用于測(cè)量多相流體組成的界面液位的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于測(cè)量多相流體組成的界面液位的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)根據(jù)35 U.S.C.§ 119要求2012年9月28日提交的專(zhuān)利申請(qǐng)N0.13/630739的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用將其完整地結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]一般來(lái)說(shuō)，本文所公開(kāi)的主題涉及傳感器，以及更具體來(lái)說(shuō)，涉及確定多相流體組成的界面液位的液位傳感器。
【背景技術(shù)】
[0003]乳狀液的組成和不互溶流體的界面液位(interface level)的測(cè)量在許多應(yīng)用中是重要的。例如，在油田管理中表征乳狀液是重要的。來(lái)自單獨(dú)油井的乳狀液的水和油含量的測(cè)量可隨油田的壽命而改變，并且可指示油田的總體健康。在注入井的情況下，控制水質(zhì)量以降低水合物形成和腐蝕是關(guān)鍵的。油和水混合物的組成的表征(例如混合物中的油和水的相對(duì)比例的測(cè)量)幫助操作人員改進(jìn)油井產(chǎn)能和容量。所得到的信息對(duì)降低油井的背壓、出油管大小和復(fù)雜度以及絕熱要求也有用處。
[0004]乳狀液的表征在包含容器(容器系統(tǒng))中的流體的系統(tǒng)、例如流體處理系統(tǒng)的操作中也是重要的。容器系統(tǒng)可包括儲(chǔ)存槽罐、反應(yīng)器、分離器和脫鹽器。容器系統(tǒng)用于許多工業(yè)和過(guò)程中，例如油和氣、化學(xué)、制藥、食品加工行業(yè)等。例如，水與原油的分離對(duì)建立油和氣的生產(chǎn)流是重要的。離開(kāi)井口的原油既酸(包含硫化氫氣體)又濕(包含水)。離開(kāi)井口的原油必須經(jīng)過(guò)加工和處理，以使得對(duì)存儲(chǔ)、處理和輸出是經(jīng)濟(jì)上可行的。處理原油的一種方式是通過(guò)使用分離器。大多數(shù)分離器通過(guò)重力來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且使用油、水、氣和固體的單獨(dú)流體相之間的密度差。這些層的界面液位的識(shí)別對(duì)分離過(guò)程的控制是關(guān)鍵的。其中乳狀液的表征和界面液位的測(cè)量是重要的另一個(gè)流體處理系統(tǒng)是脫鹽器。脫鹽器在精煉廠(chǎng)中用來(lái)控制頭懼分腐蝕后處理程序(overhead corros1n downstream)。在脫鹽器中，混合水和原油，將無(wú)機(jī)鹽提取到水中，并且然后分離和去除水。
[0005]最后，重要的是在產(chǎn)品的壽命的各個(gè)階段從成本觀(guān)點(diǎn)準(zhǔn)確表征原油本身的水和鹽分。油是貴重商品，以及典型油輪負(fù)荷中的水含量的估計(jì)不足能夠具有顯著成本結(jié)果。
[0006]廢水管理是另一個(gè)應(yīng)用，其中乳狀液的測(cè)量和表征是重要的。大量含油廢水在石油工業(yè)中從開(kāi)采到精煉中生成?？刂茝U水中的油排放濃度方面的一個(gè)關(guān)鍵因素是用于監(jiān)測(cè)乳狀液的油含量的改進(jìn)儀表。
[0007]多年來(lái)已經(jīng)考慮許多類(lèi)型的液位和界面儀器，并且其子集已經(jīng)商業(yè)化。在那些當(dāng)中是伽馬射線(xiàn)傳感器、導(dǎo)波傳感器、磁力控制傳感器、微波傳感器、超聲傳感器、單板電容/導(dǎo)納傳感器、分段式電容傳感器、電感傳感器和計(jì)算機(jī)斷層掃描傳感器。傳感器的每個(gè)具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。傳感器的一部分對(duì)于許多用戶(hù)極為昂貴。傳感器的一部分要求冷卻套管以在工作溫度(高于125°C )下進(jìn)行操作。一些界面儀器要求清楚界面以進(jìn)行工作，這在與擴(kuò)散乳狀液配合工作時(shí)會(huì)成問(wèn)題。一部分易遭受污垢。其他傳感器沒(méi)有提供槽罐的剖面的能力，而是監(jiān)測(cè)脫鹽過(guò)程的離散點(diǎn)。使用電極的系統(tǒng)在高鹽分應(yīng)用中易遭受電極的短接，并且易遭受污垢。最后，這些系統(tǒng)中的許多是復(fù)雜的并且難以實(shí)現(xiàn)。
