專利名稱：在一個(gè)流體傳輸管道中測(cè)量數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在一個(gè)流體傳輸管道中測(cè)量數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備以及一個(gè)形成這樣一個(gè)設(shè)備一部分的感應(yīng)裝置。
通常希望測(cè)量一個(gè)流體傳輸管道中的實(shí)際數(shù)據(jù)，例如溫度、壓力和流體速度和/或成分。但是，對(duì)管道設(shè)置在很長(zhǎng)的時(shí)間下沿管道的長(zhǎng)度測(cè)量這樣的數(shù)據(jù)的傳感器通常不實(shí)際或經(jīng)濟(jì)上不可行。在這種情況下，使用所謂的智能塊測(cè)量數(shù)據(jù)，但是由于這些智能塊通過(guò)管道泵給，它們是大件設(shè)備，橫跨了管道的寬度，因此不適于在流過(guò)管道的流體中進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。而且系留的傳感器探頭用于在管道中測(cè)量數(shù)據(jù)，但這些探頭行程有限并需要復(fù)雜而昂貴的卷繞操作。
國(guó)際專利申請(qǐng)PCT/US97/17010公開(kāi)了一種細(xì)長(zhǎng)的自治式機(jī)器人，它由一個(gè)連在地面上的動(dòng)力和控制單元上的發(fā)射模塊釋放到一個(gè)原油和/或天然氣開(kāi)采井的井孔中。細(xì)長(zhǎng)的機(jī)器人裝有傳感器和臂桿和/或輪子，使機(jī)器人可以行走、滾動(dòng)或通過(guò)井的一個(gè)下區(qū)爬上和爬下。將發(fā)射模塊插入井中以及機(jī)器人通過(guò)井的運(yùn)動(dòng)是很復(fù)雜的操作過(guò)程，并需要復(fù)雜、精細(xì)和昂貴的推進(jìn)設(shè)備。
美國(guó)專利Re.32,336公開(kāi)了一種細(xì)長(zhǎng)的測(cè)井儀，它在一個(gè)鉆管的下端降入一個(gè)井孔中。當(dāng)鉆管到達(dá)井孔的下區(qū)時(shí)，測(cè)井工具釋放，降到井底并由一個(gè)通過(guò)鉆管向井頭延伸的纜繩回收。
美國(guó)專利3,086,167公開(kāi)了一種井孔測(cè)井工具，它通過(guò)一個(gè)鉆桿降到正好位于鉆頭之上的一個(gè)位置，以在鉆井過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量。此工具可以由一個(gè)收回工具從鉆桿回收。
美國(guó)專利4,560,437和5,553,677以及國(guó)際專利申請(qǐng)WO93/18277公開(kāi)了其他的由一個(gè)收回工具或一個(gè)纜繩從井中被取回的細(xì)長(zhǎng)的井孔傳感器組件。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)在一個(gè)流體傳輸管道中測(cè)量數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備，并且不需要永久安裝的傳感器，復(fù)雜的纜繩工具和/或機(jī)器人傳輸工具，并且使用了一個(gè)可以通過(guò)管道移動(dòng)而不會(huì)阻塞管道的感應(yīng)裝置，這樣可以在管道中的流體中進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。
本發(fā)明的方法包括以下步驟提供一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)裝置，每個(gè)感應(yīng)裝置都包括測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)的傳感器，一個(gè)處理測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理器，以及一個(gè)包含傳感器和數(shù)據(jù)處理器的保護(hù)外殼，此外殼具有一個(gè)比管道的平均內(nèi)部寬度較小的平均外部寬度，這樣管道中的流體允許繞感應(yīng)裝置流動(dòng)；將此一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)裝置插入管道中；致動(dòng)至少一個(gè)插入的感應(yīng)裝置的傳感器和數(shù)據(jù)處理器以測(cè)量和處理管道中的實(shí)際數(shù)據(jù)；釋放至少一個(gè)感應(yīng)裝置，其傳感器和數(shù)據(jù)處理器在管道中致動(dòng)或已經(jīng)致動(dòng)；使每個(gè)釋放的感應(yīng)裝置通過(guò)管道移動(dòng)一個(gè)選定的縱向距離；以及將由數(shù)據(jù)處理器處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳遞給管道外的一個(gè)數(shù)據(jù)收集裝置上。
外殼既堅(jiān)固又緊湊，這樣感應(yīng)裝置可以通過(guò)管道行進(jìn)很長(zhǎng)的距離，并相對(duì)于管道的內(nèi)部寬度較小，以便不會(huì)阻礙流體通過(guò)管道。
最好感應(yīng)裝置不裝備外部機(jī)械推進(jìn)裝置，例如推進(jìn)器、輪子或機(jī)器人臂，以便傳感器很緊湊并且每個(gè)釋放了的感應(yīng)裝置可以在由通過(guò)管道流動(dòng)的流體產(chǎn)生的液壓動(dòng)力、浮力、重力和/或磁力的影響下自由通過(guò)管道移動(dòng)。
本發(fā)明的方法既可以用于例如由其中流體通過(guò)其流動(dòng)的一個(gè)通道形成的開(kāi)口流體傳輸管道。又可以用于具有一個(gè)管形的閉合的流體傳輸管道。例如，開(kāi)口管道可以是水道或河道、導(dǎo)水道或排水管。對(duì)閉合的管道而言，最好每個(gè)感應(yīng)裝置具有一個(gè)基本為球形的保護(hù)外殼，并且在一個(gè)平均內(nèi)徑比球形保護(hù)外殼的平均外徑至少大20％的管狀管道中釋放，而且傳感器和數(shù)據(jù)處理器形成一個(gè)微機(jī)電設(shè)備的一部分，此設(shè)備帶有集成的傳感、導(dǎo)向、動(dòng)力和數(shù)據(jù)存貯和/或數(shù)據(jù)傳輸部件。
