CN105737916A - 超声流体测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声流体测量系统及方法，其中提供的一种超声流体测量系统包括：导管，设有通道；至少一对第一探头，安装于所述导管，且包括发射探头和接收探头，用来产生第一响应信号，所述发射探头和接收探头沿所述导管的弦方向排布；至少一个第二探头，安装于所述导管上，用来产生第二响应信号；及处理器，用来接收所述第一响应信号和所述第二响应信号，根据所述第一响应信号和其噪声的关系以及所述第二响应信号和其噪声的关系选择其中一个响应信号，且根据选择出的响应信号确定流过所述通道的流体的流量。本发明还提供一种超声流体测量方法。
Description
技术领域
本发明有关一种超声流体测量系统及方法，尤其涉及一种用来测量流体的流量的超声流体测量系统和方法。
背景技术
超声探头广泛地用来测量流过导管的流体的流量，例如，基于多普勒法或时差法获得流体的流量。典型地，多普勒探头安装于导管并发射出超声波至流体。流体中的反射颗粒(例如，杂质或污染物)反射或散射超声波产生回声信号。多普勒探头接收该回声信号，通过多普勒方法根据该回声信号计算出流量。多普勒方法更适用于流体含有较多反射颗粒的环境下，此时可以较准确地测出流体的流量。
时差法也可用来测流体的流量。一个时差超声探头发射超声波，超声波穿过流体被另一个时差超声探头接收。超声波从一个探头传递到另一探头的时间可用来计算超声波的速度，进而计算流体的流量。时差法适用于较干净的流体，流体中没有或含有少量的反射颗粒，超声波可以顺利地通过流体被超声探头接收，此时可以较准确地测出流体的流量。
然而，当流体的成分未知和/或不稳定的时候，多普勒法和时差法都很难可靠地测量出流体的流速。
因此，有必要提供一种解决方案来解决至少一个上面提及的问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种超声流体测量系统。该超声流体测量系统包括：导管，设有通道；至少一对第一探头，安装于所述导管，且包括发射探头和接收探头，用来产生第一响应信号，所述发射探头和接收探头沿所述导管的弦方向排布；至少一个第二探头，安装于所述导管上，用来产生第二响应信号；及处理器，用来接收所述第一响应信号和所述第二响应信号，根据所述第一响应信号和其噪声的关系以及所述第二响应信号和其噪声的关系选择其中一个响应信号，且根据选择出的响应信号确定流过所述通道的流体的流量。
本发明的另一个方面在于提供一种超声流体测量方法。该超声流体测量方法包括：通过第一探头对的发射探头沿导管的弦方向发射第一超声信号；通过所述第一探头对的接收探头接收所述第一超声信号并响应所述第一超声信号产生第一响应信号；通过第二探头发射第二超声信号；通过所述第二探头接收所述第二超声信号产生的回声信号并产生响应所述回声信号的第二响应信号；根据所述第一响应信号和其噪声的关系以及所述第二响应信号和其噪声的关系选择其中一个响应信号；及根据选择出的响应信号确定流过所述导管的流体的流量。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为本发明超声流体测量系统的一个实施例的示意图；
图2所示为本发明超声流体测量系统的另一个实施例的示意图；
图3所示为本发明超声流体测量系统的一段导管和第一探头对的一个实施例的立体图；
图4所示为安装有第二探头的导管的一个实施例的横截面图；
图5所示为一段导管、第一探头对和第二探头的一个实施例的立体图；
图6所示为一段导管、第一探头对和第二探头的另一个实施例的立体图；
图7所示为本发明超声流体测量系统的另一个实施例的示意图；
图8所示为本发明超声流体测量方法的一个实施例的示意图。
具体实施方式
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“前部”“后部”“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。另外，“连接”或者“相连”等类似的词语并非用来区分两个元件之间的直接或间接连接。当然，除非另行说明，此元件间可以直接或间接连接。
