CN106233097B - 声学隔离的超声波换能器外壳以及流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波换能器设备。在一个实施例中，该设备包含超声波流量计(38、92、132)，该超声波流量计具有耦合到流量计主体(94、134)的超声波换能器组件(50)。该超声波换能器组件可以包含换能器外壳(52、72、74)中的超声波换能器(112)，并且该换能器外壳可以位于该流量计主体内，使得在流体流过该流量计主体期间，该换能器外壳暴露于该流体中并且与该流体保持压力平衡。该换能器外壳可以位于将该超声波换能器以及其外壳与该流量计主体声学隔离的护套中。还揭示了额外的系统、装置和方法。

Description

声学隔离的超声波换能器外壳以及流量计

背景技术

此部分意图向读者介绍可能与当前所描述的实施例的各个方面相关的领域的各个方面。此论述被认为有助于向读者提供背景信息以促进对本实施例的各个方面的更好理解。因此，应理解，应鉴于此来阅读这些陈述，而不是作为对现有技术的认可。

为了满足消费者和工业对自然资源的需求，各公司往往投入大量的时间和金钱研究并从地球中获取石油、天然气以及其它地下资源。特别地，一旦发现例如石油或天然气等所需的地下资源，通常就采用钻井和采油系统来获取并提取资源。根据所需资源的位置，这些系统可以位于陆地上或者近海处。此外，此类系统一般包含安装在井上的井口组件，通过该井口组件获取或提取资源。这些井口组件可以包含各种组件，例如，有助于钻井或采油作业的不同套管、阀门、挂钩、泵、流体管道等。

流量计可以用于测量穿过井场处的管道的流体(例如，产液和注入流体)。在一些情况下，操作员使用超声波流量计进行此类测量。超声波流量计包含超声波换能器，用于传输和检测穿过流量计的流体中的超声波。流动流体与穿过流体传输的超声波相互作用。这使得接收到的超声波能够用于推断流体的特征，例如速度和体积流率。

发明内容

下文阐述本文所揭示的一些实施例的某些方面。应理解，这些方面的呈现仅仅是为读者提供本发明可能采取的某些形式的简要总结，并且这些方面并非意图限制本发明的范围。实际上，本发明可以涵盖下文可能并未阐述的各个方面。

本发明的实施例大体上涉及超声波流量计和换能器组件。如上文所提及，超声波流量计使用换能器来从穿过流体传输的超声波中测量流体的特征。但是尽管这些换能器接收穿过流体传输的超声波，但是该换能器还可以接收可能会不利地影响测量准确性的超声波噪声。此噪声的一个实例包含穿过流量计本身的主体，而不是穿过流体传输到换能器的超声波。然而，在本发明技术的某些实施例中，超声波换能器与流量计主体声学隔离以减少穿过主体传输到换能器的声学噪声。在一个实施例中，超声波换能器提供于外壳中，该外壳本身位于护套内部。在安装之后，护套将外壳保持在流量计主体内的适当位置，同时将外壳与流量计主体声学隔离。护套还可以使外壳能够与流量计主体内测量到的流体的压力保持压力平衡。

对上文提到的特征的各种改进可以与本发明的实施例的各种方面相关存在。其它特征同样也可以并入到这些各种方面中。这些改进和另外的特征可以单独地或以任何组合存在。举例来说，下文论述的关于所说明的实施例中的一个或多个的各种特征可以独自或以任何组合并入到本发明的上述方面的任何一个中。同样，以上呈现的简要总结仅意图使读者熟悉一些实施例的特定方面和背景，而并非限制所要求保护的主题。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，某些实施例的这些和其它特征、方面、和优点将得到更好的理解，其中在整个附图中相同的标号表示相同的部件，其中：

