KR20180035236A - 버블 크기 모니터링 및 제어 - Google Patents

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스테이나르 아스다흘
미셸 이베르 트베이탄 마에룸
칼스텐 라베
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슐럼버거 테크놀로지 비브이
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Abstract

생산된 물로부터 오일 분리를 향상시키기 위한 장치 및 방법이 본 출원에 개시되어 있다. 하나의 이러한 방법은 적어도 하나의 수상(water phase) 및 오일상을 지닌 다상 유체를 부유 가스와 적어도 하나의 작동 조건에 따라서 혼합함으로써, 내부에 부유 가스의 버블을 갖는 향상된 다상 유체를 생산하는 단계를 포함한다. 이후에, 상기 오일상은 분리기를 사용하여 수상으로부터 분리한다. 상기 향상된 다상 유체와 관련된 적어도 하나의 특성이 모니터링된다. 상기 작동 조건은 상기 모니터링된 특성의 함수로서 조절되어 분리기에 의해 수상으로부터 분리된 오일상의 퍼센트를 상기 작동 조건의 조절 없이 수상으로부터 분리될 수 있는 오일상의 퍼센트보다 더 증가되도록 한다.

Description

버블 크기 모니터링 및 제어
본 발명은 물, 물과 혼화성이 아니고 물보다 밀도가 더 낮은 유체 및 가스의 혼합물을 이들 성분들로 분리하는 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 오일 및 가스를 함유하는 수상(water phase)이 분리되는 분리 공정에서 사용하기에 특히 적합한 조합된 탈기(degassing) 및 부유 탱크에 관한 것이다.
본 출원은 2016년 8월 27일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/210,775호(발명의 명칭: "버블 크기 모니터링 및 제어(Bubble size monitoring and control)")를 우선권으로 수반하며, 그 내용은 여기에 전체적으로 참조로 포함된다.
탄화수소는 에너지의 주요 공급원으로서 광범위하게 사용되며, 세계 경제에 있어서 큰 영향력을 가진다. 결과적으로, 탄화수소 자원의 발견과 효율적인 생산이 크게 주목되고 있다. 비교적 접근 가능한 탄화수소 퇴적물은 고갈되었기 때문에, 탄화수소 탐사 및 생산은 도달하기에 보다 어려울 수 있거나, 새로운 기술적 과제를 부과할 수 있는 새로운 영역으로 확장되어 왔다. 대표적인 작업 동안에, 시추 공은 육지이던 바다 아래이던 간에 탄화수소를 함유하는 저장소에 도달하기 위해 지구를 뚫는다. 이러한 탄화수소는 오일, 가스, 또는 이들의 혼합물의 형태로 존재하며, 이후 이들은 시추공을 통해 표면으로 운반될 수 있다.
정(well)으로부터 생산된 유체는 분리기 용기 내부에서 가스와 액체로 분리될 수 있다. 정-상부(well-head) 또는 후속 분리기에서의 분리로부터 오는 수상은 가스, 오일, 화학 물질 및 다른 불순물의 부분적인 제거를 포함하는 정화 후 바다 속으로 배출될 수 있다. 이러한 정화는 오일/가스 분리기, 부유 탱크, 하이드로사이클론, 및 탈기 탱크와 같은 장비를 사용하여 달성된다.
정으로부터 생산된 오일을 동반하는 물의 용량은 변동될 수 있으므로 결과적으로 생산된 물로부터 오일을 분리하는 능력이 감소하여 더 많은 오일이 분리기의 깨끗한 물 배출구로 배출되어 분리기의 효율을 감소시킬 수 있다. 특히 유정(wellbore)으로부터 오일 생산 동안 생산된 물 유입이 변동될 수 있는 경우, 상의 분리 효율을 제어하는 능력이 향상된 개선된 오일-가스-물 분리기가 요구되고 있다.
일부 구현예들은 오일-물 분리기의 효율을 모니터링하여 제어하기 위한 시스템을 포함한다.
본 출원에는 다상 유체(multiphase fluid)를 유동시키기 위한 제1 도관 및 부유 가스 공급원을 포함하는 시스템이 개시되어 있다. 혼합 시스템은 제1 도관의 하류 말단과 유체 연통하는 제1 투입구, 부유 가스 공급원과 유체 연통하는 제2 투입구 및 배출구를 가진다. 혼합 시스템은 제1 도관의 하류 말단으로부터 유동하는 다상 유체를 부유 가스 공급원으로부터의 부유 가스와 혼합하여 내부에 부유 가스의 버블을 갖는 향상된 다상 유체를 배출구에서 생산하기 위해 제공된다. 제2의 도관은 혼합 시스템의 배출구와 유체 연통하는 상류 말단을 가진다. 버블 제어 시스템은 제2 도관과 연합되어 향상된 다상 유체 속의 부유 가스의 버블의 크기와 관련된 측정을 수행하기 위해 제공되며, 측정에 응답하여 혼합 시스템을 제어함으로써, 부유 가스의 버블의 크기가 한계값(threshold) 이상이 되도록 영향을 미친다.
