WO2012168032A1 - Impedanz-verfahren und anordnung zur bestimmung der zusammensetzung eines mehrphasengemischs - Google Patents

Impedanz-verfahren und anordnung zur bestimmung der zusammensetzung eines mehrphasengemischs Download PDF

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WO2012168032A1
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multiphase mixture
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multiphase
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Martin Joksch
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    • G01N33/2835—Specific substances contained in the oils or fuels
    • G01N33/2847—Water in oils

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for determining a composition of a multiphase mixture, wherein the multiphase mixture comprises at least three phases, into ⁇ particular oil, water, sand and / or sludge, comprising.
  • the multiphase mixture is conveyed away or discharged in a flow-through device, in particular a pipeline, for example, from a delivery point.
  • multi or multi-phase mixtures are involved, through which, for example, flow-through devices (for example pipes, pipes, etc.) are flowed through.
  • flow-through devices for example pipes, pipes, etc.
  • the problem often arises that not only a total mass flow, but also a ratio and / or proportions of the different phases in the multiphase mixture for an efficient flow of
  • Mass flow and the ratio of administrat ⁇ different phases are important for example for billing, for a control of the multiphase pump and in particular for setting a delivery rate (eg in oil production) and for quality monitoring.
  • Such devices are capable of producing two or three phases of a multiphase mixture - such as e.g. Oil, water and gas - to capture.
  • a multiphase mixture such as e.g. Oil, water and gas - to capture.
  • a multiphase flowmeter is a device used primarily in the oil and gas industry, and which measures and monitors flow rates of individual phases (eg, oil, water, gas) without prior separation of phases during the oil production or production process can be.
  • phases eg, oil, water, gas
  • a distinction can be made between local measurement and a so-called cross-sectional measurement.
  • cross-section measurement is either a reduction of radioactive or by X-ray radiation or a measurement of impedance or the electrical conductivity of the Mixture used to the respective phases or their
  • the cited, known multiphase flowmeters are usually limited to one measurement or determination of the phases of petroleum, water and gas and can therefore difficult or even impossible to detect contamination by sand and / or sludge in a multiphase mixture.
  • the so-called electrical impedance ⁇ spectroscopy is used in combination with other sensors for a measurement of eg temperature, pH, etc. of the mixture as a measuring method.
  • the sensors for the electrical impedance spectroscopy are in contact with the multiphase fluid mixture for the measurement. Impedances of the multiphase fluid mixture are determined over a frequency range of 0.1 Hz up to 1 MHz and then in a computing unit with the aid of derives the corresponding desired parameters from a mathematical model.
  • the method disclosed in document US 2006/0265150 A1 also has disadvantages in the case of use in a so-called flowmeter, in particular in oil production and / or processing, since it is possible to determine a composition of a multiphase mixture due to the low frequency range of .mu.m used for the measurement 0.1 Hz up to 1MHz can take a relatively long time.
  • a recording of a measuring point for the impedance spectrum at a frequency of 0.1 Hz takes about 5 to 10 seconds, and the recording of an entire spectrum may take, for example, one minute or more.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and an arrangement, by means of which a composition of a multiphase mixture can be determined without faulty measurements and / or trouble-free even with rapid changes in a simple and cost-effective manner.
  • electrodes are mounted in an electrically insulated manner from the multiphase mixture at a flow-through device for the multiphase mixture. On the multiphase mixture is then a
  • Electrodes performed a capacitive measurement of an impedance of the multiphase mixture and determines a dependent of a frequency waveform of the impedance using a measuring unit. Impedance spectra are then determined from the impedance curve determined with the aid of the measuring unit, and volume fractions of the respective phases in the multiphase mixture are derived by an evaluation unit via an evaluation of the impedance spectra.
  • the main aspect of the proposed solution according to the invention is that it can be ensured by the insulated electrodes, that a measurement, in particular the impedance, not by electrochemical reactions to the
  • the inventive method provides - especially for more than two phases in a multi-phase mixture as well as for shares of sand and / or sludge volume fraction with a relatively good accuracy (about 5 to 10%). It is advantageous if derived impedance spectra
  • measured and / or determined values - such as e.g. Impedance curves of the respective phases, impedance spectra, volume fractions, etc. - are displayed in a simple and rapid manner and it can be easily read a composition or a change in the composition of the multiphase mixture. It is advantageous if the electrodes on the outside of a
  • the electrodes can be easily mounted and removed in this way if necessary, e.g. At another point of the flow device, a measurement should be made.
  • the PLS is a static method of multivariate analysis, which is described e.g. is used to find relations between two matrices - e.g. a latent one
  • the PLS is also used, for example, in so-called Near Infrared Spectroscopy (NIR Spectroscopy) for evaluation purposes and also supplies in the
  • an impedance spectrum in a frequency range from 10 kHz to 20 MHz is recorded with the electrodes.
  • Practical tests of the determination of volume fractions with multiphase mixtures having at least three phases, in particular a mixture of oil, water and sand or sludge, have shown that in this frequency range a measurement of the impedance with electrically insulated electrodes, in particular attached to the outer wall of the flow-through device, is good Values for determining the volume fraction of the respective phases as well as for transitions between the phases can be achieved.
  • the error and interference susceptibility of the method according to the invention is rather low in this frequency range.
  • relatively fast measurements can be made in the frequency range from 10 kHz to 20 MHz, since this frequency range is sufficiently high to be able to record several impedance spectra per second. This is particularly advantageous when using the invention in a multi-phase flowmeter.
