专利名称：立管环带流量计和方法
技术领域：
本文中公开的主题的实施例大体涉及方法和系统，并且更具体而言，涉及用于测量管道中的流体流量的机构和技术。
背景技术：
在过去的几年期间，随着化石燃料的价格的升高，在开发新的生产现场方面的兴趣已经显著增加。但是，基于陆地的生产现场的可用性受到限制。因而，本行业现在已经把钻井延伸到了看起来拥有大量的化石燃料的近海位置。近海位置的一个特点是钻井装备会经受的高压。例如，传统上钻井装备有一部分设计成承受介于5，OOOpsi和30，OOOpsi之间的压力。另外，希望用于钻井装备的各种构件的材料是耐腐蚀且耐高温的。用于从近海油田中抽取石油的现有技术使用如图1中所示的系统10。更具体而言，系统10包括具有绞盘14的船舶(或钻井平台)12，绞盘14将功率/通讯电缆16供应给控制器18。控制器18设置在海底，靠近海床20或在海床20上。在这方面，注意图1中显示的元件未按比例绘制，并且不应当从图1中推断尺寸。图1还显示在立管40的内部提供了钻井绳对，其从船舶12延伸到BOP^。海底井的井头22连接到壳体44上，壳体44构造成容纳进入海底井的钻井绳M。在钻井绳M 的端部处存在钻头(未显示)。采用了各种机构(也未显示)来旋转钻井绳M且暗含旋转钻头，以使海底井延伸。通过这样来移除钻井绳M产生的泥土和碎屑使特殊流体(称为“泥浆”)循环通过钻井绳M的内部且然后通过在钻井绳M的外侧和立管40的内侧之间形成的环带。因而，泥浆通过钻井绳M被从船舶12向下泵送到钻头且通过立管40的环带返回而回到船舶12。但是，在正常的钻井操作期间，可出现可损害井和/或用于钻井的装备的意外事件。一个这种事件是，气体、石油或其它井流体不受控制地从地下岩层流到井中。这种事件有时称为“反冲”或“井喷”，并且可出现在井的内部的岩层压力超过钻井流体(泥浆)柱对它施加的压力时。这个事件是无法预见的，并且如果不采取措施来阻止它，则井和/或相关联的装备可被损害。虽然上面的论述是针对海底石油勘探，但是对于地面石油勘探同样如此。因而，可在井的顶部上安装防喷器(BOP)，以在上面的事件中的一个威胁到井的完整性的情况下密封井。BOP在传统上实现为阀，其用以防止在钻井操作或完成操作期间或者在环形空间(即在壳体和钻管之间)中或者在裸孔(即没有钻管的孔)中的压力的释放。 最近，出于各种理由而将多个BOP安装在井的顶部上。图1显示了由控制器18控制的两个 BOP 26 或 28。但是，深水勘探提出许多其它钻井问题，例如，较大的损失循环区、井控制事故、浅水流等。因而，由于重大的机械钻井问题而损失了这些井中的许多井。这些问题的共同特点是泥浆的异常流动。例如，在水面泵处的流率可变得大于在船处的返回泥浆的流率。这表明井的完整性受到危害且泥浆正逃逸到环境中。对于在钻井平台上工作的人员的安全更
4危险的另一个可能情况是在返回泥浆的流率大于水面泵的流率时。这个事件表明井的完整性可受到危害，以及/或者已经发生进入井的高压侵入。此高压气体或流体然后可沿立管向上行进且喷出钻井平台。注意如果发生这些事件，BOP的操作员没有时间来反应以及关闭Β0Ρ。这些事件不仅可导致失去生命，而且还会增加钻井的成本以及减少将从那些井中抽取石油的机会，这是不合乎需要的。因此，提供避免前面描述的问题和缺点的系统和方法将是合乎需要的。
发明内容
根据一个示例性实施例，存在一种泥浆管线立管环带流量计。该流量计包括构造成附连到立管上以覆盖孔的衬套；盖，其构造成附连到立管上以覆盖衬套，使得衬套和盖形成腔体；构造成设置在衬套内的嵌件；构造成附连到嵌件上的基部；构造成附连到基部上以及在腔体的内部延伸的传感器杆，传感器杆具有孔口 ；构造成不动地附连到传感器杆上的磁体组件；附连到盖上的位置传感器；以及附连到位置传感器上的波导管。传感器杆的孔口构造成接收波导管。根据另一个示例性实施例，存在一种泥浆管线立管，其包括第一流量计。