(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの液相と少なくとも１つの気相とを含む多相媒体の一部を構成する少なくとも１つの相の比率を測定するための方法であって、前記各相はこれらを識別し得る少なくとも１つの特徴を有し、
ａ）前記多相媒体に、第１の周波数値（ｆｅ）を有する第１の放射供給源からの電磁場を放射する段階と、
ｂ）前記多相媒体に対して固定された少なくとも１つの高さ（Ｐｉ）で、前記多相媒体を通過した前記電磁場の振幅（Ａｅｉ）と相偏移（Ｐｈｅｉ）の値を測定する段階と、
ｃ）前記電磁場の周波数値を前記第１の周波数値（ｆｅ）から第２の周波数値（ｆｅ＋１）に変化させ、前記段階ａ）からｃ）を反復する段階と、
ｄ）前記段階ｂ）及びｃ）で得られた振幅と相偏移の測定値を処理手段に予め記憶させてあるデータと比較することにより、及びこれに関連する周波数値とから、少なくとも１つの高さ（Ｐｉ）で、前記液相及び／又は前記気相の各々の比率を推定する段階と
からなる少なくとも１つの測定周期を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
電磁場で前記各相を識別する前記特徴が誘電率であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記多相媒体は所定の断面の導管内を流れ、前記段階ａ）からｄ）を含む測定周期を１回又は複数回複数の点で実施し、これから前記電磁場の方向により決まる前記導管の断面と前記電磁場の方向に平行ではない方向を有する導管の側面の１つとにおける少なくとも１つの相の分布と比率を推定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
複数の素子（１２ｉ）からなる送信アンテナ（１２）と複数の素子（１４ｉ）からなる受信アンテナ（１４）とを用い、前記送信アンテナ（１２）の全ての前記素子（１２ｉ）から前記多相媒体に放射を行って前記段階ａ）を実施し、次いで、前記受信アンテナ（１４）の全ての前記素子（１４ｉ）を走査して前記段階ｂ）を実施し、前記段階ａ）と前記段階ｂ）とをかわるがわる実施することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
複数の素子（１２ｉ）からなる送信アンテナと複数の素子（１４ｉ）からなる受信アンテナを用い、前記送信アンテナ（１２）の１つの素子（１２ｉ）から前記多相媒体に放射を行って前記段階ａ）を実施し、次いで、前記受信アンテナの対応する素子（１４ｉ）を走査して前記段階ｂ）を実施し、さらに前記アンテナの全ての素子（１２ｉ）と（１４ｉ）についてこの操作を反復することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
複数の素子（１２ｉ）からなる送信アンテナと複数の素子（１４ｉ）からなる受信アンテナとを用い、前記送信アンテナ（１２）の１つの素子（１２ｉ）から前記多相媒体に放射を行って前記段階ａ）を実施し、次いで、前記受信アンテナ（１４）の全ての前記素子（１４ｉ）を順次走査して前記段階ｂ）を実施し、前記段階ａ）と前記段階ｂ）とをかわるがわる実施することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
各相の性質と比率が既知の多相流体から前記段階ｄ）の予め記憶させておいたデータを決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
２ないし８ＧＨｚの間に含まれる周波数値を有するマイクロ波ビームを前記多相媒体に放射することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
電磁場および／または超音波を用いて前記多相媒体に放射を行いドップラー効果により前記多相媒体に含まれる液相および／または気相および／または固体相などの少なくとも１つの相の速度を測定して前記相又は相の各々の流量を決定することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの液相と少なくとも１つの気相とから構成され既知の断面積の導管内を流れる多相媒体に含まれる少なくとも１つの相の比率を測定するための装置であって、少なくとも異なる周波数の少なくとも２つの電磁場の放射手段と、少なくとも前記多相媒体を横断した前記電磁場の受信手段（１４）と、前記２つの電磁場の周波数をしんしゃくして、前記多相媒体を横断した前記２つの電磁場の振幅と相偏移の測定値を予め記憶させてあるデータと比較することにより、前記導管の所定の断面積あたりの前記液相及び／又は前記気相の占有率を直接的に求めることが出来る処理制御手段（２１）とを、組み合わせにおいて含むことを特徴とする装置。
【請求項１１】
