CN102562041A

CN102562041A - 探砂器校准

Info

Publication number: CN102562041A
Application number: CN2011103545919A
Authority: CN
Inventors: N·J·埃尔森
Original assignee: Vetco Gray Controls Ltd
Current assignee: Co., Ltd of oil and natural gas Britain of General Electric
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2012-07-11
Also published as: BRPI1104826A2; BRPI1104826B1; BRPI1104826A8; AU2011239284B2; SG180134A1; EP2444799A1; US20120096922A1; US8534114B2; AU2011239284A1; EP2444799B1

Abstract

本发明涉及探砂器校准。具体而言，本发明披露了一种操作部署于流系统中的流送管的声波探砂器的方法，该探测器具有声波传感器，并且用于依靠由声波传感器探测的声波信号而产生电输出信号，该声波信号至少部分地由流中的砂砾颗粒对物体的撞击所产生，所述方法包括以下步骤：a)估算颗粒撞击流送管的位置；以及b)根据估算的位置和探砂器位置之间的距离，对输出信号进行加权。

Description

探砂器校准

技术领域

本发明涉及操作和校准声波探砂器的方法，以及一种确定流送管(flowline)的预期寿命的方法。本发明特别适于利用烃类井例如海底的烃类生产井的生产流送管来实现。

背景技术

来自流体抽取井例如水下的烃类抽取井的生产流体，典型地具有固体颗粒，诸如其中夹带的砂砾。这些颗粒对生产流体流送管的壁的撞击由于腐蚀壁而为人所知，流送管将流体携带至表面。如果未检查到这种腐蚀，那么流送管可能失效，并且将生产流体泄漏至周围的区域。

腐蚀水平将依赖于各种因素，其中最重要的因素是夹带在流体中的砂砾的数量。因此，需要能够监测流体中的砂砾水平，以评估流送管的腐蚀。

为此，已经普遍地通过侦听颗粒对管道壁的撞击，使用声波探砂器来探测砂砾。然而，这种探测器的输出没有给出流中的砂砾水平的清晰的指示，因为不是所有砂砾都将在探测器的附近产生可探测的撞击。因此，需要提供这些探测器的有效的校准。然而，由于许多的因素，由制造商进行正确的校准是困难的，例如：

·不同的砂砾类型，例如具有不同的粒度或密度；

·不同的环境，例如导致不同的声波信号衰减的水平的管道差异、或内部流体差异、或背景噪声；

·例如由于流动性和砂砾类型，而不确切地知道砂砾碰撞壁的精确的位置。

另外，上面的变量可能不仅难以预测，而且还可能在生产区域的寿命期内发生相当大的变化，使得来自探测器的测量甚至更不精确。

发明内容

本发明的目的是克服这些问题。该目的通过使用局部流动特性改进声波探砂器的操作和校准来实现。

本发明使用能够更精确地确定流送管例如流体抽取井的生产流送管中的砂砾量和引起的装备的腐蚀的方法论。

根据本发明的第一方面，提供了一种操作声波探砂器的方法，该探砂器(或称“砂砾探测器”)部署于流系统(flow system)中的流送管，探砂器具有声波传感器，并且用于依靠由声波传感器所探测的声波信号而产生电输出信号，声波信号至少部分地由流中的砂砾颗粒对物体的撞击而产生，该方法包括以下步骤：

