KR102370930B1

KR102370930B1 - 비투멘의 수분함량 측정장치

Info

Publication number: KR102370930B1
Application number: KR1020200142956A
Authority: KR
Inventors: 이상준; 김종근
Original assignee: 앤츠이엔씨 주식회사
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-03-08

Abstract

비투멘의 수분함량 측정장치가 개시된다. 실시예에 따르면, 오일샌드에서 추출한 비투멘의 함량을 측정하는 것으로, 비투멘이 통과하는 관체의 외면에 부착되되 상부와 하부에 각기 부착되는 초음파 수신부와 초음파 송신부로 구성되는 초음파발생부; 초음파 수신부와 초음파 송신부와 연결되는 데이터 수집부; 데이터 수집부와 연결되며 관체의 내부 온도를 측정하는 온도센서; 데이터 수집부와 연결되며 관체의 내부 압력을 측정하는 압력센서; 데이터 수집부와 연결되는 제어부; 제어부에 연결되어 데이터를 서버에 송출하는 송출부; 송출부에 연결되어 데이터를 저정하는 서버; 제어부와 무선통신방식으로 연결되며 각종 데이터를 송수신하는 무선단말기;를 포함하여 구성된다.
이에 따르면, 웰헤드(wellhead)에서 추출되는 관내 흐르는 유체 내 수분의 비율을 실시간 측정하고, 마이크로 공명(microwave resonance)을 이용하여 오일과 물 혼합물의 유전율과 dry 오일/물 유전율을 비교하는 비투멘의 오일 함량을 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

비투멘의 수분함량 측정장치{Bitumen moisture content measuring device}

개시되는 내용은 비투멘의 수분함량 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관내에 흐르는 유체 내 수분의 비율을 측정하여 오일 함량을 측정하는 비투멘의 수분함량 측정장치에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

석유 자원의 하나인 오일샌드에서 회수되는 비투멘(bituman)(이하, 역청이라 한다)은 과거 질적으로 열악하여 예비적 대체 자원으로만 생각되어 왔으나, 현재 상기 역청으로부터 얻어지는 오일이 원유에서 얻어지는 것과 비교하여 질적이나 비용적인 측면에서 충분히 경쟁력이 있어 이에 대한 연구개발이 다양하게 이루어지고 있다.

여기서, 오일샌드란 타르샌드라고도 불리며 중질의 점도가 높은 탄화수소인 역청을 10~12% 포함하는 사암층이다. 따라서, 오일샌드는 역청뿐만 아니라 모래와 물, 진흙 등이 섞여서 존재하게 되는데, 오일샌드에서 생산되는 역청은 수소가 결핍된 오일로서, 여러가지 공정을 거쳐 역청을 추출하고 추가적인 정제과정을 거쳐 합성원유로 만들어진 후 다른 지역으로 이동된다.

오일샌드로부터 역청을 추출하는 방법으로, 저류층(reservoir)의 깊이가 150ft 이하인 경우, 오일샌드 위에 있는 각종 돌이나 흙을 제거하고 오일샌드를 캐낸 후에 추출 플랜트(extraction plant)로 이동하여 175℉의 온수와 혼합하여 역청을 추출한다.

여기서, 1배럴 정도의 역청을 생산하기 위해서는 2톤 가량의 오일샌드와 2~5배럴의 깨끗한 물, 250ft³의 천연가스가 필요하다. 오일샌드로부터 생산된 역청은 정제과정을 통해 합성원유로 바뀌고 이후 가솔린, 중유, 경유 등으로 분리된다.

종래 오일샌드를 추출하는 방식으로는 노천채굴(Mining), SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage), CSS(Cyclic Steam Stimulation) 등이 있으나, 이러한 오일샌드에서 오일성분의 함유량을 예측을 통하여 경제성 분석을 실시하고 이를 통해 채굴 및 개발 여부를 결정해야 한다.

오일샌드의 오일성분의 함유량의 예측하기 위해서는 뜨거운 물에 오일샌드를 넣고 이를 기계적으로 분리하는 방법(CHWE; Clock Hot Water Extraction), ASTM 95, 96, 473, 1796, 4072, 4807 등에서 제시된 바와 같이 물의 함량 및 용매 등에 녹아나는 오일성분을 결정하는 방법 등이 제시되어 있다.

석유 및 가스 분리 공정에서 생산을 극대화 하고 최적의 품질을 위해 사용되는 기술의 중요성이 점차 대두되고 있다.

