CN1054201C - 在管道中运送仪器的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种仪器运送装置，包括一装运仪器(6和7)拗长体(5)，和在管道(2)中使该细长体(5)保持在中心位置的对中系统。该对中系统包括两个位于细长体(5)端部或邻近处的支杆(15和18)和两个位于细长体(5)的中间或其邻近处的支杆(16和17)，每个支杆(15、16、17、18)上均装有可改变支杆(15、16、17或18)相对于细长体(5)之中心轴(9)之伸出量的装置。

Description

在管道中运送仪器的装置及其使用方法

本发明涉及一用于在管道中运送仪器(如流量计)的装置以及该装置的使用方法。已知的运送仪器的装置包括一用于装运仪器的细长体和用于该细长体在管道中定位的被动式对中系统，从而使该细长体的中心轴相对于管道纵轴的位置保持在预定范围内。

举例来说，此种仪器运送装置在名称为“全口径流量计”的第5089号SPE论文中作了描述，论文的作者是B.C.Leach，J.B.Jameson，J.J.Somlen和Y.Nicolas，该论文由美国采矿、冶金和石油注册工程师学会于1974年发表。在已知的装置中，其被动式对中系统包括6个对中防护滑块和6个对中杆，对中杆的一端通过可轴向移动的铰链与细长体相连，另一端则与对中防护滑块机械连接。通过对中杆在弹簧力的作用下将对中防护滑块压靠在管道的内表面上。在对中防护滑块外表面与管道内表面之间反作用力的作用下使细长体的中心轴相对于管道纵轴保持在一预定范围内的位置处。这种反作用力不仅取决于细长体中心纵轴的相对位置，也取决于一些诸如弹性刚度的变化及可轴向移动的铰链之摩擦力的变化这些不确定量。由于在已知装置中其每端均有三个对中滑块，因此在滑块与管道内表面间总的摩擦力较高并且不同的滑块其弹性刚度不同，从而使对细长体中心轴在管道中进行准确定位是不可能的。

本发明的目的是克服已知装置的这些缺陷。

为实现本发明的上述目的，本发明所述的装置包括：

一用于装运仪器的细长体；

一使该细长体在管道中基本上定位于中心的对中系统；该系统包括4个连于细长体上的支杆，每一支杆上均装有用以改变支杆相对于细长体中心轴的伸出量的装置；其特征在于：

第一支杆和第四支杆位于细长体的端部或其邻近处，而第二和第三支杆则位于细长体的中部或其邻近处。

根据本发明的装置的一合适的实施例中，第一和第四支杆设置在一与细长体中心轴共处的平面内，当以该中心轴方向看时，第二和第三支杆则设置在上述平面的两侧，并使第二和第三支杆间的夹角为120°左右，而该平面与第二或第三支杆间的夹角则为60°左右。

本说明书中的词语“120°左右”是指相关的夹角在100°到140°之间，最好在110°到130°之间；词语“60°左右”是指相关的夹角为40°～80°之间，最好为50°～70°之间。

对中系统一般包括一位置控制系统，当细长体中心轴相对于管道纵轴的位置超出一预定范围时，该位置控制系统可使对中系统调节细长体的定位位置，该控制系统还包括一控制器，设置在每个支杆附近的测距装置，用于测量管道内表面与细长体间的距离，还包括将代表所测得距离的信号传送到控制器的装置，和将控制器的输出信号传送到调节装置的装置。每一测距装置测量预定方向的距离，例如在垂直于细长体中心轴的方向。

一般地每一测距装置包括一装备有转动增量编码器的探测器。

在正常操作下，该装置可被拉动穿过管道。一种方法是用一缆绳或一具有低抗扭刚度的管道带来拉该装置。如果需要将仪器保持在一预定的相对于管道内圆的切线方向，那么可将该仪器设置在至少一个圆管部分上，所述的圆管部分通过轴承装置在细长体上，使该圆管部分可相对于细长体转动同时保持在与细长体中心轴共轴的位置；此外还带有方位控制系统，包括一用于使所述的圆管部分相对于细长体旋转的马达，以使圆管部分保持在一固定的相对于管道内圆面的切线方向。

作为一种变换，该种装置亦可由高抗扭刚度的带拉过管道，或用一其端部被导引的绳来拉动。在此种情况下，其所装运的仪器、支杆和测距装置设置在一圆管部分上，而该圆管部分则通过一轴承支撑于细长体上从而使该圆管部分可相对于细长体旋转同时保持在与中心轴共轴的位置，并且还装有一方位控制系统，它包括一用于使所述的圆管部分相对于细长体转动的马达，以使圆管部分保持在一固定的相对于管道内圆面的切线方向。

