CN202391421U

CN202391421U - 用于测量井中流体过程变量的设备

Info

Publication number: CN202391421U
Application number: CN2011202360427U
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·C·海德克; 卢良驹
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: RU2013110510A; JP2013538954A; CA2808181C; CN102383785B; EP2603664B1; CA2808181A1; US9470084B2; WO2012021485A2; RU2531422C1; US20120036924A1; JP5728579B2; CN102383785A; BR112013002469A2; WO2012021485A3; EP2603664A2

Abstract

本实用新型提供一种用于测量井中流体过程变量的设备，该设备包括：可变谐振器，所述可变谐振器位于井底位置处，具有响应于流体的过程变量而变化的谐振频率，并在所述谐振频率下响应地提供指示过程变量的谐振声信号。设置成与可变谐振器间隔开的声学传感器被构造成接收从可变谐振器发送的谐振声信号。连接至声学传感器的测量电路被构造成响应于接收到的谐振声信号提供与流体的过程变量相关的过程变量输出。

Description

用于测量井中流体过程变量的设备

技术领域

本实用新型涉及在井中进行测量。更具体地，本实用新型涉及对井中的井底位置的流体的过程变量的测量。

背景技术

深井是用于从地层抽取流体的一种已知技术。钻井技术是一种先导技术，且许多技术已经被研制用于增加井的深度及其结构。

在深井(例如油井)操作和钻探过程中，经常期望测量流体在井的“井底”位置处的过程变量。这种过程变量包括压力和温度。然而，深井的井底位置可能是尤其恶劣的环境。压力可以超过15000psi，温度可以达到375华氏度。而且，从地面到井的深井底位置的距离可以很大，例如在15000英尺以上。因此，难以将测量装备置于深的井底位置处，且任何这种装备必须具有足够稳固的设计以抵抗恶劣的环境条件。另外，任何在井底位置处进行的测量值必须之后被传回地面。

井用于从地面下的深位置处抽取流体，例如原油。在钻井及其它操作的过程中，测量在“井底”位置处的流体的性质(“过程变量”)可能是有益的。过程变量包括压力和温度。然而，这些性质的测量可能是重大的工程挑战。可以将电子装备放置在井底位置处，但是其可能是昂贵的并且不可靠的。电子装置经常不能承受在许多井中所存在的高温和高压。封装应当被配置成为电子装置免于高压提供保护。高温使电池不可用或导致很短的电池寿命。用于动力和通信的来自地面的布线是昂贵的并且不可靠。

实用新型内容

为了解决如以上阐述的测量井底位置处的流体的性质所导致的设备昂贵且具有危险性的问题，本实用新型提出了一种用于测量井中流体过程变量的设备，该设备包括：可变谐振器，所述可变谐振器设置在井底位置处，具有响应于所述流体的过程变量而变化的谐振频率，并在所述谐振频率下响应地提供指示所述过程变量的谐振声信号；声学传感器，所述声学传感器设置成与所述可变谐振器间隔开，并被构造成接收从所述可变谐振器发送的谐振声信号；和测量电路，所述测量电路连接至所述声学传感器，并被构造成响应于接收到的所述谐振声信号提供与所述流体的过程变量相关的过程变量输出。

