用于感测液位的系统和方法
【专利摘要】一种系统（100）、方法和装置可用来监控钻孔（104）中的流体液位。该系统包括：脉冲发生器（120），用来生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲；检测器（122），用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的一部分；处理器（124），用来分析检测到的信号，以确定流体的表面的液位；以及数字延迟器，被配置和布置为限定用于检测从流体的表面反射的电磁脉冲的一部分的检测时间窗口。在实施例中，该系统包括泵控制器（126），用来基于流体表面液位控制位于井眼中的泵（110）的操作。
【专利说明】用于感测液位的系统和方法
【背景技术】
[0001]本申请是2009年10月5日提交的美国专利申请N0.12/573，434的部分继续申请，并且是2010年10月6日提交的PCT/US2010/051283的部分继续申请，以引用的方式将这两个申请中的每一个并入本文。
【技术领域】
[0002]本发明总体上涉及远程感测，并且，更具体地涉及感测在远程位置处的钻孔中的液位。
[0003]现有技术
[0004]在资源回收中，监控在远离观测者的位置处的各种条件会是有用的。尤其是，为了勘探或生产目的而提供监控在钻出的钻孔的底部处或其附近的液位是有用的。由于这种钻孔可延伸数米，所以对于这种监控提供有线通信系统并不总是实用。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例的一个方面包括一种用于测量壳体内衬(casing-lined)井眼中的流体液位的设备，该设备包括:脉冲发生器，可定位和可操作用来生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲；检测器，可定位和可操作用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的一部分；处理器，被配置和布置为从检测器接收表示电磁脉冲的检测部分的信号并分析它们以确定流体的表面的液位；以及泵控制器，被配置和布置为从处理器接收距离信息并使用该距离信息来控制位于井眼中的泵的操作。
[0006]本发明的实施例的一个方面包括一种用于测量壳体内衬井眼中的流体液位的设备，该设备包括:脉冲发生器，可定位和可操作用来生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲；检测器，可定位和可操作用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的一部分；处理器，被配置和布置为从检测器接收表不电磁脉冲的检测部分的信号并分析它们以确定流体的表面的液位。
[0007]本发明的实施例的一个方面包括一种用于测量井眼中的流体液位的系统，该系统包括:脉冲发生器，可定位和可操作用来生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲；检测器，可定位和可操作用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的一部分；以及处理器，被配置和布置为从检测器接收表示电磁脉冲的检测部分的信号并分析它以确定流体的表面的液位。
[0008]本发明的实施例的另一个方面包括用于测量井眼中的两种未混合的流体液位的系统，该井眼包含第一井眼流体和第二井眼流体，第二井眼流体具有比第一流体低的密度和已知的基本上比第一流体低的介电常数，该系统包括:脉冲发生器，可定位和可操作用来生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲；检测器，可定位和可操作用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的相应部分；以及处理器，被配置和布置为从检测器接收表示电磁脉冲的检测部分的信号并分析它以确定这两种流体中的每一种的表面的液位。
