CN108333231A

CN108333231A - 基于电化学技术的结垢探测传感装置、系统和方法

Info

Publication number: CN108333231A
Application number: CN201710048040.7A
Authority: CN
Inventors: 徐轶达; 王世忠; 王启亮
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-07-27

Abstract

本发明公开了一种基于电化学技术的结垢探测传感装置，其在工作状态下被置于可能生成结垢的液态介质中，所述传感装置包括至少两个电极，所述电极包括由金属材料组成的主体和形成于所述主体之外的外层结构，所述外层结构相对于所述主体使得结垢更容易在其上生成。本发明还公开了相应的系统和方法。

Description

基于电化学技术的结垢探测传感装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于电化学技术的结垢探测传感装置、系统以及方法，特别涉及一种用于所述传感装置中的电极，其外覆有可主动造成所要探测的结垢沉积于上的表面。

背景技术

在工业领域中，特别是在石油与天然气工业、锅炉和水凝塔系统中，普遍存在着难以解决且具有巨大挑战的水垢问题。具体而言，在含油地层、生产管道和设备上所沉积的一定量的含无机矿物类的水垢将导致重大且高昂的生产损失。由此，必须防止井下的以及后续生产加工中的结垢沉积。

目前，在这些工业应用中，通常使用阻垢剂来除去沉积的水垢，然而，有时该方案并不能有效地防止水垢沉积，这是由以下原因引起的：所注入的阻垢剂的量不准确；所注入的阻垢剂的成分不适当；以及阻垢剂的注入时机不对，即，无法得知注入阻垢剂的最佳时机，而未能在最佳时机采取阻垢措施。除了上述原因之外，几乎没有可直接检测水垢的形成或沉积的方法，特别是处于油田井下环境中的地层水，其化学组成无法容易地被表征也就难以直接测得其结垢的形成或沉积。莱斯大学提供了一种激光方法，其对于测量目标的结垢生成时间非常灵敏，但是该方法只能应用于非常理想的测试环境，而不适用于较为恶劣的现场环境，例如井下环境。

由此，亟需一种装置和方法可广泛适用，即使在恶劣环境中也可灵敏地、早期地探测到所不希望的结垢的形成与沉积。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了利用电化学原理来探测与防止结垢形成的传感装置、系统和方法。

根据本发明的一方面，提供了一种基于电化学技术的结垢探测传感装置，其在工作状态下被置于可能生成结垢的液态介质中，所述传感装置包括至少两个电极，所述电极包括由金属材料组成的主体和形成于所述主体之外的外层结构，所述外层结构包括一表面，相对于所述主体，该表面使得结垢更容易在其上生成。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于电化学技术的结垢探测系统，包括前述的传感装置，还包括：检测装置，其与所述至少两个电极相连，用于检测所述电极的外层结构之结垢沉积程度；以及响应装置，其与所述检测装置相连，用于当所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值时而作出响应。

根据本发明的又一方面，提供了一种基于电化学技术的结垢探测方法，包括：提供前述的传感装置，将该传感装置置于可能生成结垢的液态介质中；提供一检测装置，将该检测装置与所述电极相连接，用于检测所述电极的外层结构之结垢沉积程度；以及提供一响应装置，将该响应装置与所述检测装置相连接，用以响应于所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值。

附图说明

参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本发明的特征、方面及优点，其中：

图1是示出了根据本发明一实施方式之基于电化学技术的结垢探测系统。

图2示出了一对比实施例之激光探测器探测液体介质中BaSO₄结垢的感应时间。

图3示出了在与对比实施例相同条件下根据本发明一实施方式之结垢探测系统和方法探测位于液体介质中的电极上的BaSO₄结垢的感应时间以及在不同时间电极上的BaSO₄结垢量。

图4示出了在基于电化学测量方法的结垢探测系统的电极上涂覆有BaSO₄和未涂覆有BaSO₄之对于BaSO4结垢检测灵敏度的比较。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人员所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

