JPH0321854A - 多相流体の特性測定法および装置 - Google Patents

多相流体の特性測定法および装置

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JPH0321854A
JPH0321854A JP2133723A JP13372390A JPH0321854A JP H0321854 A JPH0321854 A JP H0321854A JP 2133723 A JP2133723 A JP 2133723A JP 13372390 A JP13372390 A JP 13372390A JP H0321854 A JPH0321854 A JP H0321854A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は少くとも２つの液体を含む流体の性質を特に
マイクロ波により測定する装置および方法に関するもの
で、これら性質は両液体の容量、速度、流量、また流体
に含まれる気体（ガス）の容量または速度などである。
この発明は特に気液多相混合物を含む炭化水素の生産に
適合し、この生産はもっぱらではないがとりわけ困難な
アクセス環境、例えば立坑または海底送電線の起点、ま
たは原生林内でも実現可能である。
またこの発明は化学および石油産業、または一般的に少
くとも２つの液体−これら液体は混合可能または不可能
でも一を含む流体を使用するすべての産業にも適合する
。
特に石油生産の場合、性質の連続分析が困難な３つの異
なる相を構成する３成分である水、液体炭化水素および
ガスの量または流量を把握するよう一般に努力する。
多数液体を含む流体の単一液の濃度測定に中性子ボンバ
ード、ガンマ線（２分法の）、マイクロ波、核磁気共鳴
を用いることは知られている。マイクロ波を使用して測
定する在来技術では混合される別の液体に対し強い吸収
力のある液体の濃度しか決定できない。
発明に係る方法および装置は流体に含まれる最低２つの
液体の絶対および相対量の測定が可能である。
測定にはマイクロ波に関する流体の少くとも１つの内在
的特性を利用する。マイクロ波の吸収、反射、拡散、回
折、偏光、位相差などの特性は因子により定義される。
この因子はマイクロ波束の特性、例えば束の周波数、お
よび流体またはより一般的に通過体により異なる、好都
合にも測定した特性は吸収であり、因子は例えば；マイ
クロ波吸収因子で、マイクロ波損失因子または損失因子
とも呼ぶ。この因子の測定は伝達または伝達および反射
により行い得る。
マイクロ波とは周波数が０．１”ｌ　，ＯＯＯＧ　Ｈｚ
の波をいうが、好都合にもこの発明に係わる方法の利用
またはその装置の製作にあたり利用するマイクロ波の周
波数は！”１００ＧＨｚまたは１０〜１００ＧＨｚであ
る。
発明は少くとも２つの液体一両液は少くとも所与周波数
で１つのマイクロ波に対し固有の特性因子を有し、両液
の一方は第１液、他方が第２液であるーを含む流体の性
質を測定する方法を提案する。この方法はとりわけ上記
流体の上記特性をマイクロ波の少くとも２つの異なる周
波数につきマイクロ波束により測定し、上記両周波数に
おける各流体の内在的特性因子の値を得て両液体のそれ
ぞれの量を決定することを特徴とし、両周波数の一方を
以下に第１周波数、また他方を第２周波数という。
第１周波数の性質なり第２周波数の性質なりをもつ第１
および第２周波数とは異なる他の周波数により求める測
定精度を細かくすることができる。
固有特性因子はマイクロ波での損失因子でもよく、固有
特性はマイクロ波における吸収である。
上記流体はガスを含んでもよい。
上記第１周波数で第１液が第２液の内在的特性因子の前
に無視可能な内在的特性因子を有する場合、第２周波数
は第１液の内在的特性因子が第２液の内在的特性因子の
前で無視できない周波数であり、第２液の容量決定は第
２液の特性因子の前に第１液の内在的特性因子を無視し
て上記第１周波数で液体を透過するマイクロ波束の特性
を測定して行える。
第２液が水性化合物を含む場合、第１周波数は２１ＧＨ
ｚ付近にまた第２周波数は２１ＧＨｚから寧離する可能
