用于测量多相流体组成的界面液位的系统和方法
【专利说明】用于测量多相流体组成的界面液位的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§ 119要求2012年9月28日提交的专利申请N0.13/630739的优先权，通过引用将其完整地结合于此。
技术领域
[0002]一般来说，本文所公开的主题涉及传感器，以及更具体来说，涉及确定多相流体组成的界面液位的液位传感器。
【背景技术】
[0003]乳状液的组成和不互溶流体的界面液位(interface level)的测量在许多应用中是重要的。例如，在油田管理中表征乳状液是重要的。来自单独油井的乳状液的水和油含量的测量可随油田的寿命而改变，并且可指示油田的总体健康。在注入井的情况下，控制水质量以降低水合物形成和腐蚀是关键的。油和水混合物的组成的表征(例如混合物中的油和水的相对比例的测量)帮助操作人员改进油井产能和容量。所得到的信息对降低油井的背压、出油管大小和复杂度以及绝热要求也有用处。
[0004]乳状液的表征在包含容器(容器系统)中的流体的系统、例如流体处理系统的操作中也是重要的。容器系统可包括储存槽罐、反应器、分离器和脱盐器。容器系统用于许多工业和过程中，例如油和气、化学、制药、食品加工行业等。例如，水与原油的分离对建立油和气的生产流是重要的。离开井口的原油既酸(包含硫化氢气体)又湿(包含水)。离开井口的原油必须经过加工和处理，以使得对存储、处理和输出是经济上可行的。处理原油的一种方式是通过使用分离器。大多数分离器通过重力来驱动，并且使用油、水、气和固体的单独流体相之间的密度差。这些层的界面液位的识别对分离过程的控制是关键的。其中乳状液的表征和界面液位的测量是重要的另一个流体处理系统是脱盐器。脱盐器在精炼厂中用来控制头懼分腐蚀后处理程序(overhead corros1n downstream)。在脱盐器中，混合水和原油，将无机盐提取到水中，并且然后分离和去除水。
[0005]最后，重要的是在产品的寿命的各个阶段从成本观点准确表征原油本身的水和盐分。油是贵重商品，以及典型油轮负荷中的水含量的估计不足能够具有显著成本结果。
[0006]废水管理是另一个应用，其中乳状液的测量和表征是重要的。大量含油废水在石油工业中从开采到精炼中生成。控制废水中的油排放浓度方面的一个关键因素是用于监测乳状液的油含量的改进仪表。
[0007]多年来已经考虑许多类型的液位和界面仪器，并且其子集已经商业化。在那些当中是伽马射线传感器、导波传感器、磁力控制传感器、微波传感器、超声传感器、单板电容/导纳传感器、分段式电容传感器、电感传感器和计算机断层扫描传感器。传感器的每个具有优点和缺点。传感器的一部分对于许多用户极为昂贵。传感器的一部分要求冷却套管以在工作温度(高于125°C )下进行操作。一些界面仪器要求清楚界面以进行工作，这在与扩散乳状液配合工作时会成问题。一部分易遭受污垢。其他传感器没有提供槽罐的剖面的能力，而是监测脱盐过程的离散点。使用电极的系统在高盐分应用中易遭受电极的短接，并且易遭受污垢。最后，这些系统中的许多是复杂的并且难以实现。
[0008]一些现有传感器系统使用了单独电容元件来测量流体液位。那些传感器系统的关键限制是其无法同时量化液体中的若干成分。电容方法用来使用电容测量的特殊设计电极来测量液体的介电常数。这些设计受到对电容测量的独立类型的电极以及对导电率测量的需要限制。电感器电容器电路也用来使用电磁共振器来监测容器中的流体液位，其中电容的变化与流体液位和流体类型相关。但是，本领域的技术人员一致同意，与非导电流体、例如空气中的值相比，通过导电液体来填充共振器将测量中的不定性和噪声增加大约一个数量级。但是，这些方法没有提供单独分析物的浓度在混合物中其最小和最大浓度的极限的准确测量。
[0009]对于现有传感器系统，没有一个系统能够提供低成本、高灵敏度、有利信噪比、高选择性、高精度和高数据获取速度的组合。另外，没有现有系统已经描述为能够准确表征或量化其中流体之一处于低浓度(即，在其最小和最大极限)的流体混合物。
