WO2008050522A1

WO2008050522A1 - Débitmètre multiphasique

Info

Publication number: WO2008050522A1
Application number: PCT/JP2007/065796
Authority: WO
Inventors: Hirokazu Kitami; Hiraku Kawaoto
Original assignee: Oval Corporation
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2008-05-02
Also published as: RU2009120017A; US20090199653A1; CN101529215A; US7827869B2; CN101529215B; JP4137153B2; RU2428662C2; JP2008107298A; EP2077440A1

Description

明細多相流量計技術分野

本発明は、気体と二種類の液体とからなる三相流の各相流量を計測する多相流量計に関する。背景技術

深海域等の抗井から産出される石油は油に水やガスを含む混相流（三相流であり、以下、多相流と略記する）を形成していて、これらの相が分離されることなく陸地に高圧移送された後、採油井採取工程を経て分離精製されるようになつている。分離精製された油 • ガスは、目的地に向けて送油 ·送ガスされるとともに、水分は排水処理されるようになつている。採油井採取工程の前の段階において、必要に応じて多相流体は採油井の管理や採取工程ないし出荷管理のために各相の流量計測がなされるようになつている。

この各相の流量計測に関しては、従来、例えば密度計と超音波流量計とを利用した相互相関法によるものが特開 2 0 0 1 - 1 6 5 7 4 1号公報の従来技術の欄に開示されている。この開示技術では、密度計としてァ線式密度計が用いられている。ァ線式密度計は高価なものであることが知られている。相互相関法では、 y線式密度計を用いることにより気液二相流の平均密度が測定され、この測定された平均密度からボイド率が求められるようになつている。そして、ボイド率と超音波流量計とで計測された多相流体の体積流量から各々の流量が求められるようになつている。なお、この場合、水分率を計測する要素を更に追加することにより、油及び水の流量を測定することができるようになるが、水分率を計測する要素はァ線式密度計と同様に高価で、且つ、フィールドにおけるキヤリブレーションを実施することを前提としているものが多く、更なるコスト高を招くという問題点を有している。

この他、多相流の流量計測に関しては、相分離工程（三相分離タンク）を経てガス '油 ·水等の単相流にしてから、ガス流量と、油及び水の各々の流量とを計測することも知られている（特表 20

03 - 5 1 3234号公報参照）。しかしながらこの各相流量計測に関しては、相分離のための設備費用が嵩むという問題点を有している。また、設備費用が嵩む他に、設備が大型になって必要な所へ容易に移動させることができないという問題点も有している。

ところで、特表 2 003 - 5 1 3234号公報には密度計等に関する技術が開示されている。この開示技術により考えられることは、ァ線式密度計の代わりに特表 2003— 5 1 3234号公報の密度計に関する開示技術を適用することで、上記のコスト高の問題点を解消することができる可能性を有している。特表 2003 - 5

1 32 34号公報には、流量計及び密度計としてコリオリ質量流量計が用いられている。なお、コリオリ質量流量計は単純にァ線式密度計の代わりに適用できるものでなく、また、特表 2003— 5 1 3234号公報において考えられる問題点もあることから、以下、特表 2 003— 5 1 3234号公報の多相流量計の構成や簡単な作用について説明をする。

図 1 1において、多相流れ測定システム（多相流量計に相当） 1 00は、渦流分離器 104と、この渦流分離器 1 04内に多相流体を放出する流入多相流管 1 02とを備えている。渦流分離器 1 0 4は、気体を上部の気体測定流管 1 06へ放出するとともに、液体を下部の液体測定流管 1 08へ放出するように構成されている。気体測定流管 106と液体測定流管 1 08は、流れ測定が行われた後に放出管路 1 1 0にて再び合流するようになっている。放出管路 1 1 0は、販売地点に達する前に三相産出分離器 1 18までのびて、気相、水相、油相の分離を行うことができるように構成されている多相流れ測定システム 1 0 0は、産出マ二フォールド 1 1 6を備えている。産出マニフォ一ルド 1 1 6は、複数の油井又はガス井から多相流体が供給される部分となっている。流入多相流管 1 0 2 は、矢印 1 2 0の方向に沿って産出マ二フォールド 1 1 6から多相流体を受け取るようになつている。流入多相流管 1 0 2において、引用符号 1 2 2はベンチユリ部、 1 2 4は傾斜増減部、 1 2 6は渦流分離器 1 0 4に対しての水平放出要素を示している。

水平放出要素 1 2 6は、渦流分離器 1 0 4の円筒状の内部分離部へ接線方向に多相流体を放出するように配置されている。水平放出要素 1 2 6から多相流体が放出されると、この放出によって渦流分離器 1 0 4内の液体部分 1 2 8にトルネード効果又はサイクロン効果が生じるといわれている。渦流分離器 1 0 4内には、水平放出要素 1 2 6を介して多相流体の全量が放出されるようになつている ο

液体部分 1 2 8は、分離された水相、油相、及び同伴する気相を含む主液相になっている。同伴気相は、サイクロン効果から生じる遠心力により液体部分 1 2 8から分離されるようになつている。なお、同伴気相は、この同伴気相の付加的な重力分離を可能にする比較的低い流量を除いて完全に除去することができない。言い換えれば、流量が高い場合には同伴気相が除去されないことになる。液体部分 1 2 8は、渦流分離器 1 0 4から液体測定流管 1 0 8へ放出されるようになつている。

