NO330911B1 - Fremgangsmåte og apparat for måling av sammensetning og strømningsrater for en våtgass - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og et apparat for måling av de enkelte komponentene av et flerfasefluid som hovedsakelig inneholder en gass, som definert i innledende del av hhv. krav 1 og 18.

Problemet med hvordan man måler olje-vann-gass-blandinger har vært av interesse for oljeindustrien siden begynnelsen av 1980-tallet. Siden den gang har mye forskning blitt utført i utviklingen av en trefasestrømningsmåling egnet for bruk i et industrielt miljø.

Flerfasestrømning i olje- og gassindustrien er vanligvis definert som en blanding av væske og gass, der mengden av fri gass, også betegnet GVF, er mindre enn 90-95% av volumet av røret. GVFer i intervallet 95% - 99,99% blir i flerfasestrømninger ofte referert til som en våtgass der den flytende delen er vann og kondensat (lettolje). Men en typisk våtgassbrønn har GVF over 97%, og det er mest vanlig med GVFer i området 99,5 til 99,9%.

Det er flere teknikker og kjente instrumenter for måling av flerfaser og våtgasser, noe som blir nærmere beskrevet nedenfor. Slike instrumenter må være rimelig nøyaktige (vanligvis bedre enn ± 5% av strømningshastigheten for hver fase), ikke-forstyrrende, pålitelige, strømningsregimeuavhengige, og gi nøyaktige målinger over hele fraksjonsområdet av komponenten. Til tross for det store antallet løsninger som er blitt foreslått de siste årene, har ingen kommersielt tilgjengelige trefasevåtgasstrømningsmålere klart å oppfylle alle disse kravene. I tillegg til strenge krav satt til måling, må instrumentet utføre pålitelig operasjoner i et hardt og korrosivt miljø, som for eksempel flere tusen meter under havoverflaten. Inne i røret kan den flytende flerfasevæsken transporteres med en hastighet på 1-50 m/s, med et trykk i overkant av 1000 bar og temperaturer over 200 °C. Sand er ofte også til stede og kan skade de indre delene av instrumentet.

våtgasstrømningsmålere er i økende grad brukt til brønntesting og fordelingsmåling.

For å optimalisere produksjonen og levetiden til et olje / gassfelt, må operatører være i stand til jevnlig å overvåke produksjonen av hver brønn på feltet. Den vanlige måten å gjøre dette på er å bruke en testseparator. Testseparatorer er dyre og opptar verdifull plass på en produksjonsplattform, og det krever lang tid å overvåke hver brønn da stabiliserte strømningsforhold er nødvendig. I tillegg er testseparatorer bare moderat nøyaktige (vanligvis ± 5 til 10% av hver fase av strømningsmengden) og kan ikke brukes godt til kontinuerlig overvåking. En våtgasstrømningsmåler kan benyttes i første omgang i stedet for en testseparator, og på sikt som en permanent installasjon i hver brønn. En slik ordning vil spare produksjonstapet som normalt forbindes med brønntesting. Slike tap er anslått til om lag 2% for en typisk offshoreinstallasjon. Fordelingsmåling er nødvendig når en felles rørledning blir brukt til å transportere produktstrøm fra en rekke brønner eid av forskjellige selskaper, til et prosessanlegg. Dette oppnås ved å sende resultatet fra hver brønn gjennom en testseparator før det går inn i en felles rørledning. I tillegg til ulempene ved testseparatoren beskrevet ovenfor, er imidlertid også dedikerte testrør for hver brønn nødvendig. En permanent installert våtgasstrømningsmåler vil gi betydelige fordeler for fordelingsmålingen.

Formasjonsvannet i hydrokarbonreservoaret er typisk saltholdig vann. Under normale situasjoner bør ikke brønnen produsere noe formasjonsvann. Faktisk kan formasjonsvann i rørledningen føre til hydrat- og skalldannelse i tillegg til alvorlige korrosjon av rørledningen. Hvis mengden av formasjonsvann og ferskvann (også omtalt som total vannfraksjon) i en brønn er kjent for feltoperatøren, kan kjemiske inhibitorer injiseres i brønnstrømmen for å begrense uønskede effekter som skyldes vann. Alternativt kan produksjonshastigheten fra brønnen endres for å hindre eller redusere produksjonen av formasjonsvann, eller stenge brønnen fullstendig for å spare rørledningens infrastruktur. Det er av spesiell interesse å måle formasjonsvann- og ferskvannsinnholdet til fjernstyrte havbunnsbrønner siden kostnaden for rørledninger i en slik installasjon er voldsomme. Det er vanlig for de fleste undervannsinstallasjoner å blande brønner i en felles rørledning og transportere flerfasefluidet til et prosessanlegg. Slike anlegg kan bli plassert flere hundre kilometer fra havbunnsinstallasjonen, hvilket fører til lange flerfasetransportrør på havbunnen. Følgelig kan det ta mange måneder å oppdage og identifisere en brønn som produserer saltholdig vann uten en våtgasstrømningsmåler som er i stand til å utføre nøyaktige målinger av det produserte vannet.