本發(fā)明的方法非常適用于形成一個(gè)地下原油和/或天然氣開(kāi)采井的井孔管狀管道。在此情況下最好管狀管道形成一個(gè)地下碳?xì)浠衔锪黧w開(kāi)采井孔的一部分，并且具有一個(gè)外徑小于15cm的球形保護(hù)外殼的感應(yīng)裝置順序地在管道中釋放而且使每個(gè)感應(yīng)裝置都沿井孔的至少部分長(zhǎng)度移動(dòng)。
適當(dāng)?shù)?，多個(gè)感應(yīng)裝置貯存在接近井下端的一個(gè)井孔位置上并在管道中順序釋放，而且每個(gè)釋放了的感應(yīng)裝置都可以隨著開(kāi)采出的碳?xì)浠衔锪黧w向井頭流動(dòng)。在此情況下，最好感應(yīng)裝置貯存在一個(gè)裝有遙測(cè)致動(dòng)感應(yīng)裝置釋放機(jī)構(gòu)的貯存器中，并且每個(gè)感應(yīng)裝置包括一個(gè)球形環(huán)氧樹(shù)脂外殼，其中包含一個(gè)熱敏性的溫度傳感器，一個(gè)壓晶硅壓力傳感器和一個(gè)回轉(zhuǎn)式和/或萬(wàn)向?qū)蚣铀賰x基的位置傳感器以及一個(gè)由電子RAM形成的數(shù)據(jù)處理器，其中這些傳感器由一個(gè)可充電的電池或電容供能。
或者，或除了導(dǎo)向加速儀之外，一個(gè)傳感器例如可以由一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器有效檢測(cè)套管接頭的傳感器可以設(shè)置成通過(guò)計(jì)數(shù)接頭數(shù)而跟蹤位置。而且最好每個(gè)感應(yīng)裝置包括一個(gè)球形塑料外殼，外殼裝有至少一個(gè)周向被包裹的導(dǎo)電線圈，此線圈起一個(gè)用于通訊的無(wú)線電頻率或感應(yīng)天線線圈的作用以及起一個(gè)用于電容或電池的感應(yīng)充電器的作用，而且每個(gè)感應(yīng)裝置至少在由感應(yīng)裝置釋放機(jī)構(gòu)釋放到井孔中之前暴露在一個(gè)電磁場(chǎng)下，并且每個(gè)釋放了的感應(yīng)裝置在或接近地面回收并然后與一個(gè)由無(wú)線方法從回收了的感應(yīng)裝置取走數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀取和處理設(shè)備相連。
如果井孔包括一個(gè)具有可磁化的例如為鋼的壁的井管或包含一個(gè)縱向可磁化的條塊或線圈，則感應(yīng)裝置裝有磁致滾動(dòng)移動(dòng)部件，當(dāng)感應(yīng)裝置由致動(dòng)的滾動(dòng)位移部件通過(guò)井孔移動(dòng)選定的縱向距離時(shí)，這些部件使感應(yīng)裝置可以保持與可磁化部件滾動(dòng)接觸。傳感器還包括一個(gè)跟蹤移動(dòng)的距離的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器以及一個(gè)用于檢測(cè)井孔中標(biāo)記點(diǎn)的傳感器。井中的標(biāo)記點(diǎn)從包括一個(gè)套管接點(diǎn)和/或條形碼標(biāo)記點(diǎn)的組中選擇。在此情況下，最好磁致滾動(dòng)移動(dòng)部件包括一個(gè)磁轉(zhuǎn)子，如果井管具有一個(gè)基本水平或向上傾斜的方向，此轉(zhuǎn)子使感應(yīng)裝置縱向通過(guò)井管滾動(dòng)。
本發(fā)明的設(shè)備包括-至少一個(gè)感應(yīng)裝置，感應(yīng)裝置包括用于測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)的傳感器，一個(gè)用于處理所測(cè)量的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理器，以及一個(gè)包含所述傳感器和數(shù)據(jù)處理器的基本為球形的保護(hù)外殼，此外殼具有一個(gè)比管道的平均內(nèi)部寬度小的外部寬度，這樣管道中的流體就可以圍繞殼體流動(dòng)；-致動(dòng)每個(gè)裝置的傳感器和數(shù)據(jù)處理器以測(cè)量和處理管道中的實(shí)際數(shù)據(jù)的動(dòng)力裝置；-一個(gè)用于在管道中順序釋放一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)裝置的釋放機(jī)構(gòu)；以及-一個(gè)位于管道外側(cè)并且由每個(gè)釋放的感應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)處理器收集的數(shù)據(jù)向其傳遞的數(shù)據(jù)收集裝置。
如果設(shè)備用于管道形成一個(gè)地下碳?xì)浠衔镩_(kāi)采井的一部分，并且所述設(shè)備包括一個(gè)貯存器，用于貯存若干個(gè)感應(yīng)裝置，其中所述貯存器裝有一個(gè)用于在管道中順序釋放感應(yīng)裝置的遙測(cè)致動(dòng)感應(yīng)裝置釋放機(jī)構(gòu)；一個(gè)用于在或接近地面回收釋放了的感應(yīng)裝置的感應(yīng)裝置回收機(jī)構(gòu)以及一個(gè)從回收了的感應(yīng)裝置取走數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀取和收集設(shè)備。
或者，傳感器可以釋放到一個(gè)魚(yú)雷形的閉合腔中，其重于管道流體并從而沉到管道的底部上。在管道下端，傳感器可以釋放以浮回井頭。當(dāng)其中插入魚(yú)雷形物的管道相對(duì)平，或具有相對(duì)平的部分，魚(yú)雷形閉合物可以裝有一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)，例如一個(gè)推進(jìn)器，或二氧化碳射流，以確保閉合物足以到達(dá)管道深處。