送信手段（１２）と前記受信手段（１４）は複数の素子を含む広帯域アンテナであり、前記素子はエポキシ樹脂（ｒ）でお互いから隔離されており、前記装置は前記アンテナ（１２、１４）と前記導管のマイクロ波透過性窓（１３、１３’）との間に配置したセラミック（ｃ）を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１の部材はエポキシ樹脂であって前記第２の部材はセラミックであり温度（Ｔ）と圧力（Ｐ）の各々１００℃と１００ｂａｒ程度の高い値に耐え得るように成してあることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記多相媒体の少なくとも１つの相の速度を測定することが出来る装置を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記多相媒体は原油流体である請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記多相媒体は原油流体である請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は同一容積内に含まれる多相媒体を構成する異なった相の比率と性質を決定することの出来る方法ならびにその装置に関する。各相はこれらを識別することが出来る本質的な特徴を少なくとも１つ有するものとする。
【０００２】
本発明は各々がその性質によって許容値を有し少なくとも許容値のうちの２つで各相を識別することが出来る複数の相を含む多相流体を構成する各々の相の比率を決定するために特に好適である。
【０００３】
本発明は、水様相、有機物相、気相などの原油流体を構成する各相の占有率又は比率の決定に、また流体が循環する導管内の一定断面について流体の成分表の作成に、有利に応用されるがこれに限定されるものではない。
【０００４】
原油流体は例えば砂粒子や水和物の結晶、アスファルト又はその他の異質物等の固体相も含むことがある。
【０００５】
油井出口で同時に測定した原油流体の各相の各々の量の情報と特に水、油、気体の正確な流量の情報が各々の油井の制御と安全性のために特に必要とされ、また開発において原油流体を精製および／または処理施設へ輸送する回収システムの建設及び保護にも必要である。
【０００６】
別の応用例は各相を分離することなく原油の多相流体の輸送に関するもので、最適運転速度が流体の組成に、より特定すれば液相の平均流速及びガス／液相の容量比に完全に依存し得るようなポンプ装置を使用する。
【０００７】
多相流体又は原油流体の流れは急速に変化する多様な相の態様を示し、この種の流れに特に好適な迅速測定装置ならびにその方法が必要とされる。
【０００８】
本発明は非侵襲的な方法で多相媒体を構成する識別可能かつ混合しない相の比率ならびに割合を知ることが有用な全ての他の分野にも応用し得るものである。
【０００９】
さらに異なる性質を有する複数の相を含むことがあり少なくとも１つのパラメータで相互に識別可能な多相媒体中の１つの相の比率を得ようとする場合にも応用できる。
【００１０】
【従来技術】
低周波電気の分野ですでに実用化され多相媒体の容量又は導電率の測定により媒体の分布図を作成することの出来る装置がすでに公知となっている。しかしこの種の装置は、媒体の導電率、電極間の短絡、場合によっては内壁面の酸化膜の形成、濡れやすさの問題など幾多の不便を有しており、産業的応用において望まれる測定の信頼性と簡便性を損なうことがある。
【００１１】
ガンマ線又はエックス線を用いた装置は電磁波を使用する装置より感度的に劣り実用化するには更に鈍い方法であることが分っている。
【００１２】
核磁気共鳴を使用するその他の装置も考えられる。このような装置は水や油の比率や流速とは無関係に測定を実施できる可能性を提供するが、同時に取り扱いの難しさ、重量、応答時間の問題があり石油業界の制約にはそぐわない装置となっている。
【００１３】
本発明の出願人によるフランス特許第ＦＲ−２，６４７，５４９号では導管内を流れる多相流体に含まれる各相（水、油、又は気体）の各々の平均比率を求めるためにマイクロ波ビームを使用する装置ならびにその方法が開示されている。
【００１４】
米国特許第４，８１２，７３９号及び米国特許第４，８２０，９７０号の開示により、多相流体の１つの相の共鳴周波数付近でマイクロ波ビーム周波数を変化させ流体を横断した波の減衰を測定することでこの相の比率を決定することが周知となっているが、この流体内に含まれる全ての相の比率を再現するものではない。
【００１５】
更に、上記２つの特許では多相流体の組成変化に特に時間的な流体の誘電率変化に完全に適合したマイクロ波送信及び受信装置を説明していない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は前述の欠点を克服した多相流体の各相の比率を決定するための方法ならびにその装置を提供し、この分野の装置の測定精度を改善することである。本発明は特に正確に多相流体に含まれる各々の相の性質及び比率を、特に操作員を危険にさらすことなく例えば導管内を流れる原油型流体に含まれる各相の比率を測定できる。
