ЭЛЕКТРОЕМКОСТНЫЙ СЕПАРАТОР И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01F15/08 B01D17/32 

Область техники

[1] Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может применяться в областях, где необходимо определять положения границ разделов токопроводящей жидкости и непроводящих жидкости или газа.

Уровень техники

[2] Электроемкостный сепаратор представляет из себя совокупность элементов и механизмов, обеспечивающих воздействие на токопроводящее текучее вещество с целью разделения смеси на текучие среды и определения положения границы раздела жидкость/газ или жидкость/жидкость. Данная технология обычно применяется при проведении лабораторных исследований свойств образцов горной породы, в частности при многофазной фильтрации текучих сред.

[3] Сепаратор необходим для разделения смеси на текучие среды и определения их объемов при проведении исследований многофазного течения несмешиваемых сред через пористую среду, вытесненных из образца горной породы при давлении и температуре, близких к пластовым, для определения коэффициента вытеснения нефти. Определение объемов осуществляется при помощи уровнемеров, определяющих положение границы раздела текучих сред разной плотности, разделенных под действием силы гравитации, в сепараторе, с известными геометрическими размерами. Оптимальный режим вытеснения нефти подбирается путем варьирования состава вытесняющего агента, давления и расхода, и потом применяется на самом месторождении.

[4] В процессе проведения этих исследований крайне важными факторами является качество и возможность определения границы раздела текучих сред в широком диапазоне условий измерений, например, при высоких температурах и давлениях, как при пластовых условиях, в условиях визуально неразличимой границы раздела текучих сред и т.д.

[5] На данный момент для проведения фильтрационных экспериментов чаще всего используются системы с оптическими (визуальными), ультразвуковыми (акустическими), резистивными или емкостными уровнемерами для определения положения границы раздела текучих сред. У каждого типа уровнемеров диапазоны условий измерений ограничены, в связи с их конструктивными особенностями. Для сепараторов с визуальными уровнемерами определение положения границы раздела затруднено или невозможно если используются две жидкости, трудно различимые на вид. Также при измерении малых объемов в узких измерительных емкостях может происходить искривление границы раздела текучих сред, также называемой мениском, вследствие ее соприкосновения с внутренней поверхностью этой емкости, это ухудшает точность определения положения границы раздела. Для сепараторов с акустическими уровнемерами отсутствует возможность определения границы раздела фаз во время дегазации текучих сред в измерительной емкости. Чаще всего емкостные и резистивные уровнемеры работают на основе измерения токопроводимости или диэлектрической проницаемости тех или иных текучих сред. Однако такие методы обладают своими недостатками и трудностями. Для измерения этих параметров необходимо, чтобы датчики находились в непосредственном контакте с текучими средами, однако это приводит к их загрязнению и их быстрому износу, а также накладывает ограничения на диапазон применимых для измерений условий, из-за чего не всегда конструктивно возможно или выгодно проводить измерения при пластовых условиях, необходимых для фильтрационных экспериментов. На данный момент известны несколько устройств и способов определения границы раздела текучих сред в сепараторах или емкостях, основанных на резистивных, емкостных или иных методах, позволяющих провести исследования по многофазной фильтрации текучих сред или просто измерения границ разделов текучих сред в резервуарах.

[6] Известно изобретение (US 9701128 B2; опубл. 11.07.2017 г.; МПК: B41J 2/17566; B41J 2/175; G0IF 23/263; G0IF 23/268; G0IN 27/06; B41J 2002/17579; G0IF 23/266), раскрывающее устройство для непрерывного измерения уровня чернил в резервуаре струйного принтера непрерывного действия, включающее: первую пару электродов и часть для последовательного соединения этой пары электродов, для измерения импеданса первой заданной высоты чернил в резервуаре, вторая пара электродов и часть для последовательного соединения этой второй пары электродов для измерения второй высоты чернил в резервуаре, причем эта вторая высота включена между этой первой высотой и максимальным уровнем; часть для расчета второй высоты на основе резистивных составляющих двух измеренных импедансов независимо от проводимости чернил.

[7] Недостатки данного изобретения состоят в том, что при использовании электродов, погруженных в жидкость, они могут подвергаться износу, из-за чего появляется необходимость в регулярной чистке и замене датчиков, что удорожает и усложняет обслуживание. Также в данном изобретении необходимо использовать две пары электродов и измерять сразу три параметра - диэлектрические проницаемости жидкости и газа и токопроводимость жидкости, что значительно усложняет процесс измерения, увеличивает стоимость конструкции, а также увеличивает погрешность измерений, из-за зависимости от большого количества параметров. При этом устройство не может работать при высоких давлениях и температурах, и из-за контакта электродов с жидкостью увеличивается их износ, что ведет к ухудшению данных и необходимости в чистке.

[8] Другое изобретение (RU 2652148 C2; опубл. 25.04.2018 г.; МПК: G01N 27/02), раскрывающее датчик содержащий электрический резонансный преобразователь, содержащий верхнюю обмотку и нижнюю обмотку, противоположными концами параллельно соединенную с конденсатором, при этом упомянутая верхняя обмотка обеспечивает возбуждение и обнаружение отклика нижней обмотки, при этом взаимная индукция верхней обмотки используется для снятия сигнала с нижней обмотки, при этом упомянутая взаимная индукция используется для измерения величин действительной и мнимой части спектров импеданса нижней обмотки, параллельной упомянутому конденсатору и упомянутой верхней обмотке, при этом упомянутые спектры импеданса определяют на основании электрического отклика от нижней катушки верхней катушке электрического резонансного преобразователя, когда упомянутая нижняя катушка находится рядом с эмульсией, и каждая из упомянутых измеренных величин действительной и мнимой части спектров импеданса нижней обмотки независимо используются для определения состава эмульсии. Изобретение позволяет повысить чувствительность, точность и скорость измерений.