用于本發(fā)明設(shè)備中的一種感應(yīng)裝置包括一個(gè)具有小于15cm的外徑的球形保護(hù)外殼，該外殼包含用于測(cè)量井中實(shí)際數(shù)據(jù)的傳感器以及一個(gè)數(shù)據(jù)處理器，所述傳感器和數(shù)據(jù)處理器形成一個(gè)帶有集成靈敏元件的微機(jī)電設(shè)備的一部分，一導(dǎo)向部件，一動(dòng)力部件，一從一數(shù)據(jù)貯存部件和一數(shù)據(jù)傳遞部件形成的組中選擇的部件；以及至少一個(gè)周向包裹的導(dǎo)向線圈，此線圈起用于通訊的一個(gè)無(wú)線電頻率或感應(yīng)天線的作用，并起一個(gè)用于所述裝置的動(dòng)力部件的感應(yīng)充電器的作用。


圖1示出裝有本發(fā)明的一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備的原油和/或天然氣開(kāi)采井，其中感應(yīng)裝置從一個(gè)井孔貯存器中釋放。
圖2示出用于圖1中所示設(shè)備的一個(gè)球形感應(yīng)裝置的放大的立體圖。
圖3示出裝有本發(fā)明一個(gè)變化的數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備的原油和/或天然氣開(kāi)采井，其中感應(yīng)裝置在井頭釋放并滾入井中。
圖4示出用于圖3所示的設(shè)備中的一個(gè)球形感應(yīng)裝置的放大的立體圖。
圖5是一個(gè)井的縱向剖視示意圖，其中感應(yīng)裝置從一個(gè)熔化的魚(yú)雷形支承工具上釋放。
圖6是包括一個(gè)未位于井中的處理器的井的縱向剖視示意圖。
圖7示意性示出了裝有一個(gè)魚(yú)雷形發(fā)射模塊的井頭。
圖8示出了圖7的發(fā)射模塊在魚(yú)雷形物已發(fā)射后的情形。
圖9和10示出在魚(yú)雷形物發(fā)射過(guò)程中魚(yú)雷形物發(fā)射模塊的下部的詳圖。
圖11示出在原油和/或天然氣開(kāi)采操作過(guò)程中的發(fā)射模塊，同時(shí)使用傳感器卡緊指狀物。
圖12示出在三個(gè)傳感器已被收回后在其一收回位置的流量套。
下面參見(jiàn)圖1，其中示出油和/或天然氣開(kāi)采井，它垂直于地層2并且裝有一個(gè)本發(fā)明的數(shù)據(jù)測(cè)量裝置。
數(shù)據(jù)測(cè)量裝置包括一個(gè)井下貯存容器3，其中存有多個(gè)球形感應(yīng)裝置4。
貯存容器3裝有一個(gè)感應(yīng)裝置釋放機(jī)構(gòu)5，當(dāng)其由通過(guò)一個(gè)無(wú)線信號(hào)源(未示出)例如在地面7上的一個(gè)地震源傳遞的遠(yuǎn)程信號(hào)6致動(dòng)時(shí)此機(jī)構(gòu)5釋放一個(gè)感應(yīng)裝置4。
存貯容器3由一個(gè)將容器3拉至井筒1的下端8鋼絲繩(未示出)安裝，或由一個(gè)將容器移至井筒1的下端8的井下小車或機(jī)器人裝置(未示出)安裝。
然后容器3可釋放地固定在井筒下端8附近，這樣它可以當(dāng)空載或如果需要維修或檢測(cè)時(shí)可以被替換。
如果感應(yīng)裝置4由釋放機(jī)構(gòu)5從容器3釋放，油和/或天然氣流8將帶動(dòng)裝置4通過(guò)井筒1朝向井頭9運(yùn)動(dòng)。釋放機(jī)構(gòu)可以由遙測(cè)技術(shù)起動(dòng)，或可以預(yù)先編程以根據(jù)一個(gè)時(shí)間或在特定的條件下釋放感應(yīng)裝置。
如圖2中所示，感應(yīng)裝置4具有一個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂或其他堅(jiān)固的塑性球形外殼10，包含一個(gè)微電子機(jī)械裝置(MEMS)，此裝置包括一個(gè)微型壓電硅壓力傳感器11，一個(gè)用于溫度測(cè)量的雙金屬桿結(jié)構(gòu)12，多向?qū)蚣铀賰x13以及微型傳導(dǎo)性光學(xué)電容/閉光裝置，它們組合成一個(gè)整體的硅結(jié)構(gòu)或個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)主板14或單晶硅(定制的)。
外殼10中的壓力口15提供井孔流體和壓電硅壓力傳感器11之間連通，而外殼10中的一個(gè)溫度口16提供井孔流體和起溫度傳感器作用的雙金屬桿結(jié)構(gòu)12之間的連通。
環(huán)氧樹(shù)脂10設(shè)有封在硬樹(shù)脂中的周向包裹的線環(huán)17，其作用既起一個(gè)無(wú)線電通訊的天線環(huán)的作用，又起一個(gè)用于裝載的高溫電池或電容18的感應(yīng)充電器的作用。合適的高溫電池是陶瓷鋰離子電池，在國(guó)際專利申請(qǐng)WO97/10620中對(duì)此有描述。
不用或除了導(dǎo)向加速儀13外，感應(yīng)裝置4還可以裝有霍爾效應(yīng)傳感器或微型機(jī)械式回轉(zhuǎn)儀，以精確測(cè)量傳感裝置4在井筒中的位置?；魻栃?yīng)傳感器可以計(jì)數(shù)井筒中的接點(diǎn)，以跟蹤距離。
當(dāng)感應(yīng)裝置4由釋放機(jī)構(gòu)5釋放并通過(guò)井孔4行進(jìn)時(shí)，傳感器11、12、13和14測(cè)量開(kāi)采出的原油和/或天然氣或者其他井筒流體的溫度、壓力和組分，以及感應(yīng)裝置4的位置，并將這些數(shù)據(jù)傳送給一個(gè)微型隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)芯片，此芯片形成PC主板結(jié)構(gòu)14的一部分。