除了可用拉的方式使该装置穿过管道外，还可使用推的方式使本发明所述的装置穿过管道。

细长体上装运的仪器一般包括两个位于同一平面内的流量计，但这两个流量计在细长体上轴向相距一定的距离。使用两个轴向隔开的流量计可用于确定液流流过管壁进入一容腔中的流量，该容腔的直径为管道的直径，长度为两个流量计间的距离。

本发明还涉及该装置用于检测管道中泄漏的使用方法。

该方法包括：

(a)给本发明所述的装置装由两个轴向隔开的流量计组成的仪器；

(b)在管道中纵向移动该装置；

(c)测量几乎同时流过每一流量计的液流的流量；及

(d)如果该两流量间存在差值，则通过计算该差值来检测液流的泄漏。

为能测量多相流体，特别是石油，燃气和水流，在管道中该仪器可包括一多相流量计，例如欧洲专利申请No.510774中所述的多容量多相流量计。

下面结合附图通过实施的形式将详述本发明，附图中：

图1示出了管道中本发明所述的装置的纵向剖视图；而

图2则为沿图1之II-II线方向剖开并沿箭头所示方向的本发明装置的主剖视图。

现参照图1和图2。这些附图示出了位于空心圆管形的管道2中的仪器运送装置1。

该装置1包括装有两个流量计6和7之类仪器的细长体5。所述流量计6和7为欧洲专利申请No.510774中所公开的多相多容量流量计类型，上述专利申请在此用作参考。

该装置1还包括一能将细长体5基本上定位于管道2之中心的对中系统，所述系统包括一位置控制系统(图中未示出)，当细长体5之中心轴9相对于管道2之纵轴的位置偏出一预定范围时，上述位置控制系统可使该对中系统调节细长体5的位置。在图1和2中细长体5的中心轴9与管道的纵轴重合。可以理解的是该管道的纵轴为管道中心对称轴，而当该细长体大体上为圆柱形时，则细长体的中心轴为包络该细长体外表面的圆柱形筒之中心对称轴。

所述的对中系统包括四个连于细长体5上的支杆15，16，17和18。每一支杆15，16，17和18上装备有由位置控制系统控制的调节装置(未示出)，用于调整每一支杆15，16，17或18之末端相对于细长体5之中心轴9的径向伸出量。该调节装置可为一伺服控制马达，其可调节支杆与细长体5之中心轴9间的夹角；或者也可采用一能调节支杆长度的装置。第一支杆15和第四支杆18位于细长体5之端部附近，并设置在与细长体5之中心轴9共面的平面内。该平面与附图1所在平面重合。第二支杆16和第三支杆17则位于细长体5之中间附近，这两个支杆之每一支杆16或17与第一支杆15之间的夹角为120°。

支杆15，16，17和18将细长体5大体上定位于管道2的中心因此该细长体的中心轴9大体上与管道2的纵轴重合。上述结论可通过如下分析加以理解。一物体共有6个自由度，3个转动自由度和3个移动自由度。然而在该装置的情况中，沿中心轴9方向的移动和绕该轴的转动是不相关的。因此细长体5仅有4个自由度：两个绕互相垂直的轴19和20的转动和两个沿轴19和20方向的移动，上述轴19和20垂直于轴9。4个支杆15，16，17和18与管道2之内曲表面间的配合足以约束这两个转动和两个移动自由度。

所述的位置控制系统包括一控制器(未示出)；一采用探测器21，22，23和24之形式的测距装置，上述探测器上带有设置在细长体5上临近每个支杆15，16，17和18处的转动增量编码器(未示出)，用于测量管道2内表面与细长体5之中心轴9间距离；还包括将表示所测得的距离之信号传送到该控制器的装置(未示出)；以及用于将控制器的输出信号传送到支杆15，16，17和18之调节装置中的装置。

细长体5上还装有一连接器25用于将该细长体固定到一缆绳(未示出)上，该缆绳则用于将细长体从管道2中拉过。所述的缆绳也可带有导线，电流通过该导线输送以用于给主动式对中系统、位置控制系统和流量计6与7提供能量，还可带有用于将流量计6和7中的信号传送到一信号处理装置(未示出)的导线，该信号处理装置可安装于管道2的外面。该连接器25上带有用于连接拉绳中的导线到细长体5中相应的导线(未示出)的装置。