a)估算颗粒撞击流送管的位置；以及

b)根据估算位置和探测器位置之间的距离，对输出信号进行加权。

根据本发明的第二方面，提供了一种校准声波探砂器的方法，该方法包括根据第一方面所述的方法，并且还包括以下步骤：

c)测量在某一时间周期内在探测器下游位置收集的砂砾的量；

d)基于步骤c)中所收集的砂砾的量以及在与步骤c)的时间周期相应的时间周期内的加权的输出信号，计算沿着流送管携带了的收集的砂砾量；以及

e)通过在所述时间周期内对加权的输出信号进行积分，校准探测器。

根据本发明的第三方面，提供了一种确定流送管的预期寿命的方法，该方法包括以下步骤：

i)使用根据第二方面所述的方法，校准部署于流送管的声波探砂器；

ii)使用声波探砂器，测量在某一时间周期内穿过流送管的砂砾的量；

iii)确定在流送管的某一区域的腐蚀水平；

iv)将腐蚀水平与所测量的砂砾量关联起来，以确定它们之间的关系；以及

v)将该关系应用至声波探砂器的输出。

本发明提供了各种优势，包括：

-更精确地量化了穿过流送管的砂砾量。这反过来能够用于指示危害的成形和可能迫近的流送管塌陷，以及腐蚀的精确确定。

-可更新的或接近实时的校准调整。

使用上面的信息，井操作员更好地改变操作参数，以增加装备和/或烃类储罐的寿命。

附图说明

现在将参照附图描述本发明，其中：

图1示意性地显示了根据本发明适于校准的部署于流送管的声波探砂器；并且

图2示意性地显示了包括许多流送管的井系统，流送管装备了根据本发明适于校准的声波探砂器。

具体实施方式

图1示意性地显示了部署于流送管2的声波探砂器1，其中，如箭头所示，流体流动方向是从最左端至右下端。声波探砂器1包括拾取声波信号的声波传感器3和转换器4。由传感器3接收的声波信号被供给至转换器4，该转换器4将声波信号转换成电输出信号5。这种声波探砂器1在本领域中是已知的。

图1还显示了针对两个砂砾颗粒A和B的可能的流动路径，其结果是导致了流送管2中的复合流体流撞击流送管2的侧面。如图所示，流送管包括弯管，并且如图所示，撞击可能发生在该弯管的附近。假定颗粒A和B在与流送管2的侧面撞击的时候具有相似的组成、质量和速度，那么显而易见地，颗粒B的撞击将比颗粒A的撞击导致更大的将由传感器3拾取的声波信号，因为与颗粒A的撞击处相比，传感器3更靠近颗粒B的撞击位置。

图2示意性地显示了水下的例如海底的井流系统，该井流系统包括许多流送管2及部署于流送管的各自的声波探砂器1。如图2中所示，有三个分别装备了探砂器1₁、1₂和1₃的流送管2₁、2₂和2₃。各个流送管2经由其“树状物”和生产节流阀(production chock)(未显示)将生产流体从各自的井携带至公共的生产流送管6，该生产流送管6依次将生产流体携带至表面(未显示)。在公共的生产流送管6上，在所有流送管2的下游位置提供了分离器7，该分离器7有效地连续分离油、水和气体。固体(砂砾)也周期性地脱落并被收集起来。应当注意，图2只是示意性的，并且井、探砂器和砂砾分离器的各自的位置不是按比例的。

现在，将描述根据本发明的使得能够改进的该探测器或各个探测器的操作和校准的方法，如下：

1.颗粒撞击位置的预测

如上所述，由各个探砂器1所测量的声波信号将依赖于：

i)该撞击相对于传感器的接近度，使得如图1所示，位于位置B的撞击将倾向于产生比位于位置A的撞击更大的声波信号；

ii)撞击的砂砾的数量；

iii)撞击时的砂砾的速度；

iv)撞击的砂砾颗粒的尺寸；以及

v)撞击的砂砾颗粒的密度。

应该明白的是，在单个声波测量已知但是五个为未知的情况下下，该问题是“待确定的”，即，对于涉及所有六个变量的方程而言，具有多于一种可能的解法。

另外，这些变量中的一些变量是相互关联的，例如，撞击的位置将随着流速和颗粒性能(尺寸和密度)而变化，撞击的砂砾的数量也是如此。

同时，颗粒特性，包括尺寸和密度，例如能够通过诸如在分离器7收集样本来进行估计。在大多数情况下，假定这些颗粒特性保持基本恒定是相当安全的，但是它们还能基于在表面收集的砂砾而周期性地更新。

