NO324812B1 - Fremgangsmåte og innretning for tomografiske multifasestrømningsmålinger - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og innretning for tomografiske multifasestrømningsmålinger

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og en strømningsmåler for å bestemme sammensetning og strømningshastighet ved individuelle komponenter i et multifasefluid, slik det er definert i innledningen til henholdsvis krav 1 og 18.

Problemet med måling av olje-vann-gass-blandinger har vært av interesse for petroleumsindustrien siden tidlig på 1980-tallet. Fra da av er det utført betydelig forskning omkring utvikling av en trefasestrømningsmåler som egner seg for bruk i et industrimiljø.

Det finnes flere teknikker og kjente instrumenter for å måle multifasestrøm, slik det vil bli nærmere beskrevet nedenfor. Slike instrumenter må være rimelig nøyaktige (typisk bedre enn ±5 % av hastigheten for hver fase), ikke inntrengende, uavhengig av strømforhold, og må gi nøyaktige målinger over hele komponentfraksjonsområdet. Til tross for det store antallet løsninger som er foreslått de seneste årene, finnes det ennå ikke noen kommersielt tilgjengelig trefasestrømningsmåler som tilfredsstiller alle disse kravene. I tillegg til stramme målekrav må instrumentene funksjonere pålitelig i ugjestmilde og korrosive omgivelser slik som flere tusen meter under havflaten. Inne i røret kan strømmen av multifase flyte med hastigheter fra 1-50 m/s, med trykk over 1000 bar og temperaturer over 200 °C. Ofte er også sand til stede og kan skade instrumentet internt.

Multifasestrøm i olje- og gassindustrien blir vanligvis definert som en blanding av væske og gass, der mengden av fri gass, også kalt GVF, er mindre enn 90 % av rørvolumet. For GVF i området 90 % til 99,99 % blir multifasestrømmen ofte kalt våtgass. I mange tilfeller blir produksjonsbrønnene definert som multifasebrønner i det tidlige produksjonstrinnet, og kan utvikle seg til våtgassbrønner etter hvert som oljen blir tømt ut og mer av gasskappen blir produsert. For å klargjøre: multifasestrøm, slik uttrykket blir brukt i foreliggende patentsøknad, dekker hele komponentfraksjonsområdet og inkluderer derfor både våtgass- og multifasestrøm-forhold.

Uttaket fra et olje-/gass-reservoar kan variere meget, avhengig av brønnens plassering

og alder. I tillegg til olje- og gasskomponentene kan det også være vann, sand og voks til stede i den produserte brønnstrømmen. Siden plassering og uttak av en brønn kan variere så meget, vil systemene som er konstruert for å samle og prosessere dette uttaket også variere betydelig. Det opprinnelige målet for oljeindustrien om å utvikle en

universell multifasestrømmåler til erstatning for den tradisjonelle løsningen med separering/énfasemåling som brukes nå, har hittil ikke kunnet realisere den økonomiske overvåkingen av uttaket fra en brønn.

Multifasestrømmålere blir stadig mer brukt for brønntesting og tildelingsmåling.

For å optimalisere produksjonen og levetiden for et olje-/gassfelt må operatørene være i stand til å overvåke uttaket fra hver brønn i feltet regelmessig. Den vanlige måten å gjøre dette på, er å bruke en testseparator. Testseparatorer er kostbare, beslaglegger verdifull plass på en produksjonsplattform, og krever lang tid for å overvåke hver brønn på grunn av de stabile strømforholdene som kreves. I tillegg er testseparatorer bare måtelig nøyaktige (typisk ±5 % til 10 % av hver fasestrømhastighet) og kan ikke brukes til kontinuerlig brønnovervåking. En trefasestrømmåler kunne brukes i det førstnevnte tilfellet i stedet for en testseparator, og i det lange løp som en permanent installasjon på hver brønn. Et slikt arrangement ville spare produksjonstapet som normalt følger med brønntesting. Slikt tap er anslått å være om lag 2 % for en typisk offshoreinstallasjon. Måling av tildeling er nødvendig når det brukes en felles rørledning til å transportere uttaket fra et antall brønner som er eid av ulike selskaper til et prosesseringssted. Dette blir for tiden oppnådd ved å sende uttaket fra hver brønn gjennom en testseparator før det går inn i den felles rørledningen. I tillegg til de ovenfor beskrevne manglene ved testseparatoren krever dette imidlertid særskilte testrørledninger til hver brønn. En trefasestrømmåler som er permanent installert, ville gi betydelige fordeler når det gjelder tildelingsmåling.

Ifølge en gruppe av de store oljeselskapene er kravene til nøyaktighet for en multifasemåling innenfor et brøkdelsområde på 0-99 % av gassvolum og 0-90 % vannfraksjon, en relativ feil på 5-10 % når det gjelder væske og gasstrømningshastighet, og en vannfraksjonsfeil innenfor 2 % abs. Mer nøyaktige målinger kreves når det gjelder produksjonstildeling. Kommersielle trefase strømmålere er nå stort sett i stand til å måle individuelle fasefraksjoners strømningshastighet med en usikkerhet på mindre enn 10 % over et noenlunde bredt område av strømningshastigheter og fasefraksjoner. Det finnes to drifts-områder som trenger videre undersøkelse dersom usikkerhet om strømningshastighet skal kunne reduseres ytterligere ved hjelp av nåværende kombinerte målemetoder: avhengighet av strømningsforhold og måling av individuell fasehastighet.

Noen eksempler på kommersielt tilgjengelige, ikke-inntrengende multifasemålere, slik som de kjennes fra NO 304333, NO 304332, US 5,103,181, WO 00/45133 (figur 5) og

US 6,097,786, måler sammensetningen og hastigheten til fasene over tverrsnittet for å finne strømningshastigheten. For å skaffe nøyaktige målinger kreves det en homogen blanding over tverrsnittet av røret. Virkninger som skyldes manglende homogenitet i lengderetningen av røret blir normalt minimalisert ved hjelp av hurtig prøvetaking av den tverrsnittmessige sammensetningen. Multifasemålere blir normalt ikke montert i horisontal stilling, på grunn av forekomsten av laminær strømning, der vann er i bunnen av røret og gass i toppen, noe som ville forstyrre målingen. Følgelig er det vanlig praksis, for å oppnå homogen blanding i rørtverrsnittet ved en multifasemåler, å installere multifasemålerne på en slik måte at strømmen flyter oppover eller nedover. Laminær strøm kan da unngås. Når en multifaseblanding som inneholder gass og væske(r) flyter i vertikal retning oppstår det imidlertid ofte en ringformet gasskonsentrasjon. Ringformet gasskonsentrasjon betyr at det er en høyere prosentandel gass (GVF) i senter av røret enn det er GVF ved rørveggen. Gasskonsentrasjonen kan være symmetrisk eller usymmetrisk, avhengig av den aktuelle installasjonen. Symmetrisk betyr at GVF er konstant langs omkretsen av en vilkårlig sirkel med sentrum i sentrum av røret og radius mellom rørsenter og rørvegg. Annulær gasskonsentrasjonsstrøm forstyrrer målingene på liknende måte som laminær strøm i en horisontal installasjon. I horisontale rør skulle ren annulær strøm der all gass er i midten av røret, normalt forekomme bare ved høyere gassfraksjoner. Når strømmen foregår i vertikale rør, har imidlertid sterk gasskonsentrasjon i midten av røret vist seg å forekomme selv ved midlere strømningshastigheter (noen m/s), og gassfraksjoner ned til 10 %. Selv en konsentrasjon av gass i midten av røret ved lave gassfraksjoner, ville innføre svære målefeil. I praksis er det sjelden at væsken er fullstendig fri for gass.

NO 304333, US 5,103,181, US 6,097,786 og US 5,135,684 bruker et kjernedensitometer. Når et kjernedensitometer blir brukt til å måle tettheten er det ikke mulig å oppnå full dekning over rørtverrsnittet. Følgelig forutsetter det en homogen blanding i tverrsnittet. Typiske kommersielt tilgjengelige kjernedetektorer for tetthetsmålinger, basert på Cesium 662 keV spissverdi, har en sirkelflate med radius 2" og lavere. For toenergisystemer (røntgenstråler og gammastråler) som beskrevet i US 5,135,684 og US 6,097,786 er flaten enda mindre som følge av behovet for et komposittvindu i røret for å tillate passasje av de lavenergi røntgenstrålene gjennom røret. Dekningsflaten i et 2" rør med et typisk kommersielt tilgjengelig gammastråledensitometer er typisk 70-80 % av samlet tverrsnittflate i røret. Ved bruk i 6"-rør er det imidlertid vanskelig å oppnå mer enn 30 % dekning av rørtverrsnittet. En måte å øke dekningen på, er å plassere tetthetsmålingen inne i en venturipassasje, som i US 5,135,684. Plassering av tetthetsmålingen inne i en venturipassasje vil imidlertid også øke mengden av annulær strømning i måleseksjonen. Når kilde og detektor er plassert i midten av røret, blir det målt en for lav tetthet ved annulærstrøm. Målefeilen vil øke med rørtverrsnittet. En måte å kompensere denne virkningen på, er å plassere densitometeret eksentrisk. Målefeilene som skyldes annulær gasskonsentrasjon i midten av røret, vil imidlertid fortsatt være betydelige.