图1所示为一个实施例的超声流体测量系统10的示意图。超声流体测量系统10用来测量流体(例如液体、气体或多相流动的媒介)的流量。在一个实施例中，超声流体测量系统10可在高温和高压环境下测量流体的流量。例如，超声流体测量系统10可用于开采碳氢化合物的钻探井孔的钻井系统。在非限定示例中，井孔包括陆上井孔(OnshoreWell)和海上井孔(OffshoreWell)。在另一个实施例中，超声流体测量系统10可用于其他应用中，通过超声方法来测量流体的流速。
在图1所示的实施例中，超声流体测量系统10包括导管12、一对第一探头15、若干第二探头18和处理器20。导管12设有通道22。导管12具有筒形横截面。在图示实施例中，通道22收容内管24，例如用于接收钻井液26(或称作钻探泥浆)流至井孔内的钻井内管。通道22也可收容钻井时从井孔内流出的回流液体28。回流液体28从内管24和导管12之间的环形空间流回。
在图1所示的实施例中，内管24(或称作钻杆)由多个具有一定长度的管道首尾相连形成。钻头(未图示)安装在内管24的一端并且可旋转的在海床下进行开凿。内管24可将钻井液26输送至井孔，且内管24在钻井液26流过时转动来带动钻头转动。由于内管24的转动，回流液体28的流动不稳定。
钻井液26维持一定的静水压力(HydrostaticPressure)来平衡来自井孔的流体的压力并对钻头进行冷却，同时把在开凿井孔过程中产生的物料，如破碎的岩石等，带到水面。在一个实施例中，钻井液26可包括水或油，和添加剂。回流液体28包含的物质不确定。有时，回流液体28包含很多散射物，例如，破碎的岩石、气泡、颗粒或其他夹带的物质。有时，回流液体28较干净，例如回流液体28仅为海水或包含少量的散射物。超声流体测量系统10能够在回流液体28的成分变化时测量回流液体28的流量。
在另一个实施例中，超声流体测量系统10可测量其他成分变化且不确定的流体的流量。如图2所示，超声流体测量系统10用来测量流过导管12的流体30的流量，其中导管12内无内管，流体30内含有的物质变化且不确定。有时，流体30包含较多的散射物，例如气泡、颗粒或其他夹带物。有时，流体30内无散射物或含有少量的散射物。
参考图1和图2，第一探头对15安装于导管12且包括发射探头14和接收探头16，用来产生第一响应信号。图中仅示出一对第一探头15，但并不限于此，两对或更多对第一探头15可安装于导管12用来从不同的方向测量回流液体28或流体30的流速。发射探头14用来沿导管12的弦方向发射第一超声信号。接收探头16用来接收第一超声信号并产生响应第一超声信号的第一响应信号。发射探头14位于回流液体28或流体30的上游，接收探头16位于回流液体28或流体30的下游。
在一个实施例中，第一探头对15包括时差(Transit-Time)探头用来产生时差响应信号。发射探头14和接收探头16为时差探头，第一响应信号为时差响应信号。当回流液体28或流体30较干净时，发射探头14发射出的第一超声信号很容易穿过回流液体28或流体30到达接收探头16，如此时差响应信号较强，可用来利用时差法计算流量。
第二探头18安装于导管12用来产生第二响应信号。第二探头18发射第二超声信号至导管12内。回流液体28或流体30中的散射物反射或散射第二超声信号产生回声信号。第二探头18接收回声信号且产生响应回声信号的第二响应信号。在一个实施例中，第二探头18接收其自身发出的第二超声信号产生的回声信号。在另一个实施例中，第二探头18接收其自身和其他第二探头18发出的第二超声信号产生的回声信号。图1和图2中示出了四个第二探头18，但并不限于此。第二探头18的数目可以根据实际应用确定。
在一个实施例中，第二探头18包括一个或多个多普勒(Doppler)探头来产生多普勒响应信号。第二响应信号为多普勒响应信号。当回流液体28或流体30包括较多散射物时，第二超声信号被散射物反射或散射，此时多普勒响应信号较强，可以用来通过多普勒法计算产生流量。