渦流分離器 1 0 4内部の気体部分 1 3 2は、油と水のミストと共に気体を含む主気相になっている。渦流分離器 1 0 4には、ミストの部分的な凝縮が生じるようなミスト収集スクリーン 1 3 4が設けられている。気体部分 1 3 2は、気体測定流管 1 0 6へ放出されるようになっている。

気体測定流管 1 0 6には、コリオリ質量流量計 1 5 4が設けられている。このコリオリ質量流量計 1 5 4は、気体測定流管 1 0 6 内部の多相流体の気体部分 1 3 2から質量流量及び密度の測定値を提供するようになつている。コリオリ質量流量計 1 5 4は、流量送信器 1 5 6に接続されており、測定値を表す信号が制御装置 1 1 2 に対して出力されるようになっている。気体測定流管 1 0 6には、逆止弁 1 6 0が設けられている。逆止弁 1 6 0は、矢印 1 6 2方向における確実な流れを保証して、これにより液体部分 1 2 8が気体測定流管 1 0 6へ浸入することを阻止するようになっている。

液体測定流管 1 0 8には、静止型ミキサ 1 6 4が設けられている。また、この静止型ミキサ 1 6 4の後方には、コリオリ質量流量計 1 6 6と含水モニタ 1 7 2 とが設けられている。コリオリ質量流量計 1 6 6は、液体測定流管 1 0 8内部の液体部分 1 2 8から質量流量及び密度の測定値を提供するようになっている。コリオリ質量流量計 1 6 6は、流量送信器 1 6 8に接続されており、測定値を表す信号が制御装置 1 1 2に対して出力されるようになっている。含水モニタ 1 7 2は、液体測定流管 1 0 8内部の液体部分 1 2 8の含水率を測定するようになつている。含水モニタ 1 7 2は、制御装置 1 1 2に接続されている。

液体測定流管 1 0 8には、逆止弁 1 7 8が設けられている。逆止弁 1 7 8は、矢印 1 8 0方向における確実な流れを保証して、これにより気体部分 1 3 2が液体測定流管 1 0 8へ浸入することを阻止するようになっている。引用符号 1 5 0及び 1 7 4は、制御装置 1 1 2により開閉制御される弁を示している。

産出マニフォ一ルド 1 1 6は、経路 1 9 0を介して制御される弁 1 8 2、 1 8 4を有している。弁 1 8 2、 1 8 4は、一つの油井 1 8 6或いは組み合わせ（例えば油井 1 8 6とガス井 1 8 8 ) からの多相流体をレール 1 9 2へ流して流入多相流管 1 0 2へ流体を分配するように選択的に構成されている。なお、他の弁は、バイパス管 1 9 4を通って流すことにより多相流れ測定システム 1 0 0をバィパスするように選択的に構成されている。

引用符号 1 9 6、 1 9 7は手動の弁を示している。この弁 1 9 6 , 1 9 7の内側にあるバイパス管路 1 9 8は、弁 1 9 9が開き且つ弁 1 5 0、 1 7 4が閉じられる時に、流れが多相流れ測定システム 1 0 0をバイパスするようになっている。以上が多相流れ測定システム 1 0 0に関する説明である。

特開平 8— 2 0 1 1 3 0号公報には、液体と気体の二相流体の流量等を計測する従来技術が開示されている。具体的には、液体と気体の二相流体の流量を、液体と気体の混相流（混合液体）の状態のままで計測するタービン型流量計の技術が開示されている。タ一ビン型流量計は、上記超音波流量計と同様の機能を有しており、この代わりとすることが可能である。タービン型流量計は、単純な構造で、耐久性に優れた機器によって安価に計測をすることができるという効果を奏することが知られている。なお、タービン型流量計や超音波流量計の他には、オリフィス流量計も知られている。

発明の開示

ところで、上記従来技術の多相流れ測定システム 1 0 0にあつては、気相と液相とを分離する渦流分離器 1 0 4及びこの周辺構成に問題点があり、単純に γ線式密度計の代わりに適用できるものでないことを本願発明者は見出している。すなわち、多相流れ測定システム 1 0 0にあっては、レール 1 9 2を介して多相流体の全量が渦流分離器 1 0 4内に放出される構成であるが、多相流体の全量が渦流分離器 1 0 4内に放出されるということは、多くの気泡が液体部分 1 2 8に含まれた状態で渦を巻くことになる。

