CN109196183B - 用于测量油井结构内的管道的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量井结构内的管道的装置，包括管状主体，该管状主体在第一端和第二端之间延伸，并具有限定穿过该管状主体的通道的内表面和由非磁性合金金属形成的外表面。该装置还包括一对凸缘，每个凸缘连接到管状主体的第一端或第二端中的一个，该对凸缘具有与管状主体的通道相对应的、穿过该对凸缘的通道，并且该对凸缘中的每一个凸缘都能够与井结构串联连接。该装置还包括至少一个能够围绕管状主体的外侧定位的传感器堆叠，该传感器堆叠包括适于测量磁场强度的传感器和至少一个能够围绕管状主体的外侧定位的磁性堆叠，该磁性堆叠包括至少一个磁体。

Description

用于测量油井结构内的管道的装置和方法

技术领域

本发明总体涉及井眼，并特别涉及一种用于测量井结构内的管道的方法和设备。

背景技术

在油气生产中，井可以由位于井眼内的外套管形成，并且可以可选地由水泥包围。然后，井可以在其中包括工具或生产管柱，用于从井中作业或生产。由于井内的来自从油气生产地层提取的油气的潜在的高压，使用各种类型的截止阀、滑阀芯和其他配件，以隔离和控制对井的接近，诸如作为非限制性示例的是防喷器(BOP)组，正如众所周知的那样，或者是不压井起下作业设备(snubbing units)。

井结构可包括截止阀，用于根据使用者的需要封闭或以其他方式完全或部分地密封井的顶部。特别是，这种阀门的一种常见设计是管道闸板(ram)，其利用一对相对的闸板，这对闸板可沿垂直于井眼的平面移动。闸板可以通过活塞等沿着板移动，并且可操作以移出井的中心通道或者被压在一起，以密封井。闸板可以是全封闭型或剪切型，以完全密封井，或者是管道半封闭闸板类型，其中两个闸板每个包括半圆孔，该半圆孔的尺寸设计成：当两个闸板被压在一起时，使管道穿过闸板。这种管道闸板通常用在不压井起下作业设备中，以密封钻具或生产管柱周围并将管闸板下方的井与环境隔离开来，同时允许钻具或生产管柱保留在井内或者被取出井或插入井中。

常见油气井存在的一个难点是难以确定工具或生产管柱上的连接的位置。这种管柱通常由多个端部连接的管子形成，这些管子通过螺纹连接器彼此连接起来。传统上，这种螺纹连接器位于每个端部并且提供管子的扩大部分，这些扩大部分被加强，以便提供由工具等抓握住的管道的更大且更坚固的管段。这种工具接头具有比管道的其余部分更大的横截面。不利的是，如果在这种工具接头的位置处试图关闭管道闸板，或者当在至少一个闸板被设置用以抑制压力时取出或插入管道时，工具接头的这种扩大的直径可能会干扰管道闸板的正确操作。这种情况通常被称为强行起下作业(stripping)，其可能产生将工具接头拉入或推入关闭的管道闸板中从而损坏管道和/或管道闸板的风险。

发明内容

根据本发明的第一实施例，公开了一种用于测量井结构内的管道的装置。该装置包括管状主体，该管状主体在第一端和第二端之间延伸，并具有限定穿过其中的通道的内表面和由非磁性合金金属形成的外表面。该装置还包括一对凸缘，每个凸缘连接到管状主体的第一端或第二端中的一端，该对凸缘具有穿过其中的、与管状主体的通道相对应的通道，该对凸缘中的每一个凸缘均能够与井结构串联连接。该装置还包括至少一个可围绕管状主体的外侧定位的传感器堆叠，该传感器堆叠包括适合于测量磁场强度的传感器，和至少一个可围绕管状主体的外侧定位的磁性堆叠，该磁性堆叠包括至少一个磁体。

管状主体可包括至少一个壳体，每个壳体围绕该至少一个传感器堆叠之一或该至少一个磁性堆叠之一延伸。

每个壳体可包括套筒。套筒可以由黑色金属(ferrous metal)合金形成。至少一个传感器堆叠和至少一个磁性堆叠中的每一个可以从管状主体径向延伸。

传感器堆叠可包括输出信号的传感器，该信号表示位于中心孔内的金属物体的直径。传感器可包括霍尔效应传感器。传感器可以位于管状主体的外表面附近。传感器堆叠可包括位于盲孔的与传感器相反的一端的磁体。