第一流量计构造成包括构造成附连到立管上以覆盖孔的衬套；盖，其构造成附连到立管上以覆盖衬套，使得衬套和盖形成腔体；构造成设置在衬套中的嵌件；构造成附连到嵌件上的基部； 构造成附连到基部上以及在腔体的内部延伸的传感器杆，传感器杆具有孔口 ；构造成不动地附连到传感器杆上的磁体组件；附连到盖上的位置传感器；以及附连到位置传感器上的波导管。传感器杆的孔口构造成接收波导管。根据另外的另一个示例性实施例，存在一种泥浆管线立管环带流量计，其包括构造成附连到立管上以覆盖孔的衬套；盖，其构造成附连到立管上以覆盖衬套，使得衬套和盖形成腔体；构造成附连到衬套上以及在腔体的内部延伸的传感器杆，传感器杆具有孔口 ； 构造成不动地附连到传感器杆上的磁体组件；以及附连到盖上的波导管。传感器杆的孔口构造成接收波导管。
结合在说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述一起阐述了这些实施例。在图中图1是传统的近海钻井平台的示意图；图2是根据一个示例性实施例的立管的示意图；图3是具有根据一个示例性实施例的流量计的立管的示意图；图4是根据一个示例性实施例的流量计的示意图；图5是根据一个示例性实施例的流量计的示意图；图6是具有多个根据一个示例性实施例的流量计的立管的示意图；且图7是示出了根据一个示例性实施例的用于将流量计附连到立管上的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参照了附图。不同的图中的相同参考标号标识相同或类似元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求所限定。为了简单，关于连接到海底BOP上的立管的术语和结构来论述以下实施例。但是，接下来论述的实施例不限于这些系统，而是可应用于需要在海底检测流体流量的其它系统。贯穿说明书，对“一个实施例”或“实施例”的参照指结合一个实施例来描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”出现在整个说明书的不同的地方不一定指同一实施例。另外，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。根据一个示例性实施例，流量计不仅提供于将泥浆泵送通过立管的水面泵处，而且还提供于较靠近BOP或较靠近海床表面的位置处。这样，与其中在海面处确定返回泥浆的流率的情况下相比，可更早地检测泵的流率和在海床表面处的返回泥浆的流率之间的流率差。这样，可在立管中的一些异常行为呈现(surface with)潜在的破坏性影响之前检测到那些异常行为。因为在从海床或井的底部开始其行程而到达钻井平台的给定量的泥浆可花费约20分钟到达钻井平台，所以通过及早检测到井中的泥浆的异常流动可给在钻井平台上操作的人员足够的时间窗来关闭井或放弃井，这取决于情势。如上面关于图1所论述的那样，使用了多个立管40来将海底BOP^连接到在海面处的钻井平台12上。立管在传统上由钢或可承受高压、腐蚀性环境和由于钻井平台的持续运动引起的一些弯曲的其它耐蚀材料制成。因而，各个立管具有连续的外壳，以防止在立管的内部流动的泥浆的泄漏。根据图2中示出的一个示例性实施例，存在具有构造成连接到另一个立管或另一件装备(例如B0P56)上的第一法兰52和第二法兰M的立管50。图2显示了立管50通过法兰M连接到B0P56上。例如，立管50可部署成远离Β0Ρ。但是，立管50不必直接连接到 B0P56上。使用螺栓58来将法兰M连接到B0P56上。立管50的外表面或外壳60构造成防止流过立管50的内部62的流体的泄漏。流量计可附连到立管上，如接下来所论述的那样。如图2中所示，孔64形成于立管50的侧部上，并且该孔可覆盖有衬套66，如图3 中所示。孔64的形状和大小且因此衬套66的形状和大小可基于立管50的相对于海床的位置、立管的内径等而有所不同。但是，可使用各种形状和大小。衬套66可由这样的弹性体材料或金属材料制成该材料具有承受泥浆的压力且还在泥浆的压力不同于环境的压力时变形而不断裂或破裂的特性。