ES2218842T3 - Sistema para el control de flujo. - Google Patents

Abstract

Una disposición detectora destinada a detectar la distribución de fluidos que tienen diferentes características eléctricas, caracterizada porque comprende una estructura multicapa que incluye una primera capa (84) que define una disposición de electrodos sensores separados (90), una segunda capa (85) separada de la primera capa mediante un material dieléctrico y que define una pantalla conductora (92), y una tercera capa (86) separada de la segunda capa (85) mediante un material dieléctrico y que define una serie de conexiones alargadas separadas (94), estando conectado cada sensor (90) a una respectiva conexión (94) por un respectivo camino conductor que se extiende a través de una abertura (93) de la pantalla conductora definida por la segunda capa (58).

Description

Sistema para el control de flujo.

La presente invención se refiere a un sistema para el control de flujo, y en particular a un sistema destinado a vigilar el flujo de un fluido de fase mixta a través de un recipiente. La expresión "fluido de fase mixta" se emplea para englobar los fluidos compuestos de, por ejemplo, partículas en suspensión, líquido, emulsiones y gas derivados de distintos constituyentes, por ejemplo petróleo y agua, o bien líquido y gas derivados del mismo constituyente.

Los sistemas de producción en yacimientos petrolíferos comprenden, en general, una planta separadora en la que el fluido sin refinar bombeado desde una formación portadora de petróleo es separado en sus partes constituyentes, es decir, gases volátiles, productos líquidos del petróleo, agua y partículas. La naturaleza del fluido de entrada a la planta separadora puede variar ampliamente en periodos de tiempo relativamente cortos. Por ejemplo, una gran proporción del flujo puede estar compuesta de agua para un primer período de tiempo y de petróleo y gas para un segundo período de tiempo. Es difícil con un separador de configuración fija el procesar satisfactoriamente diferentes flujos cuando las condiciones de flujo cambian de manera imprevisible.

En un separador de tipo convencional, un flujo entrante se hace pasar, generalmente, por un grupo de placas inclinadas dentro de un recipiente relativamente grande, cuales placas inclinadas favorecen la separación del agua, petróleo y gas en capas separadas superpuestas. Entonces se puede extraer el gas de una sección superior del recipiente del separador y el agua y el petróleo se pueden separar mediante una simple placa de separador vertedor cuya altura está dispuesta para quedar por encima de la interfaz entre las capas de agua y petróleo. Si el flujo de entrada es tal que las placas del separador quedan ampliamente llenas de una espuma o emulsión de, por ejemplo, petróleo y agua, el rendimiento de la separación se degrada significativamente. De manera similar, si se libera un gran volumen de agua al separador en un período de tiempo relativamente corto, puede ser difícil el mantener la interfaz de agua/petróleo por debajo del nivel del separador vertedor.

Teniendo en cuenta dichos problemas, el enfoque normal para diseñar el separador ha sido el proporcionar un separador de capacidad relativamente grande que sea capaz de tratar una amplia gama de condiciones aceptando, en efecto, amplias fluctuaciones en la eficiencia de las placas del separador y de los niveles de interfaz agua/petróleo. Como resultado de está filosofía de diseño, la instalación separadora puede estar formada con una significante proporción del tamaño y peso del equipo del yacimiento petrolífero. Este es un problema particular en el caso de los yacimientos petrolíferos submarinos donde el tamaño y peso del equipo submarino determina la viabilidad económica de algunas formaciones petrolíferas.

Se han efectuado intentos para vigilar el rendimiento del separador en circunstancias particulares a fin de poder compaginar el diseño del separador con las condiciones esperadas del funcionamiento del separador. El equipo empleado ha requerido, en general, el montaje de unos sensores onerosos de rayos gamma en el equipo separador. El empleo de tal equipo para vigilar las condiciones de funcionamiento periódicas no es adecuado.

Se han llevado a cabo trabajos extensivos para facilitar la observación de las condiciones de flujo dentro de, por ejemplo, unas conducciones de sección circular. La patente US núm. 5130661 por ejemplo, describe un sistema de sensores por capacitancia en el que se ha dispuesto una disposición de placas capacitivas alrededor de la periferia exterior de una tubería a cuyo través pasa una mezcla de petróleo, agua y gas. Mediante el apropiado tratamiento de las señales de salida derivadas de los sensores, se puede construir una imagen de la sección transversal del flujo. Tales sistemas de detección se han empleado, por ejemplo, para calcular los índices del gasto másico de diferentes fases. El documento DE 2211997 muestra que se usa la salida de un sensor de medición de fase capacitivo de fluidos mixtos para conseguir el control del proceso en tiempo real.

Es un objetivo de la presente invención el obviar o mitigar los problemas antes esbozados.

