用于測量多相流體組成的界面液位的系統和方法
【專利說明】用于測量多相流體組成的界面液位的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
本申請根據35 U.S.C.§ 119要求2012年9月28日提交的專利申請N0.13/630739的優先權，通過引用將其完整地結合于此。
技術領域
[0002]一般來說，本文所公開的主題涉及傳感器，以及更具體來說，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】
[0003]乳狀液的組成和不互溶流體的界面液位(interface level)的測量在許多應用中是重要的。例如，在油田管理中表征乳狀液是重要的。來自單獨油井的乳狀液的水和油含量的測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，控制水質量以降低水合物形成和腐蝕是關鍵的。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比例的測量)幫助操作人員改進油井產能和容量。所得到的信息對降低油井的背壓、出油管大小和復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)中的流體的系統、例如流體處理系統的操作中也是重要的。容器系統可包括儲存槽罐、反應器、分離器和脫鹽器。容器系統用于許多工業和過程中，例如油和氣、化學、制藥、食品加工行業等。例如，水與原油的分離對建立油和氣的生產流是重要的。離開井口的原油既酸(包含硫化氫氣體)又濕(包含水)。離開井口的原油必須經過加工和處理，以使得對存儲、處理和輸出是經濟上可行的。處理原油的一種方式是通過使用分離器。大多數分離器通過重力來驅動，并且使用油、水、氣和固體的單獨流體相之間的密度差。這些層的界面液位的識別對分離過程的控制是關鍵的。其中乳狀液的表征和界面液位的測量是重要的另一個流體處理系統是脫鹽器。脫鹽器在精煉廠中用來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，將無機鹽提取到水中，并且然后分離和去除水。
[0005]最后，重要的是在產品的壽命的各個階段從成本觀點準確表征原油本身的水和鹽分。油是貴重商品，以及典型油輪負荷中的水含量的估計不足能夠具有顯著成本結果。
[0006]廢水管理是另一個應用，其中乳狀液的測量和表征是重要的。大量含油廢水在石油工業中從開采到精煉中生成。控制廢水中的油排放濃度方面的一個關鍵因素是用于監測乳狀液的油含量的改進儀表。
[0007]多年來已經考慮許多類型的液位和界面儀器，并且其子集已經商業化。在那些當中是伽馬射線傳感器、導波傳感器、磁力控制傳感器、微波傳感器、超聲傳感器、單板電容/導納傳感器、分段式電容傳感器、電感傳感器和計算機斷層掃描傳感器。傳感器的每個具有優點和缺點。傳感器的一部分對于許多用戶極為昂貴。傳感器的一部分要求冷卻套管以在工作溫度(高于125°C )下進行操作。一些界面儀器要求清楚界面以進行工作，這在與擴散乳狀液配合工作時會成問題。一部分易遭受污垢。其他傳感器沒有提供槽罐的剖面的能力，而是監測脫鹽過程的離散點。使用電極的系統在高鹽分應用中易遭受電極的短接，并且易遭受污垢。最后，這些系統中的許多是復雜的并且難以實現。
[0008]一些現有傳感器系統使用了單獨電容元件來測量流體液位。那些傳感器系統的關鍵限制是其無法同時量化液體中的若干成分。電容方法用來使用電容測量的特殊設計電極來測量液體的介電常數。這些設計受到對電容測量的獨立類型的電極以及對導電率測量的需要限制。電感器電容器電路也用來使用電磁共振器來監測容器中的流體液位，其中電容的變化與流體液位和流體類型相關。但是，本領域的技術人員一致同意，與非導電流體、例如空氣中的值相比，通過導電液體來填充共振器將測量中的不定性和噪聲增加大約一個數量級。但是，這些方法沒有提供單獨分析物的濃度在混合物中其最小和最大濃度的極限的準確測量。
[0009]對于現有傳感器系統，沒有一個系統能夠提供低成本、高靈敏度、有利信噪比、高選擇性、高精度和高數據獲取速度的組合。另外，沒有現有系統已經描述為能夠準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。
【發明內容】
[0010]本公開提供一種對現有液位傳感器系統的費用、可靠性和精度問題的技術解決方案。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、高精度和高數據獲取速度的組合。共振換能器結合在健壯傳感器中，而無需清楚界面。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用中。
[0011]按照一個示范非限制性實施例，本公開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]在另一個實施例中，本公開涉及一種系統，其包括流體處理系統、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。
[0013]在另一個實施例中，本公開涉及一種用于測量容器中的混合物的液位的方法。該方法包括下列步驟:在容器中的多個位置檢測來自共振傳感器系統的信號；將各信號轉換成多個位置的復阻抗譜的值；存儲復阻抗譜的值和頻率值；以及從復阻抗譜的值來確定流體相逆轉點。
[0014]在另一個實施例中，本公開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:采用共振換能器來確定作為容器中的高度的函數的油和水的混合物的復阻抗譜的值。該方法還包括下列步驟:從復阻抗譜的值來確定流體相逆轉點；將油相模型應用于高于流體相逆轉點的復阻抗譜的值和傳導值，并且將水相模型應用于低于流體相逆轉點的復阻抗譜的值。
[0015]在另一個實施例中，本公開涉及一種包括共振換能器的傳感器，其配置成同時確定乳狀液的第一和第二成分的濃度。
[0016]在另一個實施例中，本公開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]在另一個實施例中，本公開涉及一種具有共振換能器的傳感器系統，其配置成確定乳狀液的組成。傳感器系統包括取樣組合件和阻抗分析器。
[0018]在另一個實施例中，本公開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。通過采用傳感器系統確定作為容器中的高度的函數的第一流體和第二流體的混合物的復阻抗譜值的集合來實現組成的確定。該方法包括從復阻抗譜值的集合來確定流體相逆轉點的步驟。該方法還包括下列步驟:將第一流體的相模型應用于高于流體相逆轉點的復阻抗譜值的集合，并且將第二流體的相模型應用于低于流體相逆轉點的復阻抗譜值的集合。
【附圖說明】
[0019]通過以下結合作為舉例示出本公開的某些方面的原理的附圖對優選實施例的更詳細描述，本公開的其他特征和優點會顯而易見。
[0020]圖1是共振傳感器系統的非限制性實施例的示意圖。
[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量復阻抗譜的示例。
[0023]圖4示出二維共振換能器的一實施例。
[0024]圖5不出三維共振換能器的一實施例。
[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油和水的變化混合物的Rp響應的圖表。
[0027]圖8是示出共振換能器對油和水的變化混合物的Cp響應的圖表。
[0028]圖9是共振換能器組合件的一實施例的局部剖面側視圖。
[0029]圖10是流體處理系統的一實施例的示意圖。
[0030]圖11是脫鹽器的一實施例的示意圖。
[0031]圖12是分離器的一實施例的示意圖。
[0032]圖13是示出三維共振換能器對水中油(oil-1n-water)和油中水(water-1n-oil)乳狀液的增加濃度的頻率(Fp)響應的圖表。
[0033]圖14是示出二維共振換能器對水中油和油中水乳狀液的增加濃度的頻率(Fp)響應的圖表。
[0034]圖15是用于確定作為高度的函數的油和水混合物的組成的方法的一實施例的流程圖。
[0035]圖16是示出用來確定流體相逆轉點和導電率的數據的圖表。
[0036]圖17是示出共振傳感器系統的一實施例的實驗數據的分析結果的圖表。
[0037]圖18是示出模擬脫鹽器中的共振傳感器的測試結果的圖表。
[0038]圖19是來自共振傳感器系統的數據報告的顯示的一實施例。
[0039]圖2