在正常操作中，该细长体5以一预定速度在管道2中被拉动。两个流量计6和7则确定了一容腔，其直径等于管道2的内径，长度为上述两个流量计间的距离。下游的流量计6测量管道2中流体流出容腔的流量，而上游的流量计7则测量流入该容腔中的液流之流量。上述两个流量计测得的流量之差表示管道2中有流体从管壁上泄漏，上述差值等于从管道2之管壁泄漏的流量，上述流量计测量的流体分别流入与流出该容腔。图1中所指示的泄漏的流量漏过的开口用标号30表示。词语“上游”和“下游”分别是指流量计相对于流体在管道2中的流动方向的位置；图1中流体在管道中是从右向左流。

应该理解的是，在确定流量的绝对值时，应该考虑到细长体5在管道2中被推或拉动的速度。

探测器21，22，23和24上装有转动增量编码器，以产生表示细长体5之外表面到管道2内表面间距离的信号。这些距离值用于确定细长体5之中心轴9相对于管道2之纵轴的位置。如果中心轴9相对于管道2之纵轴的位置偏出一预定的范围，位置控制系统就会使主动对中系统的支杆15，16，17和18调整细长体5的位置从而使其中心轴9相对于管道2之纵轴的位置回到该预定范围内。为此，位置控制系统确定这四个支杆15，16，17和/或18中的哪些必须调整并调整到何种范围，然后驱动相关的支杆。

上面所描述的专利申请中，所述装置是用于测量流过圆管2例如井管之类管道之流体的流量。所述的管道也可是横穿地下构造层中的开口井眼。本发明所述的装置适于用在横穿含有碳氢化合物的地下构造层之开口井眼中，因为该装置可用来就地测定流入井眼中流体的流量。该种装置尤其适于用在水平井眼中。

本发明所述的装置还可用于在输油管中装运仪器，此时可用由流体驱动的柱塞或滑块装置来推动或拉动该装置通过输油管。

在图1所示装置中，第二支杆16和第三支杆17位于细长体5之中部附近并分别距离第一支杆15不同长度处。为能使用较短的细长体，其第二和第三支杆可设置在离第一支杆相同距离的位置处。探测器22和23亦可同样设置。

为使支杆15～18能在管道2之内表面上便于顺滑地移动，可在该支杆15～18的自由端上装设滚轮或滑板(未示出)。

如图1所示，其流量计6和7装置在圆管部分31和32上，而该两个圆管部分31和32则绕细长体5之中心轴9同轴地设置并能相对于细长体5绕中心轴9转动，以使流量计6和7保持在相对于一参考基准平面之选定的角度位置或其邻近处，该参考基准平面用作基准。上述基准可以是一垂直面，管道2的纵轴位于该垂直面内，也可是一与该垂直面成一预定夹角的某平面。为确保流量计6和7保持在离基准预定的角度范围内，将该流量计6和7分别设置在可旋转的圆管部分31和32上，而该圆管部分31和32则与细长体5之中心轴9共轴地设置。可旋转的圆管部分31和32用轴承可转动地连接于细长体5上，从而使其可相对于细长体5旋转并与中心轴9保持同轴。该细长体5还包括一方位控制系统(未示出)，它由一回转陀螺(未示出)和一使圆管部分31，32相对于细长体旋转的驱动马达(未示出)组成，当回转陀螺检测到流量计6和7的方位偏离基准位置时，则上述马达起作用。

在根据本发明所述的装置的一变化的实施例中(未示出)，该装置通过一具有高的抗扭刚度的管道带(未示出)拉过管道，或其通过一其端部被引导的拉绳拉过管道。在前种情况下，可确定拉绳端部相对于圆管2之内表面的切向方位，因而也就确定了通过连接器连接于拉绳端部之细长体的角度位置。换言之此时细长体不能绕管道2之纵轴旋转。在后种情况下将仪器、支杆以及测距装置设置在细长的圆管部分(未示出)上是有利的，该圆管部分与细长体之中心轴同轴地设置，并通过轴承旋转地连接于其上，其中该装置还包括一方位控制系统，该方位控制系统包括一驱动圆管部分相对于细长体及管道2之内圆面旋转的马达，当仪器的方位偏离基准位置时，该马达发生作用。

作为一种变化型式，细长体也可通过轴承连接到管道带的端部，并且采用一伺服控制马达来相对于管道带的端部转动该细长体及所装运的仪器和支杆，上述这种转动只在下述情况下发生：即当陀螺传感器检测到仪器的方位偏离了细长体之中心轴9所处的垂直基准平面时才发生转动。

