检测井中活塞的位置的制作方法
【专利摘要】一种用于识别沿着井的长度移动的活塞的位置的系统，包括：井中带有的声源，被配置为当活塞到达井中的感测位置时发送声学信号。声学接收机被放置在井的顶部，并且被配置为接收声学信号。处理电路处理接收到的声学信号，并且提供指示活塞到达感测位置的输出。
【专利说明】检测井中活塞的位置
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于从天然气井等等中移除液体的类型的活塞。更具体地，本发明涉及当活塞沿着井的长度移动时检测活塞的位置。
【背景技术】
[0002]深井被用于从地下汲取气体和液体。例如，这种井被用于从地下气阱中汲取天然气。该井包括放置在已经钻入地下的洞中的长管。当井到达天然气阱时，能够将气体汲取到地表。
[0003]随着天然气井老化，诸如水之类的液体往往在井的底部聚集。水缓慢地且最终阻止天然气流向地表。已经用于延长井的寿命的一种技术是基于活塞的提升系统，用于从井的底部移除液体。通过打开和关闭井的顶部的阀来控制活塞在井中的位置。当阀被关闭时，往井外的气体流停止，并且活塞穿过水落到井的底部。当活塞到达井的底部时，阀可以被打开，从而来自井内的压力将活塞送至地表。当活塞上升时，它将其上方的任何液体提升到地表，从而从井中移除大部分液体。
[0004]为了有效地操作活塞，期望识别何时活塞到达井的底部。已经使用各种技术来确定何时活塞到达井的底部，例如，在2011年6月21日授予Giacomino的标题为“Methodand Apparatus for Utilizing PressureSignature in Conjunction with Fall Time asIndicator in Oil andGas Wells” 的美国专利 N0.7，963，326。
【发明内容】
[0005]一种用于识别沿着井的长度移动的活塞的位置的系统，包括:井中带有的声源，被配置为当活塞到达井中的感测位置时发送声学信号。声学接收机被放置在井的顶部，并且被配置为接收声学信号。处理电路处理接收到的声学信号，并且提供指示活塞到达感测位置的输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是利用了根据本发明的用于识别活塞位置的系统的井的简化视图。
[0007]图2是图1的井的底部的横截面视图，示出了根据本发明的一个实施例的声源。
[0008]图3是图1的井的底部的横截面视图，示出了根据本发明的另一个实施例的声源。
[0009]图4是示出用于检测声源生成的声学信号的电路的简化框图。
[0010]图5是井中的活塞生成的声学信号的幅度与时间的关系图。
【具体实施方式】
[0011]本发明提供了一种用于在活塞沿着井(如天然气井)的长度移动时识别活塞的位置的系统。更具体地，在本发明中，在井内带有声源，并且该声源被配置为当活塞到达井中的感测位置时，从感测位置发送声学信号。该声学信号由声学接收机接收，并且用于确定活塞已经到达感测位置。在一个配置中，声源被放置在感测位置。当活塞到达感测位置时，活塞撞击声源，使得声源振动，从而产生声学信号。声学信号可被耦合到井的管道，从而井的管道被用于将声学信号带到地表。在另一配置中，活塞可以携带“铃锤(clapper)”，该铃锤用于在活塞到达感测位置时撞击感测位置处的物体或者撞击井管道。通常，感测位置位于或者罪近井的底部。
[0012]当天然气井首次开始其操作时，气体借助气藏中通常存在的高压，典型地自由地从地下流向地表。然而，在井的寿命期间，水开始流到气井的底部。所产生的水柱的反向压力，结合气藏压力的减小，使得天然气的流动变慢，并且最终完全停止。
[0013]该问题的一种解决方案是关闭井(关闭井口处的阀)，允许气藏中的压力再次增大。当压力增到足够大时，阀再次打开，并且增大的压力将水推送向顶部。然而，该方案的缺点是大量的水回落到井的底部，并且最终该井不能获取大量更多的气体产出。
[0014]一种较好的解决方案并且作为在气井中最常使用的解决方案是使用活塞将水提升到井外。图1示出了典型的具有活塞提升系统的气井100。活塞110是具有与井100的中心管112近似相同的直径的设备，自由地在井中上下移动。自动调节阀120用于打开和关闭井，使得活塞110行进到井的顶部116或底部118，如下文所示。在井的底部118是缓冲弹簧124，在活塞110碰撞底部118时防止对活塞110的损坏。在井口是制动装置(catcher)和到达传感器130，在活塞110来到井的顶部116时使得活塞110停止，并且生成指示活塞110到达的电信号。在制动装置上方是润滑器140，向活塞110涂覆油或其他润滑剂，确保活塞Iio将在管中自由移动。电子控制器144通过下述方式来操作井:接收可用的测量信号(例如，管压力和活塞到达)，以及在适当的时间向自动调节阀120发送用于打开和关闭的命令。