Según la presente invención, se ha previsto una disposición de sensores para detectar la distribución de fluidos que tienen unas características eléctricas diferentes, comprendiendo una estructura multicapa que incluye una primera capa que define una disposición de electrodos sensores separados, una segunda capa separada de la primera capa por un material dieléctrico y que define una pantalla conductora, y una tercera capa separada de la segunda capa por un material dieléctrico y que define una serie de conexiones alargadas separadas, estando conectado cada sensor a una respectiva conexión mediante un respectivo camino conductor que se extiende a través de una abertura de la pantalla conductora definida por la segunda capa.

La disposición detectora puede comprender una cuarta capa separada de la tercera capa mediante un material dieléctrico. La cuarta capa puede definir una pantalla conductora de manera que la tercera capa quede interpuesta entre las pantallas conductoras definidas por la segunda y cuarta capas.

La disposición detectora puede comprender una quinta capa separada de la tercera capa por un material dieléctrico y definir una pantalla conductora, y una sexta capa separada de la cuarta y quinta capas por un material dieléctrico y definir una serie adicional de conexiones alargadas separadas. Se pueden conectar unos sensores seleccionados a las respectivas conexiones adicionales mediante respectivos caminos conductores que se extienden a través de aberturas de las pantallas conductoras definidas por la segunda y quinta capas.

Las capas podrán estar soportadas por substratos dieléctricos que definen las capas adyacentes separadoras de material dieléctrico. La o cada capa que define las conexiones alargadas puede incorporar una pantalla conductora que se extiende entre cada par adyacente de conexiones alargadas.

La primera capa puede incorporar una pantalla conductora separada de los electrodos sensores y definir una serie de aberturas. Cada electrodo sensor podrá estar situado dentro de una respectiva abertura. Los caminos conductores pueden estar definidos por estructuras con revestimiento galvanoplástico de agujeros pasantes formadas a través de aberturas en el material dieléctrico. La primera capa que define la disposición de electrodos sensores podrá estar cubierta por un material dieléctrico.

A continuación se describirán unas realizaciones de la presente invención, a título de ejemplo, haciéndose referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

la figura 1 es una representación esquemática de una disposición detectora adecuada para vigilar la separación de una mezcla petróleo-agua;

la figura 2 es una representación esquemática de una disposición vertical de sensores capacitivos y de presión susceptibles de emplear para vigilar la posición de una interfaz entre los componentes de una mezcla de petróleo-agua;

la figura 3 es una ilustración esquemática de un recipiente separador que incorpora unos separadores de placas inclinadas y de placa de vertido;

las figuras 4, 5 y 6 muestran, cada una, unas secciones axiales verticales y secciones transversales verticales a través de tres conjuntos alternativos de detección de fluido;

la figura 7 ilustra esquemáticamente la distribución de los componentes sensores capacitivos en dos placas adyacentes de un separador de placas inclinadas, tal como el que está incorporado en la estructura ilustrada en la figura 3;

la figura 8 ilustra otro detalle de la organización de la disposición detectora ilustrada en la figura 7;

la figura 9 ilustra la estructura de la figura 8 con mayor detalle;

la figura 10 representa la disposición de dos disposiciones verticales de sensores del separador de placa de vertido de la figura 3;

la figura 11 ilustra una estructura que se extiende verticalmente de un tipo incorporado en la disposición de la figura 3; y

la figura 12 ilustra la disposición de control para una etapa separadora de unión en T que se puede incorporar aguas arriba del conjunto separador de la figura 3;

la figura 13 ilustra una configuración específica de una disposición vertical de sensores del tipo que se ilustra esquemáticamente en la figura 2;

la figura 14 ilustra una configuración alternativa de una disposición vertical de sensores del tipo que se muestra esquemáticamente en la figura 2;

la figura 15 es una vista en sección de una configuración alternativa de una disposición vertical de sensores del tipo que se muestra esquemáticamente en la figura 2;

la figura 16 ilustra una serie de capas que en conjunto comprenden una disposición vertical de sensores del tipo que se muestra esquemáticamente en la figura 2;

la figura 17 ilustra esquemáticamente una sección de una serie de capas que en conjunto comprenden una disposición vertical de sensores del tipo que se muestra esquemáticamente en la figura 2;

la figura 17a ilustra esquemáticamente una sección más detallada de las capas ilustradas en la figura 17;

la figura 18 es una vista esquemática de una sección a través de una fuente y de un detector situado en un elemento semiesférico;

la figura 19 es una representación de una fuente y de un detector mostrando el campo eléctrico presente cuando se aplica un voltaje a la fuente;

la figura 20 es una vista esquemática de una sección a través del recipiente separador de la figura 3, mostrando una disposición de sensores capacitivos, y el petróleo y agua contenidos en el recipiente en capas separadas;

la figura 21 ilustra una sección de la disposición de sensores capacitivos mostrados en la figura 20;

la figura 22 es un gráfico que representa un cierto número de perfiles de capacitancia obtenidos con el uso de una disposición que comprende una serie de electrodos mientras una interfaz entre dos medios pasó a través del recipiente separador de la figura 20;

la figura 23 es un gráfico que representa unos datos de la figura 21 cuales datos han sido transformados matemáticamente;

la figura 24 es un gráfico que representa una simulación por ordenador correspondiente a los datos ilustrados en la figura 23.

