ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ЖИДКОСТЬ/ТВЕРДОЕ ТЕЛО В ПЕСОЧНОМ СЕПАРАТОРЕ Российский патент 2017 года по МПК G01F23/296 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты реализации, описанные ниже, относятся к песочным сепараторам и, в частности, к усовершенствованию песочных сепараторов для определения в них границы раздела жидкость/твердое тело.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Технология с применением сепаратора обычно используется в буровых скважинах во всем мире, и при этом используется испытательный сепаратор или производственный сепаратор. Сепараторы, используемые в окончаниях скважин для контроля песка, например, оказываются особенно подверженными заполнению песком. Этот эффект особенно проблематичен для морских установок, где остановка производства для очистки сепаратора может привести к значительной задержке выхода продукции и к соответствующим финансовым потерям.

Песочные сепараторы также часто служат для защиты испытательного или производственного оборудования, когда большие количества песка оказываются вовлеченными в применяемой технологии (гидравлический разрыв, применения для контроля песочного потока или при обработке нефтяного песка, например). Раннее предупреждение о накоплении песка в сепараторе является ключевым для минимизации времени простоя и задержки выхода продукции, что обычно достигается организацией и планированием стандартного обслуживания сепаратора.

Как пример, разведка месторождения метана или природного газа сопровождается инжекцией флюида высокого давления (чаще всего это вода с песком) непосредственно в подземные формации породы с ожидаемым выходом природного газа. При выполнении гидравлического разрыва давление воды разламывает пласт породы, после чего захваченный природный газ выпускается в буровую скважину и собирается у поверхности. Гидравлически разрывающий флюид возвращается из разведочных скважин и вывозится, обычно с транспортировкой по рельсам, на удаленное место сброса отходов. Этот флюид содержит значительное количество разрывного песка. Песок используется для способствования поддержания разломов открытыми, для максимизации выпуска природного газа изнутри страты. Разрывающий песок также используется для очистки и разъедания формаций, так чтобы обеспечить максимальный выход газа. Песок, присутствующий в разрывном флюиде, не весь остается в формации, и некоторая часть его возвращается на поверхность в том, что называется "обратным потоком" из скважины. Обратный поток флюида включает в себя существенное количество введенного разрывного песка, а также шлам и обломки породы, вымываемые из страт породы. Такие песок и обломки могут забить или повредить трубопроводы, клапаны, насосы и другие участки системы. Песочные сепараторы предотвращают засорение этими твердыми частицами и предотвращают повреждение системы, но только до тех пор, пока песочный сепаратор функционален. Это просто пример одного из применений песочных сепараторов.

Обычно песочный сепаратор используется для отделения песка или других твердых тел из смеси жидкость/твердое вещество, и для длительной работы песочных сепараторов требуется надежная индикация уровня песка в сепараторе. Если уровень песка не вычисляется правильно, то имеется риск того, что песочный сепаратор будет переполнен. После переполнения обычно применяемое средство заключается в ручной остановке процесса и ручном высвобождении песка и осколков из сепаратора. Естественно, что во время таких корректирующих действий и песочный сепаратор, и соединенное с ним производственное оборудование оказываются не пригодными для использования и возникает простой в производстве и образуются соответственные финансовые потери.

Имеется потребность в средстве для устранения или уменьшения засорения песочного сепаратора. Описанные ниже варианты реализации преодолевают эти и другие проблемы, и достигается усовершенствование в данной области техники. Описанные ниже варианты реализации предоставляют песочный сепаратор, который определяет уровень песка в сборной камере, имеющей вибрационный измеритель.

Вибрационные измерители, такие как вибрационные денситометры и вибрационные вискозиметры, обычно действуют, регистрируя движение вибрационного элемента, который колеблется в присутствии измеряемого флюидного материала. Свойства, связанные с флюидным материалом, например плотность, вязкость, температура и т.п., могут быть определены обработкой измерительных сигналов, принятых от преобразователей движения, связанных с вибрационным элементом. Колебательные моды системы вибрационного элемента обычно подвержены влиянию объединенной массы, жесткости, и параметров демпфирования вибрационного элемента и окружающего флюидного материала.

Один пример вибрационного измерителя плотности или вязкости работает на принципе вибрационного элемента, причем элемент представляет собой вытянутый камертон, который погружается в измеряемую жидкость. Обычный камертон состоит из двух зубцов обычно плоского или круглого сечения, которые прикрепляются к поперечине, которая дополнительно прикрепляется к монтажной структуре. В камертоне возбуждаются колебания приводом, таким как пьезоэлектрический кристалл, например, который внутренне зафиксирован в основании первого зубца. Частота колебания регистрируется вторым пьезоэлектрическим кристаллом, зафиксированным в основании второго зубца. Датчик преобразователя может возбуждаться на его первой собственной резонансной частоте, модифицированной окружающим флюидом, схемой усилителя, расположенной с измерительным электронным устройством.

Когда вилка камертона погружается во флюид и возбуждается на своей резонансной частоте, то вилка камертона перемещает флюид посредством движения ее зубцов. Резонансная частота колебаний существенно зависит от плотности флюида, который у поверхности зубцов толкают, тогда как вязкость флюида существенно влияет на ширину полосы частот. Когда вязкость флюида изменяется, то изменяются суммарные силы демпфирования, изменяя ширину полосы частот и тем самым величину "Q" или коэффициент добротности датчика. Электронная схема может возбуждать колебания датчика поочередно в двух положениях на кривой частотной характеристики, и при этом может быть определен коэффициент добротности (Q) резонатора, а также и резонансная частота. Измеряя определенные периоды, связанные с кривой частотной характеристики, можно вычислить вязкость флюида.

