(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の密度状態にて、１以上の圧縮不可能な要素及び１以上の圧縮可能な要素を含む複数要素の流体の第１の密度ρ１を測定する工程と、
第１の密度状態から第２の密度状態へ複数要素の流体を調整する工程と、
第２の密度状態にて、複数要素の流体の第２の密度ρ２を測定する工程と、
圧縮可能な要素又は圧縮不可能な要素の少なくとも１つの１以上の流体特性を決定する工程を有し、
複数要素の流体流れ内の１以上の圧縮不可能な要素と１以上の圧縮可能な要素の比は、第１の密度状態と第２の密度状態にて同じである、方法。
【請求項２】
前記決定する工程は、１以上の圧縮不可能な要素の結合された密度を決定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の密度ρ１を測定する工程は、第１のコリオリ流量計を用いる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の密度ρ２を測定する工程は、第２のコリオリ流量計を用いる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
更に、第１の密度ρ１を測定した後であって、第２の密度ρ２を測定する前にしきい時間を待つ工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の密度状態は、第１の圧力Ｐ１及び第１の温度Ｔ１を含み、前記第２の密度状態は、第２の圧力Ｐ２及び第２の温度Ｔ２を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
更に、複数要素の流体の流量を測定する工程と、
該複数要素の流体の１以上の要素の体積分率を決定する工程と、
測定された流量及び体積分率に基づいて１以上の要素の流量を決定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
流体測定システム(100)であって、
１以上の圧縮不可能な要素及び１以上の圧縮可能な要素を含む複数要素の流体を受け入れるように構成されたパイプライン(103)と、
第１の流量計(5)であって、
前記パイプライン(103)と流体が行き来可能に繋がった第１のセンサ組立体(101)と、
前記複数要素の流体の少なくとも第１の密度ρ１を測定するように構成されたメータ電子機器(22)とを含む第１の流量計(5)と、
前記パイプライン(103)及び第１のセンサ組立体(101)と流体が行き来可能に繋がり、前記複数要素の流体の圧力及び/又は温度を調整することにより、前記複数要素の流体の密度を第１の密度状態から第２の密度状態に調整するように構成された密度調整器(104)と、
前記第１の密度状態における前記複数要素の流体の第１の密度ρ１及び前記第２の密度状態における前記複数要素の流体の第２の密度ρ２に基づいて、圧縮不可能な要素又は圧縮可能な要素の少なくとも１つの１以上の流体特性を生成するように構成された処理システム(25)とを備え、
複数要素の流体流れ内の１以上の圧縮不可能な要素と１以上の圧縮可能な要素の比は、第１の密度状態と第２の密度状態にて同じである、流体測定システム(100)。
【請求項９】
更に、前記パイプライン(103)及び密度調整器(104)と流体が行き来可能に繋がった第２のセンサ組立体(102)を有する第２の流量計(6)を備え、前記密度調整器(104)は前記第１のセンサ組立体(101)と第２のセンサ組立体(102)との間に位置する、請求項８に記載の流体測定システム(100)。
【請求項１０】
更に、前記第２の密度状態にて、少なくとも前記複数要素の流体の第２の密度ρ２を測定するように構成された第２のメータ電子機器(24)を備える、請求項９に記載の流体測定システム(100)。
【請求項１１】
更に、前記第１のセンサ組立体(101)に隣接した１以上の圧力センサ(105a、105b)、及び前記第２のセンサ組立体(102)に隣接した１以上の圧力センサ(106a、106b)を備えた、請求項９に記載の流体測定システム(100)。
【請求項１２】
前記第１の圧力センサ(105a)は前記第１のセンサ組立体(101)の上流に位置し、前記第２の圧力センサ(105b)は前記第１のセンサ組立体(101)の下流に位置し、
第３の圧力センサ(106a)が前記密度調整器(104)の下流であって、前記第２のセンサ組立体(102)の上流に位置し、第４の圧力センサ(106b)が第２のセンサ組立体(102)の下流に位置している、請求項１１に記載の流体測定システム(100)。
【請求項１３】
更に、前記第１及び第２の密度状態にて、複数要素の流体の温度を測定するように構成された１以上の温度センサを備える、請求項８に記載の流体測定システム(100)。
【請求項１４】
前記処理システム(25)は、第１のメータ電子機器(22)の一部を含む、請求項８に記載の流体測定システム(100)。
【請求項１５】
前記第１の流量計(5)は、コリオリ流量計を含む、請求項８に記載の流体測定システム(100)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
