NO20140184A1 - Måleanordning - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelsen angår området målinger av fluidstrøm i rør, og mer spesifikt en anordning og en fremgangsmåte for å utføre slike målinger.

Bakgrunn

Det finnes for tiden en rekker systemer/løsninger for å måle egenskapene til en fluidstrøm, spesielt fluidstrømmer omfattende både en gassfase og en væskefase. Interessante egenskaper inkluderer salinitet, vanninnhold, både totalt og av separate faser, væske/gass-forholdet osv. Et felles trekk ved nåværende systemer er enten en høy grad av kompleksitet, eller en mangel på ønsket nøyaktighet i målingene. Mer kompliserte systemer inkluderer de vanligvis referert til som MPM'er, dvs. multifase-målere (eng. multi phase meters). I disse systemene blir egenskapene til en strøm målt ved anvendelse av en massestrømsanordning (f. eks. Venturi), trykk-og temperatursensorer, tetthetssensor og elektromagnetisk sensor. De mindre kompliserte, men også mindre nøyaktige systemene er vanligvis uten en eller flere av de førnevnte sensorene

WO 2007/129897 beskriver en måleanordning som har en Venturi-indusert annulær strøm for høyfrekvent flerfase-måling. Den viste måleanordningen og fremgangsmåten anvender bredbånds RF-signaler for å tilveiebringe egenskaper til flerfase-strømmen, slik som dielektrisitetskonstanten/permittiviteten.

Basert på kjent teknikk forblir det et behov for en måleanordning for andelen vann på væskeform, som er både enkel og robust, som samtidig kan tilveiebringe målinger av en fluidstrøm i et rør med høy nøyaktighet.

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning for å måle egenskaper til en fluidstrøm i et rør, som minsker eller unngår minst noen av ulempene ved de kjente systemene.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en anordning for å måle egenskapene til en fluidstrøm i et rør. Spesielt er anordningen egnet for fluider omfattende både en gassfase og en væskefase. Fluidet kan for eksempel være en produktstrøm fra en gassbrønn, hvor produktstrømmen omfatter gass (lavere hydrokarboner, slik som metan, etan og propan), kondensat (høyere hydrokarboner) og vann. Anordningen ifølge oppfinnelsen er i stand til å separere gassfasen (dvs. lavere hydrokarboner) og væskefasen (kondensat eller høyere hydrokarboner), og ved å kombinere anvendelsen av lavfrekvensmålinger av væskefasen med anvendelsen av høyfrekvensmålinger av fluidet, blir relevante egenskaper ved fluidstrømmen bestemt/beregnet. De relevante egenskapene inkluderer salinitet, vanninnhold og tykkelse/mengde av den annulære væskefasen, så vel som vanninnholdet av gassfasen. En anordning og en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen er ytterligere definert i de tilhørende krav, og i det følgende: I en utførelsesform angår oppfinnelsen en anordning for å måle egenskaper til en fluidstrøm i et rør, omfattende en første, andre og tredje rørseksjon, og hvor den første rørseksjonen omfatter et fluidstrømsmodifiserende element anordnet slik at, ved bruk, vil en flytende del av fluidstrømmen danne et annulært sjikt ved en indre vegg til den andre rørseksjonen, og - den andre rørseksjonen er anordnet nedstrøms for den første rørseksjonen og omfatter minst en nærfeltsprobe som har et første frekvensområde, og minst en fullvolumfelt-probe som har et andre frekvensområde, den øvre grensen til det første frekvensområdet er lavere enn den nedre grensen til det andre frekvensområdet; - den tredje rørseksjonen er anordnet nedstrøms for den andre rørseksjonen og omfatter et resonansmuliggjørende element, slik at nevnte element og minst den andre rørseksjonen tilveiebringer en resonator i stand til å fange opp deler av frekvensområdet til fullvolumfelt-proben.

I ett aspekt av anordningen ifølge oppfinnelsen omfatter det første frekvensområdet i det minste deler av området~DC til 600 MHz, fortrinnsvis deler av området fra 10 MHz til 600 MHz, eller fra 100 MHz til 500 MHz, og det andre frekvensområdet omfatter i det minste deler av området fra 0.5 GHz til 4.0 GHz, fortrinnsvis deler av området fra 0.8 GHz til 3.0 GHz, eller fra 1.2 GHz til 2.5 GHz.

I ett aspekt omfatter anordningen ifølge oppfinnelsen to nærfeltsprober, hver probe har en forskjellig penetreringsdybde.

Penetreringsdybden er med hensyn til hvor langt inn i den annulære væskestrømmen utkanten av feltet fra en nærfeltsprobe vil nå. I mange typer nærfeltsprober er penetreringsdybden avhengig av den fysiske størrelsen av en probeleder. I tilfellet av en koaksialprobe er for eksempel penetreringsdybden avhengig av diameteren til probelederne.