[0009]本发明的实施例的另一个方面包括一种用于测量井眼中的流体液位的系统，该系统包括:频率发生器，可定位和可操作用来产生沿着井眼向着流体的表面传播的至少两种电磁频率信号；检测器，可定位和可操作用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁信号的一部分；以及处理器，被配置和布置为从检测器接收表示电磁信号的检测部分的信号并分析它们以确定流体的表面的液位。
[0010]本发明的实施例的另一个方面包括用于控制位于壳体内衬井眼中的泵的方法，该方法包括:生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲；检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的一部分；从检测器接收表示电磁脉冲的检测部分的信号；以及分析该信号以确定流体的表面的液位；以及，基于确定的流体的表面的液位来控制泵的操作。
[0011]本发明的实施例的另一个方面包括用于测量壳体内衬井眼中的流体液位的方法，该方法包括:生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲；检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的一部分；从检测器接收表示电磁脉冲的检测部分的信号；以及分析该信号，以确定流体的表面的液位。
[0012]本发明的实施例的另一个方面包括用于测量井眼中的两种未混合的流体液位的方法，该井眼包含第一井眼流体和第二井眼流体，第二井眼流体具有比第一流体低的密度和已知的基本上比第一流体低的介电常数，该方法包括:生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲；检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的相应部分；以及从检测器接收表示电磁脉冲的检测部分的信号并分析它以确定这两种流体中的每一种的表面的液位。
[0013]本发明的实施例的另一个方面包括一种用于测量井眼中的流体液位的方法，该方法包括:生成沿着井眼向着流体的表面传播的具有各自不同的频率的至少两种电磁信号；检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁信号的相应部分；以及从检测器接收表示电磁信号的检测部分的信号并分析它们以确定流体的表面的液位。
[0014]本发明的实施例的另一个方面包括其中数字延迟线被用来实现限定用于检测反射的电磁脉冲的相应部分的检测窗口的时间数字转换器的系统和方法。
[0015]本发明的实施例的方面包括被编码有用于执行前述方法中的任何方法和/或用于控制前述系统中的任何系统的计算机可执行指令的计算机可读介质。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]当结合附图阅读下面的详细描述时，本文中描述的其它特征对于本领域的技术人员来说将会更加易懂。
[0017]图1是根据本发明的实施例的用于远程地测量钻孔中的流体液位的系统的示意图；
[0018]图2是示出从模拟钻孔中的位置反射的返回信号的轨迹；
[0019]图3是示出根据本发明的实施例的方法的流程图；
[0020]图4是根据本发明的实施例的用于远程地测量并入校准标记的钻孔中的流体液位的系统的示意图；[0021]图5a是用于本发明的实施例中的传输线路的横截面示意图；以及
[0022]图5b是用于本发明的实施例中的传输线路的纵截面示意图。
【具体实施方式】
[0023]图1示出用于感测钻孔104中的流体102的表面液位的设备100的例子。在示出的例子中，钻孔104延伸通过烃产生层106。虽然钻孔104被示出为直线的垂直孔，但是，实际上，钻孔将具有更加复杂的几何结构，并且，可以具有任何取向，其包括沿着其长度变化的取向。
[0024]钻孔与由多段普通导电材料制成的中空壳体108成一直线。例如，中空钻孔壳体108可以由钢或其它合适材料构成。在典型的钻孔应用中，钻孔壳体108可以是用来在普通钻孔和生产应用中提供对钻孔的结构支撑的标准壳体，并且，不必提供任何附加的外部导电介质。