在釋放的感應(yīng)裝置4經(jīng)過(guò)水平井流入?yún)^(qū)19后，它與開(kāi)采出的原油和/或天然氣一起流入開(kāi)采管20中并到達(dá)井頭9。在或接近井頭9處或在開(kāi)采設(shè)備附近，感應(yīng)裝置4由一個(gè)篩網(wǎng)或一個(gè)電磁回收機(jī)構(gòu)(未示出)回收，并且貯存在RAM芯片中的數(shù)據(jù)由一種無(wú)線傳輸方法下載到一個(gè)計(jì)算機(jī)中(未示出)，在計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)被貯存、分析和/或進(jìn)一步處理，其中所述方法使用線環(huán)17做為一個(gè)天線或感應(yīng)環(huán)。
感應(yīng)裝置4具有一個(gè)只有幾厘米的外徑，因此可以在貯存容器3中貯存幾百個(gè)感應(yīng)裝置4。
通過(guò)將一個(gè)感應(yīng)裝置4順序釋放到開(kāi)采的井孔流體中，例如在幾個(gè)星期或幾個(gè)月為時(shí)間間隔，本發(fā)明的裝置可以產(chǎn)生大量的覆蓋井筒1工作壽命許多年的數(shù)據(jù)。
圖1和2所示的裝置需要很小的井下基本設(shè)施并不需要井下纜繩，這樣它就可以安裝在任何現(xiàn)存的井中。
如果一個(gè)井包含一個(gè)井下障礙物，例如一個(gè)井下油，那么就要在井下障礙物之上安裝一個(gè)感應(yīng)裝置固定器，并且感應(yīng)裝置中貯存的數(shù)據(jù)由固定器讀取并傳遞給地面，然后充滿的感應(yīng)裝置重新釋放并會(huì)由泵或其他障礙物碰碎。
下面參見(jiàn)圖3，其中示出一個(gè)垂直地層31的原油和/或天然氣開(kāi)采井30。
井30包括一個(gè)鋼制井筒套管32和一個(gè)開(kāi)采管34，其中套管32由一個(gè)環(huán)形水泥體33固定到位，而開(kāi)采管34在其下端向一個(gè)開(kāi)采襯套35安裝到套管32上并向上延伸到井頭36。
一截頭圓錐形的鋼制導(dǎo)向縮孔管37設(shè)置在開(kāi)采管34的下端上，并且突出物38穿過(guò)套管32和水泥環(huán)33的水平下部進(jìn)入周圍的包含原油和/或天然氣的地層31中，以便于原油和/或天然氣流入井30中。
兩個(gè)感應(yīng)裝置40在向下的方向中通過(guò)開(kāi)采管34和套管32滾動(dòng)，而一第三感應(yīng)裝置貯存在井頭36處的一個(gè)感應(yīng)裝置貯存箱41中。
如圖4中所示，每個(gè)感應(yīng)裝置具有一個(gè)環(huán)形塑料外殼42，其中裝有感應(yīng)設(shè)備及一系列可充電電池43，一個(gè)磁鐵44，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)45和驅(qū)動(dòng)其上裝有一個(gè)偏心配重48的軸47的電動(dòng)機(jī)46，一個(gè)可充氣橡膠圈49和一個(gè)既起用于無(wú)線通訊的天線環(huán)作用又起用于電池43的感應(yīng)充電器作用的周向環(huán)繞的線環(huán)50。
轉(zhuǎn)動(dòng)偏心配重48的磁鐵44和電機(jī)45形成磁致移動(dòng)裝置的一部分，此裝置使感應(yīng)裝置沿鋼制開(kāi)采管34和套管32的內(nèi)側(cè)滾動(dòng)，同時(shí)保持與其相連。感應(yīng)裝置的導(dǎo)向裝置可以包括一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)由感應(yīng)裝置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)量，以決定其在井30中的位置。
當(dāng)感應(yīng)裝置裝有磁致轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)部件時(shí)，井筒套管可以起一個(gè)井管的作用，具有一個(gè)可磁化的壁或一個(gè)縱向可磁化的繩或纜索，當(dāng)感應(yīng)裝置垂直井筒時(shí)，套管可以使感應(yīng)裝置保持與井管或縱向繩或纜索滾動(dòng)接觸。在此實(shí)施例中，感應(yīng)裝置可以裝有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器和一個(gè)傳感器，用于檢測(cè)井管中的標(biāo)記點(diǎn)，例如套管接點(diǎn)和/或條形碼標(biāo)記點(diǎn)，以確定其在井管中的位置。
一個(gè)磁致滾動(dòng)移動(dòng)設(shè)備可以包括一個(gè)磁轉(zhuǎn)子，如果井管具有基本水平或一個(gè)向上傾斜的方向，此設(shè)備使感應(yīng)裝置在一個(gè)縱向通過(guò)井管轉(zhuǎn)動(dòng)。
在井30的水平流入?yún)^(qū)中，電機(jī)46將使偏心配重48轉(zhuǎn)動(dòng)，從而感應(yīng)裝置40向井30的下端51滾動(dòng)。在到達(dá)下端51之后，電機(jī)47反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使感應(yīng)裝置40向在基本豎直的開(kāi)采管34的底部上的導(dǎo)向縮孔管37往回滾動(dòng)。
然后感應(yīng)裝置對(duì)橡膠環(huán)49充氣并通過(guò)開(kāi)采管34向上浮起，從而回到井頭上的貯存盒41中，其中在裝置40井下作業(yè)過(guò)程中由裝置40記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)由線環(huán)50回收，而電池43重新充電。