该用于测量井中流体过程变量的设备还包括声源，所述声源在与所述可变谐振器间隔开的位置处连接到管，并且被构造成将声信号发送至所述井底。

所述流体的过程变量包括压力。

所述可变谐振器包括具有内部空间的细长元件。

该用于测量井中流体过程变量的设备还包括隔离膜，所述隔离膜被构造成使所述细长元件的内部与所述流体隔离。

所述流体的过程变量包括温度。

所述可变谐振器包括形成为双金属材料的细长元件。

所述可变谐振器包括悬臂梁。

所述可变谐振器包括音叉。

所述可变谐振器包括与所述流体隔离的谐振元件。

所述谐振元件承载在与所述流体分离的真空空间中。

所述真空空间建立在输送所述流体的管的壁中。

所述可变谐振器响应于所述流体的流动而谐振。

所述可变谐振器包括多个谐振元件，所述谐振元件中每一个被构造成在不同的频率范围中谐振。

所述谐振元件被构造成测量所述流体不同的过程变量。

所述流体包括井底流体。

根据本实用新型，提供一种用于测量井中流体过程变量的设备。在一种构造中，将可变谐振器设置在井底位置处，所述可变谐振器具有基于井底流体的过程变量而变化的谐振频率。该谐振频率可以使用任何合适的技术来进行测量。在一个示例中，在地面或远程位置处的声源将声能沿着井引导到井底位置。在另一个示例中，声能在井自身中生成，例如通过井中的流体流来生成。谐振声信号然后从可变谐振器传递至地面。谐振声信号具有与可变谐振器的谐振频率有关的频率分量。在地面位置处的声学传感器接收谐振声信号。测量电路配置成测量谐振声信号，例如谐振声信号的频率或振幅，并提供与井底流体的过程变量相关的输出。该构造允许在钻井过程中和井的操作过程中对井底流体性质进行实时测量。

附图说明

图1是井的剖视图的简化视图；

图2是示出同步共振的视图；

图3是示出根据本实用新型的一个实施例的用于测量井中井底位置处的流体参数的设备的框图；

图4是可变谐振器的一个示例性实施例的剖视图；

图5是建于管壁中的可变谐振器的另一示例的图；和

图6是音叉的视图。

具体实施方式

图1是钻井设备的放大剖视图。例如，四十英寸直径的井被钻到1000英尺，16英寸直径的井被钻到15000英尺。30英寸的钢板(套管)12被安装到1000英尺，12英寸的钢管(套管)14安装到15000英尺。水泥浆16被在套管内部灌到井的底部(井底)。所述套管然后被加压以迫使所述水泥浆在套管和井之间的井上升到所述井的外部。水泥浆16干化和密封所述井。三英寸管20之后安装在套管内部到达井底。封隔器(重衬垫)22在管20和套管14之间安装在井底。从所述封隔器到地面的间距被封隔流体(例如水或柴油)24回填。炸药26然后在封隔器下方的位置处爆炸穿过所述套管并进入到例如油层中。

如上所述，井的井底位置可能是尤其恶劣的环境。对于新井，井底可以存在超过15000psi的压力。如果不被控制，这将在井底压力超过大约4000psi压头时导致“自动井喷”。而且，井底温度可能超过375°F。

将传感器放置在井底位置是极大的技术挑战。使用导线、光纤或无线技术(例如RF)难以将信息传回到地面。从地面为装置提供动力也可能是挑战，这是因为必须提供长导线。本地电源(例如电池)可以被使用，但是其必须能够在恶劣条件下操作。测量装置自身也难以设计，因为其必须能够抵抗高压和高温。

本实用新型使用声信号的传声和特性确定井底流体的参数或过程变量，例如压力或温度。气体、液体和固体中的声速通常基于介质的密度和弹性性质是可预期的，被称为体积模量。介质的弹性性质将确定响应于给定量的外部压力由多少介质压缩。压力变化与体积压缩百分数之比被成为材料的体积模量。声信号在不同材料中的典型的传播速度(声速)是：在水中在20℃下传播速度是1482m/s，在油中传播速度是1200m/s，在钢中传播速度是4512m/s，在干空气中在20℃下传播速度是343m/s。

同步共振是被动体响应于具有与谐波相似的外部振动的谐波现象。这可以使用设置两个相似的音叉的简单的例子示出。音叉中的一个被安装到固体物体上。如果另一个音叉被敲击并之后与该固体物体接触，则振动传递通过所述物体且所安装的音叉将谐振。该示例示出能量可以在谐振系统之间如何被转移和存储。

图2是示出发送音叉50和接收音叉52的简化视图，所述发送音叉50和接收音叉52都连接至细长体54，所述细长体54可以被认为成表示在钻井操作中的管。在该示例中，音叉50和52是相同的并例如通过焊接连接至管54。如果发送音叉50被打击，则轴向振动“A”将造成同时径向振动“R”。该声波将沿着管54传播，使得接收音叉52如箭头“R”和“A”所示谐振。如果发送音叉50被静音，则接收音叉52将继续振动并使得声波发送回被接收音叉50，使得被接收音叉50再次谐振。