I et ytterligere aspekt av anordningen ifølge oppfinnelsen er det fluidstrømsmodifiserende elementet til den første rørseksjonen en indre diameter som er innsnevret sammenlignet med en indre diameter til den andre rørseksjonen, slik at en Venturi-effekt blir oppnådd ved bruk, dvs. en flytende del av fluidstrømmen vil danne et annulært sjikt ved en indre vegg til den andre rørseksjonen ved bruk.

I et ytterligere aspekt av anordningen ifølge oppfinnelsen omfatter det resonansmuliggjørende elementet en innsnevring av den indre diameteren til i det minste deler av den tredje rørseksjonen, innsnevringen er slik at nevnte indre diameter er mindre enn den indre diameteren til den andre rørseksjonen.

I et annet aspekt av anordningen ifølge oppfinnelsen er den tredje rørseksjonen anordnet nedstrøms for den andre rørseksjonen og omfatter et resonansmuliggjørende element, slik at nevnte element, den andre rørseksjonen og i det minste deler av den første rørseksjonen tilveiebringer en resonator i stand til å fange opp deler av frekvensområdet til fullvolumfelt-proben.

I et annet aspekt av anordningen ifølge oppfinnelsen omfatter det resonansmuliggjørende elementet en annulær kant ved en indre vegg til den tredje rørseksjonen.

I et annet aspekt av anordningen ifølge oppfinnelsen omfatter det resonansmuliggjørende elementet et annulært innlegg ved den indre veggen til den tredje rørseksjonen og den andre rørseksjonen, hvor innlegget er lagd i et elektrisk isolerende materiale, slik som glass eller keramer, og fortrinnsvis anordnet i flukt med nevnte indre vegg, og fullvolumfelt-proben er anordnet inne i innlegget, fortrinnsvis i flukt med en indre eller ytre omkrets av innlegget.

I et annet aspekt av anordningen ifølge oppfinnelsen har den minst ene nærfeltsproben, og/eller den minst ene fullvolumfelt-proben, en endeoverflate foran som er i flukt, eller i samme plan, med an indre vegg til den andre rørseksjonen.

I en annen utførelsesform angår oppfinnelsen en nærfeltsprobe, for en anordning ifølge oppfinnelsen, omfattende

- en første probeleder,

- en dielektrisk isolator anordnet utenfor den første probelederen, og

- en andre probeleder anordnet utenfor den dielektriske isolatoren,

- en første åpen-endet terminal anordnet slik at probelederne ved bruk kan bli eksponert for en annulær væskefase i et rør; og

hvor den første åpen-endete terminalen er del av en endeoverflate foran som kan være anordnet i flukt med en indre vegg til et rør.

I nok en annen utførelsesform angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for å måle egenskapene til en flerfase-fluidstrøm i et rør, strømmen omfattende en annulær væskefase ved en indre vegg til røret og en aksiell gassfase, omfattende trinnene: - Å påføre et lavfrekvenssignal fra en nærfeltsprobe, signalet omfattende i det minste deler av et første frekvensområde fra~DC til 600 MHz, til den annulære væskefasen, fra en posisjon i flukt med rørveggen;

Å måle det reflekterte signalet (eller det overførte signalet hvis det er minst to nærfeltsprober nærme hverandre innenfor avstanden til utkanten av feltet);

Å påføre et høyfrekvenssignal fra en fullvolumfelt-probe, signalet omfattende i det minste deler av et andre frekvensområde fra 0.8 GHz til 3.0 GHz, til fluidstrømmen, fra en posisjon i flukt med rørveggen for å utføre en resonansmåling;

Å oppnå en kvalitetsfaktor og en resonansfrekvens fra resonansmålingen;

og

Å beregne de ukjente parameterne, dvs. tykkelsen, saliniteten, og vann/væske-forholdet i den annulære væskefasen, og vanninnholdet i gassfasen, ved å kombinere en fullbølgeresonans-modell og en nærfelts-modell.

Fullbølgeresonans-modellen blir tilpasset fullvolum-resonansmålingene for det andre frekvensområdet ved å bruke kvalitetsfaktor(er) og en resonansfrekvens/frekvenser avhengig av hvor mange modus som blir brukt (TEI 10, TE210 osv.). Nærfelts(feltutkant)-modellen blir tilpasset nærfeltsmålingene. Til slutt blir fullbølgeresonans-modell og fullvolum-resonansmåling, nærfelts(feltutkant)-modell og nærfeltsmålinger tilpasset samtidig for å løse ut de ukjente ønskede parameterne.