除了轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器外，圖4所示的感應(yīng)裝置40的感應(yīng)設(shè)備與圖2所示的裝置4的感應(yīng)設(shè)備相似。這樣，裝置40包括一個(gè)MEMS,MEMS包括一個(gè)由一壓力口53與井筒流體相接觸的壓力傳感器52，一個(gè)溫度傳感器54由一個(gè)溫度口55與井筒流體相接觸，導(dǎo)向加速儀56和微型傳導(dǎo)光學(xué)電容/閉光設(shè)備組合成一個(gè)內(nèi)部個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)主板57，此主板包括一個(gè)中央處理器(CPU)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，以收集、處理和/或貯存測(cè)量的數(shù)據(jù)。一些或全部數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在CPU-RAM系統(tǒng)中，直到裝置40回收到開(kāi)頭36的貯存盒41處。
或者一些或全部數(shù)據(jù)可以由線環(huán)50做為電磁波58向一個(gè)接收系統(tǒng)(未示出)傳遞，此接收系統(tǒng)要么位于地面要么裝在井30的井孔中。接收系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄，并且如果感應(yīng)裝置40也裝有一個(gè)裝載的攝像機(jī)時(shí)很有吸收力，以便可以詳細(xì)觀察到井30工作壽命的許多年中的情況。
圖3和4中所示的感應(yīng)裝置40的球形外殼42具有一個(gè)最好在5至15cm之間，而更好在9至11cm之間的外徑，此外徑大于圖1和2中所示的感應(yīng)裝置4的外殼10的直徑。
但是，感應(yīng)裝置40的外徑仍至少小于開(kāi)采管34內(nèi)徑的20％，這樣井筒流體可以完全圍繞裝置40的球形外殼42流動(dòng)，而且裝置40不會(huì)妨礙井筒流體的流出，這樣裝置40就可以收集井下實(shí)際的開(kāi)采數(shù)據(jù)。
如果需要，相同的感應(yīng)裝置40可以順序釋放到井32中收采開(kāi)采數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)只需要少量的設(shè)備。
下面參見(jiàn)圖5，其中示出了一個(gè)插入一地層61中的井60。井60具有一個(gè)裝有發(fā)射管63的井頭62，一個(gè)魚(yú)雷形狀的傳感器裝置支承工具64可以由發(fā)射管63發(fā)射到井60中。
發(fā)射管63裝有一個(gè)上位閥65和一個(gè)下位閥66。當(dāng)支承工具64插入發(fā)射管63中對(duì)上位閥65打開(kāi)而下位閥66關(guān)閉。然后上位閥64關(guān)閉而下位閥65打開(kāi)，使支承工具64落入井60中。圖5中示出的井60為J形并裝有一個(gè)位于井60上部中的豎直開(kāi)采管67。井60的下部?jī)A斜并形成一個(gè)流入?yún)^(qū)，由此原油和/或天然氣由箭頭68所示流入井孔中。
當(dāng)導(dǎo)管是一個(gè)開(kāi)口導(dǎo)管時(shí)，可以例如通過(guò)手動(dòng)將傳感器放入導(dǎo)管中而將傳感器插入或釋放。
位于井60中的兩個(gè)支承工具64由蠟體制成，其中嵌入兩個(gè)或更多球形感應(yīng)裝置69。蠟體可以由鉛粒壓載，以對(duì)工具64提供比在井60中開(kāi)采的原油和/或天然氣較高的密度，這樣支承工具64將降到井60的底部70上。
或者，或除了壓載外，支承可以由一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)推動(dòng)，例如一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器或一個(gè)高壓氣流72。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器可以用于將感應(yīng)裝置放入比較傾斜的井中，在其中利用重力驅(qū)動(dòng)的設(shè)施無(wú)法生效。
蠟的成位使其可以在井60的底部70處的溫度下熔化緩慢。在底部70上的支承工具64的蠟體至少部分熔化掉之后，工具64解體而感應(yīng)裝置69如箭頭71所示釋放到井中。
每個(gè)感應(yīng)裝置69具有比井60中的原油和/或天然氣較輕的密度，這樣裝置69可以向井頭62上浮。
感應(yīng)裝置可以裝有一個(gè)MEMS和導(dǎo)向加速儀以及溫度和壓力傳感器，它們都與圖2中所示和所述的相似。數(shù)據(jù)可以由感應(yīng)裝置69以與參見(jiàn)圖2所述相同的方式記錄，并可以在感應(yīng)裝置69由一個(gè)抓取器從井中流體去除或接近井頭62之后由一個(gè)讀取裝置回收。
當(dāng)支承裝置64經(jīng)由發(fā)射管63沉入井60中時(shí)感應(yīng)裝置69的傳感器可以已經(jīng)激活。為了使壓力和溫度傳感器在支承裝置64降入井中(未示出)的過(guò)程中精確測(cè)量，必須在裝置64的蠟體中設(shè)置開(kāi)口(未示出)，以提供壓力及溫度傳感器和井中流體之間的流體連通。由支承工具69載入井60中的兩個(gè)感應(yīng)裝置69可以包含不同的傳感器。
一個(gè)感應(yīng)裝置69可以裝有壓力和溫度傳感器，而其它感應(yīng)裝置69可以裝有一個(gè)觀察井的攝像和放像機(jī)，以及一個(gè)聲納裝置可以檢測(cè)井套筒內(nèi)徑和/或腐蝕的存在和/或這些套筒的磨損以及任何沉積的存在，例如井套筒中的蠟或片屑。
感應(yīng)裝置69還可以裝有聲波傳感器，可以檢測(cè)由一個(gè)位于地面或井下的地震源產(chǎn)生的地震信號(hào)。以此方式感應(yīng)裝置69可以收集比位于地面上的地震記錄儀提供更精確的有關(guān)地下原油和/或天然氣地層信息的地震數(shù)據(jù)。聲波傳感器可以既當(dāng)感應(yīng)裝置69通過(guò)井60下降和上升時(shí)又當(dāng)裝置69在支承工具64的蠟狀魚(yú)雷形體熔化之前位于接近井底70附近的一個(gè)固定位置時(shí)都可以收集地震數(shù)據(jù)。