  • Method provides that in the capacitive measurement of the Impedance of the multi-phase mixture is a reference impedance, in particular ⁇ a capacity is used. Because when applying an AC voltage or an associated
  • the multiphase mixture acts as a dielectric, in which as a result of
  • Electrodes a frequency-dependent proportion of the measured
  • Electrodes mainly has a capacitive value.
  • Cross-section sensors can be mounted in a simple manner - in particular on outer walls of flow devices for measuring an impedance of a multi-phase mixture.
  • Flow device for the multiphase mixture further at least two electrodes for capacitive measurement of a
  • the arrangement according to the invention comprises a voltage source via which a
  • Impedance and determining the associated impedance spectra and an evaluation unit for determining volume fractions of the respective phase in the multiphase mixture are provided.
  • electrically insulated electrodes is ensured that a measurement of the impedance - by means of a voltage source and a reference impedance, for example by means of
  • the measuring unit of the arrangement according to the invention determines a frequency-dependent impedance profile and from this the corresponding impedance spectra in the selected
  • Frequency range e.g., 10kHz to 20MHz.
  • Frequency range is chosen such that it is sufficiently high to minimize influence of the electrode insulation, but that it is located in a range in which it is still possible to measure well with analog components (e.g., capacitors, etc.).
  • measurements of impedance spectra can be made rapidly - i. several spectra per second - recorded.
  • Impedance spectra for example, the so-called
  • the volume fractions of the respective phases are then determined on the basis of the impedance spectra, in particular also fractions for sand and / or sludge in a, e.g. Oil-water mixture - for example, by means of PLS - derived.
  • a e.g. Oil-water mixture
  • PLS - derived e.g. Phase-water mixture
  • the arrangement is inexpensive and simply practical - e.g. in petroleum extraction and processing - can be used, e.g. Volume fraction of more than two phases i to determine a mixture.
  • the arrangement according to the invention and thus also the method according to the invention can be applied very simply - also on account of the selected frequency range - in a so-called multiphase flowmeter.
  • an output unit for outputting and displaying the impedance spectra and the determined volume fractions of the respective phase in the multiphase mixture.
  • the output unit can quickly and efficiently, the determined values - such as impedance profiles of the respective phases, impedance spectra, by volume, etc are issued, for example, as a numerical value or in the form of curves ⁇ gradients.
  • Figure 1 by way of example and schematically a flow of the inventive method for determining a composition of a multi-phase mixture and the associated
  • FIG. 2 shows, in an exemplary and schematic way, a structure for measuring / determining an impedance of the multiphase mixture with electrodes and measuring unit.
  • FIG. 1 shows, by way of example and in a schematic way, the arrangement according to the invention and a sequence of the method according to the invention for determining a composition of a multiphase mixture MG which can be composed, for example, of a mixture of crude oil, water, sand and / or sludge.
  • a flow device DF such. a pipe or a pipe in an exemplary direction R flowed through.
  • Electrodes El, E2 attached to an outer wall of the flow device DF and thus electrically isolated from the multiphase mixture MG.
  • These electrodes El, E2 can be designed as so-called cross-sectional sensors.
  • the electrodes E1, E2 are designed as insulated electrodes E1, E2 and are located within-eg on an inner wall-the flow-through device DF.
  • a measurement of the impedance Zx takes place - as shown by way of example in FIG. 2 - for example according to the so-called IU method with the aid of a reference impedance Zref, which is e.g. can be designed as a capacity.
  • a reference impedance Zref which is e.g. can be designed as a capacity.
  • Capacitor can be used.
  • the voltage from the source VQ which is impressed on the multiphase mixture MG, causes on the one hand a voltage drop Vref at the reference impedance Zref and on the other hand a voltage drop VZx at the
  • the Impedance Zx of the multiphase mixture MG is then measured via the electrodes E1, E2.
  • the unknown impedance Zx of the multiphase mixture MG can then be determined, for example with the aid of the measuring unit ME.
  • the electrodes E1, E2 are-as shown schematically in FIG. 1-connected to a measuring unit ME, wherein the measuring unit ME has the structure shown schematically and exemplarily in FIG. 2 for determining the impedance Zx, in particular the source VQ for generating the changing electrical voltage with defined amplitude and adjustable frequency or the changing electric field and the reference impedance Zref may include.
  • a frequency dependent course of the impedance Zx of the multi-phase mixture MG which by capacitive measurement with the
  • Electrodes El, E2 has been determined, for example, in a frequency range of 10 kHz to 20 MHz determined.
  • impedance spectra - for example, by so-called dielectric impedance spectroscopy ⁇ - derived.
  • the measuring unit ME is connected to an evaluation unit AW, which can be designed, for example, as a PC or as a microcontroller, and data (eg impedance spectra, etc.) is generated between the measuring unit and the evaluation unit.
  • a fourth method step 4 the data supplied by the measuring unit ME, such as e.g. the impedance spectra to the measured impedance Zx of the multiphase mixture MG from the evaluation unit e.g. with the help of the Partial Least
  • Multi-phase mixture can be derived MG.
  • To the evaluation unit AW is still an output unit
  • volume fractions of the respective phases of the multi-phase mixture MG derived from different impedance spectra - e.g. in tabular form - are output, the evaluation with PLS shows that the volume fractions of the phases can be determined with an accuracy of about 5 to 10% and thus is relatively robust.
  • the inventive method and the arrangement are also against electrochemical reactions and consequent disturbances on the electrodes El, E2 by interaction with the multiphase mixture MG - due to the electrical insulation or electrically isolated attachment of the
  • Electrodes El, E2 - insensitive Electrodes El, E2 - insensitive.