下記の実施形態は、複数要素の流体に関し、特に１以上の圧縮可能な要素と１以上の圧縮不可能な要素を有する複数要素の流体の種々の流体特性を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コリオリ質量流量計（フローメータ）および振動型デンシトメータの如き振動式導管センサは、一般的に、流動物質を収容している振動する導管の運動を検出することにより作動するようになっている。質量流量、密度などの如き導管内の物質に関する物性は、導管に接続されている運動トランスデューサから受け取る測定信号を処理することにより求めることができる。物質を充填した振動システムの振動モードは、収容している導管およびその導管に収容されている物質の質量、剛性およびダンピング特性を組み合わせたものに影響されるのが一般的である。
【０００３】
典型的な振動型流量計は、パイプラインまたは他の移送システムにインラインで接続されているとともに、システム内のたとえば流体、スラリー、エマルジョンなどの物質を移送する１つ以上の導管を有している。各導管は、たとえば単純曲げモード、ねじれモード、ラジアルモードおよび結合モードを含む一組の固有の振動モードを有していると考えることができる。コリオリ式質量流量測定の典型的な用途では、物質が導管を流れている時に、導管が１つ以上の振動モードで励振され、導管の運動が、導管の間隔をおいて位置する複数の部位で測定される。励振は、通常、導管を周期的に摂動するボイスコイルタイプのドライバの如き電気機械デバイスのようなアクチュエータによって加えられる。質量流量については、複数のトランスデューサ設置位置での振動と振動との間の遅延時間または位相差を測定することによって決定される。このようなトランスデューサ（または、ピックオフセンサ）は、通常２つ用いられて１つ以上のフロー導管の振動応答が測定され、通常アクチュエータの上流側および下流側に配置される。これらの２つのピックオフセンサは２つの独立した一対のワイヤのようなケーブルによって電子計装装置に接続される。電子計装装置は、２つのピックオフセンサから信号を受け取り、これらの信号を処理してたとえば質量流量測定値などを算出する。
【０００４】
振動型流量計は、１つの要素の流れには高い正確性を提供する。しかし、振動型流量計がガスが混入した流体、混入したガスを含む液滴、又は圧縮可能及び圧縮不可能な要素を含む他のタイプの流体を測定するのに用いられるとき、流量計の正確さは著しく低下する。画素の混入は一般に流れ材料内の泡として現れる。ガスの泡によって引き起こされる１つの問題は分離である。流量計が振動すると、一般に小さな泡が液体流れ材料と共に動く。
しかし、大きな泡は流れチューブの振動時には液体と共に動かない。その代り、泡は液体から分離して、液体と独立に動く。従って、液体は泡の周りを流れる。これは流量計の振動応答に悪影響を与える。
【０００５】
混入したガスの泡のサイズは流体速度、粘度、表面張力及び他のパラメータによって変化する。性能の低下の程度はどれだけの総量のガスが存在するかのみならず、流れ内の個々のガスの泡のサイズにも関係する。泡のサイズは測定の正確さに影響する。大きな泡は大きな容積を占有し、大きな範囲に分離し、流れ材料の測定の大きなエラーに繋がる。ガスの圧縮性故に、泡はガスの総量を変え、必ずしもサイズは変化しない。逆に圧力が変化すると、泡のサイズは対応して変化し、圧力が低下すると拡がり、圧力が増加すると縮まる。これはまた、流量計の固有振動数又は共振周波数の変化も引き起こす。
【０００６】
振動型流量計は流体流れの広範な変化について質量流量及び密度の測定を実行するのに用いられる。コリオリ流量計が用いられる１つの領域は、油田及びガス田の測定である。そのような田からの生産物は、石油又はガスを含む複数要素の流体を含み、また例えば水及び空気のような他の要素も含む。そのような複数要素の流れでも測定の結果は出来るだけ正確であるのが非常に望ましい。更にそのような状況において、ユーザはしばしば流体の全体の流量及び密度だけでなく、複数要素の流れの個々の要素の液体相の密度及び流量のような他の流体特性も知りたい。しばしば、コリオリ流量計は流体の全体の流速及び密度のみを測定する。密度が既知の２つの液体要素の場合、従来技術の流量計にて個々の要素の割合及び流量を決定することは可能である。現在市販の流量計電子機器は、流体は石油と水のみを含むと推測し、方程式(１)及び(２)を用いて各要素の量を決定する。石油及びガス産業にて、このアルゴリズムはネットオイルコンピュータとして知られている。
【数１】
0006022064.tif 000002
ここでΦ0は石油の体積分率、Φｗは水の体積分率、ρｍｅａｓｕｒｅｄは振動型流量計によって測定された流体密度、ρ０は石油の密度、ρｗは水の密度である。
【０００７】
方程式(１)及び(２)を用いて、水と石油の密度が既知又は仮定されると、石油と水についての体積分率が決定される。体積分率が決定された状態で、個々の要素の流量が決定される。２つの異なる要素間の分離(非干渉)により、方程式 (２)にて測定された密度は実際には少し不正確であることに注目するのは重要である。しかし、水と石油の密度が同様であるから、分離は非常に小さく、測定は一般には十分に正確である。
しかし、システムが方程式(１)と(２)のみを用いるとき、且つ混入したガスが存在するとき、結果として生じる低い全体の流体密度は、高い石油の体積分率によって引き起こされたと不正確に解釈され、メータ電子機器は流れ内の高い石油の流量及び石油の全体量を出力する。多くの現実的な用途にて、流体はネットオイルコンピュータの測定の正確性を劇的に減じるガスを含む。従って、流体は流量計による出力と同じ量の石油を含まない。ユーザは油田は十分な量の石油をまだ生産していると考えているが、実際は水とガスの身を生産しているとして、これは問題がある。システム内のガスの存在は、方程式(１)及び(２)が方程式(３)及び(４)に移行する結果となる。
【数２】