本发明提供的传感装置包括涂覆有特定表面的电极，该特定表面可促使结垢生成于其上而实现早期地、灵敏地结垢探测。进一步地，本发明提供的传感装置、系统和方法可应用于大多数种类的结垢，例如：CaCO₃、BaSO₄、CaSO₄等。由此，基于早期的、灵敏的结垢探测，可在适当的时机使用正确的剂量与种类的化学品来阻止结垢的沉积，随之即可有效地控制结垢并可节省大量的生产成本，例如：减少了由结垢问题所引起石油产品的损失。

在一般环境或甚至是例如高温高压和腐蚀的恶劣环境下，涂覆于电极上的表面较之于其他的表面可优先地引起结垢。

在一些实施方式中，涂覆于电极上的表面包括惰性材料用以实现早期的结垢沉积探测。所涂覆的惰性材料不易在可能生成结垢的液态介质中发生化学反应而使其自身的结构发生变化，示例性的涂层材料包括但不限于铂、金、钌、铑、钯、银、锇，铱或其任意的组合。在一些实施方式中，涂覆于电极上的表面包括无机盐用以实现高灵敏度的结垢沉积探测，示例性的涂层材料包括但不限于碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐或其任意的组合。在一些实施方式中，所述的惰性材料或无机盐全部地且均匀地覆盖于所述电极的外表面。

上述探测的实现是基于电化学测量技术，例如：电化学阻抗谱、线性极化阻抗等。生成于电极上的结垢量与传感装置的信号之间可形成线性关系。

图1示出了基于电化学测量技术的结垢探测系统。可以理解的是，实际应用中的结垢探测系统的架构可以根据其所位于的个体系统的具体情况的不同而有所变化。

流体池10中包括可能生成结垢的流体。流体池10中浸没有一传感装置，该传感装置包括至少两个具有涂层的电极21，22。电极21、22进一步连接一电化学测量装置30，该电化学测量装置30用于提供电极21、22电源和检测生成在电极21、22上的结垢沉积。

每一电极21、22包括主体和覆盖于所述主体的外层结构。所述主体由金属材料组成。所述两电极21、22均可由相同材料组成。电极21、22之外层结构可以是单层的或多层的涂层。涂层材料可以包括惰性材料，从而提升所述涂层在检测过程中发生性能变化的稳定性。涂层材料可以包括但不限于CaCO₃、BaSO₄、CaSO₄等，即与所述流体所可能生成的结垢之实质相同的组分。

当电极外层结构上开始生成有BaSO₄结垢时，流体池10中几乎不存在结垢或沉淀。也就是说，外覆于电极上的外层结构相对于流体池10中的任何其他表面，可以优先地引起结垢。基于所收集的电化学测量信号，传感装置可以探测电极外表面上的BaSO₄结垢的生成及其沉积程度。

如图1所示，结垢探测系统还包括响应装置40。当所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值时，响应装置40将作出相应的响应，包括但不限于在既定时间内向流体池10添加适当的阻垢剂，从而防止结垢的继续生成。由此，所示例的系统可以及时地探测，并且，可很好地控制由流体所导致的结垢。

另一方面，本发明还涉及一种探测结垢的形成且可防止结垢沉积的方法，其包括：提供前述的包括至少两个电极的传感装置，将所述至少两个电极置于可能生成结垢的液态介质中；提供一检测装置，用于检测所述电极的外层结构之结垢沉积程度；以及提供一响应装置，用以响应于所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值。在一些实施方式中，当所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值时，响应装置可以提供响应信号来阻止液态介质中结垢的继续生成，和/或至少部分地清除电极之外层结构上所生成的结垢。所述响应信号包括单不限于促发添加阻垢剂的信号。