En våtgasstrømningsmåler må også være robust med hensyn til usikkerhet i konfigurasjonsparametrene. Typiske konfigurasjonsparametere for kommersielt tilgjengelige våtgassmålere er tetthet, permittivitet (dielektrisk konstant), masseabsorpsjonskoeffisienter og viskositetsdata for alle væsker som finnes i våtgassen. For våtgasstrømningsmålere der skillet mellom væske og gass er basert på en tetthetsmåling av våtgass og en kjent tetthetsverdi for gass og flytende fase, er de målte væskefraksjonene (vann og olje) svært påvirket av tetthetsverdien til gassen. I praksis bestemmer tetthetsverdien til gassen nullpunktet for den flytende del-målingen. I de fleste virkelige programmer kan usikkerheten til gasstettheten være i størrelsesorden 2-7 % og endre seg vesentlig over tid på grunn av komposisjonene endringer i reservoaret. Dette kan føre til betydelige målefeil for væskefraksjoner, som lett kan bli i størrelsesorden flere hundre prosent. For en typisk våtgassapplikasjon med et arbeidstrykk på 150 bar, kan blandingen som måles (våtgass) ha en tetthet på 112,7 kg/m<3>. Forutsatt en gassdensitet på 110 kg/m<3>og kondensat (olje) tetthet på 650 kg/m<3>, blir beregnet GVF 99,5%. Det vil si at 0,5% av volumet i røret er væske. Hvis derimot tettheten til gassen 5% feil slik at den sanne gasstettheten var på 104,5 kg/m<3>i stedet for på 110 kg/m<3>, blir da beregnet GVF 98,5% som svarer til en væskefraksjon på 1,5%. For eksempelet ovenfor, vil en endring i gasstettheten på 5% forårsaker en målefeil i væskefraksjonen (og væskens strømningsmengde) på 200%. Hvis den målte blandingstettheten var noe lavere (dvs. 111,35 kg/m<3>), blir den beregnede GVF, basert på en gassdensitet på 110 kg/m<3>da 99,75 %, tilsvarende en væskefraksjon på 0,25 %. Hvis gasstettheten var feil med 5 %, slik at den sanne gasstettheten var 104,5 kg/m<3>i stedet for 110 kg/m<3>, blir da beregnet GVF på 98,75 %, som tilsvarer en væskefraksjon på 1,25 %, hvilket forårsaker en målefeil på 400 % på væskefraksjonen. Følgelig øker målingsusikkerheten for væskefraksjonene knyttet til usikkerheten i gasstettheten eksponentielt når gassfraksjonen i røret øker.

Eventuelle feil i den målte væskefraksjonen knytter seg direkte til en tilsvarende målingsfeil på de beregnede strømningshastighetene for en våtgassmåler, siden strøm ni ngshastig hetene utledes ved å multiplisere de målte fraksjonene med hastigheten til væskene i røret.

Noen eksempler på kommersielt tilgjengelig, ikke-inngripende flerfasemålere er vist i US 5103181, US 6097786, US 5135684 og WO 2007/129897. Et kjernefysisk densitometer brukes til å måle blandingstettheten, og blandingstettheten brukes (direkte eller indirekte) til å dele flerfaseblandingen i væske og gass. Derfor er måleapparatene betydelig påvirket av ukjente endringer eller avvik i gasstettheten som beskrevet i eksempelet ovenfor.

Det er også velkjent at sammensetningen av flerfaseblandinger kan måles basert på en måling av cut-off-frekvensen til røret. Eksempler på slike enheter finnes i US 4423623, US 5455516, US 5331284, US 6614238, US 6109097 og US 5351521, som beskriver metoder for å bestemme sammensetningen av en flerfaseblanding basert på måling av cut-off-frekvensen til et rør basert på tap eller fasemålinger ved en varierende frekvens. Men alle disse metodene er sterkt påvirket av endringer i gasstettheten ved en høy gassfraksjon, og vil ikke gi nøyaktig målinger av væske-komponentene i en våtgass.

Anordninger for å måle strømningshastigheten til et flerfasefluid er godt kjent. Slike anordninger kan være basert på krysskorrelering av et målingssignal som avdekker variasjoner i væske- og gassdråper i strømningen. Ved å innføre et bæresignal i strømningen og måle responsen, vil de mottatte signalene inneholde informasjon om variasjoner i strømningen forårsaket av amplitude (tap), fase- eller frekvensmodulasjoner av forstyrrelsene. Ved å utføre målinger på to steder av røret som ligger med en kjent avstand fra hverandre, kan man opprette to tidsvarierende signaler som er forskjøvet i tid som er lik tiden det tar flerfasestrømning å bevege seg mellom de to stedene. Eksempler på slike anordninger basert på et elektromagnetisk bæresignal er vist i US 4402230, US 4459858, US 4201083, US 4976154, W094/17373, US 6009760 og US 5701083

Andre metoder for måling av strømningsmengder kan være basert på måling av differensialtrykk over en restriksjon i røret så som en venturi, blende, v-kjegle eller strømningsblander. Eksempler på slike enheter kan finnes i US 4638672, US 4974452, US 6332111, US 6335959, US 6378380, US 6755086, US 6898986, US 6993979, US 5135684, WO 00/45133 og WO03/034051. Alle disse anordningene er underlagt de samme begrensningene som beskrevet i eksempelet ovenfor, der eventuelle feil i antatt gasstetthet kan skape betydelige feil på den målte væskestrømningshastigheten.