Alternativt omfatter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, for å måle egenskapene til en flerfase-fluidstrøm i et rør, strømmen omfattende en annulær væskefase ved en indre vegg til røret, og en aksiell gassfase, trinnene: - Å påføre et lavfrekvenssignal fra en nærfeltsprobe, signalet omfattende i det minste deler av et første frekvensområde of fra~DC to 600 MHz, til den annulære væskefasen, fra en posisjon i flukt med rørveggen; - Å måle det reflekterte signalet (eller det overførte signalet hvis det er minst to nærfeltsprober nærme hverandre innenfor avstanden til utkanten av feltet); Å oppnå vanninnholdet og salinitet i den annulære væskefasen fra det reflekterte signalet (eller det overførte signalet hvis det er minst to nærfeltsprober nærme hverandre innenfor avstanden til utkanten av feltet); - Å påføre et høyfrekvenssignal fra en fullvolumfelt-probe, signalet omfattende i det minste deler av et andre frekvensområde fra 0.8 GHz til 3.0 GHz, til fluidstrømmen, fra en posisjon i flukt med rørveggen for å utføre en resonansmåling;

Å oppnå en kvalitetsfaktor og en resonansfrekvens fra resonansmålingen;

og

- Å beregne tykkelsen i den annulære væskefasen, og vanninnholdet i gassfasen ved anvendelse av en transversal fullbølgemodell.

I forbindelse med den foreliggende oppfinnelsen er en nærfeltsprobe typiskkarakterisert vedat dens fysiske størrelse er betydelig mindre enn bølgelengdene ved hvilke den opererer ved. Nærfeltsproben er i denne sammenhengen en probe som for sitt virksomme frekvensområde bare ser og føler det annulære væskesjiktet (som typisk er i størrelsesorden 1 mm tykt) og forbi væskesjiktet typisk i størrelsesorden på 1 mm. Utstrålingen fra nærfeltsproben kan antas å være ubetydelig eller så liten at det er mulig å kalibrere for den. I praksis er nærfeltsproben typisk en kapasitiv probe som detekterer en kompleks kapasitans (imaginær kapasitansdel viser elektrisk tap).

I sammenheng med den foreliggende oppfinnelsen må fullvolumfelt-proben for fullvolum-resonans ha en ikke-null utstrålingsevne (selv om utstrålingen, og følgelig den fysiske størrelsen, kan være veldig liten i forhold til bølgelengden), men i en transmisjonskonfigurasjon kan de fysisk små (dvs. svakt utstrålende) probene fortsatt være anvendelige siden en klar veldefinert transmisjons-resonanstopp meget godt kan oppnås - selv om det er ved et svakt nivå. Det kan være fordelaktig å ha en slik liten probe for deteksjon av fullvolum-resonans, da nærværet av proben forstyrrer den ideelle resonatoren (ubelastet Q-faktor og resonansfrekvens) i minimal utstrekning. Med en slik liten probe er det i praksis ikke mulig å måle fullvolum-resonans ved refleksjonsmåling, men bare ved transmisj onsdeteksj on.

Beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser et langsgående tverrsnitt av en utførelsesform av en måleanordning ifølge oppfinnelsen, og et tverrgående tverrsnitt av den samme. Figur 2 viser utførelsesformen i fig. 1, hvor et annulært kondensat-sjikt blir dannet.

Figur 3 viser to utførelsesformer av en måleanordning ifølge oppfinnelsen.

Figur 4 viser en ytterligere utførelsesform av en måleanordning ifølge oppfinnelsen. Figur 5 viser en probe egnet for anvendelse i utførelsesformene i figurene 1-4. Figur 6 illustrerer hvordan analytiske uttrykk for en full-bølget transversresonansmodell blir anvendt på en konsentrisk sylindrisk geometri. Figur 7 viser en typisk teoretisk respons basert på simuleringer av fullbølgeresonans. Figur 8 viser en kvartbølget åpen-ende koaks-resonator egnet for bruk som en nærfeltsprobe.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

