JPH0431064B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は一般的には検出装置に関し、特定する
と密閉空間中のガスの存在を検出する新規かつ有
用な方法および装置に関する。

少なくとも１本の内管と１本の外管を有する断
熱管構造体は周知であり、例えば油井や高温度も
しくは低温度の流体を輸送する複数の管内などに
設けられて蒸気注入用断熱管として使用される。
このような管配列は、例えばアレクサンドル
（Alexandru）らによる米国特許第3574357号明細
書およびオーエンス（Owens）らによる米国特
許3397345号明細書に例示されている。

外管と内管との間の環状空間が真空であれば、
これが蒸気注入管を断熱するための熱障壁として
機能することは周知である。この断熱効果は真空
維持に依存しているので、この環状空間内の圧力
状態を指示する信号が得られることが重要であ
る。これは困難である。なぜならこの蒸気注入管
内の環状空間は本来的に接近することが不可能で
あるからである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、非破壊的で非侵入的で簡単な
装置を利用して、現場で蒸気注入用断熱管の外管
と内管との間のような密閉空間中の真空損失を決
定することである。

本発明の他の目的は、設計上簡単で構造上強固
で製造費用が経済的な上記装置を提供することで
ある。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実
施例を説明する。

〔好ましい実施例の詳細な説明〕

第１図は、蒸気注入用断熱管１０の環状空間１
２内の圧力状態を決定する装置を例示している。
環状空間１２は内管１４と外管１６との間に配置
され、一方の終端部は、環状の栓もしくは封止体
１８のような封止手段により閉じられている。こ
の環状空間は、別の封止手段、たとえば管１４，
１６と同じもしくは同様の材料で作られており内
管１４および外管１６間の連続接続部２０のよう
な封止手段により、蒸気注入用断熱管１０の反対
側の端部で閉じられている。

本発明にあつては、環状空間１２のいずれの端
部における構造体もなんらかの特定の特性を有す
る必要はないが、少なくとも一方の構造体は予測
可能な速度で超音波を導くものであることが好ま
しい。

本発明が利用している基本原理は、音が空間を
伝達することができるのは、その空間に空気もし
くはその他のガスが存在している場合だけである
ということである。本発明は音波発生および（も
しくは）音波処理のための装置を利用している。

装置は第一トランスジユーサ２と第二トランス
ジユーサ４を含む。第一、第二トランスジユーサ
は、丁番２６で丁着された一対の腕２２，２４か
らなる取付手段６上に取付けられている。ばね２
８の形態の偏倚手段が該トランスジユーサ２，４
を閉じる方向に付勢している。第２図に例示され
ているように、第二トランスジユーサ４の表面は
第二点５で外管１６の外面に接触しており、凹面
形に湾曲している。第一トランスジユーサ２の表
面は第一点３で内管１４の内面に接触しており、
凸面形に湾曲している。第一点３と第二点５は環
状空間１２により隔てられている。

装置を使用する場合、腕２２と２４をばね２８
の偏倚に逆らつて押し広げて、トランスジユーサ
２，４が蒸気注入用断熱管１０の内面と外面に係
合してこれを挟むようにする。トランスジユーサ
と内・外管との間の音響的結合を一層親密にする
ことを保証するために、内・外管と接触するトラ
ンスジユーサの表面は適当な油もしくはグリース
を塗布することも可能である。

高電圧の電気パルスを発生するパルス発生器３
０が一方のトランスジユーサたとえば第一トラン
スジユーサ２に接続され、この第一トランスジユ
ーサ２で高電圧の電気パルスを超音波に変換す
る。他方すなわち第二トランスジユーサ４が増
幅・ろ波回路３２に接続されている。

オシロスコープ３４のような形態の検出器３４
が、検出用の第二トランスジユーサ４が受けた音
波に比例する信号を提供する第１入力ライン３６
に接続しており、またトリガが信号を発生して、
各動作サイクルについてオシロスコープの走査を
開始させるためのパルス発生器３０からの第２入
力ライン３８に接続している。