Ytterligere en måte å minimalisere virkningen av annulærstrøm er å bruke en blandeinnretning. US Re. 36,597 beskriver en fremgangsmåte der en måler for positiv fortrengning blir brukt både til å måle total strømhastighet og til å homogenisere multifaseblandingen forut for komposisjonsmålingen. Annulærstrøm blir da minimalisert, men multifasemåleren blir imidlertid sterkt inntrengende og sårbar fordi den baserer seg på en mekanisk innskrenkende eller roterende innretning plassert i multifasestrømmen. Repeterbarheten av målingen over tid vil også være utsatt for sanderosjon. En annen måte å redusere tilstedeværelse av annulærstrøm på, er å bruke en blander. US 5,135,684 viser til en fremgangsmåte der en oppholdstank blir brukt til å homogenisere multifasestrømmen. Strukturen er imidlertid sterkt inntrengende, slik at det dannes et trykkfall som begrenser produksjonsevnen fra brønnene. Funksjonen til blanderen ville også være avhengig av strømningshastighet og mønster slik som lengde av gass- og væskeplugger, og vil derfor kunne begrense driftsinnhyllingen for et slikt multifasemåleinstrument. En annen fremgangsmåte basert på blanding av multifasestrømmen er beskrevet i US 6,272,934.

Enda en annen måte å redusere virkningen av annulærstrøm på, er å utføre sammensetningsmålingen i tverrsnittet av en annulær venturi, som vist i WO00/45133, figur 1. Denne fremgangsmåten er imidlertid også inntrengende, og repeterbarheten av målingen over tid vil også være sårbar for sanderosjon.

Det er også velkjent av sammensetningen av multifaseblandingen kan måles på grunnlag av en måling av grensefrekvensen for røret. Eksempler på slike innretninger finnes i US 4423623, US 5455516, US 5331284, US 6614238, US 6109097 og US 5351521, som beskriver fremgangsmåter for å bestemme sammensetningen av en multifaseblanding basert på måling av grensefrekvensen for et rør basert på måling av tap eller fase ved varierende frekvens. Alle disse fremgangsmåtene blir imidlertid sterkt påvirket av annulær gasskonsentrasjon, og vil ikke gi den påkrevde målenøyaktigheten under slike forhold.

Tomografiske teknikker for måling av multifasestrømning er også velkjent. Eksempler på slike innretninger finnes i US 5485743, US 5130661, US 6857323, US 6940286 og US 5793216. Alle disse tomografiske teknikkene krever imidlertid komplekse sensorer og avanserte målealgoritmer for å utlede sammensetning og strømningshastighet i multifasefluidet, og de er derfor vanskelig å realisere i et røft industrielt miljø slik som rør med olje, gass og vann. Sensorene blir vanligvis plassert rundt hele omkretsen av røret for å oppnå et detaljert bilde av multifasefordelingen inne i røret. Kompleksiteten og de raske endringene i multifasestrøm, kombinert med kompleksiteten til målealgoritmene som inngår i et fullverdig tomografisystem kan også lett innføre ustabilitet i beregningsrutinene, hvilket fører til store feil i de endelige beregningene. Det er også tidkrevende å utvikle modeller for et slikt system, noe som gjør det vanskelig å skalere dem for ulike rørdiametre. Videre er slike systemer også tidkrevende å konfigurere og kalibrere, og ikke vel tilpasset for industriell produksjon.

WO 2005/067142 beskriver en multifasestrøm-måler basert på en forenklet tomografisk teknikk for å bestemme sammensetning og strømningshastighet. Fremgangsmåten er basert på annulær gasskonsentrasjon i et sensorelement som er installert i en vertikal oppstrøms retning. Basert på målinger utført i multiple retninger av røret blir graden av annulær gasskonsentrasjon bestemt og brukt til å bestemme brøkdeler og strømningshastigheter hos komponentene i multifasefluidet. Fremgangsmåten er imidlertid basert på symmetrisk annulær gasskonsentrasjon i røret, hvilket ikke kan garanteres uten en kondisjonering oppstrøms for multifasestrøm-måleren.

Innretninger for å måle strømningshastighetene for et multifase-fluid er velkjent. Slike innretninger kan være basert på krysskorrelering av et målesignal som detekterer ulike variasjoner i væske- og gassdråper i strømmen. Ved å sende et bærebølgesignal inn i strømmen og måle responsen, vil det mottatte signalet inneholde informasjon om variasjonene i strømmen som skyldes amplitude- (tap), fase- eller frekvensmodulasjon fra forstyrrelsene. Ved å utføre målinger i to seksjoner av røret med kjent innbyrdes avstand, kan en frembringe to tidsvarierende signaler som er forskjøvet i tid tilsvarende den tiden det tar for multifasestrømmen å forflytte seg mellom de to målepunktene. Eksempler på slike innretninger som er basert på en elektromagnetisk bærebølge, er beskrevet i US 4402230, US 4459958, US 4201083, US 4976154, WO 94/17373,

US 6009760 og US 5701083

Andre innretninger for måling av strømningshastighet kan være basert på måling av trykkforskjeller over en innsnevring i røret, slik som en venturi, åpning, v-konus eller strømblander. Eksempler på slike innretninger finnes i US 4638672, US 4974452,

US 6332111, US 6335959, US 6378380, US 6755086, US 6898986, US 6993979,

US 5,135,684, WO 00/45133 og WO 03/034051. Ingen av innretningene ovenfor passer for nøyaktig måling av strømningshastigheter med annulær gasskonsentrasjon i røret. Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å overvinne de ovennevnte begrensningene ved eksisterende løsninger.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å skaffe nøyaktige målinger av olje-, vann- og gasstrømningshastigheter i en multifaseblanding i hvilken som helst strømningsorden.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilpasse en strømmende multifaseblanding slik at det oppnås en virvelfri, symmetrisk annulær gasstrømordning i en tomografisk måleinnretning.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilpasse en multifaseblanding slik at enkle tomografiske teknikker kan brukes til å måle olje-, vann- og gasstrømningshastigheter i en multifaseblanding i hvilken som helst strømningsorden.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å skaffe en tomografisk måling av en strømmende multifaseblanding basert på enkle parametriske modeller.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tillate bruk av enkle og nøyaktige matematiske modeller av en multifasestrøm.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å skaffe en kompakt struktur for strømningsforhold og målinger.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tillate bruk av enkle kalibreringsrutiner for en multifase-strømningsmåler.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tillate bruk av enkle verifiseringsrutiner for en multifase-strømningsmåler.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å skaffe en multifase-strømningsmåler med høy målenøyaktighet over hele skalaen av komponenter av de individuelle fraksjonene av et multifasefluid.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å skaffe nøyaktige målinger av væskefraksjonen ved våtgass-strømforhold.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å sørge for lite trykkfall i røret med det strømmende multifasefluidet.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å sørge for en ikke-inntrengende innretning for å utføre målinger av multifasestrømning.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tillate kompakt installasjon av en multifasestrømningsmåler.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å sørge for en kompakt mekanisk struktur for å utføre målingene.

Fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter følgende trinn:

a. strømmen av multikomponentblanding blir behandlet slik at det dannes

en strømningstilstand med symmetrisk annulær gasskonsentrasjon,

b. tetthetsfordelingen og/eller fordelingen av dielektrisitetskonstant i nevnte

symmetriske strøm innen et tverrsnitt blir fastslått,

c. en funksjon som beskriver den radielle fordelingen av tetthet og/eller den radielle fordelingen av dielektrisitetskonstant blir fastslått,

d. hastigheten av multikomponentblandingen blir fastslått,

e. temperatur og trykk blir fastslått, og

f. basert på kunnskap om tettheter og/eller dielektrisitetskonstanter for komponentene i fluidblandingen samt resultatet fra trinnene a-e ovenfor, beregner en volum- og/eller massestrømningshastigheter for gass- og væskekomponentene i fluidblandingen.

Innretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse er videre karakterisert ved egenskapene slik de er definert i uavhengig krav 18.

Avhengige krav 2-17 og 19-30 definerer foretrukne utførelser av foreliggende oppfinnelse.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det følgende, med henvisning til de vedlagte tegningsfigurene, der:

Figur 1 viser et skjematisk lengdesnitt av hovedelementene i oppfinnelsen.