En sensor for vannandel og salinitet (WSI), dvs. en måleanordning ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 1. Anordningen omfatter tre rørseksjoner, en første rørseksjon 1, en andre rørseksjon 2, og en tredje rørseksjon 3. De stiplede vertikale linjene i fig. 1 og 2 er kun ment for å indikere utstrekningen av hver rørseksjon. Den brede pilen indikerer retningen i hvilken en fluidstrøm kommer inn i anordningen. Anordningen er spesielt egnet for flerfase-strømmer omfattende både en væskekomponent og en gasskomponent. Den første rørseksjonen 1 har en innsnevret indre diameter, sammenlignet med den indre diameteren 7 til den andre rørseksjonen 2, og tilveiebringer en Venturi-effekt på den innkommende fluidstrømmen. Venturi-effekten gjør at fluidstrømmen separeres i en annulær væskefase 4 langs med den indre veggen til den andre rørseksjonen, se fig. 2, og en gassfase langs med senteraksen til nevnte andre rørseksjon. For å oppnå den ønskede annulære væskefasen 4 ved bruk, er måleanordningen fortrinnsvis anordnet slik at dens senterlinje er i en hovedsakelig vertikal retning. Den andre rørseksjonen 2 omfatter videre et flertall prober 5,6 for å sende/måle elektromagnetisk stråling (EMR). I den foreliggende utførelsesformen omfatter den andre rørseksjonen to nærfeltsprober 5 for lavfrekvent EMR, og i den foreliggende oppfinnelsen er disse frekvensene typisk mellom~10 MHz opp til -600 MHz, og to fullvolumfelt-prober 6 for høyfrekvent EMR, dvs. mikrobølger. I den foreliggende oppfinnelsen er frekvensene til de høyfrekvente probene 6 fra omtrent 0.5 GHz til omtrent 4.0 GHz, og typisk fra omtrent 1.2 GHz til omtrent 2.5 GHz. I denne spesifikke utførelsesformen er probene i stand til å fungere både som en mottaker og en sender, men utførelsesformer som har separate prober for henholdsvis å motta og sende er også påtenkt. For eksempel blir høyfrekvente TEI 10- og TE210-resonanser typisk målt som transmisjon fra en probeantenne til en annen. TEnml moduser, hvor n>m (n er indeks for vinklet feltvariasjon, eng. angular field variation index), har den egenskapen at det elektriske feltet blir redusert mer i senterområdet til resonatorrøret. Dette gjør TE210-moduset mer sensitivt for variasjoner i væskesjikt på et indre resonatorrør enn TEI 10-moduset, som har en mer homogen feltfordeling. Følgelig, for tomografiske egenskaper er det passende å bruke resonansemoduser som har forskjellige feltstyrker i forskjellige deler av volumet som skal rekonstrueres, slik at maksimalt antall ukjente kan løses ut. Dette er analogt med at nærfeltsprobene har forskjellig fysisk størrelse og således forskjellige penetreringsdybder for det elektriske feltet.

Tuppen (eng. front end) til probene er designet slik at de er i flukt, eller i samme plan, med den indre veggen til den andre rørseksjonen, se fig. 5. Den tredje rørseksjonen 3 omfatter et resonansmuliggjørende element 8. Den innsnevrede indre diameteren til den første rørseksjonen 1 og det resonansmuliggjørende elementet 8 danner to ender av et resonanskammer, eller hulrom, som er i stand til å fange en del av den elektromagnetiske energien, sendt ut av høyfrekvensproben 6, ved en viss resonansfrekvens. Det resonansmuliggjørende elementet 8 kan være ethvert middle som tilveiebringer en annulær hindring som har en indre diameter som er mindre enn den indre diameteren til den andre rørseksjonen 2. Slike midler kan for eksempel være en innsnevring av den indre diameteren til i det minste deler av den tredje rørseksjonen, som vist i fig. 1 og 2, eller en annulær kant 9 ved en indre vegg til den tredje rørseksjonen, se fig. 3. Som vist i fig. 3 kan tverrsnittet av den annulære kanten 9 variere så lenge den nødvendige resonansen blir oppnådd, men er fortrinnsvis utformet slik at fluidstrømmen opplever minimalt trykkfall og turbulens. Det skal nevnes at en høyfrekvensresonator (eller resonanskammer), som har f.eks. TE-resonansmoduser, kan realiseres på minst to måter. En måte, som beskrevet over heri, er å ha et rør med en Venturi (rørseksjon 1) oppstrøms og en reflektor (kant 9 til rørseksjon 3) nedstrøms for en midtre måleseksjon (rørseksjon 2) for å fange høyfrekvente resonanser (f. eks. TE-moduser). En annen måte å realisere en høyfrekvensresonator, uten en reflektor, er ved å ha et elektrisk isolerende annulært keramisk/glass (eller annet dielektrisk materiale) innlegg 22 (slik at WSFen blir helt "i flukt" uten noen innsnevring av indre WSI diameter bortsett fra oppstrøms-Venturi'en), se fig. 4. Dette annulære innlegget 22 gjør plass for resonanser uten at disse forsvinner da den ytre diameteren til innlegget er > indre diameter til metallrøret. Den elektriske permittiviteten i glass/keramikk innlegget er også > den elektriske permittiviteten til luft, noe som også gjør at resonansene oppnår en høy Q-faktor. Når man bruker dette glass/keramikk innlegget 22, er Venturi'en bare nødvendig for å oppnå en god annulær væskefasestrøm, men ikke nødvendig for å oppnå høyfrekvente resonanser. Følgelig, når man bruker et slikt innlegg kan Venturi'en bli byttet ut med ethvert element som er i stand til å separere en flerfasestrøm til en strøm som har en annulær væskefasestrøm og en hovedsakelig gassholdig aksiell strøm. Slike elementer inkluderer forskjellige typer virveldannende elementer, ofte brukt i subsea-separatorer, og er velkjente for fagpersonen. Et viktig trekk når man bruker et annulært innlegg er at fullvolumfelt-proben 6 må være anordnet inne i rørseksjonen dekket av innlegget, hvis ikke vil ikke resonansene bli målt. Fullvolumfelt-proben/probene kan for eksempel være i flukt med den indre omkretsen av innlegget, eller med kontaktflaten mellom innlegget/røret. En fordel ved å ha fullvolumfelt-proben i flukt med den indre omkretsen av innlegget er at proben aldri er fysisk eksponert for fluidstrømmen. Nærfeltsproben/probene kan enten være anordnet før eller etter innlegget, eller i flukt med den indre omkretsen av innlegget.