处理器20用来接收第一响应信号和第二响应信号，根据第一响应信号和其噪声的关系以及第二响应信号和其噪声的关系选择其中一个响应信号，且根据选择出的响应信号确定流过通道22的流体28、30的流量。处理器20从接收探头16接收第一响应信号且从第二探头18接收第二响应信号。处理器20处理第一响应信号和第二响应信号来选择出其中一个响应信号。并且处理器20进一步处理选择出的响应信号来产生回流液体28或流体30的流量。
在一个实施例中，处理器20根据第一响应信号和第二响应信号的信噪比(SignalNoiseRatio,SNR)来选择一个响应信号。在一个实施例中，第二探头18为多普勒探头，第一探头14和16为时差探头。处理器20优先选择来自多普勒探头的多普勒响应信号，除非多普勒响应信号的信噪比不够高来产生可靠的流量。如果当多普勒响应信号的信噪比足够高来产生流量，处理器20利用多普勒方法根据多普勒响应信号来产生流量。如果多普勒响应信号的信噪比不够高，处理器20利用时差法根据时差响应信号产生流量。在另一个实施例中，处理器20优先选择时差响应信号，除非时差响应信号的信噪比不够高来产生可靠的流量。默认地，处理器20利用时差法根据时差响应信号计算获得流量。如果时差响应信号的信噪比不够高来获得可靠地超声信号从一个探头传递至另一个探头所用的时间，处理器20利用多普勒法根据多普勒响应信号计算获得流量。在不知道流体的成分的情况下，处理器20也可以自动在多普勒模式和时差模式下切换来产生可靠的流量。
在另一个实施例中，处理器20从第一响应信号和第二响应信号中选择信噪比比较高的响应信号进行计算处理产生流量。在再一个实施例中，处理器20可根据响应信号和噪声的幅值、能量谱和空间谱中的至少一个来选择响应信号和计算处理模式。在其他实施例中，处理器20可根据响应信号和噪声的其他关系来选择响应信号。
需要指出的是图1和图2中的系统结构只是为了图示说明，并不限于图示的结构。一些元件未在图中显示出，例如至少用来控制第一探头14和16及第二探头18的控制器。
图3所示为一个实施例的一段导管12和第一探头对15的立体图。一对第一探头15的发射探头14和接收探头16沿导管12的弦方向32排布来避免导管12内的内管24对超声信号的阻碍且使得超声信号的传播路径较长。发射探头14沿着弦方向32发射第一超声信号且接收探头16在弦方向32接收第一超声信号。若干第一超声探头对15环绕导管12排布，其排布在环绕导管12的弦方向32，来从不同的方向测量流体的流量。
图4所示为一个实施例的安装有第二探头18的导管12的横截面图。第二探头18沿导管12的直径方向34排布。每一个第二探头18沿直径方向34发射第二超声信号并接收流体中的散射物反射或散射第二超声信号产生的回声信号。在另一个实施例中，第二探头18沿导管12的弦方向排布。在图示实施例中，第二探头18环绕导管12排布，来从不同的方向测量流体的流量。第二探头18均匀地分布在导管12的一个平面上。在图示实施例中，每一个第二探头18接收其自身发出的第二超声信号产生的回声信号。
图5所示为一个实施例的一段导管12、第一探头对15和第二探头18的立体图。若干第二探头18排列成多个阵列，每一个阵列排布在环绕导管12的圆周上且与其他阵列在导管12的纵长方向上间隔排布。每一个阵列的第二探头18环绕导管12成环形36排布来从不同的位置测量流体的流量。在图示实施例中，第二探头18成两个环形36排布。在另一个实施例中，第二探头18在导管12上成三个或更多个环形36排布。在图示实施例中，第二探头18相对于导管12的横截面成角度安装在导管12上，从而使得超声信号的传播路径更长。第二探头18和第一探头对15沿导管12的纵长方向分布在导管12不同的段。图5中的第一探头对15类似于图3所示的第一探头对15。
图6所示为另一个实施例的一段导管12、第一探头对15和第二探头18的立体图。每一个第二探头18接收其自身和其他第二探头18发出的超声信号产生的回声信号。在图示实施例中，三个第二探头，例如图中的第二探头181-183，在导管12的三维方向40上排布且向同一聚焦区42发射超声信号。探头181-183沿着三维方向40发射超声信号，流体中的散射物反射或散射超声信号。探头181接收其自身和另外两个探头182和183发出的超声信号产生的回声信号。类似地，探头182接收其自身和另外两个探头181和183发出的超声信号产生的回声信号，且探头183接收其自身和另外两个探头181和182发出的超声信号产生的回声信号。