图1大体示出根据本发明的一个实施例的可以安装在井处的各种组件，包含用于促进采油的气举注入系统；

图2是根据一个实施例的超声波换能器组件的透视图，该超声波换能器组件可以用于测量穿过管道，例如，穿过图1的气举注入系统的流量计主体的流体流；

图3是根据一个实施例的图2的超声波换能器组件的分解图；

图4示出根据一个实施例的通过衬套耦合到流量计主体的图2和3的一对超声波换能器组件；

图5是安装在图4的流量计主体中的超声波换能器组件中的一个的细节图；

图6示出根据另一实施例的耦合到流量计主体的图2和3的一对超声波换能器组件；以及

图7是安装在图6的流量计主体中的超声波换能器组件中的一个的细节图。

具体实施方式

下文描述本发明的具体实施例。在努力提供这些实施例的简明描述的过程中，实际实施方案的所有特征可能并不都在说明书中进行描述。应了解，在任何此类实际实施方案的发展中，如在任何工程或设计项目中，必须制定许多实施方案特定的决策以实现研发者的具体目标，例如遵守系统相关的和企业相关的约束条件，不同的实施方案可能具有不同的具体目标。此外，应了解，此研发工作可能既复杂又费时间，但对于本领域技术人员而言只不过是将从本发明中获益的例行的设计、制造和生产任务。

当介绍各个实施例的元件时，冠词“一(a、an)”、“该(the)”和“所述(said)”意指存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”预期为包含性的且意指可能存在除了所列元件之外的另外元件。此外，为方便起见，“顶部”、“底部”、“在…上方”、“在…下方”、其它方向性术语以及这些术语的变化的任何使用然而并不要求组件的任何特定定向。

现在转到本图式，图1中说明根据一个实施例的系统10。值得注意的是，系统10是有助于通过井14从储槽12中提取资源(例如，石油)的生产系统。井口设备16安装在井14上。如图所示，井口设备16包含至少一个管道头部18和套管头部20，以及井口挂钩22。然而，井口设备16的组件在不同应用之间可以不同，并且可以包含各种套管头部、管道头部、线轴、挂钩、密封组件、填料箱、抽油三通以及压力计(仅举几例可能性)。

井口挂钩22可以位于中空的井口主体内(例如，位于管道和套管头部内)。挂钩22中的每一个可以连接到管状柱，例如，管柱26或套管柱28以悬吊井14内的管柱。可以理解的是，井通常用套管作内衬，该套管一般用于使井稳定化且将井孔内的流体与被井穿透的某些岩层相隔离(例如，以防止污染淡水水库)。管柱有助于流体穿过井的流动。

在一些情况下，通过井获取的资源能够独自流向地面。气井通常如此，因为所获取的气体具有低于空气的密度。如果石油的压力足以克服重力，那么油井也属于这种情况。但是，石油通常不具有流向地面的足够压力并且必须通过称为人工升举的多种方法中的一种方法被提升到地面。人工升举还可以用于将其它资源穿过井提升到地面，或用于从气井中清除水或其它液体。在一种形式的人工升举中，将压缩气体注入到油井中。该被注入的升举气体在石油(或其它产液)中溶解并且还形成气泡，从而降低流体密度并且引起石油沿井孔向上流动到地面。可以随后从石油中收集并且再循环该被注入的升举气体。

如图1中所示，通过气举注入系统32提供人工升举，但是应注意，可以使用用于提供人工升举的其它布置。注入系统32包含气体源34，该气体源可以通过井口设备16被注入到井14中。气体可以是经压缩天然气，例如，可以从井14本身或从某一其它井中产生该经压缩天然气。源34可以包含本地或远程压缩设施、贮液瓶或任何其它合适的源。升举气体可以被连续地或间歇地从源34注入到井14中。

阀门36(例如，可调整扼流器或其它控制阀)调节气体从源34到井14中的流动，而流量计38测量流入井中的气体的量。可以使用任何合适的流量计，但在至少一些实施例中，流量计38为具有至少一个超声波气体换能器40的超声波流量计，该超声波流量计使得能够使用超声波来测量穿过流量计38的气体流速。