En probe egnet for anvendelse i den foreliggende anordningen er vist i fig. 5. En slik probe er egnet som en nærfeltsprobe eller en fullvolumfelt-probe. Tuppen (eng. front end) 10, eller første terminal (ref. fig. 8), til proben er utformet for å være i flukt med en indre vegg 11 av et rør. På grunn av utformingen av tuppen 10 vil ikke proben interferere med fluidstrømmen. Dette trekket muligjør utføringen av uforstyrrede nærfeltsmålinger, noe som øker den totale nøyaktigheten. En annen fordel med å ha prober i samme plan, eller i flukt, er at erosjonsproblemer og behov for rekalibrering av proben for en stor del blir redusert siden formen på proben er så godt som intakt selv om den har blitt erodert, følgelig tilveiebringe dette en veldig robust løsning.

Proben kan fordelaktig være en kvartbølget åpen-endet koaks-resonator 14. En skjematisk tegning av en slik probe er vist i fig. 8. Proben 14 er avbildet i forbindelse med rør 2 (dvs. den andre rørseksjonen) som har et annulært væskefasesjikt 4 og er montert på røret for å måle signaler som indikerer minst en fysisk egenskap ved nevnte sjikt, f.eks. vanninnhold og salinitet.

Proben er koblet til en sensor 12 for tolkning av signalene for å bestemme den minst ene parameteren, og en signallinje 13 for å føre signalene fra den koaksiale proben til sensoren 12. Sensorer 12 er kjent som sådan og vil ikke bli beskrevet i detalj. Imidlertid, som kjent i teknikken, kan det være fordelaktig å tilveiebringe sensoren med en prosesseringsenhet, f.eks. en sentral prosessorenhet (CPU), for å utføre tolkningen av signalene. Videre, eller alternativt, kan det være fordelaktig å tilveiebringe sensoren med en lagringsenhet, slik som en ikke-flyktig hukommelse, og/eller en fremvisningsenhet, slik som en skjerm, for henholdsvis å lagre og presentere signalene. Det kan også være fordelaktig å tilveiebringe sensoren med midler for input og output for å muliggjøre kommunikasjon mellom sensoren 4 og annet utstyr, f.eks. ytterligere midler for signalprosessering.

Den koaksiale proben 14 omfatter en første aksielle probeleder 15, en dielektrisk isolator 16, som er anordnet utenfor den første probelederen 15, og en andre sylindriske probeleder 17, som er anordnet utenfor den dielektriske isolatoren 16. Følgelig har den første lederen 15, isolatoren 16 og den andre lederen 17 et koaksialt forhold.

Proben 14 strekker seg gjennm røret 2 og omfatter en første åpen-endet terminal 18 hvor probelederne 15, 17 er eksponert for den annulære væskefasen 4 i bruk. Ved den første terminalen 18 kan lederne 15, 17 og isolatoren 16 fordelaktig være anordnet i samme plan med den indre veggen til røret 2 slik at proben 14 ikke forstyrrer den annulære væskefasen 4 og, i tillegg ikke blir erodert av væskefasen. Alternativt kan proben 14 strekke seg forbi den indre veggen slik at den første terminalen 18 strekker seg en forutbestemt avstand, f.eks. 1-3 mm, fra veggen. Proben 14 omfatter også en andre kortsluttet terminal 19, hvor den første probelederen 15 og den andre probelederen 17 er elektrisk koblet til hverandre. Signallinjen 13 er koblet til proben 14 ved en forutbestemt posisjon P mellom den første terminalen 18 og den andre terminalen 19, hvilken posisjon definerer et målereferanseplan. Følgelig virker proben 14 som en åpen-endet kvartbølgeresonator. Signallinjen 13 omfatter en første signallinje-leder 20 som er koblet til den første probelederen 15 og en andre signallinje-leder 21 som er koblet til den andre probelederen 17.