Con referencia a la figura 1, el sistema ilustrado comprende un conducto de sección rectangular 1 dentro de cuya sección superior está embebido un electrodo fuente 2. Hay cuatro electrodos de detección 3 que están embebidos en porciones inferiores axialmente espaciadas del conducto 1. Las señales detectadas en los electrodos 3 se entregan a un medidor de capacitancia 4 cuya salida se aplica a un sistema de adquisición de datos 5. La salida el sistema de adquisición de datos 5 se aplica a un ordenador 6 que produce una estimación de la posición de una interfaz 7 entre los componentes de petróleo y agua del flujo (representado por la flecha 8) dentro del conducto 1.

Se apreciará que la posición de las interfaces 7 dentro del conducto variará con el tiempo y que los cambios resultantes en el coeficiente dieléctrico de la región entre cada electrodo 3 y el electrodo fuente 2 variarán. Tales variaciones facilitan hacer un cálculo de los volúmenes relativos de las diferentes fases que pasan a través del conducto 1.

La figura 2 es una ilustración esquemática de una disposición detectora susceptible de usar para vigilar la situación de una interfaz entre diferentes fases en un recipiente relativamente grande a través del cual se extiende la disposición ilustrada. La disposición ilustrada comprende un soporte 9 en el cual están posicionados unos termopares 10 para facilitar la compensación de temperatura de las salidas de la detección a obtener. Montado en el soporte 9 hay un sub-conjunto 11 que soporta una disposición verticalmente espaciada de unos transductores piezoeléctricos de presión 12 y de una disposición verticalmente espaciada de sensores capacitivos embebidos 13. Si la disposición se sumerge en un recipiente que contiene dos capas separadas verticalmente de, por ejemplo, petróleo y agua, las salidas de los sensores facilitan hacer un cálculo de la posición vertical de la interfaz entre las diferentes capas.

Con referencia ahora a la figura 3, la misma representa esquemáticamente un separador para usar en la separación de componentes de agua, petróleo y gas a partir de un flujo de producción de un pozo de petróleo. El separador comprende un recipiente de contención 14 que tiene una entrada 15, una salida de gas 16, una salida del agua producida 17, y una salida de petróleo 18. Los sensores del conducto por ejemplo del tipo ilustrado en la figura 1 se representan como el componente 19 de la entrada 15 y los componentes 20, 21 y 22 de las salidas 16, 17 y 18. Está prevista otra salida 23 para descarga de los sólidos acumulados, y se han previsto las entradas 24 para facilitar la agitación de los sólidos depositados. Los sólidos se descargarán, por lo general, periódicamente y por lo tanto, no se requiere el control dinámico de la salida 23 y de la entrada 24. Por tanto, esta característica del funcionamiento del separador no se describirá a fondo aquí.

El recipiente del separador 14 aloja un separador de placas inclinadas 25, un separador de placa de vertido 26 que se extiende verticalmente, un separador petróleo/gas 27 y tres disposiciones detectoras 28, 29 y 30. Con excepción de la instrumentación soportada por las unidades, los separadores 25, 26 y 27 son de tipo convencional. Las disposiciones detectoras 28, 29 y 30 son del tipo general descrito con referencia a la figura 2. Las placas separadoras 25 soportan tres disposiciones verticales 31 de sensores capacitivos. El separador de placa de vertido 26 soporta dos disposiciones verticales de sensores capacitivos 32, y cada una de las placas angulares del separador 27 soporta un sensor capacitivo. Los diversos conjuntos sensores están conectados mediante unidades procesadoras de señales 33, 34, 35 y 36 a un controlador 38 que, a su vez, está dispuesto para controlar unas válvulas 39, 40, 41 y 42 previstas en la entrada y salidas de gas, petróleo y agua respectivamente. La válvula 42 también se puede controlar directamente por la unidad procesadora de señales 35 de manera que si la interfaz petróleo/agua del lado aguas arriba de la placa de vertido 26 asciende por encima de un nivel predeterminado la válvula 42 se abre para descargar agua. De manera similar, la válvula 41 se puede controlar directamente mediante un indicador de nivel 43 que automáticamente descarga petróleo a través de la válvula 41 si la interfaz petróleo/gas sobrepasa un nivel superior de detección 44 y cierra automáticamente la válvula 41 si la interfaz petróleo/gas cae por debajo de un nivel de detección 45.