Strømningsmålere som bruker statistisk informasjon fra strømningen til å utlede sammensetningen av flerfasestrømninger er også kjent. Et slikt eksempel finnes i US 5576974. Typisk for slike anordninger er at de stoler for mye på den statistiske informasjonen til å gi pålitelig resultat i praktiske anvendelser. Som i US 5576974 er både vannfraksjonen og gassfraksjonen beregnet basert på mikrobølgemålinger. Statistisk variasjon i mikrobølgesignalet som passerer gjennom eller reflekteres fra en våtgasstrøm, er relatert til både dråpestørrelse, antall dråper og mengden vann i væskedråpene. Både en økning i mengden av væskedråper og en økning i mengden vann i væskedråpene fører til en økning i den statistiske variasjonen av mikrobølgesignalet. Derfor vil ikke en anordning som beskrevet i US 5576974, som er rent avhengig av informasjon fra en type sensor, kunne pålitelig skille mellom komposisjonene forandringer på grunn av endring i vann / olje -forholdet sammenlignet med en endring i gass / væske -forholdet. Enhver tilstedeværelse av væskefllm i røret vil ytterligere komplisere tolkningen av statistisk informasjon, siden den underliggende tidsvariansen til væskefilmen har en helt annen frekvens i forhold til væskedråpene. Andre slike anordninger kan være upåvirket overfor små variasjoner forårsaket av små væskedråper i gassfasen siden denne i mange tilfeller kan spres som en fin tåke som gjør det vanskelig å oppdage små variasjoner med måleteknikker basert på lydvariasjoner, trykkvanasjoner osv. GB 2221042 er et eksempel på en målemetode som er avhengig utelukkende av statistiske metoder basert på enkle sensorer som ikke er i stand til å gi nøyaktig måling ved våtgasstrømningsforhold. Metoden beskrevet i GB 2221042 kan også føre til ustabile målinger siden det er flere løsninger (dvs. flere kombinasjoner av olje- vann- og gass- fraksjoner) som passer med de målte parameterne.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å overvinne de ovenfor nevnte begrensningene til eksisterende løsninger.

Det er hensikten med oppfinnelsen å gi nøyaktige målinger av olje-, vann- og gasstrømningsmengden til en våtgass.

Det er hensikten med oppfinnelsen for å gi nøyaktige målinger av væskefraksjonen til en våtgass når gassens egenskaper, så som tetthet og permittivitet, inneholder store usikkerheter.

Det er hensikten med oppfinnelsen å gi nøyaktige målinger av væskedelen til en våtgass når gassens egenskaper, så som tetthet og permittivitet, endrer seg over tid.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å gi nøyaktige målinger av væske- og gassfraksjon når væsken inneholder dråper i gassfasen.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å gi nøyaktige målinger av væskefraksjonen når væsken finnes som dråper i gassfasen i kombinasjon med en væskefilm langs veggen av røret.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å gi en kompakt konstruksjon for strømningskondisjonering og målinger.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å tillate bruk av enkle kalibreringsrutiner for en flerfasestrømningsmåler.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å tillate bruk av enkle bekreftelsesrutiner for en flerfasestrømningsmåler.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å gi en flerfasestrømningsmåler med høy målenøyaktighet ved våtgassforhold.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å gi lite trykkfall i røret ved den strømmende våtgassen.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å skaffe til veie en ikke-forstyrrende anordning for å utføre strømningsmålinger av våtgass.

Det er hensikten med denne oppfinnelsen å tillate kompakt installasjon av en våtgasstrømningsmåler.

Det er hensikten med oppfinnelsen å gi en kompakt mekanisk konstruksjon for å utføre målingene.

Således består oppfinnelsen som definert i krav 1 av en fremgangsmåte for å bestemme strømningshastighetene til et fluid bestående av en flerkomponentblanding av gass og minst en væske i et rør, hvor fremgangsmåten består av følgende trinn: a. permittiviteten til flerkomponentblandingen blir bestemt basert på en elektromagnetisk måling,

b. tettheten til flerkomponentblandingen blir bestemt,

c. temperatur og trykk blir fremskaffet,

d. basert på kunnskapen om tettheter og dielektriske konstanter til komponentene i fluidblandingen og resultatet fra de ovennevnte trinnene a-c, blir vannets del av flerkomponentblandingen beregnet,

Oppfinnelsen erkarakterisert veden fremgangsmåte for å avgjøre væskefraksjonen og strømningsmengden til flerkomponentblandingen der

e. en statistisk parameter knyttet til at nevnte elektromagnetiske måling blir beregnet,

f. væskedelen blir beregnet basert på den statistiske parameteren fra trinn e og den beregnede vanndelen fra trinn d ved hjelp av en empirisk oppnådd kurve,

g. hastigheten til flerkomponentblandingen blir utledet, og

h. basert på trinnene a-g blir strømningsmengden til de enkelte komponentene til flerkomponentblandingen beregnet.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen erkarakterisert vedde trekk som er definert i det selvstendige kravet 18.