대한민국 특허출원 10-2015-0185194호

개시되는 내용은 웰헤드(wellhead)에서 추출되는 관내 흐르는 유체 내 수분의 비율을 실시간 측정하고, 마이크로 공명(microwave resonance)을 이용하여 오일과 물 혼합물의 유전율과 dry 오일/물 유전율을 비교하는 비투멘의 수분함량 측정장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한 개시되는 내용은 물 분자가 양전하를 띤 쪽과 음전하를 띤 쪽을 가지기 때문에 물 분자는 지속적으로 마이크로웨이브의 변화를 느리게 하는 마이크로파장과 정렬을 시도하는 비투멘의 수분함량 측정장치를 제공하는데 목적이 있다.

실시예의 목적은, 오일샌드에서 추출한 비투멘의 함량을 측정하는 것으로, 비투멘이 통과하는 관체의 외면에 부착되되 상부와 하부에 각기 부착되는 초음파 수신부와 초음파 송신부로 구성되는 초음파발생부; 초음파 수신부와 초음파 송신부와 연결되는 데이터 수집부; 데이터 수집부와 연결되며 관체의 내부 온도를 측정하는 온도센서; 데이터 수집부와 연결되며 관체의 내부 압력을 측정하는 압력센서; 데이터 수집부와 연결되는 제어부; 제어부에 연결되어 데이터를 서버에 송출하는 송출부; 송출부에 연결되어 데이터를 저정하는 서버; 제어부와 무선통신방식으로 연결되며 각종 데이터를 송수신하는 무선단말기;를 포함하는 비투멘의 수분함량 측정장치에 의해 달성될 수 있다.

상기 초음파의 송신부 또는 초음파 수신부는 초음파센서를 포함하고, 상기 초음파센서는 물질의 밀도와 음속을 측정하고, 송신부에서 수신부에 도달하는 시간을 측정하여 물의 함량을 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 발생부의 초음파 범위는 로우 컷(low cut), 하이컷(high cut), 풀 컷(full cut)으로 구분되는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 범위는 최적 혼합 흐름(well mixed flow(turbulent flow)) 조건에서 정확도(accuracy(uncertainty)) ±0.05∼±5% 조건하에서 수용액(water resolution)은 30∼50ppm의 사양을 가지는 것을 특징으로 한다

상기 초음파발생부는 무선주파수(RF), 등운동에너지(isokinetic), 근적외 영역(NIR), 감마선(gamma ray) 중 택일되는 것을 특징으로 한다.

상기 비투멘은 초음파 측정의 안정되고 정확한 성능을 보장하기 위해서 난류조건이 수직속도(vertical velocity) 04~0.7 ㎧, 수평속도(horizontal velocity) 1.1~1.4㎧을 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 수직속도는 0.6㎧, 수평속도 1.2㎧을 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 발생부는 관체의 외부에 결합되며 물이 저장되는 챔버를 갖는 워터자켓이 포함되고, 워터자켓에 대칭되게 초음파 송신부와 초음파 수신부가 부착되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

개시된 실시예에 따르면, 웰헤드(wellhead)에서 추출되는 관내 흐르는 유체 내 수분의 비율을 실시간 측정하고, 마이크로 공명(microwave resonance)을 이용하여 오일과 물 혼합물의 유전율과 dry 오일/물 유전율을 비교하는 비투멘의 오일 함량을 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한 생산 현장에서 고급단계로 나아감에 따라 외부측정(Water cut)에 의한 생산 최적화의 한 형태로 생산수를 줄이기 위한 기술로써 사용되고 증가된 생산수와 관련된 문제를 적절히 예방할 수 있다.

측정 값에 따라 분리기(separator)의 설정 시간이 변경될 수 있으며, 이는 오일의 분리와 생산성과 직결될 수 있다.

정격 허용 오차 내에서 측정장치의 안정되고 정확한 성능을 보장하기 위한 최적의 난류조건을 유지하게 된다.

생산 현장에서 원유 침전물 및 수분 함량 모니터링은 정확한 원유 보관 양과 운영에 필수적이며, 파이프라인 시스템에 과도한 양이 유입되는 것을 방지하기 위해 생산현장에서 외부측정을 모니터링한다.

도 1은 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치가 관체에 부착된 개념도,
도 2는 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치를 나타낸 정면도,
도 3은 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치를 나타낸 단면도,
도 4는 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치를 나타낸 구성도.

이하 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 설명될 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 함을 밝혀둔다.

