CN85106182A - 密闭空间内气体的声测法及其设备 - Google Patents

Abstract

利用声波不能在真空中传播但能在壳体材料中传播这一事实，发明了一种方法及其设备，以探测由壳体所环绕的密闭空间内部是否存在着气体物质。声波发送器和接收器与壳体材料相连接，并被密闭空间所隔开。利用计算通过密闭空间和通过壳体材料的声波到达时间和/或声波部分的幅度，就可确定是否有声波通过了密闭空间，从而判定密闭空间是否发生了超过阈值所允许的气体泄漏。

Description

本发明总的说来是涉及一项检测设备。特别涉及监测密闭空间内，是否存在气体物质的一种新颖而有用的方法及其所使用的设备。

至少有一根内套管和一根外套管的隔热的管状结构为公众所知所用，例如可以在油井或管路中作为隔热的蒸汽注射管以输送经过加热的或低温的流体。这种管路在授予Alexandru    et    al的美国专利3，574，357和授予Owens    et    al的美国专利3，397，345中作了公开。

众所周知，在内套管和外套管之间的环形空间中造成真空，就可为蒸汽注入管路提供一个热的绝缘层。由于隔热的效果有赖于真空的维持，所以设法取得一个信号-以指明环形空间内的气体压力状态是很重要的。由于管路内环形空间所固有的不可接近性，要做到这点就比较困难。

本发明的目的是：利用既无破坏性、又不妨碍管路工作的简单设备，以探明密闭空间是否已失去了真空。作为这类密闭空间的例子的，可以是油田隔热蒸汽注入管的内套管和外套管之间的环形空间。

本发明的另一个目的是，提供一套装置，该装置具有设计简单、结构坚固、造价低廉的优点。

标志着本发明各种新颖的特点的，已详细地列在所附的权利要求书中，并组成本发明的一部分。为了更好地了解本发明-它的操作优点和通过使用它所要达到的特殊目的，可参照本文附图和有关说明-它们详细地说明了本发明的最佳实施例。

图中：

图1是表示实施本发明的一个装置的简图，该装置用来测试隔热的蒸汽注入管路（以剖视图表示）环形空间中的压力状态。

图2是装置的横向剖面图。图中表明了装置中两个传感器的位置。

图3是一个方块图，表示体现本发明的一种测试设备的配置。

图4是一个流程图，说明根据本发明检测压力状态时，计算机程序的各个步骤。

现在具体地谈一下图。图1用图解说明了用来监测隔热的蒸汽注入管道10的环形空间12中压力状态的一个装置。环形空间12处在内套管14和外套管16之间，一端以密封装置为界，密封装置可以是环形密封塞或密封组件18;在管道10的另一端，环形空间以另一个密封装置例如以一个连接体为界，连接体将内套管和外套管相连，材料与套管14和套管16的材料相同或类似。虽然本发明不必对环形空间12的任一末端的结构有任何特殊性能要求，但最好至少有一端，其结构能使声波在其中以可预测速度传播。

由于本发明所使用的基本原理是：声波只能在有空气或其它气体的空间中传播。本发明用用的设备是用来产生和/或处理声波的。

上述装置本身包括一个第一传感器2和第二传感器4。第一和第二传感器都装在一个固定装置上。该固定装置6通常由一对臂22和24组成。这一对臂用铰链26将其铰合在一起。拉簧28使两个传感器2和4靠紧。如图2所示传感器4与外套管16的外表面在第二个点5相接触，其表面为凹面。传感器2与内套管的内表面在第一个点3相接触，其表面为凸面。第一个点3与第二个点5被空间12所隔开。

就该装置操作而言，为克服弹簧28的拉力，使臂22和臂24张开，传感器2和4就可夹在隔热的蒸汽注入管道10的内外表面上。为了保证传感器和管道之间有良好的声耦合，传感器与管道接触的表面可涂以适用的油脂。

脉冲发生器30所产生的高压电脉冲，被送到两个传感器中的一个例如第一传感器2上，该传感器将电脉冲转换为超声波脉冲。另一个传感器4接在放大和滤波电路32上。

检测器是一台示波器34。它的第一输入线36用来接收与来自传感器4的声波成比例的信号，它的第二输入线接收来自脉冲发生器30的信号，以便对每一个操作循环产生一个示波器触发扫描信号。

由于内外套管14、16、环形塞18、以及连接体20的材料是已知的，声波在这些材料中的传播速度也就已知。这个速度可与示波器34的扫描速度发生连系，使声波通过管道10和连接体20沿着图上所说的路径40传来的预期的信号能被示波器记录下来。不管环形空间12中是否存在着气体，至少这部份检测到的声信号，能在示波器34上显示出来。