La disposición detectora 31 del interior del separador de placas 25 facilita localizar con precisión la interfaz entre cualquier flujo de emulsión que separe el agua y el petróleo. Las disposiciones detectoras 28, 29, 30 y 32 hacen posible vigilar la eficiencia del proceso de separación en la dirección del flujo a través del separador. Esta información es entregada al controlador 38 que luego asegura el control apropiado de las válvulas de entrada y de salida para mantener las condiciones apropiadas de flujo y presión para impedir que se desarrollen circunstancias indeseables, por ejemplo, una circunstancia tal que volúmenes importantes de emulsión estén presentes en el separador aguas abajo del separador de placas inclinadas 25.

La figura 4 muestra la estructura detallada de un posible detector de conducto que difiere ligeramente del de la figura 1. En la disposición de la figura 4, están dispuestos cinco anillos cada uno de ocho placas 46 alrededor del eje de una inserción corta de tubo con brida. Las señales adecuadas se podrán aplicar a las placas 46 a fin de derivar las mediciones necesarias de capacitancia. En la disposición de la figura 5, que es similar a la que se ilustra en la figura 1, hay una sola placa inferior 47 situada frente a cinco placas superiores 48. En la realización de la figura 6, está definido un canal de sección rectangular que tiene unas placas simples 49 en las paredes superior e inferior.

La figura 7 ilustra la estructura de detección en dos placas adyacentes 50 del separador de placas inclinadas 25 de la figura 3. Una placa lleva un conductor de fuente de excitación continua 51 que está enfrentado a una disposición de electrodos sensores 52. La figura 8 es una vista frontal de la placa 50 que lleva los electrodos 52. Dichos electrodos 52 están rodeados por un electrodo de guarda para obtener un campo eléctrico uniforme enfrente de los electrodos detectores 52, entre la fuente (no ilustrada en la figura 8) y los electrodos detectores 52. Suponiendo un flujo de petróleo, emulsión petróleo-agua y agua en la dirección de la flecha 53, la interfaz entre la emulsión y el petróleo puede ser localizada como se indica mediante la línea a trazos 54 y la interfaz entre la emulsión y el agua puede ser localizada como se indica mediante la línea a trazos 55. Se apreciará que las señales derivadas de los sensores situados en adyacencia al cuerpo de la emulsión serán sustancialmente diferentes de las señales derivadas de los electrodos adyacentes bien al petróleo o a las fases acuosas.

El controlador 38 de la figura 3 está montado para vigilar los cambios de situación de las interfaces 54 y 55 ilustradas en la figura 8 a fin de impedir que el espacio entre las placas inclinadas del separador llegue a llenarse con una proporción sustancial de emulsión.

La figura 9 ilustra un conjunto estructural utilizable para conseguir disposiciones de electrodos detectores del tipo descrito con referencia a la figura 7 y 8. Cada una de las placas comprende un blindaje electromagnético 56 y cada uno de los electrodos de detección espaciados 52 está rodeado por un electrodo de guarda 57. Los electrodos pueden ser en forma de áreas conductivas soportadas por una placa de circuito impreso y alojados dentro de una inserción de resina epoxi asegurada a las placas 50 mediante tornillos 58. Las placas podrían estar hechas de GRP.

La figura 10 ilustra dos disposiciones verticales de electrodos de detección 32 previstos en la placa de vertido 26 de la figura 3. Cada disposición podrá estar controlada independientemente al objeto de proporcionar unas salidas comparativas entre cualquier par alineado verticalmente y cualquier par verticalmente adyacente, facilitando con ello la detección de cualquier anomalía de funcionamiento que pudiera comprometer la respuesta del sistema a la interfaz petróleo/agua aproximándose ya sea a la parte superior del vertedor o a la salida 17.

La figura 11 ilustra con mayor detalle la estructura de una disposición detectora del tipo ilustrado en general en la figura 2 y usado para definir las disposiciones detectores 28, 29 y 30 de la figura 3. El conjunto ilustrado comprende un soporte alargado 59 que incorpora una disposición vertical de orificios de presión 60 cada uno de ellos acoplado a un sensor de presión piezoeléctrico (no representado). El soporte 59 también soporta una disposición de electrodos de detección 61 rodeados por un electrodo de guarda 62. En el soporte 59 también está montado un electrodo de fuente 63 separado de los electrodos de detección 61, de manera que el espacio entre los electrodos se llene con el fluido del interior del separador. Una posible situación para una interfaz de petróleo-emulsión se indica por el plano 64, y una posible situación para la interfaz emulsión-agua se indica por el plano 65. Se apreciará que observando las salidas de los transductores detectores capacitivos y de presión se facilitará la localización de las interfaces 64 y 65 determinándolas con precisión y facilitar con ello el control adecuado del proceso global para asegurar que dichas interfaces 64 y 65 se mantengan dentro de los límites aceptables.