這樣感應(yīng)裝置69的傳感器不僅在裝置69通過(guò)井60移動(dòng)而且當(dāng)裝置位于井60中的一個(gè)固定位置時(shí)都可以收集數(shù)據(jù)。此外，感應(yīng)裝置69的保護(hù)外殼可以具有球形、橢圓形、淚珠形或任何其他當(dāng)裝置69通過(guò)井孔移動(dòng)時(shí)使井下流體可以圍繞感應(yīng)裝置69流動(dòng)的適當(dāng)?shù)男螤睢?br> 下面參見(jiàn)圖6，其中示出本發(fā)明設(shè)備的一種變化形式。圖中示出一個(gè)位于井83之外的處理器80。圖中還示出一個(gè)記錄傳感器81，記錄傳感器從井中流動(dòng)的流體中回收。處理器還設(shè)有一個(gè)電纜82，向一個(gè)天線97提供通訊數(shù)據(jù)，用于與井孔中的傳感器遙測(cè)通訊。井設(shè)有一個(gè)延伸至襯套85之下的開(kāi)采管84，并伸入一個(gè)通過(guò)刺入物87與井內(nèi)流體相通的86，剌入物由可滲透的沙子88襯墊，而且刺入物穿過(guò)將井支撐在井孔中的水泥89。套管包括當(dāng)一傳感器通過(guò)井升起時(shí)可以由傳感器中的霍爾效應(yīng)檢測(cè)器計(jì)數(shù)的接頭90?；蛘卟挥没魻栃?yīng)檢測(cè)器，或除了霍爾效應(yīng)檢測(cè)器外，套管和/或開(kāi)采管可以包括條形碼98，它由此傳感器當(dāng)通過(guò)井升起時(shí)讀取，以辯明來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)被吸納。一個(gè)壓載的傳感器91位于一個(gè)可熔化的蠟丸92中，此蠟丸92由鉛彈93加重。加重的傳感器可以通過(guò)一個(gè)閘閥94放入井中，此閘閥可以將一個(gè)保持腔95與開(kāi)采管的流徑隔離開(kāi)來(lái)，并且可以由壓縮氣體通過(guò)一個(gè)管線96被壓出保持腔。在足夠量的蠟熔化后，傳感器將與壓載物分離，并通過(guò)井上升?；魻栃?yīng)檢測(cè)器可以數(shù)出經(jīng)過(guò)的接頭，或者傳輸數(shù)據(jù)，包括將接頭由遙測(cè)方式通過(guò)天線83傳給井外的處理器?；蛘?，處理器可以裝有一個(gè)連接件，用于在傳感器從開(kāi)采的流體中取出后從傳感器讀取存貯的數(shù)據(jù)。
圖7示出一個(gè)井頭，包括一個(gè)圣誕樹(shù)形物100，它裝有許多閥101和一個(gè)魚(yú)雷形發(fā)射模塊102。
發(fā)射模塊102具有上、下壓力包容腔103、104，由一個(gè)結(jié)構(gòu)件或外殼105將兩者保持在一起。此結(jié)構(gòu)件105具有內(nèi)孔，將兩個(gè)腔之間的壓力連通在一起。通過(guò)在系統(tǒng)中操縱閥106，壓力可以在上腔103中增大、減小或隔絕。一個(gè)拋光的桿107經(jīng)過(guò)每個(gè)腔中的一個(gè)壓力包容密封機(jī)構(gòu)跨過(guò)兩個(gè)腔之間的間隙。此桿107在兩個(gè)腔103和104中上、下移動(dòng)，并連在一個(gè)容裝在下壓力腔中的釋放/卡緊流量套108上。通過(guò)使上、下腔中的壓力均衡通過(guò)預(yù)鉆制的壓力均衡系統(tǒng)而將此套插入圣誕樹(shù)形物的孔中。當(dāng)兩個(gè)腔103和104中的壓力相等時(shí)與套108相連的桿107可以如圖8中所示降入圣誕樹(shù)形物的孔中。
圖9示出下腔103，而流量套位于其收回位置，并且其中嵌有三個(gè)球形傳感器111的蠟制魚(yú)雷110由一系列鎖緊臂113固定到位。鎖緊臂113可旋轉(zhuǎn)地連接到一個(gè)中間套管114上，這樣當(dāng)流量套108由拋光桿107向下壓時(shí)，鎖緊臂113旋轉(zhuǎn)出魚(yú)雷111的尾部并且魚(yú)雷釋放到井中，如圖10所示。
圖11示出流量套108處于其完全延伸的位置，其中一系列傳感器卡緊指狀物115伸入流量套中。在蠟制魚(yú)雷分解進(jìn)入流量套108中之后指狀物115將使傳感器112可以隨井下流體一起向上流動(dòng)，但可以防止傳感器112落回井中。
流量套108設(shè)有一系列孔116，這些孔比傳感器112小。
當(dāng)流量套108完全降入樹(shù)孔中時(shí)，其跨過(guò)流動(dòng)管的出口，并且井中流體通過(guò)流量套108中的孔116如箭頭117所示流動(dòng)。當(dāng)傳感器112返回地面時(shí)，它們由井中流體攜帶落入流量套108中并由卡緊指狀物115固定。當(dāng)傳感器112位于卡緊物之中時(shí)套108中的一個(gè)檢測(cè)儀發(fā)出指示并可以回收。為了回收套108，允許上、下壓力腔103和104之間的壓力連通的閥106關(guān)閉。壓力從上壓力腔103放出。與套108相連的桿107由于上、下壓力腔之間的壓差而壓入上腔103中，這又將包含回收了的傳感器112套108從圣誕樹(shù)形物的孔中收回，如圖12中所示。
權(quán)利要求
1．一種用于測(cè)量流體傳輸管道中數(shù)據(jù)的方法，此方法包括以下步驟提供一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)裝置，每個(gè)感應(yīng)裝置都包括測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)的傳感器，一個(gè)處理測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理器，以及一個(gè)包含傳感器和數(shù)據(jù)處理器的保護(hù)外殼，此外殼具有一個(gè)比管道的平均內(nèi)部寬度較小的平均外部寬度，這樣管道中的流體允許繞感應(yīng)裝置流動(dòng)；將此一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)裝置插入管道中；致動(dòng)至少一個(gè)插入的感應(yīng)裝置的傳感器和數(shù)據(jù)處理器以測(cè)量和處理管道中的實(shí)際數(shù)據(jù)；釋放至少一個(gè)感應(yīng)裝置，其傳感器和數(shù)據(jù)處理器在管道中致動(dòng)或已經(jīng)致動(dòng)；使每個(gè)釋放的感應(yīng)裝置通過(guò)管道移動(dòng)一個(gè)選定的縱向距離；以及將由數(shù)據(jù)處理器處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳遞給管道外的一個(gè)數(shù)據(jù)收集裝置上。