CN1317070A - 井下腐蚀监测设备和方法 - Google Patents
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Abstract
在将管柱置于井孔内时，通过在预定的位置安装已经设有一压电式传感器阵列(26)和一微处理器(28)的管段(20)，来确定和监测一段井的导管和套管上腐蚀的存在和速度，该微处理器控制送到和来自各传感器阵列的信号，以及送到和收自地面上的控制和检测装置的信号。沿管柱各位置的微处理器通过导电电缆和/或无线装置(其用管柱作为电信号的传导路径)导电地连接于表面控制和检测装置。
Description
发明领域
本发明涉及在操作期间或者在封井的同时对井的导管柱和套管柱的状态进行超声波监测，以区别出腐蚀的开始和位置，以及在任何类型的井内其扩展的速度，包括油井，气井，水井和多相流体井。
发明背景
已经采用了各种装置和方法来探测和/或监测在井的导管柱，或管段和井的套管柱上腐蚀的扩展，该过程通常被称为“井下”腐蚀监测。如这里所用的，“腐蚀”包括这种缺陷，如金属损耗，锈斑和裂缝，如果不加以检查，这些缺陷可能扩展而导致管段失效。
对于油、气或水井以及野外的操作和设备而言，井下腐蚀监测特别重要，不仅在于为了避免操作期间的失效而预测井的导管和套管的有用寿命，而且在于确定为尽量减小这种腐蚀的化学添加剂的效率。
尽管目前采用的监测井下腐蚀的方法有多种，它们都需要使用金属线来安装和/或收回置于预定位置的装置或输送测井工具。这些现有技术方法包括连接在一金属丝或电缆端部的金属线测井工具；由金属线设置和回收的试样；由金属线设置和收回的可编程电子探头。为了应用任何一种这些方法，必须使井停止使用。按正常程序关闭该井以进行腐蚀监测的成本很高，不仅在于直接的劳动力费用，而且在于损失生产和利润。此外，由于在井道中安装插入装置所造成的流动阻断可能产生误导的腐蚀速度数据。
对于已安装的井的导管和套管，利用超声波以检测管段壁厚并探测缺陷的设备和方法是已知的，但必须由金属线输送且承受所有插入装置的同样的限制。而且，由于金属线工具从一个检测点到另一个检测点的不精确的定位，不可能获得关于在原处的腐蚀速度的可靠数据。现有超声波金属线装置的另一较大限制是要求它们需要在一充满液体的管子中运行，以传输数据。这一要求限制了它们在多相和气井中的使用。
所以，本发明的目的是提供一种设备和方法，其允许进行井下腐蚀监测，而无需使井停止服务或中断流动，并且其可被用于所有类型的井，即水井，油井，气井和/或多相井。
本发明的另一目的是允许用任何所需的频率或者甚至连续地获得和分析腐蚀监测数据。
本发明的另一目的是允许腐蚀监测数据可从安装井的导管柱和/或套管柱的时候获得，以提供一基线，并由此区别腐蚀的开始以及它在被监测的管段上的扩展速度。
本发明的还一目的是提供一种经济的和成本效果高的在现场进行井下腐蚀监测的方法和设备，其将提供可靠的数据而无需借助于金属线和插入工具及方法。
发明概述
根据本发明的设备和方法可实现上述目的和进一步的优点，其包括提供一组压电式传感器，所述传感器以一预定的和固定的阵列连接在一段井的套管或导管的金属表面上。在第一优选实施例中，形成一给定的固定阵列的该组传感器由导线导电地连接于至少一个微处理器，该微处理器设置在传感器阵列附近。微处理器也导电地连接于一导电电缆，该导电电缆从井下位置的套管或导管部段引到一表面设备，该表面设备有一电源，计算机引导的控制和检测装置，数据处理和存储装置，和显示装置，如一打印机和/或CRT监视器。在另一优选实施例中，可采用一无线系统，其中该微处理器导电地连接于套管柱或导管柱，后者用作在表面设备和微处理器之间传输电信号的导体。
在一优选实施例中，一参考块体安装在腐蚀监测传感器阵列的附近，制造该参考块体的材料相同于被监测的管段的材料。参考决体与任何腐蚀源隔离。参考块体最好呈有台阶的楔形的形式，具有一组预定的厚度，该厚度例如对应于被监测的管段的原始壁厚，一或多个中间的较小的厚度，楔形的最厚部分对应于允许井连续工作的套管管段或导管管段的预定的最小安全厚度。传感器也安装于在参考块体上形成台阶的各表面上，并且这些传感器被导电地连接于一微处理器，该微处理器可以是与传感器的固定阵列相关的微处理器相同的微处理器，或者可以是一独立的微处理器，其随后由电缆连接于表面控制设备，或者作为选择如果采用无线系统就直接地连接于套管柱或导管柱。