内管１４および外管１６の材料は環状の栓１８
や連結材料２０と同様に分つているので、この材
料を伝達する超音波の速度もまた分る。この速度
はオシロスコープ３４の走査速度と相関づけるこ
とができるので、連結材料２０を経由しパス長さ
４０に沿つて蒸気注入用断熱管１０の材料を伝達
する音波に起因する予期信号の位置を記録するこ
とができる。オシロスコープ３４は、ガスが環状
空間１２中に存在してもしなくても、すくなくと
もこの音波検出は表示する。

一般に内・外管は金属で作られており、音波
は、環状空間１２中にあると予想されるガス中よ
りも金属中を速く伝達するので、トランスジユー
サの位置を管に沿つて適当に選んで、音波が、連
結部２０を経由して管の材料中を伝達するパス長
さ４０を環状空間１２を横切るパス長さ４２より
もずつと長いものとする。管の材料中および環状
空間のガス中を伝達する音速を考慮して、パス長
さ４０，４２をこのように選択することにより、
環状空間のガス中を、パス長さ４２に沿つて通過
する音波部分は、管の材料中を、パス長さ４０に
沿つて伝達する音波部分よりも先に検出用のトラ
ンスジユーサ４に到達する。

パス長さ４２に沿つて音波が環状空間を横切る
時間の長さを知ることにより、オシロスコープ３
４は、音波が環状空間１２を伝達してきたかどう
かまたどの程度、音波が環状空間１２を伝達した
かを評価するために使用することができる。環状
空間が、通常ある大きさの真空状態であれば、音
は環状空間を伝達することができない。そのよう
な真空状態でもし音が環状空間を伝達するなら
ば、ガスがいくらかこの環状空間に漏れて、環状
空間の圧力がすくなくとも音が伝達することので
きるしきい値まで増加していることを示してい
る。

実験によれば、0.1気圧程度の低い圧力をこの
装置を使用して検出することができることが判明
した。本発明の装置および手法を使用して経験が
豊かになれば、さらに低い圧力も検出することが
予期される。音は金属中を空気（漏れが起つた場
合に環状空間１２内に典型的に見出されるガス）
よりも20倍程度速く伝わるので、パス長さ４０は
パス長さ４２によりも20倍長くし、さらに付加距
離を設けて、金属中のパスの波が検出される前に
微小空気パスの波がオシロスコープ上に十分な付
加時間をもつて検出されるようにパス長さ４０を
設定することが好ましい。環状空間１２に対する
間隙が典型的な1.0cm（0.4in）の場合、材料中を
通過する音波のパス長さ４０は約30cm（１ft）も
しくはそれ以上とすることが好ましい。

本発明の好ましい方法を実行するに当つて、第
一トランスジユーサ２が囲包体（内管）の第一点
３に短いバースト時間の超音波を提供する。この
音の１部分（第１部分）は、環状の囲包体（内管
と外管）の材料を通り全方向に伝達する。もし環
状空間１２にしきい値量の空気もしくはその他の
ガスが存在するならば、音の他の一部分（第２部
分）が環状空間に形成されたパス長さ４２を伝達
する。音が伝達する空間内のしきい値圧力がどの
程度であるかは正確には知られていないけれど
も、このしきい値圧力は、断熱効果の悪化を招く
圧力にほぼ相当すると考えられる。トリガパルス
が第二入力ライン３８に提供された後、第二点５
で受け取られる最初のパルス（第１パルス）はも
し環状空間がしきい値圧力を有するならば、パス
長さ４２に沿つて環状空間を伝達する分の音に対
応するパルスである。この信号の振幅は、環状空
間１２中の空気もしくはその他のガスの量によつ
て変化する。第二点５で受け取られる次のパルス
（第２パルス）の振幅は第１パルスの振幅よりも
ずつと大きく（1000倍程度大きい）さらに一定し
ている。なぜなら第２パルスは囲包体材料を通る
パス長さに沿つて伝達する音を表しているからで
ある。もちろん、音が伝達する環状空間がしきい
値圧力を有しない場合には、この第２パルスだけ
が検出される。実際問題として、第２パルスが検
出されるけれども、本発明にとつて、第２パルス
が検出されることは必須ではない。たとえば、も
しある音波が、環状空間を伝達する音波が到着す
ると算定される時刻に第二トランスジユーサ４で
検出されるならばもしくは音波が１つもしくは複
数検出される場合、検出された音波が環状空間中
のガス物質中を伝達する音波の振幅に相当する振
幅を有するならば、これは環状空間を伝達する音
波に相当することを示している。