[0025]当产生层106中的气压大于钻孔104内的气压时，促进烃产生。就这一点而言，流体102的液位是重要的，因为在产生层106的液位处或在该液位上方的钻孔104内的任何累积流体102将会施加与产生层106的气压相反的气压。
[0026]有用的是提供可以产生人工举升的井下泵110，以促进从产生层106产生油或气体。来自产生层的液体通常经由管道112被泵抽到表面，而气体通过管道112和壳体108之间的环形区域上升到表面。如果钻孔中的流体液位下降到泵110的操作位置之下，则通常戴(wear)在这种泵上以使其空运转。因此，在最小化流体液位以减少钻孔104中的反作用气压和确保不允许钻孔104中存在的泵空运转(run dry)之间得到平衡。
[0027]在本申请中使用的井下泵的类型的例子包括电动潜水泵、螺杆泵、有杆泵等。
[0028]为了促进泵控制以使得流体液位保持为低但足够高以避免泵空运转，提供对流体液位的测量是有用的。在实施例中，可以连续实时地执行这种测量。流体液位测量可有用地调节潜在的混杂因素，例如，在钻孔壳体中的接缝或者在流体表面附近的泡沫，这些因素可能产生不正确的测量。
[0029]用于测量流体液位的设备100包括脉冲发生器120。脉冲发生器120被配置为产生电磁脉冲，这些电磁脉冲将沿着钻孔的长度传输，其中，壳体充当波导。在这种情况中，管道112充当中心导体，并且，壳体/管道系统本质上一起形成同轴线缆。
[0030]脉冲发生器120可以通过直接附接耦合到钻孔，或者，可以以另外的方式被电磁耦合到钻孔。
[0031]脉冲发生器120可以是任何装置，其包括，但不限于，用于接收电磁能量并从其生成信号的电子结构。合适的脉冲发生器的例子包括火花隙(spark gap)发生器、诸如Bodebox的网络分析仪、或者例如利用快速开关组件的其他装置，例如雪崩晶体管或快速硅控整流器(SCR)。有用的装置包括能够通过可以以lOV/ns或更大速率改变的电压产生10至100A的那些装置。一般地，射频电磁脉冲，尤其是约3MHz到IOOMHz的范围中的射频电磁脉冲非常适合本申请。频率可以随着导电管(例如，钢)的材料特性而被选择。趋肤深度可以限制使用在某一点以上的高频率，并且，可用频率范围的较低端可以随着脉冲发生器的结构的简化而被选择。
[0032]随着脉冲沿着钻孔传播，阻抗的变化导致脉冲能量的部分反射，可通过设备100的接收器或检测器122模块在表面处接收该脉冲的反射。壳体中的接缝、钻孔中的物体的存在等可以导致这种阻抗变化。在诸如原油的具有相对低的介电常数的流体的情况中，在流体界面处发生电磁脉冲的其余能量的部分反射。在具有相对高介电常数的流体(诸如很大部分水的混合物)的情况中，由于流体起到使钻孔短路的作用，所以发生电磁脉冲的其余能量的近似全反射。
[0033]处理器124被用来分析接收到的信号以确定流体液位。此外，处理器124可以被用来操作泵控制器126，以基于测得的流体液位来改变泵110的操作状态。泵控制器可以直接(未示出)或无线地链接到泵110。特别地,如果流体液位接近(在数英尺或数十英尺内)泵液位，则泵控制器126可以通过调整泵操作速度或冲程来减少泵容量，或者，如果泵液位在流体液位之上，则泵控制器126可以完全停止泵。类似地，如果井眼中的流体液位升高到高于避免泵空运转所需的液位，则控制器可以提高泵容量。泵容量应该被提高到高于泵液位的量可以由用户选择，或者，可以预先确定并编程到控制器中。
[0034]连续的测量可以被用来确定流体液位的变化的幅值和方向。在本实施例中，幅值和方向中的任何一个或两个可以用于控制泵容量。因此，如果流体液位正在快速地改变，则泵容量也可以快速地改变。同样地，如果流体液位接近泵液位，但是正在增加，则控制器可以将泵容量仅仅减少小的量以保持流体液位，而不是减少倾向于不期望地增加流体液位的大的量。
[0035]图2是由接收器122接收的来自模拟的1600英尺井的返回信号的轨迹。基于对发射脉冲和接收返回信号之间的时间延迟的测量，可以使用处理器124来计算沿钻孔的距离:
[0036]d=t.C 等式 I
[0037]其中，d是在表面处到流体并再次返回到检测器的总距离，S卩，该表面和流体之间的距离的两倍，t是延迟时间，c是电磁能量在空气中的传播速度。