0006022064.tif 000003
ここで、Φｇはガスの体積分率、ρｇはガスの密度である。
理解されるように、方程式(３)及び(４)は２つの方程式に帰結するが、３つの独自の解を有さない未知数(３つの体積分率)がある。
【０００８】
振動型流量計が用いられる他の領域は、食物及び飲料産業である。例えば、酪農産業にてユーザは種々の処理及び品質の理由について、搬送されるミルクの密度を知りたい。しかし、しばしば、流れるミルクは混入した空気泡を含む。従って、振動型流量計によって付与された所定の密度について、測定された密度が空気の低い密度に影響されているから、ユーザはミルクの密度を確信できない。更に、ミルクと空気の体積分率は未知である。
上記に概説された問題は主に、混入されたガスを有する液体を含むが、同様の問題は、１以上の圧縮不可能な液体に混合した１以上の圧縮可能な液体を含む複数要素の流体に存在することは理解されるべきである。「圧縮可能」は、要素の密度が対象となるシステム内で被る作動条件内にて、しきい量だけ変化することを意味する。これらの圧縮可能な流体はガスが混入した液体、２つ以上の液体(少なくとも１つは圧縮可能な液体を有する)、又は液滴が混入したガスを含む。
当該技術分野にて、１以上の圧縮不可能な流体と１以上の圧縮可能な流体を有する複数要素の流体の流れ特性を正確に測定することが出来る振動型流量計を求めるニーズが残っている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態に従って、方法が提供される。方法は、第１の密度状態にて、１以上の圧縮不可能な要素及び１以上の圧縮可能な要素を含む複数要素の流体の第１の密度ρ１を測定する工程を有する。一実施形態に従って、方法は更に第１の密度状態から第２の密度状態へ複数要素の流体を調整する工程を有する。一実施形態に従って、方法は更に、第２の密度状態にて、複数要素の流体の第２の密度ρ２を測定する工程と、圧縮可能な要素又は圧縮不可能な要素の少なくとも１つの１以上の流体特性を決定する工程を有する。
【００１０】
一実施形態に従って、流体測定システムが提供される。流体測定システムは、１以上の圧縮不可能な要素及び１以上の圧縮可能な要素を含む複数要素の流体を受け入れるように構成されたパイプラインを備える。一実施形態に従って、流体測定システムは更に、前記パイプラインと流体が行き来可能に繋がった第１のセンサ組立体と、複数要素の流体の少なくとも第１の密度ρ１を測定するように構成されたメータ電子機器とを含む第１の流量計を備える。
一実施形態に従って、流体測定システムは更に、前記パイプライン及び第１のセンサ組立体と流体が行き来可能に繋がり、前記複数要素の流体の圧力及び/又は温度を調整することにより、前記複数要素の流体の密度を第１の密度状態から第２の密度状態に調整するように構成された密度調整器を備える。処理システムが配備され、該処理システムは第１の密度状態における前記複数要素の流体の第１の密度ρ１及び前記第２の密度状態における前記複数要素の流体の第２の密度ρ２に基づいて、圧縮不可能な要素又は圧縮可能な要素の少なくとも１つの１以上の流体特性を生成するように構成されている。
【００１１】
態様
一態様に従って、方法は、
第１の密度状態にて、１以上の圧縮不可能な要素及び１以上の圧縮可能な要素を含む複数要素の流体の第１の密度ρ１を測定する工程と、
第１の密度状態から第２の密度状態へ複数要素の流体を調整する工程と、
第２の密度状態にて、複数要素の流体の第２の密度ρ２を測定する工程と、
圧縮可能な要素又は圧縮不可能な要素の少なくとも１つの１以上の流体特性を決定する工程を有する。
前記決定する工程は、１以上の圧縮不可能な要素の結合された密度を決定する工程を含むのが好ましい。
前記第１の密度ρ１を測定する工程は、第１のコリオリ流量計を用いる工程を含むのが好ましい。
前記第２の密度ρ２を測定する工程は、第２のコリオリ流量計を用いる工程を含むのが好ましい。
更に、第１の密度ρ１を測定した後であって、第２の密度ρ２を測定する前にしきい時間を待つ工程を含むのが好ましい。
前記第１の密度状態は、第１の圧力Ｐ１及び第１の温度Ｔ１を含み、前記第２の密度状態は、第２の圧力Ｐ２及び第２の温度Ｔ２を含むのが好ましい。
【００１２】
方法は更に、
複数要素の流体の流量を測定する工程と、
該複数要素の流体の１以上の要素の体積分率を決定する工程と、
測定された流量及び体積分率に基づいて１以上の要素の流量を決定する工程を含むのが好ましい。
他の態様に従って、流体測定システムは、
１以上の圧縮不可能な要素及び１以上の圧縮可能な要素を含む複数要素の流体を受け入れるように構成されたパイプラインと、
第１の流量計であって、
前記パイプラインと流体が行き来可能に繋がった第１のセンサ組立体と、
前記複数要素の流体の少なくとも第１の密度ρ１を測定するように構成されたメータ電子機器とを含む第１の流量計と、
前記パイプライン及び第１のセンサ組立体と流体が行き来可能に繋がり、前記複数要素の流体の圧力及び/又は温度を調整することにより、前記複数要素の流体の密度を第１の密度状態から第２の密度状態に調整するように構成された密度調整器と、
前記第１の密度状態における前記複数要素の流体の第１の密度ρ１及び前記第２の密度状態における前記複数要素の流体の第２の密度ρ２に基づいて、圧縮不可能な要素又は圧縮可能な要素の少なくとも１つの１以上の流体特性を生成するように構成された処理システムとを備えている。
【００１３】
流体測定システムは更に、前記パイプライン及び密度調整器と流体が行き来可能に繋がった第２のセンサ組立体を有する第２の流量計を備えるのが好ましく、前記密度調整器は前記第１のセンサ組立体と第２のセンサ組立体との間に位置する。