在图示实施例中，第二探头18包括若干类似探头181-183的探头组。在另一个实施例中，第二探头18包括若干具有两个或三个以上第二探头18组成的探头组来多维地测量流体的流量。图示实施例中的第一探头对15类似于图5所示的第一探头对15。
图7所示为另一个实施例的超声流体测量系统10的示意图。图7显示了导管12的纵向截面。导管12包括主体管壁50和贴附于主体管壁50的内衬52。第二探头18穿过主体管壁50，内衬52隔离第二探头18和导管12的通道22。第一探头14和16穿过主体管壁50进入通道22内。
导管12的主体管壁50一般是由对声音友好且具有良好隔热能力的材料制成，比如，金属材料，其包括但不限于金属和合金。主体管壁50为导管12提供了结构支撑。内衬52的材料透声且具有比主体管壁50更高的热阻抗。在一个实施例中，内衬52包括非金属材料。在一个实施例中，非金属材料包括有机聚合材料，例如塑料。这样，内衬52可以将第二探头18(在一个实施例中为多普勒探头)与流体隔开而不影响声学特征。第一探头14和16(在一个实施例中为时差探头)能够承受高压和高温。因此超声流体测量系统10特别适用于钻孔等需要在高温高压环境下进行流体流量测量的领域。
图8所示为一个实施例的用来测量流体的流量的超声流体测量方法60的流程图。在步骤61中，通过第一探头对的发射探头沿导管的弦方向发射第一超声信号。导管设有通道，可让流体流过。流体的流动不稳定且成分变化。
步骤63中，通过第一探头对的接收探头接收第一超声信号并响应第一超声信号产生第一响应信号。第一超声信号穿过流体被接收探头接收。在一个实施例中，第一探头对为时差探头对，包括发射探头和接收探头，第一响应信号为时差响应信号。发射探头和接收探头排布在导管的弦方向。一个或多个第一探头对可根据实际应用被使用。
步骤65中，通过第二探头发射第二超声信号。第二探头可以是多普勒探头，安装在导管上。一个或多个第二探头可以根据实际应用被使用。在一个实施例中，沿导管的直径方向发射第二超声信号。在另一个实施例中，沿导管的弦方向发射第二超声信号。在一个实施例中，若干第二探头沿三维方向发射超声信号。三个第二探头排布在三维方向上，向同一聚焦区发射超声信号。在另一个实施例中，两个或三个以上的第二探头排布在多维方向上来多维地测量流体的流量。在一个实施例中，通过排列成多个阵列的若干第二探头发射若干第二超声信号，每一个阵列排布在环绕导管的圆周上且与其他阵列在导管的纵长方向上间隔排布。
步骤67中，通过第二探头接收第二超声信号产生的回声信号并产生响应回声信号的第二响应信号。流体中的散射物反射或散射第二超声信号产生回声信号。回声信号被第二探头接收且第二探头产生响应回声信号的第二响应信号。在一个实施例中，第二探头接收的回声信号由该第二探头和其他第二探头发出的第二超声信号产生。在另一个实施例中，第二探头接收的回声信号由该第二探头自身发出的第二超声信号产生。
在一个实施例中，第二响应信号为多普勒信号。在一个实施例中，步骤61和63可以与步骤65和67同时进行。第一超声信号和第二超声信号可同时发出。
步骤68中，根据第一响应信号和其噪声的关系以及第二响应信号和其噪声的关系选择其中一个响应信号。第一响应信号和第二响应信号被处理器接收并处理，选择出一个响应信号进行流体的流量计算。步骤69中，根据选择出的响应信号确定流过导管的流体的流量。根据选择出的响应信号通过相应的计算方式计算产生流体的流量。如此，可以不知道流体的成分的情况下也能测得流体的流量。方法60可以用于钻井或其他应用中测量流体的流量。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (20)
1.一种超声流体测量系统，其特征在于，所述超声流体测量系统包括：
导管，设有通道；
至少一对第一探头，安装于所述导管，且包括发射探头和接收探头，用来产生第一响应信号，所述发射探头和所述接收探头沿所述导管的弦方向排布；
至少一个第二探头，安装于所述导管上，用来产生第二响应信号；及
处理器，用来接收所述第一响应信号和所述第二响应信号，根据所述第一响应信号和其噪声的关系以及所述第二响应信号和其噪声的关系选择其中一个响应信号，且根据选择出的响应信号确定流过所述通道的流体的流量。