첨부된 도면 중에서, 도 1은 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치가 관체에 부착된 개념도, 도 2는 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치를 나타낸 정면도, 도 3은 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치를 나타낸 단면도, 도 4는 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치를 나타낸 구성도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 비투멘의 수분함량 측정장치는,

오일샌드에서 추출한 비투멘의 함량을 측정하는 것으로,

비투멘이 통과하는 관체(200)의 외면에 부착되되 상부와 하부에 각기 부착되는 초음파 수신부(120)와 초음파 송신부(110)로 구성되는 초음파발생부(100);

초음파 수신부(120)와 초음파 송신부(110)와 연결되는 데이터 수집부(300);

데이터 수집부(300)와 연결되며 관체(200)의 내부 온도를 측정하는 온도센서(320);

데이터 수집부(300)와 연결되며 관체(200)의 내부 압력을 측정하는 압력센서(340);

데이터 수집부(300)와 연결되는 제어부(500);

제어부(500)에 연결되어 데이터()를 서버(미도시)에 송출하는 송출부(600);

송출부(600)에 연결되어 데이터를 저정하는 서버;

제어부와 무선통신방식으로 연결되며 각종 데이터를 송수신하는 무선단말기(700);를 포함하여 구성된다.

초음파 송신부(110) 또는 초음파 수신부(120)는 초음파센서를 포함하고, 초음파센서는 물질의 밀도와 음속을 측정하고, 송신부(110)에서 수신부(120)에 도달하는 시간을 측정하여 물의 함량을 판단하게 된다.

음속(V)는 하기의 수학식 1에 의해 계산된다.

[수학식 1]

V=

K=체적탄성률(N/㎡)

ρ=밀도(kg/㎥)

음속은 물질의 밀도(ρ)와 체적탄성률(K)에 의해 변하면 온도와 압력에 영향을 받는다.

밀도(ρ), 체적탄성률(K)을 구하는 식은 다음과 같다.

=

,

상기 초음파 발생부(100)의 초음파 범위는 low cut, high cut, full cut으로 구분된다.

상기 초음파 범위는 최적 혼합 흐름(well mixed flow(turbulent flow)) 조건에서 정확도(accuracy(uncertainty)) ±0.05∼±5% 조건하에서 수용액(water resolution)은 30∼50ppm의 사양을 가지는 것이 바람직하다.

상기 초음파발생부(100)는 무선주파수(RF), 등운동에너지(isokinetic), 근적외 영역(NIR), 감마선(gamma ray) 중 택일될 수 있다.

상기 비투멘은 초음파 측정의 안정되고 정확한 성능을 보장하기 위해서 난류조건이 수직속도(vertical velocity) 04~0.7 ㎧, 수평속도(horizontal velocity) 1.1~1.4㎧을 유지하는 것이다.

보다 구체적으로는 상기 수직속도는 0.6㎧, 수평속도 1.2㎧을 유지하도록 한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 초음파 발생부(100)는,

관체(200)의 외부에 결합되며 유체가 저장되는 챔버를 갖는 워터자켓(260)이 포함된다.

워터자켓(260)은 관체(200)의 외부에 결합되며 관체(200)보다 관경이 큰 원통형상일 수 있고, 양단부는 격벽이 형성되어 밀봉된 구조로 이루어져 내부의 챔버에 유체가 채워진다. 챔버에 채워지는 유체는 빈틈이 없도록 완전히 채워지도록 한다.

상기 유체는 물, 오일, 에어 중 택일될 수 있다.

상기 워터자켓(260)에는 대칭되게 초음파 송신부(110)와 초음파 수신부(120)가 부착된다.

초음파 발생부(100)는 크게 두 개의 안테나, 공명 플레이트, 송신부 또는 수신부의 센서(sensor)가 관체(200) 내에 위치하게 된다.

안테나의 위치(Transmitter & Receiver)에 따른 센서의 효율이 변경되기 때문에 수치해석 기반 최적의 위치를 도출하여 다른 장치와 물리적인 간섭현상을 피할 수 있도록 한다.

따라서 초음파 송신부(110)에서 발생되는 파장이 챔버()와 관체(200)를 통과하여 초음파 수신부로 수신된다.

이렇게 매질(유체 및 관체 내의 비투멘, 관체 내의 공간)를 통과하는 동안 파형 변화값을 감지하게 되고 이를 데이터베이스의 비교 데이터값과 비교 판단하여 비투멘의 물과 오일 함량을 추정할 수 있다.

이렇게 계산된 데이터는 서버(미도시)에 저장된다.

또한 송출부(600)를 통해 외부의 무선단말기(700)에 데이터가 연동되도록 하여 외부 작업자가 상태값을 쉽게 인지할 수 있고, 이를 작업에 즉시 반영할 수 있다.

상태값은 주로 워터컷 비율, 온도, 압력, 유량이다. 물론 이외에 더 다양한 항목이 추가될 수 있을 것이다.

데이터 수집부(300)에 초음파 수신부(120)와 초음파 송신부(110)에서 측정한 값이 수집된다. 이는 스팀과 물의 비율값이며 이를 측정함으로써 물에 대한 정확도를 측정할 수 있게 된다.