流体測定システムは更に、前記第２の密度状態にて、少なくとも前記複数要素の流体の第２の密度ρ２を測定するように構成された第２のメータ電子機器を備えるのが好ましい。
流体測定システムは更に、前記第１のセンサ組立体に隣接した１以上の圧力センサ、及び前記第２のセンサ組立体に隣接した１以上の圧力センサを備えるのが好ましい。
前記第１の圧力センサは前記第１のセンサ組立体の上流に位置し、前記第２の圧力センサは前記第１のセンサ組立体の下流に位置し、第３の圧力センサが前記密度調整器の下流であって、前記第２のセンサ組立体の上流に位置し、第４の圧力センサが第２のセンサ組立体の下流に位置しているのが好ましい。
流体測定システムは更に、前記第１及び第２の密度状態にて、複数要素の流体の温度を測定するように構成された１以上の温度センサを備えているのが好ましい。
前記処理システムは、第１のメータ電子機器の一部を含むのが好ましい。
前記第１の流量計は、コリオリ流量計を含むのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、一実施形態に従った流体測定システムを示す。
【図２】図２は、一実施形態に従った独立したガス及び液体の流量計と圧縮可能な流体の体積分率とによって決定される混合物の密度からの密度誤差を示すグラフである。
【図３】図３は、一実施形態に従った処理ルーチンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１−図３及び以下の記述は特定の例を記載して、流体測定システムの実施形態の最良のモードを作り使用する方法を当業者に開示する。進歩性を有する原理を開示する目的で、いくつかの従来の態様は単純化されたか省略された。
当業者は、これらの例示から現在の記述の範囲以内にある変形例を理解するだろう。当業者は、下記に述べられた特徴が種々の方法で組み合わされて、流体測定システムの多数の変形例を形成することを理解するだろう。その結果、下記に述べられた実施形態は、下記に述べられた特定の例にではなく特許請求の範囲とそれらの等価物によってのみ限定される。
【００１６】
図1は実施形態に従って、流体測定システム100を示す。
実施形態によれば、流体測定システム100は第１の流量計5及び第２の流量計6を含む。他の実施形態では、第２の流量計6なしで第１の流量計5が提供されてもよい。そのような実施形態は、より詳細に下記されるように、流体が流れていない状況に最も適している。
実施形態によれば、第１の流量計5はセンサ組立体101及びメータ電子機器22を含む。センサ組立体101及びメータ電子機器22は1つ以上のリード21によって電気的に通信可能である。実施形態によれば、第2の流量計6はセンサ組立体102及びメータ電子機器24を含む。
センサ組立体102及びメータ電子機器24は1つ以上のリード23によって電気的に通信可能である。示された実施形態によれば、第１及び第２の流量計5、6はコリオリ流量計である。しかし、コリオリ流量計の測定能力を欠く他のタイプの流量計、例えば振動型デンシトメータが使用されてもよい。
使用される特定のタイプの流量計は現在の実施形態の範囲を限定しない。しかし、流量計5、6は少なくとも流体の密度を測定することができるのが好ましい。
【００１７】
実施形態によれば、２つのメータ電子機器22、24は互いに電気的に通信可能である。
別の実施形態によれば、２つのメータ電子機器22、24は、夫々リード27、28によって共通の処理システム25と電気的に通信可能である。共通の処理システム25は、２つのメータ電子機器22、24から受信した信号を処理することができる、リード26を介してユーザに所望の情報を出力する。
例えば、処理システム25は各メータ電子機器22、24から種々の測定を受信し、該受信した測定に基づいて複数要素の流体の1以上の流体特性を決定する。処理システム25は個別の要素として示されるが、他の実施形態では、処理システム25は１つのメータ電子機器22、24の一部であってもよい。
【００１８】
また、別の実施形態によれば、センサ組立体101、102は両方とも、メータ電子機器22のような単一のメータ電子機器と電気的に通信可能であり、メータ電子機器22の処理システム25は必要な信号処理をすべて行なうことができ、リード30を介してユーザに所望の情報を出力する。リード29及び30は代替の実施形態を例証するために点線として示される。
一実施形態によれば、第1及び第2のセンサ組立体101、102は流体パイプライン103との流体が行き来可能に位置している。流体パイプライン103は、1つ以上の圧縮可能な要素及び1つ以上の圧縮不可能な要素を含む複数要素の流体を受け入れることができる。
一旦複数要素の流体が流体パイプライン103に受け入れられれば、少なくとも第１の流量計5は複数要素の流体の密度を測定することができる。測定中に、流体は流れているか、或いは静止している。
【００１９】
一実施形態によれば、第1及び第2のセンサ組立体101、102は、流体パイプライン103内にて密度調整器104によって分離される。密度調整器104はバルブ、ポンプ、パイプの長さ、縮小し又は拡大した横断面積を含むパイプの長さ、ヒーター、冷却器などを含み得る。当業者は、密度調整器104がパイプライン103内を流れる流体の圧縮可能な要素の密度が変わるように、複数要素の流体の密度状態を変更することができる任意のタイプの装置を含むことができることを容易に認識するだろう。