因而，在一种应用中，可对衬套66使用具有足够柔性且耐压的任何材料。衬套66构造成完全地覆盖孔64，使得不允许来自立管50的内部的流体离开立管或相反。例如通过用螺栓将衬套66连接在托架68和盖70之间来将衬套66固定到立管上。 托架68可附连到立管50上。盖70可由钢或可承受高压和/或腐蚀性环境的另一材料制成。盖70可为流量计71的一部分。根据一个示例性实施例，衬套66可包括例如由金属制成的嵌件104。其它材料也是可行的。嵌件104可朝向衬套66的中心而提供。嵌件104还可包括螺纹孔106，具有匹配的带螺纹的延伸部的基部108可拧到螺纹孔106中。图4更详细地显示了上面论述的元件。基部108具有插入嵌件104中的带螺纹的延伸部108a，并且其构造成连接到传感器杆110上。传感器杆110可具有圆柱形形状，而孔口 111形成于缸体的中部的周围。传感器杆 110可与基部108 —体地制成，或制成为例如通过螺钉、焊接等附连到彼此上的两个不同的零件。磁体组件112可例如通过螺栓114附连到传感器杆110上。磁体组件112可包括具有带有中心孔口的圆盘形式的一个或多个磁体，该中心孔口构造成符合传感器杆110的中心孔口 111。在一个应用中，磁体组件112可包括连接到彼此上或不连接到彼此上的多个磁体。位置传感器116(例如变送器)可附连到立管50的外壳60的外部上。图4显示了附连到盖70、外部腔体IM上的位置传感器。位置传感器116可具有许多构造。为了简单，接下来仅论述磁致伸缩传感器。位置传感器116包括波导管118，波导管118构造成进入传感器杆110中的孔口 111，使得传感器杆110能够在嵌件104由于立管50的内部的压力变化而与衬套66 —起运动时自由地沿着如图4中所示的轴线X运动。接下来论述位置传感器116的运行原理。但是，此论述是示例性的，而不意图限制可用于立管50以确定泥浆的流量的传感器的类型。间隔件120 (例如0形环)可置于磁体组件112和传感器杆110之间。磁体组件 112可包括两个或更多个永磁体。在一些实施例中，磁体组件112可包括三个磁体；在其它实施例中可包括四个磁体；而在另外的其它实施例中可包括不止四个磁体。固定式波导管118可位于传感器杆110内。在一个应用中，传感器杆110沿径向与波导管118隔开，以便不干涉衬套66的运动或在波导管118上导致磨损。类似地，磁体组件112可沿径向与波导管118隔开。在选定的实施例中，磁体组件112的磁体可处于横向于波导管118的平面中。另外，导电元件或导线(未显示)可定位成通过波导管118的中心。导线和波导管118两者可通过通讯端口 122连接到位于盖70的外部的位置传感器116上。位置传感器116(例如变送器)还可包括用于在导线上施加询问电流脉冲的适当的机构。适当的0 形环或其它密封件(未显示)位于波导管118、盖70和位置传感器116之间，以进行密封而防止泄漏。在立管60的内部62和形成于盖70和衬套60之间的腔体IM之间的压差改变时， 嵌件104与传感器杆110和磁体组件112沿着轴线X运动。因而，通过设置在其中的磁致伸缩传感器的运行，持续地确定衬套66或嵌件104的相对于非干扰位置的位置是可行的。 基于衬套66和/或嵌件104的一部分的这个位移，可确定通过立管60的内部62的泥浆的流率。关于磁致伸缩传感器的运行，磁致伸缩指一些金属(例如铁或镍或铁-镍合金) 的在置于磁场中时膨胀或收缩的能力。磁致伸缩波导管118可在外部磁体组件112内具有这样的区域在磁性组件112沿纵向在波导管118的周围平移时，该区域被沿纵向磁化。如上面所描述，磁性组件112包括可在横向于波导管118的平面中位于彼此均勻地隔开的位置处且相对于波导管118的表面沿径向相等地隔开的永磁体。外部磁场由磁性组件112建立，这可沿纵向磁化波导管118的区域。波导管118包围沿着其轴线定位的导线(未显示)。可用电流以本领域熟知的方式(例如通过位于盖70的外侧上的位置传感器116)周期性地对导线提供脉冲或询问 (interrogate)。这种电流会在导线和波导管118的周围产生环向磁场。当环向磁场与磁性