图3是示出井底测量系统100的本实用新型的一个实施例的简化框图，所述井底测量系统100包括测量电路102，所述测量电路102连接至穿过地面108延伸至管107的井底位置106的井104。可变谐振器110位于该井底位置106，并接收由声学换能器114所生成的声信号112。声学换能器114包括声源116和声学传感器118。

可变谐振器110接收所发送的声信号112，并开始作为井底位置106处的流体的过程变量的函数而谐振。这造成被反射的声信号122沿着井管107的长度被返回。换能器的声学传感器118接收所反射的声信号122。测量电路102连接至换能器114。电路102优选包括连接至存储器132和输出134的微处理器130。数字模拟转换器136连接至微处理器130，并将数字输出提供至放大器138。模拟数字转换器140接收来自放大器142的信号，并将数字化的输出提供给微处理器130。

在操作过程中，在该实施例中，微处理器130通过将数字信号提供至数字模拟转换器136来使声学换能器114生成声信号112。这产生模拟信号，所述模拟信号由放大器138放大并由声源116被转换成声信号。如上所述，可变谐振器110生成被反射的声信号122，所述声信号122由换能器114的声学传感器118接收。传感器118将模拟信号提供至放大器142，所述放大器142将放大的信号提供至模拟数字转换器140。模拟数字转换器140将被放大的信号数字化，并将被数字化的输出提供至微处理器130。微处理器130根据存储在存储器132中的指令进行操作，并被配置成使用输出电路134提供输出。所述输出表示井底位置106处的流体的过程变量。来自输出电路134的输出可以包括例如本地显示或本地输出，或者可以使用例如有线或无线通信技术被发送到远距离处。一种示例性的有线通信技术是两线过程控制环，在所述两线过程控制环中，数据和动力都在同样的两条线路上提供。例如，4-20mA的电流可以由输出电路134在两条线路上控制，并用于提供所感测的流体的过程变量的表示。在另一示例中，数字信息可以被调制到所述两线环上。所述两线环可以连接至本地位置，例如控制室或可以配置成提供动力至所述系统的类似装置。可选地，可以使用各种无线通信解决方案。

根据一个实施例，微处理器130可以配置成使声信号112在一定频率范围上被扫掠。通过监测谐振声信号122，谐振声信号122中的峰可以相对于频率集中的特定频率而被识别。该信息可以与所感测到的井底位置106处的流体的过程变量进行相关。可变谐振器110可以基于谐振器110的谐振频率作为流体的一个或更多个参数的函数而变化所采用的任何合适的技术来实现。示例包括：压力、温度、化学组分、粘性或其它。在此所使用的“声”和“声信号”表示任何类型的振动信号，并不限制于特定的频率范围。

图4是可变谐振器200的示例的剖视图。可变谐振器200可以被置于井底位置106处，并在该示例中用于测量温度和压力。在图4的实施例中，谐振器200包括密封的真空空间202，其承载有悬臂梁204和206。梁204是温度响应悬臂梁，梁206是压力响应悬臂梁。例如，梁204可以具有双金属结构，由此温度的变化造成梁204的张力的改变，并由此改变了梁204的谐振频率。悬臂梁206包括通过开口212连接至真空空间202外部的过程流体的内部空间210。过程流体的压力的变化将造成梁206的张力变化，由此改变梁206的谐振频率。优选地，梁204和206的谐振频率范围被充分地间隔开，以使得它们各自的声学特征可以在地面处被检测和隔离。

图5是可变谐振器220的另一示例性实施例的剖视图，在所述可变谐振器中，谐振部件置于管路226的外部中。该构造可以是优选的，这是由于其使管226的内部免于输送流体。可变谐振器220包括形成在管226中的真空空间222和224。空间224承载温度响应悬臂梁230，空间222承载压力响应悬臂梁232。如上所述，梁230可以包括具有响应于温度的谐振频率的双金属材料。类似地，梁232包括通过开口234连接至过程流体的内部空间236，并具有响应于过程流体中的压力而变化的谐振频率。真空空间222和224可以设置在管路226的外径或内径上。