例えば石油、水、上記のガスの結合物を用いて、密度調整器104は石油と水の密度が同じであることを保ちつつ、ガスの密度を変更することができる。従って、密度調整器104は流体の圧縮可能な要素の密度、このように体積分率が、第１の密度状態における第１のセンサ組立体101と第２の密度状態における第２のセンサ組立体102の間で異なるように、提供される。当業者は、圧力及び/又は温度の調節により、２つの密度状態の間で圧縮可能な流体の密度が変更されることを容易に認識するだろう。
例えば、流体がパイプラインを通って流れており、第1及び第2の両流体センサ5、6が提供される場合、密度調整器104は第1及び第2のセンサ組立体101、102との間で複数要素の流体の圧力を増加させるポンプを含む。
【００２０】
或いは、他の実施形態では、密度調整器104は、複数要素の流体中のエネルギーが失われて圧力損失に帰着する制御バルブあるいはあらゆる要素も含み得る。複数要素の流体は第１のセンサ組立体101に入り、第１の温度及び圧力を持った第１の密度状態を含む。
その後、複数要素の流体は、第2のセンサ組立体102内で制御バルブあるいは別の要素を通過し、該制御バルブあるいは別の要素は第2の圧力及び/又は温度で、複数要素の流体に第２の密度状態を供給する、圧力利得かロスに帰着する。
他の実施形態では、第１のセンサ組立体101だけが付与されて、第１の温度及び圧力を有する第１の密度状態にて、複数要素の流体で満たされる。バルブは簡潔に開かれて、幾らかの流体が漏れることを許し、次に再び閉じて第２の圧力及び/又は温度にて複数要素の流体に第２の密度状態を供給することができる。理解されるように、密度調整器104は、流体のあらゆる圧縮不可能な要素の密度を変更しない。
【００２１】
また、図１には、第１のセンサ組立体101に関連した上流圧力センサ105a及び下流圧力センサ105bが示され、同様に第２のセンサ組立体102に関連した上流圧力センサ106a及び下流圧力センサ106bが示されている。図１には4つの圧力センサ105a、105b、106a、106bが示されるが、4つ未満の圧力センサが付与され得ることが理解されるだろう。例えば、幾つかの実施形態において、2つの圧力センサだけが必要で、1つの圧力センサーが密度調整器104から上流で、別の圧力センサが密度調整器104から下流である。
幾つかの実施形態において、ちょうど２つの圧力センサを１つの上流及び１つの下流に配備して、センサ組立体101、102内の圧力の十分な精密評価(close enough estimate)を提供することが出来る。
例えば、もし流体測定システム100が単に圧力センサ105a及び圧力センサ106aを含んでいれば、これらの2つの圧力センサはその後の演算に用いられ、幾つかの実施形態にてセンサ組立体101、102内の実際の圧力が、許容可能な許容差内かの十分な精密評価を提供する。他の実施形態では、1つの圧力センサーだけが必要である。これは１つだけの流量計だけが存在する状況で、あるいはシステム100によって流量に基づいて、2台の流量計間の圧力低下が知られているか仮定される状況では当てはまるであろう。
【００２２】
しかし、上流の圧力センサ105a及び下流の圧力センサ105bを配備することにより、第１のセンサ組立体101での流体の平均圧力が計算されることができる。同様に、上流の圧力センサ106a及び下流の圧力センサ106bは、第2のセンサ組立体102での流体の平均圧力が計算されることができる。
一実施形態によれば、流体測定システム100はさらに第1と第2の温度センサ107、108を含むことができる。一実施形態によれば、第１の温度センサ107は、第１のセンサ組立体101での流体の温度を決定することができ、その一方で第2の温度センサ108は、第2のセンサ組立体102での流体の温度を決定することができる。
温度は流量計を通って搬送中に多分著しく変わらないので、各流量計の上流と下流に温度センサーを有することは一般に必要ではない。しかし、各流量計中の平均温度決定の正確さを改善するために、そのような更なる温度測定を使用することができる。
コリオリ流量計のような流量計で一般に知られているように、第１と第２の温度センサ107、108はRTDセンサを含む。
第１と第２の温度センサ107、108が直接流体の温度を決定しないが、流体の温度は間接的に決定されることは理解されるべきである。例えば、それは当該技術分野で、センサ組立体のフロー・チューブと他の位置に連結されることができる1つ以上の温度センサーを利用することが知られている。また、流体の温度は1つ以上の測定された温度に基づいて決定することが知られている。従って、第１と第２の温度センサ107、108は、流体測定の業界内で使用される周知な構成の何かを含み得る。
【００２３】
上記の如く、従来技術のシステムに関する問題は、測定システムを通って流れる流体が1つ以上の圧縮可能な要素及び1つ以上の圧縮不可能な要素を含んだ場合、個々の要素の流体特性の決定が可能ではなかったということである。
例えば、石油、水、及び上に議論されたガスの例で、従来技術は、液体相(圧縮不可能な要素)の流体特性を正確に決定するシステムを付与していない。むしろ、従来技術のコリオリ流量計は合計の混合密度を決定することだけができ、液体の密度とガス密度の差を区別することができなかった。流体測定システム100を使用して、複数要素の流体の他の流体の特性と共に圧縮不可能な要素の密度を計算することは可能である。
２つの圧縮不可能な要素があり、それらの個々の密度が知られていれば、含水率(全容積に対する水体積分率の比率)、及び石油流量のような個々の液体の構成要素の流量のようなパラメータの計算に、ガス相を本質的に無視する改善されたネットオイルコンピューターを提供することは可能である。
