JPH06507023A - 割合に大きなガス含有率を有する水−油混合物を測定する方法 - Google Patents

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】 割合に大きなガス含有率を有する水−油混合物を測定する方法本発明は、マイク ロ波放射の周波数変化と電力損とを測定装置で測定することにより、高濃度の同 伴ガスを有する、水−油混合物の水もしくは油含有率、またはその他の２相液体 混合物の成分の含有率を測定する方法に関する。

背景 米国特許第４，９９６，４９０号（１９９１年２月２６日に５ｃｏｔｔらに付与 され、本発明の譲受人に誼渡された）明細書には、油−水混合物の水含有率を、 該混合物の割合に大きな範囲の水含有率にわたって測定するためにマイクロ波放 射を用いる改良された方法と装置が述へられている。原油中の水含有率の測定（ 水留外（ｗａｔｅｒｃｕｔ）測定と呼ばれる）においては、先行技術の方法の場 合、まず最初に、混合物からできるだけ多量のガスを除去する分離工程を実施す ることか必要であると考えられていた。一般に、油井から出て来る流体流は流体 混合物中に大きな含有率範囲の水、油、およびガスを含みつるので、費用のかか る分離装置および工程なしては流体流量の測定は困難である。

前述の装置と方法はいわゆる水留外測定工程に対して独自の解決策を与えるもの であるか、しかしまた流体混合物にマイクロ波測定法を適用する前に、できるだ け多量のガスを流体混合物から除去することが必要であるとこれまで考えられて きた。各油井または流体捕集設備のどこか他の場所において追加されるこのガス 分離工程は、もちろん費用のかかるものであり、また連続維持しなければならな い設備を必要とするものである。非常に望ましいのは、原油流中の水量を、坑口 において測定するか、または重要な分離工程か必要となる前に測定することかで きることである。特に、分離実施前に産出物の混合が行われる複数所存者油田に おいてはそうである。

もちろん他の用途として、複数流体混合物中の一つの流体の含有率を知りたい場 合にも適用される。本発明の方法は、これまで認識されていなかった問題、特に 、多成分液体混合物の測定のためのマイクロ波タイプの測定装置の使用における そのような問題を解決するものであると信する。

発明の要約 本発明は、割合に多量の同伴ガスを含む油−水混合物を測定する改良された方法 に関する。そのような混合物は、地下貯留層からの原油生産の場合に存在するも のか典型的である。本発明の一つの側面によれば、前述の米国特許明細書（参照 されたい）に述べられているタイプのシステムを使用して、油−水混合物の水含 有率か決定される。またこのとき、混合物に大量のガスか同伴されうる場合でも 水含有率を決定することができる。

さらに、本発明によれば、油−水混合物の水含有率を、混合物中の割合に大きな 範囲の水の量にわたって、また混合物に同伴される割合に大きな範囲のガスの量 にわたって測定する方法が提供され、この方法においては、測定装置としてマイ クロ波放射伝送装置か使用される。マイクロ波信号の動作周波数と電力損を、多 数の測定時間において測定し、ガスの存在を、電力損の測定値の変動またはばら つきから決定する。油−水−ガス混合物の各測定値について該混合物の水含有率 を決定し、統計的方法の実施により、存在同伴ガスの量の如何によらず、混合物 中の真の水量を決定する。

当業者は、添付の図面を用いた以下の詳細な説明を読むことにより、本発明の利 点とすぐれた特徴をさらに十分に理解できるであろう。

図面の簡単な説明 図１は、同伴ガスを含むかまたは含まない油−水混合物の水含有率を測定するシ ステムの模式図である。

図２は、水含有率とマイクロ波放射の電力損を、マイクロ波伝送周波数の関数と して示すグラフである。

図３は、同伴ガスを含む油−水混合物の複数の測定に関して、電力損と％水含有 率を示すグラフである。

好ましい実８１１ｉ懸様の説明 以下の説明においては、明細書と図面の全体を通して、同し部品または機構はそ れぞれ同じ参照番号で示す。

図１は、バイブラインその他を送られる、他の物質たとえば原油中の一つの物質 たとえば水の濃度を測定する装置を示す。装置１０は米国特許第４．９９６゜４ ９０号明細書に述べられているものと似ている。同明細書を参照されたい。装置 １０は流体測定区画１４を含み、該区画は外側導管１６と間隔をとって配置され た丁字形部分１８とから成っている。丁字形部分１８はパイプライン１２の枝管 への接続のために前記部分に成形された通常のフランジ部分２０を存している。