【００１７】
特殊アンテナの使用により、組成が時間と共に変化する多相流体の分析を行うことができ、該変化は誘電率などの１つのパラメータにより識別することができる。
【００１８】
更にリアルタイムで迅速に測定を行うことが可能である。即ち測定時間が多相媒体の構造の空間的時間的変化又は不安定性に対して小さい。
【００１９】
以下の説明において、「アンテナを適合させる」という表現はアンテナから多相媒体への電磁場の放射を最適化することを表わしている。
【００２０】
また、「多素子アンテナ」は複数素子を含むアンテナを表すために使用する。
【００２１】
本発明は少なくとも１つの液相と少なくとも１つの気相を含む多相媒体の一部を構成する少なくとも１つの相の比率を決定することの出来る方法に関し、前記各相はこれを識別することの出来る少なくとも１つの特性を示すものとする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、
ａ）多相媒体に第１の放射源から周波数ｆｅを有する電磁場を放射する段階と、
ｂ）前記多相媒体に対して固定された少なくとも１つの高さＰｉで、前記多相媒体を横断した電磁場の振幅Ａｅｉと相偏移Ｐｈｅｉの値を測定する段階と、
ｃ）段階ｂ）で得られた振幅と相偏移の測定値と、処理手段に予め記憶させておいたデータと、関連する周波数の値とから、少なくとも１つの高さＰｉで、液相および／または気相の各々の比率を推定する段階と、
により決まる測定周期を少なくとも含むことを特徴とする。
【００２３】
【作用】
電磁場の周波数値ｆｅをｆｅ＋１に変化させて段階ａ）からｃ）を反復させることが可能である。
【００２４】
マイクロ波で異なる相を弁別する特性は誘電率で有り得る。
【００２５】
多相媒体は一定の断面の導管内を流れるので、段階ａ）からｃ）を含む測定周期を１回又は複数回、複数の場所で実行することが可能で、ここから電磁場の方向により決まる導管の断面及びマイクロ波ビームの伝播方向と平行ではない方向を有する導管の側面の１つでの少なくとも１つの相の分類及び比率を推定することが出来る。
【００２６】
複数の素子からなる送信アンテナと複数の素子を含む受信アンテナを用い、送信アンテナの全ての素子から多相媒体に放射を行って段階ａ）を行い、次に受信アンテナの全ての素子を走査することで段階ｂ）を実行し、段階ａ）と段階ｂ）とをかわるがわる実行することが出来る。
【００２７】
複数の素子からなる送信アンテナと複数の素子を含む受信アンテナを用い、送信アンテナの１つの素子から多相媒体に放射を行って段階ａ）を行い、次に受信アンテナの対応する１つの素子を走査することで段階ｂ）を実行し、送信アンテナと受信アンテナの全ての素子に対してこの操作を反復することが可能である。
【００２８】
複数の素子からなる送信アンテナと複数の素子を含む受信アンテナを用い、送信アンテナの１つの素子から多相媒体に放射を行って段階ａ）を行い、次に受信アンテナの全ての素子を走査することで段階ｂ）を実行し、段階ａ）と段階ｂ）とをかわるがわる実行することが可能である。
【００２９】
各相の性質と比率が既知の多相流体から段階ｃ）の予め記憶させておくデータを決定することが出来る。
【００３０】
周波数値が２ないし８ＧＨｚの範囲に含まれることが望ましいマイクロ波ビームを多相媒体に放射することが可能である。
【００３１】
電磁場を用いておよび／または超音波を用いて多相媒体に放射を行いドップラー効果によって多相媒体に含まれる液相および／または気相および／または固体相等の少なくとも１つの相の速度を測定し、各相または相の各々の流量を求めることが出来る。
【００３２】
本発明はまた既知の断面積の導管内を流れ少なくとも１つの液相と少なくとも１つの気相とから構成される多相媒体内に含まれる少なくとも１つの相の比率を決定するための装置に関し、該装置は組み合わせにおいて少なくともマイクロ波ビームなどの電磁場の放射手段と、少なくとも前記多相媒体を横断した電磁場の受信手段と、前記多相媒体を横断した電磁場の振幅と相偏移の測定値から前記導管の所定断面積あたりの液相および／または気相の占有率を直接求めることの出来る処理制御手段とを含む。
【００３３】
送信及び受信手段は複数の放射素子を含む広帯域アンテナとすることが出来、前記素子は第１の材質で相互に隔離されており、前記装置は導管のマイクロ波透過性窓と前記アンテナの間に配置した第２の材質（ｃ）を含み、前記第１と第２の材質は多相媒体に対する相対的誘電率変化に前記アンテナを対応させられるような誘電性を有する。
【００３４】
第１の材質はエポキシ樹脂また第２の材質は少なくとも１００℃に等しい温度と少なくとも１００ｂａｒまでの圧力変化に耐えられるようなセラミック材とすることが出来る。
【００３５】
本装置は前記多相媒体の少なくとも１つの相の速度を測定することの出来る装置を含むことがある。
【００３６】