Uselvstendig krav 2 til 17 og 19 til 29 definerer foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende med henvisning til figurene, der:

Fig. 1 viser et skjematisk lengdesnitt av hovedelementene i oppfinnelsen,

Fig. 2 viser et skjematisk lengdesnitt av et eksempel på en utførelsesform av et apparat for måling av olje-, vann- og gassfraksjoner og strømningshastigheter i henhold til oppfinnelsen, Fig. 3 viser en kurve angående en statistisk elektrisk parameter i forhold til væskefraksjonen av en våtgass, Fig. 4 viser målt væskefraksjon av en våtgass kontra en referanseverdi som funksjon av tid. Fig. 5 viser et skjematisk lengdesnitt av et eksempel på en utførelsesform av et apparat for å utføre elektromagnetiske målinger i henhold til oppfinnelsen, Fig. 6 viser et skjematisk lengdesnitt av et eksempel på en utførelsesform av et apparat for å utføre elektromagnetiske målinger i henhold til oppfinnelsen, Fig. 7 viser et skjematisk lengdesnitt av et eksempel på en utførelsesform av et apparat for å utføre elektromagnetiske målinger i henhold til oppfinnelsen, Fig. 8 viser et skjematisk lengdesnitt av et eksempel på en utførelsesform av et apparat for å utføre elektromagnetiske målinger i henhold til oppfinnelsen,

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og et apparat for måling av strømningsmengden og volumfraksjonen av en våtgassblanding i et rør. Oppfinnelsen inneholder fem elementer som vist i figur 1. En rørformet del 1, en anordning for måling av hastighet av våtgassblanding 2, en anordning for måling av vannfraksjonen av våtgassblanding 3, et anordning for å måle tettheten av våtgassblanding 4, og en anordning for måling av den statistiske variasjonen av våtgassblanding 5. Strømningsretningen kan enten være oppover eller nedover. Anordningen kan også være plassert enten vannrett eller i hvilke som helst annen helning, men vertikalt oppadgående og nedadgående strømning er foretrukket retning. Anordningen inneholder også elementer for måling av temperatur og trykk for kompenseringsformål, men disse elementene er utelatt fra figurene og nærmere beskrivelse for enkelhets skyld. Noen av disse anordningene kan kombineres sammen som vist i figur 2, der anordningen for å utføre permittivitetsmålingen 14 også kan brukes til å måle statistiske variasjoner i strømningen.

En venturi kan da brukes som et strømningsanordning for å måle hastigheten av våtgassen. Venturien består av en konvergent del 10 til en smal passasje 11 i et rør. Ved å måle oppstrøms trykk 7 og trykket i den trange passasjen 8 ved hjelp av en trykksender 6, kan strømningsmengden av væskene bestemmes. Den foretrukne strømningsretningen er vist med en pil 9.

Vannfraksjonen og tettheten av våtgassen kan bestemmes ved å kombinere måling fra en gammadetektor 16, som måler gammafotonene som sendes ut fra en gammakilde 15, med elektriske radiofrekvensmålinger utført med antennene 14. Antennene 14 er i praksis koaksialledere som er satt inn i røret. Metoden for innhenting av vannfraksjonen og tettheten ved hjelp av apparatet vist i figur 2 er kjent for en fagmann på området og er også beskrevet i WO 2007/129897.

Den elektriske målingen utført ved hjelp av antennene 14 kan deretter brukes til å få et mål på den statistiske variasjonen i strømningen. En elektrisk måling som er direkte skalert mot diameteren på røret er foretrukket fordi dråpediameteren også er relatert til rørdiameteren. Elektriske parametere slik som bølgeleders cut-off-frekvens til et rør, fase- eller frekvenskarakteristikken for en bølge som reflekteres fra en diameterendring i røret (slik som den avvikende delen av venturi 12), eller målt fasekoeffisient eller dempingskoeffisient til en forplantende elektromagnetisk bølge i røret, er godt egnede elektriske parametere eller resonansfrekvensene til et resonnerende hulrom eller struktur i røret. Faktisk kan et hvilket som helst tap eller fasemåling av en forplantende elektromagnetisk bølge i et rør eller målt tap eller fase fra en reflektert bølge fra mediet i røret, brukes. Bølgelengden til målingssignalet skal fortrinnsvis være liten, slik at signalet er i stand til å oppdage små variasjoner forårsaket av små væskedråper. De fleste anordningene basert på måling av cut-off-frekvens, frekvensen av en resonans i et hulrom i røret og refleksjonsegenskapene eller fase- eller dempningskoeffisienten av forplantningen av en elektromagnetisk bølge, bruker signaler med små bølgelengder. Et typisk frekvensområde er 100 - 5000 MHz, avhengig av rørets diameter; imidlertid kan større og mindre frekvenser også brukes. Eksempler på hvordan de fleste av disse elektriske parametere kan skaffes til veie, ved bruk av apparatet vist i figur 2 er nærmere beskrevet i WO 2007/129897 og WO 2005/057142. Resonansfrekvensen til et resonanshulrom inne i røret kan også brukes som elektrisk signal. Eksempel på en anordning som passer til dette formålet finnes i WO 03/034051. Denne anordningen kan også brukes til å måle vannfraksjonen av våtgassen. Kapasitans-og induktanssensorer er også mye brukt for å måle permittiviteten og vannfraksjonen av et flerfasefluid. Elektriske signaler innhentet fra kapasitans- og induktanssensorer kan også brukes, men disse anordningene er mindre egnet på grunn av lav frekvens og dermed stor bølgelengde på de elektriske signalene og er dermed mindre egnet til å fange opp små variasjoner som kreves for nøyaktig væskemåling av en våtgass.