測定区画１４は同軸伝送ラインを含み、該ラインは対向支持部品２４と２６の間 に延びる中心導体２２を有している。好ましくは、中心導体２２は、導管１６内 に同軸配置された大体円柱状の棒または大体円筒状の管から成り、割合に小さい 誘電正接を有する材料たとえば商標Ｄｅｌｒｉｎで市販されているプラスチッつ て作られた外装２７を有する。絶縁外装２７は、無線周波（ＲＦ）エネルギーか 測定区画にはいるところ、または流体断面が始まるところで、ＲＦエネルギーか たたちに短絡してしまうのを防ぐ。外装２７は、ＲＦエネルギーを測定区画１４ に伝送して流体測定能力を保ちうるのに適当な同軸インピーダンスを維持するた めに十分な厚さかなけれはならない。

中心導体２２は、割合に絶縁性の大きな物質たとえばフルオロカーボンプラスチ ック製の対向端ブロック部材２９を貫通して延びている。測定区画１４は、非緩 衝または非絶縁の自走発振器３０から成る。ＲＦエネルギーまたはいわゆるマイ クロ波エネルギー発生源に接続されている。好ましくは、発振器３０は、能動回 路３２、同調回路３４、およびインピーダンス整合回路網３６を含む。回路３２ は、フィルター回路３８を通じて電源（図示せず）から定ＤＣ？を圧Ｖｃを受け とるのに適している。同調回路は第２のフィルター４０を通してもう一つの電源 から制御可能なりＣで電圧Ｖｔを受けとるのに適している。発振器３０はかなり 大きな負荷引張特性（ｌｏａｄ−ｐｕｌｌｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉ Ｃ）を有する。一つの好ましいタイプの発振器として、Δｖａｎｔｅｋ　Ｃｏｍ ｐａｎｙ　（カリフォルニア州、サンタクララ）から同社のモデルＮｏ、ＶＴＯ ８０３０Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　０ｓｃｉｌｌａｔｏｒを入手するこ とかてきる。発振器３０は、図示するように、適当なコネクタ４４により測定区 画１４に接続され、コネクタ４４は端部品２４において中心導体２２と導電的に 係合している。また、発振器は、中心導体の反対端において、第２の導体４４に より、抵抗４６および外側導体または導管１６を通して測定区画１４に接続され ている。端部品２６は、中心導体２２をｌ０ｄＢの方向性結合器４８ａに接続し て、測定区画１４を透過するマイクロ波エネルギーまたは電力を標本採取するの に適している。結合器４８ａは電力分割器４９に接続され、分割器４９は電力検 出器５０ａに接続されている。

第２の方向性結合器４８ｂか、回路内で、端部品２４と発振器３０との間に配置 され、第２の電力検出器５０ｂに接続されている。結合器４８ａは電力分割器４ ９に接続され、電力分割器４９は出力信号を出し、該信号は増幅器５６によって 増幅される。増幅器５６は周波数カウンター５８に入力信号を送るのに適してお り、カウンター５８はマイクロプロセッサ６０に接続するのに適している。適当 なディジタル表示装置または読みとり装置６２かマイクロプロセッサ６０に接続 されている。図１に示すシステムは、好ましくは、温度補償回路を含み、該回路 は、マイクロプロセッサ６０に適当なディジタル信号を送るための変換回路６５ に接続された熱電えす６３を有する。

あるいは、前述の測定区画１４には、支持体２Ｇとコネクタ４４の代わりに短絡 を備えることかてきる。そのような構成の場合、短絡端で反射されて発振器端に 戻る。測定区画に沿う信号経路か与えられる。里方向性（ｓｉｎｇｌｅ）結自器 ４８を双方向性結合器に置換え、入射電力と反射電力を両方とも標本採取するた めの電力検出器を接続すると、入射電力と反射電力の比は測定区画と流体を自わ せたものの挿入損となる。

次に図２を参照すると、グラフは、発振器動作周波数の変化特性を、油たとえば 原油中の水濃度の関数どして示したもである。水−油混合物の水百分率の関数と しての発振器３０の動作周波数を、曲線またはライン７０て示す。水−原油混合 物の水百分率か全体積の約５０％まで増大すると、水は油液体中に乳濁液として 存在するようになる。約５０％〜８６％水の濃度範囲ては、逆になり、乳濁液は 油中水の形ではなく水中油の形のものとなることがある。８６％水を越えると、 この乳濁液はほとんど例外なく水中油の形のものとなる。曲線７０の勾配は、約 ８６％〜１００％水の範囲の部分７３ては少し大きくなる。