В частности, вязкость флюида может быть измерена, создавая колебательные отклики на частотах ω1 и ω2, которые являются частотами выше и ниже резонансной частоты ω0 объединенного с флюидом вибрационного датчика. На резонансной частоте ω0 разность фаз Φ0 может составлять приблизительно 90 градусов. Две частотные точки ω1 и ω2 задаются как частоты привода, где фаза сигнала привода и фаза сигнала колебаний отличаются разностями фаз Φ1 и Φ2, соответственно. Разность фаз Φ1 может быть задана как точка, где разность фаз между фазой сигнала привода и фазой сигнала колебаний составляет приблизительно 135 градусов, например. Разность фаз Φ2 может быть задана как точка, где разность фаз между фазой сигнала привода и фазой сигнала колебаний составляет приблизительно 45 градусов, например.

Расстояние между этими двумя частотными точками ω1 и ω2 (то есть разность частот между ω1 и ω2) используется для определения величины Q, которая пропорциональна вязкости и может быть аппроксимирована формулой:

вязкость ≈Q=ω0/(ω1-ω2).

Резонансная частота ω0 находится между двумя частотными точками ω1 и ω2. Поэтому резонансная частота ω0, может быть определена как:

ω0≈0,5⋅(ω1+ω2).

Частотные точки ω1 и ω2 определяются во время работы, когда элемент датчика взаимодействует с характеризуемым флюидом. Для надлежащего определения частотных точек ω1 и ω2 система привода использует привод с замкнутым контуром, управляя элементом датчика так, чтобы переключаться между двумя точками разности фаз (Φ1 и Φ2), и регистрируя частоты колебаний ω1 и ω2 в этих точках. При использовании привода с обратной связью система привода техники предшествующего уровня гарантирует, что измерение разности фаз будет устойчивым, когда частоты колебаний ω1 и ω2 определены. Это служит примером того, как фаза может использоваться для вычисления вязкости измерительным электронным устройством.

Ориентируя вибрационный измеритель в резервуаре сбора песка песочного сепаратора и измеряя изменения интенсивности сигнала датчика перемещения и/или разности фаз сигнала, оказывается возможным регистрировать уровень границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, как это здесь и раскрыто.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с вариантом реализации предоставляется песочный сепаратор, включающий в себя разделительную камеру и слив. В соответствии с вариантом реализации песочный сепаратор содержит измеритель, гидравлически связанный с внутренним пространством разделительной камеры, причем измеритель сконфигурирован для определения границы раздела жидкой и твердой сред. Песочный сепаратор дополнительно содержит измерительное электронное устройство, электрически связанное с измерителем, сконфигурированное для приема сигнала от измерителя.

В соответствии с вариантом реализации предоставляется песочный сепаратор, включающий в себя разделительную камеру и слив. В соответствии с вариантом реализации песочный сепаратор содержит вибрационный камертонный денситометр, гидравлически связанный с внутренним пространством разделительной камеры, которая сконфигурирована для индикации границы раздела жидкой и твердой сред. Песочный сепаратор также содержит вибрационный элемент камертонного денситометра, который сконфигурирован для колебаний. Кроме того, песочный сепаратор содержит привод, сконфигурированный для приема сигнала привода, причем привод дополнительно сконфигурирован для обеспечения вибрации вибрационного элемента, и также датчик перемещения, сконфигурированный для определения вибрации вибрационного элемента и для создания сигнала перемещения, который отображает зарегистрированные вибрации. Песочный сепаратор дополнительно содержит измерительное электронное устройство, электрически связанное с камертонным денситометром и сконфигурированное для подачи сигнала привода на привод и приема сигнала перемещения от камертонного денситометра.

В соответствии с вариантом реализации предоставляется способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе. В соответствии с вариантом реализации способ содержит этапы: возбуждения вибраций вибрационного элемента, расположенного в песочном сепараторе; измерения вибрационного отклика вибрационного элемента; сравнения вибрационного отклика с референсным значением; и определение уровня границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе.

В соответствии с вариантом реализации предоставляется способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе. В соответствии с вариантом реализации способ содержит этапы: размещения вибрационного измерителя в песочном сепараторе; обеспечение вибрации вибрационного элемента вибрационного измерителя на резонансной частоте вибрационного элемента и флюида, окружающего вибрационный элемент; приема сигнала от датчика перемещения вибрационного измерителя; и определение наличия границы раздела жидкой и твердой сред.

ОБЪЕКТЫ

В соответствии с объектом песочный сепаратор, включающий в себя разделительную камеру и слив, содержит: измеритель, гидравлически связанный с внутренним пространством разделительной камеры, причем измеритель сконфигурирован для определения границы раздела жидкой и твердой сред; и измерительное электронное устройство, электрически связанное с измерителем, сконфигурированное для приема сигнала от измерителя.

Предпочтительно, измеритель расположен вблизи такого уровня в разделительной камере, который соответствует максимальному желаемому уровню границы раздела жидкой и твердой сред.