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個(gè)釋放了的感應(yīng)裝置可以在由通過(guò)管道流動(dòng)的流體產(chǎn)生的液壓動(dòng)力、浮力、重力和/或磁力的影響下自由通過(guò)管道移動(dòng)。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個(gè)感應(yīng)裝置具有一個(gè)基本為球形的保護(hù)外殼，并且在一個(gè)平均內(nèi)徑比球形保護(hù)外殼的平均外徑至少大20％的管狀管道中釋放，而且傳感器和數(shù)據(jù)處理器形成一個(gè)微機(jī)電設(shè)備的一部分，此設(shè)備帶有集成的傳感、導(dǎo)向、動(dòng)力和數(shù)據(jù)存貯和/或數(shù)據(jù)傳輸部件。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，管狀管道形成一個(gè)地下碳?xì)浠衔锪黧w開(kāi)采井孔的一部分，并且具有一個(gè)外徑小于15cm的球形保護(hù)外殼的感應(yīng)裝置順序地在管道中釋放而且使每個(gè)感應(yīng)裝置都沿井孔的至少部分長(zhǎng)度移動(dòng)。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，多個(gè)感應(yīng)裝置貯存在接近井下端的一個(gè)井孔位置上并在管道中順序釋放，而且每個(gè)釋放了的感應(yīng)裝置都可以隨著開(kāi)采出的碳?xì)浠衔锪黧w向井頭流動(dòng)。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，感應(yīng)裝置貯存在一個(gè)裝有遙測(cè)致動(dòng)感應(yīng)裝置釋放機(jī)構(gòu)的貯存器中，并且每個(gè)感應(yīng)裝置包括一個(gè)球形環(huán)氧樹(shù)脂外殼，其中包含一個(gè)熱敏性的溫度傳感器，一個(gè)壓晶硅壓力傳感器和一個(gè)回轉(zhuǎn)式和/或萬(wàn)向?qū)蚣铀賰x基的位置傳感器以及一個(gè)由電子RAM形成的數(shù)據(jù)處理器，其中這些傳感器由一個(gè)可充電的電池或電容供能。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，每個(gè)感應(yīng)裝置包括一個(gè)球形塑料外殼，外殼裝有至少一個(gè)周向被包裹的導(dǎo)電線圈，此線圈起一個(gè)用于通訊的無(wú)線電頻率或感應(yīng)天線線圈的作用以及起一個(gè)用于電容或電池的感應(yīng)充電器的作用，而且每個(gè)感應(yīng)裝置至少在由感應(yīng)裝置釋放機(jī)構(gòu)釋放到井孔中之前暴露在一個(gè)電磁場(chǎng)下，并且每個(gè)釋放了的感應(yīng)裝置在或接近地面回收并然后與一個(gè)由無(wú)線方法從回收了的感應(yīng)裝置取走數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀取和處理設(shè)備相連。
8．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，井孔包含一個(gè)可磁化的部件，此部件從包括一個(gè)具有可磁化的壁的井管和一個(gè)縱向可磁化的條塊或線圈的組中選擇，感應(yīng)裝置裝有磁致滾動(dòng)移動(dòng)部件，當(dāng)感應(yīng)裝置由致動(dòng)的滾動(dòng)位移部件通過(guò)井孔移動(dòng)選定的縱向距離時(shí)，這些部件使感應(yīng)裝置可以保持與可磁化部件滾動(dòng)接觸。
9．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，傳感器還包括一個(gè)跟蹤移動(dòng)的距離的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器以及一個(gè)用于檢測(cè)井孔中標(biāo)記點(diǎn)的傳感器。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，井中的標(biāo)記點(diǎn)從包括一個(gè)套管接點(diǎn)和/或條形碼標(biāo)記點(diǎn)的組中選擇。
11．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，磁致滾動(dòng)移動(dòng)部件包括一個(gè)磁轉(zhuǎn)子，如果井管具有一個(gè)基本水平或向上傾斜的方向，此轉(zhuǎn)子使感應(yīng)裝置縱向通過(guò)井管滾動(dòng)。
12．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，感應(yīng)裝置設(shè)置在一個(gè)在管道的第一點(diǎn)釋放到管道中的支承物中，并通過(guò)管道的一部分移動(dòng)，其中傳感器從支承物中釋放，并且然后傳感器移回到管道中的第一點(diǎn)上。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，支承物是一個(gè)壓載支承物，并且支承物由重力移至管道中的一個(gè)低點(diǎn)上。
14．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，支承物由一推進(jìn)系統(tǒng)激勵(lì)。