또한, 작동 조건에 따라, 수상 및 오일상을 갖는 다상 유체를 부유 가스와 혼합함으로써, 내부에 부유 가스의 버블을 갖는 향상된 다상 유체를 생산하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 개시되어 있다. 이후에, 상기 오일상은 분리기를 사용하여 수상으로부터 분리한다. 향상된 다상 유체와 관련된 특성은 모니터링된다. 작동 조건은 모니터링된 특성의 함수로서 조절되어 컴팩트 부유 소자(compact flotation unit)에 의해 수상으로부터 분리된 오일상의 퍼센트를 작동 조건을 조절하지 않고도 수상으로부터 분리될 수 있는 오일상의 퍼센트보다 더 증가시킨다.
또한, 작동 조건에 따라, 다상 유체를 부유 가스와 혼합하여, 내부에 부유 가스의 버블을 갖는 향상된 다상 유체를 생산하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 개시되어 있다. 상기 방법은 또한 향상된 다상 유체와 관련된 특성을 모니터링하는 단계, 그리고 모니터링된 특성의 함수로서 작동 조건을 조절하여 버블의 크기가 한계값 이상이 되도록 영향을 미치는 단계를 포함한다.
본 발명의 특정 구현예들을 도면을 참조하여 이하에 설명하며, 여기서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다. 그러나, 첨부된 도면은 본 출원에 기술된 다양한 실행을 설명하는 것이며 본 발명에 기술된 다양한 기술의 범위를 제한하려는 것이 아님이 이해되어야 한다. 도면은 본 발명의 다양한 구현예를 나타내고 설명한다.
도 1은 본 발명의 일부 구현예들에 따라 사용될 수 있는 탈기 및 부유 탱크형 분리기를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일부 구현예들에 따른 인라인 카메라 버블 모니터를 포함하는 생산된 수 분리 작동의 레이아웃 배치의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일부 구현예들에 따른 차압 모니터(differential pressure monitor)를 포함하는 생산된 수 분리 작동의 레이아웃 배치의 개략도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일부 구현예들에 따른 속도 모니터를 포함하는 생산된 수분리 작동의 레이아웃 배치의 개략도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일부 구현예들에 따른 다중 혼합기 및 다중 인라인 카메라 버블 모니터를 포함하는 생산된 수 분리 작동의 레이아웃 배치의 개략도를 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 일부 구현예들에 따른 정적 혼합기의 투시도를 나타낸다.
도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일부 구현예들에 따른 크기 및 형태가 상이한 다양한 혼합기 판을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일부 구현예들에 따른 개폐의 다양한 단계에서 동적 혼합기의 홍채-다이아프램형 가변 밸브(iris-diaphragm type variable valve)를 나타낸다.
다음의 설명에 있어서, 다수의 세부 사항들은 본 발명의 개시 내용의 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 구현예들이 이들 세부 사항들 없이 실시될 수 있고, 설명된 구현예들로부터 다수의 변화 또는 변형이 가능할 수 있음을 이해할 것이다.
명세서 및 첨부된 청구범위에 있어서, 용어 "연결하다", "연결", "연결된", "와 관련하여" 및 "연결하는"은 "직접 연결"되거나, "하나 이상의 소자를 통해 연결됨"을 의미하기 위해 사용되며, 용어 "세트"는 "하나의 소자" 또는 하나 이상의 소자"를 의미하기 위해 사용된다. 또한, 용어 "커플", "커플링", "커플링된", "함께 커플링된" 등은 "함께 직접 커플링된" 또는 "하나 이상의 소자를 통해 함께 커플링됨"을 의미하기 위해 사용된다. 본 출원에 사용된 바와 같이, 용어 "상향" 및 "하향", "상부" 및 "하부", "상향으로" 및 "하향으로", "위" 및 "아래", 그리고 제공된 지점 또는 요소 위 또는 아래의 상대적인 위치를 나타내는 기타의 유사 용어들은 해당 설명에서 본 발명의 일부 구현예들을 보다 명확하게 설명하기 위해 사용된다. 유사하게, 용어 "상류" 및 "하류"는 본 출원에서 요소를 통과하는 유체 유동의 경로에 따른 상대적인 위치를 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 장치 및 방법은 생산된 물에 혼입된 오일의 분리 공정의 보다 우수한 제어 및 개선된 효율을 제공하기 위해 개발되어 왔다. 오일이 생산된 물과 함께 존재함으로 인하여, 오일 및 물은 총괄적으로 다상 유체로서 언급될 수 있다. 오일/가스 분리기, 부유 탱크, 하이드로 사이클론 및 탈기 탱크를 포함하는 다양한 유형의 분리기를 사용하여 생산된 물로부터 오일을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 구현예들에 따라 사용될 수 있는, 하나의 유형의 분리기(102), 때때로 콤팩트 부유 소자 또는 CFU로서 언급되는 탈기 및 부유 탱크의 예를 나타낸다. CFU(102)는 가스 부유 및 원심력을 사용하여 다상 유체의 수상(water phase)으로부터 오일 및 다른 입자를 분리하여 제거한다. 조합된 탈기 및 부유 탱크(102)는 원통형의 수직 탱크(1), 생산된 수상에 대해 접선으로 배치된 투입구(2), 탱크(1)의 상부에 위치한 가스 및 오일용의 적어도 하나의 배출구(3), 탱크(1)의 하부에 위치한 물용 배출구(4) 및 슬러지용 배출구(8), 그리고 탱크의 상부에서 내부 실린더(10)와 탱크(1)의 벽 사이의 부유 및 탈기 구역을 형성하는 내부 실린더(10)를 포함한다.