Предпочтительно, измеритель представляет собой вибрационный измеритель.

Предпочтительно, вибрационный измеритель представляет собой денситометр.

Предпочтительно, песочный сепаратор дополнительно содержит: вибрационный элемент; привод, сконфигурированный для обеспечения вибрации вибрационного элемента; и датчик перемещения, сконфигурированный для определения вибрации вибрационного элемента.

Предпочтительно, сигнал от датчика представляет собой уровень сигнала датчика перемещения.

Предпочтительно, уровень сигнала представляет собой напряжение.

Предпочтительно, сигнал от измерителя представляет собой разность фаз между сигналом привода, предоставляемым на привод, и сигналом перемещения, принятым от датчика перемещения.

Предпочтительно, слив является удаленно управляемым.

Предпочтительно, привод содержит пьезоэлектрический элемент, и датчик перемещения содержит пьезоэлектрический элемент.

В соответствии с объектом песочный сепаратор, включающий в себя разделительную камеру и слив, содержит:

вибрационный камертонный денситометр, гидравлически связанный с внутренним пространством разделительной камеры, которая сконфигурирована для индикации границы раздела жидкой и твердой сред;

вибрационный элемент камертонного денситометра, который сконфигурирован для обеспечения вибрации;

привод, сконфигурированный для приема сигнала привода, причем привод дополнительно сконфигурирован для вибрации вибрационного элемента;

датчик перемещения, сконфигурированный для определения вибрации вибрационного элемента и создания сигнала перемещения, который отображает зарегистрированную вибрацию; и

измерительное электронное устройство, электрически связанное с камертонным денситометром, сконфигурированное для подачи сигнала привода на привод и приема сигнала перемещения от камертонного денситометра.

Предпочтительно, сигнал перемещения представляет собой уровень сигнала датчика перемещения.

Предпочтительно, уровень сигнал перемещения представляет собой напряжение.

Предпочтительно, измерительное электронное устройство вычисляет разность фаз между сигналом привода и сигналом перемещения.

Предпочтительно, песочный сепаратор дополнительно содержит слив, сконфигурированный для выпуска материала из песочного сепаратора.

Предпочтительно, слив содержит клапан, который может управляться измерительным электронным устройством.

В соответствии с объектом способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе содержит этапы:

обеспечения колебаний вибрационного элемента, расположенного в песочном сепараторе;

измерения вибрационного отклика вибрационного элемента;

сравнения вибрационного отклика с референсным значением; и

определения уровня границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап индикации наличия границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, если интенсивность вибрационного отклика оказывается ниже заданного порога.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап индикации наличия границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, если разность фаз между вибрационным откликом и референсным значением оказывается ниже заданного порога.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап высвобождения твердых тел из песочного сепаратора, если граница раздела жидкой и твердой сред превышает заданный уровень.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап открытия слива песочного сепаратора.

В соответствии с объектом способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе содержит этапы:

размещения вибрационного измерителя в песочном сепараторе;

обеспечения вибрации вибрационного элемента вибрационного измерителя на резонансной частоте вибрационного элемента и флюида, окружающего вибрационный элемент;

приема сигнала от датчика перемещения вибрационного измерителя; и

определения наличия границы раздела жидкой и твердой сред.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап поддержания фиксированной разности фаз между сигналом привода и сигналом перемещения.

Предпочтительно, фиксированная разность фаз составляет приблизительно 45°.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап индикации того, когда вибрационный измеритель не может поддерживать фиксированную разность фаз между сигналом привода и сигналом перемещения.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап индикации того, когда разность фаз между сигналом привода и сигналом перемещения флуктуирует относительно фиксированной разности фаз больше чем на заданную величину.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап индикации того, когда вибрационный элемент прекращает вибрировать

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап индикации наличия границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, если амплитуда вибрационного отклика оказывается ниже заданного порога.

Предпочтительно, уровень сигнала содержит напряжение.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап высвобождения твердых тел из песочного сепаратора, если определяется граница раздела жидкой и твердой сред.

Предпочтительно, способ дополнительно содержит этап открытия слива песочного сепаратора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

То же самое цифровое обозначение представляет тот же самый элемент на всех чертежах. Чертежи не обязательно представлены в масштабе.

Фиг. 1 изображает песочный сепаратор техники предшествующего уровня;

Фиг. 2 - вариант реализации вибрационного денситометра;

Фиг. 3 - вариант реализации песочного сепаратора с регистратором границы раздела жидкой и твердой сред;

Фиг. 4 - график, иллюстрирующий песочный сепаратор с регистратором границы раздела жидкой и твердой сред в использовании; и

Фиг. 5 - также график, иллюстрирующий песочный сепаратор с регистратором границы раздела жидкой и твердой сред в использовании.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чертежи на Фиг. 1-5 и нижеследующее описание демонстрируют конкретные примеры для пояснения специалистам в данной области техники того, как реализовать и использовать наилучшим образом варианты реализации песочного сепаратора и соответствующих способов. С целью пояснения принципов изобретения некоторые обычные объекты были упрощены или исключены. Специалисты в данной области техники увидят возможные вариации этих примеров, которые находятся в пределах объема притязаний изобретения. Специалисты в данной области техники увидят, что описанные ниже признаки могут быть различным образом скомбинированы, образуя множественные вариации изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами, но только пунктами формулы и их эквивалентами.