[0038]图2的顶线表示检测器导通时间。当电压为高(约3V)时，检测器导通。如图所示，这对应于约1.741 μ s和约3.241 μ s之间的时间。在本例子中，一旦检测到信号，则该检测器被断电，尽管这不是必需的。图2中的较低线表示检测到的信号。由此可知，在约
3.241 μ s处记录到冲激。如上所述，该时间表示信号在一个方向上沿着井传播的时间的两倍。因此，如所期望的，从表面到流体的距离是约1600英尺(其中，一英尺近似等于Ins延迟)。
[0039]在实施例中，可以设置阈值，使得例如忽略在很可能表示壳体接缝的阈值以下的返回。在一种方法中，用户可以设置延迟，使得不允许在延迟时间结束之前接收到的返回触发该设备，从而减少错误的读数。在图2中，这对应于零和1.741 μ s之间的间隔。较长的延迟将会导致更窄的测量窗口，使得图2的顶线将会显示较窄的方波形状，例如，这对应于单个网格框宽度。在该方法中，用户可以将该延迟基于与流体液位的一般位置有关的已知的信息，例如，其可以由声学或重量分析技术获得。
[0040]在实施例中，延迟可以通过使用数字延迟线充当时间数字转换器(TDC)来实现。TDC可以作为包括一系列逻辑门的集成电路封装被购买到。每一个门起到将通过的信号延迟已知的量的作用。在例子中，每一个门可以产生数十皮秒(例如，20至120ps)的延迟，并且，在必要或期望时，可以选择芯片设计来提供可接受的分辨率。发明人已经确定在约40ps和约75ps之间的分辨率可能尤其适合于根据本发明的实施例的测量系统。
[0041]在特定的实现方式中，可能的是，将会需要无法承受的大量的门来产生在典型的井深度处所需的在2至10 μ s数量级的延迟。因此，与门延迟相结合，信号可以用数字计数器来定时，该数字计数器使用温度补偿晶体振荡器(TXC0)。在一个例子中，振荡器运行在7.5MHz。该“粗计数器”有133.3ns的分辨率，但是起到扩展可测量的定时范围的作用。然后，门延迟用作“细计数”来捕获在粗计数之间发生的定时事件。细计数和粗计数在组合时将会给出用于长定时测量的高分辨率定时。
[0042]通过逻辑门的信号传播延迟具有随着温度变化的趋势。另一方面，在共同存在于(co-colated)同一集成电路上的相同类型的门将往往会以相同的方式变化。校准粗计数TXC0,以获得跨宽范围的温度上的高精度。可以通过使用门测量TXCO的一个或两个时钟周期来校准门延迟时间。然后，基于信号在一个精确的时钟周期通过的门的数量来计算单个门延迟。
[0043]描述的系统可用于获得具有在大约I英尺的数量级上(即，在时域中的I纳秒)的精度的测量。一般来说，精确到约10英尺内的测量足以允许合理的泵控制。
[0044]在另一个实施例中，脉冲发生器120可以被配置为生成电磁频率信号或音调(tone)，并且，处理器124被配置为分析频域中的反射。在本实施例中，注入第一频率信号并测量第一反射信号相位。注入第二频率信号并测量第二反射信号相位。将第一反射相位与第二反射相位进行比较，以计算音调发生器与流体的表面之间的距离。这可以使用下面的等式2来实现:
【权利要求】
1.一种用于测量井眼中的流体液位的系统，包括: 脉冲发生器，可定位和可操作用来生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲； 检测器，可定位和可操作用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的一部分； 处理器，被配置和布置为从检测器接收表示所检测的电磁脉冲的部分的信号并对所述信号进行分析以确定流体的表面的液位；以及 数字延迟器，被配置和布置为限定用于检测从流体的表面反射的所述电磁脉冲的一部分的检测时间窗口。
2.如权利要求1所述的系统，还包括泵控制器，被配置和布置为从处理器接收距离信息并使用该距离信息来控制位于井眼中的泵的操作。
3.如权利要求1所述的系统，其中，处理器还被配置和布置为分析所述信号，以基于所检测的部分的振幅来获得关于流体中的水与烃之比的信息。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述脉冲经由传输线路沿着井眼传播，该传输线路包括彼此电隔离的一对电导体。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述导体之一包括选自由井壳体、管道、钻柱、管线、控制线、液压管路或者TEC (管装导体)构成的组中的至少一个井组件。