[0008]一些現(xiàn)有傳感器系統(tǒng)使用了單獨(dú)電容元件來(lái)測(cè)量流體液位。那些傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵限制是其無(wú)法同時(shí)量化液體中的若干成分。電容方法用來(lái)使用電容測(cè)量的特殊設(shè)計(jì)電極來(lái)測(cè)量液體的介電常數(shù)。這些設(shè)計(jì)受到對(duì)電容測(cè)量的獨(dú)立類(lèi)型的電極以及對(duì)導(dǎo)電率測(cè)量的需要限制。電感器電容器電路也用來(lái)使用電磁共振器來(lái)監(jiān)測(cè)容器中的流體液位，其中電容的變化與流體液位和流體類(lèi)型相關(guān)。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員一致同意，與非導(dǎo)電流體、例如空氣中的值相比，通過(guò)導(dǎo)電液體來(lái)填充共振器將測(cè)量中的不定性和噪聲增加大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，這些方法沒(méi)有提供單獨(dú)分析物的濃度在混合物中其最小和最大濃度的極限的準(zhǔn)確測(cè)量。
[0009]對(duì)于現(xiàn)有傳感器系統(tǒng)，沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)能夠提供低成本、高靈敏度、有利信噪比、高選擇性、高精度和高數(shù)據(jù)獲取速度的組合。另外，沒(méi)有現(xiàn)有系統(tǒng)已經(jīng)描述為能夠準(zhǔn)確表征或量化其中流體之一處于低濃度(即，在其最小和最大極限)的流體混合物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本公開(kāi)提供一種對(duì)現(xiàn)有液位傳感器系統(tǒng)的費(fèi)用、可靠性和精度問(wèn)題的技術(shù)解決方案。電共振換能器(resonant transducer)提供低成本、高靈敏度、有利信噪比、高選擇性、高精度和高數(shù)據(jù)獲取速度的組合。共振換能器結(jié)合在健壯傳感器中，而無(wú)需清楚界面。該解決方案還提供一種傳感器，其不太容易遭受污垢，特別是在涉及乳狀液的應(yīng)用中。
[0011]按照一個(gè)示范非限制性實(shí)施例，本公開(kāi)涉及一種具有共振換能器的傳感器，其配置成確定乳狀液的組成，并且包括取樣組合件和阻抗分析器。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)涉及一種系統(tǒng)，其包括流體處理系統(tǒng)、流體取樣組合件以及耦合到流體取樣組合件的共振傳感器系統(tǒng)。
[0013]在另一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)涉及一種用于測(cè)量容器中的混合物的液位的方法。該方法包括下列步驟:在容器中的多個(gè)位置檢測(cè)來(lái)自共振傳感器系統(tǒng)的信號(hào)；將各信號(hào)轉(zhuǎn)換成多個(gè)位置的復(fù)阻抗譜的值；存儲(chǔ)復(fù)阻抗譜的值和頻率值；以及從復(fù)阻抗譜的值來(lái)確定流體相逆轉(zhuǎn)點(diǎn)。
[0014]在另一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)涉及一種用于確定容器中的油和水的混合物的組成的方法。該方法包括下列步驟:采用共振換能器來(lái)確定作為容器中的高度的函數(shù)的油和水的混合物的復(fù)阻抗譜的值。該方法還包括下列步驟:從復(fù)阻抗譜的值來(lái)確定流體相逆轉(zhuǎn)點(diǎn)；將油相模型應(yīng)用于高于流體相逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的復(fù)阻抗譜的值和傳導(dǎo)值，并且將水相模型應(yīng)用于低于流體相逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的復(fù)阻抗譜的值。