На Фиг. 1 показан песочный сепаратор 100 техники предшествующего уровня. Впускное окно 102 позволяет ввести смесь жидкость/твердое тело в песочный сепаратор 100 с целью отделения в смеси жидкой фазы от твердой фазы. Обычно песок, осадок, и твердые осколки (в целом "твердые тела"), которые переносятся в воде, отделяются от воды. Однако другие жидкости и твердые тела предполагаются настоящими вариантами реализации, и ни один из представленных здесь примеров не следует рассматривать как ограничение вариантов флюида, который может содержать жидкость. Флюид может содержать газ. Альтернативно, флюид может содержать многофазный флюид, такой как жидкость, которая включает в себя вовлеченный газ, вовлеченные твердые тела, множественные жидкости или комбинации этого.

Впускное окно 102 установлено вблизи верхней области 104 сепаратора 100 и смещено относительно вертикальной оси так, что смесь вводится в сепаратор 100 в определенной степени по касательной, так чтобы в разделительной камере 106 создавалась картина кругового потока. Эта картина потока с помощью центробежных сил заставляет более тяжелые твердые тела перемещаться к внутренней поверхности 108 разделительной камеры 106. Твердые тела имеют тенденцию падать к нижней области 110 сепаратора 100 и, в конечном счете, попадать в область 112 удержания твердых тел. Область 112 удержания твердых тел представляет собой просто участок нижней области 110 сепаратора 100 в этом варианте реализации. В других вариантах реализации предполагаются другие камеры для сбора песка. Жидкость, которая по существу свободна от твердых тел, выводится через трубопровод 114 и выходит из сепаратора 100 через выпускное окно 116. Для высвобождения накопленных твердых тел слив 118 располагается вблизи камеры 112 для твердых тел, которая может быть открыта для выпуска этих твердых тел. Слив может содержать клапан. Как будет очевидно специалисту в данной области техники, если твердые тела накопятся выше определенного уровня в определенном сепараторе 100, сепаратор 100 может засориться и твердые тела в этом случае должны быть вычищены вручную, не одновременно с текущими процессами, тем самым прерывая такие процессы.

Для регистрации (определения) границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе 100 предоставленный вариант реализации использует вибрационный измеритель 120. На Фиг. 2 показан вибрационный измеритель 120. Вибрационный элемент 122 (обычно имеющий конструкцию "вилки камертона" или "зубцов") возбуждается приводом для колебаний (вибрации) на частоте привода 124. Датчик перемещения 126 с вибрационным элементом 122 регистрирует (определяет) колебания (вибрацию) вибрационного элемента 122. Измерительное электронное устройство (128) соединяется с приводом 124 и датчиком 126 перемещения. Вибрационные измерители без вилок или зубцов также предполагаются.

Измерительное электронное устройство (128) может подавать электропитание на вибрационный элемент 122 через кабель или кабели 130. Кабель 130 содержит соединения для данных, питания и т.п. от источника электропитания (не показан), измерительного электронного устройства 128 или другого управляющего или вычислительного устройства (не показано). Измерительное электронное устройство (128) может управлять работой измерителя 120 и вибрационного элемента 122 с помощью кабеля или кабелей 100. Например, измерительное электронное устройство (128) может создавать сигнал привода и подавать сигнал привода на привод 124, причем вибрационный элемент 122 управляется для создания колебаний (вибрации) в одном или нескольких вибрационных компонентах, таких как отдельные зубцы, используя сигнал привода. Сигнал привода может управлять амплитудой колебаний и/или может управлять частотой колебаний. Сигнал привода может также управлять продолжительностью колебаний и/или синхронизацией или фазой колебаний.

Измерительное электронное устройство (128) принимает сигнал или сигналы колебаний от вибрационного элемента 122 через кабель или кабели 130. Измерительное электронное устройство (128) может обработать сигнал или сигналы колебаний для создания измерения плотности или вязкости, например. Следует понимать, что другие или дополнительные измерения могут быть созданы из сигнала или сигналов колебаний. В одном варианте реализации измерительное электронное устройство (128) обрабатывает сигнал или сигналы колебаний, принятые от вибрационного элемента 122, для определения частоты сигнала или сигналов. Частота может содержать резонансную частоту вибрационного элемента/флюида, которая может быть использована для определения плотности или вязкости флюида. В соответственных вариантах реализации сигналы от измерительного электронного устройства 128 посылаются другому вычислительному или обрабатывающему устройству для обработки.

Измерительное электронное устройство (128) может также обработать сигнал или сигналы колебаний для определения других параметров флюида, таких как вязкость или сдвиг фазы между сигналами, которые могут быть обработаны для определения расхода флюида, например. Другие параметры вибрационного отклика и/или измерения флюида также предполагаются и в пределах объема притязаний описания и формулы, например наличие твердых тел, взвешенных в жидкости, и наличие границы раздела жидкой и твердой сред. Измерительное электронное устройство (128) может быть дополнительно связано с интерфейсом 132, и измерительное электронное устройство (128) может обмениваться сигналами с помощью этого интерфейса 132. Измерительное электронное устройство (128) может обработать принятый сигнал колебаний для создания значения или значений измерения и может передать значение или значения измерения через интерфейс 132. Кроме того, измерительное электронное устройство (128) может принимать информацию через интерфейс 132, например команды, обновления, операционные значения или изменения операционных значений и/или программные обновления или изменения. Кроме того, интерфейс 132 может иметь возможность связи между измерительным электронным устройством 128 и удаленной системой обработки (не показано). Интерфейс 132 может иметь возможность любой связи - электронной, оптической или беспроводной, такой как, например, 4-20ma, HART, RS 485, Modbus, Fieldbus и т.п., без ограничения.