[9] К недостаткам данного изобретения можно отнести отсутствие возможности или уменьшение точности определения границы раздела текучих сред при условиях с высокими давлениями и температурами, так как в незамкнутом объеме невозможна работа с повышенными давлениями, газами, так же при повышении температуры возможно испарение жидкости. Также непосредственный контакт жидкостей с датчиком влияет на его износостойкость, а также ведет к ухудшению данных и необходимости в чистке и замене, что удорожает и усложняет ремонт оборудования. При этом для измерения высоты границы раздела текучих сред, в данном изобретении, необходимо проведение нескольких измерений в различных по высоте участках преобразователя или при помощи нескольких преобразователей, а также измеряются диэлектрическая проницаемость и токопроводимость текучих сред, что в совокупности увеличивает погрешность определения границ разделов за счет большого количества параметров и необходимости в аппроксимации.

[10] Другое изобретение (RU 2805766 C1; опубл. 15.04.2021 г.; МПК: G01F 23/263), раскрывающее способ измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах с использованием дискретных емкостных уровнемеров, установленных на внутреннюю поверхность резервуара вертикально друг за другом, содержащие блок управления, генератор тактовых импульсов, преобразователи уровней в электрические сигналы. При этом в качестве конденсаторов дискретных емкостных уровнемеров используют металлические печатные дорожки, смонтированные на печатной плате в виде двух вертикальных линеек, причем их возбуждающие обкладки располагают последовательно друг за другом в первой линейке и соединяют с генератором тактовых импульсов через первую матрицу переключения конденсаторов, а приемные обкладки конденсаторов располагают последовательно во второй линейке напротив возбуждающих, при этом каждую из n приемных обкладок подключают к соответствующему ключу второй матрицы переключения и сканирования конденсаторов, общий выход матрицы подключают к аналого-цифровому преобразователю c высокостабильным источником питания, а аналого-цифровой преобразователь соединяют с блоком управления.

[11] Недостатки данного изобретения состоят в том, что точность измерения зависит от количества используемых емкостных датчиков, что увеличивает стоимость конструкции при увеличении их количества. Также использование большого количества измеряемых величин и паспортных данных при определении высоты столба жидкости увеличивает погрешность. При этом емкостные датчики напрямую контактируют с текучими средами, что уменьшает срок их службы, а также способствует их загрязнению, что ведет к ухудшению данных и необходимости в чистке и замене, что усложняет и удорожает обслуживание оборудования. Также, при помощи данного изобретения, невозможно определять положения границ разделов сред при измерении высоты токопроводящей среды и отсутствует возможность или уменьшается точность определения границы раздела сред при условиях с высокими давлениями и температурами.

[12] Также известно другое изобретение (RU 2407993 C1; опубл. 27.12.2010 г.; МПК: G01F 23/24; G01F 23/26), раскрывающее способ измерения уровня диэлектрических и токопроводящих жидкостей, например в резервуарах с нефтью или нефтепродуктами. Способ основан на измерении электрической емкости двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости, поочередно в любой последовательности измеряют емкость двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости и измеряют емкость этого же датчика после подключения к нему конденсаторного датчика диэлектрических свойств, после чего рассчитывают уровень h от верхнего торца двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости определенным образом. Устройство для измерения уровня жидкости содержит двухэлектродный конденсаторный датчик уровня жидкости, выполненный в виде коаксиального конденсатора, и два цилиндрических электрода. При этом нижний конец внутреннего электрода двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости соединен с одним из электродов конденсаторного датчика диэлектрических свойств через замыкающий контакт герконового реле, а нижний конец внешнего электрода двухэлектродного конденсаторного датчика уровня жидкости соединен со вторым электродом конденсаторного датчика диэлектрических свойств. Технический результат: повышение точности измерения уровня различных жидкостей, а также устранение погрешностей измерений, вызванных изменением диэлектрической проницаемости контролируемой среды. 2 н.п. флы, 1 ил.

[13] В число недостатков данного изобретения также входит использование электродов, погруженных в жидкость, из-за чего они могут подвергаться коррозии и налипании текучих сред на их поверхности, в результате чего появляется необходимость в их замене и чистке, что удорожает ремонт оборудования. Также в данном изобретении необходимо использовать две пары электродов что увеличивает стоимость конструкции, а также увеличивает погрешность измерений, за счет зависимости от большого количества параметров. При этом устройство не может работать при высоких давлениях и температурах, из-за негерметичности резервуара, что сужает диапазон условий измерений.