在本发明的优选实施例中，传感器的固定阵列，带传感器和相关微处理器的参考块体，或微处理器被固定在一短段的连接器管段上，该连接器管段被用来连接标准长度的井的套管管段和/或导管管段。采用短段的连接器管段便于监测设备的组装，也便于将其放置在井孔内。由于随管柱进入井孔在任何情况下均需连接器来连接多个管段，所以几乎不需要附加的时间和劳力，来提供用以沿管柱在任何所需数量的垂直位置周期性或基本上连续地进行腐蚀监测的能力。在本发明的方法的实践中，在井口处所需的主要附加步骤是导电电缆的连接和固定，该电缆用于从地面上的设备传送信号和从微处理器接收信号。但是，在采用了无线系统的实施例中，将不再需要这些附加的步骤。
在方法的实践中，一普通目的的计算机设置有适当的软件，以产生一信号来激活各微处理器，并且该信号通过导电电缆传输，或者作为选择采用无线传输系统，其中管柱用作一导体。在收到激活信号后，各微处理器激活其相关的传感器并接收所产生的关于套管柱或导管柱(传感器连接于其上)的状态的数据，或者在参考块体的情况下接收来自与潜在腐蚀源隔离的块体的基线或比较数据。在各被监测的位置处的微处理器然后将数据通过导电电缆或无线传输装置传输到表面设备。数据由计算机引导的控制和检测装置接收，该数据从所述控制和检测装置可以或是被之间传送到数据存储装置，或是先被传送到数据处理装置然后被传送到数据存储装置。一旦数据已被处理，它就可用来以打印的形式显示，或者目视可见地显示在一CRT监视器上。
从本发明的下面的详细描述中，本领域普通技术人员可明显看出本发明的设备和方法的各种其他实施例和结构。
附图的简要描述
图1是一简化的示意性剖视图，示出了一典型的井，用以生产液态或气态碳氢化合物，水，或多相流体；
图2是图1的放大的局部剖视图；
图3是一段井的套管的剖视图，示出了本发明的一个优选实施例；
图4是一示意性电路图，示出了图3所示本发明的一优选实施例；
图4A是一示意性电路图，示出了图4中一单元的细节；
图5是一段井的套管的剖视图，示出了本发明的另一个优选实施例；
图6是一示意性的电路图，示出了无线传输数据的另一优选实施例；
图7是一典型的参考块体结构的侧视图；
图7A是图7的块体的端视图；和
图7B是图7的块体的俯视图。
优选实施例的详细描述
如图1的简图所示，生产储层流体的井10包括一环绕一导管柱3的套管柱2，该导管柱3向下伸入地表到达储层岩石，由此抽取储层流体。各导管柱包括多段由连接器(未示出)连接的管段4。在钻井时使构成套管柱的管段降低入位，并借助于多种管连接器的任一一种将它们固定在一起。随后，将多段构成导管柱的管段降入套管，以提供从储层中将储层流体抽出的通道。图2中示出了构成套管柱和导管柱的多段管段的空间关系。
在图3中示意性示出的本发明的一个优选实施例中，套管管段20的一较短部段设有一组压电式传感器26，它们以一固定的阵列连接在外套管表面22上。在一特别优选的实施例中，该固定阵列包括至少三个纵向隔开的行并且各行包含至少三个绕管段的圆周径向隔开，即以120°间隔，的传感器。传感器26的固定阵列由导线27导电地连接于至少一个微处理器28。在一优选实施例中，该一个或多个微处理器被设置在相关传感器阵列的附近。
参照图4的示意图，导电电缆32从一组微处理器28延伸到一表面设备80，该表面设备包括一电源70和相关的计算机引导的控制和检测装置72，数据处理和存储装置74，以及打印装置88和显示装置90，其设置在表面上，优选在一车辆中或是一永久性设备。
该控制和检测装置包括一普通的计算机和软件程序，以激活各单独的微处理器和各相关的传感器，以接收来自各微处理器的数据，并随后传输所述数据或是用以存储或是用以处理。
