NO317022B1 - Fremgangsmate og innretning for a bestemme konsentrasjonen av et forste fluid som er finfordelt i et andre fluid - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å bestemme konsentrasjonen av et første fluid som er finfordelt i et andre fluid. Et system hvor et første fluid er finfordelt i et andre fluid defineres generelt som et dispergert system, dvs. at det første fluid (dispergert fase) vandrer omkring i det andre fluid (dispergerende medium) i en finfordelt form.

Slik det er kjent blant fagpersoner kan dispergerte systemer deles opp videre som følger: avhengig av diameteren til de dispergerte fasepartikler kan et dispergert system være en løsning (homogen blanding hvor ingen bunnfelling finner sted og hvor de løste partikler er oppdelt i molekylær eller ionisk tilstand); et kolloidalt system (en midlere type blanding hvor de løsningslignende partikler er suspendert i den løsemiddellignende fase hvor partiklene i den dispergerte fase er små nok til at bunnfelling er neglisjerbar og store nok til å få blandingen til å se uklar ut); eller en suspensjon (en klart heterogen blanding hvor de løsningslignende partikler straks felles ut etter blanding med en løsemiddellignende fase).

Oppfinnelsen angår særlig deteksjon og måling av konsentrasjonen av et hydrokarbon (olje) emulgert i en vannstrøm, hvor oljen kan være til stede i vann i form av dråper med en viss størrelse og fordeling.

Imidlertid vil det innses at oppfinnelsen ikke er begrenset til måling av konsentrasjonen av olje i vann, men kan lempelig anvendes for å bestemme konsentrasjonen av ethvert første fluid som er finfordelt i et andre fluid, gitt at partikkelstørrelsesfordelingen for det første fluid i det andre fluid kan bli endret. Eksempler er væske i væske, gass i væske eller væske i gass.

For tiden blir kontinuerlig direktemåling av olje-i-vannkonsentrasjon stadig viktigere for å oppfylle fremtidige kvalitetsstandarder angående avløp.

Bekymring omkring virkningen av industrielle ak-tiviteter på miljøet, ofte belyst av offentlig engstelse og lovforlangender, har medført en revurdering av avfall og utslippene som rutinemessig finner sted.

Produsert vann har historisk sett blitt avhendet til miljøet etter behandling, enten ved frigivelse til overflate-vann eller ved reinjisering i egnede vannførende lag eller selve produksjonsformasjonene. Strenge kvalitetsnivåer påleg-ges av lovgivende myndigheter, og disse varierer fra maksimum oljekonsentrasjoner på 5 mg/l for utslipp til ferskvannssys-temer, til oljekonsentrasjoner på 40 mg/l for vannstrømmer som slippes til åpent hav. Någjeldende trender vil resultere i reduksjon av disse nivåer innen anskuelig fremtid. Nye grenser på 30 mg/l har blitt foreslått. Dette vil nødvendiggjøre direktemåling av utløpsstrømmene, og tettere/forbedret kon-troll over fasilitetene for vannbehandling, dersom de nye standardene skal imøtekommes.

Et antall av instrumenter er kjente for måling av olje som er til stede i vannstrømmer som skriver seg fra operasjoner ved oljeproduksjon.

I patentpublikasjon US 4102177 beskrives en fremgangsmåte for å bestemme konsentrasjonen av olje i vann, hvorved lysgjennomtrengnings-detektorsignaler blir oppnådd fra to emulgeringsgrader av olje/vann-blanding. Fra intensitetene av detektorsignalene og sammen med forutbestemte propor-sjonalitetskoeffisienter som representerer graden av emulger-ing, blir oljekonsentrasjonen bestemt.

I patentpublikasjon US 4809543 beskrives en fremgangsmåte for å bestemme konsentrasjonen av olje eller annen forurensning i vann, hvorved endringer i lysintensitet gjennom et prøvekammer blir målt. Intensitetsendringer forårsaket av endringer i konsentrasjonen av olje og annen forurensning sammenlignes med lysintensitet målt for en oljefri prøve.

Vannstrømmer fra operasjoner ved oljeproduksjon inneholder ikke bare fordelte hydrokarboner i form av små dråper, men også sand, avleiringer og korrosjonspartikler.