本願発明者が考えるには、渦流分離器 1 0 4のサイク口ン効果のみであると、比較的小さな気泡が渦に巻き込まれて液体測定流管 1 0 8内部に流れ込んでしまい（気泡同士のぶつかりが生じて気泡が大きく成長すれば気液の分離は進行する。しかしながら、分離器内部で生じる自由渦は中心付近程回転比が高く相対的に中心付近の圧力が低下して小さな気泡群は液体測定流管 1 0 8側へ吸い込まれてしまう可能性が生じる。これは重力分離ができない場合に特に顕著となる。）、小さな気泡を多く含んだ状態で液体測定流管 1 0 8 内部の液体部分 1 2 8はコリオリ質量流量計 1 6 6によって密度計測がなされてしまうことになる。小さな気泡を多く含んだ状態での密度計測は、この計測値が気泡を含まない状態の値と異なることから、誤差が発生してしまうことになる。従って、後の流量の算出に影響を来してしまうことになる。

y線式密度計の代わりに特表 2 0 0 3 - 5 1 3 2 3 4号公報の密度計に関する開示技術を適用することは、流量の算出に影響を来してしまうことになる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、精度良く流量計測をすることが可能な多相流量計を提供することを課題とする上記課題を解決するためになされた請求項 1記載の本発明の多相流量計は、気体と二種類の液体とからなる三相流における気液二相流の各相流量を計測する気液二相流量計測部と、前記気液二相流における液相としての混合液体の混合密度を計測する混合液体密度計測部と、前記混合密度から前記混合液体の混合比率を求め該混合比率と混合液体流量とから前記混合液体の各流量を算出する各相流量算出部とを備え、前記混合液体密度計測部は、混合液体抽出部と、該混合液体抽出部に連結する密度計測部とを含み、前記混合液体抽出部は、前記三相流を流すパイプラインに設ける差圧発生器と、該差圧発生器の上流下流に連結する一対の連通管と、該一対の連通管に連結して前記三相流の一部を取り込む場所となるとともに前記差圧発生器前後の圧力変化を利用して前記三相流の一部を強制的に撹拌させる場所となる気液抽出タンクと、該気液抽出タンクに連結して液相を含む気体を排出する気液排出管と、前記気液抽出タンクに連結して少なくとも前記密度計測部で必要とする密度計測用の混合液体を取り込みこれを溜める液溜タンクと、該液溜タンクの少なくとも下流側に設ける液流量調節弁とを有し、前記密度計測部は、前記密度計測用の混合液体を用いて密度計測をする密度計測部本体と、該密度計測部本体及び前記パイプラインに連結する気液戻管とを有することを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、気液抽出タンクに取り込まれた三相流の一部がオリフィス（差圧発生機器）前後の圧力変化によって強制的に撹拌されるような状態になる。すなわち、取り込まれた三相流の一部は、左右、上下などに強制的に揺さぶられて撹拌される。この時、混合液体中に含まれる気泡は、気泡同士のぶっかり合いによって大きな気泡へと成長し、混合液体から気相側へと分離する。強制的な撹拌作用により小さな気泡であっても容易に混合液体から気相側へ分離する。

本発明によれば、液溜タンクには、気泡の分離がなされた混合液体が液流量調節弁の調節によって溜まる。この液溜タンクに溜まつた混合液体は、密度計測に用いられる。気泡の分離がなされた混合液体で密度計測がなされることから、精度の高い測定値が提供される。

本発明によれば、液溜タンクは、少なくとも密度計測部で必要とする混合液体を取り込みこれを溜めることができれば良く、このため気液抽出タンクでは取り込んだ三相流の一部の全てを気液分離する必要性はない。気液抽出タンクでは、密度計測部で必要とする混合液体を液溜タンクへ流すことができる分だけ気体の除去が行えれば十分である。

本発明によれば、液相の密度を計測するために三相流の全量でなく三相流の一部が気液抽出タンクに取り込まれる。取り込みが三相流の全量でないことから混合密度計測部の大きさを小さくすることが可能になり、結果、多相流量計の全体を小型化することが可能になる。請求項 2記載の本発明の多相流量計は、請求項 1 に記載の多相流量計において、前記気液二相流はスラグ流である、或いは気泡流又はせん状流であることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、抗井から産出される油 * 水 * ガスの混相流（三相流）における気液二相流の代表的なものがスラグ流、気泡流又はせん状流であり、これらが流れると混合液体密度計測部におけるオリフィス前後の圧力変化がより大きく頭著となる。

請求項 3記載の本発明の多相流量計は、請求項 1又は請求項 2 に記載の多相流量計において、前記混合液体密度計測部、又は、前記混合液体密度計測部及び前記気液二相流量計測部は、前記パイプラインに対して着脱自在であることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、必要な箇所に移動させることにより、例えば採油井の管理や採取工程ないし出荷管理のための流量計測を行うことが可能になる。

本発明によれば、精度良く流量計測をすることが可能な多相流量計を提供することができるという効果を奏する。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施の形態を示す多相流量計の構成図である。

図 2は、混合液体密度計測部の構成図である。

図 3は、気液二相流の水平管内における流動様式についての説明図である。

図 4は、気液抽出タンク内での状態を示す説明図である。

図 5は、気液二相流量計測部の他の例を示す構成図である。図 6は、コリオリメータによる油水気中の油水密度の計測結果を示すグラフである。

図 7は、コリオリメータによる油水気中の含水率（水 Z油）の計測結果を示すグラフである。

図 8は、本発明の他の一実施の形態を示す多相流量計の構成図である。

図 9は、混合液体密度計測部の構成図である。

図 1 0は、気液抽出タンク内での状態を示す説明図である。図 1 1は、従来例の多相流れ測定システムの構成図である。発明を実施するための最良の形態

. 以下、図面を参照しながら説明する。図 1は本発明の一実施の形態を示す多相流量計の構成図である。また、図 2は混合液体密度計測部の構成図、図 3は気液二相流の水平管内における流動様式についての説明図、図 4は気液抽出タンク内での状態を示す説明図、図 5は気液二相流量計測部の他の例を示す構成図、図 6はコリオリメータによる油水気中の油水密度の計測結果を示すグラフ、図 7はコリオリメータによる油水気中の含水率（水油）の計測結果を示すグラフである。