Figur 2 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å måle olje-, vann- og gassfraksjonene samt strømningshastigheter i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 3 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å måle olje-, vann- og gassfraksjonene samt strømningshastigheter i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 4 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å utføre tomografiske målinger i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Figur 5 viser et skjematisk tverrsnitt langs av linjen III-III på figur 4.

Figur 6 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å utføre tomografiske målinger i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 7 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å utføre tomografiske målinger i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 8 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å utføre tomografiske målinger i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 9 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å utføre tomografiske målinger i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 10 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å utføre tomografiske målinger i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 11 viser skjematisk en kompakt mekanisk enhet med antenner (probesammen-stilling). Figur 12 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å utføre tomografiske målinger i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 13 viser et skjematisk lengdesnitt av en eksempelutførelse av en innretning for å utføre tomografiske målinger i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Foreliggende oppfinnelse gjelder fremgangsmåte og innretning for å måle strømningshastigheter og volumfraksjoner av en multifaseblanding i et rør. Oppfinnelsen inneholder tre elementer. En vertikal, rørformet seksjon 1, en strømningsbehandlingsinnretning 2, som også kan være en kombinert behandlingsinnretning og måleinnretning, og en måleinnretning 3. Hensikten med strømningsbehandlingsinnretningen er å behandle multifasefluidet slik at gass og væske(r) blir fordelt symmetrisk langs rørets radius. Videre er hensikten med strømningsbehandlingsinnretningen å skape en strømordning som når det gjelder foreliggende oppfinnelse er definert som en virvelfri symmetrisk annulær gasskonsentrasjon som for enkelhets skyld her blir kalt symmetrisk annulær gasskonsentrasjon eller bare SAGC. Element 3, plassert nedstrøms for strømreguleringsinnretningen 2, er en innretning som passer for å måle gass- og væskekomponentfraksjonene i en symmetrisk annulær gasskonsentrasjonsorden.

Symmetrisk annulær gasskonsentrasjon betyr at det er en høyere prosentandel gass (GVF) i rørsenteret, sammenlignet med GVF ved rørveggen, og dessuten er GVF konstant langs omkretsen av hvilken som helst sirkel omkring rørsenteret med en radius mellom rørsenter og rørvegg. Endringshastigheten for GVF fra rørsenteret mot rørveggen kan være lineær eller ulineær. For ulineær reduksjon av GVF kan endringen være S-formet, slik som en tanh-funksjon, eller en trinnfunksjon, der væsken er nesten fullstendig adskilt fra gassen. Siste variant blir vanligvis kalt (ren) annulær strøm, som vanligvis forekommer ved høy gassfraksjon slik som våtgasstrøm. Funksjonen som beskriver endringen i GVF fra rørsenter til rørvegg blir i forbindelse med foreliggende oppfinnelse kalt konsentrasjonsprofilfunksjonen.

Strømningsbehandlingsmidlene nytter virvlene i multifasestrømmen til å generere en symmetrisk annulær gasskonsentrasjonsstrøm. Virvler betyr at multifasestrømmen har en aksiell rotasjonskomponent idet den forflytter seg nedover røret. Ved å dirigere multifasestrømmen inn i en trangere passasje i røret vil rotasjonshastigheten for virvlene øke, og en S AGC-strømordning blir generert. Ved gradvis å redusere den aksielle rotasjonshastigheten ved gradvis øking av rørdiameteren, kan rotasjonshastigheten av virvlene bli redusert samtidig som en opprettholder en SAGC-strømordning. En venturi kan brukes som strømbehandlingsinnretningen 2, som også kan være en kombinert strømbehandlingsinnretning og måleinnretning.

Virvler er en normal forekomst for en multifasestrøm i rørledninger som inneholder bøyde og rette seksjoner. Bøyningene omdirigerer strømretningen og påtrykker en dreiekraft på strømmen. Dersom strømningslinjen imidlertid er rett i en lang seksjon, vil virvlene reduseres. Under slike forhold kan en rørstruktur som inneholder én eller to bøyninger bli brukt oppstrøms for strømningsbehandleren til å generere de nødvendige virvler i multifasestrømmen. Alternativt kan en bruke finner inne i røret til å generere virvler i multifasestrømmen.

For en SAGC-strømningsorden er forenklede prosesstomografiske måleteknikker ideelt tilpasset for å utføre nøyaktige målinger av sammensetning og strømningshastighet ved multifasefluidet. Basiskonseptet ved prosesstomografi er å bruke et antall sensorer rundt omkretsen av røret. Signalene fra sensorene blir så prosessert for å gi et bilde av multifasestrømmen i rørtverrsnittet. Siden væske-/gassfordelingen er symmetrisk i rørtverrsnittet, kan en bruke enkle tomografiske parameteriseringsmodeller og beregningsrutiner til å bestemme væske-/gassfordelingen i rørtverrsnittet. I tillegg tillater symmetrien bruk av et enklere sensorarrangement sammenlignet med konvensjonelle tomografiske sensorer, siden det er tilstrekkelig å utføre måling bare på en halvseksjon av rørtverrsnittet. Foreliggende oppfinnelse gir også mulighet for enklere kalibrering av modellene og sensorene. For ren annulær strøm der all væske blir fordelt som en film langs veggen, blir sammensetningsmålingen av multifasestrømmen forenklet til en måling av tykkelsen av væskefilmen langs veggen. Ren annulær strøm er en vanlig foreteelse ved høy GVF, og følgelig tillater foreliggende oppfinnelse meget nøyaktig måling av væskefraksjonen under slike forhold.

Sammendrag av oppfinnelsen

En strømningsbehandlingsinnretning 2 er plassert nedstrøms for en innretning som utfører tomografiske målinger 3 i en vertikal rørseksjon 1 som vist på figur 1. Strømretningen er vist med en pil 4. Tomografiske målinger betyr at fordelingen av fraksjonene av multifaseblandingen i rørtverrsnittet blir målt med sensor(er) plassert rundt omkretsen av røret, som vist på figur 1, eller bare en halv seksjon av den vertikale rørseksjonen som vist ved det stiplede området 3 på figur 2. Hensikten med strømningsbehandlingsinnretningen 2 er å generere en virvelfri, symmetrisk annulær gasskonsentrasjonsstrømordning, slik at det er tilstrekkelig å måle de individuelle fraksjonene og fordelingen av de individuelle fraksjonene i multifaseblandingen i bare en halv seksjon av røret 3, for å beregne de individuelle fraksjonene og fordelingen av de individuelle fraksjonene i multifaseblandingen for hele rørseksjonen 1. Den tomografiske sensorinnretningen 3, som vist på figur 2, blir også kalt forenklet topografisk måling, siden symmetri i strømmen tillater måling i bare den halvdelen av rørtverrsnittet, for å bestemme fordelingen i hele rørtverrsnittet. Tester utført i MPM MultiPhase Flow Laboratory har vist at en venturi, som vist på figur 3, kan brukes som en kombinert strømningsbehandlingsinnretning 2 og måleinnretning. En venturi består av en konvergerende seksjon 5 inn i en trang passasje 6 i et rør 1. Ved å måle trykket 9 oppstrøms og trykket i den trange passasjen 10 ved hjelp av en trykktransmitter 8, kan en bestemme strømningshastigheten til fluidet/fluidene. Dreiehastigheten til en virvel i multifaseblandingen ved inntaket til venturi vil bli akselerert i den konvergerende seksjonen 5 og generere en symmetrisk annulær gasskonsentrasjonsstrømordning i den trange passasjen 6 med en høy rotasjonshastighet (virvel). Rotasjonshastigheten til virvelen blir så retardert i den divergerende seksjonen 7 idet diameteren utvides tilbake til opprinnelig størrelse. I stabiliseringsseksjonen 11 vil rotasjonshastigheten til virvelen bli redusert ytterligere og stabilisere seg mens en symmetrisk annulær gasskonsentrasjonsstrømordning blir opprettholdt. Typisk lengde på stabiliseringssonen er 2-3 rørdiametre. Nå vil en symmetrisk annulær gasskonsentrasjonsstrømordning bli opprettholdt for hele den tomografiske målingsseksjonen 3 uten noen virvel, eller med en meget lav rotasjonshastighet slik at multifasefluidet i praksis kan sies å være virvelfri.

For lange oppstrøms rørseksjoner foran multifasemåleren, kan multifasefluidet være virvelfri ved inntaket av strømningsbehandleren, slik at behandlingsvirkningen ikke finner sted. For slike installasjoner kan en bruke bøyning(er) oppstrøms for strømningsbehandleren for å innføre virvler i multifaseblandingen som vist på figur 3. Inntaket til venturi 6 er nå installert i relativt kort avstand 13 nedstrøms for en bøyning 12. Strømretningen er angitt med en pil 4. Bevegelsesretningen for multifasestrømmen blir endret i bøyningen og genererer virvler i strømmen. Virvlene kan økes ytterligere ved å bruke multiple bøyninger oppstrøms for venturi 6/strømbehandler 3.