磁体堆叠可包括至少一个磁体。磁体可包括多个磁体。磁体可包括稀土磁体。磁体可包括电磁体。

传感器堆叠和磁性堆叠可以围绕管状主体布置。传感器堆叠和磁性堆叠可以围绕管状主体以规则间隔布置。传感器堆叠和磁性堆叠可以沿垂直于管状主体的轴线的共同平面布置。传感器堆叠和磁性堆叠可以沿多个平面布置。

根据本发明的另一实施例，公开了一种用于测量井结构内的管道的系统，包括在第一端和第二端之间延伸的管状主体，并具有限定穿过其中的通道的内表面和外表面，该主体由非磁性合金金属形成。该系统还包括一对凸缘，每个凸缘连接到管状主体的第一端或第二端中的一个，且每个凸缘具有穿过其中的通道，该通道对应于管状主体的通道，该对凸缘中的每一个凸缘均能够与井结构串联连接。该系统还包括至少一个传感器堆叠，其可围绕管状主体的外侧定位，包括适合于测量磁场强度的传感器；至少一个磁性堆叠，其可围绕管状主体的外侧定位，包括至少一个磁体；和显示器，其适合于接收来自所述至少一个传感器堆叠的输出，并向用户提供指示管状主体内的物体直径的显示。

通过结合附图阅读本发明具体实施例的以下描述，本发明的其他方面和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。

附图说明

在示出本发明实施例的附图中，其中相似的附图标记在每个视图中均表示相应的部分，

图1是带有装置的井眼的顶端的剖视图，该井眼具有外壳管和位于其中的生产管柱，该装置用于检测管道接头的位置。

图2是根据本发明第一实施例的用于检测管道接头的位置的装置的透视图。

图3是图2中沿线29和34构成的纵剖面截取的剖视图。

图4是图3中沿公共平面42截取的剖视图。

图5是显示输出的图示，示出了当工具接头穿过图3的装置时由该装置的传感器产生的电压。

图6是根据本发明另一实施例的用于检测管道接头位置的装置的透视图。

图7是根据本发明另一实施例的用于检测管道接头位置的装置的侧视图。

图8是图1的装置的剖视图，其中在装置中有管道。

图9是图3的装置的其中一个磁性堆叠的详细剖视图。

具体实施方式

参照图1，位于土壤地层6的井眼8内的井组件总体上用10表示。井组件包括具有顶部凸缘14的井套管12，该顶部凸缘14可固定到管道闸板16或任何其他所期望的井口装置。应当理解，本装置可以位于井内的任何位置，诸如作为非限制性示例的是取油管(riser)、不压井起下作业设备组、防喷器或任何其他的井装置。还应当理解，尽管为了清楚起见而在图1中仅示出了单个管道闸板，但是应当理解，许多装置将包括一个以上的井口部件。如图1中所示，井组件包括根据本发明第一实施例的用于检测管道接头的装置，总体上用20表示，以及位于其上方的一个或多个顶管、井部件或其他设备18。生产或工具管柱15位于套管内并且包括沿着管柱的多个工具接头17。

装置20检测工具接头17的存在并向计算机88和/或显示器89输出信号，以便向用户指示位于装置20内的工具接头17，以便允许用户使生产或工具管柱15在套管12内向前推进预定距离，以避免使管道闸板16或其他井口装置中的一个接合在工具接头上。

参考图2，装置20包括管状构件或管状主体22，管状构件或管状主体22分别在顶端24和底端和26之间延伸，并分别在内表面25 和外表面27之间延伸。管状构件22包括从其延伸的多个磁性和传感器堆叠70和80，如下面将更全面描述的那样。可选地，传感器和磁性堆叠70和80中的每一个堆叠可以被容纳在壳体内，诸如作为非限制性示例的是从管状构件22的外表面延伸的套筒40。如图所示，管状构件22的内表面25和外表面和27基本上绕中心轴线29是圆柱形的，并且内表面25限定了延伸穿过其中的中心通道28，该中心通道28的尺寸和形状被设计成对应于套管12的内部。如图2和4中所示，顶部凸缘30和底部凸缘和32的顶部表面和底部表面沿垂直于轴线29的平面基本上是平面的，并且可以可选地包括密封槽36，该密封槽环形地围绕所述凸缘延伸，用于接纳如本领域中公知的密封件。