원통형 수직 탱크(1)는 다상 유체의 수상으로부터 오일/가스 상의 바람직한 분리를 수행한다. 오일 생산에 있어서 수 처리용으로 사용하는 경우, 남아있는 오일 및 가스는 다상 유체의 유출되는 수상으로부터 제거되어 매우 낮은 함량의 탄화수소를 지닌 유출물을 모래 및 다른 미립자 물질의 제거와 동시에 제공할 수 있다. 탱크(1)는 내부 실린더(10)와 탱크의 상부 사이의 개방 공간을 남기는 탱크의 상부에 배치된 내부 실린더(10)와 함께 제공된다. 투입구 안내 베인(inlet guide vane)(11)은 투입구 안내 베인(11)과 내부 실린더(10) 사이에 개방 공간을 남기는 탱크(1) 및 내부 실린더(10)와 탱크(1)의 하부의 수평 원형 플레이트(12) 사이에 위치하여, 플레이트(12)와 탱크(1) 사이에 물을 위한 통로를 남길 수 있다. 내부 실린더(10)는 오일, 가스 및 물의 통과가 실린더의 상부 위에서 수행되도록 배치된다.
오일 방울의 부유는 가스 버블을 동시 상승시킴에 의해 촉진된다. 또한, 투입구 안내 베인(11)은 유입수가 상향으로 나선형으로 유동하도록 하지만, 점선 투입구는 유입수가 탱크(1)에서 회전하도록 하여, 내부 실린더(10)에 도달할 때까지 보다 가벼운 오일이 탱크(1)의 중심을 향하여 떨어지도록 하는 원심력을 생성한다. 여기서, 오일 버블과 가스 버블은 이들의 밀도가 주변의 물보다 더 낮음으로 인하여 합쳐져서 상승할 것이다. 오일과 가스는 이후에 오일 및 가스용 배출구(3)를 통해 제거된다.
부유 가스(flotation gas)로 본원의 일부 위치에서 언급된 추가의 가스는 CFU(102)로 들어가기 전해 다상 유체의 생산된 수상으로 투입되어 분리를 개선시키고 탱크 속에 추가의 상승 가스 버블을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예들에 따라 생산된 물 분리 시스템 또는 작동(100)은 이제 도 2의 개략도를 추가적으로 참조하여 설명된다. 상류 부품에 대한 설명을 시작으로 생산 유체 공급원(106)은 제1의 도관(107)과 유체 연통함으로써 다상 유체를 이에 공급한다.
다상 유체는 제1 도관(107)의 상류 말단 내로 유동하여, 제1 도관(107)의 하류 말단을 통해 빠져나와서 제1 도관(107)과 유체 연통하는 혼합기(108)의 제1 투입구 내로 유동한다. 외부 가스 공급원 또는 용기(1)의 상부로부터 재순환되는 가스와 같은 부유 가스 공급원(104)은 혼합기(108)의 제2 투입구와 유체 연통하며 선택적인 가스 밸브(129)를 통해 질소 또는 연료 가스와 같은 부유 가스를 혼합기(108)의 제2 투입구로 공급한다. 혼합기(108)는 유입하는 부유 가스를 유입하는 다상 유체와 혼합시키기 위해 제공되며, 임의의 외부 조절 가능한 밸브(114)를 통해서 및 혼합기(108)의 배출구와 유체 연통되는 제2 도관(109)의 상류 말단 내로 부유 가스와 함께 향상된(혼합된) 것으로서 다상 유체의 배출물을 제공한다.
인지되는 바와 같이, 혼합기(108)에 의한 부유 가스와 다상 유체의 혼합은 다상 유체 속에 부유 가스의 버블이 형성되도록 한다. 향상된 다상 유체는 인라인 카메라 모듈(110)을 통해 제2 도관(109)의 상류 말단내로 및 제2 도관(109)의 하류 말단을 통해 밖에서 CFU(102)의 투입구(2) 내로 유동한다. 이후에, 가스와 오일성 물의 이러한 혼합물은 탱크(1)로 도입되면서 CFU(102)의 상부로 상승하여, 분리를 향상시킨다. 분리 후, 오일 및 가스 상들은 오일 및 가스 배출구(3)을 경유하여 CFU(102)로 부터 제거되어 밸브(120)를 통해 유동하며, 수상은 수 배출구(4)를 통해 CFU(102)로 부터 제거되어 밸브(122)를 통해 유동할 수 있다.
향상된 다상 유체 속의 가스 버블 크기 분포는 CFU(102)의 분리 효율에 영향을 미칠 수 있다. 크기가 너무 작을 수 있는 버블, 예를 들어, 90 마이크론 내지 110 마이크론 미만(예를 들면, 100 마이크론)은 일부 경우에 배출구(3)를 통해 제거될 CFR(102) 속의 유체의 표면에 도달할 수 없다. 작은 규모 버블을 덮은 오일은 이후에 깨끗한 수 배출구(4)를 통해 배출될 것이다. 너무 클 수 있는, 예를 들어, 500 마이크론 이상인 버블은 이들이 낮은 부유 범위를 가질 수 있다는 점에서 쟁점이 될 수 있다. 가스 버블 크기 분포는 물의 화학적 성질에 의존할 수 있지만, 본 발명자들은 이것이 부유 가스를 생산된 물로 혼합하는 가스 혼합기(108)에 의해 생성된 압력 강하와 밀접하게 관련되어 있으며 이에 의해 영향 받음을 발견하였다. 본 발명은 CFU(102)로 도입하는 향상된 다상 유체 속의 버블 크기 분포를 모니터링하고 제어하기 위한 기술을 제공하는 것을 목표로 한다.