Forenklede topografiske målinger kan utføres basert på bredbånds radiofrekvensmålinger (RF) av dielektrisitetskonstanten/permittiviteten hos multifaseblandingen som vist på figur 4. Innretningen inneholder tre sendeantenner 14, 15,16 og seks mottaantenner 17, 18, 19, 20, 21 og 22 for å sende og motta elektromagnetisk energi. Antennene er plassert i en halvseksjon av røret der vinklene mellom antennene rundt omkretsen av rørveggen er fortrinnsvis 90 grader som vist på figur 5. Antennene er koaksiale ledere adskilt av et isolerende materiale fra rørveggen og så vidt inntrengende i røret idet de virker som en dipolantenne inne i røret. Innretningen kan også brukes til å utføre hastighetsmålinger av multifasefluidet ved å krysskorrelere målinger utført i ulike tverrsnitt av røret.

Innretningen som er vist på figur 4 kan utvides ytterligere ved å legge til en fotonkilde og -detektor som vist på figur 6. Den forenklede tomografiske innretningen inneholder nå også en nukleær detektor 24 for å måle fotoner 23 utstrålt fra en radioaktiv kilde 22. Den radioaktive strålen 23 stråler fortrinnsvis gjennom senter av røret. Masseabsorbering av fotoner står i forhold til tettheten i multifasefluidet og kan nyttes i kombinasjon med dielektriske målinger av multifaseblandingen til å oppnå en mer nøyaktig måling av komponentfraksjonene av multifaseblandingen eller til å utvide komponentområdet hos multifaseblandingen.

Multiple fotonabsorberingsmålinger kan også brukes til å utføre forenklede tomografiske målinger, som vist på figur 7. En radioaktiv kilde 22 stråler fotoner gjennom tverrsnitt av røret 1. En stråle fotoner 27 stråler fortrinnsvis gjennom senter av røret til en detektor 25. En andre stråle 28 stråler gjennom et halvt tverrsnitt av røret 1 til en andre detektor 26.

Impedansmålinger av multifaseblandingen kan også brukes til å utføre enkle tomografiske målinger, som vist på figur 8. Impedans betyr én eller flere av følgende karakteristika av strømmen: kapasitans, konduktans, motstand, admittans eller induktans. Et minimum på 3 elektroder 29, 30, 31 er plassert i et halvtverrsnitt av røret 1. Vinkelen mellom elektrodene bør fortrinnsvis være 90 grader. Ekstra elektroder (32 og 33) kan også brukes for å øke måleoppløsningen ytterligere. Elektrodene kan være i kontakt med multifasefluidet eller beskyttet mot fluidet av et dielektrisk materiale. Innretningen på figur 8 kan også utvides ytterligere for å forbedre målenøyaktigheten og komponentområdet ved å legge til en fotonkilde og detektor langs senterlinjen av røret som vist på figur 6, men dette er for enkelhets skyld ikke vist på en egen figur.

En dielektrisk probe plassert langs rørveggen som vist på figur 9 kan også brukes til å utføre enkle tomografiske målinger. Denne innretningen passer særlig for å utføre dielektrisk måling av en væskefilm langs veggen under våtgasstrømforhold. Innretningen inneholder en sendeantenne 34 og to mottaantenner 35, 36 som har ulik avstand 38, 39 til sendeantennen 34. Antennene er koaksialledninger isolert fra rørveggen med et isolasjonsmateriale og trenger litt inn i røret og virker som en dipolantenne inne i røret. Antennene kan være laget som én kompakt probeenhet 41 som vist på figur 11, der sendeantennen 34 og de to mottaantennene 35, 36 er elektrisk isolert fra metallkapslingen 41 med keramisk glass 40. Innretningen på figur 9 kan også utvides videre for å forbedre målenøyaktigheten og komponentområdet, ved å legge til en fotonkilde og detektor langs senterlinjen av røret som vist på figur 6, men dette er for enkelhets skyld ikke vist på en egen figur.

Figur 10 viser en utvidelse av innretningen på figur 9, der en andre probeenhet 38 er plassert på en kjent avstand 39 fra en første probeenhet 39. Ved å utføre samtidige målinger med begge probene og krysskorrelere disse målingene, kan en utlede hastigheten til multifasefluidet. Innretningen på figur 10 kan også utvides ytterligere for å forbedre målenøyaktigheten og komponentområdet, ved å legge til en fotonkilde og detektor langs senterlinjen av røret som vist på figur 6, men dette er for enkelhets skyld ikke vist på en egen figur.

Fremgangsmåter med transmisjon og refleksjon kan også brukes for å utføre enkle tomografiske målinger, som vist på figur 12. En kombinert sende- og mottainnretning 42 er plassert på rørveggen. Innretningen kan enten være en påfestet innretning som sender signalene gjennom rørveggen 1, eller den kan sende direkte inn i strømmen gjennom et hull i rørveggen 1. Innretningen sender et signal, slik som en puls med gitt varighet og form. Et reflektert signal blir mottatt fra multifaseblandingen, og på grunnlag av en analyse av det reflekterte signalet kan en bestemme de individuelle fraksjonene og fordelingen i multifaseblandingen. Signalet kan være basert på sending og mottaking av elektromagnetisk energi, akustisk energi, eller fotoner. Innretningen på figur 12 kan også utvides ytterligere for å forbedre målenøyaktigheten og komponentområdet, ved å legge til en fotonkilde og detektor langs senterlinjen av røret som vist på figur 6, men dette er for enkelhets skyld ikke vist på en egen figur.

Forenklede tomografiske målinger kan også utføres basert på transmisjonslinjemetoder som vist på figur 13. En koaksialledning med en innerleder 43, skjerm 45 og dielektrisk isolator 44 er montert med åpen ende kant i kant med rørveggen 1 som vist. Innretningen er særlig egnet for å utføre dielektriske målinger av væskefilm langs veggen under våtgasstrømforhold. Ved å sende et signal på koaksialledningen og analysere det reflekterte signalet, på koaksialledningen som skyldes impedansforskjellen mellom koaksialledningen og røret 1 med multifasefluidet, kan en bestemme fraksjonene i multifaseblandingen. Innretningen på figur 12 kan også utvides ytterligere for å for å forbedre målenøyaktigheten og komponentområdet, ved å legge til en fotonkilde og detektor langs senterlinjen av røret som vist på figur 6, men dette er for enkelhets skyld ikke vist på en egen figur.

Hovedtrinnene som inngår ved bestemmelse av komponentrfaksjoner og strømningshastigheter basert på innretningen som er vist på figur 2, er som følger:

1) Utfør målinger av differensielt tap og faseskift (gangtid) for en utsendt elektromagnetisk bølge fra en sendeantenne og mottatt av to mottaantenner plassert i ulike avstander fra sendeantennen. 2) Målingen i trinn 1 utføres over et bredt frekvensområde og genererer to endimensjonale matriser av differensielle tap- og fasemålinger versus frekvens. Minst 2 frekvenser bør brukes, imidlertid kan en i praksis bruke 25-100 målefrekvenser for optimalt måleresultat. 3) Målingen i trinn 2 blir gjentatt for en rekke måleretninger. Minst to måleretninger bør brukes, men i praksis bør en bruke 8-15 målerretninger for optimalt måleresultat. 4) Beregn den komplekse dielektrisitetskonstanten og vannfraksjonen i multifaseblandingen for alle målefrekvenser basert på de differensielle fasemålingene. 5) Beregn den komplekse dielektrisitetskonstanten og vannfraksjonen i multifaseblandingen for alle målefrekvenser basert på de differensielle tapsmålingene. 6) Beregn den målte tettheten basert på målt fotonabsorbsjon (valgfritt for å oppnå forbedret komponentfraksjonsområde og måleusikkerhet). 7) Beregn GVF (gassfraksjon) i rørsenter og ved rørveggen, samt vann-væske forholdet (Water Liquid Ratio - WLR) basert på målinger utført i trinn 1-5 eller 1-6. 8) Velg en konsentrasjonsprofil-funksjon for gass/væske-fordelingen (GVF-fordeling) fra rørsenteret mot rørveggen, basert på målinger 1-5 eller 1-6. 9) Beregn for tverrsnittet den homogeniserte GVF tettheten av multifasefluidet basert på resultatet fra trinn 7 og den valgte konsentrasjonsprofilfunksjonen fra trinn 8. Homogenisert betyr i denne sammenhengen den tilsvarende verdien av GVF når multifaseblandingen er jevnt fordelt over hele rørtverrsnittet. 10) Bestem strømningshastigheten for olje, vann og gass ved å kombinere resultatene fra trinn 9 med målingene fra venturi 8. 11) Som alternativ til trinn 10: bestem strømningshastigheten for olje, vann og gass basert på krysskorrelering av målinger utført i ulike tverrsnitt av røret med sende- og mottaantennene som er vist på figur 4.