Måleanordningen ifølge oppfinnelsen er i stand til å måle vann-volumfraksjoner på opp til minst 5.6 %, med salinitet i dette vannet på opp til minst 25.47 % (noe som er maksimal salinitet for måleevnen til MPM flerfaseinstrumenter).

Grunnprinsippet for oppfinnelsen er basert på elektriske målinger av fluidstrømmen etter at nevnte strøm har passert den første rørseksjonen som beskrevet over og dannet et annulært kondensat-sjikt ved den indre veggen til den andre rørseksjonen. Prinsippet omfatter de to følgende hovedtrinnene: 1) å bruke en lavfrekvent nærfeltsprobe - typisk en refleksjonsmålingssensor som detekterer størrelse og fase (se Fig. 5). Den lavfrekvente nærfeltsproben kan også være en kvartbølge åpen-endet koaks-resonator utformet for kun å detektere størrelse på utsendt (eller reflektert) RF-signal og resonansfrekvens (topp(er)) til utsendt eller reflektert signal. I det tilfellet er det ikke nødvendig å detektere fasen siden resonatoren kan bli brukt for ekstrahere både resonansfrekvens og Q-faktor, eller bare et reflektert (eller utsendt, hvis det er minst to nærfeltsprober nærme hverandre innenfor utstrekningen av deres felt) størrelsesspektrum. Tuppen til den lavfrekvente nærfeltsproben er fortrinnsvis i samme plan, eller i flukt, med den indre veggen til den andre rørseksjonen og måler frekvenser fra i det minste deler av området fra~DC opp til -600 MHz. Proben måler og karakteriserer det annulære kondensatsjiktet med hensyn til vanninnhold og salinitet (men ikke nødvendigvis tykkelsen på kondensatsjiktet). Denne prosedyren kan bli utført ved å bruke oppslagstabeller basert på målinger eller en "fullbølge"-modell gyldig for en probe i flukt med en vegg som ser inn i en annulær strøm. Det skal bemerkes at prinsippet for den lavfrekvente probemålingen er som følger: for en viss øvre frekvens vil proben ikke se gjennom kondensatsjiktet (når nevnte sjikt er tykt nok), og målingene under denne frekvensen er uavhengig av tykkelsen på kondensatet (noe som muliggjør ekstraksjon av data for saliniteten og vanninnhold). Over denne frekvensen ser proben gjennom kondensatsjiktet

- dvs. probemålingene måler ikke lenger bare responsen til

kondensatsjiktet men også responsen til den våte gassen (ved en slik frekvens, hvor nærfeltsproben begynner å utstråle, er ikke lenger den fysiske størrelsen til nærfeltsproben liten sammenlignet med bølgelengden). Til en viss grad (med lav nøyaktighet) kan tykkelsen på kondensatet også bli oppnådd, og alle disse "a-priori" dataene blir overført til trinn 2).

2) å bruke en høyfrekvens-fullvolumfelt-probe - som er en refleksjons- eller fortrinnsvis transmisjonsmålingsprobe som detekterer størrelsen på signalet (se figur 4). Som for lavfrekvensproben er tuppen på proben fortrinnsvis i samme plan, eller i flukt, med den indre veggen til den andre rørseksjonen. Høyfrekvensproben sender ut og måler frekvenser i det minste deler av

området fra omtrent 0.5 GHz til omtrent 4.0 GHz. Proben foretar en høyfrekvens-resonansmåling (enten ved refleksjons- eller transmisjonsmåling av størrelsen på signalet), se Feil! Fant ikke referansekilden. for en kvalitativ forklaring - måling av kvalitets (Q eller ^°) faktor og resonansfrekvens. Resonansfrekvens en er hovedsakelig avhengig av vanninnhold, mens Q-faktoren er hovedsakelig avhengig av salinitet (dette er tilfellet for "høye" salinitetsnivåer - ellers er Q-faktoren også avhengig av metalltap og stråling ut fra full-volumresonatoren). Siden saliniteten, så vel som vanninnholdet, i kondensatfilmen allerede er kjent fra trinn 1), er tykkelsen på kondensatet og vanninnholdet i selve våtgassen de gjenværende ukjente. Disse ukjente kan ekstraheres fra resonansmålingen ved å bruke den målte Q-faktoren og resonansfrekvensen. En transversal fullbølgemodell for sylindriske konsentriske sjikt, se heri under, kan bli brukt i ekstraksjonen av data for tykkelse av kondensatsjikt og vanninnhold i våtgassen. I denne forbindelse skal det bemerkes at resonanseffekten (å oppnå en radiell stående bølge ved mikrobølgefrekvenser) er muliggjort ved den innsnevrede indre diameteren til den første rørseksjonen som tilveiebringer en Venturi-effekt og det nedstrøms resonansmuliggjørende elementet til den tredje rørseksjonen (for eksempel en innsnevret indre diameter til den tredje rørseksjonen), se figurer 1-3. Den innsnevrede indre diameteren til den første rørseksjonen og det resonansmuliggjørende elementet til den tredje rørseksjonen virker som hindre, danner et resonanskammer, slik at den elektromagnetiske energien, sendt ut av høyfrekvensproben, blir fanget ved en resonansfrekvens - resonansfrekvensen er bestemt ved de indre fysiske dimensjonene til den andre rørseksjonen og innholdet i konsentriske sjikt/volum inne i nevnte rørseksjon.