도 6a 내지 도 7에 나타낸 바와 같은 현재의 혼합기(108)는 통과하는 다상 유체에 따라 압력 강하를 가지며, 이러한 압력 강하는 단기간 내에 및 필드 라이프(field life) 동안 변하여, 잠재적으로 다양하고 비-최적인 혼합 및 공정 효율을 초래한다. CFU(102)에 대하여 생산된 다상 유체 유동 속도가 변하여 증가하거나 감소하는 경우, 현재의 혼합기를 통한 유체 속도는 다양한 이유들로 인해 변화하여 보다 크거나 작은 난류를 초래하고 결과적으로 다상 유체 속에서 보다 작거나 보다 큰 가스 버블의 형성을 초래할 수 있다. 효율적인 오일 제거를 위해서, 특히 유용한 버블 크기 영역이 존재하지만, 실제 버블 크기는 고정된 기하학 혼합기 플레이트 또는 기타의 경우 정적 가스 혼합기를 가짐으로써 당해 범위를 벗어날 수 있다.
모니터링 시스템 또는 버블 제어 시스템과 함께 제공된 동적 혼합기(유체 유동 속도와 상관없이 바람직한 압력 강하를 유지할 수 있음)의 도입은 CFU 내로 생산된 다상 유체 유동 속도에 대한 변화에 상관없이 대부분의 가스 버블을 제1 한계값(예를 들면, 100 마이크론 초과) 및 제2 한계값(예를 들면, 500 마이크론 미만) -즉 바람직한 가스 버블 크기 영역 내에서 유지시키는 능력을 제공한다. 이러한 한계값은 향상된 다상 액체로부터 대부분의 오일의 분리, 및 따라서 오일 배출구(3)로부터 대부분의 오일상의 유동이 가능하도록 설정된다. 실제로, 동적 혼합기의 사용은 CFU(102)에 의해 달성된 오일 분리의 퍼센트를 동적 혼합기에 의해 제공된 조절 능력 없이 분리될 수 있는 것보다 더 증가시킨다.
시스템(100) 및 이의 작동에 대한 추가의 세부 사항들이 제공될 것이지만, 우선 카메라 모듈(110) 및 제어기(112)(다음에 설명됨)를 형성함으로써, 버블 제어 시스템(199)으로서 총괄적으로 언급될 수 있고, 혼합기(108) 및 임의의 밸브(129)와 밸브(114)를 형성함으로써 혼합 시스템(198)으로서 총괄적으로 언급될 수 있어야 한다.
컴퓨터, 마이크로 컨트롤러, 칩 상의 시스템, 마이크로 프로세서, 프로그램 가능한 논리 어레이, 또는 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이와 같은 제어기(112)는 혼합기(108) 및 임의의 조절 가능한 밸브(114) 중 어느 하나(또는 이들 둘 다)뿐만 아니라, 카메라 모듈(110)에도 커플링된다.
카메라 모듈(110)은 향상된 다상 유체가 제2 도관(109)을 통해 유동함에 따라 버블의 영상을 포획하는 고속 카메라를 포함하며, 제어기(112)는 카메라(110)의 출력을 작동시키고 모니터링한다. 카메라(110)의 출력을 모니터링할 때, 제어기(112)는 영상 처리를 수행하여, 제2 도관(109)을 통해 유동하는 향상된 다상 유체 속에서 분산된 부유 가스의 버블 크기 분포의 온라인, 인라인, 실시간 연속 모니터링 및 평가를 가능하도록 한다. 따라서, 제어기(112)는 버블 크기 분포가 바람직한 범위 내에 있는지의 여부를 결정할 수 있다.
버블 크기 분포를 변경 및/또는 제어하기 위한 하드웨어를 제공하기 위해서, 혼합기(108)는 제어기(112)의 제어 하에서 이의 배출구에서 개구부의 크기 및/또는 형상 또는 밸브의 위치를 변화시킬 수 있는 동적 혼합기일 수 있다. 일부 경우에서, 혼합기(108)는 이의 배출구에서 고정된 크기 및 형상 개구를 대신 가질 수 있지만, 제어기(112)의 제어 하에서 조절 가능한 밸브(114)는 혼합기(108)와 도관(109) 사이, 도관(109)의 구획들 사이, 또는 도관(109) 내에 위치할 수 있다. 또 다른 경우에서, 혼합기(108)는 동적 혼합기일 수 있고 다양한 밸브(114)가 또한 존재할 수 있다.
도 6b 및 도 6c는 혼합기가 이의 배출구에서 고정된 크기 및 형상의 개구를 갖는 경우에 혼합기(108)에 대해 상이한 고정된 플레이트(130a 내지 130d)를 도시하며, 각각의 플레이트는 이를 통해 향상된 다상 유체가 유동하는 상이한 크기 및 형상의 개구부(131a 내지 131d)를 가진다.