Nedenfor finnes en mer detaljert beskrivelse av foreliggende oppfinnelse, og det henvises også til følgende lærebøker for den videre gjennomgangen av foreliggende oppfinnelse: Grunnleggende om elektromagnetiske bølger som forplanter seg i ulike medier og hvordan elektromagnetiske bølger opptrer i et rør (bølgeleder) er godt beskrevet i litteraturen, f.eks. «Fields and Waves in Communication Electronics» av S. Ramo et al.

(Wiley).

Grunnleggende prinsipper for å utføre elektromagnetiske målinger, lover for elektromagnetisk blanding og tomografiske måleteknikker basert på elektromagnetiske målinger finnes i «Electromagnetic mixing formulas and applications» av Ari Sihvola, IEE Electromagnetic Wave Series 47) og «Microwave Electronics - measurements and material characterization» av Chen et al. (Wiley), samt «Aqueous Dielectrics» av J.B. Hasted (Chapman and Hall).

Tomografiske måleteknikker basert på impedans er utførlig beskrevet i «Tomographic Techniques for Process Design and Operation» av M.S. Beck et al., Computational Mechanics Publications, samt «Imaging Industrial Flows: Applications of Electrical Process Tomography» av Plaskowski et al. (Bristol).

Multifase strømningsmålinger med fotonmåler, slik som et gammadensitometer, er godt beskrevet i «Radioisotope Gauges for Industrial Process Measurements» av Jackson et al. (Wiley).

Metoder for å måle hastighet i et multifasefluid er godt beskrevet i «Cross Correlation Flowmeters - their design and applications» av M.S. Beck (Adam Hilger).

Fysiske egenskaper for fluider som olje, vann og gass, finnes i «Handbook of Chemistry and Physics» (CRC Press), «Complex permittivity of crude oils and solutions of heavy oil fractions» avFriisø et al., Journal of Dispersion Sei. Technology, 19(1), 1998, pp 93-126, «A formulation for the Static Permittivity of Water and Steam at temperatures from 328 K til 873 K at Pressures up to 1200 Moa, Including Derivates and Debye-Hiinckel Coefficients» avD.P. Fernandez et al., Phys. Chem. Ref. Data, vol.26, nr.4, 1997, samt «Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam», The International Association for the Properties of Water and Steam, Erlangen, Tyskland.

Fremgangsmåten er basert på følgende grunnleggende prinsipper:

1) En multifaseblanding som inneholder vann er en polar substans. Følgelig er dielektrisitetskonstanten for multifasefluidet frekvensavhengig (kompleks) og avhengighet versus frekvens er velkjent. Følgelig gir hver målefrekvens en ny og uavhengig måling av den komplekse dielektrisitetskonstanten for multifaseblandingen. 2) Diskontinuiteter i et multifasefluid fører til spredning av den utsendte bølgen, hvilket betyr demping av bølgen i forplantningsretningen. Spredning har stor innvirkning på tapet og er avhengig av målefrekvensen og av størrelse og antall av spredeobjekter slik som gassbobler. Følgelig gir hver ny målefrekvens en ny og uavhengig måling av størrelse og antall av spredeobjekter i forplantningsretningen for den elektromagnetiske bølgen. Transittiden (fasemåling) er langt mindre påvirket av spredning i en multifasestrøm, sammenlignet med tapsmålingen (jf. «Microwave Determination of Moisture in Coal: Comparison of Attenuation and Phase», Journal of Microwave Power, 16,3&4, 1981). Følgelig blir det utført to uavhengige målinger av spredningen i samme forplantningsretning for den elektromagnetiske bølgen, ved å utføre måling av både tap og fase på samme målefrekvens. 3) Ved å utføre målinger som beskrevet i punkt 1 og 2 ovenfor i mange retninger inne i røret, kan en utlede parametre som beskriver plassering og konsentrasjon av gassboblene, slik som GVF ved rørveggen, GVF ved rørsenteret, og bestemmelse av en passende konsentrasjonsprofil-funksjon som beskriver endringen av GVF fra rørsenter mot rørvegg.

Den generelle ligningen for det elektriske feltet hos en positivt forplantende elektromagnetisk bølge med x- og y-komponenter for det elektriske feltet som beveger seg i retning z, kan beskrives med følgende ligning: der:

For en elektromagnetisk bølge som forplanter seg i et tapsbeheftet medium slik som en blanding av olje og/eller gass dispergert i vann, blir bølgetallet k et komplekst tall som vist i ligning 2 nedenfor.

der:

Den eksponensielle forplantningsfaktoren for viserbølger, e"<jkz> i ligning 1 blir da:

e-<jkz>= e-<xze-jpz (3) der a og P kan beregnes i henhold til ligning 4 og 5 nedenfor: der: der den komplekse dielektrisitetskonstanten 8 for mediet kan beskrives i henhold til ligning 6 nedenfor:

For luft, gass og kondensat er den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten i praksis neglisjerbar. For vann kan den komplekse dielektrisitetskonstanten beskrives ved en enkel Debye relaksasjonslov, som vist nedenfor: der:

Ligning 7 kan omskrives for beregning av real (e<1>) og imaginær (e") del av dielektrisitetskonstanten for vann, som vist i ligning 8 og 9 nedenfor:

der:

Målinger og ligninger for statisk dielektrisitetskonstant for vann, dipol-relakseringstid og dielektrisitetskonstant ved uendelig frekvens er godt beskrevet i litteraturen. Noen eksempler finnes hos J.B. Hasted, som har utført en kritisk gjennomgang av tilgjengelige data i «Aqueous Dielectrics» (1973). Nyere data er publisert av Udo Kaatze i J.Chem.Eng.Data, 1989 pp371-374 og Meissner og Wentz i «Report from Boeing/AER investigation for CMIS» og «A formulation for the Static Permittivity of Water and Steam at temperatures from 328 K til 873 K at Pressures up to 1200 Moa, Including Derivates and Debye-Hiinckel Coefficients» av D.P. Fernandez et al., Phys. Chem. Ref. Data, vol.26, nr.4, 1997.

Det finnes også bevis for at den statiske dielektrisitetskonstanten for vann, dipolrelakseringstiden og dielektrisitetskonstanten ved uendelig frekvens også er avhengig av saliniteten i vannet. Den statiske dielektrisitetskonstanten for vann, dipolrelakseringstiden og dielektrisitetskonstanten ved uendelig frekvens for ferskvann kan da multipliseres med en vannsalinitets-avhengig korreksjonsfaktor for å finne verdiene for es, og t for saltvann. Noen eksempler på ligninger for beregning av korreksjonsfaktor for vannsalinitet for es, s x og t er publisert av Meissner og Wentz i

«Report from Boeing/AER investigation for CMIS side 17», J.B. Hasted: «Aqueous Dielectrics» (ChapmanHall 1973).

Den effektive realdelen av den komplekse dielektrisitetskonstanten er:

der:

I blandingsmodeller blir dielektrisitetskonstanten (eller permittiviteten) av en multifaseblanding uttrykt i form av den effektive realdelen av dielektrisitetskonstanten for hver inngående komponent og deres volumfraksjon. Flere omfattende oversikter over dielektriske blandingsmodeller er publisert i litteraturen, som van Beck, 1967, Tinga et al., 1973, Wang & Schmugge, 1980, Shutko & Reutov, 1982, Hallikainen et al., 1985, Sihlove, 1989 og «Flow permittivity models and their applications in multiphase meters» av E. Hammer, Proe. Multiphase Metering, IBC Technical services, 12-13. mars 1997 (Aberdeen). Hanai-Bruggeman-ligningen, opprinnelig utledet av Bruggeman (1935) og senere modifisert av Hanai (1936) for å gi komplekse dielektrisitetskonstanter, angir forholdet mellom dielektrisitetskonstanten for en to-komponentblanding og volumfraksjonene av komponentene. Dersom to-komponentblandingen er dråper som en indre fase, dispergert i et kontinuerlig medium av en ytre fase, blir ligningen: der:

Derfor kan en, ved å måle den komplekse dielektrisitetskonstanten i en multifaseblanding og med kjennskap til den komplekse dielektrisitetskonstanten for de individuelle komponentene i blandingen, slik som vann og hydrokarbon, beregne volumfraksjonen av vann og hydrokarbon.