【００２４】
石油、水及びガスの例ではあるが、非圧縮性流体の密度は結合した液体密度を略含む。他の状況では、圧縮可能な要素はガスというよりむしろ圧縮可能な液体である。従って、本実施形態は、液体/ガス混合の液体の密度を単に計算することに限定されていない。
一実施形態によれば、流体測定システム100に関して、様々な流体特性は密度調整器104が、第１の密度状態から第２の密度状態に複数要素の流体を調整することによって、状態方程式(5-1 1)を使用して以下のように決定される。
【数３】
0006022064.tif 000004
【００２５】
流体測定システム100を使用して測定されることができる入力は、以下のとおりである。
Ｐ１は、第１の密度状態における流体圧力である。
Ｐ２は、第２の密度状態における流体圧力である。
Ｔ１は、第１の密度状態における温度である。
Ｔ２は、第２の密度状態における温度である。
ρ１は、第１の密度状態にて測定された密度である。
ρ２は、第２の密度状態にて測定された密度である。
上記の測定された入力に関し、以下の変数が状態方程式(5-1 1)から未知である。
ΦＩ１は、第１の密度状態における圧縮不可能な要素の体積分率である。
ΦＩ２は、第２の密度状態における圧縮不可能な要素の体積分率である。
ΦＣ１は、第１の密度状態における圧縮可能な要素の体積分率である。
ΦＣ２は、第２の密度状態における圧縮可能な要素の体積分率である。
ρINCOMPは、1つ以上の圧縮不可能な要素の結合した密度である(これは第１と第２の密度状態間で一定であると仮定される);
ρＣ１は、第１の密度状態における圧縮可能な要素の密度である。
ρＣ２は、第２の密度状態における圧縮可能な要素の密度である。
【００２６】
当業者が容易に理解できるように、これは７つの未知数を備えた７つの方程式に帰着する。２つの異なる圧縮可能な密度及び空隙率が第１及び第２の密度状態で存在するように、密度調整器104が圧縮可能な要素の密度を変更する限り、７つの方程式は解くことができる。
第１及び第２のセンサ組立体101、102に関して示された実施形態によって、第１の密度状態の測定は第１の流量計５によって得られ、第２の密度状態の測定は第２の流量計６によって得られる。
一実施形態によれば、第２の流量計6によって得られた測定は、第１の流量計5によって得られた測定からしきい値時間だけ遅れるであろう。しきい値時間は、流量計のうちの1つによって決定されるような流量に基づき得る。
遅れた信号の処理によって、第２の流量計6が第１の流量計5で測定されるのと同じ複数要素の流体の密度を測定することが可能となる。ユーザ又は作業者が流体内の1つ以上の圧縮可能な要素及び1つ以上の圧縮不可能な要素の比が急速に変わっていると懸念していれば、これは測定を改善するであろう。しかし、相対的な比が略一定のままか、非常にゆっくり変わっている場合、第１と第２の流量計5、6は、ほぼ同時に密度を測定する。
【００２７】
しかし、１つだけの流量計が存在する場合、両密度状態の測定は１つの流量計によって異なる時間に行われる(密度調整器104が圧力及び/又は温度の調節により複数要素の流体の密度状態を調節する前及び後)。
再び石油、水及びガスの例を使用して、上記のように、対象となる石油と水の量は一般的に液体(圧縮不可能な要素)の既知の結合した密度を要求する。従って、1つの実施形態によれば、方程式(5-11)は、ρINCOMPを解くことができる単一方程式(12)になることができる。
【数４】
0006022064.tif 000005
当業者は、方程式(12)が解法を要求する暗黙の方程式であることを容易に認識するだろう。方程式(12)も以下のようにいくつかの代数を使用して、明示的な解へ書き直すことができる。
【数５】
0006022064.tif 000006
方程式(13-16)を用いて、方程式(17)は圧縮不可能な要素の密度の明示的な解を付与する。
【数６】
0006022064.tif 000007
方程式(17)における符号「＋」は、第１の密度状態における圧縮可能な要素の密度が、第２の密度状態における圧縮可能な要素の密度未満である時に用いられる。方程式(17)における符号「―」は、第１の密度状態における圧縮可能な要素の密度が、第２の密度状態における圧縮可能な要素の密度以上である時に用いられる。
【００２８】
流体の圧縮不可能な要素の密度を用いて、方程式(1)及び(2)から計算された水と石油の体積分率が決定され得る。さらに、圧縮可能な要素の体積分率のように、上に挙げられた未知の流体特性の何れかが決定される。これらの未知の流体特性が決定された後、個々の各要素について水遮断(water cut)及び流量のような、ある追加のパラメータが演算される。
例えば、流量計5、6の少なくとも1つがコリオリ質量流量計あるいは容積流量計のような流量計である場合、複数要素の流れの流量が測定され得る。複数要素の流量は質量流量または体積流量率を含む。その後、複数要素の流量に個々の要素の体積分率が乗算されて、個々の要素の流量を与えることができる。
【００２９】
２つの異なる密度状態において２つの流量計を使用して、全ての圧縮可能な要素及び圧縮不可能な要素の密度及び体積分率について、上記の方程式を解くことが出来ることは理解されるべきである。ネットオイルコンピュータの場合は通常であるように、圧縮不可能な構成要素の密度が知られている場合、上記のアルゴリズムはさらに圧縮不可能なコンポーネントを構築する液体についての２つの個々の体積分率を決定することができる。しかし、３以上の要素が結合した流れの中にある場合、各要素の個々の流体特性を計算するために、より多くの情報が要求される。