Når vannfraksjonen og den statistiske variasjonen til den elektriske målingen er utledet, kan væskedelen til en våtgass fastsettes på en iterativ måte ved hjelp av empirisk avledede forhold vist i figur 3.

X-aksen 17 til figur 3 er den statistiske standardvariasjonen av en målt refleksjon eller cut-off-frekvensen til en bølgeleder i røret, multiplisert med en skaleringsfaktor som er en funksjon av vanninnholdet i væsken. Y-aksen 18 til figur 3 er væskefraksjonen (vann + kondensat) som en prosentandel av det totale volumet av røret.

Denne kurven er utledet basert på empiriske målinger med gass, kondensat og vann ved Statoils testanlegg på Kårstø med et arbeidstrykk på 120 bar og er gyldig for en dråpe-/gassblanding. Kurven kan også endres for applikasjoner hvor noe av væsken finnes som en film langs veggen i kombinasjon med flytende dråper ved hjelp av en korreksjonsfaktor. Korreksjonsfaktoren kan utledes basert på empiriske målinger.

Prosedyren for å avgjøre sammensetningen av våtgassen blir da

1) Utføre elektriske målinger så som fasekoeffisient eller dempningskoeffisient av en elektromagnetisk bølge i bevegelse, rørets cut-off-frekvens, refleksjonsfrekvens eller resonansfrekvens. Eksempler på hvordan enkelte av disse funksjonene kan skaffes beskrives i WO 2007/129897 og WO 2005/057142. 2) Måle våtgassens tetthet til ved hjelp av et gammastrålebasert densitometer (15, 16) som beskrevet i WO 2007/129897 og WO 2005/057142. 3) Beregne våtgassens vannfraksjon (for eksempel flerfaseblanding). Eksempler på hvordan dette kan gjøres, beskrives i WO 2007/129897 eller WO 2005/057142. Tettheten av olje, gass og vann i tillegg til permittiviteten (dielektrisk konstant) og massedempingen av disse fluider, antas å være kjent på forhånd. WO 2007/129897 gir ytterligere informasjon om hvordan disse parameterne kan skaffes til veie. 4) Beregne vann/væske-forholdet (vann/væske forhold WLR = prosentandel av vann i væskefraksjonen) basert på den målte vannfraksjonen fra trinn 3 og et første estimat på den væskefraksjonen. Den beregnede væskedelen fra trinn 3 kan brukes som et første anslag eller resultat fra forrige beregning av væskefraksjonen. 5) Beregne en statistisk parameter av de elektriske målingene utført i trinn 1, slik som standardavviket til de siste 10-100 målingene. Færre eller flere målinger kan også brukes; imidlertid kan for få målinger øke målingsusikkerheten, og for mange målinger kan føre til uønsket dynamisk oppførsel, slik som treg respons på raske endringer i det flytende innholdet. 6) Beregne den eksperimentelt utledede WLR - avhengige korreksjonsfaktoren og multiplisere den med statistiske parametere fra trinn 5 for å få x-verdien 17 for kurven 20 i figur 3.

7) Bruke kurven 20 til å beregne den væskefraksjonen 18 av våtgassen.

8) Beregne en oppdatert verdi for WLR ved hjelp av væskefraksjonen fra trinn 7 og vannfraksjonen fra trinn 3 og gjenta trinn 6-8 helt til det beregnede WLR har konvergert til en stabil verdi.

Når trinn 1-8 er gjennomført, har sammensetningen (dvs. prosentandel av olje, vann og gass) av våtgassen blitt bestemt. Den dominerende faktoren ved å skaffe til veie væskefraksjonen av våtgassen er kurven vist i figur 3. Siden denne kurven i hovedsak er avhengig av den statistiske variasjonen av det elektriske signalet og vannfraksjonen av våtgassen, og da måleresultatet av vannfraksjonen fra trinn 1-3 er lite påvirket av feil i gasstettheten, blir måling av den væskefraksjonen (og GVF) nesten upåvirket av vesentlige feil i gasstettheten. Siden vannfraksjonen er skaffet til veie ved hjelp av en uavhengig beregning uten bruk av de statistiske parameterne fra trinn 5, blir målealgoritmen for trinn 1-8 robust, og man unngår ukontrollert eskalering i beregningen av væskefraksjonen eller flere løsninger for beregning siden både en økning i væskeinnholdet og en økning i vannfraksjonen, gjennom den WLR-avhengige korreksjonsfaktoren, gir en økning i x-verdien 17 til figur 3. Imidlertid, siden vannfraksjonen er beregnet i trinn 1-3 før beregningsløkken som bruker kurven 20 fra figur 3, er vannfraksjonen fast og bare den flytende delen endres under gjennomkjøring av iterasjonssløyfen i trinn 6-8.