В варианте реализации привод 124 и датчик перемещения 126 оба содержат пьезоэлектрические кристаллические элементы. Привод 124 и датчик перемещения 126 расположены как смежные с первым 122A и вторым 122B зубцами вибрационного элемента 122. Привод 124 и датчик перемещения 126 сконфигурированы для контакта и механического взаимодействия с первым и вторым зубцами 122A, 122B. В частности, привод 124 может входить в контакт, по меньшей мере, с участком первого зубца 122A. Привод 124 расширяется и сжимается, когда подвергается действию сигнала привода или референсному сигналу, предоставленному измерительным электронным устройством 128. В результате привод 124 попеременно деформирует и поэтому перемещает первый зубец 122 в поперечном направлении в колебательном движении (см. пунктирные линии), периодически возмущая флюид возвратно-поступательным образом. Колебание второго зубца обуславливает соответствующий электрический сигнал, создаваемый датчиком 124 перемещения. Датчик перемещения 124 передает сигнал колебаний на измерительное электронное устройство (128). Измерительное электронное устройство (128) обрабатывает сигнал колебаний и может измерить амплитуду сигнала колебаний и/или частоту сигнала колебаний. Измерительное электронное устройство (128) может также сравнить фазу сигнала от датчика перемещения 124 с фазой референсного сигнала, который подается измерительным электронным устройством 128 на привод 124. Измерительное электронное устройство (128) может также передать сигнал колебаний через интерфейс 132.

Вибрационный измеритель 120, по меньшей мере, частично погружается в характеризуемый флюид. Например, вибрационный измеритель 120 может быть установлен в трубке или в трубопроводе. Вибрационный измеритель 120 может быть установлен в танке, или контейнере, или в поддерживающей флюид структуре. Вибрационный измеритель 120 может быть установлен в манифольде или в подобной структуре для направления потока флюида. В предпочтительном варианте реализации вибрационное сенсорное устанавливается так, что вибрационный элемент 122 выступает во внутреннее пространство разделительной камеры 106 песочного сепаратора 100. Другие геометрии установки также предполагаются и находятся в пределах объема притязаний описания и формулы.

На Фиг. 3 показан вариант реализации песочного сепаратора 100 с измерителем 120 для индикации уровня границы раздела жидкой и твердой сред. Измеритель 120 помещен в разделительную камеру 106 так, что его участок, требуемый для считывания границы раздела твердой и жидкой сред, расположен в разделительной камере 106. В варианте реализации измеритель 120 представляет собой вибрационный измеритель. В соответственном варианте реализации измеритель 120 представляет собой вибрационный камертонный денситометр. В этом случае вибрационный элемент 122 выступает в разделительную камеру 106 так, чтобы зубцы 122A, 122B вибрационного элемента 122 имели возможность контакта с флюидом.

Флюид вводится во впускное окно 102 сепаратора 100 в тангенциальной ориентации так, чтобы в разделительной камере 106 был создан круговой поток. При такой геометрии потока центробежные силы вынуждают твердые тела смещаться к внутренней поверхности 108 разделительной камеры 106, где твердые тела имеют тенденцию падать к нижней области 110 сепаратора 100 и, в конечном счете, попадать в область 112 удержания твердых тел. Слив 118 внизу разделительной камеры 106 может быть открыт так, чтобы твердые тела были вычищены из сепаратора 100. Если уровень твердых тел оказывается слишком поднятым, сепаратор 100 будет забит и станет не функциональным. В варианте реализации измеритель 120 размещается в таком положении на разделительной камере 106, которое соответствует максимальному желаемому уровню границы раздела жидкой и твердой сред. Когда граница раздела жидкой и твердой сред повышается до этого уровня, измеритель 120 регистрирует (определяет) границу.

В варианте реализации слив 118 может управляться удаленно, так чтобы сигнал, такой как электрический, электронный, пневматический, гидравлический или подобный сигнал, заставил слив 118 открываться. В варианте реализации, когда граница раздела жидкой и твердой сред достигает заданного максимального желаемого уровня, измеритель 120 регистрирует эту границу раздела с помощью измерительного электронного устройства 128 и связывается со сливом118 так, что слив 118 приводится в действие, чтобы, по меньшей мере, участок содержания твердых тел в пределах сепаратора 100 был в нем очищен. В частности, измерительное электронное устройство (128) принимает сигнал от измерителя 120, который указывает на наличие границы раздела жидкой и твердой сред, и это обрабатывается измерительным электронным устройством 128, которое посылает сигнал на слив 118, чтобы его открыть и произвести очистку сепаратора.