Alternativt, hvis nærfeltsmodell 1) og fullbølge - fullvolummodell 2) er modeller som inneholder analytiske uttrykk for elektriske permittiviteter for kondensatsjikt og gass, kan hele problemet løses simultant ved å bruke modellene i en funksjon som blir minimert for å løse ut alle ukjente (salinitet, kondensatsjiktstykkelse og vanninnhold osv.).

En modell for fullbølge- transversresonans

De relevante egenskapene til fluidstrømmen kan oppnås fra dataene oppnådd i trinn 1 og 2 over ved anvendelse av en modell for fullbølge-transversresonans. Dette er en effektiv og kompakt modell med to analytiske lukkede uttrykk, se ligning 1 og ligning 2 under, som blir tilpasset numerisk for å få numeriske verdier. Inngående og utgående impedanser blir lagt til ved kontaktflaten mellom væske-gass (dvs. lagt til akkurat der væske og gass møtes). Legg imidlertid merke til at resonansfrekvens og Q-faktor blir først målt, og deretter gitt som argument inn i transversresonans-algoritmen, og deretter kan andre ukjente bli ekstrahert. Resonansfrekvensen er frekvensen hvor summen er minimert, se ligning 3. De matematiske funksjonene som er involvert er Bessel- og Hankel-funksjoner og argumentene til uttrykkene under er fundamentale fysiske/elektriske egenskaper slik som elektrisk kompleks permittivitet s (for blandet vann-gass kondensat, så vel som våt gass), frekvens<0>,

indre rørradius °og kondensattykkelse (kondensattykkelse blir ikke direkte tatt som argument, men denne tykkelsen er forskjellen mellom den indre radius til røret og radius fra senter av røret til toppoverflaten til kondensatsjiktet). Se fig. 5 for en illustrasjon på hvordan de analytiske uttrykkene blir anvendt på en konsentrisk sylindrisk geometri.

Ligning 1: uttrykk for TE (transvers-elektriske) resonanser

væskesjikt, og 7 L er impedans for ytterste last (=0 for en perfekt leder). Legg merke til at ^""'^kan bli beregnet rekursivt gjennom ethvert antall konsentriske sjikt, så vel som metaller med begrenset elektrisk ledning. Ligning 2: uttrykk for TM (transvers-magnetiske) resonanser

Ligning 3: uttrykk for kompleks resonansfrekvens og kvalitetsfaktor

Den komplekse resonansfrekvensen blir oppnådd ved å minimere:

En typisk teoretisk respons basert på simuleringer av fullbølgeresonansen er vist i figur 6. Toppene 1-3, viser at resonansfrekvensen

og det transvers e

elektriske feltet avhenger av saliniteten og vanninnholdet til fluidstrømmen. Toppen 3 indikerer en fluidstrøm som har høyere vanninnhold enn fluidstrømmene korresponderende til toppene 1 og 2, følgelig har en lavere resonansfrekvens. For rent vann ^~80, og for tørr gass (lavere hydrokarboner) er er omtrent 1. Topp 1 viser en fluidstrøm som har lav salinitet og lavt vanninnhold. Den lave saliniteten til fluidstrømmen forårsaker lav elektrisk ledning og mindre elektrisk tap, noe som medfører en spissere topp, dvs. en høyere Q-faktor (kvalitetsfaktor). Topp 2 korresponderer til en fluidstrøm med høy salinitet. Den høye saliniteten gir høyere elektrisk ledning og mer elektrisk tap, noe som gir en mindre spiss topp, dvs. en lav Q-faktor.