利用这些确定的参数，可以使流送管中的颗粒的平均撞击位置与流速相互关联。

该关联能够通过利用离线技术来实现，诸如计算流体动力学(CFD)(具体为更一般的CFD中的颗粒跟踪方法)，因此，对于给定的速度，预测颗粒撞击流送管壁的地方。

下一阶段是为流速确定数值。

一些更先进的探砂器使用多普勒方法来确定颗粒的速度，以增加精确度。现在，只有“高端”声波传感器具有这种能力。如果该数据是可以得到的，那么它能够“按原状”使用，如果不是，那么可以以各种方式估算速度，例如：

-使用所测量的通常为下孔相对树状物的压力差，来计算流体的体积密度。横跨已知的开口(典型地为节流阀，但也可以是例如文丘里管)的压力降将被测量，并且然后，这两点信息可以用于计算体积流率，并且从而计算速度。这是众所周知的技术，典型地称为“虚拟计量”。

-使用专用流量计的输出，该流量计可以是单相的或多相的。

-基于所确定的生产节流阀的位置或横跨节流阀的压力降，做出(相对较粗的)关于速度的假定。

利用任何这些方法，将假定颗粒速度将与流体速度相同，这被认为是合理的假定。

然后，可以将所确定的流速在线输入CFD关联中，以估算针对该速度的撞击位置。

这意味着除了ii)撞击的砂砾的数量之外，可以推论出上面列出的所有未知数i)-v)。然而，因为声波信号也是测量的，所以现在有足够的信息推导出砂砾数量。换句话说，现在可以求解与这些变量相关的方程。

然后，能够将这个结果考虑到探测器计算中，以提高其精确度。换句话说，由探测器1拾取的声波信号能够根据估算的撞击位置，根据在估算的位置和探砂器位置之间的距离而进行加权。所需要的加权度能够通过实验或通过建立模型来确定。

出于复杂性原因，可以选择这种预测技术。例如，虽然难以实时测量颗粒特性，但是流体的流动特性能够如此进行测量，所以能够相对较快地更新撞击位置的预测，并且因此能够相对较快地更新探砂器的加权。更简单的备选方案可以是假定流动特性是相对恒定的。在这种情况下，预测将较不经常性地进行更新。在这方面，注意到，在短期内，节流阀的位置可以仅仅出于压力均衡原因而改变+/-10％。在更长的期限内(例如多年)，变化在储罐耗尽时可能更为显著。流量上10％的变化将改变颗粒撞击的位置。

2.砂砾输送时间的估算

在这个步骤中，估算砂砾输送时间t_s，即，将砂砾从探测器的附近(即，可能使探测器探测到牵涉砂砾的撞击的位置)传至分离器7所花费的时间。因为典型的安装实践可能是将探砂器安装在树状物上或树状物附近(即，每个井各一个)，所以实际上t_s将向将砂砾从井传至分离器7所花费的时间接近。

典型地，对于各个流送管2而言，t_s将是不同的。

再者，存在各种不同复杂性的技术，其能够用于估算砂砾输送时间。例如，简单的技术可能是，假定与流体流一起以流体流速携带砂砾。

更精确的方法将是使用模型，诸如“OLGA”(油和气模拟器)模型，例如，在以下网页中描述的：

htttp://www.ife.no/main_subjects_new/petroleum_research/flowas？set_language＝en&cl＝en

应当注意，在一些情况下，例如在经过一段时间后流率和出砂量为基本恒定的情况下，可能不需要估算t_s，正如以下段落5中所展示的那样。

3.物理砂砾测量

在这个步骤中，从砂砾分离器7收集砂砾。然后对其进行测量，以针对该区域确定在某个时间周期(即，自从最后以这种方式收集砂砾以来的时间)内所收集的总的砂砾体积，注意如图2所示，分离器7位于该区域系统中的所有井的下游，并且不能把砂砾的源区分开。