혼합기(108)가 동적 혼합기인 경우, 이는 압력 강하를 유발하는 이의 배출구에 어떠한 적합한 제한, 예를 들면, 가변 영역 오리피스 밸브, 버터플라이 밸브, 특별하게 고안된 가변 케이지 밸브, 또는 분산된 가스를 유체 속에서 혼합하는 동등한 기술을 포함할 수 있다. 동적 혼합기는 또한 도 7에 나타낸 바와 같은 홍채-다이아프램형 가변 밸브(130e 내지 130f), 변화될 수 있는 2개 이상의 플레이트 크기를 갖는 밸브, 또는 이를 통해 유체가 유동하는 개구의 크기 및/또는 형상이 변경될 수 있는 다른 동적 밸브 형을 포함할 수 있다.
따라서, 카메라 모듈(110)을 갖는 제어기(112)의 사용은 피드백 루프(feedback loop)를 제공하며, 제어기(112)는 피드백 루프를 기반으로 실시간 조건 또는 거의 실시간 조건으로 밸브 개구(131e 내지 131f)를 변경시켜 버블 크기 분포를 바람직한 범위 내에서 유지시킬 수 있다.
일부 경우에서, 제어기(112)는 가스 공급원(104)으로부터 혼합기(108) 내로 부유 가스의 유동 속도를 제어함으로써 혼합기(108)의 배출구에서 생산된 버블 크기 분포를 제어할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 제어기(112)는 밸브(129)를 제어하여(또한 부유 가스 공급원 제어로 언급됨) 버블 크기 분포의 측정 및 모니터링의 기능으로서 가스 공급원(104)으로부터 가스의 유동 속도를 변경시킴으로써, 버블 크기 분포를 바람직한 범위 내로 유지시킬 수 있다. 부유 가스 유동 속도의 제어는 혼합 시스템의 다른 제어의 부재 하에서 수행될 수 있거나(즉, 정적 혼합기(108)를 사용하여 및 밸브(114)의 존재 없이 수행할 수 있다), 동적 혼합기의 제어 및/또는 밸브(114)의 제어에 부가하여 수행할 수 있다. 밸브(129)의 조절은 또한 부유 가스가 혼합기(108)의 제2의 투입구로 도입되는 압력의 조절을 제공하기 위해 제공될 수 있다.
앞서 설명된 형태로 가스 버블의 크기를 직접 모니터링하는 것은 복잡하며 비용이 많이 들 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 바람직한 버블 크기 영역 또는 범위가 고정된 또는 동적 혼합기(108)를 가로지르는 단순한 압력 강하에 연결될 수 있음을 발견하였다. 실제로, CFU(102)의 오일 제거 효율은 상류 혼합기(108)를 가로지르는 압력 강하에 의존하는 것으로 현재 여겨지고 있다. 따라서, 효율을 개선시키기 위해 바람직한 가스 분포 크기 영역에 상응하는 바람직한 압력 강하 밸브가 존재한다. 이는 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 하나의 방법은 혼합기(108) 내에서 또는 혼합기(108)의 배출구 밸브 속에서 제한 플레이트의 크기를 변화시키는 것을 포함한다. 도 6b 및 도 6c는 형상 및 크기가 다양한 제한 플레이트(130a 내지 130d)의 예들을 나타낸다. 다음에 설명되는 바와 같이, 다른 방법은 밸브(114)를 이용하여 압력 강하를 조절함을 포함한다. 밸브(114)와 정적 혼합기(108)를 함께 사용하여 수득되는 공정 효율은 또한 동일한 압력 강하에 있어서와 동일하다. 따라서, 정적 혼합기(108) 및 밸브(114)를 함께 사용하여 동적 혼합기와 유사한 결과를 생성할 수 있고, 제1 도관(107)을 통해 다상 유체의 유동 속도와 상관없이 버블 크기 분포를 바람직한 범위 내에서 유지시키는데 도움을 줄 수 있다.
또한, 본 발명자들은 버블 크기 분포가 압력 강하의 함수임을 발견하였다. 따라서, 위에서 설명한 바와 같이, 혼합기(108)를 가로지르는 압력 강하는 혼합기(108) 속의 배출구 밸브의 위치, 혼합기(108) 속의 배출구 밸브 내 오리피스의 크기 또는 유형, 또는 혼합기(108) 내 제한 플레이트(130a 내지 130f) 내의 오리피스의 크기 또는 유형의 함수로서 모니터링될 수 있다. 압력 강하는 또한 밸브(114)의 위치, 밸브(114) 내 오리피스의 크기 또는 형상, 또는 밸브(114) 내 제한 플레이트(130a 내지 130f) 내의 오리피스의 크기 또는 형상의 함수로서 모니터링될 수 있다. 혼합기(108) 속의 배출구 밸브의 위치, 혼합기(108) 속의 배출구 밸브 내의 오리피스의 크기 또는 형상, 또는 혼합기(108) 내 제한 플레이트(130a 내지 130f) 내 오리피스의 크기 또는 형상은 이후에 모니터링된 압력 강하의 함수로서 조절되거나 제어될 수 있다. 유사하게, 밸브(114)의 위치, 밸브(114) 내의 오리피스의 크기 또는 형상, 또는 밸브(114) 내의 제한 플레이트(130a 내지 130f) 내 오리피스의 크기 또는 형상은 모니터링된 압력 강하의 함수로서 조절되거나 제어될 수 있다. 이러한 조절 또는 제어는 혼합기(108)가 정적인 경우, 또는 밸브(114)가 정적인 경우에 수동으로 수행될 수 있다. 이러한 조절 또는 제어는 혼합기(108)가 동적인 경우, 또는 밸브(114)가 동적인 경우에 제어기(112)의 제어 하에서 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일부 구현예들에 따른 차압 모니터(125)를 포함하는 생산된수 분리 시스템(100')의 레이아웃 배치의 개략도를 나타낸다. 다른 성분은 상기 설명된 바와 유사하거나 동일하며 추가의 논의를 필요로 하지 않는다.