[14] Известна статья «A Low-Cost Noncontact Capacitance-Type Level Transducer for a Conducting Liquid» опубликованная в IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 55(3): стр. 778 - 786, в которой предпринята попытка создания недорогого бесконтактного датчика уровня емкостного типа токопроводящей жидкости. Датчик имеет форму однородного круглого цилиндра, изготовленного из изоляционного материала, такого как стекло, керамика, пластик и т. д. Датчик соединен с резервуаром для хранения жидкости металлического или неметаллического типа, в котором в качестве одного электрода выбран токопроводящий столб жидкости, а в качестве другого электрода переменного конденсатора выбрана короткозамкнутая наружная катушка с неиндуктивной обмоткой. Изменение емкости из-за изменения уровня жидкости измеряется с помощью модифицированной мостовой схемы Де’Саути на основе линейного операционного усилителя с регулируемой чувствительностью моста. Выход моста после усиления и выпрямления можно использовать для управления индикатором постоянного тока, откалиброванным по уровню жидкости. Исследования проводились с датчиками из полиэтилена высокой плотности и стеклянными трубками отдельно как в металлических, так и в неметаллических резервуарах-хранилищах с водопроводной водой в качестве токопроводящей жидкости, а экспериментальные результаты статических характеристик датчиков уровня с процентной погрешностью от линейности представлены в статье. Установлено, что эти результаты имеют хорошую линейность и повторяемость в приемлемых пределах.

[15] К недостаткам данного изобретения можно отнести наличие дополнительного резервуара для хранения жидкости, что не всегда возможно выполнить с конструктивной стороны и что удорожает конструкцию. Также в настоящем изобретении используется неиндуктивно намотанная короткозамкнутая внешняя катушка, которая работает хуже в качестве внешнего цилиндрического электрода, в отличии от сплошного цилиндра, и при этом проволоки катушки могут быть разорваны при намотке и эксплуатации, а их поверхность может окисляться со временем, что уменьшает их контакт, в следствии чего увеличивается погрешность измерений. При этом, в данной статье не указана возможность работы системы при повышенных давлениях и температурах и о герметичности конструкции, в следствии чего данная конструкция может не работать или потребует значительных изменений при использовании более толстых диэлектрических стенокдатчика уровня жидкости. Также, негерметичность конструкции ограничивает условия применимости настоящего датчика уровня жидкости.

[16] Недостатками всех упомянутых решений является недостаточно высокий диапазон условий измерений границ раздела текучих сред, связанный с конструктивными особенностями резервуаров для хранения или разделения текучих сред. Это приводит как к снижению точности, так и к невозможности проведения измерений при пластовых условиях. Также все указанные сепараторы используют сложные в эксплуатации и дорогие конструкции и схемы.

Сущность изобретения

[17] Подачей настоящего изобретения является создание электроемкостного сепаратора, обладающего возможностью разделения текучих сред и измерения объемов текучих сред, по крайней мере одна из которых токопроводящая, в том числе при пластовых условиях, без их контакта с уровнемером. Данная задача решается за счет достижения заявляемым изобретением технического результата, заключающего в повышении эксплуатационных и технических характеристик электроемкостного сепаратора. Повышение эксплуатационных и технических характеристик обеспечивается за счет простоты регулировки и обслуживания его элементов и конструкций, низкой погрешности измерений, расширения диапазона условий применимости.

[18] Предлагаемый сепаратор работает следующим образом. В герметичный цилиндрический измерительный сосуд сепаратора через подводящую трубку поступает смесь несмешивающихся текучих сред, одна их которых токопроводящая, с открытыми клапанами отводящих портов, в случае, если отводящих портов более одного, при этом текучие среды могут находиться в сепараторе при пластовых условиях, то есть при температурах до +170°С, и давлениях до 110 МПа, а регулятор противодавления способен поддерживать пластовые давления в самом сепараторе. При этом, так как сосуд герметичный, даже при высоких давлениях и температурах, в средах не начинается процессы кипения, испарения и иные фазовые и агрегатные переходы, за счет чего граница раздела текучих сред остается постоянной. Далее постепенно закачивают смесь текучих сред, которые в процессе расслаиваются на отдельные среды, с открытым клапаном для отвода одной из сред в случае, если отводящих портов более одного, и при помощи электроемкостного уровнемера определяется высота положения границы раздела закачанных в сепаратор текучих сред. Для этого измеряют электрическую емкость цилиндрического конденсатора, образованного внешним электродом и токопроводящей средой внутри сепаратора. За счет изменения высоты столба токопроводящей среды меняется ее площадь боковой поверхности, от которой зависит электрическая емкость образованного конденсатора. По этим данным определяется положение границы раздела между токопроводящей и нетокопроводящей средой. В зависимости от положения границы раздела, зная геометрические размеры измерительного сосуда сепаратора определяются объемы, занятые каждой средой в сепараторе.

[19] Электроемкостный сепаратор включает в себя цилиндрический измерительный сосуд из непроводящего ток материала, для определения объемов, занятых текучими средами, расположенный вертикально, в который подается смесь текучих сред. Одну подводящую трубку с клапаном, расположенную в нижней части измерительного сосуда, для подвода несмешивающихся текучих сред, по крайней мере один отводящий порт для вывода одной из отсепарированных текучих сред, причем, каждый отводящий порт подключен к регулятору противодавления, и содержит клапан. Электрод, расположенный коаксиально, снаружи измерительного сосуда и устройство для измерения электрической емкости, один из контактов которого подключен к электроду, а второй связан электрически с подводящей трубкой для контакта с токопроводящей средой.