[0015]用于将井的流体产物提升到地表的活塞组件操作为非常长的撞击泵。活塞110被设计为用作在流体柱与上升气体之间的固体界面。当活塞110在行进时，在活塞110两端存在压力差，将阻止任何流体回落。因此，传送到地表的量应该与原始负载基本相同。活塞110从底部118向顶部116行进，充当擦圈(swab)，移除管线中的液体。存在多种类型的可
用活塞。
[0016]活塞110自身可用采用多种形式。一些活塞包括弹簧支撑的扩张式刀片，相对于井的管壁密封，以创建用于向上撞击的压力差。其他类型的活塞包括具有提供密封的曲折密封圈的活塞，具有允许活塞更快下落的内部旁路的活塞，等等。
[0017]因为气体生产者可能操作成千上万的井，所以在任何给定的井上的仪器和控制通常非常少。在一些实例中，可以对井进行的唯一测量是利用两个绝对压力变送器执行的，一个绝对压力变送器测量管压(中心管，活塞经过该中心管下落，并且气体正常流经该中心管)，另一个绝对压力变送器测量包层(casing)压力(也称为环面-容纳管道的外部空间)。自动调节阀120打开和关闭，以控制活塞110落至井100的底部118，或者来到顶部116，以及电子控制器114常常是可编程逻辑控制器(PLC)或远程操作员控制台(ROC)。控制器144接收可用的测量信号，以及在适当的时间打开和关闭自动调节阀120，以便保持井最优地操作。在一些配置中，还可以存在活塞到达传感器(检测何时活塞到达井口)、温度测量传感器或者流速传感器。无论这些测量中的哪些存在，它们都是在井的顶部执行的测量。通常在井的内部或底部没有永久性仪器或测量。因此，控制器144需要仅基于井口处的这些测量来执行活塞循环控制。
[0018]利用活塞提升的气体控制的重要方面之一是井必须关闭适当的时间长度。具体地，井必须关闭足够长的时间使活塞到达底部。如果活塞没有一直到达底部，则当自动调节阀被打开时，将不能移除全部的水，并且井不会回到最佳产出。如果这种情况发生，则活塞下落和返回所花费的时间(可能是30分钟或更长)将被浪费。甚至更严重的是，如果在活塞碰到任何水之前打开自动调节阀，则在没有水使得活塞变慢的情况下活塞上升的速度(井中的大的压力造成)可能大到使得将会损坏活塞或润滑器/制动装置，或者甚至将制动装置完全从井口吹走。
[0019]由于使活塞过早回升的危险，大多数井控制策略将具有内置的“安全因素”。它们将井关闭足够长的时间使活塞到达底部，加上一些附加时间，就是为了确保活塞确实到达底部。此处的缺点是，活塞位于底部的时间是气井无产出的时间。活塞需要位于底部的时间越长，气井能够回到完全产出之前的时间越长。
[0020]各种技术被用于检测何时活塞到达井的底部。例如，可以监视压力和声学信号，然而由于背景噪声的量、井的延伸长度、以及当信号在井中流经液体和气体时的信号损耗，压力和声学信号通常较小且难以识别。一种这样的技术示出于2011年6月21日授予 Production ControlServices 公司的标题为 “METHOD AND APPARATUS FOR UTILIZINGPRESSURESIGNATURE IN C0NJUCT10N WITH FALL TIME AS INDICATOR IN OIL ANDGASffELLS^ 的美国专利 N0.7，963，326。
[0021]图2是根据本发明 的一个实例实施例的井100的下部的横截面视图。在图2中，活塞110被示出为在管道112内朝着井100的底部118向下移动。声源160位于井100的底部118。声源160的操作与铃等类似。活塞110的下部164被配置为撞击源160，从而使得源振动。在一个配置中，源160包括“铃锤”机构等，在活塞110撞击声源160时被致动。当活塞110撞击声源160时,生成声学信号,声学信号朝着井100的顶部116传播。使用任何适当的介质将该声学信号带到地表。然而，井100的管道112特别适合于携带该声学信号。当声学信号到达井100的顶部116时，电路(下文将进行更详细的讨论)能够用于检测信号，以及提供活塞110已经到达井的底部并且现在可以通过打开图1所示的自动调节阀120来取回活塞110的指示。图3是井100的下部的横截面视图，示出了本发明的另一示例实施例。在图3中，活塞110带有声源170。当活塞110到达井100的底部118时，声源的突出物174撞击突出物172，使得源170绕着铰接点176转动。该动作使得末梢端178撞击管道112，从而使得在管道112中生成声学信号，该声学信号行进到地表用于后续检测。在另一示例实施例中，类似的声源被放置在井100的底部118，并且被配置为撞击管道112或者以其他方式向管道112引入声学信号。