차압 모니터(125)는 적합한 유형 및 종류의 것이며, 혼합기(108)의 제1의 투입구 및 배출구(또는 밸브(114)의 배출구)에서 압력 센서를 포함할 수 있다. 제어기(112)는 차압 모니터(125)의 압력 센서의 판독값을 비교하여 혼합기(108)에 걸친 압력 강하를 측정할 수 있다. 이후에, 제어기(112)는 압력 강하의 함수로서 혼합기(108) 및/또는 밸브(114)를 제어하여 버블 크기 분포를 바람직한 범위 내에서 유지하는 바람직한 범위 내에서 압력 강하를 유지할 수 있다.
측정되거나 평가된 유체 속도 또는 다른 실험적 상관관계는 혼합기(108) 및/또는 밸브(114)를 조절하는데 사용하기 위한 제어기(112)에 대한 피드백으로서 사용되어 버블 크기 분포를 바람직한 범위 내에서 유지할 수 있다. 예를 들면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 시스템(100")은 혼합기(108)의 제1의 투입구 및/또는 배출구(또는 밸브(114)의 배출구)에서 유체 속도 또는 유체 유량계(126)를 포함함으로써, 예를 들면, 제1의 도관(107) 속에서 다상 유체 및 제2 도관(109) 속에서 향상된 다상 유체의 속도의 평가를 제공할 수 있다. 제어기(112)는 속도 또는 유량계(126)의 판독값을 비교하여 혼합기(108)를 가로지르는 유동 속도 또는 유체 속도 증가를 측정할 수 있다. 이후에, 제어기(112)는 유동 속도 또는 속도 강하의 함수로서 혼합기(108) 및/또는 밸브(114)를 제어하여 버블 크기 분포를 바람직한 범위 내에서 유지시키는 바람직한 범위 내에서 유지시킬 수 있다.
앞서와 같이 설명된 구성에서, 단일의 혼합기(108), 밸브(114), 가스 밸브(129) 및 카메라 모듈(110)이 도시되었지만, 일부 적용들에서는 각각 다수개가 존재할 수 있다. 예를 들면, 나타낸 구성(100"')(도 5)에서, 2개의 인라인 혼합기들(108a, 108b)이 존재하며, 각각은 이의 배출구에서 각각의 임의 밸브들(114a, 114b)을 가진다. 카메라 모듈(110a)은 혼합기(108a)와 혼합기(108b) 사이에 도관(109a)를 따라 위치하며, 카메라 모듈(110b)은 혼합기(108b)와 CFU(102) 사이에 도관(109b)을 따라 위치한다. 가스 공급원(104)은 가스 밸브(129a) 및 (129b)에 가스를 공급하며, 이는 각각 궁극적으로 공급 가스를 혼합기(108a) 및 (108b)에 공급한다. 이들 다양한 부품들은 위에서 설명한 바와 같이 작동하며, 위에서 설명한 바와 같이 제어기(112)에 의해 작동되고 제어된다.
혼합기(108a) 및 (108b)는 이들이 동적 혼합기인 경우에, 서로 동기식으로 작동하거나, 서로 비동기식으로 작동할 수 있다. 예를 들면, 동적 혼합기(108a) 및 (108b)의 배출구는 동일한 크기, 형상 또는 구조를 갖도록 조절될 수 있거나, 상이한 크기, 형상 또는 구조를 갖도록 제어될 수 있다. 또한, 하나의 혼합기(108a 또는 108b)는 정적 혼합기일 수 있지만, 다른 것은 동적 혼합기(108a, 또는 108b)이다. 임의의 밸브들(114a, 114b) 중의 하나 또는 둘 다가 존재할 수 있거나, 어느 것도 존재하지 않을 수 있으며, 동적 혼합기들(108a, 108b)의 경우와 관련하여 설명된 바와 같이 작동할 수 있다. 또한, 밸브들(129a, 129b)은 동기식으로 또는 비동기식으로 작동할 수 있다. 카메라 모듈들(110a, 110b) 중의 하나 또는 둘 다가 존재할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 구현예들을 이용하여, 다수의 혼합기(114), 밸브(108), 가스 밸브(129), 차압 센서(125) 및 속도 유량계(126)를 다음에 나타낸 바와 유사하게 사용할 수 있다. 도 5에 있어서도, 위에서 설명한 상이한 잠재적인 버블 제어 시스템(199, 199', 199", 199"') 부품을 혼합하고 매치시킬 수 있음이 명백하여야 한다. 예를 들면, 하나 이상의 카메라 모듈(110)을 하나 이상의 차압 센서(125)와 함께 단일 적용에서 사용하여 혼합기(114), 밸브(108) 및 가스 밸브(129)를 제어하는데 있어서 제어기(112)에 의해 사용하기 위한 추가의 데이터를 제공할 수 있다.