7组件112所产生的磁场交会时，会在波导管118中引起螺旋磁场而产生朝向波导管118的两端行进的声脉冲。在波导管118的端部处的适当的阻尼器(未显示)可防止发生脉冲的回声反射。但是，在变送器端或变送器头处，螺旋波被转换成波导扭转，这会在连接到位置传感器116上的非常薄的磁致伸缩带中施加横向应力。称为Villari效应的现象会使来自磁体的前进通过感测线圈的磁通联结被带中的行进的应力波干扰以及跨过线圈产生电压。 出于计量或控制目的，位置传感器116还可放大此电压。因为电流脉冲几乎以光速行进而声波脉冲大致仅以音速行进，所以在头端变送器接收各个脉冲的瞬间与头端电子器件产生的电脉冲的定时之间(相比较而言)存在时间间隔。此时间间隔是外部磁体组件112距管的变送器端的距离的函数。通过测量该时间间隔且将其除以声音在管的内部的传播速度，可确定磁体组件与管的头端的绝对距离。通过恰当的标定，此距离可映射成立管50的内部的流量。例如，考虑立管的内径和钻井管线的外径，波导管116的各种压差且暗含波导管116的位移可关联到通过立管的对应的流量上且存储在预定的表中。然后，基于该预定的表，处理器可识别与给定的压差或位移对应的流量。位置传感器116可具有接口 126，接口 1 允许电信号被发送给波导管118且还允许电信号将波导管118的测量结果传递到位置传感器的外部。在一个应用中，电信号在位置传感器116和在MUX吊舱(pod)(未显示)上的处理器或船舶12上的处理器之间交换。 在另一个应用中，位置传感器116可包括处理器117，以确定立管50的内部的流率。现在关于图5来论述衬套66。衬套66可具有可变厚度，中心部分66a具有较大的厚度，以容纳嵌件104。在图5中示出的一个示例性实施例中，嵌件104完全地嵌到衬套 66的中心部分66a中。另外，仅嵌件104的螺纹孔106构造成在基部108不就位时暴露于腔体124。否则，嵌件104不暴露于内部62和腔体124。返回到图3，补偿系统130构造成与腔体124通讯，以控制腔体的内部的压力。在这方面，允许腔体124的内部的压力等于环境压力，例如在立管50所部署的深度处的海水压力。当立管50处于水面时，腔体124的内部的压力为大气压。但是，一旦部署在海底，就通过使用例如隔膜或活塞132来分开腔体124的内部的介质(例如空气)和海水来使腔体 124的内部的压力保持在环境压力处。可提高腔体IM的内部的压力，以处理泥浆柱所施加的静压头。例如，在具有ISppg泥浆的10，OOOft (英尺)水中，静压头可为约4500psi。此压力会对衬套施加可能需要被平衡的力。如果是这种情况，可优选活塞132而非隔膜。补偿系统130可流体地联结到压力源上，例如在MUX吊舱上的蓄能器，以在腔体124的内部提供额外的压力，以补偿泥浆柱的海洋重量(sea weight)。在一个应用中，由于泥浆柱的压力大于在流量计的高度处的海水的环境压力，所以可对腔体1 施加补充压力，使得(i)补充压力和(ii)海水的环境压力的和等于泥浆柱的压力。可基于泥浆柱的密度、海水的密度和流量计的相对于海面的深度来计算补充压力。这些值可存储在或者可由流量计的操作员或者可由确定立管中的流量的处理器访问的存储装置中。因而在一个应用中，处理器可自动地确定将对腔体1 施加的补充压力。因而，在使用中时，流量计基于在该深度处的泥浆和在同一深度处的海水压力的压差来检测立管的内部的流体(例如泥浆)的流率。如果通过立管的流是恒定的，则衬套 66的变形是恒定的，并且位置传感器116确定单个位置。但是，当流动不规则时，衬套66的变形可改变，这确定了传感器杆110要改变的位置。因而，位置传感器116可确定变化的位置，并且因此分析此数据的处理器可确定立管50的内部的流体流量变化。根据图6中示出的一个示例性实施例，可对立管50增设多个流量计71a至71c。 流量计的数量可在一和十之间变化。