还将理解，在本发明的另一变化的实施例(未示出)中，其四个支杆可由采用可弯曲的弹性叶片形式的夹板组成，该叶片的端部连接于螺栓上，而这些螺栓则安装在一轴杆的外端，螺杆可旋转地装置在细长体上，从而使轴杆可绕细长体的中心轴旋转。

每一轴杆亦可由马达驱动，从而当轴杆向一个方向旋转时，叶片伸长，而当轴杆向另一个方向旋转时，叶片弯曲从而使其中部移离细长体的中心轴。在前一情况下可监测轴杆相对于细长体的转动从而测量叶片中部相对于中心轴的延长；而在后一情况下因叶片的中部碰到管道的内壁，因此可测量细长体在管道中的位置。

如果第二和第三支杆由可弯曲的叶片构成，并且两者都装在细长体的中部，则该支杆的两端与一对安装于一个轴杆上的螺帽连接上。

除了可使用可弯曲的弹性叶片来构成夹板外，每一夹板也可由两个刚性部件构成，该刚性部件的一端用球铰链连接在一起，而另一端则通过轴铰链与一固定在轴杆上的螺帽连接，该轴杆以与采用可弯曲的弹性叶片的实施例中所述的相同的方法来驱动。

除了可用一个马达来驱动每一轴杆外，也可用一扭转弹簧来驱动一个或多个轴杆，当装置到达管道中进行的测量位置处时，该扭转弹簧被卸载。

还将进一步理解到当需要通过一管道装运几个仪器时，可使用几个运送仪器的装置，每个装置上装一个或多个仪器。这时相邻的仪器运送装置之细长体可用万向节连接。这样可形成一串仪器运送装置。在细长体的每端或其邻近处装置的支杆以及在每一装置之细长体中间部分或其邻近处的一对支杆可确保整串仪器运送装置的每一部分在管道中处于对中位置，即使该管道是弯的和/或不规则的或不圆滑的内表面。

虽然本发明描述和/或给出了几个实施例，但应明白本发明不能仅局限于此，因为对于本领域内的普通技术人员来说显而易见可作出许多改型。

Claims (10)

1.一种仪器运送装置，它包括：

一用于运载仪器的细长体；

一使该细长体基本上处于一管道之中心的对中系统，所述的对中系统包括4个连于该细长体上的支杆，每一支杆上均装有用于改变该支杆相对于细长体中心轴之伸出量的装置；

其中第一支杆和第四支杆位于该细长体的端部或其附近，而第二和第三支杆则位于该细长体之中部或其附近。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的第一和第四支杆设置在一平面内，并且所述细长体的中心轴亦处于该平面上。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：当从所述的细长体之中心轴的方向观看时，所述的第二和第三支杆设置在上述平面的两侧，并且所述的第二和第三支杆间的夹角为120°左右，而所述的平面和第二或第三支杆中的任一个之间的夹角约为60°。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的对中系统包括一位置控制系统，当该细长体之中心轴相对于管道纵轴之位置偏出某一预定范围时，所述的位置控制系统可使该对中系统调整所述细长体的位置，上述控制系统包括一控制器；一装设于细长体上邻近于一个或多个支杆处的测距装置，用于测量管道内表面与细长体之间的距离；将表示所测得的距离的信号传送到所述控制器的位置；和将控制器的输出信号传送到调整装置的装置。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的每一测距装置包括一带有转动增量编码器的探测器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的仪器安装在至少一个圆管部分上，该圆管部分通过轴承安装在细长体上，从而使所述的圆管部分能相对于细长体转动同时与细长体之中心轴保持在一与之相对共轴的位置；还装设有一方位控制系统，它包括一用于驱动所述的圆管部分相对于细长体旋转的马达。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于所述的仪器，支杆及测距装置均装设在一圆管部分上，而该圆管部分则通过一轴承安装在细长体上，使所述的圆管部分可相对于所述的细长体旋转，同时保持在相对于细长体之中心轴同轴的位置；还装设有一方位控制系统，它包括一用于驱动所述圆管部分相对于细长体旋转的马达。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的仪器包括一用于测量流过管道之流体的流量的流量计。

9.使用如权利要求8所述的装置的方法，用于检测某管道中是否产生了泄漏，该方法包括：

(a)给所述的装置装两个轴向隔开之流量计；

(b)将该装置纵向通过某管道；

(c)测量流过所述流量计之流体的流量；以及

(d)如果上述测得的两个流量间存在差值，则通过计算该差值的大小来检测管道壁上流体泄漏的出现或存在。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述的流量计为多相多容量流量计。