Figuren viser en test av fremgangsmåten beskrevet ovenfor utført på våtgasstestanlegget ved South West Research Center i Texas ved et trykk på 120 bar. X-aksen viser en periode på 3000 sekunder og y-aksen 21 viser GVF (gassdelen). Den tykke linjen 23 er referansegassdelen og den tynnelinjen 24 er den målte gassfraksjonen i henhold til oppfinnelsen.

Når fraksjonen av olje (kondensat), vann og gass og tettheten av olje, vann og gass er kjent, kan hastigheten av flerfasefluidet utledes basert på bruk av en strømningseanordning 2.

Strømningsanordningen kan enten være en anordning basert på måling av trykkfall 6 slik som en venturi eller ved hjelp av krysskorrelasjonsteknikker som beskrevet i WO 2007/129897 og WO 2005/057142. Andre strømningsanordninger 2 basert på måling av differansetrykk, slik som en V-kjegle eller måleblende og Dall-rør kan også brukes. Disse er godt kjente måleprinsipper, og ytterligere informasjon om hvordan du bruker disse enhetene kan bli finnes i "Handbook of Mulitphase Metering" utstedt av Norsk Forening for Olje- og gassmåling.

Når hastigheten av væske- og gasskomponentene av våtgassen er kjent i tillegg til tverrsnittsarealet av røret, kan strømningshastigheten til de enkelte komponentene av våtgassen (olje, vann og gass) lett beregnes.

Fremgangsmåten beskrevet i trinn 1-8 er i realiteten en måte å telle dråpene på som befinner seg i gassfasen. Ved å bruke modeller for å beregne strøm ni ngshastig het av en våtgass basert på en venturi i henhold til " New correction methodfor wet gas flow metering based on two phase flow modeling: Validation on industrial Air/ Oil/ Water tests at low and highpressure", by S. Geraldine et al, the 26* International North Sea Flow Measurement Workshop - 2008 [1], kan diameteren til væskedråpene, dråpehastighet, flytende filmtykkelse og den flytende filmhastigheten utledes i tillegg til gassens hastighet. Denne informasjonen kan brukes til å gi ytterligere korreksjonsfaktorer for kurven 20 i figur 3. Korreksjonsfaktorene kan utledes basert på empirisk utledede korrelasjoner og gjennomføres på følgende måte: 1) Utføre elektriske målinger som fasekoeffisient eller dempningskoeffisient til en vandrende elektromagnetisk bølge, rørets cut-off-frekvens eller refleksjonsfrekvens som beskrevet i WO 2007/129897 og WO 2000/057142. 2) Måle tettheten til våtgassen ved hjelp av et gammastrålebasert densitometer (15, 16) som beskrevet i WO 2007/129897 og WO 2005/057142. 3) Beregne vannfraksjonen av våtgassen (for eksempel flerfaseblanding) som beskrevet i WO 2007/129897, NO 324812 eller WO 2005/057142. Tettheten av olje, gass og vann i tillegg til permittiviteten (dielektrisk konstant) og massedempingen av disse væskene antas å være kjent på forhånd. WO 2007/129897 gir ytterligere informasjon om hvordan disse parametrene kan skaffes til veie. 4) Beregne vannets væskeforhold (vann/væske forholdstall WLR = prosentandel av vann i væskefraksjonen) basert på den målte fraksjonen til vannet i trinn 3 og et første estimat av den væskefraksjonen. Den beregnede væskefraksjonen fra trinn 3 kan brukes som et første estimat eller resultat fra forrige beregning av den væskefraksjonen. 5) Beregne en statistisk parameter til de elektriske målingene utført i trinn 1 så som standardavviket av de siste 10-100 målinger. Færre eller flere målinger kan også brukes; for få målinger kan imidlertid øke måleusikkerheten, og for mange målinger kan føre til uønsket dynamisk oppførsel så som treg respons på raske endringer i væskeinnholdet. 6) Beregne den eksperimentelt utledede WLR-avhengige korreksjonsfaktoren, korreksjonsfaktoren for dråpediameteren og korreksjonsfaktoren for filmfraksjonen og multipliser dem med den statistiske parameteren fra trinn 5 for å få x-verdien 17 for kurven 20 i figur 3.

7) Bruke kurven 20 til å beregne den væskefraksjonen 18 til våtgassen.

8) Beregne en oppdatert verdi for WLR ved hjelp av den væskefraksjonen fra trinn 7 og vannfraksjonen fra trinn 3 og gjenta trinn 6-8 helt til den beregnede WLR har konvergert til en stabil verdi. 9) Beregne hastigheten til væskedråpene, hastigheten til væskefilmen, hastigheten til gassen, i tillegg til filmtykkelsen og dråpediameteren basert på de målte fraksjonene i trinn 8 og det måtle deltatrykket til venturi 6 ved hjelp av fremgangsmåten og modellene beskrevet i [1]. 10) Gjenta trinn 6-9 til alle parametere beregnet i trinn 9 har konvergert til en stabil verdi.

I tillegg til de elementene som er beskrevet ovenfor, inneholder måleapparatet også elementer for å utføre elektriske målinger og datamaskin for å utføre beregninger, men det er velkjent hvordan nødvendig elektronikk og programvare brukes for å utføre slike målinger og beregninger.