6.如权利要求5所述的系统，其中，传输线路包括一对导线，在这一对导线上具有绝缘体，在该绝缘体中沿着传输线路的长度的至少一部分具有所选间隔的间隙，所述间隙的大小被调整，并且，所述间隙被配置为当位于流体的表面的液位之下时允许流体在其中流动。
7.如权利要求4中的任意一项所述的系统，还包括可定位在已知的深度处的至少一个标记，其中，在使用中，检测器还可定位和可操作用来检测从标记反射的电磁脉冲的另一部分，并且，处理器还被配置和布置为从检测器接收表示所检测的电磁脉冲的另一部分的另一信号，并且将接收到的信号与接收到的另一信号相互结合分析，以确定流体的表面的液位。
8.如权利要求1所述的系统，其中，数字延迟器包括TDC门阵列。
9.一种用于测量井眼中的两种未混合的流体液位的系统，该井眼包含第一井眼流体和第二井眼流体，第二井眼流体具有比第一流体低的密度和已知的基本上比第一流体低的介电常数，该系统包括: 脉冲发生器，可定位和可操作用来生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲； 检测器，可定位和可操作用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的相应部分； 处理器，被配置和布置为从检测器接收表示所检测的电磁脉冲的部分的信号并对该信号进行分析以确定这两种流体中的每一种的表面的液位；以及 数字延迟器，被配置和布置为限定用于检测从流体的表面反射的所述电磁脉冲的一部分的检测时间窗口。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述脉冲经由传输线路沿着井眼传播，该传输线路包括彼此电隔离的一对电导体。
11.如权利要求12所述的系统，其中，导体之一包括选自由井壳体、管道、钻柱、管线、控制线、液压管路或者TEC (管装导体)构成的组中的至少一个井组件。
12.如权利要求9所述的系统，其中，传输线路包括一对导线，在这一对导线上具有绝缘体，在该绝缘体中沿着传输线路的长度的至少一部分具有所选间隔的间隙，所述间隙的大小被调整，并且，所述间隙被配置为当位于流体的表面的液位之下时允许流体在其中流动。
13.如权利要求9所述的系统，其中，数字延迟器包括TDC门阵列。
14.一种用于测量井眼中的流体液位的系统，包括: 频率发生器，可定位和可操作用来产生沿着井眼向着流体的表面传播的至少两种电磁频率信号； 检测器，可定位和可操作用来检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁信号的一部分； 处理器，被配置和布置为从检测器接收表示所检测的电磁信号的部分的信号并对所述信号进行分析以确定流体的表面的液位；以及 数字延迟器，被配置和布置为限定用于检测从流体的表面反射的所述电磁脉冲的一部分的检测时间窗口。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述检测器被配置和布置为检测所检测的电磁信号的部分的相位信息，并且，所述处理器被配置和布置为分析所检测的相位信息以确定流体的表面的液位。
16.如权利要求14所述的系统，还包括泵控制器，被配置和布置为从处理器接收距离信息并使用该距离信息来控制位于井眼中的泵的操作。
17.如权利要求14所述的系统，其中，数字延迟器包括TDC门阵列。
18.一种用于测量井眼中的流体液位的方法，包括: 生成沿着井眼向着流体的表面传播的电磁能量的脉冲； 检测从流体的表面反射且沿着井眼向着检测器传播的电磁脉冲的一部分； 通过使用数字延迟器来限定用于检测的检测时间窗口；以及 从检测器接收表示所检测的电磁脉冲的部分的信号并对该信号进行分析以确定流体的表面的液位。
19.如权利要求18所述的方法，其中，数字延迟器包括TDC门阵列。
【文档编号】F04B47/00GK103608650SQ201280028827
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年5月4日 优先权日:2011年5月4日
【发明者】M·C·史密森 申请人:雪佛龙美国公司