[20] Сосуд сепаратора является основным объемом, в котором расслаиваются текучие среды. В сосуд поступает смесь этих сред, одна из которых является токопроводящей, а на его поверхности расположен трубчатый внешний электрод. Сам сосуд должен состоять из непроводящих ток материалов, в таком случае он будет выступать в качестве изолятора между двумя электродами конденсатора, в качестве одного из которых выступает токопроводящая текучая среда, а в качестве второго - трубчатый электрод. Также сосуд герметичен и может быть выполнен с возможностью выдерживать пластовые условия, что расширяет диапазон условий применимости сепаратора. К примеру, в качестве материала, из которого может быть выполнен измерительный сосуд, может использоваться высокопрочный полимер или стекло, а их пороговая прочность зависит от толщины стенки сосуда. Для разных условий проведения эксперимента могут подбираться разные сосуды, в зависимости от их толщины, материала диаметра, длины и т.п, что напрямую влияет на расширение диапазона условий применимости электроемкостного сепаратора.

[21] Через подводящую трубку смесь попадает в сосуд сепаратора, а через отводящий порт или порты из сосуда отбираются отсепарированные текучие среды. Подводящая трубка находится в нижней части сосуда сепаратора и электрически связана с одним из контактов устройства для измерения емкости. В случае использования смеси из двух несмешивающихся текучих сред, может использоваться только один отводящий порт для отвода одной из них, или может использоваться два отводящих порта с клапанами для каждой среды. В случае использования смеси, состоящей из более чем двух текучих сред, для каждой из них тоже используется свой отводящий порт с клапаном. Каждый отводящий порт отбирает только одну текучую среду и располагается по высоте в зависимости от среды, который он отбирает. Все клапаны способны выдерживать высокие давления и температуры, и подходят для исследований при пластовых условиях. Причем отводящий порт или порты подключены к регулятору противодавления для поддержания необходимого давления внутри сосуда сепаратора, к примеру для поддержания пластового давления, который также увеличивает диапазон условий эксплуатации сепаратора.

[22] Вокруг всей боковой поверхности снаружи измерительного сосуда коаксиально находится металлический электрод, выступающий в качестве одной из обкладок цилиндрического конденсатора, в качестве второй обкладки конденсатора выступает токопроводящая среда внутри измерительного сосуда сепаратора, а в качестве изолятора выступает стенка измерительного сосуда. Емкость образованного конденсатора зависит от высоты столба токопроводящей среды в измерительном сосуде, диэлектрической проницаемости стенки измерительного сосуда и радиусов измеряемого столба жидкости и внутренней поверхности металлического электрода, если используется цилиндрический измерительный сосуд. При неизменных параметрах диэлектрической проницаемости стенки, радиусов столба жидкости и металлического электрода, емкость конденсатора будет зависеть только от высоты столба токопроводящей жидкости. Емкость образованного конденсатора измеряется при помощи устройства для измерения электроемкости, к примеру фарадометром или RLC-метром, или иными устройствами, один из контактов которого подключен к электроду на поверхности сосуда, а второй подведен к трубке в нижней части измерительного сосуда для соприкосновения с токопроводящей средой. В таком случае, электрод, цилиндрический сосуд и устройство для измерения электрической емкости образуют электроемкостный уровнемер, для определения высоты столба токопроводящей жидкости. При этом, отсутствует необходимость в чистке и замене контактов измерительного устройства, что упрощает и удешевляет обслуживание сепаратора.

[23] Также в данном изобретении заявляется способ применения электроемкостного сепаратора для достижения технических результатов.

[24] Способ состоит из следующих последовательных этапов:

[25] Сначала осуществляют закачку текучих сред в цилиндрический измерительный сосуд сепаратора через подводящую трубку, с открытыми клапанами отводящих портов.

[26] Далее повышают давление и температуру внутри цилиндрического измерительного сосуда сепаратора до необходимых для проведения измерений значений.

[27] После этого осуществляют закачку смеси несмешивающихся текучих сред в цилиндрический измерительный сосуд через подводящую трубку с открытым клапаном одного из отводящих портов.

[28] Совместно с этим измеряют емкость конденсатора, образованного токопроводящей средой и электродом, при помощи устройства для измерения электрической емкости.

[29] Далее определяют объемы текучих сред в измерительном сосуде сепаратора на основе показаний устройства для измерения электрической емкости.

[30] Также способ отличается тем, что сепаратор предварительно калибруют.

[31] Также способ отличается тем, что предварительно устанавливают измерительный сосуд, наиболее подходящий для проведения экспериментов.

Описание чертежей

[32] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:

[33] На Фиг. 1 показана принципиальная схема цилиндрического электроемкостного сепаратора в продольном разрезе, с одним отводящим портом, согласно настоящему изобретению.

[34] На Фиг. 2 показана принципиальная схема цилиндрического электроемкостного сепаратора в частном воплощении с толстостенным электродом, цилиндрическим измерительным сосудом из другого материала и другой толщиной стенок, и двумя отводящими портами с клапанами, согласно настоящему изобретению.

[35] На Фиг. 3 показана блок-схема, изображающая способ использования электроемкостного сепаратора согласно настоящему изобретению.

[36] На Фиг. 4 показана блок-схема, изображающая способ использования электроемкостного сепаратора с предварительными этапами, согласно настоящему изобретению.

[37] Указанные чертежи поясняются следующими позициями: Электроемкостный сепаратор - 1; Цилиндрический измерительный сосуд - 2; Электрод - 3; Подводящая трубка - 4; Отводящие порты - 5; Клапаны - 6; Граница раздела текучих сред - 7; Регулятор противодавления - 8; Токопроводящая текучая среда - 9; Непроводящая текучая среда - 10; Устройство для измерения электрической емкости - 11; Контакты - 12.