实验示例

以下实验示例可以为本领域中具有一般技能的人实施本发明提供参考。这些示例并不限制权利要求的范围。

示例1–早期的结垢探测

示例1表明了利用如图1所示的结垢探测系统较之于利用激光探测器可较早地探测到结垢。在该示例中，传感装置之电极21、22被涂覆了一外层结构，该外层结构的组分包括如金属铂的惰性材料。请参考图1，在该示例中，包括有BaCl₂和Na₂SO₄的流体被同时引入流体池10(具体是石英反应器)中以形成混合溶液。传感装置之电极21、22被浸没于石英反应器中的混合溶液中。具有阻抗测量功能的电化学测量装置30向传感装置提供刺激(如交流电压/电流)，并且，将相应的阻抗响应记录为传感信号。利用一4.5mW定焦绿激光二极管模组(532nm)(图未示)来发射和接收经过石英反应器的激光信号。激光信号可以作为电流被输出和记录。图2、图3和表1、表2表明了传感装置和激光信号之间的对比及对比的结果。

如图2和表1所示，利用现有技术提供的激光器探测到混合溶液中的BaSO₄沉淀的感应时间为690秒(即，11.5分钟)，这意味着在11.5分钟后才探测到混合溶液中生成BaSO₄沉淀。

表1–利用激光器探测有关BaSO₄结垢的感应时间的实验数据

如图3和表2所示，在相同条件下，利用根据本发明如图1所示的实施方式下的传感装置，随着电极上的结垢的生长，结垢信号(即，如表2所示的归一化传感信号)自2分钟到10分钟开始变化，这表明了较之于激光信号，传感信号更早地作出了响应。

表2-利用传感装置探测有关BaSO₄结垢的感应时间的实验数据

归一化的传感信号(毫安)	时间(分钟)
		1.00	2
1.045	6
		1.07	10

示例2–高灵敏度的结垢探测

在示例2中，提供除了激光器之外的类似于示例1中的系统。等量的NaSO₄和BaCl₂混合溶液流经传感装置，相应的阻抗信号被记录。提供两种传感装置，其中，一种包括未经涂敷的电极，另一种包括涂敷有BaSO₄材料的电极。实验表明，包括涂敷有BaSO₄材料(与结垢的材料相同)的电极的传感装置更为灵敏。

图4和表3表明了具有BaSO₄涂层电极和不具有BaSO₄涂层电极之探测灵敏度的对比。

表3–一包括未经涂敷的电极的传感装置和另一包括BaSO₄涂层的电极的传感装置的实验数据

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种基于电化学技术的结垢探测传感装置，其在工作状态下被置于可能生成结垢的液态介质中，所述传感装置包括至少两个电极，所述电极包括由金属材料组成的主体和形成于所述主体之外的外层结构，所述外层结构相对于所述主体使得结垢更容易在其上生成。

2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述外层结构包括与所述液态介质所可能生成的结垢之实质相同的组分。

3.根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，所述外层结构的组分包括无机盐。

4.根据权利要求3所述的传感装置，其特征在于，所述外层结构的组分包括碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐或其结合。

5.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述外层结构的组分包括惰性材料，所述惰性材料在工作状态下不易在所述液态介质中发生化学反应。

6.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述外层结构相对于所述主体具有较大的表面粗糙度。

7.一种基于电化学技术的结垢探测系统，包括如权利要求1至6任一项所述的传感装置，还包括：

检测装置，其与所述至少两个电极相连，用于检测所述电极的外层结构之结垢沉积程度；以及

响应装置，其与所述检测装置相连，用于当所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值时而作出响应。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，当所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值时，所述响应装置能防止结垢于所述液态介质中的继续生成，或者能至少部分地清除生成在所述外层结构上的结垢。

9.一种基于电化学技术的结垢探测方法，包括：

提供如权利要求1至6任一项所述的传感装置，将该传感装置置于可能生成结垢的液态介质中；

提供一检测装置，将该检测装置与所述电极相连接，用于检测所述电极的外层结构之结垢沉积程度；以及

提供一响应装置，将该响应装置与所述检测装置相连接，用以响应于所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

当所检测的结垢沉积程度超出一预设阙值时，所述响应装置提供响应信号用于促发添加阻垢剂。