Den komplekse dielektrisitetskonstanten blir bestemt ved å måle bølgens fasekonstant P og dempekonstant a for en plan elektromagnetisk bølge som forplanter seg inne i røret. Målingen av p er basert på en måling av faseforskjellen mellom de to mottaantennene 17,22 inne i røret, plassert på to ulike avstander fra en tredje sendeantenne 15 i sensorinnretningen som er vist på figur 4. Fasemålingen blir utført ved minst to frekvenser i området mellom 1 MHz og 10 GHz. Målingen kan utføres med hvilken som helst kombinasjon av sendere (14, 15, 16) og mottakerpar (17, 18, 19, 20, 21, 22), men i praksis anbefales det å begrense antallet kombinasjoner til 27. En kombinasjon av 27 mulige måleretninger oppnås ved å koble tre av mottaantennene til en andre multiplekset mottakanal i en elektronikkenhet. Denne strukturen forhindrer signallekkasje mellom kanaler, siden antennene alltid er koblet til samme inngangskanal i motta-elektronikken. Dempningskoeffisienten a blir målt på lignende måte som for P, basert på måling av differensielt tap i stedet for fase.

Frekvensområdet kunne også velges på grunnlag av en optimaliseringsregel for å utnytte hele det dynamiske måleområdet hos elektronikken. Frekvensene velges typisk i området 20-4000 MHz, eventuelt kan en bruke frekvenser i området 1 MHz til 10 GHz. Forholdet mellom laveste og høyeste frekvens vil være avhengig av valget av målefrekvenser og av yteevnen hos måleelektronikken. Forutsatt at det finnes tilstrekkelig tap, vil den løpende elektromagnetiske bølgen mellom sendeantennen og mottaantennene oppføre seg i henhold til planbølgeteori.

I henhold til planbølgeteori kan en beskrive fasedifferansen mellom mottaantennene som: der:

Dvs., ved å måle faseforskjellen Acp og å kjenne verdien av Z for systemet, kan en bestemme fasekonstanten p for bølgen som propagerer fra sendeantennen til mottaantennene. Eksperimenter har vist at verdien av Z også er en funksjon av bølgelengden til det utsendte signalet, og det er også en liten avhengighet for Z av ledeevnen hos multifasefluidet. Dette skyldes det faktum at mottaantennene er plassert i nærfeltet til sendeantennen, og modellen for planbølgepropagering er da ikke helt gyldig. Én måte å modellere dette på, er å bruke en kalibreringsfaktor Z som er avhengig av fase- og ledningsevne. Dette skyldes det faktum at den effektive antenneavstanden Z er en funksjon av den utsendte bølgelengden, som igjen er en funksjon av den målte faseforskjellen mellom de to mottaantennene. Den effektive avstanden Z er også funnet å være avhengig av multifase-ledeevnen, som sannsynligvis er relatert til spredningen av feltet i @sensoren. Z kan så bli beregnet som vist i ligning 13 nedenfor: der:

Ledeevnen i olje/vann-blandingen kan beregnes i henhold til Maxell Garnetts blandeformel som vist nedenfor: der:

Den komplekse dielektrisitetskonstanten kan bestemmes i en iterativ beregningssløyfe. Antar en et konstant forhold mellom den reelle og imaginære delen av dielektrisitetskonstanten ved utførelsen av disse itereringene, forenkles beregningene betraktelig. Eksperimenter har vist at ved å bruke samme forhold mellom den reelle og imaginære dielektrisitetskonstanten, kan en oppnå nøyaktige beregninger for volumfraksjonene. Denne tilnærmingen innfører bare små målefeil, siden Bruggemans blandeformel er en ganske lineær funksjon.

Følgelig defineres forholdet mellom den reelle og imaginære dielektrisitetskonstanten slik:

Den reelle delen av dielektrisitetskonstanten for blandingen kan så beregnes ved å kombinere ligning 15 og 5 som vist nedenfor:

Trinnene som skal utføres for å bestemme den komplekse dielektrisitetskonstanten og vannfraksjonen i multifaseblandingen basert på målingen av differensiell fase, er vist nedenfor:

1) Mål faseforskjell Acp ved en forhåndsfastsatt frekvens co.

2) Beregn reell og imaginær dielektrisitetskonstant for vann i henhold til ligninger

8 og 9.

3) Beregn K i henhold til ligning 15.

4) Beregn ledeevne hos olje/vann-blandingen basert på siste måling av oljefraksjon og ledeevnen hos vann og olje ved hjelp av ligning 14.

5) Beregn effektiv antenneavstand Z vha. ligning 13.

6) Beregn målt verdi av P vha. ligning 12.

7) Beregn reell del av dielektrisitetskonstanten for olje/vann-blandingen vha. ligning 16. 8) Beregn imaginær del og effektiv reell del av dielektrisitetskonstanten for olje/vann-blandingen vha. ligning 15 (imaginær del) og 10 (effektiv reell del). 9) Beregn volumfraksjonen av vann basert på den effektive reelle delen av dielektrisitetskonstanten for vann, olje og olje/vann-blanding vha. ligning 11.

10) Gjenta trinnene 4-9 inntil beregningen av vannfraksjonen har konvergert.

11) Gjenta trinnene 2-10 for neste målefrekvens.

12) Gjenta trinnene 1-11 for neste måleretning.

Det målte tapet behandles på stort sett samme måte som fasemålingen, ved å gjenta trinn 6 med en beregning av a i stedet for p.

Dempningskoeffisienten a for multifaseblandingen ved hvilken som helst målefrekvens kan beregnes på grunnlag av følgende ligning: der:

Termen P0ff8et kreves for å korrigere målingen for virkningen av antennearealet eksponert i en bestemt retning av røret. Antennearealet bestemmer koblingseffektiviteten for antennene, og dermed blir det mottatte differensielle tapet også påvirket av ulikt antenneareal eksponert i de forskjellige bevegelsesretningene. Dette lar seg imidlertid lett modellere som en offsetverdi i dB (desibel) avhengig av fase (bølgelengde) og multifase ledeevne, som vist i ligning 18 nedenfor. der:

Trinnene som inngår for å bestemme den komplekse dielektrisitetskonstanten og vannfraksjonen i multifaseblandingen basert på differensiell tapsmåling er tilsvarende trinnene som inngår for fasemålingen ved å erstatte trinn 6 med en beregning av Poffset og a i stedet for fJ.Det er velkjent at tap som følge av spredning er sterkt frekvensavhengig. Spredning betyr at en forstyrrelse slik som gass eller væskebobler gjen-utsender deler av den elektromagnetiske energien, slik at energi går tapt i bevegelsesretningen mot mottakeren. Spredning deles normalt i Rayleigh-spredning og Mie-spredning som er nærmere beskrevet i «Electromagnetic Mixing Formulas and Applications» av Ari Sihvola, IEE Electromagnetic Waves rekke 47.

Rayleigh-spredning for en dielektrisk kule slik som en væskedråpe, er ifølge Sihvola gitt ved følgende ligning: der:

Som det fremgår av ligning 19, vil den effektive spredningsseksjonen for et objekt øke sterkt med frekvensen.

Basert på det målte differensielle tapet og fasen ved alle målefrekvenser kan en utlede en modell for å bestemme GVF ved veggen og i senter av røret, og en regel for valg av den riktige profilfunksjonen for væske-/gass-konsentrasjonen. Den greieste måten å utlede modellen på, er gjennom empiriske eksperimenter i et multifasestrøm-laboratorium der strømningshastighetene for olje, vann og gass lar seg regulere individuelt, i tillegg til fordelingen av væske og gass i tverrsnittet av røret. Laboratoriet MultiPhase Flow Laboratory - MPM er spesielt konstruert for dette formålet. Basert på registerte målinger av fase og tap ved alle måleretninger og frekvenser, samt kjente verdier for GVF i rørsenter, GVF ved rørveggen, væske-/gass-konsentrasjonsprofilfunksjonen og vann-væske forholdet, kan modellen utledes empirisk.

GVF i rørsenter kan også bestemmes basert på målt fotonabsorbering ved bruk av et gammadensitometer som vist på figur 6. Tilskudd av et gammadensitometer forbedrer målenøyaktighet og komponentfraksjonsområde for innretningen.

Måling av gammastråleabsorbsjon er en meget brukt teknikk for tetthetsmåling. Denne teknikken tar hensyn til at absorbering av fotonstråling i et vilkårlig materiale i røret (strømningsmåler) kan uttrykkes med formelen: der:

Detaljer om hvordan man kalibrerer og bestemmer GVF og tetthet i en multifaseblanding basert på nukleære detektorer er mer detaljert beskrevet i «Radioisotope Gauges for Industrial Process Measurement», Jackson et al. (Wiley).

Den homogene GVF og tetthet kan så enkelt beregnes basert på integreringsmetoder, ut fra målt GVF ved rørveggen og ved rørsenter, og den utvalgte

konsentrasjonsprofilfunksjonen, som sammen med verdien av GVF i senter og ved veggen fastsetter verdien av GVF i et vilkårlig punkt langs radius i røret.