装置20包括顶部凸缘30和底部凸缘和32，它们分别邻近并连接到管状构件的顶端24和底端26中的每一个，以便与管状构件形成连续形体。如图所示，顶部凸缘30和底部凸缘32以及管状构件22中的每一个包括沿着共同的中心轴线29延伸穿过其中的中心通道28。顶部凸缘30和底部凸缘和32的尺寸设计成具有比管状构件22更大的外径，以便悬伸出管状构件，并且包括穿过该凸缘的多个孔34，用于固定到井口内的相邻结构，诸如作为非限制性示例的是管道闸板等。可选地，该装置可以形成为毂夹具，其中顶部凸缘和底部凸缘30和 32可以包括夹紧主体，该夹紧主体适合于夹紧相邻的管道，如图6中所示，如众所周知的那样。在作业时，顶部凸缘30和底部凸缘和32 可以通过使用众所周知的螺栓等来固定到这种附加结构上。可选地，该装置可以形成为毂夹具，其中顶部凸缘30和底部凸缘和32可以包括夹紧主体，该夹紧主体适合于夹紧相邻的管道，如图6中所示，如众所周知的那样。

如上所述，管状主体22可以可选地包括多个壳体，其适于容纳和保护从管状主体的外表面27径向延伸的传感器堆叠以及磁性堆叠 70和80。如图2-4中所示，壳体可以包括从管状主体22径向延伸的套筒。应当理解，磁性堆叠和传感器堆叠70和80也可以从管状主体 22的外表面27延伸，而没有这样的壳体或套筒在周围。如图3中所示，每个套筒40可以位于沿着管状主体22的一个位置，以便形成垂直于该装置的中心轴线29的公共平面42。如图7中所示，磁性堆叠和传感器堆叠70和80也可以沿多于一个平面42a、42b和42c布置，以便形成多个传感器位置，使用户能够跟踪管道通过装置20的进展。

套筒40包括分别在第一端46和第二端和48之间延伸的管状构件，并且分别具有内表面50和外表面和52。套筒40可以由基本上铁磁性材料形成——诸如钢——以便传导磁通量，如将在下面更全面描述的那样。选择套筒40，以具有足以在其中容纳磁性堆叠70或传感器堆叠80的足够的内表面直径，如下面更全面描述的那样。作为非限制性示例，已经发现内表面的直径在0.5与6英寸(13与152mm) 之间是有用的。套筒40还可以具有足以在其中接纳传感器堆叠和磁体堆叠的长度，诸如作为非限制性示例的是在0.5与6英寸(13与 152mm)之间。另外，应当理解，在使用其他壳体类型的情况下，这种壳体可以由任何合适的尺寸形成，以容纳和保护磁性堆叠和传感器堆叠免受冲击等。

现在转向图3和图4，套筒40沿着公共平面42围绕管状主体22 布置。公共平面42垂直于中心轴线29并且可以沿着管状体定位在任何高度处，诸如作为非限制性示例的是沿着管状体定位在中点处，如图3中所示。如图4中所示，套筒40可以以规则的间隔围绕管状主体22布置。如本文中所示，套筒40固定到管状主体22的外表面27 上，以便与其形成盲孔44。套筒40在其中容纳有至少一个磁性堆叠 70和至少一个传感器堆叠80，其中磁性堆叠70在中心通道28的内部形成磁场，并且传感器堆叠80测量响应于物体从中穿过的该磁场的变化。特别是，磁性堆叠70和传感器堆叠80可以围绕管状主体22 交替，因此可以理解的是，将需要偶数个套筒。还应当理解的是，磁性堆叠和传感器堆叠的其他布置也可以是有用的。

磁性堆叠70包括多个磁体，其尺寸设置成位于套筒40内。对磁体60进行选择，使之具有强磁场。特别是，已经发现稀土磁体，诸如作为非限制性示例的是钕、钐钴或电磁体。可选地是，磁体60也可以镀镍或以其他方式涂覆，以提供耐腐蚀性。