Con referencia ahora a la figura 12, la misma muestra un separador inicial de unión en T que se puede conectar al separador ilustrado en la figura 3 aguas arriba de la entrada 15. Hay una entrada 66 que se acopla a través de una válvula 67 a una unión en T 68 que está acoplada mediante una válvula 69 a una salida 70 y que está acoplada directamente a una salida 71. Los sensores de flujo 72, 73 y 74, por ejemplo del tipo descrito con referencia a la figura 4 están situados en la entrada a y a las salidas de la unión en T 68. Las salidas de dichos sensores son procesadas en una unidad procesadora de señal 75 que controla las válvulas 67 y 69.

Se sabe que suministrando una mezcla de petróleo/agua a una unión en T como se describió, en la que las dos salidas están dirigidas en direcciones verticalmente opuestas, conlleva alguna separación de los dos componentes, el agua tendiendo a fluir verticalmente hacia abajo y el petróleo tendiendo a fluir verticalmente hacia arriba. La presente invención facilita el que este efecto conocido se optimice mediante el control del flujo de presión y contrapresión dentro de la unión en T 68 mediante la modulación apropiada del control aplicado a las válvulas 67 y 69.

Este documento no contiene una fórmula detallada que asocie las entradas a las unidades procesadoras de señal y las consecuentes salidas de control de válvula. Se necesitará un algoritmo detallado de control que difiera entre aplicaciones distintas. Sin embargo, para una explicación adicional de la filosofía del diseño subyacente, más adelante se comentan las condiciones pertinentes que pudieran aplicarse en un separador de tres fases como el que se ilustra en la figura 3.

El sensor de flujo de entrada 19 proporciona una información respecto a las cantidades relativas de las diversas fases que fluyen en un cierto momento hacia el separador. Se podrían aplicar acciones de control si, por ejemplo, entrasen grandes tarugos con el agua en el recipiente.

Las disposiciones detectoras que se extienden verticalmente 28, 29 y 30 están distribuidas a lo largo de la dirección de flujo a través del separador, estando una de ellas (28) entre la entrada y la placa del separador y facilitando la eficiencia del sistema de distribución de flujo a vigilar. Si el sistema de distribución de flujo se volviera parcialmente bloqueado por sólidos, entonces el flujo másico a través del recipiente del separador cambiaría y esto podría afectar adversamente el proceso de separación en el resto de la unidad. A partir de la disposición de aguas arriba 28 sería posible detectar el desarrollo de tales condiciones. Las dos disposiciones de aguas abajo 29 y 30 hacen posible vigilar la posición y profundidad de cualesquiera capas heterogéneas tales como las emulsiones entre el petróleo y el agua, y la espuma entre las fases de gas y de petróleo. Esas capas heterogéneas son a veces transitorias y se acumulan localmente en el recipiente, en particular hacia la placa de vertido 26. Si se incluye una disposición detectora en la misma placa de vertido como se muestra por los electrodos 32 de la figura 3, esto da una información adicional respecto a la posición de diversos límites de fase en el extremo aguas abajo del sistema de separación. Las salidas de las dos disposiciones verticales 29 y 30 y la placa de vertido 26 facilitan optimizar el control de la válvula de salida de agua 42. Las señales de los electrodos de detección 32 de la placa de vertido serían particularmente útiles para producir unas señales de alarma si el líquido-líquido heterogéneo o realmente la misma capa de agua producida se elevase hasta cerca de la parte superior de la placa vertedora. Luego, si se desarrollase esta condición el arrastre de agua en el petróleo separado se incrementaría rápidamente. La instrumentación aguas abajo del separador de placas 25 facilitaría evitar tales condiciones.

Dentro del conjunto de placas del separador 25, las tres disposiciones alineadas verticalmente de electrodos 31 posibilitan la obtención de una indicación de la distribución del flujo másico que entra en el sistema de placas. El mismo también indicaría si los sólidos empiezan a acumularse en el recipiente aguas arriba del conjunto de placas y dentro del mismo conjunto de placas. Se apreciará que si los sólidos empiezan a acumularse entre las placas del separador la eficiencia de separación se degradará rápidamente. La presente invención proporciona unas medidas en tiempo real de la iniciación de la acumulación de sólidos en el sistema.

Dentro del separador de placas inclinadas, la separación axial de las tres disposiciones de electrodos sensores 31 posibilita la observación del proceso de separación en la dirección axial. Hay dos condiciones congestionantes que podrían desarrollarse y que darían una elevación a una pérdida de eficiencia de la separación, es decir la acumulación local de una de las dos fases, y la inestabilidad, es decir la inestabilidad de la interfaz entre el agua y el petróleo en los canales individuales definidos entre placas adyacentes. Ambas condiciones dan una elevación al rápido arrastre de la fase discontinua y una caída en el rendimiento global de separación. Esas condiciones se pueden vigilar con la disposición de electrodos sensores. Mediante el análisis de la salida de todas las diversas disposiciones detectoras, se puede desarrollar una estrategia de control para mantener el funcionamiento dentro de una curva envolvente deseable pre-definida.

