anordningen omfatter: én eller flere lyskilder som sender ut lys med en første bølgelengde der væsken er sterkt absorberende og sender ut lys med en andre bølgelengde som er nær den første bølgelengden og der væsken ikke er sterkt absorberende; og én eller flere følere for å detektere transmisjonen av lyset ved de første og andre bølgelengdene gjennom nevnte gasstrømning, minst en ytterligere føler som er anordnet med en vinkel på transmisjonsbanen til minst én av de nevnte lyskilder for å detektere lysspredning; der anordningen omfatter en prosesseringsanordning for å bestemme en væskefraksjon av væsken i våtgass-strømningen ved å korrigere transmisjonen målt ved den første bølgelengden for lysspredningseffektene ved hjelp av transmisjonen målt ved den andre bølgelengden, og også omfattende en prosesseringsanordning for å måle krysskorrelasjonen mellom nivåene av lys detektert ved følerne for å detektere transmisjon og den ytterligere føler og bestemme en strømningsmengde av våtgass-strømningen eller en komponent i våtgass-strømningen fra nevnte målte krysskorrelasjon.

13. Apparat ifølge krav 7, der nevnte krysskorrelator bestemmer både en strømningsmengde av en væskefilm og en strømningsmengde av en væske som er innblandet i nevnte våtgass-strømning.