本発明の方法ならびにその装置の応用は原油流体を構成する各相の比率の決定に関する。
【００３７】
更に本発明は従来技術で一般に用いられてきた方法に対して数多くの利点を提供する。例えば、マイクロ波の放射は操作員の危険なしに使用でき、ガンマ線、エックス線、又は中性子放射を行う装置と比べて装置の操作に少ない人員しか必要としない。更に、本装置で実現されている部材は製油業の分野で使用される装置に要求される可搬性を満たすような重量と寸法を備えている。
【００３８】
例えば数ミリメートル未満の波長のマイクロ波放射を用いることで異なった相同士の混合比率の正確な画像が得られ、測定精度を向上させることが出来る。各相の性質と量の決定は異なる周波数値での測定を行うことで改善される。
【００３９】
更に、一般的に使用される周波数範囲を用いるため装置の価格を安価に抑えられる。
【００４０】
本装置の提供する別の利点は多相流体の構造の時間的変動即ち誘電性物質の成分変動に対応した特殊アンテナの使用による。アンテナは流体が窓などのマイクロ波透過性の導管壁を通過する際の見かけの損失を最小限に抑えるように構成されている。
【００４１】
また、同期検出装置の使用により測定精度が向上する。
【００４２】
更に、本発明の装置は例えば原油流体の性質に由来する化学的浸蝕などの装置が接触する多相流体に由来する損耗に対して抵抗性がある。
【００４３】
本発明はこれを制限するものではない添付の図面に図示した実施例についての説明からより良く理解されまた利点も明らかとなろう。
【００４４】
【実施例】
以下に説明する実施例は導管内を流れる多相原油流体を構成する各相の比率を検出することが出来る。識別するまた比率を知りたい各相は例えば水又は塩水などの水様相と、油などの有機物相と、メタンを主成分とする気相とからなりこれらの相対的誘電率は各々６〜１００、２〜３、約１程度である。水と油又は気体の間の誘電率の相違は非常に大きいが気体と油の間の誘電率の差は比較的小さい。
【００４５】
塩水は例えば１リットルあたり０〜３００ｇ望ましくは０〜１００ｇの塩類を含む水である。
【００４６】
流体は例えば固体粒子の形状を成すような例えば砂粒子や水和物等の固体相を含むことがある。
【００４７】
以下に示す実施例では、複数の相からなる例えば多相流体などの中を伝播する際に電磁エネルギービーム又は電磁場例えばマイクロ波などが各相の性質の差に由来する誘電率又は導電性の値の差をなす不連続面に衝突した際に少なくとも一部が反射され拡散されることを利用するものである。
【００４８】
マイクロ波ビームが遭遇した不連続性又は不均一性により反射されることによるビームの大きさと相偏移の値を測定することでデータテーブルを作成し、異なる相の性質を検出しまた多相流体中に含まれる各相の比率を決定する。
【００４９】
有利にも、電磁ビームはエネルギーが数ミリワット程度と小さい。
【００５０】
各相の速度測定は多相流体内に含まれる各相の占有率の測定と組み合わせることで各相の容積率の値を導出することが出来る。
【００５１】
図１Ａ、図１Ｂに図示した装置は、多相流体例えば水又は塩水と油と気体とを含む原油流体などの多相流体が循環する測定導管１を含む。導管１は後述する測定に必要な装置に設けた方形の形状の測定素子を相互に結合した複数の素子を含む。流体は導管３から導入し、円筒形の断面から方形断面への流れの通過を最小限の攪乱で行うのに適した形状を有する第１の連結部材４を通り、さらに変形の際に発生した乱流を抑制するための抑制部材５を通過する。測定部材２と流体排出導管７の間の通路は測定部材２から流体排出導管７の形状に流れを適合させる役割を有する第２の連結部材６を介在させる。各々の部材２、３、４、５、６、７は例えば各々の部材の間の気密性確保が主要な目的で製油業の分野で一般に使用されるフランジ８などにより連結される。
【００５２】
有利にも、測定部材の方形の形状は流れる多相流体の大部分を相流にする傾向にあり、このような流れは流体の相の各々１つで構成される複数の相を形成する。このような流れの相により測定が容易になり、その結果作図が容易に行えるようになる。
【００５３】
さらに、測定部材２は例えば測定導管の入り口に配置した温度センサーＣｔと圧力センサーＣｐなどのセンサーを設けてある。これらのセンサーは誤差の補正を行うためのデータを収集する熱力学的条件を測定する。
【００５４】
図１Ｂに図示した装置は多相流体を構成する各々の相を定性定量するため即ち性質と比率を知るための測定系Ｃ１を含む。
【００５５】
本装置は、