La incorporación de sensores en el separador convencional alternativo 27 que se prevé en la salida de gas para eliminar el vaho, facilita la detección de cualquier acumulación de líquido dentro del separador. Si el líquido se acumula entonces la probabilidad de arrastre de vaho en la salida del gas aumenta. El arrastre de líquido en el gas que abandona el recipiente puede producir serias condiciones de procesado y de seguridad en los procesos de aguas abajo.

Aunque el controlador 38, descrito con referencia a la figura 3, sólo se usa para controlar las válvulas de entrada y de salida, se apreciará que el citado controlador también se puede usar para controlar la inyección de productos químicos para mejorar la separación de fase, por ejemplo, mediante la inhibición de formación de emulsiones y espumas.

La disposición detectora ilustrada en la figura 2, y como 28, 29 y 30 en la figura 3, se puede sustituir por una disposición alternativa ilustrada en la figura 13. Una serie de sensores son, en este caso, electrodos 76 para medir la capacitancia. Contrariamente a la disposición convencional de fuentes separadas de detectores paralelos, que permiten al fluido fluir entre ellos, los electrodos 76 se disponen en una sola superficie 77. Esto evita la posibilidad de que las materias sólidas queden atrapadas entre los electrodos 76. Cada electrodo 76 se puede usar ya como una fuente (de un campo eléctrico) o como un detector (del campo eléctrico) mediante la apropiada circuitería de conmutación, y la capacitancia se mide entre pares de electrodos (probablemente electrodos adyacentes, pero no necesariamente).

En la figura 14 se ilustra una configuración alternativa de disposición detectora. Los electrodos de esta disposición comprenden una serie de anillos 78 dispuestos a intervalos regulares a lo largo de una varilla 79. Se ilustra esquemáticamente un posible modo de funcionamiento de la disposición, en el que cada uno de los anillos 78 designados con "s" funciona como una fuente, y el anillo 78 indicado como "det" funciona como un detector.

La figura 15 ilustra otra configuración alternativa de disposición detectora. Se efectúa un corte en forma de "V" en una varilla 80, se coloca una fuente 81 en una cara y se reparte una serie de detectores 82 a lo largo de la otra cara de la "V". Esta disposición detectora es convencional en que comprende una simple fuente 81 la cual no es apta para actuar como un detector, y una serie de detectores 82 separados de la fuente 81, cuales detectores no son adecuados para actuar como una fuente. Esta configuración de disposición es ventajosa con respecto a las configuraciones convencionales conocidas porque el material sólido es improbable que quede atrapado entre las caras de la "V". El ángulo típico formado por las caras de la "V" es de 120 grados. Hay unas pantallas 83 situadas detrás de las fuentes 81 y de los detectores 82.

En la figura 16 se ilustra una disposición de electrodos que tiene un mínimo efecto indeseable de "interferencia" entre los electrodos y las conexiones a los electrodos. La disposición comprende seis capas de placa de circuito impreso (PCB) 84-89 que están pegadas entre sí por sus partes superiores como se ilustra en la figura 17. Las zonas oscuras (sólidos) de la figura 16 corresponden al material conductor.

Una primera de las capas 84 de la disposición comprende una serie de electrodos 90 rodeados por un electrodo de guarda 91. Una segunda capa 85 comprende un conductor blindado 92, con unas conexiones eléctricas 93 que conducen a las conexiones portadoras de señal de otras capas de la disposición.

Una tercera capa 86 contiene unas conexiones portadoras de señal 94 y un conductor blindado (94b) que impide la "interferencia" entre las conexiones 94 de la tercera capa 86. En el ejemplo presente, la capa 86 permite las conexiones de 10 electrodos 90 de la capa 84, por medio de las conexiones eléctricas 93 de la segunda capa 85 a "puntos de soldadura" 95 de un extremo superior de la tercera capa 86.

Una cuarta capa 87 es esencialmente igual que la capa 85. La misma protege la tercera capa 86 de una quinta capa 88 aunque proporciona unas conexiones eléctricas entre los electrodos 90 y las conexiones portadoras de señal 94 de la quinta capa 88.

La quinta capa 88 es de concepto similar a la tercera capa 86 y proporciona unas conexiones de ocho electrodos restantes 90 a los "puntos de soldadura " 95 de un extremo superior de la capa 88. Las conexiones portadoras de señal 94 están blindadas entre sí por un conductor 94b. La sexta capa 89 sirve de blindaje entre la capa 88 y las influencias externas.