性がある。＊＋ｍ周波数とはマイクロ波束の特性を測定
する機器が第１液の一定量をそれから探知できる周波数
をいう。
第１液は炭化水素化合物を含み得る。
流体がある方向に運動中の場合、 一初期周波数をもちかつ運動方向に非垂直な方向に上記
流体を透過するマイクロ波束の周波数変化を測定でき、
上記の初期周波数は第１または第２液の内在的特性因子
が第２または第１液の内在的特性因子の前で無視可能と
なる周波数であり、また ー液体の内在的特性因子が優勢な液速度を決定できる。
流体が運動中の場合、 一少くとも初期周波数をもち運動方向に非垂直な方向に
上記流体を貫くマイクロ波束の振幅の時間的進展を決定
でき、上記の初期周波数は第１および第２流体の内在的
特性因子が同じオーダの大きさとなる周波数であり、更
に 一少くとも周波数の変化を明示するよう上記振幅の進展
を周波数で分析できる、また ー初期周波数の変化および上記流体の構成から上記流体
の各液体の速度を決定できる。
上記流体が運動を伴うガスを含み、上記ガスはマイクロ
波に関する内在的特性因子が関連する粒子を含む場合、 一ガスおよび上記液体の少くとも一部を分離できる、 一初期周波数をもち運動の非垂直方向にガスの上記部分
を貫くマイクロ波束の周波数変化を測定できる、また 一周波数の変化から上記ガスの速度を決定できる。
流体を貫通するマイクロ波束の初期周波数は、第１また
は第２液の内在的特性因子が第２または第１液の内在的
特性因子を前に無視可能であるよう選択できる。
一流体を２つの平行面をもつ容器内に配せる、また 一上記平行面の少くとも一部を貫通するマイクロ波束の
特性を検知また測定できる。
この発明は流体特性の測定装置も提案する。
この装置は特に２つの平行窓をもちマイクロ波を透過す
る流体保持容器を備えること、および上記窓の一方また
は第１を貫通するマイクロ波の発信器および第１および
第２窓を貫通したマイクロ波を感知できるマイクロ波受
信器を備えることを特徴とする。
これら窓は容器が例えば直接伝送による測定中に貫通さ
れるよう容器の両側に配してもよい。
また窓は例えば反射または伝送●反対により測定を行う
場合、容器の同じ側に配してもよい。
窓はマイクロ波を透過する合成素材で製ることかできる
。
流体が流動中の場合は装置の容器を導管の一部としても
よい。
発明はとりわけ以下の原理に立脚する二一吸収での損失
因子などの内在的特性因子は流体などの素材と同時にそ
の因子を測定する周波数にも依存する。
一因子は一般に周波数と共に大きく変化し、所与の周波
数で最大となりまた、素材により異なる極値を呈する。
従って内在的特性因子が対照的な少くとも２つの液体を
含む流体を分析する場合は、少くとも２つの周波数一両
周波で異なる特性因子の識別に適合するもの一につき吸
収などの特性を測定する。特に因子の一方が他方の前で
無視できる際の周波数として両周波数の一方または良い
方を選択する。
例えば、水および炭化水素油を含む渾合物の場合、測定
周波数は２１ＧＨｚ付近に選ぶ。測定する吸収について
水の損失率は３０〜４０のオーダであるのに対し、油の
損失率は１０−６のオーダだからである。この場合、吸
収率の比率は従って約３．１０”となる。
その結果、この周波数における吸収の測定により流体の
含水率が得られる。
含水率が判明すれば、次に別の周波数での流体の吸収を
測定し、含油率を決定できる。
以下の付録図を用いた説明によりこの発明の理解を助け
、そのメリットを明らかにする。
図１は一方で一定断面をもち円型断面から方型断面への
流路のディフユーザ２へ、他方で上流の方型収斂部３ま
たは下流の方型放散部４にそれぞれ上流および下流で接
続される強化スリ一プエを経て流れる流体の特性測定装
置の機能原理を示す。
考察点の上流は（流体の）内容素が考察点に達する前の
技術的プロセス中に流れるゾーンであり、逆に下流は考
察点の後に到達するゾーンである。
上流は図の左側に、下流は右側にあり、収斂部３の矢印
は流体の流れの方向を示す。
測定の実施および処理は一連の異なる測定Ａ，Ｂ，　　
Ｃ，　　Ｄ，　　Ｅ，　　Ｆに対応した多段階に分解で
きる。同じシリーズの測定要素は同じ文字で示す。
系列Ａ−Ｅはマイクロ波を利用する測定系列であり、従