在另一示例性构造中，如图4和5所示的元件204、206、230和232包括音叉，而不是悬臂梁。在一些构造中，音叉是优选的，这是因为其提供更有效的设计，其中由于恒定的质心，所存储的谐振能量趋向于在结构中维持更长。

图6是根据本实用新型的另一种示例性构造的用作谐振部件的音叉250的简化视图。音叉250包括与柄部254相连的叉部252。如果音叉250由双金属材料构成，则音叉250的谐振频率将根据温度而变化。在另一种示例性构造中，音叉250包括内部空间256，所述内部空间256可以填充有例如隔离填充流体，例如油。隔离膜258连接至过程流体，如上结合部件206和232所讨论的。随着过程流体将压力施加至隔离膜258，内部空间256中的压力改变，由此改变了音叉250的谐振频率。

在一种构造中，谐振部件被置于真空空间中，以由此降低可能出现的任何阻尼。音叉的基本谐振频率是当没有压力施加于隔离膜258时的频率，该基本谐振频率可以使用以下方程估算：

F_{F} = \frac{K_{o} \frac{(R_{i} + R_{o})}{2}}{2 π L^{2}} \sqrt{\frac{E}{2 ρ}}

方程1

F_F＝基本频率＝432.4Hz

K_o＝常数＝3.52

R_i＝管孔半径＝4*10^-3m

R_o＝管的半径＝6*10^-3m

L＝音叉尖长度＝1.5*10^-1m

这假定音叉由不锈钢制成，并导致432.4Hz的基本频率。

作为压力的函数的谐振频率可以使用以下方程进行估算：

F_{F} = F_{0} \sqrt{1 + \frac{4 {R_{i}}^{2} L^{2} P}{3 ({R_{0}}^{4} - {R_{i}}^{4}) E}}

方程2

P＝内部音叉压力

在许多情况下，期望非侵入地测量工业过程(例如炼油或化学工厂)中测量容器(例如管或槽)中的压力或温度。以传统方法测量过程变量典型地需要穿透容器壁。这种穿透可能是昂贵的并且在一定情况下(例如存在很高的压力、很高的温度或危险过程)可能是危险的。在图3、4、5和6中讨论的用于井底测量的实施例可应用于包括地面容器(例如管和槽)的任何测量。

尽管本实用新型已经参照优选实施例进行描述，本领域技术人员应当理解，可以在不背离本实用新型的精神和范围的情况下进行形式和细节的改变。在一种构造中，上述讨论的“井底”位置包括与位于本地位置的测量电路远离或以其它方式间隔开的位置。

Claims

1.一种用于测量井中流体过程变量的设备，所述设备包括：

可变谐振器，所述可变谐振器设置在井底位置处，具有响应于所述流体的过程变量而变化的谐振频率，并在所述谐振频率下响应地提供指示所述过程变量的谐振声信号；

声学传感器，所述声学传感器设置成与所述可变谐振器间隔开，并被构造成接收从所述可变谐振器发送的谐振声信号；和

测量电路，所述测量电路连接至所述声学传感器，并被构造成响应于接收到的所述谐振声信号提供与所述流体的过程变量相关的过程变量输出。

2.根据权利要求1所述的设备，包括：声源，所述声源在与所述可变谐振器间隔开的位置处连接到管，并且被构造成将声信号发送至所述井底。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述流体的过程变量包括压力。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述可变谐振器包括具有内部空间的细长元件。

5.根据权利要求1所述的设备，包括隔离膜，所述隔离膜被构造成使所述细长元件的内部与所述流体隔离。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述流体的过程变量包括温度。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于所述可变谐振器包括形成为双金属材料的细长元件。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述可变谐振器包括悬臂梁。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述可变谐振器包括音叉。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述可变谐振器包括与所述流体隔离的谐振元件。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述谐振元件承载在与所述流体分离的真空空间中。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述真空空间建立在输送所述流体的管的壁中。

13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述可变谐振器响应于所述流体的流动而谐振。

14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述可变谐振器包括多个谐振元件，所述谐振元件中每一个被构造成在不同的频率范围中谐振。

15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于所述谐振元件被构造成测量所述流体不同的过程变量。

16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述流体包括井底流体。