향상된 다상 유체의 특성 및 버블의 크기를 측정하기 위한 다른 적합한 방법 및 기술이 또한 사용할 수 있다. 예를 들면, 음향 모니터링 기술을 부유 가스 버블의 크기를 평가하기 위한 방법으로서 향상된 다상 유체에서 사용할 수 있으며, 제어기는 혼합기 및/또는 밸브 및/또는 가스 밸브를 제어하는데 있어서 해당 정보를 사용할 수 있다.
일부 구현예들에서, 부유 가스는 CFU(102)의 하류에 가해진 압력 강하에 의해 액체 수상으로부터 방출될 수 있다. 예를 들면, 액체 수상으로부터 용해된 부유 가스의 제거와 관련하여 액체 수상은 원통형 수직 탱크(1) 속에서 수 배출구(4) 밖으로 및 배출구(4)의 직경보다 더 넓은 직경을 갖는 구조를 지닌 도관, 용기 또는 다른 유체로 유동하도록 구성됨으로써, 액체 수상이 유체 압력에서 강하를 겪도록 할 수 있다. 유체 압력에 있어서 이러한 강하는 액체 수상의 탈기를 초래할 수 있으므로, 액체 수상 속에 용해된 부유 가스는 액체 수상을 빠져나올 수 있다.
전술한 시스템(100, 100', 100", 100"')은 새로운 CFU 시스템과 함께 작동하거나 설치되거나, 기존의 CFU 설비에 새로 장착될 수 있다. 시스템(100, 100', 100")이 새로운 CFU 시스템과 함께 작동하는 경우, 제어기(112)는 또한 CFU의 제어기일 수 있다. 이는 시스템(100, 100', 100", 100"') 속에서 유체 유동 속도의 변화와 상관없이 및 상이한 유체 화학과 상관없이 버블 크기를 기준으로 하여 공정 효율의 최적화를 가능하도록 돕는다.
앞서의 설명이 특정한 수단, 물질 및 구현예들을 참조하여 본 출원에서 설명되었지만, 본 출원에 개시된 특정한 것으로 제한되는 것을 의도하지 않으며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 범주 내에서 기능적으로 등가인 구조, 방법 및 용도로 확장될 수 있다.

Claims (20)

  1. 다상 유체를 유동시키기 위한 제1 도관;
    부유 가스 공급원;
    상기 제1 도관의 하류 말단과 유체 연통하는 제1 투입구, 상기 부유 가스 공급원과 유체 연통하는 제2 투입구 및 배출구를 가지며, 상기 제1 도관의 하류 말단으로부터 유동하는 다상 유체를 부유 가스 공급원으로부터의 부유 가스와 혼합하여 배출구에서 내부에 부유 가스의 버블을 갖는 향상된 다상 유체를 생산하도록 하는 혼합 시스템;
    상기 혼합 시스템의 배출구와 유체 연통하는 하류 말단을 갖는 제2 도관; 및
    상기 제2 도관과 연합되고 다음을 수행하도록 구성된 버블 제어 시스템을 포함하며,
    상기 향상된 다상 유체 속에서 상기 부유 가스의 버블의 크기와 관련된 측정을 수행하고,
    상기 측정에 대한 반응 시 상기 혼합 시스템을 제어하여 상기 부유 가스의 버블의 크기가 한계값 이상으로 되도록 영향을 미치도록 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 버블 제어 시스템이 상기 측정에 대한 반응 시 상기 혼합 시스템을 제어하여 부유 가스의 버블의 크기가 제1 한계값 이상 및 제2 한계값 이하가 되도록 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 시스템이 이의 배출구에서 조절 가능한 배출구 밸브를 갖는 조절 가능한 혼합기를 포함함으로써, 이것이 이를 통해 유동할 때 향상된 다상 유체의 압력을 조절하고, 상기 버블 제어 시스템이 조절가능한 배출구 밸브의 위치가 변하도록 함으로써 혼합 시스템을 조절하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 조절 가능한 배출구 밸브가 가변 영역 오리피스 플레이트 밸브, 버터플라이 밸브, 가변 케이지 밸브, 홍채-다이아프램형 가변 밸브(iris-diaphragm type variable valve), 또는 내부에 변화 가능한 제한 플레이트를 갖는 밸브인 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 시스템이 정적 혼합기 및 당해 정적 혼합기와 연합된 조절 가능한 밸브 및 제2 도관을 포함함으로써, 상기 제2 도관을 통해 유동할 때 향상된 다상 유체의 압력을 조절하며, 상기 버블 제어 시스템은 상기 조절 가능한 밸브의 위치를 변화시킴으로써 상기 혼합 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 시스템이 상기 부유 가스 공급원에 대한 부유 가스 공급원 제어를 포함하고, 상기 버블 제어 시스템이 상기 부유 가스 공급원 제어와 연통함으로써 상기 혼합 시스템을 제어하여 상기 부유 가스 공급원의 유동 속도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 시스템이 상기 부유 가스 공급원과 연합된 조절 가능한 가스 밸브를 포함하고, 상기 버블 제어 시스템이 상기 조절 가능한 가스 밸브를 제어하여 이것이 상기 혼합 시스템의 제2 투입구로 도입될 때 상기 부유 가스의 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 버블 제어 시스템이,
    상기 제2 도관과 연합되고 상기 향상된 다상 유체가 상기 제2 도관을 통해 유동할 때 상기 버블의 영상을 포획하도록 구성된 카메라; 및
    상기 버블의 영상에서 영상 처리를 수행함으로써 상기 버블의 크기를 평가하여 측정을 수행하고, 상기 버블의 평가된 크기에 반응하여 상기 혼합 시스템을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 버블 제어 시스템이,