  • Multiphase flowmeter can be applied.

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Abstract

Verfahren sowie eine Anordnung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Mehrphasengemischs (MG), wobei das Mehrphasengemisch (MG) zumindest drei Phasen, insbesondere Erdöl, Wasser, Sand und/oder Schlamm, aufweist. Das Mehrphasengemisch (MG) wird dabei in einer Durchflusseinrichtung (DF), insbesondere einer Rohrleitung, beispielsweise von einer Förderstelle wegbefördert bzw. abgeleitet. Dabei werden zumindest zwei Elektroden (E1, E2) zur kapazitiven Messung einer Impedanz (Zx) des Mehrphasengemischs (MG) elektrisch isoliert vom Mehrphasengemisch (MG) an der Durchflusseinrichtung (DF) angebracht und eine sich ändernde elektrische Spannung mit definierter Amplitude von einer Spannungsquelle (VQ) auf das Mehrphasengemisch (MG) aufgebracht (1), wobei eine Frequenz dieser Spannung eingestellt werden kann. Über die Elektroden (E1, E2) werden dann mit Hilfe einer Referenzimpedanz (Zref) eine kapazitive Messungen der Impedanz (Zx) des Mehrphasengemischs (MG) durchgeführt (2). Mit einer Messeinheit (ME) wird dann ein von einer Frequenz abhängiger Verlauf der Impedanz ermittelt und aus dem Verlauf der Impedanz (Zx) Impedanzspektren abgeleitet (3). Dann werden mittels einer Auswerteeinheit (AW) über eine Auswertung der Impedanzspektren beispielsweise mit Partial Least Squares Regression Volumenanteile der jeweiligen Phase im Mehrphasengemisch (MG) abgeleitet (4). Das Verfahren sowie die zugehörige Anordnung weisen damit insbesondere den Vorteil auf, dass Störungen durch elektrochemische Reaktionen zwischen Elektroden (E1, E2) und Mehrphasengemisch (MG) verhindert werden und damit die Messung sehr robust und vielfältig einsetzbar ist.

Description

Beschreibung
IMPEDANZ -VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR BES IMMUNG DER ZUSAMMENSETZUNG EINES MEHRPHASENGEMISCHS
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Mehrphasengemischs , wobei das Mehrphasengemisch zumindest drei Phasen, ins¬ besondere Erdöl, Wasser, Sand und/oder Schlamm, aufweist. Das Mehrphasengemisch wird dabei in einer Durchflusseinrichtung, insbesondere einer Rohrleitung, beispielsweise von einer Förderstelle wegbefördert bzw. abgeleitet.
Stand der Technik
In zahlreichen industriellen Prozessen, wie z.B. bei der Förderung von Rohöl bzw. Erdöl, sind so genannte Mehr- oder Multiphasengemische involviert, von welchen beispielsweise Durchflusseinrichtung (z.B. Leitungen, Rohre, etc.) durchflössen werden. Dabei stellt sich häufig das Problem, dass nicht nur ein gesamter Massendurchfluss , sondern auch ein Verhältnis und/oder Anteile der unterschiedlichen Phasen im Mehrphasengemisch für einen effizienten Ablauf des
industriellen Prozesses wichtig sind. Eine Kenntnis des
Massendurchflusses und des Verhältnisses der unter¬ schiedlichen Phasen sind z.B. für eine Rechnungsstellung, für eine Steuerung der Mehrphasenpumpe und insbesondere für eine Einstellung einer Förderrate (z.B. bei der Erdölförderung) und für eine Qualitätsüberwachung wichtig.
Bei der Erdölförderung ist beispielsweise das geförderte Rohöl häufig mit Wasser und Erdgas vermischt sowie durch Sand oder Schlamm verunreinigt. Für eine effiziente Erdölförderung ist es allerdings wünschenswert, einen Anteil an
unerwünschten Stoffen (z.B. Wasser, Sand, Schlamm, etc.) möglichst gering zu halten. Dies wird versucht, durch eine geeignete Prozessführung zu erreichen. Dazu ist es allerdings notwendig, eine Zusammensetzung des geförderten Mehrphasengemisches zu kennen. Dafür wurde - insbesondere für die
Erdförderung im Offshore-Bereich - seit zirka 1980 ein sogenanntes Multiphase-Flowmeter entwickelt. Derartige Geräte sind in der Lage, zwei oder drei Phasen eines Mehrphasengemisches - wie z.B. Öl, Wasser und Gas - zu erfassen.
Ein Multiphase-Flowmeter ist ein Gerät, welches vor allem in der Erdöl- und Erdgasindustrie eingesetzt wird, und mit welchem Durchflussraten der individuellen Phasen (z.B. Erdöl, Wasser, Gas) ohne vorherige Trennung der Phasen während des Erdölförder- oder -Produktionsprozesses gemessen und überwacht werden können. Bei dieser Methode der Phasenerfassung von Mehrphasengemischen kann beispielsweise zwischen lokaler Messung und einer sogenannten Querschnittsmessung unterschieden werden.
Bei der lokalen Messung werden z.B. nadeiförmige Sensoren in das Mehrphasengemisch eingebracht. Aufgrund der durch die Sensoren festgestellten, unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften kann dann erkannt werden, in welcher Phase des Mehrphasengemischs sich der Sensor gerade befindet. Dabei können unterschiedliche Sensorprinzipien eingesetzt werden - wie z.B. Leitfähigkeit, Kapazität, Temperaturleitfähigkeit - oder es werden beispielsweise elektrochemische und/oder optische Sensoren für die Messung und zum Feststellen der jeweiligen Phase verwendet. Ein derartiges Multiphase- Flowmeter, bei dem ein oder mehrere optische Sensoren zum Einsatz kommen, ist beispielsweise aus der aus den Jahren
2005-2008 stammenden Broschüre „Optical Multiphase Flowmeter" der Firma Weatherford International Ltd. unter http: //www. - weatherford . com/weatherford/groups/web/documents/weatherforde orp/WFT020125.pdf bekannt.