電子的な雑音とある機械的雑音が常に存在しさ
らにこれが、フルサイズの蒸気注入用断熱管を扱
う時の油田における個有の問題であるので、１回
の試験では決定的な結論を出すことができない。
音の第１部分と、さらに重要なことには音の第２
部分が検出される時点で雑音信号もまた検出され
ることがある。この問題を解決するために、パル
ス信号が１秒間に数回（たとえば３〜５回）繰り
返され、検出ステツプもこれと同じ頻度で繰り返
される。雑音インパルスは不規則であるので、多
数回の繰返しの後に、所望の信号と雑音インパル
スとを区別することができる。これは、各繰返し
中、パルス信号が同じ波形であることを要求する
けれども、典型的な電子的パルサーはこの一定の
波形の繰返しパルスを提供する。

この見地により、本発明によれば、パルスを発
生するためにパルス発生器３０と電子的超音波用
第一トランスジユーサ２以外の装置が使用され得
る。たとえば、単なるハンマのような機械音発生
装置を使用してこれを機械的な打撃が必要なだけ
繰返し与えられるように配置することもできる。

本発明によれば、トランスジユーサ２，４に
は、圧電装置や電磁的音響装置（EMAT）や磁
気ひずみ装置もしくは囲包体の壁に音波もしくは
振動を発生することのできる他の装置を使用する
ことができる。さらに、検出器は、加速度計もし
くは振動を電気信号に変換することのできるその
他の装置を使用することができる。

第３図と第４図は、本発明を実施するために企
図された一層複雑な装置およびコンピユータ・プ
ログラムを例示している。第３図において、タイ
マ４４が、好ましくは１秒間に約３〜５個の率で
パルスを発生するために用意される。

これ以上パルスの率を高くするとゆがめられた
結果を招くことがある。なぜなら内・外管１４，
１６は、２番目のパルスが発生する時に最初の音
波で依然として鳴つていることがありうるからで
ある。タイマ４４はコンピユータ４６に接続し、
コンピユータ４６は、第一トランスジユーサ２に
接続されている音響パルサー４８を駆動する。

第二トランスジユーサ４は高利得増幅器５０と
低利得増幅器５２に接続し、該増幅器５０，５２
はマルチブレクサを介してコンピユータ４６に接
続し、該コンピユータにより制御される。環状空
間を伝達する音波は、金属パスを伝達する音波よ
りも確かにずつと弱いので、この空気パスからの
音が予期される時間中は、マルチブレクサ５４に
より高利得増幅器５０が選択され、金属パスから
の音が予期される時間中は、マルチブレクサ５４
によつて低利得増幅器５２が選択される。

ピーク検出・ホールド回路５６がマルチブレク
サ５４の出力と接続しており、空気パス用検出サ
イクル間と金属パス用検出サイクル間の各々の最
大値電圧を検出し保持する。この回路の出力は
Ａ／Ｄ変換器５８に提供され、ここで先のピーク
値に比例する信号がコンピユータ４６に戻されて
から適当な指示手段に提供される。このような装
置の回路構成は、本発明が係る技術分野の当業者
には周知である。