В варианте реализации измеритель 120 представляет собой денситометр, и в соответственном варианте реализации измеритель представляет собой вибрационный камертонный денситометр. Денситометр имеет вибрационный элемент 122, который выступает в разделительную камеру 106, причем вибрационный элемент 122 управляется для колебаний приводом 124 и датчик перемещения 126 регистрирует колебания. В случае вибрационного камертонного денситометра первый зубец 122A управляется для колебаний приводом 124, и второй зубец 122B передает колебания на датчик перемещения 126. В любом случае, измерительное электронное устройство (128) подает приводной или референсный сигнал на привод 124 и принимает сигнал от датчика перемещения 126, который отображает зарегистрированное таким образом колебание. Именно сигнал от датчика перемещения 126, который анализируется измерительным электронным устройством (или передается на интерфейс 132), может быть особенно показательным для границы раздела жидкой и твердой сред.

В варианте реализации измерительное электронное устройство (128) принимает сигнал от датчика перемещения 126, которое и указывает уровень сигнала. В варианте реализации уровень сигнала измеряется как напряжение. Когда вибрационный элемент 122 погружен в преобладающую жидкую фазу, зубцы 122A, 122B колеблются и датчик перемещения 126 выводит напряжение между, приблизительно 4 мВ и 20 мВ, например, без ограничения. Другие напряжения и пределы напряжения также возможны, и ничто здесь не следует рассматривать как ограничение для данных примерных напряжений. Когда граница раздела жидкой и твердой сред повышается из-за твердых тел, накапливающихся в песочном сепараторе 100, первый зубец 122A и второй зубец 122B будут колебаться все с меньшей интенсивностью и, таким образом, датчик перемещения 126 будет выводить меньшее напряжение, например напряжение, меньшее чем 4 мВ. Когда зубцы 122A, 122B все больше и больше покрываются твердыми телами, выходной сигнал понизится и приблизится, если не достигнет, 0 мВ. Когда это случится, помимо понижения выходного напряжения, неустойчивость считываний напряжения является также обнаруживаемой. Выходной сигнал может также содержать цифровой сигнал. Выходной сигнал может быть модифицирован, например, калибровочным коэффициентом. Измерительное электронное устройство (128) регистрирует пониженное напряжение и/или увеличенную неустойчивость и дает команду песочному сепаратору 100 о необходимости открытия слива 118. Пороговое напряжение для инициализации открытия слива 118 сохраняется в измерительном электронном устройстве 128 и может быть задано и установлено производителем во время изготовления и/или может быть регулируемым пользователем. Как только твердые тела вычищены, измеритель 120 выводит напряжение, которое указывает наличие преобладающей жидкой фазы и управляет сливом 118 так, чтобы его закрыть. Время, которое клапан 118 остается открытым, может быть предварительно установлено, или может быть задано параметрами измерителя 120, или и тем, и тем. В вариантах реализации без автоматизированной активации слива измеритель 120 или измерительное электронное устройство (128) предупреждает пользователя, что слив 118 должен быть открыт или закрыт.

В другом варианте реализации для регистрации границы раздела жидкой и твердой сред используется разность фаз. В частности, измерительное электронное устройство (128) дает команду приводу 124, чтобы заставить вибрационный элемент 122 колебаться. Колебание происходит на резонансной частоте вибрационного элемента в окружающей среде. Если плотность или вязкость среды изменяется, то изменяются и резонансная частота, и ширина полосы частот. Поэтому резонансная частота вибрационного элемента 122 изменяется, когда граница раздела жидкой и твердой сред приближается, вследствие увеличения содержания твердых тел в среде и уровня границы раздела. Поскольку твердые тела покрывают вибрационный элемент 122, вибрационный отклик изменяется и вибрационный элемент 122 может, в конечном счете, совсем прекратить колебания, поскольку он будет засыпан.

Измерительное электронное устройство (128) дает команду приводу 124, чтобы возбудить колебания вибрационного элемента 122 на определенной частоте. Измерительное электронное устройство (128) затем регистрирует сигнал от датчика перемещения 126 и поддерживает фиксированную разность фаз между сигналом от датчика перемещения 126 и референсным сигналом, посланным на привод 124 в режиме обратной связи. В предпочтительном варианте реализации фиксированная разность фаз составляет приблизительно 45°. Разности фаз с другими значениями также возможны. При поддержании разности фаз, по меньшей мере, измеряется одна частота (ω) привода, и измерительное электронное устройство (128) может вычислить плотность и другие свойства флюида. Когда граница раздела жидкой и твердой сред повышается и входит в контакт с вибрационным элементом, привод 124 не может возбуждаться на частоте, которая поддерживает фиксированную разность фаз между сигналом привода и сигналом датчика перемещения, что происходит из-за столкновения твердых тел с вибрационным элементом 122. Это приводит к разности фаз между сигналом привода и сигналом датчика перемещения, становящейся непостоянной вначале и, в конечном счете, флуктуирующей далеко от фиксированной точки. Когда разность фаз дрейфует, измерительное электронное устройство распознает это как наличие границы раздела жидкой и твердой сред. В варианте реализации, когда измерительное электронное устройство (128) регистрирует этот дрейф фазы, песочному сепаратору 100 выдается команда о необходимости открытия слива 118. Пороговая разность фаз для инициализации открытия слива 118 сохраняется в измерительном электронном устройстве 128 и может быть задана заранее и установлена производителем во время изготовления и/или может быть регулируемой пользователем. Как только твердые тела по существу вычищены, измеритель 120 выводит восстановленную фиксированную разность фаз, которая указывает наличие преобладающей жидкой фазы, и слив 118 получает команду для закрытия. Время, которое клапан 118 остается открытым, может быть предварительно установлено, или основано на параметрах измерителя 120, или и так, и так. В вариантах реализации без автоматизированной активизации слива измеритель 120 предупреждает пользователя о том, что слив 118 должен быть открыт или закрыт.