En viktig begrensning for kommersielt tilgjengelige instrumenter for direkte overvåkning av olje i produsert vann er den dårlige evne til å skille mellom oljedråper og suspen-derte partikler. Operasjonen av direktemonitorer influeres av disse partikler, hvilket gjør disse monitorer upålitelige. Den dårlige evne til å skille skriver seg fra det faktum at for mange av de anvendte måleteknikker gir partiklene og dråpene et ganske likt målesignal.

Det er klart at en måleteknikk hvor bare dråpene produserer et målesignal, mens partiklene ikke bidrar til målesignalet, vil overvinne det ovenfor nevnte problem.

Slik det allerede er indikert av det foregående er måling av kvaliteten av produsert vann viktig for å redusere miljøpåvirkningen fra utslippene fra operasjoner ved oljeproduksjon, og for bestemmelse av om vannkvaliteten imøtekommer de lovpålagte krav. For tiden innsamles prøver manuelt av produsert vann med jevne intervaller, transporteres til et laboratorium, og analyseres. En hyppig anvendt analyseteknikk er infrarød spektrofotometri. Direkteovervåkning vil mulig-gjøre ubemannet og kontinuerlig måling av kvaliteten av produsert vann. Kostnadsbesparelse kan oppnås som et resultat av plattformnedbemanning.

Det er et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en pålitelig fremgangsmåte og innretning for direktemåling av konsentrasjonen av et første fluid som er finfordelt i et andre fluid, basert på å variere partikkelstørrelsesfordelin-gen av det første fluid i det andre fluid for å gjøre det mulig å detektere nøyaktig og å måle (lave) konsentrasjoner av det første fluid til stede i det andre fluid, hvor fremgangsmåten og innretningen er følsomme for endringer i partikkel-størrelsesf ordel ingen for det første fluid og hvor finfordelte faste partikler eller andre partikler som ikke finnes i det første fluid, men som kan være til stede i det andre fluid, ikke influerer på målingen av konsentrasjonen for det første fluid.

Oppfinnelsen tilveiebringer derfor en fremgangsmåte for å bestemme konsentrasjonen av et første fluid som er finfordelt i et andre fluid, som omfatter trinnene: a) å fremstille en prøve av fluid som skal analyseres med en veldefinert partikkelstørrelsesfordeling av det første

fluid i det andre fluid,

b) å tilføre prøven til en detektor som er følsom for endringer i partikkelstørrelsesfordeling for det første fluid

i det andre fluid; og å måle minst et første detektorsignal for prøven som strømmer gjennom detektoren, hvor det første detektorsignal korresponderer med den første veldefinerte partikkelstørrelsesfordeling; c) å innføre minst én endring i partikkelstørrelsesfor-delingen for det første fluid i det andre fluid, d) å måle minst et andre detektorsignal for prøven som strømmer gjennom detektoren, hvor det andre detektorsignal korresponderer med den andre spesifikke partikkelstørrelses-fordeling av det første fluid i det andre fluid, og e) å avlede informasjon om konsentrasjonen av det første fluid som er finfordelt i det andre fluid, fra den således tilveiebragte detektorsignalendring, og fremgangsmåten er særpreget ved at den anvendte detektorteknikk er valgt blant ultralydspredning, spredning av synlig) lys, blokkering av (synlig) lys og turbiditetsmålinger, hvor kalkulasjonen av den første fluidkonsentrasjon er basert på forskjellen mellom to målte intensitetssignaler, og hvor den relative reduksjon av lysintensiteten R bestemmes ved å anvende

og iiav og ihey er intensitetssignalene som er målt ved hen-holdsvis relativt lave og relativt høye rotasjonshastigheter.

En innretning for å bestemme konsentrasjonen av et første fluid som er finfordelt i et andre fluid, særlig egnet for utøvelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, omfatter anordninger for å fremstille en prøve av fluid, som skal analyseres med en veldefinert partikkelstørrelsesfordeling av det første fluid i det andre fluid; anordninger for å tilføre prøven til en detektor som er følsom for endringer i partikkelstørrelsesfordelingen av det første fluid i det andre fluid; anordninger for å innføre minst én endring i partikkel-størrelsesf ordelingen av det første fluid i det andre fluid; anordninger for å måle minst to detektorsignaler av prøven som strømmer gjennom detektoren, hvor hvert detektorsignal korresponderer til de spesifikke partikkelstørrelses-fordelinger av det første fluid i det andre fluid; anordninger for å avlede informasjon om konsentrasjonen av det første fluid som er finfordelt i det andre fluid fra den således tilveiebragte detektorsignalendring.