Bei der Querschnittmessung wird entweder eine Abschwächung von radioaktiver oder von Röntgen-Stahlung oder eine Messung einer Impedanz bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des Gemisches genutzt, um die jeweiligen Phasen bzw. deren
Anteile zu bestimmen. Aus der Schrift „Vx Technologie - Multiphase flow rate measurements without fluid Separation" der Firma Schlumberger, vom September 2007, welche z.B. unter http : //www . slb . com/resources/otherresources/brochures/testing /multiphase_vx_technology_brochure . aspx veröffentlicht ist, ist ein Methode bzw. ein Multiphase-Flowmeter bekannt, bei welchem radioaktive Strahlung zur Phasenbestimmung eingesetzt wird .
Die Messmethoden zur Bestimmung von Anteilen der jeweiligen Phasen eines Mehrphasengemisches weisen allerdings den
Nachteil auf, dass sie häufig einen komplexen Aufbau auf¬ weisen. Daher sind sie für eine praktischen Einsatz oft zu teuer und oft nur für Untersuchungen von Proben geeignet.
Weiters sind die angeführten, bekannten Multiphase-Flowmeter meist nur auf eine Messung bzw. Bestimmung der Phasen Erdöl, Wasser und Gas beschränkt und können daher Verunreinigungen durch Sand und/oder Schlamm in einem Mehrphasengemisch nur schwer bis gar nicht erfassen.
Aus der Schrift US 2006/0265150 AI sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Mehrphasen- Fluidgemischs - vor allem von Zweiphasen-Emulsionsmischung (z.B. Öl-Wasser-Emulsion, Zucker-Wasser-Mischungen, etc.) - bekannt, durch welche interessante Parameter des Mehrphasen- Fluidgemischs wie z.B. ein Verhältnis der Phasen des
Gemischs, Partikelgrößen von im Gemisch gelösten Partikeln und/oder Charakteristika einer Blasenschaumphase, etc. mit Hilfe von Sensoren erfasst und/oder gemessen werden. Dabei wird als Messmethode die sogenannte elektrische Impedanz¬ spektroskopie in Kombination mit anderen Sensoren für eine Messung von z.B. Temperatur, ph-Wert, etc. des Gemischs eingesetzt. Die Sensoren für die elektrische Impedanzspektro- skopie befinden sich für die Messung in Kontakt mit dem Mehr- phasenfluid-Gemisch . Es werden Impedanzen des Mehrphasen- fluid-Gemischs über einen Frequenzbereich von 0,1 Hz bis zu 1MHz ermittelt und dann in einer Recheneinheit mit Hilfe eines mathematischen Modells die entsprechend gewünschten Parameter abgeleitet.
Die in der Schrift US 2006/0265150 AI offenbarte Methode wie auch die zugehörige Vorrichtung weisen allerdings den Nachteil auf, dass sich die Sensoren für die Impedanzmessung in direktem Kontakt mit dem Mehrphasen-Fluidgemisch befinden. Daher können Störungen durch elektro-chemische Reaktionen zwischen einer Sensoroberfläche und dem Mehrphasen-Fluid- gemisch auftreten und die Messergebisse bzw. die gemessenen Impedanzwerte beeinflussen. Dadurch können sich Fehler bei den abgeleiteten Parametern (z.B. Verhältnis der Phasen, etc.) ergeben, welche beispielsweise durch zusätzliche
Messungen eruiert sowie durch aufwendige und kostenintensive Nachbearbeitung und/oder Ergänzungen des mathematischen
Modells zur Auswertung kompensiert werden müssen.
Die in der Schrift US 2006/0265150 AI offenbarte Methode weißt auch bei einen Einsatz in einem sogenannten Flowmeter - insbesondere bei der Erdölförderung und/oder -Verarbeitung - Nachteile auf, da ein Feststellen einer Zusammensetzung eines Mehrphasengemischs aufgrund des zur Messung verwendeten, niedrigen Frequenzbereichs von 0,1 Hz bis zu 1MHz relativ lange dauern kann. So benötigt beispielsweise eine Auf- Zeichnung eines Messpunktes für das Impedanzspektrum bei einer Frequenz von 0,1 Hz ca. 5 bis 10 Sekunden und die Aufzeichnung eines gesamten Spektrums kann dadurch z.B. eine Minute oder länger dauern. Damit kann auf rasche Änderungen bei der Zusammensetzung (z.B. Übergänge zwischen Phasen, die rasch wechseln, Verunreinigungen, etc.) nur schwer bis gar nicht reagiert werden, wodurch gegebenenfalls die Zusammen¬ setzung des Mehrphasengemischs nur fehlerhaft festgestellt werden kann. Zusätzlich können mit der in der Schrift US 2006/0265150 AI dargestellten Methode Verunreinigungen durch Sand und/oder Schlamm bzw. deren Anteil in einem Mehrphasengemisch ebenfalls nicht erfasst werden. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, durch welche auf einfache und kostengünstige Weise eine Zusammensetzung eines Mehrphasen- gemischs ohne Fehlmessungen und/oder störungsfrei auch bei raschen Änderungen bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren sowie eine Anordnung der eingangs angeführten Art durch die in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 9
beschriebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Anordnung sind in den abhängigen
Ansprüchen angeführt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass Elektroden elektrisch isoliert vom Mehrphasengemisch an einer Durchflusseinrichtung für das Mehrphasengemisch angebracht werden. Auf das Mehrphasengemisch wird dann eine sich
ändernde elektrische Spannung, insbesondere Wechselspannung, mit definierter Amplitude aufgebracht, wobei die Frequenz eingestellt werden kann. Dann wird laufend über die
Elektroden eine kapazitive Messung einer Impedanz des Mehr- phasengemischs durchgeführt und ein von einer Frequenz abhängiger Verlauf der Impedanz mit Hilfe einer Messeinheit ermittelt. Aus dem ermittelten Impedanzverlauf werden dann mit Hilfe der Messeinheit Impedanzspektren bestimmt und über eine Auswertung der Impedanzspektren durch eine Auswerteeinheit Volumenanteile der jeweiligen Phasen im Mehrphasen- gemisch abgeleitet.