气举阀42可以沿着管柱26被间隔开。这些气举阀42打开以允许沿着井向下注入的升举气体流入到管柱26中，在该管柱中，升举气体在待采集的流体(例如，石油)中溶解并且还形成气泡。并且如上所述，这促使流体沿着管柱26向上流动到地面。

气举注入系统32还可以包含控制器44。控制器44可以用于管理阀门36的操作(例如，调节流)并且通过来自换能器40的数据来确定穿过流量计38的被注入流体的流速。控制器44可以包含用于提供此功能性的任何合适的硬件或软件。例如，在一个实施例中，控制器44包含处理器，用于执行软件指令(例如，存储在合适的存储器装置中的指令)以控制阀门36的操作并且使用来自换能器40的数据来计算穿过流量计38的流速。控制器44还可以包含不同输入和输出装置以接收数据或便于与操作员的交互。可以以任何合适的方式来确定穿过流量计38的流速。在一些实施例中，一对或多对换能器40被用于测量超声波在流过流量计38的流体中的渡越时间。在流体流方向上(从上游换能器40到下游换能器40)传播的超声波与逆着流体流(从下游换能器40到上游换能器40)传播的超声波相比具有较短渡越时间。这些下游和上游渡越时间差可以用于确定流过流量计38的流体的速度和体积流率。

在图2中示出可以在测量穿过流量计38的速度和流速期间使用的超声波换能器组件50的一个实例。在此实施例中，超声波换能器组件50包含换能器外壳52(也称为内部外壳)，该换能器外壳被收纳在套筒或护套54(也称为外部外壳)内。在至少一些情况下，护套54全部或部分由在换能器外壳52内的超声波换能器(例如，图5的换能器112)的工作频率下呈现高声波衰减的材料构成，使得护套54将外壳52(以及包围的换能器)与组件50和流量计38的其它元件声学隔离。这样会减少换能器外壳52到流量计38主体的声学短路，从而减少采样噪声并且增加由换能器收集的数据的信噪比。在至少一些实施例中，换能器外壳52包含金属主体(例如，由钛、

合金、铍铜合金或另一合金制成)，并且护套54包含非金属主体，例如塑料主体(例如，由聚醚醚酮(PEEK)、ULTEM^TM或

制成)。此外，护套54的塑料主体还可以用玻璃或其它材料填充或通过玻璃或其它材料增强以促进换能器外壳52与护套54外部的其它组件的声学隔离。

所示出的护套54耦合到载体56。当换能器组件50被安装作为流量计的一部分时，护套54将换能器外壳52和其内部组件与载体56以及流量计主体声学隔离。更具体来说，在至少一些实施例(例如，图4至图7中所描述的那些实施例)中，护套54使换能器外壳52能够位于流量计主体内的特定位置处的空间中，使得外壳52在操作期间(例如，气体从气体源34注入到井14中)与穿过流量计的流体的压力保持压力平衡。护套54包含孔口或端口60，该孔口或端口使流体能够在护套54内部绕换能器外壳52流动。此外，护套54被插入换能器外壳52与载体56之间的声学路径中并且衰减沿着此路径到达或来自换能器外壳的任何声波。在外壳52和载体56均是金属的情况下，被插入的护套54还防止载体56与外壳52的金属-金属接触。

载体56包含密封组件62以在超声波换能器组件50被安装在流量计主体中时抑制泄漏。组件50还包含实现与控制器44或其它组件的通信的连接器66和电线68。连接器66可以包含玻璃-金属馈通密封件，该密封件使电线68能够进入到载体56中并且进入到换能器外壳52，同时防止流体流过连接器66。