I trinn c) av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen foretas med fordel mer enn én endring i partikkelstørrelses-fordelingen av det første fluid i det andre fluid for å øke følsomheten til målingen.

Et blokkskjema av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for å bestemme den første (dispergerte) fluidkonsentrasjon i et andre fluid ved anvendelse av kontrollerte endringer i partikkelstørrelsesfordelingen for det første fluid kan illustreres ved to samarbeidende blokker, hvor blokk 1 re-representerer et prøvebehandlingssystem og blokk 2 representerer et analysesystem som omfatter en detektor som er følsom for endringer i partikkelstørrelsesfordelingen. Slik det allerede er indikert av det foregående er oppfinnelsen basert på det faktum at egenskapene til et dispergerende medium endres når størrelsesfordelingen av partiklene som utgjør det dispergerte fluid endres.

Prinsippet ifølge oppfinnelsen er basert på en utvidelse av behandlingstrinnet for å fremstille en prøve av fluid som skal analyseres med en veldefinert partikkelstørrel-sesf ordeling av det første fluid i det andre fluid.

Prøvebehandlingstrinnene bør kun påvirke partik-kelstørrelsesf ordelingen til det første fluid og bør ikke påvirke størrelsesfordelingen av finfordelte faste stoffer eller noen andre partikler som ikke finnes i det første fluid, men som altså kan være dispergert i det andre fluid.

Således vil en signalendring som måles av deteksjons-systemet kun være forårsaket av endringen i egenskaper for det første (dispergerte) fluid. Som et resultat kan denne signalendring relateres direkte til konsentrasjonen av det første (dispergerte) fluid. Et slikt prøvebehandlingstrinn kan ut-føres ved en kontrollert endring i partikkelstørrelsesfor-delingen i det første fluid. Med fordel kan blandere med ulike blandeintensiteter anvendes til behandling av en fluidprøve som skal analyseres. Med hensiktsmessige kjente parametre, slik som blander-rotor-diameter og rotasjonshastigheter, kan partikkelstørrelsesfordelingen bestemmes, slik det er kjent for dem som er fagkyndige innen teknikkens område. Fluidprøven som skal analyseres og som skal tilføres til detektoren, kan, eller kan ikke, ha en kjent partikkelstørrelsesfordeling av det første fluidet i det andre fluidet. Det vil innses av dem som er fagkyndige at partikkelstørrelsesfordelingen allerede kan ha blitt bestemt i et tidligere prosesstrinn, eller er allerede kjent, avhengig av hensiktsmessige prosessbetingel-ser, for eksempel anvendelse av en hydrosyklon. Dersom partik-kelstørrelsesf ordelingen ikke er kjent, bør prøven først behandles for eksempel ved blanding for å oppnå en veldefinert partikkelstørrelsesfordeling av det første fluid i det andre fluid.

Den dispergerte fluidkonsentrasjon kan bestemmes ved å benytte de følgende trinn: 1. Å innføre minst én endring i størrelsesfordelingen for partiklene som utgjør det dispergerte fluid. 2. Å måle minst to detektorsignaler for analysesystemet. 3. Å kalkulere den dispergerte fluidkonsentrasjon fra den målte detektorsignalendring.

Ulike implementeringer av oppfinnelsen er mulige. For eksempel kan egnede partikkelstørrelsesfordelinger fremstilles ved hjelp av en mekanisk skjærblander, en ultralydblander eller en høytrykksdysehomogenisator. Videre kan analysesystemet gjøre bruk av for eksempel en optisk teknikk, en akus-tisk teknikk eller en dråpetellingsteknikk.

Som det vil innses av dem som er kyndige innen teknikken kan deteksjonsprinsippene for analysesystemet variere fra ultralydspredning, spredning av (synlig) lys, blokkering av (synlig) lys til turbiditetsmålinger.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert ved hjelp av eksempler med henvisning til den tilhørende fig. 1 som skjematisk viser en fordelaktig utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse.