Kjennskap til væske- og gasshastigheter gjør at en kan beregne olje-, vann- og gass-strømningshastigheter ut fra homogen GVF og vann-væske forholdet (WLR).

Dielektrisitetskonstanten for blandingen kan også bestemmes på grunnlag av refleksjonsteknikker og teknikker basert på måling av grensefrekvensen i røret. I første tilfelle kan venturi brukes som refleksjonsinnretning for en innkommende elektromagnetisk bølge. Ved å finne den frekvensen hvor den reflekterte bølgen er ute av fase med den utsendte bølgen ved mottakere plassert i den langsgående retningen av røret, kan en bestemme dielektrisitetskonstanten for materialet inne i røret. Reflektert frekvens kan bestemmes ut fra både fase- og tapsmålinger.

Den målte dielektrisitetskonstanten, basert på den målte refleksjonsfrekvensen følger den velkjente formelen: der:

Grensefrekvensen og refleksjonsfrekvensen vil være ganske langt fra hverandre, slik at bredbåndsmåling kan oppnås. Målingene kan også utføres i multiple retninger, som beskrevet for målingene av a og P, og kombinert med målingene av a og P for å bestemme GVF i senter, GVF ved veggen og GVF-konsentrasjonsprofilfunksjonen.

Andre metoder for å utføre tomografiske målinger basert på elektromagnetiske signaler er beskrevet i «Electromagnetic Techniques of Nondestructive Testing of Dielectric Materials: Diffraction Tomography» avBramanti et al., Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, v. 27, nr. 4, 1992, samt «Cylindrical Geometry: A Further Step in Active Microwave Tomography», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, v.39, nr.5, mai 1991.

Én måte å finne hastigheten for væske og gass på, er å bruke krysskorreleringsteknikker. Krysskorreleringsteknikker blir ofte brukt til måling av multifasestrømning og er godt beskrevet i «Cross Correlation Flow Meters, their design and applications» av M. S.Beck et al. (Adam Hilger, Bristol 1987).

Ved å sende en bærebølge inn i strømmen fra en sendeantenne 14 og måle responsen, vil det mottatte signalet på antenne 17 og 18 inneholde informasjon om variasjonene i strømmen i form av amplitude (tap), fase- eller frekvensmodulasjon fra forstyrrelsene. Ved å utføre målingene i to seksjoner av røret, slik som 141718 og 1621 22, plassert med kjent avstand 49, kan en danne to tidsvarierende signaler som er forskjøvet i tid tilsvarende den tiden det tar multifasestrømmen å bevege seg mellom de to seksjonene. Ytterligere målinger kan gjøres ved å bruke antennene 15 19 20.

Ved å krysskorrelere de to signalene med hjelp av formelen:

der x(t) og y(t) er de prøvetatte signalene, kan en beregne tidsforsinkelsen t. Tidsforsinkelsen t mellom signalene x(t) og y(t) er et mål på hvor lang tid det tar for en forstyrrelse i strømmen å gå fra det første til det andre antenneparet.

Det er vanlig for krysskorrelasjons-baserte strømningsmålere basert på elektromagnetiske signaler (dvs. kapasitive, induktive og radiofrekvensbaserte strømningsmålere) å bruke en bærebølge eller målesignal med en frekvens som er vesentlig lavere enn grensefrekvensen, for å oppnå isolasjon mellom måleseksjonene.

Grensefrekvensen for laveste modus i en sirkulær bølgeleder (TEn) er, i henhold til Ramo et al. gitt ved ligning 23 nedenfor: der:

Grensebølgelengden er gitt ved: der:

I henhold til Ramo et al. er det dempning uten faseskift for frekvenser under grensefrekvensen i en bølgeleder, og faseskift uten dempning for frekvenser over grensefrekvensen, og verken dempning eller faseskift skifter nøyaktig ved grensefrekvensen. Det er også velkjent at denne grunnleggende oppførselen av en bølgeleder kan brukes til å måle grensefrekvensen for røret ved å måle stedet for faseskift. Basert på den målte frekvensen kan dielektrisitetskonstanten for multifaseblandingen inne i røret bli utledet i henhold til ligning 22.

Dempningskoeffisienten for en elektromagnetisk bølge som forplanter seg i rørets

lengderetning, kan i henhold til Ramo et al. beregnes i henhold til ligning 25 nedenfor:

der:

Følgelig, ved å bruke en målefrekvens som er betydelig lavere enn grensefrekvensen, er forholdet f7fc meget mindre enn 1, slik at dempningen i lengderetningen av røret blir stort sett uavhengig av frekvensen. Ved å kombinere ligning 24 og 25 vil dempningskoeffisienten være tilnærmet lik den konstante verdien: der:

Følgelig, ved å måle eller beregne grensefrekvensen for røret og velge en målefrekvens som er betydelig lavere enn grensefrekvensen, blir energi som forplanter seg i rørets lengderetning minimalisert og gir elektromagnetisk isolasjon mellom måletverrsnittene oppstrøms og nedstrøms i røret.

Signalprosesseringsmetoder for bestemmelse av væske- og gasshastigheter basert på krysskorrelasjonsmålinger er velkjent, som beskrevet i «Simulation of two peaks correlation method for gas- liquid flow velocity measurements», PhD at UMIST, 1985 bt Corral Davalos, og «Development of signal interpretation models for multiphase flow rate metering of oil - water - gas flow», PhD Univ. Bergen 1996 av Øivind Midttveit, «A pulsed ultrasound cross correlation system for velocity measurement in two component fluids», Phd at UMIST 1986 av Xu L-A, samt «Analysis of Space and Time Structures in Two Phase Flow using Capacitance Sensors», PhD Univ. Stavanger 1993 av Rune Viggo Time.

En venturistrømmåler blir vanligvis brukt til måling av strømningshastighet hos et multifasefluid. Eventuelle innsnevringer i røret vil føre til en endring i hastigheten til multifaseblandingen og innføre et trykkfall over innsnevringen. Basert på teorien om fluiddynamikk er kvadratroten av trykkfallet proporsjonalt med den samlede massestrømningshastigheten i røret. Et venturirør er en struktur der rørdiameteren blir gradvis redusert inn i en seksjon av røret med en mindre diameter. Den mindre seksjonen kan være kort eller en relativt lang seksjon. Så blir diameteren gradvis utvidet til den opprinnelige størrelsen av røret. Massestrømningsmålinger med en slik struktur er beskrevet i ISO-standard 5167: «Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full» del 1 - generelle prinsipper, og del 2 - venturirør.

I henhold til ISO 5167-1 kan massestrømningshastigheten beregnes slik:

der:

Bruken av venturirør for multifase- og våtgass-strømningsforhold er nærmere beskrevet i «Design of a flow metering process for two-phase dispersed flows», Int. J. Multiphase Flow v.22, nr. 4, pp713-732, «A study of the performance of Venturi meters in multiphase flow» av Hall et al., 2. North American Conference on Multiphase Technology, samt «Liquid Correction of Venturi Meter Readings in Wet Gas Flow» av Rick de Leeuw, North Sea Flow Measurement Workshop, 1997.

Innretningen som er vist på figur 9 kan også brukes til å utføre enkle tomografiske målinger av strømmen. Innretningen er spesielt passende når konsentrasjonsfordelingsfunksjonen tilnærmet er en trinnfunksjon slik at det meste av væsken er fordelt langs veggen. Dette er en vanlig forekomst ved våtgass-strømforhold. Den komplekse dielektrisitetskonstanten blir bestemt på nokså tilsvarende måte som beskrevet ovenfor, ved å utføre en måling av dempningskoeffisienten a og fasekoeffisienten p ved et bredt frekvensområde ved å sende på antenne 34 og motta på antenne 35 og 36.1 dette tilfellet blir imidlertid konsentrasjonsfordelingsfunksjonen antatt å være en trinnfunksjon og GVF ved veggen er lik null, slik at målingen blir forenklet til å bli en måling av tykkelsen og sammensetningen av væskefilmen.

To av innretningene som er vist på figur 9 kan også kombineres som vist på figur 10, atskilt med en kjent avstand 39. Ved å bruke krysskorreleringsteknikk som beskrevet ovenfor kan en utlede hastighetene til væske og gass.

Ved å bruke to gammadetektorer fra en enkelt radioaktiv kilde som vist på figur 7 kan en beregne fraksjonene og væskefordelingen i en tofasestrøm. Videre detaljer om hvordan beregningene utføres, finnes i «Radioisotope Gauges for Industrial Process Measurements» av Jackson et al. og «Cross-Section Averaged Density and Mass Flux Measurements in Two-Phase Flow Through Pipes» av Heidrick et al., ASME Measurements in Polyphase Flows, 1-9, 1978.