传感器堆叠80包括传感器82，传感器82适于响应于其附近的磁场提供输出信号。作为非限制性示例，传感器82可以包括磁传感器，诸如霍尔效应传感器，但是应当理解，可以使用其他传感器类型。特别是，已经发现霍尔效应传感器，诸如由

制造的SS496A1 型传感器已经是特别有用的，但是应当理解，其他传感器也将是合适的。传感器82插入套筒40中，以靠近其第一端46，并通过任何合适的方式保持在套筒内，诸如作为非限制性示例的是粘合剂、螺纹、紧固件等。传感器82包括从其延伸的输出线86，如图1中所示。输出线86接线或以其他方式连接到计算机88，计算机88可选地输出到显示器89，因此可操作用以提供表示位于中心通道28(诸如钻柱) 内的金属物体的宽度的输出信号。

传感器堆叠80还可以可选地包括位于套筒40的第二端48处的磁体84。磁体84被选择为具有强磁场。特别是，已经发现稀土磁体，诸如作为非限制性示例的是钕、钐钴或电磁体。可选地是，磁体60也可以镀镍或以其他方式涂覆，以提供耐腐蚀性。磁体84位于套筒40的第二端48处，并通过任何合适的方式保持在适当位置，诸如作为非限制性示例的是粘合剂、螺纹、紧固件等。

正如用户所期望的那样，装置20可以在顶表面和底表面之间具有任何深度。类似地是，顶部凸缘30和底部凸缘和32可以具有选定的厚度，以便为该装置提供足够的强度，从而保持井的结构完整性。另外，该装置将被选择成具有：内表面25的内径，以对应于套管12的内部通道，该装置将要用于该套管；和外表面27的直径，以便提供足够的强度，以按照针对井眼内期望的压力和温度的众所周知的手段来保持井内的预期压力。管状主体22可以由非磁性材料形成，诸如作为非限制性示例的是镍铬基合金，如由Special Metals公司制造的

还应当理解，其他材料也可以是有用的，诸如作为非限制性示例的是双相不锈钢和超级双相不锈钢，只要它们不干扰如下所述的传感器操作即可。顶部凸缘30和底部凸缘和32由铁合金形成，诸如作为非限制性示例的是4130和4140钢，但是其他金属——诸如作为非限制性示例的是超级双相不锈钢和不锈钢——在这里也可以是有用的。可选地是，顶部凸缘和底部凸缘也可以由与管状主体22类似的非磁性材料形成。凸缘30和32以及管状主体22可以通过任何已知方法彼此连接，诸如作为非限制性示例的是焊接等，以形成整体。

参考图5，输出100可以显示由一个或多个传感器输出的电压信号随时间的变化。在第一时间段期间，电压信号将处于第一电平，总的在102处表示，而管道的主要部分被拉过装置20。当工具接头17 被拉过装置20时，传感器82的电压输出由于中心通道28内的金属物体的直径增加而将增加，总的在104处表示。在工具接头17通过该装置后，电压将返回到较低的电平106。以此方式，显示器100将向操作者指示何时工具接头17位于套筒内。此后，操作员将能够将生产管柱或工具管柱15向前推进已知距离，以确保管道闸板16或其他设备避开工具接头17。系统还可选地显示零管道状态，总的在108 处示出，其中管道从井眼中移除。

传感器82可以在作业之前通过将具有已知尺寸和位置的磁体定位在中心通道28内并根据已知方法调节每个传感器82a、82b和8c 的读数来校准。此后，在作业时，每个传感器82测量到管道的距离，如总的在图8中的83a、83b和83c处所示，其中然后将来自每个传感器的测量距离相互比较，以根据已知方法利用三角测量来估计工具管柱15或管道的尺寸和位置。如图8中所示，可以利用单组3个传感器来提供这种位置。应当理解，还可以提供额外的3个或更多个传感器组成的传感器组，以提供管道位置的附加测量。然后，可以将管道的这种多个位置和尺寸相互比较并相互平均，以提高系统的精度。