図 1において、本発明の多相流量計 1は、混合液体密度計測部 2 と、気液二相流量計測部 3 と、各相流量算出部 4 とを含んで構成されている。このような構成の多相流量計 1における混合液体密度計測部 2は、混合液体抽出部 5 と、密度計測部 6 とを備えて構成されている。気液二相流量計測部 3は、気体と二種類の液体とからなる三相流（例えばガス，油，水）における気液二相流の各相流量を計測することが可能な構成を有しており、特に限定するものでないが、本形態においてはタービン型気液二相流流量計が用いられている（例えば、背景技術の欄の特許文献 3に開示されたタービン型流量計などが好適である）。気液二相流量計測部 3は、ホモジナイザ一 7 と、タービンメータ 8 と、差圧計 9 と、圧力計 1 0 と、温度計 1 1 とを備えて構成されている。気液二相流量計測部' 3により得られる測定値は、各相流量算出部 4に取り込まれ、また、混合液体密度計測部 2により得られる測定値も各相流量算出部 4に取り込まれ、ここでガス · 油 · 水の各相流量が算出されるようになつている。

本発明の多相流量計 1は、例えば公知のタービン型気液二相流流量計に混合液体密度計測部 2を組み合わせる構成であるが、この混合液体密度計測部 2を組み合わせることによって格段に精度の高い流量計測をすることが可能な多相流量計を提供することができるようになる。また、混合液体密度計測部 2は、後述するが液相（混合液体）の密度を計測するために三相流の全量でなく三相流の一部を取り込む構成である。従って、コンパクトにすることが可能な多相流量計を提供することができるようになる。以下、図 1ないし図 7を参照しながら本発明の多相流量計 1の各構成及び作用について説明する。

混合液体密度計測部 2は、上記の如く、混合液体抽出部 5 と、密度計測部 6 とを備えて構成されている。混合液体抽出部 5は、ォリフィス 1 2と、連通管 1 3 と、気液抽出タンク 1 4 と、気液排出管 1 5 と、気体排出管 1 6 と、液溜タンク 1 7 と、液流量調節弁 1 8、 1 9 とを有している。また、密度計測部 6は、混合液体導入管 2 0 と、密度計測部本体 2 1 と、気液戻管 2 2とを有している。混合液体密度計測部 2は、混合液体抽出部 5 と密度計測部 6 とが連結して構成されるものであり、パイプライン（主管） 2 3に対して着脱自在となる構造を有している（パイプライン（主管） 2 3は、例えば混合液体密度計測部 2の部分と気液二相流量計測部 3の部分とで分離することができる構造になっている）。混合液体密度計測部 2は、密度計測部 6により得られる測定値が各相流量算出部 4に取り込まれるようになつている。

オリフィス 1 2は、差圧発生機器であってパイプライン（主管 ) 2 3に対して取り付けられている。パイプライン（主管） 2 3には、三相流が流れるようになつている。三相流は、気体（ガス）と二種類の液体（例えば油 · 水）とからなるものである。この三相流における気液二相流は、特に限定するものでないが、本形態においてはスラグ流、気泡流又はせん状流を想定している。

なお、ここで、気液二相流の水平管内における流動様式について簡単に説明する。気液二相流は、気液各々の流速の組み合わせによって様々な流動様式をとることが知られている。これらの流動様式を図 3に示す。図 3 ( a ) は成層流、（ b ) は波状流、（ c ) は環状流、（ d ) は気泡流又はせん状流、（ e ) はスラグ流、（ f ) は（ c ) と異なる環状流、（ g ) は気泡流、（h ) は環状噴霧流で、パイプラインの流動状態は一般的に（ d ) 又は（ c ) であることが多いといわれている。

スラグ流は、図 3 ( e ) に示す如く、気泡を含んだ液相と、気体及び液体が上下の層に分離してなる相とを有し、これら二つの相が交互に現れるような流れとなっている。このようなスラグ流がォリフィス 1 2を通過することにより生じる差圧 Δ Pは、前者の相が大きく、後者の相では小さくなるようになつている。ここで特に図示はしないが、差圧 Δ Pの大きさの変動を測定した結果、前者の相と後者の相とで 3. 5倍ものひらきがあることつかんでいる。すなわち、スラグ流によってオリフィス 1 2前後の差圧 Δ Pが周期的に大きく変化することになる。また、オリフィス 1 2前後の差圧厶 P が短時間（約 3秒。但しこの時間に限定されないものとする）で大きく変化することもつかんでいる。

連通管 1 3は、パイプライン（主管） 2 3に連結して三相流の一部を流す管であって、一端がオリフィス 1 2の上流側に連結する気液抽出管又は気液排出管 1 3 a と、オリフィス 1 2の下流側に連結する気液抽出管又は気液排出管 1 3 b との二つで構成されている