−例えばマイクロ波供給源１０と、例えば複数の素子１２ｉで構成された送信アンテナ（図２Ａ、図２Ｂ参照）に同一振幅同一相のビームを伝送してアンテナ１２の全ての素子１２ｉがほぼ等しく均一な電磁場を放射できるようにするための装置１１、送信アンテナ１２とほぼ整列させて配置したマイクロ波透過性の窓１３を含むマイクロ波ビームなどの電磁場の放射ブロックを含む。供給源１０で精製されたマイクロ波ビームは窓１３を通して多相流体に放射され、次に原油流体内を通過しここで原油流体に含まれる不均一性のため一部が拡散される。窓１３と同一種類の窓１３'  の後ろに配置した受信ブロック１５は散乱されることなく流体を通過した初期電磁場と流体内に含まれる不純物又は不均一性により拡散された電磁場の一部とからなる電磁場を受信する。受信ブロックは、例えば複数のアンテナ素子１４ｉ（図２Ａ、図２Ｂ参照）を含む受信アンテナ１４と、アンテナの後方に配置してあり各々のアンテナ素子１４ｉで受信した電磁場を表す信号を供給するための装置１６とを含む。
【００５６】
送信アンテナ１２と受信アンテナ１４は例えば１ないし１０ＧＨｚ望ましくは２ないし８ＧＨｚの周波数範囲で作動する半固定円筒状の導波管により各々装置１１と１６に結合される。
【００５７】
装置１６は各々のアンテナ素子１４ｉを走査するため装置１６に含まれる整流子（図示していない）を制御するマルチプレクサ１７と通常の電気的結合２２を介して復調装置に結合した処理制御装置２１へ低周波信号を供給するのに適した既知の種類の復調装置１８へ結合してある。装置２１から供給される各々のアンテナ１４ｉの走査周波数は望ましくは多相流体の流れの速度より十分に高速となるように選択する。
【００５８】
処理制御装置２１は光カプラー結合によりモジュール１８に結合することが出来る。
【００５９】
装置２１は例えばデータを受信してこれを処理する能力を有するマイクロコントローラとすることが出来る。装置２１は前述の装置の大半とマイクロ波放射源を制御して本発明による方法の計測シーケンスを調整する。
【００６０】
有利にも、復調装置１８は信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善するため同期検出装置を含むことが出来る。この場合、マルチプレクサ１７は使用する信号を変調するための信号を供給する信号生成回路を含むことが出来る。
【００６１】
望ましくは窓１３、１３’を使用する周波数において減衰率が小さくあらゆる侵襲特に原油流体の化学的侵食からアンテナを保護するのに適した材質から作成する。透明窓１３はメタンとＨ2 Ｓ（硫化水素）に対して抵抗性の良好なＰＶＤＦで作成することが出来る。
【００６２】
測定導管に対して処理系全体を折り曲げられるような電気的物理的特性の可撓性ケーブルを用いてマイクロコントローラ２１を他の部材に結合することも可能である。このようにすると各相の分布の画像をマイクロコントローラのモニタ上で利用者に提供することが簡単に出来る。
【００６３】
図１Ｂ、図２Ｂ、図３に関連して説明した電気回路及びコンピュータの制御の実施例は例えば次のような段階を含む：
−マイクロコントローラ２１が送信動作を開始し
−同時に放射アンテナ１２の各々のアンテナ１２ｉへ周波数Ｆｅを有するマイクロ波ビームを発生させるマイクロ波放射源１０への送信命令を送り、
−その直後に受信アンテナの素子１４ｉを走査するために装置１６の整流子を起動するように例えば２００ＫＨｚに等しく選択した周波数でマルチプレクサ１７へ信号を供給し、
−復調装置１８が放射源からの基準信号も受信する。
【００６４】
基準信号と受信アンテナ１４の素子１４ｉから受信した信号に基づいて、復調装置１８はアンテナ素子１４ｉから受信した散乱電磁場の振幅Ａｅｉと同じ素子から受信した散乱電磁場の相偏移ＰＨｅｉの値に対応する２つの低周波信号を生成する。これらの値はマイクロ波供給源の周波数の値Ｆｅから得られる。
【００６５】
アンテナの各々の素子１４ｉは例えば高さＰｉで測定系の高さに位置を揃え、例えば散乱された電磁場の値ＡｅｉとＰＨｅｉが関連する即ちこの高さに対応する相の性質と量が関連する測定系の内部に向けて取り付ける。
【００６６】
アンテナ１４ｉで受信した散乱電磁場を表わす２つの信号ＡｅｉとＰＨｅｉはマイクロコントローラへ送信され、ここでＦｅを放射周波数とする値の組み合わせ［（Ａｅｉ，ＰＨｅｉ，Ｐｉ）Ｆｅ］を含むデータテーブルの形状で記憶する。
【００６７】
測定精度を向上させるためには、複数の周波数の値Ｆｅについて振幅と相偏移の値を測定することが可能である。この場合、前述したような周波数Ｆｅでの測定周期の最後に、マイクロコントローラが周波数の値を新しい値Ｆｅ＋１に変更して測定周期を再開し、新しいデータＡ（ｅ＋１）ｉ，ＰＨ（ｅ＋１）ｉの測定と記憶を高さＰｉの全てのアンテナ素子について繰り返す。
【００６８】
気体、油、水の３つの相の識別を最適化することの出来る望ましい周波数帯域は実験により求めることが出来た。
【００６９】
望ましくは次の４つの周波数帯域で実施する：
−帯域１＝２．１ＧＨｚ〜２．４ＧＨｚ
−帯域２＝２．６ＧＨｚ〜３．１５ＧＨｚ
−帯域３＝３．７ＧＨｚ〜４ＧＨｚ
−帯域４＝６．１ＧＨｚ〜６．３ＧＨｚ
【００７０】
これら４つの周波数帯域の中から、次のように４つの値を選択するのが望ましい：
Ｆ１≒２．６ＧＨｚ、Ｆ２≒３ＧＨｚ、Ｆ３≒３．８ＧＨｚ、Ｆ４≒６．１ＧＨｚ
【００７１】
上記のように選択した周波数の値では、