ってそれぞれマイクロ波発信器５−各発信器が所与の周
波数でまたは一定周波数の範囲内で発信する一　マイク
ロ波検知器６一振幅６Ａ，８Ｃの検知またはマイクロ波
６Ｂ，６Ｄ，ＢＥの振幅および周波数を検知一　および
検知器６の信号の増幅器７を備える。
系列Ｂ，　　Ｃ，　　Ｅはドップラ効果により各流体構
成要素の速度を測定可能で、更に増幅信号周波数を発信
器５の信号周波数と比較し、また場合により例えばフー
リエ波数による分析、発信周波数の位相推移による多数
流体の速度決定のため周波数分析を行う比較分析器８も
備える。
系列Ａは周波数２１ＧＨｚのマイクロ波束の吸収分析に
よりスリーブ１内の水断面を決定できる。
系列Ｂは２１ＧＨｚの初期マイクロ波東周波数の位相推
移分析によりスリーブ１内の水の速度を決定する。
２１ＧＨｚの周波数は水の動きを切離すため選定された
、水の断面および速度を知ることにより水の流量が判明
する。
系列Ｃは端子を含めほぼ３５〜８０ＧＨｚの初期周波数
でマイクロ波束の周波数位相推移の分析により、水の速
度と油の速度間の関係を決定する。この関係および系列
Ｂで得られる水速度から油の速度を決定できる。
系列Ｄは端子を含め３５〜８０ＧＨｚのマイクロ波束の
吸収分析により、スリーブ１内の液体（水および油の混
合）断面を決定する。系列Ａの測定値により多相流水内
に運ばれる油の量を知り得る。
系列Ｅはガスと液体との分離が十分な場合にガスで運ば
れる粒子で生じるドップラ効果によりガス速度を決定で
きる。測定は特にガスがある流れの上部で実施する。
ガスが泡の形で液体内部に分散している場合、ガス速度
は速度の垂直成分を除いて液体速度に等しいとみなされ
、垂直成分は一般に速度の水平成分と比較して無視でき
る。
ガスの流路断面はスリブ内の液体流路断面と既決定の水
または油の流路断面との差から計算し、ガス流量は平均
ガス速度と流路断面との積により算出する。
測定の際にスリーブはその延長軸が水平にまたその断面
の最大距離が垂直となるように配し、図２の場合、図の
面は垂直面に対応する。
液体中の分離ガスまたは泡の流れタイプの決定は、測定
流管の壁沿いの垂線上に配した一連のマイクロ波ビック
アップを備えた系列Ｅを利用して行える。このピックア
ップは液体の周波数のみを感知する第２周波数タイプで
ある。遊離ガスの速度は測定流管内のその占拠に対応す
る高さでのみ得られる。データはコンピュータでプログ
ラム処理する。
測定系列Ｆは超音波を利用して流れの上部にある流体の
ガス密度を測定する。
発信器９から超音波信号はスリーブ１の第１壁、ガス、
スリーブの第２壁を通り、増幅器１１で増幅される電気
信号を供給するピックアップ１０に検知される。超音波
信号はパルス型で発射され、比較器１２が音波の伝播に
必要な時間を測るが、この時間はガス密度および熱変換
器１３が出す温度で異なる。従ってガスの比流量は先に
計算した流量および密度から得られる。
測定系列Ａ−Ｅおよびピックアップ１３からの情報はコ
ンピュータ処理して、各流体成分瞬間または累積値を各
成分の速度で出す。
発信器５Ｂ．５Ｃ，５Ｅおよび検知器８Ｂ，Ｅ３Ｃ，８
Ｅはそれぞれ相対して配するが、各流体成分の速度を決
定できるようにその発信または受信軸は流れ軸に対し４
５゜傾斜させる。
ガス密度、温度およびその圧力（容易に得られる）が判
明すれば、更に石油および化学産業で使用するＰＶＴ法
により油および水の密度、同様に例えば油田の油および
水の比流量も決定できる。
図２は発明に係る特定態様の装置を流体の流れに垂直方
向の断面で示す。
細長い方形スリーブ１は合成素材ガラス繊維などマイク
ロ波を透過しかつチューブ内外の異なる圧力に耐える素
材で製する。このスリーブ１は一定間隔でその全周に配
したリブ１５により補強する。スリーブ１の方形はガス
および水の自然分離および各種液体の流路断而の正確な
測定が可能なためであり、吸収測定の際に吸収はマイク
ロ波の電磁束が貫く素材の厚さに指数的および非直線的
に依存する（ランバート●ベールの法則）からである。
各種の発信器および検知器はスリーブ沿いにリブ間に配
置し、その他の要素（増幅器、分析器、比較器）は海中