Der Hauptaspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass durch die isolierten Elektroden sichergestellt werden kann, dass eine Messung, insbesondere der Impedanz, nicht durch elektrochemische Reaktionen an den
Elektroden gestört wird. Die Messung der Impedanz des Mehr- phasengemischs ist somit auf einfache und kostengünstige Weise robuster und stabiler. Bei einer Ermittlung eines frequenzabhängigen Impedanzverlaufs bzw. der Impedanzspektren sowie bei einer Auswertung der Messergebnisse bzw. Impedanzspektren sind daher keine aufwendigen und komplexen
Korrekturen, etc. von etwaigen Störungen vorzunehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert - insbesondere auch für mehr als zwei Phasen in einem Mehrphasengemisch sowie auch für Anteile von Sand und/oder Schlamm -Volumenanteil mit einer relativ guten Genauigkeit (ca. 5 bis 10 %) . Es ist vorteilhaft, wenn abgeleitete Impedanzspektren
und/oder ermittelte Volumenanteile der jeweiligen Phase des Mehrphasengemischs über eine Ausgabeeinheit ausgegeben und angezeigt werden. Damit können gemessene und/oder ermittelte Werte - wie z.B. Impedanzverläufe der jeweiligen Phasen, Impedanzspektren, Volumenanteile, etc. - auf einfache und rasche Weise angezeigt werden und es kann ohne großen Aufwand eine Zusammensetzung bzw. eine Veränderung der Zusammensetzung des Mehrphasengemischs abgelesen werden. Es ist günstig, wenn die Elektroden außenseitig an einer
Außenwand der Durchflusseinrichtung angebracht werden. Auf diese einfache Weise werden die Elektroden durch die Außenwand der Durchflusseinrichtung elektrisch vom Mehrphasengemisch isoliert. Es werden damit ohne großen Aufwand
elektrochemische Störungen bei der Messung verhindert.
Zusätzlich können die Elektroden auf diese Weise bei Bedarf leicht angebracht und wieder entfernt werden, wenn z.B. an einem anderen Punkt der Durchflusseinrichtung eine Messung vorgenommen werden soll.
Bei komplexeren Messorten oder wenn ein Position für eine Impedanzmessung eines Mehrphasengemischs nur schwer oder kaum von außen für eine Anbringung von Elektroden zugänglich ist, so besteht alternativ die Möglichkeit, die Elektroden
elektrisch isoliert vom Mehrphasengemisch innerhalb der
Durchflusseinrichtung anzubringen. Durch eine entsprechende Anbringung und Isolation vom Mehrphasengemisch werden
ebenfalls elektrochemische Reaktionen an den Elektroden, welche zu Störungen und Fehlern bei der Impedanzmessung führen, verhindert.
Idealer Weise wird die Auswertung der Impedanzspektren mit der so genannten Partial Least Square Regression - kurz PLS - durchgeführt. Die PLS ist eine statische Methode einer multi- varianten Analyse, welche z.B. verwendet wird, um Relationen zwischen zwei Matrizen zu finden - z.B. einen latenten
Variablen-Ansatz, um Kovarianzstrukturen in Matrixen-Räumen zu modellieren. Die PLS wird beispielsweise auch in der sogenannten Near-Infrared-Spektroskopie (NIR-Spectroscopy) zu Auswertungszwecken eingesetzt und liefert auch bei der
Auswertung der Impedanzspektren eine Bestimmung der Volumenanteile der jeweiligen Phasen in einem Mehrphasengemisch mit relativ guter Genauigkeit von ca. 5 bis 10%.
Für eine Bestimmung der Zusammensetzung eines Mehrphasen- gemischs ist es vorteilhaft, wenn mit den Elektroden ein Impedanzspektrum in einem Frequenzbereich von 10kHz bis 20 MHz aufgenommen wird. Praktische Versuche der Bestimmung von Volumenanteilen mit Mehrphasengemischen mit zumindest drei Phasen, insbesondere Gemisch aus Öl, Wasser und Sand bzw. Schlamm, haben gezeigt, dass in diesem Frequenzbereich eine Messung der Impedanz mit elektrisch isolierte- insbesondere an der Außenwand der Durchflusseinrichtung angebrachten - Elektroden gute Werte für die Bestimmung der Volumenanteil der jeweiligen Phasen sowie für Übergänge zwischen den Phasen erzielt werden. Auch die Fehler- und Störungsanfälligkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in diesem Frequenzbereich eher gering. Außerdem können im Frequenzbereich von 10kHz bis 20 MHz relativ rasch Messungen durchgeführt werden, da dieser Frequenzbereich genügend hoch ist, um mehrerer Impedanzspektren pro Sekunde aufzeichnen zu können. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz der Erfindung in einem Multi- phase-Flowmeter von Vorteil.
Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass bei der kapazitiven Messung der Impedanz des Mehrphasengemischs eine Referenzimpedanz, ins¬ besondere eine Kapazität, verwendet wird. Denn beim Anlegen einer Wechselspannung bzw. eines damit einhergehenden
elektrisch veränderlichen Feldes wirkt das Mehrphasengemisch wie ein Dielektrikum, in welchem als ein Ergebnis der
Bewegung der Dipole (= dielektrische Relaxation) und Ladungs¬ träger hervorgerufen durch das angelegte alternierende Feld eine Impedanz - insbesondere eine Kapazität - indirekt über Spannungsabfälle messbar ist. Um diese Impedanz, welche je nach Phase, Phasenübergang, etc. des Mehrphasengemischs aufgrund unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, Leitfähigkeit, etc. einen von einer Frequenz abhängigen Verlauf aufweist, bestimmen zu können, ist neben der angelegten
Spannung und dem über die Elektroden gemessenen Spannungs- abfall ein dritter Spannungswert notwendig. Dieser Referenz¬ wert wird mit Hilfe der Referenzimpedanz bestimmt, welche idealer Weise als Kapazität ausgeführt ist, da durch die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Anbringung der
Elektroden ein frequenzabhängiger Anteil der gemessenen
Impedanz des Mehrphasengemischs mit diesen (isolierten)
Elektroden hauptsächlich einen kapazitiven Wert aufweist.
Des Weiteren empfiehlt es sich, wenn als Elektroden
sogenannte Querschnittssensoren verwendet werden, da
Querschnittssensoren auf einfache Weise - insbesondere an Außenwänden von Durchflusseinrichtungen zur Messung einer Impedanz eines Mehrphasengemisch angebracht werden können.
Die Lösung der angeführten Aufgabe erfolgt außerdem, durch eine Anordnung der eingangs angegebenen Art zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche neben einer
Durchflusseinrichtung für das Mehrphasengemisch weiterhin zumindest zwei Elektroden zur kapazitiven Messung einer
Impedanz des Mehrphasengemischs umfasst, welche elektrisch isoliert vom Mehrphasengemisch an der Durchflusseinrichtung angebracht sind. Zusätzlich umfasst die erfindungsgemäße Anordnung eine Spannungsquelle, über welche eine sich
ändernde Spannung, insbesondere Wechselspannung, mit definierter Amplitude und einstellbarer Frequenz auf das Mehrphasengemisch aufbringbar ist, eine Referenzimpedanz, insbesondere Kapazität, eine Messeinheit zum Ermitteln eines von einer Frequenz abhängigen Verlaufs der gemessenen
Impedanz und zum Bestimmen der zugehörigen Impedanzspektren sowie eine Auswerteeinheit zum Ermitteln von Volumenanteile der jeweiligen Phase im Mehrphasengemisch.
Der Hauptaspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung besteht vor allem darin, dass durch einen Einsatz von
elektrisch isolierten Elektroden sichergestellt wird, dass eine Messung der Impedanz - mit Hilfe einer Spannungsquelle und einer Referenzimpedanz beispielsweise mittels der
sogenannten IU-Methode, bei welcher anhand von drei bekannten Spannungsabfällen (angelegter Wechselspannung, Spannungsabfall an der Referenzimpedanz und gemessener Spannungsabfall am Mehrphasengemisch) indirekt eine Impedanz ermittelt wird - nicht durch elektrochemische Reaktionen an den Elektroden gestört wird. Die erfindungsgemäße Anordnung liefert damit auf einfache und kostengünstige Weise eine robuste und stabile Messung der Impedanz des Mehrphasengemischs .
Durch die Messeinheit der erfindungsgemäßen Anordnung wird dann ein frequenzabhängiger Impedanzverlauf ermittelt und daraus die entsprechenden Impedanzspektren im gewählten
Frequenzbereich (z.B. 10kHz bis 20 MHz) bestimmt. Der
Frequenzbereich ist dabei derart gewählt, dass er ausreichend hoch ist, um einen Einfluss der Elektrodenisolierung gering zu halten, aber dass er in einem Bereich gelegen ist, in welchem mit analogen Bauelementen (z.B. Kondensatoren, etc.) noch gut gemessen werden kann. Außerdem können im gewählten Frequenzbereich Messungen bzw. Aufzeichnungen von Impedanzspektren rasch - d.h. mehrere Spektren pro Sekunde - aufgenommen werden. Bei der Messung der Impedanz bzw. der
Impedanzspektren wird beispielsweise die sogenannte
dielektrische Impedanzspektroskopie angewendet, wobei keine Korrektur durchgeführt bzw. Störungen und Fehler durch elektrochemische Reaktionen an den Elektroden zu berücksichtigen sind.
In einer Auswerteeinheit werden dann anhand der Impedanzspektren die Volumenanteile der jeweiligen Phasen - insbesondere auch Anteile für Sand und/oder Schlamm in einem z.B. Öl-Wasser-Gemisch - beispielsweise mittels PLS - abgeleitet. Durch den einfachen Ausbau und die einfache Anwendbarkeit ist die Anordnung kostengünstig und einfach praktisch - z.B. bei der Erdölförderung und -Verarbeitung - einsetzbar, um z.B. Volumenanteil von mehr als zwei Phasen i einem Gemisch zu bestimmen. So kann die erfindungsgemäße Anordnung und damit auch das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach - auch aufgrund des gewählten Frequenzbereichs - in einem so genannten Multiphase-Flowmeter angewandet werden.