Claims (11)

1. En anordning for å måle egenskaper til en fluidstrøm i et rør, omfattende en første (1), en andre (2) og en tredje rørseksjon (3), og hvor den første rørseksjonen (1) omfatter et fluidstrømsmodifiserende element anordnet slik at, ved bruk, en flytende del av fluidstrømmen vil danne et annulært sjikt (4) ved en indre vegg til den andre rørseksjonen (2), og - den andre rørseksjonen (2) er anordnet nedstrøms for den første rørseksjonen (1) og omfatter minst en nærfeltsprobe (5) som har et første frekvensområde, og minst en fullvolumfelt-probe (6) som har et andre frekvensområde, den øvre grensen til det første frekvensområdet er lavere enn den nedre grensen til det andre frekvensområdet; - den tredje rørseksjonen (3) er anordnet nedstrøms for den andre rørseksjonen (2) og omfatter et resonansmuliggjørende element (8), slik at nevnte element (8) og minst den andre rørseksjonen (2) tilveiebringer en resonator i stand til å fange opp deler av frekvensområdet til fullvolumfelt-proben (6).

2. En anordning ifølge krav 1, hvor det første frekvensområdet omfatter i det minste deler av området~DC til 600 MHz, fortrinnsvis deler av området fra 10 MHz til 600 MHz, eller fra 100 MHz til 500 MHz, og det andre frekvensområdet omfatter i det minste deler av området fra 0.5 GHz til 4.0 GHz, fortrinnsvis deler av området fra 0.8 GHz til 3.0 GHz, eller fra 1.2 GHz til 2.5 GHz.

3. En anordning ifølge krav 1 eller 2, omfattende to nærfeltsprober (5) hvor hver probe har en forskjellig penetreringsdybde.

4. En anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, hvor det fluidstrømsmodifiserende elementet til den første rørseksjonen er en indre diameter som er innsnevret sammenlignet med en indre diameter (7) til den andre rørseksjonen (2), slik at en Venturi-effekt blir oppnådd ved bruk.

5. En anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, hvor det resonansmuliggjørende elementet omfatter en innsnevring (8) av den indre diameteren til i det minste deler av den tredje rørseksjonen (3), innsnevringen er slik at nevnte indre diameter er mindre enn den indre diameteren til den andre rørseksjonen (2).

6. En anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, hvor den tredje rørseksjonen (3) er anordnet nedstrøms for den andre rørseksjonen (2) og omfatter et resonansmuliggjørende element (8), slik at nevnte element (8), den andre rørseksjonen (2) og i det minste deler av den første rørseksjonen (1) tilveiebringer en resonator i stand til å fange opp deler av frekvensområdet til fullvolumfelt-proben (6).

7. En anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, hvor det resonansmuliggjørende elementet omfatter en annulær kant (9) ved en indre vegg til den tredje rørseksjonen (3).

8. En anordning ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 4, hvor det resonansmuliggjørende elementet omfatter et annulært innlegg (22) ved den indre veggen til den tredje rørseksjonen (3) og den andre rørseksjonen (2), hvor innlegget er lagd i et elektrisk isolerende materiale, slik som glass eller keramikk, og fortrinnsvis anordnet i flukt med nevnte indre vegg, og fullvolumfelt-proben (6) er anordnet inne i innlegget, fortrinnsvis i flukt med en indre eller ytre omkrets til innlegget.

9. En anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor den minst ene nærfeltsproben (5), og/eller den minst ene fullvolumfelt-proben (6), har en foranstående endeoverflate (10) som er i flukt, eller i samme plan, med en indre vegg til den andre rørseksjonen (2).

10. En nærfeltsprobe for en anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, omfattende: - en første probeleder (15), - en dielektrisk isolator (16) anordnet utenfor den første probelederen (15), og - en andre probeleder (17) anordnet utenfor den dielektriske isolatoren (16), - en åpen-endet terminal (18) anordnet slik at probelederne ved bruk (15, 17) kan bli eksponert for en annulær væskefase (4) i et rør; og hvor den åpen-endede terminalen er del av en foranstående endeoverflate som kan bli anordnet i flukt med en indre vegg til et rør.

11. En fremgangsmåte for å måle egenskapene til en flerfase-fluidstrøm i et rør, strømmen omfattende en annulær væskefase ved en indre vegg til røret, og en aksiell gassfase, omfattende trinnene: å påføre et lavfrekvens signal fra en nærfeltsprobe til den annulære væskefasen fra en posisjon i flukt med rørveggen, signalet omfattende i det minste deler av området~DC to 600 MHz; å måle det reflekterte signalet, eller det utsendte signalet hvis det er minst to nærfeltsprober nærme hverandre innenfor avstanden av feltet; - å påføre fluidstrømmen et høyfrekvenssignal fra en fullvolumfelt-probe fra en posisjon i flukt med rørveggen for å utføre en resonansmåling, signalet omfattende i det minste deler av området fra 0.8 GHz til 3.0 GHz; å oppnå en kvalitetsfaktor og en resonansfrekvens fra resonansmålingen; og - å beregne tykkelsen, saliniteten, og vann/væske-forholdet i den annulære væskefasen, og vanninnholdet i gassfasen, ved å kombinere en fullbølgeresonans-modell og en nærfelts-modell.