先に述べたように、第４図は、この検出方法の
結果を処理してこれを指示するコンピユータ・プ
ログラムを例示している。実際問題として、本発
明に係る方法と装置は通常の油井掘削場所のよう
な現場で使用されることを企図しているので、技
巧的な指示装置もしくは分析要件はできるだけ避
けることが好ましい。表示装置は可能な限り簡単
なものとするため、３種類の指示光線を使う方法
が企図される。赤色光源は、管の環状空間中はし
きい値量以上の空気が存在することを示す。こは
く色光源は、試験が継続中であることを示し、緑
色光源は、環状空間内の圧力がしきい値圧力以下
であることを示し、それゆえ、試験が行われてい
る蒸気注入用断熱管は使用可能であると考えられ
る。

第４図に例示されているように、トリガ信号６
０は番号６２で雑音をサンプルし、番号６４でバ
ースト音を引き起こす。適当なタイミング装置を
使用して、空気パス信号すなわち空気パス信号が
番号６６でサンプルされ、その後、金属パスすな
わち囲包体パスの信号が番号６８でサンプルされ
る。番号６２からの雑音信号は低域フイルタ７０
で処理され、雑音信号Ｎを発生し、この雑音信号
Ｎは比較器７４に供給される。

空気パス信号サンプルからの信号は、低域フイ
ルタ７２で処理され、空気パスのピーク信号に雑
音信号を加えた信号Ｓ＋Ｎを発生する。

比較器７４で、雑音信号と空気パス信号の和か
ら雑音信号が取り除かれ、空気パスから受け取ら
れる音に対応する信号Ｓを発生する。もしＳが０
ならば、環状空間を伝達する音は存在せず、囲包
体間は十分な真空状態が維持されていると考える
ことができる。

一方、金属パス信号は、番号６８からの信号を
最小許容信号と比較するしきい値ユニツト７６で
処理される。番号６８からの信号が低すぎれば、
音響的結合が適当でないかもしくは装置内にこれ
とは別の何らかの問題があることを示しており、
ユニツト８０のスイツチがすべての光を消して、
測定が不適当であり正しい処理のために使用する
ことができないことを指示する。

もし金属パス信号が、しきい値ユニツト７６で
決定されている値よりも十分高いならば、他の低
域フイルタ７８で処理され、比ユニツト８２で、
金属パスピーク信号と空気パスピーク信号とを比
較する。これは、空気パス信号Ｓと金属パス信号
Ｍの比を求めこの比は低域フイルタ８４で処理さ
れる。この比が十分低ければ、緑色光源８６が点
燈し、真空状態が良好であることを示す。もしこ
の比がかなり大きければ、赤色光源８８が点燈
し、システム中に過度の空気が存在することを示
す。この処理が行われている間、こはく色光源９
０が点燈している。赤色光源８８もしくは緑色光
源８６が点燈して最終的な結果を指示する前に、
相互に矛盾のない複数のサンプル、好ましくはす
くなくとも３個のサンプル、が得られねばならな
いことに留意されたい。

低域フイルタは、データを平滑化・平均化する
ために提供される。ろ波プログラムも設けられ、
ろ波プログラム中にプリセツトすることのできる
データ拒否基準に基づいて、何らかの明らかに不
良なデータを拒否する。