Es ist vorteilhaft, wenn für eine Ausgabe und Anzeige der Impedanzspektren und der ermittelten Volumenanteile der jeweiligen Phase im Mehrphasengemisch eine Ausgabeeinheit vorgesehen ist. Über die Ausgabeeinheit können rasch und effizient, die ermittelten Werte - wie z.B. Impedanzverläufe der jeweiligen Phasen, Impedanzspektren, Volumenanteile, etc beispielsweise als Zahlenwert oder in Form von Kurven¬ verläufen ausgegeben werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhan der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1: beispielhaft und schematisch einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Mehrphasengemischs sowie die zugehörige
Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens
Figur 2: in beispielhafter und schematischer Weise eine Aufbau zum Messen/Bestimmen einer Impedanz des Mehrphasengemischs mit Elektroden und Messeinheit. Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt beispielhaft und in schematischer Weise die erfindungsgemäße Anordnung sowie einen Ablauf des erfindungs- gemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Mehrphasengemischs MG, welches sich beispielsweise aus einer Mischung von Erdöl, Wasser, Sand und/oder Schlamm zusammensetzen kann. Vom Mehrphasengemisch MG wird einen Durchflusseinrichtung DF wie z.B. ein Rohr oder eine Rohrleitung in eine beispielhafte Richtung R durchflössen.
Es sind zumindest zwei Elektroden El, E2 an einer Außenwand der Durchflusseinrichtung DF angebracht und damit elektrisch vom Mehrphasengemisch MG isoliert. Diese Elektroden El, E2 können als sogenannte Querschnittssensoren ausgeführt sein. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die Elektroden El, E2 als isolierte Elektroden El, E2 ausgeführt sind und sich innerhalb - z.B. an einer Innenwand - der Durchfluss¬ einrichtung DF befinden.
Mit den Elektroden El, E2 wird einen kapazitive Messung einer Impedanz Zx des Mehrphasengemischs MG durchgeführt. Dazu wird in einem ersten Verfahrensschritt 1 über eine Spannungsquelle VQ - wie in Figur 2 dargestellt - eine sich ändernde
elektrische Spannung mit definierter Amplitude auf das Mehr¬ phasengemisch MG aufgebracht. Im Mehrphasengemisch MG wird durch die sich ändernde Spannung bzw. das sich ändernde elektrische Feld eine Bewegung der Ladungsträger bzw. Dipole bewirkt, welche auch als elektrische Relaxation bezeichnet wird. Aufgrund der unterschiedlichen Dielektrizitäts¬ konstanten bzw. der unterschiedlichen Leitfähigkeit der jeweiligen Phasen des Mehrphasengemischs MG sowie den
verschiedenen Relaxationsvorgängen an den Phasengrenzen kann dann in einem zweiten Verfahrensschritt 2 eine Impedanz Zx des Mehrphasengemischs über die Elektroden El, E2 gemessen werden. Diese Impedanz Zx weist dabei einen Verlauf auf, welcher von einer Frequenz abhängig ist und dadurch Rück- Schlüsse auf eine Zusammensetzung des Mehrphasengemischs MG erlaubt .
Eine Messung der Impedanz Zx erfolgt - wie beispielhaft in Figur 2 dargestellt - beispielsweise nach der sogenannten IU- Methode mit Hilfe einer Referenzimpedanz Zref, welche z.B. als Kapazität ausgeführt sein kann. Als Bauelement für den Aufbau der entsprechenden Messschaltung kann dazu ein
Kondensator verwendet werden. Die Spannung aus der Quelle VQ, welche dem Mehrphasengemisch MG aufgeprägt wird, bewirkt einerseits einen Spannungsabfall Vref an der Referenzimpedanz Zref und andererseits einen Spannungsabfall VZx an der
Impedanz Zx des Mehrphasengemischs MG. Über die Elektroden El, E2 wird dann der Spannungsabfall VZx gemessen. Aufgrund der drei bekannten Spannungswert VQ, Vref und VZx sowie der bekannten Referenzimpedanz Zref kann dann die unbekannte Impedanz Zx des Mehrphasengemischs MG - beispielsweise mit Hilfe der Messeinheit ME - ermittelt werden. Die Elektroden El, E2 sind - wie in Figur 1 schematisch dargestellt - an eine Messeinheit ME angebunden, wobei die Messeinheit ME den in Figur 2 schematisch und beispielhaft dargestellte Aufbau zum Bestimmen der Impedanz Zx, insbesondere die Quelle VQ zum Erzeugen der sich ändernden elektrischen Spannung mit definierter Amplitude und einstellbarer Frequenz bzw. des sich ändernden elektrischen Feldes sowie die Referenzimpedanz Zref umfassen kann.
In einem dritten Verfahrensschritt 3 wird dann ein von einer Frequenz abhängiger Verlauf der Impedanz Zx des Mehrphasengemischs MG, welche durch kapazitive Messung mit den
Elektroden El, E2 z.B. in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 20 MHz bestimmt worden ist, ermittelt. Aus diesem Verlauf werden dann in der Messeinheit ME Impedanzspektren - beispielsweise durch sogenannte dielektrische Impedanz¬ spektroskopie - abgeleitet. Die Messeinheit ME ist mit einer Auswerteeinheit AW, welche beispielsweise als PC oder als Mikrokontroller ausgeführt sein kann, verbunden und es werden zwischen Messeinheit und Auswerteeinheit Daten (z.B. Impedanzspektren, etc.)
ausgetauscht.