为了提供精确的读数，衬套66的大小可与通过立管的流量相关。因而，例如，第一流量计可用于介于Ogpm(加仑每分钟)和300gpm之间的流量， 而另一个用于介于300gpm和600gpm之间的流量。衬套66的面积越大，则读数的精度越好。出于以下原因，上面论述的差压流量计71适于测量在海底提供的立管中的流体流量。因为流过立管的流体是脏的，例如可包括岩石、石头、土壤颗粒等，现有的涡轮流量计在涡轮和/或桨轮可被卡住时将失效。因为流体密度可能在改变且流中的固体浓度也在改变，超声波流量计和热质量流量计是不适合的。因为所允许的最小流量约束的原因， Coriolis计和椭圆齿轮计也是不适合的。Doppler计也是不适合的，因为流可具有在其内循环的空气泡沫或固体。海底磁性流量计因为其最小包络尺寸的原因而是不适合的。根据图7中示出的一个示例性实施例，存在用于将如前面的图中所论述的流量计附连到立管上的方法。该方法包括步骤700，将衬套附连到立管上以覆盖立管中的孔；步骤702，将传感器杆附连到衬套上；步骤704，在衬套和传感器杆上面提供盖；步骤706，将位置传感器附连到盖上；以及步骤708，将波导管附连到位置传感器上，使得波导管在盖的内部延伸且部分地进入传感器杆中的孔口。可选地，该方法包括将嵌件附连到衬套上的步骤、 将基部拧到嵌件上的步骤、将传感器杆拧到基部中的步骤等。所公开的示例性实施例提供了流量计、立管和用于测量通过立管的内部的流量的方法。应当理解，此描述不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖包括在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围中的备选方案、修改方案和等效方案。另外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对所要求保护的发明的全面理解。但是，本领域技术人员将理解，可在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。虽然在实施例中以特定的组合描述了当前的示例性实施例的特征和元件，但是可在不具有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用各个特征或元件，或者可在具有或不具有本文中公开的其它特征和元件的情况下以各种组合来使用各个特征或元件。此书面描述使用了公开的主题的实例来使得本领域任何技术人员能够实践该主题，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本主题的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域那些技术人员想到的其它实例。这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。
权利要求
1.一种泥浆管线立管环带流量计，所述流量计(71)包括 构造成附连到立管(50)上以覆盖孔(64)的衬套(66)；盖(70)，其构造成附连到所述立管(50)上以覆盖所述衬套(66)，使得所述衬套(66) 和所述盖(70)形成腔体(124)；构造成设置在所述衬套(66)内的嵌件(104)； 构造成附连到所述嵌件(104)上的基部(108)；构造成附连到所述基部(108)上以及在腔体(IM)的内部延伸的传感器杆(110)，所述传感器杆(110)具有孔口(111)；构造成不动地附连到所述传感器杆(110)上的磁体组件(112)； 附连到所述盖(70)上的位置传感器(116)；以及附连到所述位置传感器(116)上的波导管(118)，其中，所述传感器杆(110)的所述孔口(111)构造成接收所述波导管(118)。
2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量计进一步包括补偿机构，其连接到所述盖上，并且构造成在所述腔体的内部提供环境压力。