〔発明の結果〕

本発明によれば、空間中のガス物質の存在が検
出でき、たとえば、油井掘削場所などの現場で蒸
気注入用断熱管が使用可能かどうかを決定できる
などの効果を奏する。

本発明の技術思想に基づいて、様々な変更・応
用が可能であることは当業者には明らかであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による、蒸気注入用断熱管の
環状空間の圧力状態を試験する装置の模式図であ
り、蒸気注入用断熱管は断面図で示されている。
第２図は第１図の蒸気注入用断熱管の横断面図で
あり、２個のトランスジユーサの位置を示してい
る。第３図は、本発明による試験装置の配列を示
すブロツク図である。第４図は、本発明による、
圧力状態検出のためのコンピユータ・プログラム
の諸段階を示すフローチヤートである。以下、図
中の番号が示す名称を以下に挙げる。なお、図
中、重複する番号は同一部位を示すものとする。 ２：第一トランスジユーサ、３：第一点、４：
第二トランスジユーサ、５：第二点、６：取付手
段、１０：蒸気注入用断熱管、１２：環状空間、
１４：内管、１６：外管、１８：環状の栓（封止
体）、２０：連続接続部（連結材料）、２２，２
４：腕、２６：丁番、２８：偏倚手段（ばね）、
３０：パルス発生器、３２：増幅・ろ波回路、３
４：オシロスコープ、３６：第１入力ライン、３
８：第２入力ライン、４０：パス長さ、４２：パ
ス長さ、４４：タイマ、４６：コンピユータ、４
８：音響パルサー、５０：高利得増幅器（空気パ
ス用）、５２：低利得増幅器（金属パス用）、５
４：マルチブレクサ、５６：ピーク検出・ホール
ド回路、５８：Ａ／Ｄ変換器、６０：トリガ信
号、６２：雑音サンプル、６４：バースト音発
生、６６：空気パス信号サンプル、６８：金属パ
ス信号サンプル、７０：低域フイルタ、７２：低
域フイルタ、７４：比較器、７６：しきい値ユニ
ツト、７８：低域フイルタ、８０：ユニツト、８
２：比ユニツト、８４：低域フイルタ、８６：緑
色光源、８８：赤色光源、９０：こはく色光源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 囲包体１０によつて形成される空間１２内の
   ガス物質の存在を検出する方法において、 該囲包体１０上の第一点３に音波を供給して、
   該音波のすくなくとも第１部分が該囲包体の材料
   中を通過し、該音波の第２部分が該空間１２中の
   ガス物質中を通過するようにし、 該空間１２によつて該第一点３から離間されて
   いる第二点５を該囲包体１０上に選択し、 該空間１２のガス物質中を伝達する該音波の第
   ２部分が該第二点５に到達するかどうかを決定
   し、 音波が該空間１２のガス物質中を第一点３から
   第二点５へ伝達する時間の長さを決定し、 該空間１２のガス物質中を伝達し得る該音波の
   第２部分が該第二点５に到達する時点よりも遅い
   時間に、該第１部分が該第二点５に到達するよう
   に該材料を伝達する該音波の該第１部分に対して
   パス長さ４０を定め、 該音波の一部分が、該空間１２中のガス物質を
   伝達し得る該音波の第２部分が該第二点５に到達
   すると予測される該時点に、該第二点５に到達す
   るかどうかを決定することから成るガス物質の存
   在の検出方法。 ２ 前記第二点５に到達する前記音波部分を該音
   波部分の発生と検出との間の時間の長さによつて
   識別することを含む特許請求の範囲第１項記載の
   ガス物質の存在の検出方法。 ３ 該音波の検出部分の振幅を比較し、該検出部
   分のいずれかが、該空間１２のガス物質中を伝達
   する音波部分の振幅に相当する振幅を有するかど
   うかを決定することを含む特許請求の範囲第１項
   または第２項のいずれかに記載のガス物質の存在
   の検出方法。 ４ 音雑音を検出し、最初に検出された該音波の
   第２部分から該音雑音を減算７４して該音波の修
   正された第２部分を得、その後、該音波の修正さ
   れた第２部分と該音波の該第１部分との比８２を
   得ることを含む特許請求の範囲第２項記載のガス
   物質の存在の検出方法。 ５ 検出された該音波の第１部分としきい値とを
