[发明专利]砂分离器界面检测

说明书

技术领域

下面描述的实施例涉及砂分离器，并且更具体地涉及用于检测其中的液/固界面的改进的砂分离器。

背景技术

分离器技术在全世界各地普遍用于井中，其是测试分离器或生产分离器。在防砂完井中使用的分离器例如特别易于填充有砂。该问题关于其中关闭生产以清除分离器能够导致显著延迟的生产和相关的经济损失的离岸设施特别成问题。

砂分离器也常常用于当大量砂被预计为在手边的过程（例如，水力压裂、防砂应用或者油砂应用）的部分时保护测试或生产装备。对分离器中的砂累积的预先警告是使停机时间和延迟的生产最小化的关键，其通常经由对日常分离器维护的规划和调度来完成。

作为示例，对于甲烷或天然气的勘探涉及将高压流体（主要是带砂的水）直接注入到预期产生天然气的地下岩层中。在水力压裂工序中，水压压裂岩地层，于是滞留的天然气逸出到井眼中并且在表面处被捕获。水力压裂流体从勘探井中被回收并且通常通过用卡车将其拖运至遥远处置场来处置。该流体包含相当大量的压裂砂。砂用于帮助保持打开的裂缝以使天然气从地层内的逸出最大化。压裂砂也用于清洁和蚀刻岩层从而促进最大的气体输送。存在于压裂流体中的砂不是全部都保持沉积在岩层中，因此一些从井中以被称为“回流（flowback）”的方式返回到表面。回流流体包括大量的注入的压裂砂，以及从岩层冲出的泥沙和岩石碎屑。这样的砂和碎屑能够堵塞或损坏系统的管、阀、泵和其他部分。砂分离器防止这些微粒堵塞和损坏系统，但是仅仅到砂分离器可使用的程度。这仅仅被提供作为说明砂分离器的一个用途的示例。

一般地，砂分离器用于从液/固混合物中分离砂或其他固体，并且对于砂分离器的持续操作而言，要求分离器中的砂的水平的可靠指示。如果砂水平不被正确地计算，则存在砂分离器将溢装的风险。一旦溢装，典型的补救是停止在手边的过程并且从分离器中手动地清空砂和碎屑。当然，在这样的校正动作期间，无论是砂分离器还是附接到砂分离器的生产装备都不可使用，因此设施招致生产停机时间和相关的经济损失。

存在对消除或减少砂分离器堵塞的装置的需求。下面描述的实施例克服了这些和其他问题并且实现了本领域中的进步。下面描述的实施例提供了一种砂分离器，其检测具有振动计量器的收集腔中的砂水平。

诸如振动密度计和振动粘度计的振动计量器通常通过检测在存在要被测量的流体材料的情况下振动的振动元件的运动来操作。与流体材料相关联的属性，诸如密度、粘度、温度等，能够通过处理从与振动元件相关联的运动换能器接收到的测量信号来确定。振动元件系统的振动模式一般受到振动元件和周围流体材料的组合的质量、刚度和阻尼特性的影响。

振动密度或粘度计量器的一个示例根据振动元件原理来操作，其中，元件是浸没在被测量的液体中的细长音叉结构。常规音叉由通常具有扁平或圆形横截面的两个叉齿组成，该两个叉齿被附接到叉臂（crossbeam），该叉臂还被附接到安装结构。音叉由内部地固定在第一叉齿的根部的驱动器诸如例如压电晶体激励成振荡。振荡的频率由固定在第二叉齿的根部的第二压电晶体检测。换能器传感器可以以其如由周围流体修改的第一自然共振频率通过与计量器电子设备一起被定位的放大器电路来驱动。

当叉被浸没在流体中并且以该叉的共振频率被激励时，叉将经由该叉的叉齿的运动使流体移动。振动的共振频率强烈地受到这些表面对其施以推力的流体的密度的影响，同时流体粘度对带宽具有很大的影响。随着流体的粘度改变，总体阻尼力改变，从而改变带宽以及随着带宽而改变传感器的“Q”或品质因子。电子电路可以备选地在频率响应曲线上的两个位置处将传感器激励成振荡，并且在这样做时，可以确定共振器的品质因子（Q）以及共振频率。通过测量与频率响应曲线相关的特定时段，能够计算出流体的粘度。

具体地，流体的粘度能够通过生成在高于和低于组合的流体和振动传感器的共振频率ω0的频率ω1和ω2的振动响应来测量。在共振频率ω0，相位差Φ0可以为大约90度。两个频率点ω1和ω2被定义为其中驱动信号相位和振动信号相位分别相差相位差Φ1和Φ2的驱动频率。例如，相位差Φ1可以被定义为其中驱动信号相位和振动信号相位之间的相位差为大约135度的点。例如，相位差Φ2可以被定义为其中驱动信号相位和振动信号相位之间的相位差为大约45度的点。

这两个频率点ω1和ω2之间的距离（即，ω1和ω2之间的频率差）用于确定项Q，其与粘度成比例并且能够通过以下公式来近似：

粘度≈Q=ω0/(ω1-ω2)

共振频率ω0在两个频率点ω1和ω2之间的中心。因此，共振频率ω0能够被定义为：

ω0≈0.5*(ω1+ω2)