[0015]在另一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)涉及一種包括共振換能器的傳感器，其配置成同時(shí)確定乳狀液的第一和第二成分的濃度。
[0016]在另一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)涉及一種具有共振換能器的傳感器，其配置成確定乳狀液的組成。
[0017]在另一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)涉及一種具有共振換能器的傳感器系統(tǒng)，其配置成確定乳狀液的組成。傳感器系統(tǒng)包括取樣組合件和阻抗分析器。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)涉及一種用于確定容器中的第一流體和第二流體的混合物的組成的方法。通過(guò)采用傳感器系統(tǒng)確定作為容器中的高度的函數(shù)的第一流體和第二流體的混合物的復(fù)阻抗譜值的集合來(lái)實(shí)現(xiàn)組成的確定。該方法包括從復(fù)阻抗譜值的集合來(lái)確定流體相逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的步驟。該方法還包括下列步驟:將第一流體的相模型應(yīng)用于高于流體相逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的復(fù)阻抗譜值的集合，并且將第二流體的相模型應(yīng)用于低于流體相逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的復(fù)阻抗譜值的集合。
【附圖說(shuō)明】
[0019]通過(guò)以下結(jié)合作為舉例示出本公開(kāi)的某些方面的原理的附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)描述，本公開(kāi)的其他特征和優(yōu)點(diǎn)會(huì)顯而易見(jiàn)。
[0020]圖1是共振傳感器系統(tǒng)的非限制性實(shí)施例的示意圖。
[0021]圖2是共振換能器的操作的非限制性圖示。
[0022]圖3是用于多元分析的所測(cè)量復(fù)阻抗譜的示例。
[0023]圖4示出二維共振換能器的一實(shí)施例。
[0024]圖5不出三維共振換能器的一實(shí)施例。
[0025]圖6是三維共振換能器的等效電路的示意電氣圖。
[0026]圖7是示出共振換能器對(duì)油和水的變化混合物的Rp響應(yīng)的圖表。
[0027]圖8是示出共振換能器對(duì)油和水的變化混合物的Cp響應(yīng)的圖表。
[0028]圖9是共振換能器組合件的一實(shí)施例的局部剖面?zhèn)纫晥D。
[0029]圖10是流體處理系統(tǒng)的一實(shí)施例的示意圖。
[0030]圖11是脫鹽器的一實(shí)施例的示意圖。
[0031]圖12是分離器的一實(shí)施例的示意圖。
[0032]圖13是示出三維共振換能器對(duì)水中油(oil-1n-water)和油中水(water-1n-oil)乳狀液的增加濃度的頻率(Fp)響應(yīng)的圖表。
[0033]圖14是示出二維共振換能器對(duì)水中油和油中水乳狀液的增加濃度的頻率(Fp)響應(yīng)的圖表。
[0034]圖15是用于確定作為高度的函數(shù)的油和水混合物的組成的方法的一實(shí)施例的流程圖。
[0035]圖16是示出用來(lái)確定流體相逆轉(zhuǎn)點(diǎn)和導(dǎo)電率的數(shù)據(jù)的圖表。
[0036]圖17是示出共振傳感器系統(tǒng)的一實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果的圖表。
[0037]圖18是示出模擬脫鹽器中的共振傳感器的測(cè)試結(jié)果的圖表。
[0038]圖19是來(lái)自共振傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報(bào)告的顯示的一實(shí)施例。
[0039]圖2