−実質的に３つの相の１つで導管が完全に満たされている場合、振幅と位相についてほぼ均一な受信アンテナの応答が得られる、
−２．６ＧＨｚにほぼ等しく選択した周波数は塩類濃度が高い流体に特に適合している。このような流体では信号の減衰が非常に大きいので、低い周波数を用いて雑音を抑えることが望ましい。
−周波数Ｆ１はさらに気相と油相の２つの相の振幅の識別が行える、
−周波数Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は全ての相について均一な応答を得ることが出来る。
【００７２】
例えばデータはデジタル化した点の行列の形状を成すことが出来る。
【００７３】
センサーＣｐ、Ｃｔで測定した温度値と圧力値を考慮するような適切なソフトウェアを用いて、マイクロコントローラでデータ処理を行い、データから流体内に存在する各々の相の比率を推定する。この比率は導管内においてアンテナ素子１４ｉの大きさにほぼ等しい高さと、導管の深さにほぼ等しい大きさをを有するスライスについて求めることが出来る。この処理は後述するように別の方法で行うことも可能である。
【００７４】
＊前述のように記憶させることで得られたデータテーブルと予備試験において得られたデータテーブルから測定データと予め得ているデータテーブルとの比較を行って側面Ｐｉに対応する相の性質と量を推定する段階を処理に含むことが出来る。
【００７５】
＊別の実施例において、処理は例えば測定したヒストグラムから決定した閾値と周波数の関数として得られた信号の大きさと位相の変動の動向の規則性を用いて各々の相の性質と比率を推定する。
【００７６】
大きさと位相についての閾値は試験において実施したリストグラムの積分値の１０％と９０％で計算する。
【００７７】
＊ニューラルネットワークを使用するデータ分類法を実施することも可能である。
【００７８】
＊相分布の画像はマイクロ波の伝播方向での各相の分布についての情報を得るため受信アンテナの全ての素子１４ｉから得られた信号の分析を行うことによって得ることが出来る。これは測定導管の深さおよび導管の高さにしたがって相の分布を決定することに対応する。受信した信号全ての振幅と位相を分析し、例えばトモグラフィーのアルゴリズムを適用する。
【００７９】
＊原油流体について行った実験は層流構造を有する油と水と気体の相を含む即ち各々の相が密度にしたがって配置された導管内の相の形状を成しており、以下の表にまとめたように大きさと位相を決定するための上下の閾値を得ることが出来た。
【００８０】
【表１】
0003654964.tif 000002
【００８１】
予め記憶させてあるデータは既知の組成の流体と一定の圧力温度状態から得ることが出来る。
【００８２】
有利にも、本発明の範囲を逸脱することなく、例えば次の方法を実行することで測定精度を改善することが可能である：送信アンテナの素子１２ｉを作動させ同時に対応する受信アンテナの素子１４ｉを走査する。送信及び受信アンテナの全ての素子の組み合わせ（１２ｉ、１４ｉ）について同様の走査を繰り返す。
【００８３】
また次のような方法を用いることも出来る：電磁場を放射する送信アンテナの素子１２ｉを作動させ、受信アンテナの全ての素子又は一部の素子１４ｉを走査して散乱信号を測定する。アンテナ素子１４ｉについて全てを１度に又は１つづつ順次走査することが出来る。
【００８４】
このようにして物理現象を表わす補助的な情報を得ることが出来、これによって、例えば適切な処理アルゴリズムを用い、例えば画像化することで得られた各相についてのより正確な量を決定することが出来る。
【００８５】
図２Ａと図２Ｂは本発明による装置で使用するアンテナの詳細図と測定導管に対する配置を示す。アンテナの構成並びにアンテナを実現する材質の選択により望ましくは２〜８ＧＨｚの広い周波数帯域で機能させることが出来るようになる。
【００８６】
アンテナは例えば１〜３００の間望ましくは１〜１００の間で誘電率の値が比較的変動する原油流体に適している。
【００８７】
図２Ａと図２Ｂに図示したアンテナ１２、１４は相互に並置してありエポキシ樹脂など素子同士を連結子例えば１００ｂを超える比較的高い圧力と少なくとも１００℃に等しい比較的高温に素子が耐えられるようにするための材料ｒで隔離した３２個の素子１２ｉと３２個の素子１４ｉを含む。この樹脂の誘電率の値はほぼ４に等しく、ＣＩＢＡ社から発売されている市販のＣＷ１９１ＢＯ／ＨＹ２９５４ＢＤ型の樹脂とすることが出来る。
【００８８】
送信アンテナ１２の放射表面はマイクロ波透過性窓に密着させそのアンテナ素子１２ｉ全てから放射表面の前面においてほぼ均一で同相のマイクロ波を放射する。
【００８９】
アンテナ１２と窓１３の間にセラミックなどたとえば２から８ＧＨｚの間で変化することのあるマイクロ波ビームのエネルギーと位相の伝送を最適化するようにまた原油流体内に最大限の透過が得られるように選択した部材を配置することが出来る。
【００９０】