一般说来，由于管道是由金属制成的，声波通过金属体传播，其速度比通过气体时要快（若在空间b中有气体的话）。所以传感器在管道中的位置最好这样来选：使得声波通过管体材料和连接体20所走的路径40，比之于声波穿过空间b所走的路径42要长得多。对声波传播的路径作了这样的选择之后，再考虑声波在气体和在管材中传播速度，就有可能保证使通过空间（由于空间中有气体）沿着路径42传来的这部份声波，比通过管道沿着路径40传来的声波，要先到达检测传感器4。

知道了声波通过空间沿着路径42传播所需时间，就可用示波器34来确定是否有这部份声波，以及有多大量的声波通过了空间12。空间12通常具有的真空度是使声波传不过去的。所以如果确有声波通过了空间，这就表明已有一定量的气体洩漏到该空间中去了，那里的压力至少已经升到了允许声波传播的阈值。

实验发现，利用该装置可以检测到低达0.1大气压的压力。可以 预料，随着经验的积累，利用本发明的技术和设备，可以检测的压力将更低。由于声波的传播速度，在金属中比在空气中要快约20倍（按洩漏出现概率，空间12中发现的气体通常为空气），所以最好选择路径40的长度，比路径42大20倍再加上一段距离，以确保声波通过空气路径能比通过金属路径先到达示波器而被检测到。环形空间12的典型间隙为0.4英寸，这时声波通过金属路径的长度40最好选择为1英尺或更多一点。

在实施本发明所推荐的方法时，传感器2装在壳体的第1点3上，它发出脉冲宽度较窄的超声波脉冲。超声波脉冲的第一部份，在管状壳体内向各个方向传播，如在空间12中存在着一定数量的空气或其它气体，则第二部份声波就会穿过路径42而传播。虽然不能精确地知道在空间中气体的压力究竟要多大才能使声波能通过空间而传播（气体的这个压力就叫阈值压力），但是可以相信，阈值压力粗略地相当于能破坏空间隔热效果的压力。在示波器输入线38输入触发脉冲之后只要环形空间中气体压力达到了阈值压力，到达第二点5的第一个脉冲就一定是通过环形空间沿着路径42而来的那一部份声波。该信号的幅值大小取决于环形空间中空气或气体的多少。到达第二点5的第二个脉冲是比第一个脉冲幅度要大得多的一个脉冲（要大1000倍左右），而且这个脉冲的幅度大小是不变的，因为它对应于声波通过壳体沿着路径40而传播的那一部份。显然，若环形空间中气体压力不到阈值压力，那么示波器所能检测到的，将只有第二个脉冲。虽然在事实上我们将测到第二个脉冲，但对本发明来说，检测第二个脉冲并不是必不可少的。例如：若在传感器4上测到的声波，恰恰是在经过计算声波通过环形空间到达传感器4的时刻到达;或检测到有一个或几个声波，其幅度恰恰相应于声波通过环形空间中气态物质所应具有的声波幅度，这都可以表示有部份声波通过了环形空间。

由于在油田总是存在着电气干扰或机械噪声，因此当对实际尺寸的隔热蒸汽注入管道测试时，这些噪声可能会成为一个特定的问题，因此，一次试验可能得不出结论。在对声波的第一部份以及更重要的是在对声波的第二部份进行测量时，也可能同时检测到了噪声信号。为了解决这个问题，使脉冲信号在一秒钟内重复几次（例如3次至5次），检测步骤也以同样频率重复。由于噪声脉冲是不规则的，经过几次重复之后，所要的信号就能与噪声脉冲相区别。虽然这要求在每次重复时，脉冲要有相同的波形，但是典型的电脉冲发生器是可以提供这种具有同样波形的重复脉冲的。

在这方面，应该注意根据本发明，为产生脉冲可以使用的设备不限于脉冲发生器30和电子超声波传感器2。机械式的声波发生装置例如一把简单的音锤，可用来产生机械的，并可按所需重复频率敲击的脉冲。

根据本发明，传感器2和4可以是压电装置，电磁一声波装置（EMAT），磁致伸缩装置或其它能在壳体壁上产生声波或振动的装置。此外，检测器可以是一个加速度计或其它能将振动信号变为电信号的装置。

图3和图4表明了一个比较复杂的装置和预期用来实现本发明的一套计算机程序。在图3中，定时器44用来产生每秒3～5个电脉冲，这个频率是我们所推荐的。若高于这个频率，则容易发生前面的声波还在套管14和16中回荡时，后面的脉冲又来了，这样就会破坏测试结果。定时器44接到计算机46上，计算机去驱动脉冲发生器48，该脉冲发生器接到传感器2上。