[0022]图4是示出位于地表且耦合到井100的检测电路182的简化框图。检测电路182包括:在井100顶部116的声学接收机或传感器184，被配置为感测在活塞110到达井100的底部时生成的声学信号。在图4中，声学接收机184被示出为耦合到管道112。在这种配置中，管道112携带的声学信号可以更加有效地被接收机184接收。接收机184的输出被提供给传感器电路186，传感器电路186可以包括例如模拟放大器和/或滤波器。在一种配置中，传感器电路186包括模数转换器，模数转换器提供表示接收的模拟信号的数字信号输出。处理器电路188接收来自传感器电路186的信号。处理器电路188可以包括模拟或数字电路。如果使用数字电路，则其可以包括微处理器，微处理器根据存储器190中存储的指令进行操作。例如，接收的声学信号可以与存储器190中存储的波形进行比较，或者可以基于存储器190中存储的规则来检测。在另一示例配置中，处理器电路188可以包括模拟电路，该模拟电路将来自传感器电路186的信号与一个或多个阈值进行比较，并且作为响应提供输出给输出电路192。例如，可以在传感器电路186中实现带通滤波器，使得仅将窄频率范围内的信号提供给处理器电路188。这可以用于消除来自其他源的噪声，所述噪声可能导致关于活塞110已经到达井100的底部的错误检测。
[0023]当以数字电路实现时，处理器电路188可由用户进行编程，或者可以包括学习能力。例如，处理器可被置于学习模式，在学习模式下处理器在活塞110到达井100的底部时接收到声学信号。与这种在学习模式期间接收的接收声学信号相关的信息可被存储在存储器中，并且用于以后检测活塞位置。在另一实施例中，检测电路182可以接收与何时图1中示出的自动调节阀120被关闭且从而指示活塞110正在井100中下降有关的信息。该信息可以用于发起检测序列，使得处理器电路188监视来自传感器电路186的输出，以检测当活塞110到达井100的底部118时来自活塞110的声学信号。该信息还可以用于帮助减少对活塞110的位置的错误识别。例如，当关闭自动调节阀时启动定时器，从而处理器电路在检测活塞110已经到达井100底部118之前必须等待至少特定量的时间。类似地，如果已经过去大于特定量的时间段，则即使没有检测到声学信号，处理器电路188也可以提供指示活塞110已经到达井100的底部118的输出。这允许即使在不能够精确检测的声学信号的情况下，也能够汲取井100内的流体。
[0024]图5是示出接收的声学信号的幅度与时间的关系图。在活塞110到达井100的底部时声源造成的声学信号引起接收信号中的大的尖峰。该尖峰可以用于检测活塞110的位置，并且与诸如在活塞撞击井100内的水时接收的信号之类的其他接收信号相比，该尖峰优选是明显更大的、或者在频率上不同的。
[0025]可以使用任意适当的技术来处理该声学信号。示例包括简单阈值比较，以及更复杂的技术，包括监视接收信号的一个或多个频率。甚至更复杂的技术包括观察在活塞到达井底部的反射信号特性中的特定特征。该检测技术可以根据需要实现在模拟和/或数字电路中。在一些实例中，随着井深的增大，对活塞到达井底部的检测可能需要进行调节。可以基于井周围的材料、井内的材料、所用的特定井管及其配置来进行类似的调节。返回参考图4，输出电路192可以提供输出用于控制自动调节阀120。检测电路182可以嵌入在图1示出的电子控制器114内，或者可以是向电子控制器114提供指示活塞110到达井底部的输出信号的分离电路。检测电路还可以用于包括附加的输入/输出电路200。例如，该附加电路可以用于向操作员提供指示活塞110的状态的本地输出，或者可以用于从操作员接收命令或查询。在其他示例实施例中，可以向远程位置提供输出。例如，可以向中央位置提供与活塞110的位置有关的信息。该信息可以用于诊断目的，以确保井100操作在正常参数内。该输出可以通过有线通信链路来提供，或者可以使用诸如射频通信技术之类的无线技术来提供。
[0026]尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节方面可以做出改变。例如，声源不限于此处讨论的特定实施例，并且可以是在活塞到达井内的特定位置时提供声学信号的任何声源。尽管具体讨论了底部位置，但是本发明不限于该配置。在一个特定示例实施例中，在活塞在井内下降时，使用来自活塞的能量生成声学信号。然而，在一些配置中，可能期望提供其他能量源，从而可以对电子电路或其他组件进行供电。例如，活塞可以携带被配置为在活塞到达井内的特定位置时提供声学输出的电路。可以利用能量采集技术对活塞内的电池等进行再充电。例如，可以再生随着活塞在井内上升和下降而生成的能量，并且将其用于对电池充电。如此处所讨论的，术语“感测位置”指的是这样的位置:在该位置处，活塞位置使得声源生成声学信号。在一个配置中，声源包括机械装置，并且仅使用机械能量生成该声学信号。
【权利要求】