En general, para los electrodos de medición de capacitancia, cuando el área superficial de una conexión a un electrodo dado se vuelve comparable con el área superficial de dicho electrodo, la capacitancia medida quedará influenciada por la conexión. Cuando una disposición convencional de "varilla de nivel" de los electrodos se sumerge en un medio de una permitividad dada, cada electrodo debería medir la misma capacitancia. Sin embargo, el efecto de las áreas superficiales de las conexiones de los electrodos es tal que los electrodos próximos a un extremo inferior de la varilla de nivel medirán una capacitancia mayor que los que están cerca de un extremo superior de la varilla de nivel. La disposición de electrodos ilustrada en las figuras 16 y 17 evita este problema al blindar los electrodos 90 de las conexiones 94 portadoras de señal, y las conexiones 94 portadoras de señal entre sí. Un blindaje eficiente se proporciona mediante las placas conductoras 92 de la segunda 85 y cuarta capa 87 de la disposición, las cuales impiden la interferencia entre las capas 84, 86 y 88.

Para obtener un rendimiento deseado de los sensores es necesario "cablear" los siguientes componentes:

(i) (i) electrodo de guarda 91, (ii) conductor blindado 92 de la segunda capa 85, (iii) conductor blindado 94b de la tercera capa 86, (iv) conductor blindado 92 de la cuarta capa 87, (v) conductor blindado 94b de la quinta capa 88, (vi) conductor blindado que comprende la sexta capa 89, en tantos puntos como sea posible. En el ejemplo comentado, esto se ha conseguido por el procedimiento de "galvanoplastia de los agujeros pasantes", mientras que los sensores se manufacturaron usando la tecnología de las placas de circuito impreso (PCB). En la figura 16 se han omitido las conexiones.

Las conexiones entre los electrodos 90, las conexiones 93 de las capas 85 y 87, y las conexiones 94 portadoras de señal de las capas 86 y 88 se hicieron de manera similar empleando la técnica de la "galvanoplastia de los agujeros pasantes".

La técnica de blindaje entre capas individuales en los "emparedados" descritos con referencia a la figura 16, así como entre las conexiones individuales portadoras de señal en las capas 86 y 88 de la figura 16 es ventajosa porque permite tanto:

* evitar las interferencias entre señales de los electrodos individuales; como

* el uso de cada electrodo como una fuente o detector según se describió con referencia a la figura 13.

Si las conexiones a los electrodos no estuvieran blindadas entonces se impondría la "interferencia" entre las fuentes y los detectores sobre la señal medida, reduciendo significativamente la precisión de las mediciones.

La disposición de la figura 16 es solamente un ejemplo de las muchas maneras posibles de blindar los conectores portadores de señal. En la figura 17 se ilustra una sección a través de una disposición generalizada de electrodos. Hay una superficie extrema superior y una superficie extrema inferior de la disposición que están formadas a partir de material laminar 97. Hay una serie de electrodos 98 que están conectados, a través de una serie de blindajes 99, con una serie de conectores 100. El número de electrodos, blindajes y conectores se podrá ajustar a cualquier propósito requerido.

En la figura 17a se ilustra con mayor detalle una disposición generalizada del tipo ilustrado en la figura 17. La sección transversal de la figura 17a está efectuada a través de la anchura de una disposición. El material laminar 97 forma, igualmente, las superficies superior e inferior de la disposición. Esta previsto un electrodo de detección 98 con un electrodo de guarda 98a en ambos lados. Una serie de capas de blindaje 99 separan el electrodo de detección de una serie de conexiones 100 portadoras de señal. Cada conexión 100 portadora de señal está aislada de sus vecinas mediante conductores de separación 100a.

La figura 18 muestra una fuente 101 y un detector 102 situados en caras paralelas de dos partes 103 de una varilla circular (se ha suprimido la sección central). Hay un blindaje 104 que está situado detrás de la fuente 101 y del detector 102. La disposición del detector/blindaje de la mitad inferior de la figura 18 será probablemente la disposición generalizada de la figura 16 y 17. Los soportes ilustrados 103 son unos elementos que pueden construirse en metal o en material dieléctrico. Cuando se emplea material dieléctrico, hay un campo eléctrico obtenido de la fuente 101 que es más próximo a ser un campo uniforme que el que se obtiene cuando se emplea un soporte metálico 103.

Las figuras 19a y 19b ilustran una fuente y un detector, de la forma ilustrada en la figura 18, soportados en un elemento metálico. Cuando la fuente y el detector se sitúan en el aire (figura 19a), el campo eléctrico obtenido es próximo al paralelo, pero cuando los mismos están sumergidos en agua (figura 19b) el campo degenera significativamente. De esta manera, a medida que la permitividad del medio que rodea el detector y la fuente aumenta, la calidad del campo eléctrico obtenido se degrada. En contraste, cuando la fuente y el detector están soportados en un elemento dieléctrico (figuras 19c y 19d), el campo eléctrico obtenido está próximo al paralelo, tanto en el aire (figura 19c) como en el agua (figura 19d). Así pues, el elemento dieléctrico es ventajoso porque proporciona un campo eléctrico próximo al paralelo cuando el detector y la fuente están situados en un medio de una gama de permitividades.