4.从声波探砂器读数

在这个步骤中，采取从系统中的各个声波探测器1读数。这些读数根据上面的步骤1进行加权。对于后续的步骤，仅仅需要在与上面的步骤3相应的时间周期内已经采取的那些读数。

5.关联读数

在这个步骤中，使用步骤2中所估算的时间差以及自从最后从分离器7收集砂砾以来已经过去的时间，将来自步骤4的加权的读数与物理砂砾测量关联起来。这样，根据加权的信号输出和收集的砂砾数量，可以计算出沿着该流送管或各个流送管已经携带的收集的砂砾的数量。

为了更容易地理解这个过程，现在展示一个简单的示例：

假设区域如图2中所示，即，它包括三个井，使得来自各个井的流体由分开的各自的声波探测器1进行分析，并且来自各个井的流穿过分离器7。

作为一个示例，在特定的时间周期T之后从分离器7中收集的总的砂砾可能是6kg，并且假定由分离器7进行砂砾的分离是完美的。这里，T＝t_c2-t_c1，其中，t_c1和t_c2是从分离器中收集砂砾时的连续时间。

现在，当分离器7被清空时，它将包括已经由探砂器1传递了的一定体积的砂砾。此外，已经由探砂器1传递的额外的砂砾将定位在流送管2中，但是还没有到达分离器7。因此，优选的是，不将在时间周期T内的探砂器信号与在相同周期由分离器7收集的砂砾的数量直接关联起来，相反，要考虑步骤2中所确定的砂砾输送时间t_s，以选择所需要的使用的时间周期。另一方面，如果流率和出砂量经过一段时间后是基本恒定的，那么可能不需要对t_s进行修正。

具体而言，在时间周期T内收集的砂砾应当与在t_c1-t_s时开始并且在t_c2-t_s时结束的探测器读数关联起来。

在相关时间周期内测量来自各个探测器的平均加权读数，并且计算来自各个探测器的读数之间的简单关系，使得能够计算已经沿着流送管携带的在分离器7收集的砂砾的比例，例如：

来自井1的平均加权信号(即，在时间周期T中已经传递的总的估算的砂砾，如上所述考虑步骤2中所计算的砂砾输送时间t_s)＝a

来自井2的平均加权信号＝2a

来自井3的平均加权信号＝3a

其中“a”是以kg为单位的参数。

这里，使在分离器7收集的砂砾的数量与在相关的时间周期内由各个流送管携带的总的砂砾数量达成均衡，给定：

总的读数：a+2a+3a＝6kg，因此a＝1kg。

然后，需要使用在相关的时间周期内来自各个探测器1的相对的平均声波信号输出来计算沿着各个流送管携带的砂砾的相对数量。在本示例中，在时间周期T内已经由探测器1传递的井1的总的砂砾＝a＝1kg，

已经由探测器1传递的井2的总的砂砾＝2a＝2kg，并且

已经由探测器1传递的井3的总的砂砾＝3a＝3kg。

6.执行校准

在这个步骤中，为了校准探砂器1，将来自相关的声波探砂器1的读数与步骤5中所确定的砂砾数量关联起来。如上所述，这通过在t_c1-t_s时开始并且在t_c2-t_s时结束的时间周期内对探测器的输出信号相对于时间进行积分来实现。

7.使用新的校准

一旦如上所述校准已经生效，那么该探砂器或各个探砂器可用于直接测量各自的流送管中通过的砂砾。

8.长期应用

利用校准的各个探砂器，它们可以用于提供关于井系统的额外的信息。

例如，可以使用探测器，例如海底的“插入式探针”，利用其它的表面上的方法(例如超声波)或周期性的检查，来评估系统中发生的腐蚀。在这种情况下，由探砂器测量在一段时间周期内穿过流送管的砂砾的累积数量。另外，根据取自流送管壁厚监测器的读数确定在流送管的某一区域的腐蚀水平，监测器例如可以采用插入式探针的形式。所测量的砂砾数量可以与腐蚀水平关联起来，以确定它们之间的关系，例如每一定量的砂砾发生腐蚀的速率，例如“每kg的腐蚀”值。这基于当前的或预测的出砂量，反过来使得能够做出流送管装备的剩余预期寿命的预测。