(上流側のみでも可能である。二つで構成することが好ましい）。連通管 1 3は、気液抽出管又は気液排出管 1 3 a、 1 3 bで構成されることから対をなしており、図中では所定の長さで平行となるように、また、パイプライン（主管） 2 3から下方へのびるように配置形成されている。なお、一対で構成される連通管 1 3 (気液抽出管又は気液排出管 1 3 a、 1 3 b ) の各中間に弁 2 4を設け、この弁 2 4の開閉を自動制御するようにすれば、任意の時間帯で計測を行うことができるようになる。本形態では、弁 2 4は全開であり、パイプライン（主管） 2 3に三相流が流れている間は計測が続けられているものとする。

気液抽出タンク 1 4は、所望の容積（例えば約 1 L ：以下、「 L J をリットルの意味で使用する）の内部空間を有する容器であつて、一対の連通管 1 3 (気液抽出管又は気液排出管 1 3 a、 1 3 b ) の各他端が連結するようになっている。図 2及び図 4 (図 4は模式的に図示しているものとする）において、気液抽出タンク 1 4に三相流の一部が取り込まれ、ある程度溜まった状態になると、気液抽出タンク 1 4の内部では次のような作用が生じることになる。すなわち、オリフィス 1 2前後の差圧 Δ Pが短時間で大きく変化することから、上流側の気液抽出管又は気液排出管 1 3 aから取り込まれる三相流の一部（単に気液と略記する場合もあるものとする）の抽出流量は変動する。特に気液中の大きな気泡は、恰も鉄砲から打ち出された空砲のように気液抽出タンク 1 4内に噴出し、気液抽出タンク 1 4内全体に大きな撹拌流を生じさせる。気液抽出タンク 1 4内で発生する撹拌流 2 5は、小さな気泡同士を結合させて大きな気泡へと成長させ、そして、気体の分離を促進させるとともに、気液抽出タンク 1 4内の上部に気泡を集め、液体を伴った状態で下流側の気液抽出管又は気液排出管 1 3 bに押し込んでパイプライン（主管） 2 3に排出する作用を生じさせる。

下流側の気液抽出管又は気液排出管 1 3 bは、主として液体を伴った気体の排出を行っているが、オリフィス 1 2前後の差圧 Δ P の変動により、オリフィス 1 2の下流側の圧力が高い時で気液抽出タンク 1 4内の圧力が下がった時に、下流側の気液抽出管又は気液排出管 1 3 bから気液抽出タンク 1 4内へ気液が送出され、全体の撹拌流 2 5に対し局所的に小さな撹拌流 2 6が形成される。小さな撹拌流 2 6は、全体的な撹拌流 2 5 と同様、気体の分離に寄与する。小さな撹拌流 2 6が発生した時には、下流側の気液抽出管又は気液排出管 1 3 b内で逆流が生じていることから、この下流側の気液抽出管又は気液排出管 1 3 bから気液の排出は行われないが、下流側の気液抽出管又は気液排出管 1 3 bの連結近傍では小さな撹拌流 2 6が発生するため、分離された気体がこの後に排出され易くなつている。以上の説明は、連通管 1 3 (気液抽出管又は気液排出管 1 3 a 、 1 3 b ) を対で構成することにより得られる効果である。

気液抽出タンク 1 4内の上部に存在する気体の排出について説明すると、大きな撹拌流 2 5などによって分離された気泡は気液抽出タンク 1 4内の上部に集まり、弁 2 7及び気液排出管 1 5を介して液体を伴う状態で排出される。本形態での排出先は、密度計測部 6の気液戻管 2 2に設けられる後述のクロス弁 4 1 となっている（一例であるものとする）。

気液抽出タンク 1 4の下部には、混合液抜出管 2 8が設けられている。この混合液抜出管 2 8は、口径 4 0 m m程度で気液抽出タンク 1 4の下部に直立する管であって、例えば約 1 0 O m mの長さとなるように形成されている。混合液抜出管 2 8は、この内部に長さ方向の 2 Z 3程度となる、細管を束ねた構造体 2 9が備えられている。細管を束ねた構造体 2 9は、例えば細管の内径を 2 m m程度として細管同士が外接するように束ねられている。細管を束ねた構造体 2 9は、円筒状（円柱状）に組み合わせられて混合液抜出管 2 8の内部に挿入設置されるようになつている（混合液抜出管 2 8の口径を 4 0 m mで設定した場合には、 9 0本程度の細管数になる）。細管を束ねた構造体 2 9は、気液抽出タンク 1 4内の気泡が液溜タンク 1 7 へ流れないようにすることを目的として備えられている (気泡が液溜タンク 1 7 へ流れなければ設置不要である。本形態では安全策として設置している。設置不要の例としては、ガスボイド率が低い場合が挙げられる）。混合液抜出管 2 8の部分はフィルタとしての機能を有している。なお、上記の細管は、プレートに小孔をあけたものに置き換えることが可能であるものとする。

液流量調節弁 1 8は、気液抽出タンク 1 4と液溜タンク 1 7 とを連結する連結管 3 0の中間に設けられている。液流量調節弁 1 8 は、例えば混合液体の流量が 2 〜 6 L / m i n程度となるように開度が調節されている。液流量調節弁 1 8は、適量の混合液体を液溜タンク 1 7 へ供給するために設けられている。