有利にも、セラミックは原油流体の相対透過率の最大値と最小値の関数として選択される相対透過率がほぼ３０に等しい値を有している。
【００９１】
図示していない別の実施態様において、アンテナ１２と１４は例えばサティモ（ＳＡＴＩＭＯ）社のフランス特許第ＦＲ−２，６３５，１８７号に開示されているような線形素子で構成される。この素子は多素子アンテナについて前述したような基準に合わせて材質を選択したマイクロストリップ状のアンテナプレートに固定する。
【００９２】
図２Ａと図２Ｂに図示した多素子アンテナ１２、１４は前述の線型素子を含むアンテナに比べて感度が高い。送信及び受信アンテナの素子１２ｉ、１４ｉの間隔又は距離は例えば装置において得られる空間解像度即ち不均一性によって散乱される電磁場の測定点の間の距離にしたがって設定する。
【００９３】
別の実施例において、本発明による装置では導管内を流れる各々の相についての流速を求めることが出来る。
【００９４】
速度測定のために設けた測定系Ｃ２（図１Ｂ参照）は測定装置を有利に補完することが出来る。例えば測定系は各相の定量的測定系Ｃ１の後方に配置することが出来る。
【００９５】
測定系Ｃ２は例えばビーム放射装置２３と、多相流体を横断したマイクロ波の受信装置２４とを含み、受信装置２４はマイクロコントローラ２１に接続してある信号処理装置２５に接続する。素子は電気的結合２２と同一の電気的結合で接続する。
【００９６】
受信装置２４と信号処理装置２５は例えば本発明の出願人のフランス特許出願第ＦＲ−９４／０８３８０号に記載されている装置と類似の装置とし、例えば測定導管の高さで導管内を流れる多相流体についての速度範囲を実現することが出来る。
【００９７】
更に別の実施の方法は適切な装置を用いて当業者に周知のようにドップラー効果による速度測定を行うことである。
【００９８】
ビームの放射装置はマイクロ波などの電磁波又は超音波などの圧力波の放射源を含むことが出来る。
【００９９】
このような測定系Ｃ２は導管のある点における速度の値を正確に決定することが出来る。この情報をマイクロコントローラに転送して信号処理の段階で積分し例えば図１Ａ、図１Ｂ、図３に関連して説明したような方法の各段階にしたがって性質を特定した１つの相に１つの速度値を対応させるようにする。相の速度値と性質から、適切な論理モデルを使って、多相流体の１つの相について導管の複数の点での流量を決定することが出来る。
【０１００】
これに関連した密度測定は各相の各々の流量の値を補完することが出来る。
【０１０１】
本発明の有利な態様において、原油流体の相の各々について速度測定を行い各々の相についての流量の正確な値を得るようにする。
【０１０２】
図４に関連して説明する好適な実施態様において、測定導管内を循環する流体の各相の分布の表示を行うためと同時に各々の相について放射のドップラー効果による速度測定を行うために単一の測定系を使用する。
【０１０３】
図４に図示した装置は図１Ｂに図示した装置とは、特に図１Ｂの測定系Ｃ１の部材の配置と構成が異なる。実際に、マイクロ波ビームの放射に必要な全ての部材（９、１０、１１、１２、１３）を含む測定系Ｃ１の送信部分は測定導管の一側面に配置してあり信号の受信に必要な部材（１３’１４、１５、１６）を含む部分は測定導管の他方の速面に配置しドップラー信号を得るために放射部分に対してずらしてある。マルチプレクサ１７と復調装置１８は結合２２により図１Ｂについて説明したのと同様にマイクロコントローラ２１へ結合する。
【０１０４】
多相流体の各相の速度の表示と測定を実現する方法は信号処理で前述した実現方法の１つとは異なっている。
【０１０５】
マイクロコントローラ２１は該分野の当業者には周知の信号のスペクトル分析例えばドップラースペクトルの分析を行い測定導管の高さで得られた速度プロフィールから水、油、気体の各相の速度を決定するため復調装置１８からの信号の処理を行う更なる段階を実行する。導管の断面のある場所について１つの相の性質と量およびその相に関連する速度が分ると、適切なソフトウェアを用いて導管の複数の場所又は領域での流体の各相についての流量を決定することが出来る。
【０１０６】
この実施態様は１つの相の量と速度を検出し流量を推定するために単一の測定モジュール又は測定系を使用していることから特に有利である。
【０１０７】
図５に図示した別の実施態様では、例えば第１の測定系Ｃ１（図１Ｂ参照）の後方に配置した第２の測定系を用いて多相流体の速度プロフィールを測定するために反射ドップラー効果を用いる。
【０１０８】
測定系Ｃ２は放射及び受信手段３１例えば図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂを参照して説明したアンテナと構造及び性質が同一のアンテナを含み、この多素子アンテナ３１は送信ならびに受信が出来るという利点を提供する。
【０１０９】
この場合、ドップラー効果は送受信アンテナ３１を一定の角度例えば測定導管２に対して３０°程度傾斜させることで得られる。