Подробное описание изобретения

[38] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях, хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишнее понимание особенностей настоящего изобретения.

[39] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.

[40] На Фиг.1 показана принципиальная схема одного из вариантов выполнения электроемкостного сепаратора. Электроемкостный сепаратор 1 включает в себя цилиндрический измерительный сосуд 2, для определения объемов по крайней мере двух несмешивающихся текучих сред, самая тяжелая из которых токопроводящая 9, расположенный вертикально, причем измерительный сосуд 2 может выбираться в зависимости от условий измерений, к примеру с из разных материалов с разной диэлектрической проницаемостью или с разной толщиной стенок, одну подводящую трубку 4 с клапаном 6, для подачи смеси текучих сред, по крайней мере один отводящий порт 5 для вывода по крайней мере одной отсепарированной среды, причем, отводящий порт подключен 5 к регулятору противодавления 8, а в случае использования более одного отводящего порта 5, все они также содержат клапаны 6. Вокруг всей боковой поверхности измерительного сосуда 2 находится электрод 3. Этот электрод 3 подключен к устройству для измерения электрической емкости 11 с помощью одного из контактов 12, и является внешней обкладкой конденсатора, а в качестве внутренней обкладки конденсатора выступает столб токопроводящей среды 9, для соприкосновения с которой к подводящей трубке 4 подведен второй контакт 12.

[41] В качестве смеси несмешивающихся текучих сред может выступать водонефтяная эмульсия, газожидкостная смесь, смесь, состоящая из газа, нефти и воды и другие смеси. Однако важно, чтобы одна из сред, входящих в смесь, являлась самой тяжелой и токопроводящей, высота столба которой и измеряется.

[42] Цилиндрический измерительный сосуд сепаратора 2, является объемом, в котором расслаиваются текучие среды. В измерительный сосуд 2 поступает смесь несмешивающихся текучих сред через подводящую трубку 4, и в ней, после или во время их расслоения, измеряется высота столба токопроводящей среды 9. Измерительный сосуд 2 выполнен из непроводящих материалов, и может быть выполнен с возможностью выдерживать высокие давления и температуры, для поддержания пластовых условий внутри сепаратора, что напрямую влияет на повышение диапазона условий применимости сепаратора. Примерами материалов, из которых может состоять измерительный сосуд 2, являются керамика, пластик, полимер и другие. Измерительный сосуд 2 может выбираться по крайней мере в зависимости от параметров прочности, диэлектрической проницаемости, размеров, толщины стенок, необходимых для выдерживания условий экспериментов, что расширяет технические и эксплуатационные характеристики сепаратора 1, позволяя регулировать его параметры под необходимые задачи, к примеру для проведения экспериментов с пластовыми давлениями до 110 МПа и температурами до 170°С. Примеры выполнения цилиндрического измерительного сосуда из разных материалов и с разными геометрическими параметрами изображены на Фиг. 1 и 2. Также измерительный сосуд 2 выполнен герметичным, что позволяет проводить измерения объемов и положения границы разделов сред 7 в том числе при высоких давлениях и температурах, так как в средах не начинаются процессы кипения, испарения и иные фазовые и агрегатные переходы, за счет чего граница раздела текучих сред остается постоянной, что также расширяет диапазон условий применимости. Измерительный сосуд 2 выполнен цилиндрическим для более удобного расчета характеристик сепаратора 1, зависимости электрической емкости образуемого конденсатора от высоты столба токопроводящей среды и для более высокого порога прочности сосуда 2, что также влияет на удобство эксплуатации сепаратора.

[43] Через подводящую трубку 4 смесь попадает в измерительный сосуд сепаратора 2, а через отводящий порт или порты 5 из сосуда 2 отбираются отсепарированные текучие среды. Подводящая трубка 4 находится в нижней части измерительного сосуда 2 сепаратора и электрически связана с одним из контактов 12 устройства для измерения емкости 11, за счет его обеспечивается постоянная электрическая связь измерительного устройства с текучими средами, и при этом подводящая трубка 4 не нуждается в постоянном обслуживании и чистке, так как не имеет сложных элементов и схем, которые могут выйти из строя, и постоянно омывается поступающей из нее смесью, что уменьшает вероятность ее загрязнения и потери электрической связи трубки 4 со средами. Все это также влияет на достижение технического результата, а именно повышение эксплуатационных характеристик. При этом, для того чтобы не делать подводящую трубку слишком длинной, текучие среды могут подбираться так, чтобы проводящей была самая тяжелая из текучих сред. В случае использования смеси из двух несмешивающихся текучих сред, может использоваться только один отводящий порт 5 с клапаном 6, для отвода одной из них, или может использоваться два отводящих порта 5 с клапанами 6 для каждой среды. В случае использования смеси, состоящей из более чем двух текучих сред, для каждой из них тоже используется свой отводящий порт 5 с клапаном 6. Клапаны 6 необходимы для выбора, какая из текучих сред будет отводиться из сепаратора 1, а какие не будут. Каждый отводящий порт 5 отбирает одну отсепарированную текучую среду и располагается по высоте в области сосуда, в зависимости от плотности среды, который этот порт 5 отбирает, к примеру, если используется две среды и два порта 5, то отводящие порты 5 будут соответственно в верхней и нижней части измерительного сосуда сепаратора 2, как изображено на Фиг. 2, если три или более, то также будет еще один или более отводящий порт 5 с клапаном 6. Все клапаны 6 способны выдерживать высокие давления и температуры, и подходят для исследований при пластовых условиях. Причем отводящий порт или порты 5 подключены к регулятору противодавления 8 для поддержания необходимого давления внутри измерительного сосуда 2 сепаратора, к примеру для поддержания пластового давления, который также увеличивает диапазон условий эксплуатации сепаратора 1.