2.如权利要求1所述的超声流体测量系统，其特征在于：所述第二探头沿所述导管的直径方向排布。
3.如权利要求1所述的超声流体测量系统，其特征在于：所述第二探头接收其自身和其他第二探头发出的超声信号产生的回声信号。
4.如权利要求1所述的超声流体测量系统，其特征在于：三个所述第二探头在所述导管的三维方向上排布且向同一聚焦区发射超声信号。
5.如权利要求1所述的超声流体测量系统，其特征在于：若干所述第二探头排列成多个阵列，每一个阵列排布在环绕所述导管的圆周上且与其他阵列在所述导管的纵长方向上间隔排布。
6.如权利要求1所述的超声流体测量系统，其特征在于：所述导管包括主体管壁和贴附于所述主体管壁的内衬，所述第二探头穿过所述主体管壁，所述内衬隔离所述第二探头和所述导管的所述通道。
7.如权利要求6所述的超声流体测量系统，其特征在于：所述内衬包括非金属材料。
8.如权利要求6所述的超声流体测量系统，其特征在于：所述第一探头穿过所述主体管壁进入所述通道内。
9.如权利要求1所述的超声流体测量系统，其特征在于：所述一对第一探头为一对时差探头，第一响应信号为时差响应信号。
10.如权利要求1所述的超声流体测量系统，其特征在于：所述第二探头为多普勒探头，第二响应信号为多普勒响应信号。
11.一种超声流体测量方法，其特征在于，所述超声流体测量方法包括：
通过第一探头对的发射探头沿导管的弦方向发射第一超声信号；
通过所述第一探头对的接收探头接收所述第一超声信号并响应所述第一超声信号产生第一响应信号；
通过第二探头发射第二超声信号；
通过所述第二探头接收所述第二超声信号产生的回声信号并产生响应所述回声信号的第二响应信号；
根据所述第一响应信号和其噪声的关系以及所述第二响应信号和其噪声的关系选择其中一个响应信号；及
根据选择出的响应信号确定流过所述导管的流体的流量。
12.如权利要求11所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述发射第二超声信号的步骤包括沿所述导管的直径方向发射所述第二超声信号。
13.如权利要求11所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述接收回声信号的步骤包括通过所述第二探头接收其自身和其他第二探头发出的超声信号产生的回声信号。
14.如权利要求11所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述发射第二超声信号的步骤包括沿三维方向发射若干所述超声信号。
15.如权利要求11所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述发射第二超声信号的步骤包括通过排列成多个阵列的若干所述第二探头发射若干所述第二超声信号，每一个阵列排布在环绕所述导管的圆周上且与其他阵列在所述导管的纵长方向上间隔排布。
16.如权利要求11所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述导管包括主体管壁和贴附于所述主体管壁的内衬，所述第二探头穿过所述主体管壁，所述内衬隔离所述第二探头和所述导管的通道。
17.如权利要求16所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述内衬包括非金属材料。
18.如权利要求16所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述第一探头对的所述发射探头和所述接收探头穿过所述主体管壁进入所述导管的所述通道内。
19.如权利要求11所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述产生第一响应信号的步骤包括通过时差法产生时差响应信号。
20.如权利要求1所述的超声流体测量方法，其特征在于：所述产生第二响应信号的步骤包括通过多普勒法产生多普勒响应信号。
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