In einem vierten Verfahrensschritt 4 werden dann die von der Messeinheit ME gelieferten Daten wie z.B. die Impedanzspektren zur gemessenen Impedanz Zx des Mehrphasengemischs MG von der Auswerteeinheit z.B. mit Hilfe der Partial Least
Squares Regression (PLS) ausgewertet. Dabei können aus den Impedanzspektren Volumenanteile der jeweiligen Phase im
Mehrphasengemisch MG abgeleitet werden. An die Auswerteeinheit AW ist weiterhin eine Ausgabeeinheit
AE angebunden, über welche in einem fünften Verfahrensschritt 5 Ergebnisdaten ausgegeben und/oder angezeigt werden können. Dabei können beispielsweise die mit der Frequenz unter¬ schiedlichen Verläufe der Impedanzen Zx der jeweiligen Phasen in Form von Kurvenverläufen oder in Form von Zahlenwerten angezeigt werden. Außerdem können auch die aus den
verschiedenen Impedanzspektren abgeleiteten Volumenanteile der jeweiligen Phasen des Mehrphasengemischs MG - z.B. in tabellarischer Form - ausgegeben werden, wobei die Auswertung mit PLS zeigt, dass die Volumenanteile der Phasen mit einer Genauigkeit von ca. 5 bis 10 % bestimmt werden können und damit relativ robust ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Anordnung sind außerdem gegen elektrochemische Reaktionen und dadurch bedingte Störungen an den Elektroden El, E2 durch Interaktion mit dem Mehrphasengemisch MG - aufgrund der elektrischen Isolierung bzw. elektrisch isolierten Anbringung der
Elektroden El, E2 - unempfindlich. Außerdem können die
Anordnung und damit das Verfahren auf einfache Weise in
Multiphase-Flowmeter angewendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines
Mehrphasengemischs (MG) , wobei vom Mehrphasengemisch (MG) , welches aus zumindest drei Phasen, insbesondere
Erdöl, Wasser, Sand und/oder Schlamm, besteht, eine
Durchflusseinrichtung (DF) , insbesondere eine Rohrleitung, durchflössen wird, dadurch gekennzeichnet, da ss Elektroden (El, E2) elektrisch isoliert vom Mehr- phasengemisch (MG) an der Durchflusseinrichtung (DF) angebracht werden, dass auf das Mehrphasengemisch (MG) eine sich ändernde elektrische Spannung (VQ) mit
definierter Amplitude und einstellbarer Frequenz aufgebracht wird (1), dass dann über die Elektroden (El, E2) eine kapazitive Messung einer Impedanz des Mehrphasengemischs (MG) durchgeführt wird (2), dass ein von einer Frequenz abhängiger Verlauf der Impedanz (Zx) sowie aus dem Verlauf der Impedanz (Zx) Impedanzspektren ermittelt werden (3) , und dass dann mittels einer Auswerteeinheit (AW) über eine Auswertung der Impedanzspektren Volumenanteile der jeweiligen Phase im Mehrphasengemisch (MG) abgeleitet werden (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abgeleitete Impedanzspektren und/oder ermittelte
Volumenanteile der jeweiligen Phase im Mehrphasengemisch (MG) über eine Ausgabeeinheit (AE) ausgegeben und
angezeigt werden (5) . 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Elektroden (El, E2) außenseitig an einer Außenwand der Durchflusseinrichtung (DF) angebracht werden. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Elektroden (El, E2) elektrisch isoliert vom Mehrphasengemisch (MG) innerhalb der Durchflusseinrichtung (DF) angebracht werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Impedanz¬ spektren mit der so genannten Partial Least Square
Regression - kurz PLS - durchgeführt wird (4) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Elektroden (El, E2) ein Impedanzspektrum in einem Frequenzbereich von 10kHz bis 20 MHz aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der kapazitiven Messung der Impedanz (Zx) des Mehrphasengemischs (MG) eine Referenz¬ impedanz (Zref) , insbesondere eine Kapazität, verwendet wird .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektroden (El, E2) sogenannte Querschnittssensoren verwendet werden.
Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, wobei eine Durchflusseinrichtung (DF) , insbesondere eine Rohrleitung, für ein Mehrphasengemisch (MG) , welches aus zumindest drei Phasen, ins¬ besondere Erdöl, Wasser, Sand und/oder Schlamm, besteht, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin vorgesehen sind:
- zumindest zwei Elektroden (El, E2)zur kapazitiven
Messung einer Impedanz (Zx) des Mehrphasengemisch (MG) , welche elektrisch isoliert vom Mehrphasengemisch (MG) an der Durchflusseinrichtung (DF) angebracht sind,
- eine Spannungsquelle (VQ) zum Aufbringen eine sich ändernde Spannung, insbesondere Wechselspannung, mit definierter Amplitude und einstellbarer Frequenz,
- eine Referenzimpedanz (Zref) , insbesondere eine
Kapazität,
- eine Messeinheit (ME) zum Ermitteln eines von einer Frequenz abhängigen Verlaufs der gemessenen Impedanz (Zx) sowie zum Bestimmen der zugehörigen Impedanzspektren, - eine Auswerteeinheit (AE) zum Ermitteln von Volumenanteile der jeweiligen Phase im Mehrphasengemisch (MG) .
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, da ss für eine Ausgabe und Anzeige von abgeleiteten
Impedanzspektren und/oder ermittelten Volumenanteile der jeweiligen Phase im Mehrphasengemisch (MG) eine
Ausgabeeinheit (AE) vorgesehen ist.
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