設置も可能なように密閉ケーソンｌ６内に配する。この
ケーソンは更にマイクロ波が透過する測定スリーブの損
傷の場合に流水を保持できる。スリーブ１は導管上に設
置が容易な２のフランジ１７を備える。
海底石油の生産では、海面に位置する上述コンピュータ
とインタフェースを構成する電気●電子制御モジュール
にケーソンｌ６を接続する．コンピュータは海中容器内
に格納してもよい。
コンピュータからの信号は海面まで送れるよう多重化す
る。
測定スリーブは海底生産坑の付近に設置して、坑出口で
の流出物の構成ならび現物の圧力および温度条件におけ
る流出物の流量を測定する。
以下に発明に係る方法の適用例を非限定的に示す。
電磁波の伝播のようにサンプルを透過するマイクロ波の
吸収はランバート●ベールの法則に支配される。
ここでＩ＝サンプルを出る波束の強さ １ｏ＝サンプルに入る波束の強さ Ｋａ＝サンプル素材の分子吸収係数 ｈ＝サンプル厚さ Ａ＝吸収 Ｋａはサンプル素材の性質で、複合面内の誘電率ε“か
ら決定できる。ε“は損失率ともいう。
ここでｆ＝測定周波数 ｋ：消衰係数 ｎ＝サンプル素材の屈折率 ▼：サンプル素材の比分率 Ｃ：真空中の電磁波速度 ［Ｃ］：サンプル素材のモル濃度 ？“は周波数に応じ変化し、測定可能である。
ε“の変化および振幅は素材のタイプ次第である。
上述のよウに測定スリーブー内部には水（Ｗ）、油（■
）、ガス（Ｇ）を含む流体がある一の壁（Ｐ）を通る全
体吸収Ａ７を測定する場合は、構成要素の吸収の和を測
定する Ａ，＝Ａ，＋Ａｖ＋ＡＨ＋Ａ． ２１ＧＨｚ（水の暖和の周波数）付近の周波数（率１）
で全体吸収ＡＶ＋　を測定すれば、水の吸収は油および
ガスに比し極めて大きく、水および油の損失率はε”　
，，：４０，ε“，，：２　Ｘ　１０−８となる。
全体吸収はＡ■Ｉ　＝Ａｐ　ｌ　”Ａｌｌ　１となる。
水および油間の吸収コントラストが弱い別の周波数（率
２）、例えばｆ２：８０ＧＨｚ、（ε＃Ｗ２＝４および
ε”Ｈ２”２）で全体吸収ＡＴ２を測定すれば、ガスの
吸収ＡＱ１１は常に無視可能となり、従ってＡＴ　２　
＝ｉｐ　ｆｆｉ　”ＡＩＪ　ｌ’　”Ａ｝＋　１１とな
る。
周波数１でスリーブ壁の吸収ＡＰＩを予め測定し、？，
，の測定値からＡ．を決定し、またκ．，またはε“■
が既知なので次の関係 により水量または水の厚さが判明する。
従って水量を知り、また周波数に応じた水の吸収係数Ｋ
ａまたは水の損失率の測定表を使用して、周波数２にお
ける水の吸収Ａ。を決定する。
Ａ７２Ｎ　ＡＰ＊、ＡＩ７２が分かれば次式：ＡＨＩ！
”ＡＴ２−Ａｐｅ　−ｘｖ２ によりＡｎａを決定し、同じ＜Ｋ，Ｈ，またはε＃１４
２も既知であるから、測定部分の油量または油の厚さｈ
｝Ｉも得られる ？定部分のガス量は水および油により占居されな量ｈａ
＝ｈ■−（ｈＨ＋ｈ，）であり、ここでｈ■は測定部分
の厚さである。
従って水、油およびガスの比率はそれぞれ以下の通りと
なる： ｈ　ｕ　　　　　ｈ　Ｈｈ　ａ
【図面の簡単な説明】
図１は発明に係る測定装量の機能原理を略示する。 図２は装置の実施態様を流体の流れに垂直方向による断
面で示す。 ｌ．強化スリーブ　２．スリーブ ３．収斂部　４．放散部　５，９．発信器６．検知器　
？，　１１．増幅器　８．比較分析器１０，　１３．ビ
ックアップ　１４．コンピュータ１Ｂ．ケーソン　！７
．リブ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）少くとも２つの液体を含み、両液体は所与の周波
    数でマイクロ波に関して内在的特性という最低１つの因
    子を有し、両液体の一方が第１液をまた他方が第２液を
    構成する流体の特性を測定する方法であって、上記流体
    の上記特徴をマイクロ波の最低２つの異なる周波数につ
    きマイクロ波束により測定すること、および上記周波数
    の各流体の内在的特性の因子値を識別して両液体のそれ
    ぞれの量を決定し、両周波数の一方を第１周波数また他
    方を第２周波数とすることを特徴とする方法。
  2. （２）内在的特性因子はマイクロ波での損失因子であり
    、内在的特性はマイクロ波での吸収であることを特徴と