Med henvisning til fig. 1 vises en olje-i-vann-monitor skjematisk som en fordelaktig utførelsesform av op-

pfinnelsen.

I tilfellet et olje-i-vannsystem er lysspredningen av oljedråper følsom for dråpediameteren. Derfor er lysspredning en egnet teknikk for å detektere endringen i dråpestørrel-sefordelingen.

Apparatet omfatter et prøvebehandlingssystem 1 og et analysesystem 2. Prøvebehandlingssystemet 1 omfatter en homogenisering- /blandeanordning 3 som kan styres på hvilket som helst hensiktsmessig vis som er egnet for å fremstille ulike dråpestørrelsesfordelinger av oljen i vannet. En kontrollert endring er mulig fordi oljedråper er relativt myke, mens de andre partikler er relativt harde. Analysesystemet 2 omfatter en lyskilde 4, en prøvecelle 5, en detektor 6 og egnet optikk 7. Pilen A representerer fluidstrømmen.

I en foretrukken utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er deteksjonsprinsippet lysspredning ved én enkel bølgelengde.

Prøven av produsert vann føres gjennom en egnet høyhastighetsblander (for eksempel rotordiameter 50 mm), som opereres vekselvis ved en relativt lav rotasjonshastighet (f.eks. 4500-5500 r/min) og en relativt høy rotasjonshastighet (f.eks. 6300-7300 r/min). Blanderhastigheten endres vanligvis hvert minutt. Deretter føres det behandlede vann gjennom prøvecellen 5. En stråle av nær-infrarødt lys med en bølge-lengde på 1,3 im rettes på ethvert egnet vis gjennom prøvecel-len 5. Lyset som overføres og spres i vinkler på opp til 10 °C samles på detektoren. Den nær-infrarøde stråle dannes ved å føre lyset fra enhver passende lyskilde, slik som en wolfram-filamentlampe, gjennom et smalbånd-interferensfilter.

Som det allerede er indikert av det foregående kan konsentrasjonen av det dispergerte fluid (olje) bestemmes ved å anvende de følgende trinn: 1. Drift av homogenisatoren/blånderen for å fremstille en første dråpestørrelsesfordeling, og deteksjon av et signal som korresponderer til lysspredningen av disse dråper. Det bør bemerkes at ved dette driftstrinn med homogenisering/blanding er det ikke nødvendig at den første dråpestørrelsesfordeling allerede er kjent. 2. Drift av homogenisatoren/blånderen for å fremstille en andre, forskjellig dråpestørrelsesfordeling, og deteksjon av et signal som korresponderer til lysspredningen av disse dråper. 3. Kalkulasjon av konsentrasjonen av det dispergerte fluid (olje) fra endringen i detektorsignalene fra (1) til (2) .

Partikler som ikke er olje som er til stede i det produserte vann influerer ikke på konsentrasjonsmålingen fordi disse partikler kun gir bakgrunnssignaler som ikke bidrar til de observerte signalforskjeller.

Det antas at konsentrasjonen av det dispergerte fluid (olje) i trinnene (1) og (2) er den samme. Den karakteristiske detektorsignalendring som korresponderer med de forskjellige dråpestørrelsesfordelinger som en funksjon av konsentrasjonen av dispergert fluid (olje), kan finnes fra en beregning ved anvendelse av spredningsteori (kjent som dette) og informasjon om dråpestørrelsesfordeling, eller ganske enkelt fra en kali-breringsmåling.

Målingene kan med fordel gjennomføres med olje-i-vannmonitoren basert på multippel-bølgelengde, beskrevet i den europeiske patentsøknad nr. 93306972, innlevert 3. september 1993 .

Anvendelsen av flere enn én (eksempelvis åtte) bølgelengde vil ha fordel av en forbedret nøyaktighet for oljekonsentrasjon, vil muliggjøre å korrigere for temperatur-effekter og vil muliggjøre en korreksjon for mulige endringer i blandekarakteristikkene.