水−油混合物中の水ａ度か増大するとき、発振器の周波数変化特性は曲線７０に よって示される。しカル、はじめに混合物の水濃度か割合に高く、それから減少 する場合、および／または水中油乳濁液か存在する場合、発振器動作周波数は曲 線またはライン７４に従って変化する。この破線は図に示された勾配て、水量か 約３６ｖｏ１％に等しくなる点に達し、その点において一般に、曲線の勾配が変 化してライン７６となり、ライン７０と交わる点（点７８で示す）に達する。

観察されたところによれば、たとえば水と油から成る液体混合物の状態が変化す る場合、発振器動作周波数の測定値たけては混合物の水含有率の指標としての信 頼性か低いことかある。というのは、混合物の約２０ｖｏ１％〜８６ｖｏ１％水 の範囲では、装ｆｉｆＩＯが二つ以上の動作周波数を示しうるからである。

米国特許第４，９９６，４９０号明細書に述へであるように、測定区画１４によ るマイクロ波放射電力損は、油中水混合物か存在するかまたは水中油混合物か存 在するかという状態の関数としても変化することがわかっている。横軸に周波数 、縦軸にマイクロ波電力損を示すグラフに示されているように、ライン８０は、 点８２から点８４．８６まて油中水の状態の場合の、測定区画１４による電力損 を示す。周波数−１カ損のグラフにおけるライン８８は、混合物か本質的に水中 油乳濁液である状態の場合の電力損を示す。

このようにして、装置１０の運転中、電力検出器５０ｂて検出される入射電力を モニターすることかでき、また電力検出器５０ａで決定される透過電力をモニタ ーすることができる。次に、これらの電力検出器の読みの差を決定し、発振器回 路の特定動作周波数における電力損を決定する。たとえば、動作周波数Ｆａにお いて、電力損か曲線８８の点８９で示される電力［Ｕに一致する場合、水中油混 合物の存在が示されていることになる。この動作周波数に関して、周波数−水百 分率のグラフを見ると、約３０９６の水か存在するということかわかる。一方、 動作周波数Ｆａにおいて、電力損か曲線８０の点８１で示されるものに一致する 場合、ずっど大きな百分率の水かいわゆる油中水混合物内に存在し、ライン７０ の点７１て示される百分率に一致する、ということかわかる。

前述の装置ＩＯの運転において、水−油混合物が大量の同伴ガスを含まない（約 ３ｖｏ１％よりも小）状態では、電力損の値は油中水の状態ても水中油の状態て も実質的に連続な曲線を形成する。しかし、混合物中にガスか存在すると、電力 損は、混合物中のガスの体積分率と分布に応じて、数ｄＢの範囲内で突発的に変 化する。マイクロ波周波数の読みとり値は事実上解釈不能となりつる。というの は、測定される混合物中にガスが存在しない系に関するもともとの較正にもとづ いて考える場合、変動範囲が大きすぎるからである。たとえば、図３は、水、油 、およびガスの混合物に関して、かなりの数のデータ測定点（データ測定番号０ 〜３００で示す）の電力損をｄＢ単位で示す。データ点＋０１で示されるように 、割合に短い時間（たとえば、２００ミリ秒）の間に割合に大きな電力損の変動 が見られ、これはこの液体混合物中にかなり多量の同伴ガスが存在することを示 す。

すべてのガスは約１．００の比誘電率を有し、小数点以下第３および４位が化学 組成によって変化する。ガスは流体の比誘電率に対応する影響を測定値に与える 。したがって、ガスは油の測定値よりも水の測定値に大きな影響を与える（水の 誘電率は６８〜８０、油の誘電率は２．２〜２．７）。原油と一緒に産出される 水は一般に大きなイオン塩含有物を含むので、マイクロ波損が大きい。ガスは非 常に小さなマイクロ波損を示す。油のマイクロ波損は水の場合に比べると小さい が、それてもガスは電力損に重要な減少効果をおよほす。ガス含有率か増大する と、算出される水含有率は低下する傾向かある。ガスは体積／体積比で考えた場 合により大きな体積を持つ油のように誘電体に影響を与えるからである。ガスの 存在量か大きくなると、電力および周波数データのランダムに近い変化か多くな る。大きな「ノイズＪか電力データに出現するようになる。乱流速度で測定区画 を通過するガスのランダム性と電力損を低下させるガスの強い効果とのためであ る。電力損においけるこの変動のみか、混合物か同伴ガスを含むことの指標とし て有用である。