液溜タンク 1 7には、気液抽出タンク 1 4側で気体の除去がなされた混合液体が流れ込むようになつている。液溜タンク 1 7は、混合液体が一旦溜まるような容器として形成されている（容積は例えば 0 . 5 Lとする）。液溜タンク 1 7は、混合液体が例えば約 1 分程度滞留するような構造になっている。液溜タンク 1 7は、内部の気体が抜けきらない場合や、混合液体に極微小な気泡が含まれている場合を想定して、気体や気泡を弁 3 1及び気体排出管 1 6を介して後述のクロス弁 4 1 へ排出することができるようになつている。液溜タンク 1 7は、本形態において、少なくとも密度計測部 6で必要とする密度計測用の混合液体を取り込みこれを溜めることができるような構造になっている。

液流量調節弁 1 9は、液溜タンク 1 7 と密度計測部 6の混合液体導入管 2 0 とを連結する連結管 3 2の中間に設けられている。液流量調節弁 1 9は、混合液体の流量が適量となるように開度が調節されている。具体的な例としては、密度計測部 6の密度計測部本体 2 1における後述のコリオリメータ 3 8内を通過する時間が例えば 1 0 〜 3 0秒程度となるように開度が調節されている（口径 2 5 m mのコリオリメータ 3 8を使用した場合には、 0 . 5 〜 1 . 5 L Z m i n程度）。液流量調節弁 1 9の位置では、混合液体のみ（例えば油 · 水）が密度計測部 6 へ流れるようになつている。

連結細管 3 2が連結する密度計測部 6の混合液体導入管 2 0には、弁 3 3 と排出弁 3 4 とが設けられている。また、混合液体導入管 2 0に一端が連結して密度計測部本体 2 1を迂回し他端が気液戻管 2 2に連結する副バイパス管 3 5にも弁 3 6が設けられている。本形態において、弁 3 3は全開であり、排出弁 3 4 と弁 3 6は全閉となっている。弁 3 3は、密度計測部本体 2 1側に設けられている密度計測部本体 2 1は、本形態において、ホモジナイザー 3 7 と、コリオリメータ 3 8 と、混合液体戻管 3 9 とを備えて構成されている。ホモジナイザー 3 7は、混合液体を均質化して混合液体密度を均一にするために設けられている。ホモジナイザー 3 7は、コリオリメータ 3 8の上流に設けられている。ホモジナイザー 3 7は、コリオリメータ 3 8の近傍に設けられてコリオリメータ 3 8による混合密度の計測をより確かなものにするようになっている。なお、コリオリメータ 3 8は、公知のコリオリ質量流量計において密度計測をすることができる構成を備えていれば良いものとする（又はこれと同様の原理で密度計測することができるものでも可）。本形態においては、公知のコリオリ質量流量計がコリオリメータ 3 8 として用いられている。コリオリメータ 3 8は、これによる密度計測が混合液体の流速に依存しない（測定は内蔵するチューブに充満した混合液体を振動させて行う）ことから、少ない流量で計測することが可能である。

気液戻管 2 2には、コリオリメータ 3 8側から順に、弁 4 0、クロス弁 4 1、逆止弁 4 2が設けられている。弁 4 0は、全開となつている。クロス弁 4 1及び逆止弁 4 2は、公知のものが用いられ 'ており、作用等の説明は省略するものとする。気液戻管 2 2は、混合液体抽出部 5のオリフィス 1 2の下流側でパイプライン（主管） 2 3に接続されている（引用符号 4 3は合流部を示している）。

気液二相流量計測部 3は、上述の如く、ホモジナイザー 7 と、タービンメータ 8 と、差圧計 9 と、圧力計 1 0 と、温度計 1 1 とを備えて構成されている。このような構成の気液二相流量計測部 3は、背景技術の欄の特許文献 3に開示されたタービン型流量計（特開平 8— 2 0 1 1 3 0号公報）と同じであるので、ここでは構成の具体的な説明は省略するものとする（測定方法については後述する）。なお、気液二相流量計測部 3は、図 5に示す、容積流量計 4 4、ベンチユリ管 4 5、差圧計 4 6等とを備えたもので構成しても良いものとする。本形態でタービン型流量計を採用している理由は（上記公報のタービン型流量計に限らない）、タービン型流量計が、気液二相流を混相流の状態のままで、全体積流量、気液体積流量比を同時に効率よく求めることができるからである。また、タービン型流量計は、コスト及び取り扱いに優れているからである（この他、一般的な工業計器を用いること、油田などの高圧仕様に対してフランジ規格対応のみで適応できることなどの強みがある）。

各相流量算出部 4は、上述の如く、気液二相流量計測部 3により得られる測定値、及び、混合液体密度計測部 2により得られる測定値を取り込んで、三相流（例えばガス · 油 · 水）の各相流量を算出することができるような構成を有している。各相流量算出部 4は、例えば、図示しない制御装置の一部として、又は、気液二相流量計測部 3及びコリオリメータ 3 8の各演算部分の組み合わせとして構成することができるものとし、マイクロコンピュータ等の機能で各相流量を算出するようになっている。各相流量算出部 4は、混合液体密度から混合液体の混合比を求め、この混合比率と混合液体流量とから混合液体の各流量を算出するようになつている。