例如，如B2009005NO中所述，使用CFD模型，可以选择更多地处于腐蚀风险的流送管的区域，该区域因此最适于确定它们的腐蚀水平。

9.冗余

注意到，诸如图2中所示的系统为探测器装备提供了冗余水平。例如，即使探砂器1₁失效，通过采用在分离器7收集的砂砾数量并减去在收集周期内由探砂器1₂和1₃测量的砂砾，可以确定由井1生产的砂砾数量。

如果多于一个探砂器失效，那么额外的信息丢失，然而使用之前在步骤5中建立的关系，仍然可以产生所生产的砂砾的估算值。

使用上述示例，假定探砂器1₁和1₂都失效。在这个示例中，在时间周期T内由分离器7收集的砂砾的数量是12kg。根据早前的测，知道井3占了生产的砂砾的大约一半，即，大约6kg。井2占了大约井1剩余部分的两倍那样多，即，井2生产大约4kg，同时，井1生产大约2kg。

当然，这种估算依赖于由各个井生产的砂砾的相对数量保持基本恒定。

上述实施例只是示例性的，并且，在本发明范围内的其它可能性和备选方案，对于本领域的技术人员而言，将是显而易见的。

Claims

1.一种操作部署于流系统中的流送管处的声波探砂器的方法，所述探测器具有声波传感器，并且用于依靠由所述声波传感器探测的声波信号而产生电输出信号，所述声波信号至少部分地由流中的砂砾颗粒对物体的撞击所产生，所述方法包括以下步骤：

a)估算颗粒撞击在所述流送管上的位置；以及

b)根据估算位置和所述探测器位置之间的距离，对所述输出信号进行加权。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)包括：针对流速确定数值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括：估算所述流速。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括：测量所述流速。

5.一种校准声波探砂器的方法，其包括根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，并且还包括以下步骤：

c)测量在某一时间周期内在所述探测器的下游位置收集的砂砾的量；

d)基于步骤c)中收集的砂砾的量以及在与步骤c)的时间周期相对应的时间周期内的加权的输出信号，计算沿着所述流送管所携带的收集的砂砾的量；以及

e)通过在所述时间周期内对所述加权的输出信号进行积分，来校准所述探测器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：估算砂砾从所述探砂器的附近行进至所述下游位置所花的时间，以及使用这个估算的时间来选择步骤d)中所使用的时间周期。

7.根据权利要求5和6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述流系统包括多个流送管，各个流送管具有部署于该流送管的声波探测器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤d)包括：使步骤c)中收集的砂砾的量与在所述时间周期内各流送管携带的砂砾的总量相等。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤d)还包括：使用在所述时间周期内来自各探砂器的相对平均声波信号输出，来计算沿着各个流送管所携带的砂砾的相对量。

10.一种确定流送管的预期寿命的方法，包括以下步骤：

i)使用权利要求5-9中任何一项所述的方法，来校准部署于所述流送管处的声波探砂器；

ii)使用所述声波探砂器，来测量在某一时间周期内经过所述流送管的砂砾的量；

iii)确定在所述流送管的某一区域的腐蚀水平；

iv)将所述腐蚀水平与所测量的砂砾的量关联起来，以确定它们之间的关系；以及

v)将所述关系应用至所述声波探砂器的输出。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤iii)包括：测量流送管壁的厚度。

12.根据权利要求10和11中的任一项所述的方法，其特征在于，使用计算流体动力模型，来选择所述腐蚀水平确定所针对的流送管的所述区域的位置。

13.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述流系统包括水下的烃类井。