    するクレーム１に記載の方法。
  3. （３）上記流体がガスを含むことを特徴とするクレーム
    １または２のいずれかに記載の方法。
  4. （４）第２液量を決定するため、第２液の特性因子を前
    に第１液の内在的特性因子を無視して第２液を通過する
    マイクロ波束の特性を上記第１周波数で測定することを
    特徴とする、上記第１周波数で第１液が第２液の内在的
    特性因子を前に無視できる内在的特性因子をもち、第２
    周波数は第１液の内在的特性因子を第２液の内在的特性
    因子を前に無視できない周波数である場合に適用される
    クレーム１〜３のいずれかに記載の方法。
  5. （５）第１周波数は２１ＧＨｚ付近であり第２周波数が
    ２１ＧＨｚから離れることを特徴とする第２液が水性化
    合物を含む場合に適用されるクレーム１〜４のいずれか
    に記載の方法。
  6. （６）第１液が炭化水素化合物を含む場合に適用される
    クレーム１〜５のいずれかに記載の方法。
  7. （７）流体が一つの方向に運動する場合に通用され、 −初期周波数を有しまた運動方向に非垂直に上記流体を
    貫くマイクロ波束の周波数変化−上記初期周波数は第１
    または第２液の内在的特性因子が第２または第１液のそ
    れぞれ内在的特性因子の前に無視可能な周波数である−
    を測定すること、および −その内在的特性因子が優勢な液体の速度を決定するこ
    と を特徴とするクレーム１〜５のいずれかに記載の方法。
  8. （８）流体が運動中の場合に適用され、 −少くとも初期周波数を有しまた上記流体を運動方向に
    非垂直に貫くマイクロ波束の振幅展開−上記初期周波数
    は第１および第２液の内在的特性因子が同じオーダの大
    きさとなる周波数である−を決定すること、 −少くとも周波数変化を明らかにするよう上記振幅の展
    開を周波数分析すること、および−初期周波数の変化お
    よび上記流体の構成から上記流体の各液の速度を決定す
    ることを特徴とするクレーム１〜７のいずれかに記載の
    方法。
  9. （９）上記流体が運動を伴うガスを含み、上記ガスはマ
    イクロ波に関して内在的特性因子が関係する粒子を含む
    場合に適用され、 −少くともガスおよび上記液体の一部を分離すること、 −初期周波数を有しまた運動の非垂直方向に上記ガス部
    分を貫くマイクロ波束の周波数変化を測定すること、お
    よび −周波数の変化から上記ガスの速度を決定すること を特徴とするクレーム８に記載の方法。
  10. （１０）流体を貫くマイクロ波束の初期周波数は第１ま
    たは第２液の内在的特性因子が第２または第１液の内在
    的特性因子を前に無視可能なよう選択されることを特徴
    とするクレーム８または９のいずれかに記載の方法。
  11. （１１）−２つの平行面を有する容器内に流体を配する
    こと、および −少くとも上記平行面の一部を貫くマイクロ波束の特性
    を検出または測定することを特徴とするクレーム１〜１
    ０のいずれかに記載の方法。
  12. （１２）流体を保持し、２つの平行窓を有しまたマイク
    ロ波を透過する容器を備えること、および上記窓の一方
    または第１を貫くマイクロ波の発信手段および第１およ
    び第２窓を貫通したマイクロ波を感知するマイクロ波交
    信手段を備えること、および上記の発信および受信手段
    がそれぞれ相互に長さの異なる少くとも２つのマイクロ
    波の処理に適合することを特徴とするクレーム１の方法
    による流体の品質測定装置。
  13. （１３）上記窓がマイクロ波を透過する合成素材でつく
    られることを特徴とするクレーム１２に記載の装置。
  14. （１４）流体が流動中である場合に使用され、容器が導
    管の一部であることを特徴とするクレーム１２および１
    ３のいずれかに記載する装置。
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