[44] В сепаратор 1 входит электроемкостный уровнемер, который определяет высоту столба токопроводящей среды 9 в измерительном сосуде 2 основываясь на измерении емкости конденсатора, образуемого токопроводящей средой 9 и электродом 3. Электроемкостный уровнемер состоит из электрода 3, расположенного коаксиально, вокруг всей боковой поверхности снаружи измерительного сосуда 2 и играющего роль внешней обкладки конденсатора, измерительного сосуда, который 2 играет роль изолятора, так как он выполнен из непроводящих ток материалов, и устройства для измерения электрической емкости 11, а в качестве внутренней обкладки конденсатора выступает столб токопроводящей жидкости 9, высота которого и измеряется, к примеру это может быть слабый водный раствор соли NaCl с содержанием 5 г/л, который совпадает с соленостью воды в естественных нефтяных месторождениях. Устройство для измерения электроемкости 11 подключено с помощью одного из контактов 12 к электроду 3, а второй контакт 12 связан электрически с подводящей трубкой, для контакта с токопроводящей текучей средой. Вся внутренняя боковая поверхность электрода 3 соприкасается с внешней боковой поверхностью измерительного сосуда 2, за счет чего он повышает пороговую прочность измерительного сосуда 2, что также расширяет диапазон условий применимости электроемкостного сепаратора 1, при этом электрод 3 не нуждается в чистке и настройке, он не имеет дополнительных внутренних или составных элементов и на измерение электрической емкости влияет только его внутренний диаметр, что влияет на достижение указанных технических результатов, а именно упрощает его регулировку, так как подбор размеров электрода связан только с размерами измерительного сосуда 2, и обслуживание, а также уменьшает погрешность измерений. В таком варианте электрод 3 выступает и как часть электроемкостного уровнемера и как укрепляющая внешняя оболочка для работы при высоких давлениях и температурах. Также дополнительно при использовании достаточно толстостенного металлического электрода 3, к примеру стального электрода толщиной в 2 мм, он выступает в качестве защитного кожуха, защищающего пользователей в случае поломки измерительного сосуда сепаратора 2 во время работы, что повышает безопасность эксплуатации сепаратора 1, и также увеличивает его пороговую прочность, а следовательно и диапазон условий применимости, за счет увеличения максимально возможных давлений и температур внутри измерительной емкости 2 для проведения измерений. Пример использования электроемкостного сепаратора 1 с толстостенным металлическим электродом 3 изображен на Фиг. 2. В качестве устройства для измерения емкости 11 может использоваться, к примеру, фарадометр (Фиг. 1 - 2), так как это устройство, специализированно для измерения емкости, и чаще всего именно фарадометры имеют максимальную разрешающую способность, и они просты и удобны в эксплуатации, однако также возможно и использование других устройств, к примеру универсальные RLC-метры и другие. Устройство для измерения электрической емкости 11 может быть подключено к персональному компьютеру, выводить результаты на экран, записывать в виде численных значений, выводить на монитор компьютера в виде графика в зависимости от времени, при постепенной закачке или откачке сред или постепенном сепарировании, или иначе передавать или записывать результаты, что очевидно для специалистов данной области техники.

[45] Электроемкостный уровнемер работает следующим образом. Электрод 3 и столб токопроводящей среды 9 образуют цилиндрический конденсатор, изолятором в котором выступают стенки измерительного сосуда. Так как высота столба токопроводящей среды 9 является переменной величиной, то и емкость образованного конденсатора тоже будет прямо пропорционально зависеть от нее. Для установления шага зависимости электрической емкости от высоты столба токопроводящей среды 9 можно предварительно его откалибровать, заполнив сосуд 2 этой средой 9, а далее постепенно с необходимым равномерным шагом отбирать эту среду из сосуда 2 до его опустошения, регистрируя значения электрической емкости на каждом шаге. Далее на основе этих данных определяется соотношение шага по высоте или объему столба жидкости и результирующей электрической емкости образованного конденсатора. Далее проводятся измерения в нормальном режиме, в котором в измерительную емкость 2 поступают несмешивающиеся текучие среды, повышают давление и температуру внутри измерительной емкости 2, а далее постепенно закачивают смесь текучих сред, которые в процессе расслаиваются на отдельные среды, одна из которых удаляется через отводящий порт 5, или один из отводящих портов 5, клапан 6 которого открыт, за счет чего меняется высота столба токопроводящей среды 9. Причем отводящие порт или порты 5 подключены к регулятору противодавления 8, для поддержания необходимого давления внутри измерительного сосуда 2 сепаратора, к примеру для поддержания пластового давления. Использование регуляторов противодавления увеличивает диапазон условий эксплуатации сепаратора 1, которые могут быть необходимы для изучения свойств керна или текучих сред, к примеру, в повышенных пластовых условиях. На основе показаний устройства для измерения электрической емкости 11, при помощи описанного уровнемера, определяется высота столба токопроводящей среды 9 и ее изменение в процессе измерений, и исходя из известных геометрических значений измерительного сосуда 2 рассчитываются объемы, занятые средами. Данный метод измерения объемов обладает низкой погрешностью, так как основан на измерении только одной переменной, а именно величины электрической емкости, что также напрямую влияет на достижение технического результата, а именно снижение погрешности измерений, не требует постоянного наблюдения за границей раздела сред 7, что упрощает эксплуатацию сепаратора, и при использовании, к примеру, для сосуда 2 объёмом 20 мл, фарадометром с погрешностью ±0,1%, объём жидкости в сепараторе 1 может быть определён с погрешностью ±0,02мл.