现在转向图9，示出了磁性堆叠70之一的详细横截面视图。如图 9中所示，磁性堆叠70可以位于套筒40内，套筒40还包括致动器 120和从致动器120延伸到磁性堆叠70的致动器轴122。在作业时，致动器120可以使磁性堆叠70延伸或缩回，使之与管状主体22的外表面27接合或脱离接合。在缩回位置，磁性堆叠70产生的磁场将减小，从而允许任何被吸引到磁性堆叠上的铁磁颗粒从中心通道的内部释放出来。

虽然已经描述和说明了本发明的具体实施例，但是这些实施例应该仅被认为是对本发明的说明，而不是对如根据所附权利要求书所解释的本发明的限制。

Claims (18)

1.一种用于测量井结构内的管道的装置，所述装置包括：

管状主体，所述管状主体由非磁性合金金属形成，所述管状主体在第一端与第二端之间延伸，并且所述管状主体具有外表面和限定穿过所述管状主体的通道的内表面；

第一凸缘，所述第一凸缘连接到所述管状主体的所述第一端，所述第一凸缘具有限定穿过所述第一凸缘的通道的内表面，所述第一凸缘的所述通道与所述管状主体的所述通道相对应；

第二凸缘，所述第二凸缘连接到所述管状主体的所述第二端，所述第二凸缘具有限定穿过所述第二凸缘的通道的内表面，所述第二凸缘的所述通道与所述管状主体的所述通道相对应；

至少一个传感器堆叠，其包括适于测量磁场强度的传感器；和

至少一个磁性堆叠，其包括至少一个磁体，

其中所述至少一个传感器堆叠和所述至少一个磁性堆叠在所述管状主体的所述外表面的外部，并且其中所述装置能够与所述井结构串联连接，并且其中所述第一凸缘和所述第二凸缘由磁性合金金属形成。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述管状主体包括至少一个壳体，其围绕所述至少一个传感器堆叠或所述至少一个磁性堆叠延伸。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述至少一个壳体中的每个均包括至少一个套筒。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述至少一个套筒由黑色金属合金形成。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠和所述至少一个磁性堆叠从所述管状主体径向延伸。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠包括传感器输出信号，所述传感器输出信号表示位于所述管状主体的所述通道内的金属物体的直径。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠包括霍尔效应传感器。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠位于所述管状主体的所述外表面附近。

9.根据权利要求6所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠包括位于盲孔的与所述至少一个传感器堆叠相反的一端处的磁体。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个磁体堆叠包括至少一个磁体。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个磁体包括多个磁体。

12.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个磁体包括稀土磁体。

13.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个磁体包括电磁体。

14.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠和所述至少一个磁性堆叠围绕所述管状主体布置。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠和所述至少一个磁性堆叠围绕所述管状主体以规则间隔布置。

16.根据权利要求14所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠和所述至少一个磁性堆叠沿垂直于所述管状主体的轴线的公共平面布置。

17.根据权利要求14所述的装置，其中所述至少一个传感器堆叠和所述至少一个磁性堆叠沿多个平面布置。

18.一种用于测量井结构内的管道的系统，所述系统包括：

管状主体，其由非磁性合金金属形成，所述管状主体在第一端与第二端之间延伸，并且所述管状主体具有外表面和限定穿过所述管状主体的通道的内表面；

第一凸缘，所述第一凸缘连接到所述管状主体的所述第一端，所述第一凸缘具有限定穿过所述第一凸缘的通道的内表面，所述第一凸缘的所述通道与所述管状主体的所述通道相对应；

第二凸缘，所述第二凸缘连接到所述管状主体的所述第二端，所述第二凸缘具有限定穿过所述第二凸缘的通道的内表面，所述第二凸缘的所述通道与所述管状主体的所述通道相对应；

至少一个传感器堆叠，其包括适于测量磁场强度的传感器；

至少一个磁性堆叠，其包括至少一个磁体；和

显示器，其适于接收来自所述至少一个传感器堆叠的输出，并向用户提供指示所述管状主体的所述通道内的物体的直径的显示，

其中所述至少一个传感器堆叠和所述至少一个磁性堆叠在所述管状主体的所述外表面的外部，并且其中所述系统能够与所述井结构串联连接，并且其中所述第一凸缘和所述第二凸缘由磁性合金金属形成。

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