図３をもう一度参照すると、図１に示した装置、および図２の方法に従って％水 含有率を決定する、米国特許第４，９９６，４９０号明細書に述べられているよ うな技法を用いると、各データ測定点たとえば図３に示す点０〜３００の任意の 一つに関して水含有百分率を確定することかできる、ということかわかる。周波 数および電力損の各測定点について、％水含有率が決定されると、図３に示すぎ さぎざのライン＋０４に従って％水含有率のグラフを確定することができる。

ピーク値たとえば値１０６，１０８，１１０，１１２，１１４，１１６．および １１８て示される水含有率の値のみを考えると、データ点１０６〜１１８で示さ れる水含有率のピーク値の移動平均をとることによって％水含有率の正確な測定 値を得ることかできるということを、試験により確認した。

たとえば、５０％よりも大きな水含有率値を示すデータ点、たとえば１０６〜１ １８で示されるデータ点のみを選択することにより、ある限界値を越えるこれら の値にもとづく水含有率の決定のための統計的方法を実施して、実質的な量のガ スか存在する場合でも、混合物の実際の水含有率の正確な測定値を得ることがで きる。油井から、水、油、および同伴ガスを含む流体がとり出される、油井から の生産の試験において、ガスを除去した流体試料の水含有率Ｗの測定値は、デー タ点１０６〜１１８を用いた平均によって得た測定値と、無視てきる大きさしか 異なっていなかった。

使用できる統計的方法の一つはいわゆる移動平均法である。これらの方法のうち もっとも簡単なものは反復平均法である。たとえば、第１の操作は、水含有率の 四つのピーク値の平均を得ることによって実行することができる。すなわち、Ｗ ｌｏａ　＋Ｗ１ｏｓ　＋Ｗ＋＋ｏ　＋Ｗ＋＋ｔＷ平均＝□ さらに、連続する四つのピーク値の組三つについて平均値を決定することができ 、それからこれらの四つの平均値を平均して、図３のグラフでとった数の点にも とづく％水含有率の値が得られる。すなわち、Ｗ平均１＋Ｗ平均２＋Ｗ平均３＋ Ｗ平均４Ｗ＝□ または Ｗ＝　−（Ｗ、。、十潴、。、＋３Ｌ＋。＋４ＷＩＢ　＋　３Ｗｎ４＋　２Ｌ＋ ｓ　＋　Ｗ＋ｕ　）もちろん、これらの操作は自動的に実行して、ある時間にわ たってとった測定値に対する９４水含有率を得るようにすることかできる。その 場合、電力損値のばらつきを観察することにより、液体混合物中にガスが存在す るということか明らかになる。

測定点３０１〜３９０から得られる電力損と水留分に関するデータ点は、前記の ものと比へると、それぞれ割合に滑らかな連続曲線１２０および１２２てあり、 流体混合物中に無視しうる量のガスしか存在しない状態を示している。しかし、 水含有は、液体混合物の「水分留ｊまたは％水含を率を示す値の変化かられかる ように変動している。

前述のことから明らかなように、水−油混合物の水含有率、または同伴ガスを含 む２液体混合物中の一つの液体の含有率を測定するマイクロ波タイプの計器によ り、混合物中にガスが存在する場合ても、前記含有率を正確に決定することがで きる。もちろん、最終的にガスか混合物から分離されるかとうかにかかわりなく 、混合物中の一つの液体の含有率を正確に決定し、結果を有効利用することがで きる。たとえば、水と同伴ガスをも産出する産出油井その他からの正味の油層産 量を決定するような場合に、そのような有効利用ができる。

以上、本発明の好ましい実施例について述べたが、当業者にはわかるように、請 求の範囲に示す本発明の範囲と意図とを逸脱することなく、さまざまな置換えと 変更とか可能である。