在一选择性的优选实施例中，在表面接收的数据从该表面控制装置通过例如一遥测单元或一地面线路(未示出)被传输，用以在远离井的位置进行处理和存储。该实施例特别适用于监测一或多个在隔离区或远离野外服务办公室的井的状态。
根据现有技术中公知的方法和程序，由计算机引导的检测和控制装置72产生的信号通过导电电缆32被传送到各微处理器28，微处理器然后被激活以将信号传送到与各微处理器相关的传感器26的阵列。由成阵列的传感器产生和接收的信号被返回到它们的相关微处理器28，以传输到表面设备80中的数据接收，处理和存储装置74。
在将数据存储在记忆装置之前，或之后，可对其进行处理。处理的数据本身可被存储，和/或使它们可用来传送到一显示装置。井的导管或套管的被监测部分的状态以数字和/或图象的形式被显示在一计算机监视器90上和/或打印输出88上，并且该数据被输入一适当的数据存储或记忆装置74。
在图3所示的本发明的另一优选实施例中，传感器阵列和相关的微处理器被封闭在一保护罩40内，该保护罩例如通过焊接42固定在管段的外部。导线32穿过位于罩40上的流体密封的密封垫或密封套43，制造该罩的材料最好相同于或十分类似于制造它所连接的导管柱或套管柱的材料。为了监测一段导管或套管的外表面的状态，传感器36的一第二阵列被固定在保护罩40的内表面44上，并由适当的导线连接到相关的微处理器38，该微处理器然后被导电地连接到导电电缆32。随后，适当的信号被输送到传感器的外部阵列并从该传感器的外部阵列接收信号，该数据被处理，用以如同上面结合用来监测导管柱或套管柱内部的一段的状态的方法和设备所描述的那样。
参照图3，各井下装置最好包括至少一个参考块体60。如图7,7A和7B所最清楚地显示，参考块体60可以取一有台阶的楔形形式，其构形和操作将在下面详细描述。
从上面的描述可以理解，传感器的激活可以按照任何理想的时间表或频率，或者在一大体连续基础上。而且，在将导管柱和/或套管柱组装和降入井孔内时，可以将任何数量的单独的传感器阵列插在导管柱和/或套管柱上。
参照图5，示出了另外一个优选实施例，其中传感器阵列连接在一接头或管配件50上，该接头连接在各段导管管段或套管管段的端部，以将它们连接在一起。导管或套管管段的端部的外表面设置有一锥状构形23，其与接头或管配件50的内部锥状表面54对应。通过螺纹表面或者现有技术中的其他装置来实现接头50和管段端部的这种结合。在该实施例中，接头50可以用与管段相同或类似型号和级别的钢制造，并设置有一个容纳传感器和微处理器的槽52，以尽量减小连接有罩的管配件的总外径。接头50的这种改进的构造被设计成尽量加大导管柱和套管柱之间或者套管柱和岩石之间的间隙，以便在安装期间尽量减小损坏传感器阵列和微处理器的危险。根据上面所描述的实施例，连接在改进接头50上的传感器和相关的微处理器设有一如图5所示的保护罩40。将用以监测管内腐蚀的传感器阵列26，以及作为选择用以监测管外腐蚀的传感器阵列36，连接在改进的管接头50上的优点有几个。由于必须在任何情况下安装管接头，所以不需要安装附加的较短的监测管段，并且接头的数量保持在最少，由此节省了时间，劳力和资金。可以以很小的成本改造标准的管配件，并用标准的程序进行安装，而不需要特殊训练的劳动力。最重要的是，在安装管柱期间，可以容易地将有待监测的管柱的管段之间的间隔或间距确定为各监测点的最终位置。
例如，如果单独的管段在长度上是“L”英寸，并对井的最深部分的腐蚀状态的监测是以3L英寸的间距进行，那么在将管柱降入该井时就使用一改造的接头50连接每第三个管段。
在另一优选实施例中，本发明的设备包括一参考块体60，如图7中示意性示出的。制造参考块体的材料可以相同于或类似于被监测的导管柱或套管柱，并且正如其名字所表示的，它将提供一或多个关于材料厚度的参考或比较数据。参考块体制有台阶并且设置有固定在其台阶表面上的一组传感器62，并被安装成它与腐蚀源隔离。在图7的实施例中，台阶楔形参考块体60设有用于三个不同厚度的传感器。从各对传感器62′和62″和62接收的数据对应于被穿过相应厚度的优质金属(即不受腐蚀影响)的信号。各对传感器62由导线66连接到微处理器64。如果没有采用无线系统，微处理器64亦由导电电缆32连接到表面控制和检测装置。由于参考块体及其传感器将经受与连接在被监测的导管柱上的相邻传感器相同的条件，如温度和压力，所以影响参考块体的在一段时间上产生的局部条件的任何变化可作为一基线或者校正系数被应用于与腐蚀相关的数据。