La figura 20 ilustra una sección transversal del recipiente separador de la figura 3, conteniendo agua, petróleo y aire en tres capas. Se prevé un separador de placas inclinadas 105 con una disposición 106 de sensores capacitivos. En la figura 21 se ilustra con mayor detalle una sección de la disposición 105. Un electrodo superior de la disposición es una fuente 107, y los electrodos inferiores son una serie de cuatro detectores 108.

La disposición se puede calibrar para permitir la detección de la posición de la interfaz petróleo/agua con una precisión mayor que la altura de un electrodo 108. El procedimiento de calibración comprende:

\bullet

el desplazamiento de la interfaz, en dirección vertical, en pequeños intervalos (al menos unos pocos intervalos por altura del electrodo) a lo largo de toda la longitud de la disposición 105;

\bullet

almacenar las diferencias de lecturas de todos los pares adyacentes de electrodos (p. ejemplo.: ..C_{k-2}-C_{k-1}, C_{k-1}-C_{k}, C_{k}-C_{k+1}, C_{k+1}-C_{k+2},...)

Las diferencias anteriores son iguales a cero (asumiendo que los electrodos sean idénticos y lejos de los efectos "marginales" que ocurren cerca de los extremos de la disposición) si los pares de electrodos adyacentes 108 están sumergidos en el mismo medio (petróleo o agua). Sin embargo, cuando los dos electrodos adyacentes 108 están en un medio diferente, la diferencia entre sus lecturas alcanza un máximo. Todas las posiciones de interfaces "intermedias" producen valores "intermedios" C_{k-}C_{k+1}, y estos se emplean para identificar la posición de la interfaz con una alta resolución.

La figura 22 muestra un número de perfiles de capacitancia obtenidos para una disposición que comprende una serie de dieciocho electrodos, mientras el nivel de interfaz estaba transversal al recipiente.

La figura 23 muestra unos datos de la figura 22, leídos a partir de dos electrodos de la disposición. Los datos han sido "transformados" en coordenadas (C_{10-}C_{9}) en contraste con el espesor de capas de petróleo (o una posición arbitraria de la interfaz). Esa función de "pico" es única para una permitividad dada de un medio. Mirando las diferencias entre electrodos vecinos, la posición de la interfaz se puede establecer con una precisión mayor que la altura de un
electrodo.

La figura 24 muestra una simulación por ordenador donde la permitividad del agua destilada (\varepsilon_{r}=80) fue sustituida por diferentes valores (50, 20 y 5.6). El carácter de la curva de calibración permanece invariable, pero el máximo varía. Esto implica la necesidad de hacer calibraciones separadas para todas las combinaciones de medios para los que va a usarse la disposición detectora.

Claims (8)

1. Una disposición detectora destinada a detectar la distribución de fluidos que tienen diferentes características eléctricas, caracterizada porque comprende una estructura multicapa que incluye una primera capa (84) que define una disposición de electrodos sensores separados (90), una segunda capa (85) separada de la primera capa mediante un material dieléctrico y que define una pantalla conductora (92), y una tercera capa (86) separada de la segunda capa (85) mediante un material dieléctrico y que define una serie de conexiones alargadas separadas (94), estando conectado cada sensor (90) a una respectiva conexión (94) por un respectivo camino conductor que se extiende a través de una abertura (93) de la pantalla conductora definida por la segunda capa (58).

2. Una disposición detectora de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una cuarta capa (87) separada de la tercera capa (86) mediante un material dieléctrico y que define una pantalla conductora de manera que la tercera capa (86) está interpuesta entre las pantallas conductoras definidas por la segunda y cuarta capas (85,87).

3. Una disposición detectora de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende una quinta capa (88) separada de la tercera capa (86) por un material dieléctrico y que define una pantalla conductora, y una sexta capa (89) separada de la cuarta y quinta capas (87,88) mediante un material dieléctrico y que define otra serie de conexiones alargadas separadas (94), estando conectados unos sensores seleccionados (90) a otras conexiones respectivas (94) por respectivos caminos conductores (96) que se extienden a través de aberturas de las pantallas conductoras definidas por la segunda y quinta capas (85,88).

4. Una disposición detectora de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que las capas (84,85,86,87,88,89) están soportadas sobre placas dieléctricas que definen el material dieléctrico que separa las capas adyacentes.

5. Una disposición detectora de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que la o cada capa (86,88) que define unas conexiones alargadas incorpora una pantalla conductora (94b) que se extiende entre cada par adyacente de conexiones alargadas (94).

6. Una disposición detectora de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que la primera capa (84) incorpora una pantalla conductora separada de los electrodos sensores (90) y define una serie de aberturas, estando situado cada electrodo sensor dentro de una respectiva abertura.

7. Una disposición detectora de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que los caminos conductores están definidos por unas estructuras galvanoplásticas de agujeros pasantes formadas a través de aberturas (93) en el material dieléctrico.

8. Una disposición detectora de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que la primera capa (84) que define la disposición de electrodos sensores está cubierta por un material dieléctrico.