Transmisjons- og refleksjonsmetoder er velkjente metoder for materia I karakterisering som vist i figur 5 og 6. Elektromagnetiske metoder kan være basert på en strålende blende 23 gjennom veggen som vist i figur 5, eller ved hjelp av en åpenendet koaksial leder 24 som vist i figur 6. En puls eller en kontinuerlig frekvens overføres på koaksialkabelen 24. Basert på en måling av amplituden og fasevanasjoner reflektert tilbake på koaksiallederen, kan permittiviteten til materialet i røret bestemmes. Utformingen og arbeidsmiljøprinsipper for transmisjons- og refleksjonssensorer som vist i figur 5 og 6, er nærmere beskrevet i " Microwave Electronics - measurement and material characterization"av Chen et. al., Wiley (2004), og " Permiffivity Measurements of Thin Liquid Film Layers using open- ended Coaxial Probes", Meas. Sei. Technol., 7

(1996), 1164-1173.

To antenner som vist i figur 7 kan også brukes til å utføre elektromagnetiske målinger. Antennene er koaksiale ledere isolert fra rørveggen med et isolerende materiale, og trenger litt inn i røret og virker som en dipolantenne inne i røret. Senderantennen 28 og mottakerantennen 28 kan også utføres som en egen enhet 27 som er montert inne i røret eller som to separate antenner. Antennene kan også være plassert langs omkretsen av røret eller aksialt langs røret eller i en kombinasjon av hvilke som helst aksial og radial lokalisering. Denne anordningen kan brukes til å måle tap og fase til en elektromagnetisk bølge innenfor mediet i røret.

En lignende anordning basert på tre antenner for å utføre elektromagnetiske målinger er vist i figur 8. Antennene er koaksiale ledere isolert fra rørveggen av et isolerende materiale og trenger litt inn i røret og virker som en dipol antenne inne i røret. Antennene kan lages som en kompakt sondeenhet 35 som vist i figur 8, der sendeantennen 33 og de to mottakerantennene 34, 32 er elektrisk isolert fra metallhuset 35 ved hjelp av keramikk eller glass. Anordningen kan brukes til å måle fasen og tapet til en elektromagnetisk bølge i røret, som også kan ytterligere utvides til å måle fasekoeffisienten og tapskoeffisient til en elektromagnetisk bølge som forflytter seg i røret. WO 2007/129897 gir ytterligere informasjon om hvordan denne anordningen kan brukes til å skaffe til vei disse parameterne.

I de ovenfor nevnte beskrivelsene av oppfinnelsen, brukes absorpsjon av gammafotoner for å bestemme tettheten til våtgassen. Andre midler for å bestemme tettheten til våtgassen kan også brukes, for eksempel (men ikke begrenset til) en venturi i kombinasjon med hastighetsmålingen ved krysskorrelasjon, en kombinasjon av et flertall av massestrømningsanordninger med ulike strømningskarakteristikker vs. væsketetthet, eller tilstandsligningsmodeller basert på hydrokarbonsammensetninger for olje + gass - fluidet. En densitetsmåling basert på absorpsjon av gammafotoner er imidlertid den foretrukne metoden for å bestemme tettheten til våtgassen.

Vannfraksjonen av flerfaseblandingen kan også utledes ved hjelp av dobbel energi-masse-absorpsjonsmålinger som beskrevet i US 5.135.684 eller kapasitans / induktans målingsprinsipp i kombinasjon med enkel energi-masse-absorpsjon som beskrevet i NO 304333 eller kapasitans/induktans måleprinsippet i kombinasjon med krysskorrelasjon og venturi som vist i WO00/45133. Vannfraksjonsmålingen, som skaffes til veie ovenfor kan så kombineres med en statistisk beregning av en elektromagnetisk måling så som fasekoeffisient eller dempningskoeffisient i en propagerende elektromagnetisk bølge, cut-off-frekvensen til røret eller refleksjonen eller målingen av tap eller fasen til en elektromagnetisk bølge som forplanter seg i røret eller reflekteres fra mediet i røret, for å beregne væskefraksjonen til våtgassen. Anordningene vist i figur 5 og 6 eller en kombinasjon av minst to antenner 14 som vist i figur 2 kan brukes i kombinasjon med en hvilke som helst teknikk for måling av vannfraksjonen og tettheten til en våtgass, for å oppnå ønsket elektromagnetisk måling for bestemmelse av væskefraksjonen og strømningshastighetene til våtgassen.