【００３０】
更に、当業者は、上記の方程式を解くには、或る流体条件が維持されることを必要とすることを容易に認識するだろう。
例えば、方程式(9)及び(10)が正確であるためには、圧縮可能な要素は理想気体法則に従うべきである。圧縮可能な流体が理想気体法則に従わない場合、方程式は要素の圧縮可能な因子、Zを考慮に入れるべきである。圧縮可能な要素が液体であれば、方程式(9)及び(10)はその流体用の適切な状態方程式と取り替えられるべきである。これらの状態方程式は分析的に決定することができるか、あるいは実験的に決定されたデータを参照するルックアップ表になりえる。
更に、方程式は、圧縮不可能な要素が2つのセンサ組立体101、102の間にて同じ密度を維持すると仮定する、つまり、密度調整器104は圧縮不可能な要素に影響を与えない。
これが、非圧縮性流体の密度が方程式(9)及び(10)に含まれていない理由である。
方程式を解く際に作られる別の仮定は、密度調整器104によって調節される際に、第１と第２の密度状態間の圧縮不可能な要素から圧縮可能な要素の何れも吸収されないし解放されないことである。第１と第２のセンサ組立体101、102の間の距離が、例えば実験的に決定されるしきい値距離以下に維持される場合、この仮定は一般的に可能である。
さらに、圧力減少ではなく、ポンプのような圧力上昇を引き起こす密度調整器の使用は、この要求を順守するのに役立つ。さらに、吸収と掃出しは、圧縮可能な流体とで圧縮不可能な液体の混合物よりも、液体の中で混入されたガスにてより問題となる。
【００３１】
流体はガスが混入された液体のような、圧縮不可能な要素と圧縮可能な要素とを備えるとき、しばしば圧縮可能な要素はコリオリ質量流量計のような密度を読み取る流量計にエラーを生じさせることを当業者は理解している。引き起こされるエラーは、一般に圧縮可能な要素の密度及び非圧縮性流体からの圧縮可能な流体の分離に依る。下記に示すように、圧縮可能な要素によって引き起こされるエラーは、圧縮不可能な要素の密度について方程式(5-11)を解く際に無視することができる。
一実施形態に従って、エラーが無視できることを証明すべく、方程式(12)はエラーを含むように、書き直される。これは方程式(18)に示される。
【数７】
0006022064.tif 000008
ここで、
ｅ１はρ１を測定したときのエラー；及び
ｅ２はρ２を測定したときのエラーである。
【００３２】
当業者は、エラーが両方とも0と同等のものであれば、ｅ１及びｅ２は方程式(5-11)を解く際に無視され得ることを容易に理解するだろう。しかし、これは稀な場合である。それにもかかわらず、方程式(12)及び(18)が互いと等しくされる場合、エラーが無視されるように他のどの状況が要求されるかが、決定される。このポイントを最も容易に実証するために、圧縮可能な流体の密度は0に等しく設定され、それは典型的な圧力でガスが混入された液体の場合について合理的な仮定である。
この証明は圧縮可能な流体の密度を、ゼロに設定せずに行うことができる、しかし、計算はより複雑である、従って、概念を実証する目的のために、圧縮可能な流体の密度は0に設定される。圧縮可能な流体の密度をゼロに設定した状態で、方程式(6)及び(8)は方程式(19)及び(20)として書くことができる。
【００３３】
記載の簡潔性から省略される幾つかの置換の後に、当業者は方程式(12)と(18)の単純化された形式は方程式(24)で示すように互いにゼロに等しく設定され、エラーｅ１及びｅ２に要求される条件が圧縮不可能な要素の密度の計算に重要ではないことを容易に決定するだろう。
【数８】
0006022064.tif 000009
方程式(12)を更に簡略化すると、方程式(12)及び(18)が均等であり、方程式(22)は真でなければならないことが示される。
【数９】
0006022064.tif 000010
従って、方程式(22)は分離及び圧縮性についてのエラーが重要ではないことを示し、ｅ１及びｅ２は圧力と温度の比率によって、直線的に関連付けられる。上記の方程式(11)から、方程式(22)は体積分率の点から書き直される。
【数１０】
0006022064.tif 000011
従って、圧縮性及び分離についてのエラーが圧縮不可能な要素の体積分率とともに直線的に増加すれば、圧縮不可能な要素の密度についての上記の方程式(5-11)の解は、圧縮性及び分離についてのエラーの存在に反応しない(insensitive)。実験は、少なくともチューブ振動技術に依存するコリオリ流量計あるいはデンシトメータの圧縮可能な要素のエラーと体積分率の間に線形の関係があることを示した。これは図2に例証される。
【００３４】
図２は、混合物の密度からの全ての密度エラーのグラフを示す。これは、混合物の密度測定、及び２つの部分が混合物になる前に、個々のガス及び液体の流量計からの測定によって決定される。様々な線形の傾向線は異なる流量で得られる。しかし、各流量については、圧縮可能な要素の体積分率が増加するにつれ、密度エラーが直線的に増加することが理解される。
従って、第１及び第２のセンサ組立体101、102の間の流量が、本質的に同じのままである限り、エラーは、図2に示されるような単一の傾向線上で留まり、密度エラーは方程式(5-11)を解く間は無視することができる。