[46] Важно отметить, что любые дополнительные элементы электроемкостного сепаратора, описанные выше, могут использоваться в сепараторе по отдельности, все вместе одновременно, а также в любой комбинации. Реализация электроемкостного сепаратора с любым дополнительным элементом будет приводить к достижению дополнительных технических результатов, описанных в заявке, наряду с основным техническим результатом. Помимо этого, любой из дополнительных признаков сепаратора может быть интерпретирован как дополнительный признак способа использования сепаратора. Аналогично любой из дополнительных признаков способа использования сепаратора может быть интерпретирован как дополнительный признак конструкции электроемкостного сепаратора.

[47] На Фиг. 3 представлена блок-схема, изображающая способ использования электроемкостного сепаратора. Согласно схеме, сначала осуществляют закачку текучих сред в цилиндрический измерительный сосуд 2 сепаратора через подводящую трубку 4 с открытыми клапанами 6 отводящих портов 5, в случае если отводящих портов 5 больше одного.

[48] Далее повышают давление и температуру внутри цилиндрического измерительного сосуда 2 сепаратора до необходимых для проведения измерений значений. Причем давление внутри измерительного сосуда 2 регулируется при помощи регулятора противодавления 8, для поддержания необходимого давления внутри сосуда, к примеру для поддержания пластового давления.

[49] После этого осуществляют закачку смеси несмешивающихся текучих сред в цилиндрический измерительный сосуд 2 через подводящую трубку открытым клапаном 6 одного из отводящих портов 5 в случае, если отводящих портов 5 больше одного. Под действием силы гравитации, разные среды, входящие в смесь, в силу их различных плотностей, расслаиваются в процессе поступления в сепаратор 1. Между расслоенными частями смеси появляется граница раздела текучих сред 7, а сами компоненты смеси занимают некоторые объемы, и объем токопроводящей среды 9 можно определить при помощи электроемкостного уровнемера. При этом, если отводящих портов 5 больше одного, и открыт клапан отвода 6 тяжелой среды 9, высота столба этой среды 9 постепенно уменьшается, а если открыт другой, то соответственно увеличивается, в следствии чего постепенно изменяются и показания устройства для изменения электроемкости 11.

[50] Совместно с этим измеряют электрическую емкость конденсатора, образованного токопроводящей средой 9 и электродом 3, при помощи устройства для измерения электрической емкости 11. Принцип работы электроемкостного уровнемера, образованного конденсатора, и примеры условий, при которых проводятся измерения, описаны выше.

[51] Затем определяют объемы текучих сред в цилиндрическом измерительном сосуде 2 сепаратора 1 на основе показаний устройства для измерения электрической емкости 11 как было описано выше.

[52] Также способ отличается тем, что сепаратор 1 предварительно калибруют.

[53] Также способ отличается тем, что калибровка осуществляется на основе показаний устройства для измерения электрической емкости 11 при заполнении и постепенном отборе проводящей среды из электроемкостного сепаратора 1. Метод калибровки сепаратора 1 также описан выше.

[54] Также способ отличается тем, что предварительно устанавливают цилиндрический измерительный сосуд 2 и электрод 3, наиболее подходящие для проведения экспериментов. Методы подбора сосуда 2 и электрода 3, а также их параметров, зависят от условий проведения измерений, и очевидны для специалистов данной области техники.

[55] На Фиг. 4 показана блок-схема, изображающая способ использования электроемкостного сепаратора с предварительными этапами.

[56] В наилучшей реализации электроемкостный сепаратор 1, в который поступает смесь из двух несмешивающихся текучих сред, работает следующим образом. Предварительно выбирают измерительный сосуд 2 и электрод 3, в зависимости от параметров, при которых будут проводиться измерения, далее его калибруют, заполнив сосуд 2 проводящей средой 9, а далее постепенно с необходимым равномерным шагом отбирая эту среду из сосуда 2 до его опустошения, регистрируя значения электрической емкости на каждом шаге, на основе чего рассчитывается соотношение шага по объему столба жидкости и результирующей электрической емкости образованного конденсатора. В сосуд сепаратора 2 через подводящую трубку 4 поступают текучие среды, отводящих порта 5 два на каждую текучую среду, клапаны 6 отводящих портов 5 при этом открыты. После этого температура и давление внутри цилиндрического измерительного сосуда 2 повышаются до необходимых значений, при этом условия внутри измерительного сосуда 2 имеют давление в диапазоне до 110 МПа и температуру до 170С, а давление поддерживается при помощи регулятора противодавления 8. Далее осуществляют закачку смеси несмешивающихся текучих сред, в цилиндрический измерительный сосуд 2, и во время закачки смеси текучих сред, более тяжелая из которых является токопроводящей 9, они начинают расслаиваться под действием силы гравитации в силу различных плотностей, при этом клапан 6 нижнего отводящего порта 5 открыт, а регулятор противодавления 8 поддерживает давление внутри электроемкостного сепаратора 1. Электрод 3, расположенный вокруг всей боковой поверхности измерительного сосуда 2, вместе со столбом токопроводящей среды 9 образуют цилиндрический конденсатор, а стенки измерительного сосуда 2 выступают в роли изолятора. Электрод 3 выполнен толстостенным из металла для обеспечения дополнительной безопасности и повышения прочности измерительного сосуда 2. Фарадометр подключен к электроду при помощи одного из контактов 12, а второй подведен в нижнюю часть внутри измерительного сосуда 2 для контакта с токопроводящей средой 9. На основе показаний фарадометра, в ходе закачки смеси, и исходя из известных геометрических значений измерительного сосуда 2 определяют объемы текучих сред.