На Фиг. 4 показаны данные для вибрационного измерителя 120, установленного в песочный сепаратор 100, причем в сепаратор 100 введен остроугольный песок. Остроугольный песок введен в сепаратор 100 в первой точке 400. Во второй временной точке 402 граница раздела жидкой и твердой сред первоначально регистрируется измерителем 120. Вибрационный элемент 122 в этой точке взаимодействует с все более увеличивающимся содержанием песка, когда граница раздела жидкой и твердой сред повышается. Выходной сигнал 404 датчика перемещения отражает это, показывая уменьшающееся выходное напряжение. Выходной сигнал 406 измерителя (измеряемый как плотность в этом примере) одновременно уменьшается как функция выходного сигнала 404 датчика перемещения. В третьей временной точке 408 вибрационный элемент 122 по существу засыпан остроугольным песком, и вибрационный элемент 122 демпфируется до точки, когда выходной сигнал 404 датчика перемещения фактически составляет около 0 мВ. Это, конечно же, отражается на выходном сигнале 406 измерителя, который также уменьшается.

На Фиг. 5 показаны подобные данные для вибрационного измерителя 120, установленного в песочный сепаратор 100, причем мелкий песок введен в сепаратор 100. Мелкий песок вводится в сепаратор 100 в первой точке 500. Во второй временной точке 502 добавление песка было приостановлено. Вибрационный элемент 122 в этой точке взаимодействует с преобладающей жидкой фазой смеси жидкость/твердое тело в сепараторе 100. Выходной сигнал 404 датчика перемещения отражает это, показывая устойчивое выходное напряжение. Выходной сигнал 406 измерителя (измеренный как плотность в этом примере) одновременно остается устойчивым как функция выходного сигнала 404 датчика перемещения. В третьей временной точке 504 продолжается добавление песка, и граница раздела жидкой и твердой сред первоначально регистрируется измерителем 120. Вибрационный элемент 122 в этой точке взаимодействует со все более увеличивающимся содержанием песка, когда граница раздела жидкой и твердой сред повышается. Выходной сигнал 404 датчика перемещения отражает это, показывая уменьшающееся выходное напряжение. Выходной сигнал 406 измерителя одновременно уменьшается как функция выходного сигнала 404 датчика перемещения. В четвертой временной точке 506 вибрационный элемент 122 по существу засыпан остроугольным песком, и вибрационный элемент 122 демпфируется до точки, когда выходной сигнал 404 датчика перемещения фактически составляет около 0 мВ. Это, конечно же, отражается на выходном сигнале 406 измерителя, который также уменьшается и показывает ошибочные считывания.

Подробные описания вышеупомянутых вариантов реализации не являются исчерпывающими описаниями всех вариантов реализации, рассматриваемых авторами как находящиеся в пределах объема притязаний изобретения. Действительно, специалисты в данной области техники увидят, что некоторые элементы вышеописанных вариантов реализации могут по-разному быть объединены или исключены, образуя дополнительные варианты реализации, и такие дополнительные варианты реализации находятся в пределах объема притязаний и принципов изобретения. Специалистам в данной области техники также будет очевидно, что вышеописанные варианты реализации могут быть объединены полностью или частично, образуя дополнительные варианты реализации в пределах объема притязаний и принципов изобретения.

Таким образом, хотя определенные варианты реализации и примеры изобретения описаны здесь в иллюстративных целях, различные эквивалентные модификации возможны в пределах объема притязаний изобретения, как будет видно специалистам в данной области техники. Представленные здесь принципы могут быть применены к другим устройствам и способам, а не только к вариантам реализации, описанным выше и показанным на сопровождающих чертежах. Соответственно, объем притязаний изобретения должен быть определен из нижеследующих пунктов формулы.

Представлен песочный сепаратор, который включает в себя разделительную камеру и слив. Песочный сепаратор содержит измеритель, гидравлически связанный с внутренним пространством разделительной камеры, причем измеритель сконфигурирован для регистрации границы раздела жидкой и твердой сред. Измерительное электронное устройство, электрически связанное с измерителем, сконфигурировано для приема сигнала от измерителя, указывая границу раздела жидкой и твердой сред. Причем сигнал от измерителя представляет собой разность фаз между сигналом привода и сигналом перемещения, принятым от датчика перемещения. Устройство выполнено с возможностью индикации того, когда вибрационный измеритель не может поддерживать фиксированную разность фаз. Технический результат – устранение или уменьшение засорения песочного сепаратора. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Песочный сепаратор (100), включающий в себя разделительную камеру (106) и слив (118), содержащий:

вибрационный элемент (122);

привод (124), выполненный с возможностью обеспечения вибрации вибрационного элемента (122); и

датчик перемещения (126), выполненный с возможностью определения вибрации вибрационного элемента (122);

измеритель (120), находящийся в сообщении по текучей среде с внутренним пространством разделительной камеры (106), причем измеритель (120) выполнен с возможностью определения границы раздела жидкой и твердой сред; и

измерительное электронное устройство (128), электрически сообщающееся с измерителем (120), выполненное с возможностью приема сигнала от измерителя (120), причем сигнал от измерителя (120) представляет собой разность фаз между сигналом привода, подаваемым на привод (124), и сигналом перемещения, принятым от датчика перемещения (126), и при этом измерительное электронное устройство (128) выполнено с возможностью индикации того, когда вибрационный измеритель не может поддерживать фиксированную разность фаз между сигналом привода и сигналом перемещения.