在一优选实施例中，与传感器对62对应的参考块体的最大厚度与被监测的管段的壁厚相同。这样，甚至在将管柱置于井孔内之前，就可以建立在来自参考和管段表面上的相应传感器和相关微处理器的数据之间的关系。在开始腐蚀的情况下，可以通过与从参考块体传感器对62′和62″所获得的数据进行比较来估计腐蚀的进程。如图7所示，块体60的最薄部分可被设定为连续操作所需的或者可接受的最小管段厚度，这样当从监测传感器接收到与这一厚度对应的数据，就辨别出该管段进行更换。
也应当理解，如果没有采用无线系统，导电电缆32将从各监测位置沿管柱延伸到表面。在一优选实施例中，导电电缆32在相邻的监测单元25之间在一平行回路中延伸，各单元具有适当的输入/输出插座，用于导电地接纳和固定电缆，以防其在管柱移动期间挪动。
主导电电缆32用夹子、夹扣或者现有技术已知的其他装置固定在导管的表面上。电缆32被固定以防止拉伸并保护电缆防止机械磨损和其他损坏。当局部条件要求时，安装一井头压力隔板或者电安全隔板(未示出)，并使电缆穿过这些装置。
本发明还设想了借助于无电缆传输装置在表面控制装置和一或多个井下微处理器28之间传输信号和数据的方法，如图6示意性所示。在该实施例中，连接表面控制装置到微处理器28的电缆32由一导电连接于井的导管和套管的发送机/接收机代替，其用作一信号通道。
图6以方块图示意性地示出了这些元素之间的关系，其中一组微处理器28和相关的传感器阵列26被安装在例如导管柱30上。电源70，控制和检测装置72和数据存储和处理装置74由适当的电缆连接。此外，发送机/接收机24′导电地连接于控制和检测装置72并连接于包含传感器阵列26的管柱30。
各微处理器28被编程或被构造成提供一独特的区分信号，这样可得知其在管柱上的位置，由此可得知其深度。出于数据记录和显示目的，微处理器亦可被编程，以区别各个其相关的传感器。
与参考块体60相关的各微处理器被编程或被构造成可独特地区别图7中的各传感器62，如62′,62″和62，以及从台阶楔形上的各个此位置推导出的数据。在本方法的实施中，从表面控制装置传送一信号，以激活一或多个在一或多个特定位置处的井下微处理器28，和与该微处理器相关的传感器阵列。由各微处理器从与之相关的传感器阵列所接收的数据，与该微处理器的独特的区分信号一起，被传送回在地球表面的数据接收和处理装置。与各微处理器相关的数据可或是被直接输入，或是首先处理然后被输入在一个与各微处理器的独特区分码相对应的位置处的数据存储装置。该数据可被找回以作进一步处理，或者传送到数据显示装置，如一CRT监视器，或者一打印机，其可以数字和/或图象的显示产生一数据的复制件。
可以理解对上面公开的实施例可作出各种改动。所以，该描述不应被认为是限制性的，而仅仅是示例性的实施例。本领域的普通熟练技术人员在后面的权利要求书的精神和范围内可想象其他改动。
Claims (27)
1．一种井下腐蚀监测设备，用于确定一段井的导管柱或者井的套管柱的状态，该设备包括：
(a)一组压电式传感器，其以一固定的阵列设置，沿纵向和轴向相互隔开，并绕被监测的该段导管柱或套管柱的圆周固定；
(b)一导电地连接于传感器的微处理器，用以激活该传感器并用以接收和发送由传感器产生的信号；
(c)一电源和从该电源延伸到该微处理器的导电装置；
(d)控制和检测装置，用以激活微处理器并用以接收，记录和处理微处理器的数据输出信号；和
(e)与控制和检测装置相关的显示装置，用以显示关于腐蚀速度和该段导管柱或套管柱上缺陷的位置的数据。
2．如权利要求1所述的设备，其中压电式传感器包括从由石英，陶瓷和聚合物以及从石英，陶瓷和聚合物形成的混合物所构成的组中选择处的一种材料。
3．如权利要求1或2所述的设备，其中多段导管柱，或套管柱或两者的腐蚀速度被监测。