    상기 제1 도관, 제2 도관 및 혼합 시스템과 연합되고, 상기 혼합기의 제1 투입구내로 유동하는 다상 유체와 상기 혼합기의 배출구 밖으로 유동하는 향상된 다상 유체 사이에 압력 차를 측정함으로써 상기 측정을 수행하도록 구성된 차압 감지 장치; 및
    상기 측정된 압력 차에 반응하여 상기 혼합 시스템을 조절하도록 구성된 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 버블 제어 시스템이 상기 제1 도관 속의 다상 유체 및 상기 제2 도관 속의 향상된 다상 유체 중 적어도 하나의 속도를 평가함으로써 상기 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 버블 제어 시스템이 상기 측정에 반응하여 상기 혼합시스템을 제어함으로써 상기 부유 가스의 버블의 크기가 상기 제1 도관을 통한 상기 다상 유체의 유동 속도와 상관없이 한계값 이상이 되도록 하는데 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 한계값이 100 마이크론을 초과하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 도관의 하류 말단과 유체 연통하는 투입구를 갖는 분리기 및 이들 통해 향상된 다상 유체의 오일상 중의 적어도 일부가 유동하도록 할 수 있는 오일 배출구를 추가로 포함하며, 상기 한계값이 오일 배출구를 통해 대부분의 상기 오일상이 유동하도록 하기에 충분한 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 적어도 수상 및 부유 가스를 지닌 오일상을 갖는 다상 유체를 부유 가스와 적어도 하나의 작동 조건에 따라서 혼합함으로써 내부에 상기 부유 가스의 버블을 갖는 향상된 다상 유체를 생산하는 단계;
    상기 수상으로부터 상기 오일상을 분리하는 단계;
    상기 향상된 다상 유체와 관련된 적어도 하나의 특성을 모니터링하는 단계; 및
    상기 모니터링된 적어도 하나의 특성의 함수로서 적어도 하나의 작동 조건을 조절함으로써 상기 수상으로부터 분리된 오일상의 퍼센트를 적어도 하나의 작동 조건의 조절 없이 상기 수상으로부터 분리될 수 있는 상기 오일상의 퍼센트보다 더 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 혼합이 혼합기를 사용하여 수행되며, 상기 적어도 하나의 특성을 모니터링하는 단계가 상기 혼합기에 걸쳐 유체 압력 차를 모니터링하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 작동 조건을 조절하는 단계가 혼합 동안 상기 부유 가스의 유동 속도 및 상기 유체 압력 차 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 혼합이 혼합기를 사용하여 수행되며, 여기서 적어도 하나의 특성을 모니터링하는 단계가 상기 버블의 영상에서 영상 프로세싱을 수행함으로써 상기 버블의 평가된 크기를 모니터링하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 작동 조건을 조절하는 단계가 상기 혼합 동안 상기 부유 가스의 유동 속도 및 상기 향상된 다상 유체의 압력 중의 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 혼합이 혼합기를 사용하여 수행되고, 상기 적어도 하나의 특성을 모니터링하는 단계가 상기 다상 유체 및 상기 향상된 다상 유체 중 적어도 하나의 속도를 평가하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 작동 조건을 조절하는 단계가 상기 혼합 동안 상기 부유 가스의 유동 속도 및 상기 향상된 다상 유체의 압력 중의 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 다상 유체를 적어도 하나의 작동 조건에 따라서 부유 가스와 혼합함으로써, 내부에 부유 가스의 버블을 지닌 향상된 다상 유체를 생산하는 단계;
    상기 향상된 다상 유체와 관련된 적어도 하나의 특성을 모니터링하는 단계; 및
    상기 모니터링된 적어도 하나의 특성의 함수로서 상기 적어도 하나의 작동 조건을 조절하여 상기 버블의 크기가 한계값보다 더 크도록 영향을 미치는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 혼합이 혼합기를 사용하여 수행되고, 상기 적어도 하나의 특성을 모니터링하는 단계가 상기 혼합기에 걸쳐 유체 압력 차를 모니터링하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 작동 조건을 조절하는 단계가 상기 혼합 동안 상기 부유 가스의 유동 속도 및 상기 유체 압력 차 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 혼합이 혼합기를 사용하여 수행되고, 상기 적어도 하나의 특성을 모니터링하는 단계가 상기 버블의 영상에서 영상 프로세싱을 수행함으로써 상기 버블의 평가된 크기를 모니터링하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 작동 조건을 조절하는 단계가 상기 혼합 동안 상기 부유 가스의 유동 속도 및 상기 향상된 다상 유체의 압력 중의 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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