图3的分解图中示出超声波换能器组件50的额外特征。例如，换能器外壳52包含：中空管72，用于接纳超声波换能器；以及帽盖74，用于闭合中空管的末端。帽盖74包含密封凹槽76，用于接纳密封件(例如，O型环)。当帽盖74的末端被插入到中空管72中时，密封件与导管72的内壁接合并且将中空管72的内部腔室(其中安置超声波换能器)与外壳52外部环境中的压力隔离。例如，在一个实施例中，当在外壳52被暴露于其外部的流量计操作压力(例如，高达10,000psi)中时，该外壳可以保持其内部的大气压。还可以提供弹簧78以抵抗组件(例如，超声波换能器和间隔元件)在外壳52内的运动。

换能器外壳52可以被插入到护套54中，该护套随后可以通过任何合适的方式耦合到载体56。在目前示出的实施例中，护套54和载体56包含匹配的螺纹部分82和84，该匹配的螺纹部分使这些组件能够被螺纹旋拧到彼此。弹簧86对换能器外壳52提供正偏置力并且阻止换能器外壳52在护套54内的运动。

借助于另外的实例，图4中示出流量计92，该流量计具有耦合到流量计主体94的一对超声波换能器组件50。在此实施例中，超声波换能器组件50沿着流量计主体94的流轴彼此串联地安装在管道96中，但是组件50可以离轴安装以相对于流轴对角地测量。当人工升举气体或其它流体经由入口和出口98通过管道96时，组件50中的超声波换能器可以用于确定流速和流率。对在管道96中流动的流体加压并且端口60使经加压流体能够进入到护套54中且包围组件50的换能器外壳52，使得外壳52与流体保持压力平衡。如上所述，可以密封外壳52以抑制经加压流体流入外壳52中并且在使用期间保持外壳52的内部与外部之间的压差。组件50的护套54将外壳52声学隔离并且抑制超声波穿过流量计主体94在两个组件50之间传输。

如这里在图4中所示，超声波换能器组件50被安装在衬套104中，该衬套耦合到流量计主体94。更具体来说以及如图5中更详细示出的，每个组件50中的载体56被保留在衬套104内，其中螺母106经由螺纹接口108耦合到衬套104。也就是说，如此处所示，螺母106具有与衬套104的内部螺纹匹配的外部螺纹。螺母106将载体56的边缘保持在螺母106与衬套104的内部肩部之间并且限制组件50在流量计主体94内的运动。此外如图4和图5中所示，衬套104可以经由螺纹接口110耦合到流量计主体94。衬套104可以由任何合适的材料制成，但在至少一个实施例中，衬套104由非金属材料(例如，塑料)构成并且用于将载体56与流量计主体94声学隔离且减少这两个组件之间的声学短路。

图5中还示出根据一个实施例的被安置在超声波外壳52内的超声波换能器112。在至少一些实施例中，超声波换能器112能够传输和接收超声波。如应当了解的，超声波换能器112可以包含有源元件，用于将电能转换成超声波能量(用于发射超声波)且反之亦然(用于测量接收到的超声波)。可以使用任何合适的有源元件，例如，压电陶瓷、聚合物或复合元件。此外，超声波换能器112可以任何所需频率来操作。在至少一些实施例中，超声波换能器112在80kHz至400kHz的范围内(包含性的)的频率下操作，但是其它操作频率可以用于额外的实施例中。

电信号可以经由电引线116传输到有源元件以及从有源元件传输。例如，引线116可以将电激励信号传送到换能器112以引起超声波的传输；引线116还可以传送表示由换能器112接收到的超声波的电信号。在所示出的实施例中，玻璃馈通连接器118密封外壳52的末端以防止压力传输，同时允许引线116连接到电线68，由此促进换能器112与控制器44或其它外部组件之间的电通信。

换能器112的有源元件可以通过各种布置安置在换能器外壳52中。如图5中通常所示，换能器112可以包含用于接纳内部组件(例如，有源元件)的导管124。每个导管124的末端可以用板或窗口126以及帽盖或插塞128密闭。在至少一些实施例中，窗口126焊接到导管124。