Claims (28)

1. Fremgangsmåte for å bestemme strømningshastighetene til et fluid bestående av en flerkomponentsblanding av gass og minst en væske i et rør, der fremgangsmåten består av følgende trinn: a. permittiviteten til flerkomponentsblandingen blir bestemt basert på en elektromagnetisk måling, b. tettheten til flerkomponentsblandingen blir bestemt, c. temperatur og trykk blir skaffet til veie, d. basert på kunnskapen om tettheten og permittiviteten til komponentene i flerkomponentsblandingen og resultatet fra de ovennevnte trinnene a-c, blir vannfraksjonen av flerkomponentsblandingen beregnet, karakterisert veden fremgangsmåte for å bestemme væskefraksjonen og strømningshastighetene til flerkomponentsblandingen, der e. en statistisk parameter knyttet til den elektromagnetiske målingen blir beregnet, f. væskedelen blir beregnet basert på de statistiske parametrene fra trinn e og den beregnede vanndelen fra trinn d ved hjelp av en empirisk utledet kurve, g. hastigheten til flerkomponentsblandingen blir utledet, og h. basert på trinnene a-g blir strømningshastigheten til de enkelte komponentene av flerkomponentsblandingen beregnet.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor permittiviteten blir bestemt basert på målinger av tap i en elektromagnetisk bølge i røret.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor permittiviteten blir bestemt basert på målinger av faseendringer til en elektromagnetisk bølge i røret.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor permittiviteten blir bestemt basert på målinger av faseforandringer eller tap i en reflektert elektromagnetisk bølge i røret.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor permittiviteten blir bestemt basert på en elektromagnetisk måling av en resonansfrekvens i røret.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor permittiviteten blir målt basert på målingen av energi- og / eller faseforandringen til en elektromagnetisk bølge som reflekteres fra mediet i røret.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor den statistiske parameteren blir beregnet ut ifra målingene i henhold til hvilket som helst av kravene 2-6.

8. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvor standardavviket blir brukt som statistisk parameter.

9. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, der tettheten blir bestemt basert på målingen av absorpsjon av fotoner.

10. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvor den empiriske utledede kurven fra trinn f blir korrigert for dråpestørrelsen til væsken.

11. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvor den empiriske utledede kurven fra trinn f blir korrigert for tilstedeværelsen av flytende film langs rørveggen.

12. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvor hastigheten blir målt basert målingen av trykkfall over en restriksjon i røret.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, hvor en venturi (12) blir brukt til å gi trykkfall.

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, hvor en V-kjegle blir brukt til å gi trykkfall.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, hvor et Dall-rør blir brukt til å gi trykkfall.

16. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, hvor en blende blir brukt til å gi trykkfall.

17. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav 1-11, hvor krysskorrelasjonsteknikken blir brukt for å bestemme hastigheten til flerkomponentsblandingen.

18. Apparat for å bestemme strømningshastigheten til et fluid bestående av en flerkomponentsblanding av gass og minst en væske i et rør, hvilket apparatet består av en rørformet del (1) og følgende elementer: a. elektromagnetiske midler for å avgjøre permittiviteten til flerkomponentsblandingen, b. middel for å bestemme tettheten til flerkomponentsblandingen, c. middel for å bestemme temperatur og trykk, d. middel for å beregne vannfraksjonen av flerkomponentblandingen basert på kunnskapen om tettheten og de dielektriske konstantene til komponentene av flerkomponentsblandingen, karakterisert vedmiddel for å bestemme væskedelen og strømningshastighetene til flerkomponentsblandingen som inneholder, e. et matematisk program for å beregne en statistisk parameter, f. en empirisk utledet kurve og matematisk program for å beregne væskefraksjonen til flerkomponentsblandingen basert på nevnte statistiske parameter og nevnte vannfraksjon, g. middel for å måle hastigheten til flerkomponentsblandingen, og h. middel for å beregne av strømningshastighet til de enkelte fraksjonene av flerkomponentsblandingen.

19. Apparat i henhold til krav 18, bestående av midler for overføring av elektromagnetisk energi i den rørformede delen (1) og opptak av mottatt elektromagnetisk energi fra den rørformede delen (1).

20. Apparat i henhold til hvilket som helst av kravene 18-19, bestående av midler for å gi elektromagnetisk resonans i den rørformede delen (1).

21. Apparat i henhold til hvilket som helst av de foregående krav 18-20, bestående av midler for overføring av elektromagnetisk energi i den rørformede delen (1) og opptak av reflektert elektromagnetisk energi fra den rørformede delen (1).

22. Apparat i henhold til hvilket som helst av kravene 18-21, bestående av midler for måling av nevnte hastighet i en trang passasje i den rørformede delen (1).

23. Apparat i henhold til hvilket som helst av kravene 18-21, hvor en venturi (12) blir brukt til å fastslå nevnte hastighet.

24. Apparat i henhold til hvilket som helst av kravene 18-21, hvor en V-kjegle blir brukt til å fastslå nevnte hastighet.

25. Apparat i henhold til hvilket som helst av kravene 18-21, bestående av midler for å måle nevnte hastighet ved krysskorrelering av målinger utført i to tverrsnitt av den rørformede delen (1).

26. Apparat i henhold til hvilket som helst av kravene 18-21, bestående av en radioaktiv kilde (15) og en fotondetektor (16) for fastsettelse av nevnte tetthet til flerkomponenstblandingen.

27. Apparat i henhold til hvilket som helst av kravene 18-21, bestående av flere trykkfallmålinger for bestemmelse av tettheten til flerkomponentsblandingen.

28. Apparat i henhold til hvilket som helst av kravene 18-21, bestående av en kombinasjon av en trykkfallsenhet og krysskorrelasjonshastighetsenhet for å bestemme nevnte tetthet til flerkomponentsblandingen.