２つのセンサ組立体101、102が同じパイプライン103上に置かれるので、両センサ組立体101、102を通じて同じ流量を維持することは、一般的に達成される。従って、流体測定システム100は、以前に複数要素の流体において測定可能でなかった個々の要素の新たな情報及び流体特性を提供するだけでなく、振動型チューブ流量計及びデンシトメータにおける分離及び圧縮性のエラーに起因する不正確な測定の問題も解決する。たとえ両方の流量計がエラーを被っても、圧縮不可能な要素の密度を計算するために上記のアルゴリズムを使用する場合、エラーは相殺される。
使用時に、流体測定システム100は1つ以上の圧縮可能な要素及び1つ以上の圧縮不可能な要素を含むパイプライン103中の流体の様々な流動性の特性を決定するために使用することができる。ルーチン300は、圧縮可能な要素あるいは圧縮不可能な要素の少なくとも1つの様々な流体特性を決定する1つの可能な実施形態を概説する。
【００３５】
図３は、一実施形態に従って処理ルーチン300を示す。一実施形態によれば、処理ルーチン300は、処理システム25とともに、第１及び第２のメータ電子機器22、24を使用して実行される。別の実施形態によれば、処理ルーチン300は、第１及び第２のメータ電子機器22、24のうちの1つを使用して実行される。
別の実施形態によれば、処理ルーチン300は、処理システム25がメータ電子機器22、24のうちの1つの一部を含むところで、第１及び第２のメータ電子機器22、24を使用して実行される。
一実施形態によれば、処理ルーチン300は第１の密度状態にて、複数要素の流体の第１の密度ρ１が測定されるステップ301で開始する。複数要素の流体は1つ以上の圧縮可能な要素及び1つ以上の圧縮不可能な要素を含む。第１の密度状態は、上記の如く、第１の圧力Ｐ１及び第１の温度Ｔ１とを含む。一実施形態によれば、第１の密度ρ１は、例えば第１のセンサ組立体101内の密度を含む。幾つかの実施形態において、第１の流量計5が例えばコリオリ流量計であれば、複数要素の流体についての流体流量のような更なる情報が決定される。一実施形態に従って、第１の密度ρ１は、例えば第１のメータ電子機器22にて決定される。
【００３６】
ステップ302にて、第２の密度状態にて、複数要素の流体の第２の密度ρ２が測定される。一実施形態に従って、第２の密度状態は第１の密度状態とは異なる。流体の圧力及び/又は温度を第２の圧力Ｐ２及び第２の温度Ｔ２に変えることが出来る密度調整器104により第２の密度状態は異なり得る。一実施形態に従って、第２の密度ρ２は例えば、第２のメータ電子機器22にて決定される。
一実施形態に従って、第１及び第２の密度状態は例えば、1以上の圧力センサ105a、105b、106a、106b、及び1つ以上の温度センサ107、108によって決定される。
【００３７】
ステップ303にて、圧縮可能な要素及び圧縮不可能な要素の少なくとも1つの1つ以上の流体特性が決定される。一実施形態に従って、１以上の流体特性は、第１及び第２の密度ρ１、ρ２及び第１及び第２の密度状態に基づいて決定される。一実施形態に従って、処理システム25は上記の如く、第１及び第２の密度ρ１、ρ２を受信し、1つ以上の圧縮不可能な要素の結合された密度ρINCOMPのような１以上の流体特性を決定する。結合された圧縮不可能な要素の密度ρINCOMPは、複数要素の流体が２つ以上の圧縮不可能な要素を含んでいる場合、混合密度を含む。或いは、1つだけの圧縮不可能な要素が複数要素の流体にあれば、密度ρINCOMPは、単に１つの圧縮不可能な要素の密度を含む。上記の如く、1つ以上の圧縮可能な要素及び1つ以上の圧縮不可能な要素の個々の体積分率、流体の1つ以上の圧縮可能な要素及び1つ以上の圧縮不可能な要素の個々の要素の流量のような他の流体特性もまた決定され得る。例えば、流体が石油、水及びガスの混合物を含めば、流体が石油、水及びガスの個々の流量及び体積分率が決定され得る。
【００３８】
上記の実施形態によって、流体測定システム100は複数要素の流体の圧縮不可能な要素又は圧縮可能な要素の少なくとも1つの流体特性を得ることができる。流体の密度状態を変更し、及び異なる密度状態で結合した流体密度を測定することによって、要素の体積分率、従って流体特性は決定され得る。
従って、流体測定システム100は、先行技術のような圧縮不可能な要素から圧縮可能な要素を分離するために複雑で高価な分離設備に依存する必要はない。従って、流体が測定システム100を通って流れているときに、複数要素の流体の所望の情報がほぼリアルタイムで得られる。
【００３９】
上記の実施形態の詳細な記述は、現在の記述の範囲内にある発明者によって熟考された全ての実施形態の完全な記述ではない。実際に当業者は、さらに実施形態を作成するために上記実施形態のある要素が種々に組み合わせられるかもしれないし除去されるかもしれないことを認識している、そしてそのような、さらなる実施形態は現在の記述の範囲及び開示の範囲内にある。
現在の記述の範囲及び開示の範囲内にある追加の実施形態を作成するために、上記実施形態の全部或いは一部が組み合わせられるかもしれないことも当業者には明白である。
したがって、特定の実施形態が説明の目的のためにここに記述されている、当業者が認識するように、様々な等価な修正は現在の記述の範囲内で可能である、。ここに提供される開示は、他の流体測定システムに適用可能であり、上記に記載され添付の図面に示された実施形態だけではない。従って、上記の実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。
【図１】
0006022064.tif 000012
【図２】
0006022064.tif 000013
【図３】
0006022064.tif 000014