【０１１０】
第２の放射源１０’はマルチプレクサ３０と装置３２を介して送受信アンテナ３１に結合させ、該回路は特に送受信アンテナ３１の素子３１ｉに放射源１０’からのマイクロ波信号とまた検出処理回路へこのアンテナの素子で受信した拡散信号とを恒久的に伝送する役割を有する。
【０１１１】
マイクロコントローラ２１は、各々の相の量の測定系又は表示系Ｃ１と速度又は速度範囲測定系Ｃ２’を例えばシーケンス制御する。特に測定系Ｃ２’の段階でマイクロ波の放射時刻と送受信アンテナ３１の素子３１ｉの多重化を制御する。
【０１１２】
マイクロコントローラ２１は処理モジュール３３から出力された信号のスペクトル分析も行って導管の高さにおける速度プロフィールを検出しまた多相流体の１つの相に関連する速度値を得る。適切なソフトウェアにより、例えば、ドップラースペクトルから原油多相流体の速度に直接的に比例するドップラー周波数を求めることが出来る。
【０１１３】
図６に図示した装置は測定部材２に図面においてＣ１とＣ１”でそれぞれ図示したＣ１（図１Ｂ）同様の２つの測定系をまとめてある。第１の測定系Ｃ１は図１Ｂと同様に多相流体の表示を行うことを目的としている。第２の測定系Ｃ１’の受信アンテナ１４’は送信アンテナ１２’に対して測定導管の軸にそってずらし多相流体の速度又は速度プロフィールを測定するように成してある。２つの測定系は相の量とその速度を表す測定値を得るために互いに十分に接近して配置する。この装置の変形の実施は図６に関して説明したことと同一であるが、伝送ドップラー効果を用いる第２の測定系から受信した信号の処理が異なる。
【０１１４】
送信装置、受信装置、復調装置、マルチプレクサ、マイクロコントローラは図１Ｂに図示した装置と同一である。
【０１１５】
本発明の範囲を逸脱することなく、測定部材２は距離ｄ（図面上には図示していない）だけ離してＣ１の形式の２つの測定系を備えることが出来る。
【０１１６】
第１の測定系は所定の時刻ｔにおける流れの表示を行い、第２の測定系は所定の時刻ｔ＋δｔでの流れの表示を行う。ここでδｔは流れの速さと距離ｄの関数である。第１の測定系および第２の測定系のアンテナ素子から受信した信号の古典的相互相関法により流体の各々の相の速度と比率を確定することが出来る。
【０１１７】
測定部材２は有利にもチューブ２４などの外部侵襲から部材を保護し石油業界の安全基準に装置を良く適合させるような気密性の保護外套を設けてある。
【０１１８】
測定導管１は原油流体により侵されないような材質特に硫化水素により腐食しないような材質で実施するのが望ましい。図面には図示していないが内部および／または上部に配置してアンテナ部材の寄生放射を減少させ測定精度ならびにテーブルのデータから得られる導管の内部及び上部のデジタル化画像の品質を向上させることの出来るような高周波を吸収する材質を含むことが出来る。
【０１１９】
周波数可変の供給源を所定のマイクロ波の周波数で放射し数マイクロ秒程度で１つの周波数から別の周波数へ切り換えることの出来る適当な装置を介してマイクロコントローラへ接続した複数の供給源に置き換えた場合にも本発明の範囲から逸脱するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の斜視図とその原理の略図である。
【図２】アンテナとその配置の詳細図である。
【図３】本発明による信号の制御処理装置を構成する部材の構成の実施例である。
【図４】各相の量と速度を検出するための単一測定系を含む実施態様を示す。
【図５】第１の測定系の前にドップラー効果による速度測定系を配置した別の実施例である。
【図６】１つの相の量と速度を検出するためにマイクロ波を使用する２つの測定系を含む実施態様を示す。
【符号の説明】
１      導管
２      測定部材
３      導管
４      連結部材
５      抑制部材
９      放射ブロック
１０    マイクロ波供給源
１２    アンテナ
１３    窓
１３’  窓
１４    受信アンテナ
１５    受信ブロック
１６    信号供給装置
１７    マルチプレクサ
１８    復調装置
２１    処理制御装置（マイクロコントローラ）
２２    電気的結合
２３    放射装置
２４    受信装置
２５    信号処理装置
３０    マルチプレクサ
３１    送受信アンテナ
３２    回路
３３    処理装置
Ｃ１    測定系
Ｃ２    測定系
【図１Ａ】
0003654964.tif 000003
【図１Ｂ】
0003654964.tif 000004
【図２Ａ】
0003654964.tif 000005
【図２Ｂ】
0003654964.tif 000006
【図３】
0003654964.tif 000007
【図４】
0003654964.tif 000008
【図５】
0003654964.tif 000009
【図６】
0003654964.tif 000010