[57] Таким образом, упомянутые элементы напрямую влияют на достижение заявляемым изобретением технического результата, заключающегося повышении эксплуатационных и технических характеристик электроемкостного сепаратора.

[58] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

Электроемкостный сепаратор относится к измерительной технике и может применяться в областях, где необходимо определять положения границ разделов токопроводящей жидкости и непроводящих жидкости или газа. Электроемкостный сепаратор включает цилиндрический измерительный сосуд из непроводящего ток материала, подводящую трубку с клапаном, расположенную в нижней части измерительного сосуда, для подвода несмешивающихся текучих сред, электрод, расположенный коаксиально снаружи измерительного сосуда, по крайней мере один отводящий порт для отвода одной из текучих сред из измерительного сосуда, устройство для измерения электрической емкости, один из контактов которого подключен к электроду, а второй связан электрически с подающей трубкой, причем каждый отводящий порт подключен к регулятору противодавления и содержит клапан. Технический результат - повышение эксплуатационных и технических характеристик электроемкостного сепаратора за счет простоты регулировки и обслуживания его элементов и конструкций, низкой погрешности измерений, расширения диапазона условий применимости. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электроемкостный сепаратор для измерения объемов несмешивающихся текучих сред, включающий:

- цилиндрический измерительный сосуд из непроводящего ток материала,

- подводящую трубку с клапаном, расположенную в нижней части измерительного сосуда, для подвода несмешивающихся текучих сред,

- электрод, расположенный коаксиально снаружи измерительного сосуда,

- по крайней мере один отводящий порт для отвода одной из текучих сред из измерительного сосуда,

- устройство для измерения электрической емкости, один из контактов которого подключен к электроду, а второй связан электрически с подающей трубкой,

причем каждый отводящий порт подключен к регулятору противодавления и содержит клапан.

2. Электроемкостный сепаратор по п.1, отличающийся тем, что предварительно подбирается цилиндрический измерительный сосуд на основании по крайней мере следующих параметров: прочности, диэлектрической проницаемости, размеров и толщины стенок.

3. Электроемкостный сепаратор по п.2, отличающийся тем, что цилиндрический измерительный сосуд выполнен с возможностью выдерживать пластовые давления до 110 МПа.

4. Электроемкостный сепаратор по п.2, отличающийся тем, что цилиндрический измерительный сосуд выполнен с возможностью выдерживать пластовые температуры до 170°С.

5. Электроемкостный сепаратор по п.1, отличающийся тем, что самая тяжелая из несмешивающихся текучих сред является токопроводящей.

6. Электроемкостный сепаратор по п.1, отличающийся тем, что клапаны способны выдерживать пластовые давления и температуры.

7. Электроемкостный сепаратор по п.1, отличающийся тем, что в качестве прибора для измерения емкости используется фарадометр.

8. Электроемкостный сепаратор по п.1, отличающийся тем, что электрод выполнен из толстостенного металла.

9. Электроемкостный сепаратор по п.8, отличающийся тем, что электрод выполнен из стали толщиной 2 мм.

10. Способ использования электроемкостного сепаратора, при котором:

- осуществляют закачку текучих сред в цилиндрический измерительный сосуд сепаратора через подводящую трубку, с открытыми клапанами отводящих портов,

- повышают давление и температуру внутри цилиндрического измерительного сосуда сепаратора до необходимых для проведения измерений значений,

- осуществляют закачку смеси несмешивающихся текучих сред в цилиндрический измерительный сосуд через подводящую трубку с открытым клапаном одного из отводящих портов,

- при этом измеряют электрическую емкость конденсатора, образованного токопроводящей средой и электродом, при помощи прибора для измерения электрической емкости,

- определяют объемы текучих сред в цилиндрическом измерительном сосуде сепаратора на основе показаний прибора для измерения электрической емкости.

11. Способ использования электроемкостного сепаратора по п.10, отличающийся тем, что сепаратор предварительно калибруют.

12. Способ использования электроемкостного сепаратора по п.11, отличающийся тем, что калибровка осуществляется на основе показаний прибора для измерения электрической емкости при заполнении и отборе проводящей среды из электроемкостного сепаратора.

13. Способ использования электроемкостного сепаратора по п.10, отличающийся тем, что предварительно устанавливают цилиндрический измерительный сосуд, выбранный на основании по крайней мере следующих параметров: прочности, диэлектрической проницаемости, размеров и толщины стенок.