2. Песочный сепаратор (100) по п. 1, причем измеритель представляет собой, по меньшей мере, или денситометр, или вискозиметр.

3. Песочный сепаратор (100) по п. 1, в котором сигнал от измерителя (120) представляет собой уровень сигнала датчика перемещения (126).

4. Песочный сепаратор (100) по п. 3, в котором уровень сигнала представляет собой напряжение.

5. Песочный сепаратор (100) по п. 1, причем слив (118) является приводимым в действие удаленно.

6. Песочный сепаратор (100) по п. 1, в котором привод (124) содержит пьезоэлектрический элемент и датчик перемещения (126) содержит пьезоэлектрический элемент.

7. Песочный сепаратор (100), включающий в себя разделительную камеру (106) и слив (118), содержащий:

вибрационный камертонный денситометр (120), находящийся в сообщении по текучей среде с внутренним пространством разделительной камеры (106), который выполнен с возможностью индикации границы раздела жидкой и твердой сред;

вибрационный элемент (122) камертонного денситометра (120), который выполнен с возможностью вибрирования;

привод (124), выполненный с возможностью приема сигнала привода, причем привод (124) дополнительно выполнен с возможностью обеспечения вибрации вибрационного элемента (122);

датчик перемещения (126), выполненный с возможностью определения вибрации вибрационного элемента (122) и создания сигнала перемещения, который отображает зарегистрированную вибрацию; и

измерительное электронное устройство (128), электрически сообщающееся с денситометром (120), выполненное с возможностью подачи сигнала привода на привод (124) и приема сигнала перемещения от денситометра (120), причем измерительное электронное устройство (128) выполнено с возможностью вычисления разности фаз между сигналом привода и сигналом перемещения.

8. Песочный сепаратор (100) по п. 7, причем сигнал перемещения представляет собой уровень сигнала перемещения датчика (126).

9. Песочный сепаратор (100) по п. 8, причем уровень сигнала перемещения представляет собой напряжение.

10. Песочный сепаратор (100) по п. 7, дополнительно содержащий слив (118), выполненный с возможностью выпуска материала из песочного сепаратора (100).

11. Песочный сепаратор (100) по п. 10, причем слив (118) содержит клапан, который может приводиться в действие измерительным электронным устройством (128).

12. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, содержащий этапы:

обеспечения вибрации вибрационного элемента, расположенного в песочном сепараторе;

измерения вибрационного отклика вибрационного элемента;

сравнения вибрационного отклика с референсным значением;

определения уровня границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе; и

индикации наличия границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, если разность фаз между вибрационным откликом и референсным значением проходит заданный порог.

13. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 12, дополнительно содержащий этап:

индикации наличия границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, если интенсивность вибрационного отклика оказывается ниже заданного порога.

14. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 12, дополнительно содержащий этап:

высвобождения твердых тел из песочного сепаратора, если граница раздела жидкой и твердой сред превышает заданный уровень.

15. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 14, причем этап высвобождения твердых тел из песочного сепаратора, если граница раздела жидкой и твердой сред превышает заданный уровень, дополнительно содержит этап:

открытия слива песочного сепаратора.

16. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, содержащий этапы:

размещения вибрационного измерителя в песочном сепараторе;

обеспечения вибрации вибрационного элемента вибрационного измерителя на резонансной частоте вибрационного элемента и текучей среды, окружающей вибрационный элемент;

приема сигнала от датчика перемещения вибрационного датчика;

определения наличия границы раздела жидкой и твердой сред;

поддержания фиксированной разности фаз между сигналом привода и сигналом перемещения; и

индикации того, когда вибрационный измеритель не может поддерживать фиксированную разность фаз между сигналом привода и сигналом перемещения.

17. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 16, причем фиксированная разность фаз составляет приблизительно 45°.

18. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 16, причем этап определения наличия границы раздела жидкой и твердой сред дополнительно содержит этап:

индикации того, когда разность фаз между сигналом привода и сигналом перемещения флуктуирует относительно фиксированной разности фаз больше чем на заданную величину.

19. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 16, причем этап определения наличия границы раздела жидкой и твердой сред дополнительно содержит этап:

индикации того, когда вибрационный элемент прекращает вибрировать.

20. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 16, причем этап определения наличия границы раздела жидкой и твердой сред дополнительно содержит этап:

индикации наличия границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе, если интенсивность вибрационного отклика оказывается ниже заданного порога.

21. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 20, причем на этапе определения наличия границы раздела жидкой и твердой сред интенсивность сигнала содержит напряжение.

22. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 16, дополнительно содержащий этап:

высвобождения твердых тел из песочного сепаратора, если определяется граница раздела жидкой и твердой сред.

23. Способ определения границы раздела жидкой и твердой сред в песочном сепараторе по п. 16, дополнительно содержащий этап:

открытия слива песочного сепаратора.