Sensorer for å utføre tomografiske målinger basert på impedansmålinger har vært kjent i flere tiår. Impedanssensorer kan enten være basert på målinger av kapasitans (ECT), motstand (ERT) eller induktans elektromagnetisk (EMT). Virkemåte og konstruksjon av tomografisk impedanssensorer som vist på figur 8 er godt beskrevet i «Tomographic Techniques for Process Design and Operation» av M.S. Beck et al., Computational Mechanics Publications, 1993, «A No vel Approach to Reconstruction of Process Tomography Data» av 0. Isaksen, PhD Univ. Bergen 1996, samt «Imaging Industrial Flows: Applications of Electrical Process Tomography» av Plaskowski et al. (Bristol 1995).

Metoder for transmisjon og refleksjon er velkjente når det gjelder materialkarakterisering som vist på figur 12 og 13. Disse innretningene passer spesielt når konsentrasjons-fordelingsfunksjonen tilnærmet er en trinnfunksjon slik at det meste av væsken er fordelt langs veggen. Dette er vanligvis tilfellet ved våtgasstrømforhold. For akustiske signaler kan tiden det tar for en akustisk puls å bevege seg frem og tilbake fra refleksjonsflaten som er representert ved væske/gass-grensesnittet, nyttes til å måle væskefilmtykkelse. Med kjennskap til avstanden til rørveggen fra den akustiske senderen og mottageren, kan en bestemme tykkelsen av filmen.

Elektromagnetiske metoder kan være basert på en utstrålende slisse i veggen som vist på figur 12, eller ved å bruke en koaksialkabel som er åpen i enden, som vist på figur 13. En pulsfrekvens eller en kontinuerlig frekvens blir sendt på koaksialkabelen 43. Basert på en måling av amplitude- og fasevariasjoner reflektert tilbake til koaksialkabelen, kan en beregne den komplekse dielektrisitetskonstanten hos materialet inne i røret, slik at tykkelsen og fraksjonene av væskefilmen kan utledes. Konstruksjon og virkemåte for transmisjons- og refleksjonssensorer som vist på figur 12 og 13 er nærmere beskrevet i «Microwave Electronics - measurements and material characterization» av Chen et al. (Wiley 2004) og «Permittivity Measurements of Thin Liquid Film Layers using open-ended Coaxial Probes», Meas.Sci.Technol., 7, 1996, 1164-1173.

Claims (30)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av strømningshastighet for et fluid som omfatter en multikomponentblanding av en gass og minst én væske i et rør, idet fremgangsmåten omfatter følgende trinn: a. strømmen av multikomponentblanding blir behandlet slik at det dannes en strømningstilstand med symmetrisk annulær gasskonsentrasjon, b. tetthetsfordelingen og/eller fordelingen av dielektrisitetskonstant i nevnte symmetriske strøm innen et tverrsnitt blir fastslått, c. en funksjon som beskriver den radielle fordelingen av tetthet og/eller den radielle fordelingen av dielektrisitetskonstant blir fastslått, d. hastigheten av multikomponentblandingen blir fastslått, e. temperatur og trykk blir fastslått, og f. basert på kunnskap om tettheter og/eller dielektrisitetskonstanter for komponentene i fluidblandingen samt resultatet fra trinnene a-e ovenfor, beregner en volum- og/eller massestrømningshastigheter for gass- og væskekomponentene i fluidblandingen.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, idet en venturi blir brukt til å skape den symmetriske annulære gasskonsentrasjons-strømtilstanden.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, idet venturien blir brukt til å bestemme hastigheten av multikomponentblandingen.

4. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, idet tetthetsfordelingen og/eller fordelingen av dielektrisitetskonstant blir bestemt innenfor et halvt tverrsnitt av røret.

5. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, idet fordelingen av dielektrisitetskonstant innenfor tverrsnittet av røret blir målt basert på måling av energitap og/eller faseskift hos en elektromagnetisk bølge som passerer gjennom mediet inne i røret.

6. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav 1-4, idet fordelingen av dielektrisitetskonstant innenfor tverrsnittet av røret blir målt basert på måling av energitap og/eller faseskift hos en elektromagnetisk bølge som blir reflektert fra mediet inne i røret.

7. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav 1-4, idet fordelingen av dielektrisitetskonstant innenfor tverrsnittet av røret blir målt basert på måling av impedans.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 5 eller 6, idet den elektromagnetiske bølgen er sinusformet.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 5 eller 6, idet den elektromagnetiske bølgen er pulsformet.

10. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, idet fordelingen av tetthet innenfor tverrsnittet av røret blir målt basert på måling av absorbering av fotoner.

11. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav 1 -9, idet fordelingen av tetthet innenfor tverrsnittet av røret blir målt basert på måling av reflektering av akustisk energi.

12. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, idet funksjonen som beskriver den radielle fordelingen av tetthet og/eller den radielle fordelingen av dielektrisitetskonstant blir bestemt på grunnlag av måling av energitap og/eller faseskift for en elektromagnetisk bølge som forplanter seg gjennom mediene inne i røret.

13. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, idet funksjonen som beskriver den radielle fordelingen av tetthet og/eller den radielle fordelingen av dielektrisitetskonstant er lineær.

14. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav 1-12, idet funksjonen som beskriver den radielle fordelingen av tetthet og/eller den radielle fordelingen av dielektrisitetskonstant er S-formet.

15. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav 1-12, idet funksjonen som beskriver den radielle fordelingen av tetthet og/eller den radielle fordelingen av dielektrisitetskonstant er en trinnfunksjon.

16. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, idet krysskorreleringsteknikk blir brukt til å bestemme hastigheten for multikomponentblandingen.

17. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, idet en måling av trykkfall over en innsnevring i røret blir brukt til å bestemme hastigheten for multikomponentblandingen.

18. Innretning for bestemmelse av strømningshastighet for et fluid som omfatter en multikomponentblanding av en gass og minst én væske i et rør, idet innretningen omfatter følgende elementer: a. midler for å behandle en multikomponentblanding av gass og minst én væske i et rør slik at det dannes en strømningstilstand med symmetrisk annulær gasskonsentrasjon, b. midler for å bestemme tetthetsfordelingen og/eller fordelingen av dielektrisitetskonstant i et tverrsnitt av den rørformede seksjonen nedstrøms for nevnte midler for å behandle multikomponentblandingen, c. en matematisk funksjon som beskriver den radielle fordelingen av tetthet og/eller den radielle fordelingen av dielektrisitetskonstant, d. midler for å bestemme hastigheten av multikomponentblandingen, e. midler for å bestemme temperatur og trykk, og f. midler for å beregne volum og/eller massestrømningshastigheter hos gass- og væskekomponentene i fluidblandingen basert på informasjonen fra elementene a-e og kjennskap til tettheter og/eller dielektrisitetskonstanter hos komponentene i fluidblandingen.

19. Innretning i henhold til krav 18, idet den omfatter en venturi til å danne det symmetriske annulære gasskonsentrasjons-strømforholdet.

20. Innretning i henhold til krav 18 eller 19, idet venturi-innretningen brukes til å bestemme hastigheten til multikomponentblandingen.

21. Innretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene 18-20, idet midlene for å bestemme tetthetsfordelingen og/eller fordelingen av dielektrisitetskonstant befinner seg innenfor et halvt tverrsnitt av rørseksjonen.

22. Innretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene 18-21, idet den omfatter midler for å sende elektromagnetisk energi på minst to frekvenser via minst to sendeantenner, samt for å registrere mottatt elektromagnetisk energi for frekvensene på minst fire mottaantenner.

23. Innretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene 18-21, idet den omfatter midler for å sende elektromagnetisk energi inn i rørseksjonen og for å registrere reflektert elektromagnetisk energi fra rørseksjonen.

24. Innretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene 18-21, idet den omfatter midler for å bestemme impedansfordelingen i tverrsnittet av rørseksjonen.

25. Innretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene 18-24, idet den omfatter midler for å bestemme tetthetsfordelingen i tverrsnittet av rørseksjonen.

26. Innretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene 18-25, idet den omfatter midler for å sende akustisk energi inn i rørseksjonen og for å måle reflektert akustisk energi fra rørseksjonen.

27. Innretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene 18-26, idet den omfatter et matematikkprogram for å beregne den radielle fordelingen av tetthet og/eller den radielle fordelingen av dielektrisitetskonstant inne i rørseksjonen.

28. Innretning i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene 18-27, idet den omfatter midler for å måle hastigheten av multikomponentblandingen.

29. Innretning i henhold til krav 28, idet den omfatter midler for å måle nevnte hastighet ved krysskorreleringsmålinger utført i to tverrsnitt av rørseksjonen.

30. Innretning i henhold til krav 28, idet den omfatter midler for å måle nevnte hastighet i en trang passasje i rørseksjonen.