제어부(500)는 컴퓨터이며, 송출부와 서버가 포함된다.

송출부(600)는 무선통신방식에 의해 데이터를 전송하여 외부에 있는 작업자의 무선단말기(700)로 수신될 수 있다.

무선단말기(700)는 스마트폰, 태블릿 등 다양한 기기를 포함할 수 있다.

또한 실시예에 따르면, 설계도면을 기반으로 실험실 규모의 장치를 제작함에 있어 적합한(API 또는 ISO) 소재를 판단 및 선정하고 제작 공정과정에 수반되는 설계 수정사항을 연구개발 목표에 부합하는 범위 내에서 적용할수 있다.

실시예에 따르면, 마이크로파 공진(Microwave resonance)기술을 이용한 워터컷(water cut) 측정의 정확성과 현장 환경에 따른 조건을 만족하기 위해 인입(inlet) 파이프에서 오일과 물 혼합물에 대한 난류와 유속 조건을 만족 시키고 워터컷 미터의 정확도를 높이기 위해 밀도측정기 또는 유량계(coriolis meter)가 포함될 수 있다.

상기 초음파 송신부(110) 또는 초음파 수신부(120) 각각의 센서의 송신과 수신 신호를 수행하기 위해 벡터 네트워크 분석기(VNA: Vector Network Analyzer)를 사용하여 각 수분 비율에 대한 sensor의 파라미터 크기와 위상을 추출하여 실험실 수준의 테스트를 수행한다.

웰헤드(Wellhead)의 고점도 유체 워터컷 1∼50% 실시간 모니터링하기 위한 마이크로파 공진 데이터베이스 구축기반 기초 원천기술의 기술력 제고는 국내 시추탐사 및 플랜트 산업에 새로운 시장 진출을 선도하기 위한 가능성있는 연구개발로 판단된다.

비록 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.

100 : 초음파발생부, 200 : 관체
300 : 데이터 수집부, 500 : 제어부
600 : 송출부, 700 : 무선단말기
110 : 초음파 송신부, 120 : 초음파 수신부
320 : 온도센서, 340 : 압력센서

Claims

오일샌드에서 추출한 비투멘의 함량을 측정하는 것으로,
비투멘이 통과하는 관체의 외부에 부착되되 상부와 하부에 각기 부착되는 초음파 수신부와 초음파 송신부로 구성되는 초음파발생부;
상기 초음파 수신부 및 상기 초음파 송신부와 연결되는 데이터 수집부;
상기 데이터 수집부와 연결되며 상기 관체의 내부 온도를 측정하는 온도센서;
상기 데이터 수집부와 연결되며 상기 관체의 내부 압력을 측정하는 압력센서;
상기 데이터 수집부와 연결되는 제어부;
상기 제어부에 연결되어 데이터를 서버에 송출하는 송출부;
상기 송출부에 연결되어 데이터를 저장하는 서버; 및
상기 제어부와 무선통신방식으로 연결되며 각종 데이터를 송수신하는 무선단말기;를 포함하며,
상기 초음파 발생부는 상기 관체의 외부에서 상기 관체와 밀폐결합되는 워터자켓을 포함하고,
상기 워터자켓은, 비투멘의 수분함량을 측정하려는 상기 관체 부분의 외면 전체를 수용하며 밀폐결합되고 상기 관체와 상기 워터자켓 외면 사이에 물 또는 오일 또는 공기가 빈틈없이 채워지는 챔버를 포함하며, 상기 워터자켓 외면에 상기 초음파 송신부와 상기 초음파 수신부가 대칭되는 위치에 결합되고,
상기 초음파의 송신부 또는 상기 초음파 수신부는 초음파센서를 포함하며,
상기 초음파센서는 물질의 밀도와 음속을 측정하고, 상기 초음파 송신부에서 상기 초음파 수신부에 도달하는 시간을 측정하며,
상기 초음파 발생부는 초음파가 상기 물 또는 오일 또는 공기, 관체, 및 비투멘의 매질을 통과하는 동안 파형 변화값을 감지하고, 상기 제어부는 이를 분석하여 데이터베이스의 비교 데이터값과 비교하여 비투멘의 물과 오일의 함량을 추정하는 것을 특징으로 하는 비투멘의 수분함량 측정장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 비투멘은 초음파 측정의 안정되고 정확한 성능을 보장하기 위해서 난류조건이 수직속도(vertical velocity) 04~0.7 ㎧, 수평속도(horizontal velocity) 1.1~1.4㎧을 유지하는 것을 특징으로 하는 비투멘의 수분함량 측정장치.
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