15．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，支承物由一種在管道溫度下在管道流體中分散或熔化的材料制成。
16．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，流體傳輸管道是一個(gè)管線。
17．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，流體傳輸管道是一個(gè)管件或一個(gè)開(kāi)口排水管道。
18．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用于測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)的傳感器包括一個(gè)攝像機(jī)。
19．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用于測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)的傳感器包括一個(gè)聲波傳感器。
20．一種用于在一個(gè)流體傳輸管道中測(cè)量數(shù)據(jù)的設(shè)備，所述設(shè)備包括-至少一個(gè)感應(yīng)裝置，感應(yīng)裝置包括用于測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)的傳感器，一個(gè)用于處理所測(cè)量的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理器，以及一個(gè)包含所述傳感器和數(shù)據(jù)處理器的基本為球形的保護(hù)外殼，此外殼具有一個(gè)比管道的平均內(nèi)部寬度小的外部寬度，這樣管道中的流體就可以圍繞殼體流動(dòng)；-致動(dòng)每個(gè)裝置的傳感器和數(shù)據(jù)處理器以測(cè)量和處理管道中的實(shí)際數(shù)據(jù)的動(dòng)力裝置；-一個(gè)用于在管道中順序釋放一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)裝置的釋放機(jī)構(gòu)；以及-一個(gè)位于管道外側(cè)并且由每個(gè)釋放的感應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)處理器收集的數(shù)據(jù)向其傳遞的數(shù)據(jù)收集裝置。
21．如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，管道形成一個(gè)地下碳?xì)浠衔镩_(kāi)采井的一部分，并且所述設(shè)備包括一個(gè)貯存器，用于貯存若干個(gè)感應(yīng)裝置，其中所述貯存器裝有一個(gè)用于在管道中順序釋放感應(yīng)裝置的遙測(cè)致動(dòng)感應(yīng)裝置釋放機(jī)構(gòu)；一個(gè)用于在或接近地面回收釋放了的感應(yīng)裝置的感應(yīng)裝置回收機(jī)構(gòu)以及一個(gè)從回收了的感應(yīng)裝置取走數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀取和收集設(shè)備。
22．如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，流體傳輸管道是一個(gè)管線，例如一個(gè)管件或一個(gè)開(kāi)口排水管道。
23．一種感應(yīng)裝置，包括一個(gè)具有小于15cm的外徑的球形保護(hù)外殼，該外殼包含用于測(cè)量井中實(shí)際數(shù)據(jù)的傳感器以及一個(gè)數(shù)據(jù)處理器，所述傳感器和數(shù)據(jù)處理器形成一個(gè)帶有集成靈敏元件的微機(jī)電設(shè)備的一部分；一導(dǎo)向部件；一動(dòng)力部件；一從一數(shù)據(jù)貯存部件和一數(shù)據(jù)傳遞部件形成的組中選擇的部件；以及至少一個(gè)周向包裹的導(dǎo)向線圈，此線圈起用于通訊的一個(gè)無(wú)線電頻率或感應(yīng)天線的作用，并起一個(gè)用于所述裝置的動(dòng)力部件的感應(yīng)充電器的作用。
24．如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，還包括一個(gè)攝像機(jī)。
25．如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，還包括一個(gè)聲波傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量流體傳輸管道中的數(shù)據(jù)的方法和設(shè)備。此設(shè)備使用了一個(gè)或多個(gè)小型感應(yīng)裝置(4),此感應(yīng)裝置包括包含在一個(gè)最好為球形的外殼中的感應(yīng)設(shè)備,所述外殼的外部寬度小于管道的內(nèi)部寬度。一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)裝置順序釋放在管道中并可以通過(guò)管道在縱向移動(dòng),以在所需的時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù),而不需要復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施。
文檔編號(hào)E21B47/12GK1305564SQ99807312
公開(kāi)日2001年7月25日 申請(qǐng)日期1999年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月12日
發(fā)明者阿爾諾德·F·比耶萊費(fèi)爾德, 約翰尼斯·J·登布爾, 斯蒂芬·J·基米瑙, 杰里·L·莫里斯, 哈根·申普夫, 約翰·F·斯圖爾特 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司