【发明内容】
[0010]本公开提供一种对现有液位传感器系统的费用、可靠性和精度问题的技术解决方案。电共振换能器(resonant transducer)提供低成本、高灵敏度、有利信噪比、高选择性、高精度和高数据获取速度的组合。共振换能器结合在健壮传感器中，而无需清楚界面。该解决方案还提供一种传感器，其不太容易遭受污垢，特别是在涉及乳状液的应用中。
[0011]按照一个示范非限制性实施例，本公开涉及一种具有共振换能器的传感器，其配置成确定乳状液的组成，并且包括取样组合件和阻抗分析器。
[0012]在另一个实施例中，本公开涉及一种系统，其包括流体处理系统、流体取样组合件以及耦合到流体取样组合件的共振传感器系统。
[0013]在另一个实施例中，本公开涉及一种用于测量容器中的混合物的液位的方法。该方法包括下列步骤:在容器中的多个位置检测来自共振传感器系统的信号；将各信号转换成多个位置的复阻抗谱的值；存储复阻抗谱的值和频率值；以及从复阻抗谱的值来确定流体相逆转点。
[0014]在另一个实施例中，本公开涉及一种用于确定容器中的油和水的混合物的组成的方法。该方法包括下列步骤:采用共振换能器来确定作为容器中的高度的函数的油和水的混合物的复阻抗谱的值。该方法还包括下列步骤:从复阻抗谱的值来确定流体相逆转点；将油相模型应用于高于流体相逆转点的复阻抗谱的值和传导值，并且将水相模型应用于低于流体相逆转点的复阻抗谱的值。
[0015]在另一个实施例中，本公开涉及一种包括共振换能器的传感器，其配置成同时确定乳状液的第一和第二成分的浓度。
[0016]在另一个实施例中，本公开涉及一种具有共振换能器的传感器，其配置成确定乳状液的组成。
[0017]在另一个实施例中，本公开涉及一种具有共振换能器的传感器系统，其配置成确定乳状液的组成。传感器系统包括取样组合件和阻抗分析器。
[0018]在另一个实施例中，本公开涉及一种用于确定容器中的第一流体和第二流体的混合物的组成的方法。通过采用传感器系统确定作为容器中的高度的函数的第一流体和第二流体的混合物的复阻抗谱值的集合来实现组成的确定。该方法包括从复阻抗谱值的集合来确定流体相逆转点的步骤。该方法还包括下列步骤:将第一流体的相模型应用于高于流体相逆转点的复阻抗谱值的集合，并且将第二流体的相模型应用于低于流体相逆转点的复阻抗谱值的集合。
【附图说明】
[0019]通过以下结合作为举例示出本公开的某些方面的原理的附图对优选实施例的更详细描述，本公开的其他特征和优点会显而易见。
[0020]图1是共振传感器系统的非限制性实施例的示意图。
[0021]图2是共振换能器的操作的非限制性图示。
[0022]图3是用于多元分析的所测量复阻抗谱的示例。
[0023]图4示出二维共振换能器的一实施例。
[0024]图5不出三维共振换能器的一实施例。
[0025]图6是三维共振换能器的等效电路的示意电气图。
[0026]图7是示出共振换能器对油和水的变化混合物的Rp响应的图表。
[0027]图8是示出共振换能器对油和水的变化混合物的Cp响应的图表。
[0028]图9是共振换能器组合件的一实施例的局部剖面侧视图。
[0029]图10是流体处理系统的一实施例的示意图。
[0030]图11是脱盐器的一实施例的示意图。
[0031]图12是分离器的一实施例的示意图。
[0032]图13是示出三维共振换能器对水中油(oil-1n-water)和油中水(water-1n-oil)乳状液的增加浓度的频率(Fp)响应的图表。
[0033]图14是示出二维共振换能器对水中油和油中水乳状液的增加浓度的频率(Fp)响应的图表。
[0034]图15是用于确定作为高度的函数的油和水混合物的组成的方法的一实施例的流程图。
[0035]图16是示出用来确定流体相逆转点和导电率的数据的图表。
[0036]图17是示出共振传感器系统的一实施例的实验数据的分析结果的图表。
[0037]图18是示出模拟脱盐器中的共振传感器的测试结果的图表。
[0038]图19是来自共振传感器系统的数据报告的显示的一实施例。
[0039]图2