   比較７６して、該検出された該音波の第１部分が
   該しきい値よりも大きい場合にのみ、該音波の該
   修正された第２部分と第１部分との間の比８２を
   得ることを含む特許請求の範囲第４項記載のガス
   物質の存在の検出方法。 ６ 該音波の第２部分の該最初の検出と該音波の
   第１部分の該検出を複数回繰り返して、該音波の
   第１部分と第２部分に関して矛盾のない値を得る
   ことを含む特許請求の範囲第５項記載のガス物質
   の存在の検出方法。 ７ 該囲包体１０は内管１４と該内管１４を取り
   囲む外管１６を含み、ここに環状空間１２を形成
   し、さらに該囲包体１０は、該内管１４と該外管
   １６間に該環状空間１２を閉じる終端接続部２０
   を含み、該第一点３と該第二点５は該終端接続部
   ２０より離間されている特許請求の範囲第１項〜
   第６項のいずれかに記載のガス物質の存在の検出
   方法。 ８ 囲包体１０によつて形成される空間１２内の
   ガス物質の存在を検出する装置において、 該囲包体１０上の第一点３に装着されておりそ
   して音波を発生するための第一の音響トランスジ
   ユーサ２を含む音波発生手段と、 (i)該空間１２によつて前記第一点３から離間さ
   れている該囲包体１０上の第二点５に装着されて
   おりそして音波を検出するための第二音響トラン
   スジユーサ４と、(ii)当該第二音響トランスジユー
   サ４に接続された高利得増幅器５０および低利得
   増幅器５２と、(iii)該空間１２のガス物質中を伝達
   する音波の部分を検出するために該高利得増幅器
   ５０を開閉し、該空間１２中を伝達せずに該囲包
   体１０の材料中を伝達する音波の部分を検出する
   ために該低利得増幅器５２を開閉するマルチプレ
   クサ手段５４とを備えた音波検出手段と からなるガス物質の存在を検出する装置。 ９ 該音波検出手段は、 該第二点５で雑音信号を検出するための雑音検
   出手段６２と、 該空間１２を伝達する音波部分を検出するため
   の第１音波検出手段６６と、 該囲包体１０の材料中を伝達する音波部分を検
   出するための第２音波検出手段６８と、 該第１音波検出手段６６によつて検出される第
   １音波部分から雑音信号を減算して、修正された
   第１音波部分信号を発生するために、該雑音検出
   手段６２に接続されている減算器７４と、 該減算器７４と該第２音波検出手段６８に接続
   して、該修正された第１音波部分信号と該第２音
   波部分信号との振幅の比を得るための比手段８２
   と、 該比手段８２に接続して、該比手段８２からの
   比の大きさによつて、該空間１２中にしきい値量
   以上のガス物質の有無を示すための表示手段８
   ６，８８と、 を含む特許請求の範囲第８項記載のガス物質の存
   在を検出する装置。 １０ 該第２音波部分検出手段６８に接続して、
   該囲包体材料を伝達する第２音波部分としきい値
   とを比較して、該第２音波信号が該しきい値より
   も大きい場合にのみ、該第２音波信号を該比手段
   ８２に伝達するしきい値手段７６を含む特許請求
   の範囲第９項記載のガス物質の存在を検出する装
   置。 １１ 該音波発生手段は、複数の超音波短パルス
   を発生するための電子的パルサー３０，４８と圧
   電トランスジユーサ２とから成る特許請求の範囲
   第８項〜第１０項のいずれに記載のガス物質の存
   在を検出する装置。 １２ 該第一トランスジユーサ２に接続する第１
   腕２２と該第二トランスジユーサ４に接続する第
   ２腕２４と、 該第１腕２２と該第２腕２４とを接続して、該
   第１腕と該第２腕を丁着する丁番手段２６と、 該第１腕２２と該第２腕２４とを偏倚して、該
   第一トランスジユーサと該第二トランスジユーサ
   を閉じる方向に付勢する偏倚手段２８と、 を備えており、該第１腕２２と該第２腕２４の長
   さは、該第一トランスジユーサ２を該第一点３
   に、そして該第二トランスジユーサ４を該第二点
   ５に位置付けられるように選択されている特許請
   求の範囲第８項〜第１１項のいずれかに記載のガ
   ス物質の存在を検出する装置。