当超声波换能器组件50可以通过衬套104被耦合到流量计主体94时，该超声波换能器组件还可以通过不同方式耦合到流量计主体。例如，在图6和图7中所示的一个实施例中，流量计132包含直接耦合到流量计主体134(而不需要中间衬套)的超声波组件50。流量计主体134包含具有入口和出口138的管道136。类似于在流量计92中，超声波换能器组件50可以沿着流量计主体134的流轴彼此串联地位于管道136中。螺母142(在至少一些实施例中，该螺母与螺母106相同)可以在螺纹接口144处被螺纹旋拧到流量计主体134中以保持超声波换能器组件50。护套54减少换能器外壳52与流量计主体134(穿过载体56)之间的声学短路并且衰减否则会传输到超声波换能器112的超声波噪声。实验已示出，本文中描述的声学隔离与常规方法相比可以改进多至28dB的信噪比，从而提供增加的测量准确性和可靠性。

另外，尽管上文相对于井中注入的人工升举气体的超声波计量描述某些具体实施例，但是应注意，上述技术也可以用于其它上下文中。例如，超声波换能器组件50在一些实施例中可以用于测量其它气体流。此外，超声波换能器可以例如通过上文描述的方式进行声学隔离，并且根据本发明技术用于液体的超声波计量。并且尽管声学隔离的换能器组件50可以用于油田情形(例如，上文所描述的那些)中，但是此类组件还可以用于其它应用。

尽管本发明的各方面可以有各种修改和替代形式，但是已经在附图中借助于实例示出了具体实施例并且已经在本文中进行了详细描述。但应理解，本发明并不意图限于所揭示的特定形式。相反，本发明将涵盖落入由以下所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的所有的修改、等效物和替代方案。

Claims (10)

1.一种超声波换能器设备，包括：

超声波流量计(92、132)，其包含：

流量计主体(94、134)，所述流量计主体包括管道(96，136)；以及

超声波换能器组件(50)，其耦合到所述流量计主体，其中，所述超声波换能器组件包含在换能器外壳(52)内的超声波换能器(112)，所述换能器外壳包括中空管(72)和帽盖(74)，所述中空管用于接纳所述超声波换能器，所述帽盖用于闭合所述中空管的末端，并且其中，所述换能器外壳位于所述流量计主体(94、134)的所述管道(96，136)内，使得在流体流过所述流量计主体期间，所述换能器外壳暴露于所述流体中并且与所述流体保持压力平衡，

护套(54)，所述护套绕着所述换能器外壳(52)安置，其中，所述换能器外壳(52)位于所述护套(54)内部，所述护套(54)将所述换能器外壳(52)保持在所述流量计主体(94、134)内，所述护套(54)将所述换能器外壳与所述流量计主体(94、134)声学隔离，所述护套包括孔口(60)，所述孔口使流体能够在所述护套的内部绕所述换能器外壳流动，所述护套被插入到达所述换能器外壳的声学路径中。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述护套包括塑料主体。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述换能器外壳包括金属主体。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述超声波换能器组件包含经螺纹旋拧到所述护套的载体(56)。

5.根据权利要求4所述的设备，包括安置于所述换能器外壳与所述载体之间的弹簧(86)。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述超声波换能器具有在80kHz至400kHz的范围内的工作频率。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述换能器外壳被密封以抑制所述流体流入到所述换能器外壳中。

8.根据权利要求1所述的设备，包括耦合到所述流量计主体的额外的超声波换能器组件(50)。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述超声波换能器组件和所述额外的超声波换能器组件沿着所述流量计主体的轴彼此对准。

10.根据权利要求1所述的设备，包括气举注入系统(32)，所述气举注入系统包含阀门(36)，该阀门(36)用于调节穿过所述流量计并且进入井口(16)中的气流。

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