電力損（ｄＢ） 。７〒　−？　Ｔ　−？　〒〒〒〒Ｔ 水分（％　水）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．同伴ガスを含む、少なくとも二つの液体の混合物中の一つの液体の含有率を 測定する、マイクロ波エネルギー特性の変化を利用する方法であって、マイクロ 波が透過する装置を有する測定区画を構成する装置、この装置に機能的に接続さ れた、変化する動作周波数でマイクロ波放射を伝送する装置、前記動作周波数の 変化を測定する装置、前記測定区画への入射電力と前記測定区画を透過する電力 とを測定して、前記測定区画におけるマイクロ波放射の電力損を決定する装置、 を含む装置を装備し、該装置を運転して、前記測定区画を流れる混合物の組成変 化による動作周波数の変化を測定し、選定動作周波数における前記測定区画内で のマイクロ波放射の電力損を決定し所定数の前記測定を行う一方、動作周波数と 電力損との変化を観察して、測定点間での電力損の変動を観察することにより、 前記液体混合物中にガスが存在することを検出し、 電力損の各測定における他の液体中の一つの液体の含有率を、ある動作周波数に おける電力損を前記動作周波数における他の液体中の一つの液体の含有率既知の 状態での基準電力損と比較することによって決定」選定した数の測定点における 他の液体中の一つの液体の含有率のピーク値を選定した数だけ比較して、前記選 定した数のピーク値にもとづいて、他の液体中の一つの液体の実際の含有率を決 定する ステップから成ることを特徴とする方法。
2. ２．前記液体混合物が水−油混合物を含み、また電力損を測定するステップに、 特定の動作周波数において、電力損を、油中水乳濁液が示す基準電力損、および 水中油乳濁液が示す基準電力損と比較して、前記混合物における前記水および油 のうち少なくとも一つの濃度を決定することが含まれることを特徴とする請求項 １の方法。
3. ３．前記測定にもとづいて、他の液体中の一つの液体の含有率のピーク値を所定 数だけ選択し、このように選択した測定値の組の統計的分折を行って、他の液体 中の一つの液体の前記含有率の最終値を得るステップを含むことを特徴とする請 求項１の方法。
4. ４．他の液体中の一つの液体の含有率の測定ピーク値の組の複数の平均値を決定 し、次に前記複数の平均値を平均することにより、前記ピーク値が平均されるこ とを特徴とする請求項３の方法。
5. ５．同伴ガスを含む、油と水の混合物中の水液体の含有率を測定する、マイクロ 波エネルギー特性の変化を利用する方法であって、マイクロ波が透過する装置を 有する測定区画を構成する装置、この装置に機能的に接続された、変化する動作 周波数でマイクロ波放射を伝送する装置、前記動作周波数の変化を測定する装置 、前記測定区画への入射電力と前記測定区画を透過する電力とを測定して、前記 測定区画におけるマイクロ波放射の電力損を決定する装置、を含む装置を装備し 、 該装置を運転して、前記測定区画を流れる混合物の組成変化による動作周波数の 変化を測定し、 選定動作周波数における前記測定区画内でのマイクロ波放射の電力損を決定し所 定数の前記測定を行う一方、動作周波数と電力損との変化を観察して、測定点間 での電力損の変動を観察することにより、前記液体混合物中にガスが存在するこ とを検出し、 電力損の各測定における他の液体中の一つの液体の含有率を、ある動作周波数に おける電力損を前記動作周波数における他の液体中の一つの液体の含有率既知の 状態での基準電力損と比較することによって決定し、選定した数の測定点におけ る前記混合物の水含有率のピーク値を、選定した数だけ比較して、前記選定した 数のピーク値にもとづいて、水の実際の含有率を決定する ステップから成ることを特徴とする方法。
6. ６．前記混合物の水含有率の測定ピーク値の組の複数の平均値を決定し、次に前 記複数の平均値を平均することにより、前記ピーク値が平均されることを特徴と する請求項５の方法。
7. ７．同伴ガスを含む、少なくとも油と水の混合物中の水の含有率を測定する、マ イクロ波エネルギー特性の変化を利用する方法であって、マイクロ波が透過する 装置を有する測定区画を構成する装置、この装置に機能的に接続された、変化す る動作周波数でマイクロ波放射を伝送する装置、前記動作周波数の変化を測定す る装置、前記測定区画への入射電力と前記測定区画を透過する電力とを測定して 、前記測定区画におけるマイクロ波放射の電力損を決定する装置、を含む装置を 装備し、 該装置を運転して、前記測定区画を流れる混合物の組成変化による動作周波数の 変化を測定し、 選定動作周波数における前記測定区画内でのマイクロ波放射の電力損を決定し特 定の動作周波数において、測定される電力損を、油中水乳濁液が示す基準電力損 、および水中油乳濁液が示す基準電力損と比較し、所定数の前記測定を行う一方 、動作周波数と電力損との変化を観察して、測定点間での電力損の変動を観察す ることにより、前記液体混合物中にガスが存在することを検出し、 電力損の端測定における前記混合物中の水含有率を、ある動作周波数における電 力損を前記動作周波数における前記混合物中の水含有率既知の状態での基準電力 損と比較することによって決定し、 選定した数の測定点における前記混合物中の水含有率のピーク値を、選定した数 だけ比較して、前記選定した数のピーク値にもとづいて、前記混合物中の実際の 水含有率を決定する ステップから成ることを特徴とする方法。