次に、タービン型流量計による気液二相流の気液の測定方法を説明する（要約であるものとする）。混相状態にある気液は、上流側に設置されているホモジナイザー 7により恰も一つの流体のように均質化されてタービンメータ 8のタービンロータに流入する。ホモジナイザー 7により混合流体の密度は均質化されることから、タ一ビンロータに作用する混合流体の運動量はロータ半径方向に一定となる。タービンロータは、効率よく回転する。ホモジナイザー 7 の前後に発生する差圧 Δ Pは、気液の流量 QMとこの QMに対する気体の流量 Q Gの占める割合（ガスボイド率 ]3 ) によって、 Δ Ρ ο f (QM) * f ( β ) として実験的に関数化される。タービンロータの回転数 Νは、 N oc f (QM) としてあらわされるので、 Δ Ρと Nとを測定することによりこれら二つの式から QMと ]3が求められる。混合流体における液体の流量 Q Lは、 Q L = QM * ( 1— ）、混合流体における気体の流量 Q Gは、 Q G = QM * ]3 として各々算出される。

コリオリメータ 3 8による密度計測に関連した説明をする。ここでは、混合液体を油水混合液と考えている。また、油及び水の各々単相での密度は公知であることを前提にしている。

含水率 _αは、含水率 _α = (油水の混合密度一油の密度） / (水の密度一油の密度）で算出される。以下、この含水率 αの式について具体的に説明をする。水の流量を QW、油の流量を Q O、水及び油各々の合算した流量を Q L、水の密度を p W 油の密度を ρ Ο、水及び油各々の合算した密度を P Lとすると、油及び水各々の質量流量と、これらを合算した油水の質量流量は等しくなるので、下記の（ 1 ) の式が得られる。

QW * p W+ Q O * _/o O = Q L * p L --- ( 1 )

この（ 1 ) 式は次のように変形することができる。すなわち、 Q O = Q L * QWであるので、 QW * ( p W- p O) = Q L * ( p L - p O) が得られる。含水率ひ =QWZQ Lであることから、含水率 α = ( p L - p O) / ( p W- ρ Ο) となる。

油の流量 Q Ο及び水の流量 QWは、タービン型流量計による気液二相流の気液の測定方法において説明した混合流体における液体の流量 Q Lに含水率 αを乗じて、 Q O = Q L * ( 1 - α ) 、 QW二 Q L * o;力ら求められる。

以上、図 1 ないし図 5を参照しながら説明してきたように、本発明の多相流量計 1は、混合液体密度計測部 2によって精度の高い密度計測が行われることから、最終的に油の流量 Q O及び水の流量 QWが高い精度で算出される。

本発明の多相流量計 1における混合液体密度計測部 2について補足説明すると、パイプライン（主管） 2 3から三相流の一部を抽出するために、言い換えれば気液を抽出するために、パイプライン

(主管） 2 3に設置したオリフィス 1 2の上下流にバイパス的に連結する一対の連通管 1 3 (気液抽出管又は気液排出管 1 3 a、 1 3 b ) と、気液抽出タンク 1 4 とが用いられる。パイプライン（主管 ) 2 3 にスラグ流等が流れることにより、オリフィス 1 2前後の圧力差が周期的に変化する。これに伴って一対の連通管 1 3 (気液抽出管又は気液排出管 1 3 a、 1 3 b ) と気液抽出タンク 1 4 とでは、気液の抽出と気体を主とした排出（パイプライン（主管） 2 3への排出）とが同時に行われる。気液抽出タンク 1 4内においては、気液が左右、上下などに強制的に揺さぶられて撹拌され、液体を伴う気体が排出される。これによつて気液抽出タンク 1 4内には、液相の比率が高い気液が残ることになる。そして、この液相の比率が高い気液から気体が除去されて混合液体が抽出され、液溜タンク 1 7に溜まるようになる。液溜タンク 1 7からは、コリオリメータ 3 8で必要な分の混合液体が流れ、ホモジナイザー 3 7で混合液体の密度が均質化され、コリオリメータ 3 8では、結果、精度の高い密度計測が行われる。

続いて、図 6及び図 7を参照しながら試験結果について説明をする。試験の仕様としては、タービンメータ 8を含むパイプライン

(主管） 2 3の口径を 5 0 mmとした。また、油水の流量 Q Lを 4 〜 1 5 m 3 Zh、ガスボイド率 ]3を 0〜 8 5 %、含水率 αを 5〜 3 0 %とした（上記の「m 3」を立方メートルの意味で使用する）。図 6はコリオリメータ 3 8による油水気中の油水密度の計測結果を示すグラフであり、グラフ中の ± 3 K g /m 3は密度の計測精度土 0 . 3 %強に相当する。通常、従来の多相流量システムでは、密度の計測精度は ± 0 . 5 %より高い精度が要求されることから、本発明においては良好な結果が得られたことになる。図 7はコリオリメータ 3 8による油水気中の含水率（水 Z油）の計測結果を示すグラフであり、含水率 αの計測精度は ± 2 . 5 %という良好な結果が得られたことになる。