Kalkulasjonen av konsentrasjonen av det dispergerte fluid (olje) fra endringen av detektorsignalene gjennomføres med fordel som følger: Fra signalene som er målt ved den relativt lave rotasjonshastighet iiav og relativt høye rotasjonshastigheter ihay, analyseres kun signalforskjellen. Spesifikt bestemmes den lille relative reduksjon av lysintensiteten R ved å anvende Deretter kalkuleres oljekonsentrasjonen c fra den målte endring i lysreduksjon ved

Faktoren å kan tilveiebringes eksperimentelt ved en kalibreringsprosedyre, hvor detektorsignalet, særlig den relative lysreduksjon R, har blitt målt med en velkjent kon-sentrasjon c av olje.

Faktoren å kan også tilveiebringes numerisk. Dette krever et velkarakterisert optisk oppsett og kjennskap til størrelsesfordelingen for dråpene for de to blandehastigheter. Med disse parametre er det mulig å kalkulere lysspredningsin-tensiteten målt av detektoren, og således faktoren å, fra lysspredningsteori.

Ved anvendelse av ligning 2 er det antatt at lys-spredningsintensiteten er proporsjonal med konsentrasjonen av det dispergerte fluid (olje). Denne antagelsen er berettiget så lenge den optiske vei gjennom prøvecellen ikke er for lang.

Nøyaktigheten til metoden med ulik blandehastighet kan forbedres videre ved å anvende store forskjeller i blandehastighet eller ved å anvende ulike optiske arrangementer.

Metoden med forskjellig blandehastighet er en fordelaktig teknikk for å bestemme oljekonsentrasjonen i nærvær av ukjente partikkeltyper. Metoden er attraktiv for å bestemme oljekonsentrasjonen i produsert vann, hvor partikkeltypene generelt er ukjente, og kan skifte som en funksjon av tid og sted.

Fra den foregående beskrivelse vil ulike modifikasjoner av den foreliggende oppfinnelse være nærliggende for dem som er kyndige innen teknikken. Slike modifikasjoner er ment å ligge innenfor omfanget til de etterfølgende krav.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for å bestemme konsentrasjonen av et første fluid som er finfordelt i et andre fluid, som omfatter trinnene: a) å fremstille en prøve av fluid som skal analyseres med en veldefinert partikkelstørrelsesfordeling av det første fluid i det andre fluid, b) å tilføre prøven til en detektor som er følsom for endringer i partikkelstørrelsesfordeling for det første fluid i det andre fluid; og å måle minst et første detektorsignal for prøven som strømmer gjennom detektoren, hvor det første detektorsignal korresponderer med den første veldefinerte partikkelstørrelsesfordeling; c) å innføre minst én endring i partikkelstørrelsesfor-delingen for det første fluid i det andre fluid, d) å måle minst et andre detektorsignal for prøven som strømmer gjennom detektoren, hvor det andre detektorsignal korresponderer med den andre spesifikke partikkelstørrelses-fordeling av det første fluid i det andre fluid, og e) å avlede informasjon om konsentrasjonen av det første fluid som er finfordelt i det andre fluid, fra den således tilveiebragte detektorsignalendring, karakterisert ved at den anvendte detektorteknikk er valgt blant ultralydspredning, spredning av (synlig) lys, blokkering av (synlig) lys og turbiditetsmålinger, hvor kalkulasjonen av den første fluidkonsentrasjon er basert på forskjellen mellom to målte intensitetssignaler, og hvor den relative reduksjon av lysintensiteten R bestemmes ved å anvende og iiav og ihoy er intensitetssignalene som er målt ved hen-holdsvis relativt lave og relativt høye rotasjonshastigheter.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at i trinn c) bevirkes to eller flere partikkelstørrelsesfordelinger.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at partikkelstørrelsesfor-delingen i trinnene a) og/eller c) bevirkes med en blander eller anordning for homogenisering, for eksempel en mekanisk skjærblander, en høytrykkspumpe i kombinasjon med en dyse, eller en ultralydanordning.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at det anvendes ulike blanderintensiteter eller rotasjonshastigheter.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av krav 1-4, karakterisert ved at det første fluid er olje og det andre fluid er vann.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at konsentrasjonen av dispergert fluid c kalkuleres fra den målte endring i lysreduksjon ved c = å-R, hvor å er tilveiebragt ved en kalibreringsprosedyre.