4．如任一权利要求1至3所述的设备，其中传感器的固定阵列包括至少三个纵向隔开的传感器。
5．如任一权利要求1至3所述的设备，其中传感器的固定阵列包括一组纵向隔开的绕导管柱或套管柱的圆周延伸360°的传感器。
6．如任一权利要求1至5所述的设备，其中传感器的固定阵列连接在一导管柱或套管柱的外表面上。
7．如任一权利要求1至5所述的设备，其中传感器的固定阵列连接在一套管柱的内表面上。
8．如任一权利要求1至7所述的设备，其中传感器连接在一段导管柱或套管柱上，该段是中间接头连接器。
9．如任一权利要求1至7所述的设备，其中连接器连接在一接头连接器上，制造该接头连接器的材料相同于或类似于相关导管柱或套管柱的材料。
10．如权利要求9所述的设备，其中接头连接器设置有一绕其圆周延伸的槽，传感器设置在该槽的底部。
11．如任一权利要求1至10所述的设备，其进一步包括至少一个与腐蚀源隔离的参考块体和一组固定在该参考决体上的传感器。
12．如权利要求11所述的设备，其中制造参考块体的材料相同于或类似于相关套管或导管的材料。
13．如任一权利要求11至12所述的设备，其中参考块体具有不同厚度的部分，并且至少两个传感器固定在各部分上。
14．如任一权利要求1至13所述的设备，其中传感器由一保护罩包围。
15．如权利要求14所述的设备，其中制造保护罩的材料相同于或类似于安装它的该段导管柱或套管柱材料。
16．如权利要求14或15所述的设备，其中传感器的一固定阵列连接在该保护罩的内表面上。
17．如任一权利要求14至16所述的设备，其中连接于传感器阵列的微处理器由该保护罩封闭。
18．如任一权利要求1至17所述的设备，其中微处理器设置在与之连接的传感器附近。
19．如任一权利要求1至18所述的设备，其中传感器的固定阵列设置在用以组装成一管柱的导管管段或套管管段的一较短部段上。
20．如任一权利要求1至19所述的设备，其中电源选自由电池，DC电源和热温差电源构成的组。
21．如任一权利要求1至20所述的设备，其中电源设置在地面上在被监测的导管或套管管段附近。
22．一种用以对至少一段井的导管柱或套管柱进行井下腐蚀监测的方法，所述方法包括的步骤为：
(a)以纵向和径向隔开的第一固定阵列将一组压电式传感器设置在一个导管柱或套管柱或两者的至少一段的表面上；
(b)导电地将一编程的微处理器连接于传感器的该第一阵列并连接于一电源；
(c)提供控制，数据接收、处理、显示和存储装置，以将电信号传送到微处理器和从微处理器接收信号；
(d)将信号传送到该微处理器以激活该传感器；
(e)从传感器接收信号并将该信号通过微处理器传送到数据接收和处理装置；
(f)处理关于在被监测的该段管柱上存在腐蚀和缺陷的数据，并将该处理过的数据显示在该显示装置上。
23．如权利要求22所述的方法，其中到微处理器的信号被间歇地传输。
24．如权利要求22或23所述的方法，进一步包括的步骤为：提供一参考块体，制造该参考块体的材料相同于或类似于被监测的管柱的材料；
以与管柱隔离的关系将参考块体固定在传感器的第一固定阵列附近；
从传感器和与块体相关的微处理器获得关于参考块体的状态的数据，将关于参考块体的状态的数据与关于被监测的该段管柱的数据进行比较。
25．如任一权利要求22至24所述的方法，其中一组传感器阵列和导电地连接的微处理器被安装在导管柱或套管柱或导管柱和套管柱两者的一组间隔开的部段上。
26．如任一权利要求22至25所述的方法，进一步包括的步骤为：提供一保护罩，制造该保护罩的材料相同于或类似于被监测的该段管柱的材料；
安装该罩，以封闭在该段外表面上的传感器固定阵列；
将一组传感器和一相关的微处理器设置在该保护罩的内表面上，以形成一第二固定阵列；和
从第一和第二固定阵列获得数据，由此相对于该参考块体确定被监测的该段的表面的可比较的内部和外部状态。
27．如权利要求22至26所述的方法，其中至少一段井的导管柱或套管柱是在一产油的井内。
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