传感器4与高增益放大器50和低增益放大器52相接，后两者又接到多路转接器54上并通过该转接器受计算机46的控制。由于通过环形空间传播的这部份声波信号比通过金属路径传播的声波信号要弱得多，故在预期的通过空气路径的声波信号传播期间，由多路转接器54 选择使用高增益放大器;而当在预期的通过金属通路的声波信号传播期间则由多路转接器54选择使用低增益放大器。

一个峰值检测器和保持电路56接在多路转接器54的输出端，检测并保持空气通路和金属通路检测期间所取得的最高电压信号。这个电路的输出又送给模/数转换器58，它将比例于峰值电压的数字信号送给计算机46，计算机46配有适当的指示装置。这套装置所使用的电路对于本发明所属技术领域里的普通专业人员来说，是公知的。

如上所述，图4表明了用来处理和指出检测结果的计算机程序。事实上，由于所发明的方法和设备常用在石油钻井现场，因此它要求尽可能避免使用那些复杂的指示设备和分析设备。为尽可能以简单方式加以显示，采用了三个指示灯。红灯表示管道环形空间的的空气压力超过了阈值;淡黄色的灯表示测试正在进行;绿灯则表示管道环形空间内的空气压力低于阈值因而被检查的隔热的蒸汽注入管道是可以使用的。

如图4所示，触发脉冲信号60使噪声在62步变为脉冲信号（取样），并在64步发出声脉冲。用适当的定时设备，使空气或说空气通路来的信号在66步上取样，而金属通路或说壳体材料通路来的信号在68步上取样。

从62来的噪声信号，经过低通滤波器70的处理后，产生以N表示的噪声信号，这个信号送至比较器74。

从空气通路来的取样信号，经过低通滤波器72的处理之后，产生一个相应于空气通路的峰值信号加噪声信号，以S+N表示。

在比较器74中，从空气通路信号和噪声信号的合成信号中减去噪声信号，从而得出相应于从空气通路中接收到的声波信号S。若S＝O这就表明没有声波信号通过环形空间，因而可以认为在壳体的环形空间中保持着良好的真空。

与此同时，金属通路信号在阈值单元76中进行处理，阈值单元 76将从68来的信号与最小的允许信号进行比较。若从68来的信号太小，这就表明声波耦合得不恰当或者设备出了其种故障。单元80就将所有的灯熄灭，以表示测量不当因而测得的数据不能用于正确的处理。

若金属通路的信号较阈值单元76事先所规定的数值足够大，则信号就在下一级低通滤波单元78中进行处理，而将其峰值信号在比值单元82中与空气通路来的峰值信号相比较。取空气通路信号S与金属通路信号M之比，送至另一个低通滤波器84进行处理。如果比值足够小，在86单元点亮绿灯，表示环形空间内真空良好。若比例不够小，则88单元中的红灯点亮，这就表明环形空间中存在过量空气。在信号处理过程中，淡黄色的灯（在80）一直是亮着的。应该注意，必须进行的取样次数，最好是三次以上。取样的测试结果彼此一致时，88中红灯或86中绿灯才会点亮，以表示这是最终测试结果。

低通滤波器用来平滑数据并取其平均值。根据数值舍弃准则，滤波程序也能将明显不合理数据舍去。而数据舍弃准则可以事先设置在滤波程序中。

在说明了本发明的几个具体应用实例并详细地叙述了本发明的原理是如何应用于实际之后，人们将会理解：在不脱离其基本原理的情况下发明的具体应用可以不同。

Claims (20)

1、检测在一个以内外套管为界的环形密闭空间内是否存在气体物质的方法。内容包括：

在套管壳体的第一点发出声波，从而使得至少有第一部份声波能在套管体内传播，而第二部份声波有可能通过环形空间所存在的气体而传播；

在套管壳体上选择第二点，第二点与第一点之间被环形空间所隔离；

确定是否有上述第二部份声波，通过环形空间的气体传播到第二点。

2、根据权利要求1的方法，包括确定声波通过环形空间中所含气体物质，由第一点到达第二点所需时间;为第一部份声波在管材内传播提供路径长度;使得第一部份声波通过壳体材料传播到达第二点时间，比第二部份声波通过环形空间中气体传播而到达第二点的时间要稍迟;确定是否有部份声波正好以计算所得时间到达第二点，所述计算时间为第二部份声波通过环形空间中的气体传播所需时间。

3、根据权利要求1的方法，包括将被检测到的声波幅度加以比较，以判定所检测到的声波中是否含有其幅度相应于声波通过环形空间的气体物质而传播过来的声波。

4、根据权利要求1的方法，包括为所述第一部份声波在壳体材料内传播提供路径长度，使得第一部份声波通过套管体内材料传播到达第二点的时间，不同于第二部份声波通过环形空间的气体传播而到达第二点的时间;以及根据声波产生和检测之间的时间间隔，鉴别到达第二点的声波的各部份。

