[发明专利]用于测量井中流体过程变量的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及在井中进行测量。更具体地，本发明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。

发明内容

一种用于感测第一位置处的流体的过程变量的传感器，包括：可变谐振器，所述可变谐振器位于所述第一位置处，具有响应于所述流体的过程变量而变化的谐振频率，并响应地在响应频率下提供指示过程变量的谐振声信号。设置在第二位置处并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。连接至所述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。

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是示出根据本发明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

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。

根据本发明，提供一种被动式井底流体过程变量测量系统。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信号。测量电路配置成测量谐振信号，例如谐振信号的频率或振幅，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。

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。