1.一种用于识别沿着井的长度移动的活塞的位置的系统，包括: 井中带有的声源，被配置为:当活塞到达井中的感测位置时，发送声学信号； 声学接收机，放置在井的顶部，被配置为:接收所述声学信号；以及 处理电路，被配置为检测接收到的声学信号，并且提供指示活塞到达感测位置的输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述声源位于井中的所述感测位置处，并且活塞在所述感测位置接触所述声源，从而使得所述声源生成所述声学信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，活塞在所述感测位置处撞击所述声源。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述声源包括铃锤机构。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述声学信号是利用来自活塞移动的能量而生成的。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述井包括从地表延伸到所述感测位置的管道，所述声学信号由所述管道携带。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，在活塞到达所述感测位置时，所述声源撞击所述管道。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，由活塞携带所述声源。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理电路被配置为在存在噪声的情况下识别所述声学信号。·
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理电路被配置为:进入学习模式，从而学习识别所述声学信号。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理电路控制井的自动调节阀的操作。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理电路还基于时间来提供指示活塞到达感测位置的输出。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述感测位置被放置为指示活塞到达井的底部。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述感测位置被放置为指示活塞处于井中的水平面。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述声源包括电路。
16.一种用于井中的方法，用于识别沿着井的长度移动的活塞的位置，所述方法包括: 允许活塞在井内移动； 在活塞到达井中的感测位置时，从声源提供声学信号，所述声源位于所述感测位置处； 在井的顶部接收所述声学信号；以及 基于所接收的声学信号来确定活塞的位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述声源位于井中的所述感测位置处，所述方法包括:在所述感测位置处将所述声源与活塞接触，从而使得所述声源生成所述声学信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，活塞在所述感测位置处撞击所述声源。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述声源包括铃锤机构。
20.根据权利要求16所述的方法，包括:利用来自活塞移动的能量生成所述声学信号。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述井包括从地表延伸到所述感测位置的管道，所述方法包括:通过所述管道携带所述声学信号。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，在活塞到达所述感测位置时，所述声源撞击所述管道。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，由活塞携带所述声源。
24.根据权利要求16所述的方法，包括:在存在噪声的情况下识别所述声学信号。
25.根据权利要求16所述的方法，包括:进入学习模式，从而学习识别所述声学信号。
26.根据权利要求16所述的方法，包括:控制井的自动调节阀的操作。
27.根据权利要求16所述的方法，包括:还基于时间来确定位置。
28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述感测位置包括靠近井的底部的位置。
29.根据权利要求16所述的`方法，其中，所述感测位置包括靠近井中的水平面的位置。
【文档编号】E21B47/095GK103711476SQ201210509974
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年12月3日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】罗伯特·卡尔·海德克, 纳兰·莱恩·维特 申请人:罗斯蒙德公司