5、根据权利要求4的方法，包括对检测到的声波各个部份进行比较，和确定已测得的声波各部份中是否存在其幅度相当于声波通过环形空间的气体而传播过来的声波。

6、根据权利要求4的方法，包括检测声波噪声，从原始检测到的第二部份声波信号中减去该噪声，以获得经过校正的第二部份声波;并据此获得经过校正的第二部份声波和第一部份声波之比值。

7、根据权利要求6的方法，包括检测到的第一部份声波跟其阈值进行比较，只有当检测到的第一部份声波高于该阈值时，才取经过校正的第二部份声波和第一部份声波之比。

8、根据权利要求7的方法，包括重复检测第二部份声波和第一部份声波，取多次结果一致的数值。

9、根据权利要求1的方法，其中的壳体包括一个由套管，一个围绕所述内套管的外套管并由此限定一个环形空间，和一个端部连接体-用以封闭所述内外管之间的环形空间，使所述第一和第二两点与所述连接体相隔一定距离。

10、根据权利要求9的方法，包括确定声波通过环形空间的气体物质由第一点传到第二点所需时间;为所述第一部份声波在管中传播提供路径长度，使第一部份声波通过壳体材料传播到达第二点的时间，比第二部份声波通过可能存在于环形空间中的气体而传到第二点的时间要迟;确定是否有一部份声波正好以计算所得时间到达第二点，该计算时间为第二部份声波通过环形空间的气体传播所需时间。

11、根据权利要求9的方法，包括将被检测到的声波幅度加以比较，并确定所检测到的声波中是否包含有其幅度相应于声波通过环形空间中的气体物质而传来的声波。

12、根据权利要求9的方法，包括为第一部份声波在壳体材料内传播提供路径长度，使得第一部份声波通过壳体材料传播到达第二点的时间，不同于第二部份声波通过环形空间中的气体传播而到达第二点的时间，并根据声波产生和检测之间的时间间隔来识别到达第二点的声波的各个部分。

13、根据权利要求12的方法，包括将检测到的声波各个部份幅度进行比较，并确定被检测的声波中，是否有其幅度相当于声波通过环形空间的气体而传来的声波。

14、探测以壳体为界的密闭空间内是否存在气体物质的方法，包括：

在壳体的第一点提供声波;

在壳体的某一部位相对于第一点选择第二个点，使得声波通过密闭空间内的气体由第一点传到第二点所需时间，比声波通过（包括不通过密闭空间的封装部分）由第一点传到第二点所需时间要少;

在壳体的第二点探测声波;

将声波由产生到开始探测之间的时间，与声波通过密闭空间的气体物质由第一点传到第二点所需时间进行比较。

15、探测以壳体为界的密闭空间内是否存在气体物质的装置：

声波发生装置，包括产生声波的第一个声传感器;

声波探测装置，包括用来探测声波的第二个声传感器;

用来在壳体上固定第一个传感器于第一个点，第二个传感器于第二个点，第一个点与第二个点又被密闭空间所隔离的一套固定部件。

16、根据权利要求15的一套装置，其中所述声波探测装置包括一个高增益放大器和一个低增益放大器，两者都连到第二个传感器和多路转接器上，多路转接器能在探测通过气体物质的声波时，将探测器切换到高增益放大器;而在探测通过壳体材料而传播的声波时，将探测器切换到低增益放大器上。

17、根据权利要求16的一套装置，其中所述声波发生器包括一个电脉冲发生器和压电传感器，用以产生多个脉冲宽度窄的超声波脉冲。

18、根据权利要求15的一套装置，其中所述的固定部件包括有与第一个传感器相连的第一臂和跟第二个传感器相连的第二臂，将上述两臂连在一起的铰链拉簧装置使两个传感器紧靠在一起，选择两臂的长度，使第一传感器固定在第一点，第二传感器固定在第二点上。

19、根据权利要求15的一套装置;其中所述声波探测装置，包括一个噪声探测部件，以探测第二点上的噪声信号;第一个声波探测器用来探测通过环形空间传来的声波，第二个声波探测器用来探测通过壳体材料传来的声波;接到噪声探测装置上的减法器，从第一个声波探测器所探测到的第一部份声波中减去噪声信号，以产生一个经过校正的第一部份声波信号;与减法器和第二个声波探测器相连的比值器，它能取经过校正的第一部份声波信号与第二部份声波信号幅值之比;与比值装置相连的显示装置，它能根据比值大小指出密闭空间内是否存在着大于阈值量的气体。

20、根据权利要求19的一套装置，包括与所述第二个声波探测器相连的阈值装置。阈值装置将通过壳体材料传来的第二部份声波与阈值相比，只有当第二部份声波信号大于阈值信号时，才将第二部份声波信号送到比值单元。

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