密度を計測して水分率 αを算出する場合、密度計測誤差が拡大することが知られている。混合液体の密度 p L、油の密度 p O、水の密度 p Wとし、計測密度の誤差を γ p L、水分率の誤差を γ αであらわすと、 α = ( p L - p O ) / ( p W- ρ Ο ) であるから、 γ α = ΐ / ( p W- p O ) * y p Lが得られる。すなわち、 γ αは、 y p Lの 1 ( p W- p O ) 倍だけ拡大する。例えば、水の密度 P W = l g / c m 3、油の密度 p O = 0 . 8 5 g Z c m 3 とすると、 γ a = 1 / ( p W- p O ) * y p L = l / ( 1 - 0 . 8 5 ) * 7 p L 7 * y p Lとなることから、 7倍になる。従って、この場合、密度計測を 0 . 5 %としても水分率算出は 3 . 5 %になる。本願発明では、密度の計測精度 ± 0 . 3 %強に対してこの 7倍に近い ± 2 . 5 %の結果であり、理論的に整合性も取れている。

以上、図 1 ないし図 7を参照しながら説明してきたように、本発明は精度良く流量計測をすることが可能な多相流量計 1 を提供することができるという効果を奏する。

続いて、図 8ないし図 1 0を参照しながら本発明の他の一実施の形態を説明する。図 8は本発明の一実施の形態を示す多相流量計の構成図、図 9は混合液体密度計測部の構成図、図 1 0は気液抽出タンク内での状態を示す説明図である。なお、上述の形態と基本的に同じ構成には同一の符号を付して説明を省略するものとする。

図 8において本発明の他の一実施の形態となる多相流量計 1 ' は、混合液体密度計測部 2 ' と、気液二相流量計測部 3 と、各相流量算出部 4 とを含んで構成されている。混合液体密度計測部 2 ' は、混合液体抽出部 5 ' と、密度計測部 6 とを備えて構成されている。混合液体抽出部 5 ' は、オリフィス 1 2 と、一対の連通管 1 3 ( 気液抽出管又は気液排出管 1 3 a、 1 3 b ) と、気液抽出タンク 1 4 と、気液排出管 1 5 と、気体排出管 1 6 と、液溜タンク 1 7 と、液流量調節弁 1 9 と、一対の連通管 5 1 とを有している。

混合液体抽出部 5 ' は、上述の形態の混合液体抽出部 5に対して気液抽出タンク 1 4 と液溜タンク 1 7 との連結方式のみが異なつている。すなわち、図 2及び図 3で存在する混合液抜出管 2 8、連結管 3 0、液流量調節弁 1 8に替えて気液抽出タンク 1 4 と液溜タンク 1 7 とが一対の連通管 5 1で繫がれている。混合液体抽出部 5 ' では、一対の連通管 1 3 (気液抽出管又は気液排出管 1 3 a、 1 3 b ) 及び気液抽出タンク 1 4において生じる、気液の抽出と液体を伴う気体を主とした排出とを多段に行うことを目的としている。混合液体抽出部 5 ' は、一対の連通管とタンクとを多段にすることにより（図中の一対の連通管 5 1 と液溜タンク 1 7の部分が二段目とする。なお、三段以上にしても良いものとする）、小さな気泡の分離を達成した混合液体を密度計測部 6へ送ることができるようになっている（基本的な作用、効果は上述の形態と同じであるので説明は省略する）。

その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

例えば、混合密度計測部 2 (混合密度計測部 2 ' ) を気液二相流量計測部 3の下流側に配置しても良いものとする。

Claims

瞎求の範囲

1 . 気体と二種類の液体とからなる三相流における気液二相流の各相流量を計測する気液二相流量計測部と、前記気液二相流における液相としての混合液体の混合密度を計測する混合液体密度計測部と、前記混合密度から前記混合液体の混合比率を求め該混合比率と混合液体流量とから前記混合液体の各流量を算出する各相流量算出部とを備え、

前記混合液体密度計測部は、混合液体抽出部と、該混合液体抽出部に連結する密度計測部とを含み、

前記混合液体抽出部は、前記三相流を流すパイプラインに設ける差圧発生器と、該差圧発生器の上流下流に連結する一対の連通管と、該一対の連通管に連結して前記三相流の一部を取り込む場所となるとともに前記差圧発生器前後の圧力変化を利用して前記三相流の一部を強制的に撹拌させる場所となる気液抽出夕ンクと、該気液抽出タンクに連結して液相を含む気体を排出する気液排出管と、前記気液抽出タンクに連結して少なくとも前記密度計測部で必要とする密度計測用の混合液体を取り込みこれを溜める液溜夕ンクと、該液溜タンクの少なくとも下流側に設ける液流量調節弁とを有し、前記密度計測部は、前記密度計測用の混合液体を用いて密度計測をする密度計測部本体と、該密度計測部本体及び前記パイプラインに連結する気液戻管とを有する

ことを特徴とする多相流量計。

2 . 請求項 1に記載の多相流量計において、

前記気液二相流はスラグ流である、或いは気泡流又はせん状流である

ことを特徴とする多相流量計。

3 . 請求項 1又は請求項 2に記載の多相流量計において、

前記混合液体密度計測部、又は、前記混合液体密度計測部及び前記気液二相流量計測部は、前記パイプラインに対して着脱自在であ - 22 -