3.根据权利要求2所述的流量计，其特征在于，所述补偿机构包括活塞，所述活塞构造成对所述腔体施加补充压力，使得(i)所述环境压力和(ii)所述补充压力的和基本等于在所述立管的内部的流体的重量所确定的压力。
4.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，完全在所述腔体的内部提供所述传感器杆。
5.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述衬套的存在所述嵌件处的厚度大于所述衬套的不存在所述嵌件处的厚度。
6.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述基部拧到所述嵌件中，而所述传感器杆拧到所述基部中。
7.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述嵌件、基部、传感器杆和磁体组件构造成在所述衬套上的压力改变时相对于所述波导管运动。
8.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述波导管构造成在所述磁体组件相对于所述波导管运动时产生电信号。
9.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量计进一步包括接口，其附连到所述位置传感器上，并且构造成与处理器和所述波导管交换电信号。
10.一种泥浆管线立管(50)，包括第一流量计(71a)，其中，所述第一流量计(71a)构造成包括 构造成附连到所述立管(50)上以覆盖孔(64)的衬套(66)；盖(70)，其构造成附连到所述立管(50)上以覆盖所述衬套(66)，使得所述衬套(66) 和所述盖(70)形成腔体(124)；构造成设置在所述衬套(66)内的嵌件(104)； 构造成附连到所述嵌件(104)上的基部(108)；构造成附连到所述基部(108)上以及在腔体(IM)的内部延伸的传感器杆(110)，所述传感器杆(110)具有孔口(111)；构造成不动地附连到所述传感器杆(110)上的磁体组件(112)；附连到所述盖(70)上的位置传感器(116)；以及附连到所述位置传感器(116)上的波导管(118)，其中，所述传感器杆(110)的所述孔口(111)构造成接收所述波导管(118)。
11.根据权利要求10所述的泥浆管线立管，其特征在于，所述泥浆管线立管进一步包括具有类似于所述第一流量计的结构的第二流量计，其中，所述第一流量计的所述衬套的面积不同于所述第二流量计的衬套的面积。
12.根据权利要求11所述的泥浆管线立管，其特征在于，所述第一流量计构造成测量所述立管的内部的Ogpm至约300gpm的流量，而所述第二流量计构造成测量约300gpm至约 600gpm的流量。
13.根据权利要求10所述的泥浆管线立管，其特征在于，所述第一流量计构造成通过所述立管的内部的压力和所述腔体的内部的压力之间的压差来测量流过所述立管的泥浆的流率。
14.一种泥浆管线立管环带流量计(71)，所述流量计(71)包括 构造成附连到立管(50)上以覆盖孔(64)的衬套(66)；盖(70)，其构造成附连到所述立管(50)上以覆盖所述衬套(66)，使得所述衬套(66) 和所述盖(70)形成腔体(124)；构造成附连到所述衬套(66)上以及在腔体(124)的内部延伸的传感器杆(110)，所述传感器杆(110)具有孔口(111)；构造成不动地附连到所述传感器杆(110)上的磁体组件(112)；以及附连到所述盖(70)上的波导管(118)，其中，所述传感器杆(110)的所述孔口(111)构造成接收所述波导管(118)。
全文摘要
本发明涉及立管环带流量计和方法。一种泥浆管线立管环带流量计包括构造成附连到立管上以覆盖孔的衬套；盖，其构造成附连到立管上以覆盖衬套，使得衬套和盖形成腔体；构造成附连到衬套上以及在腔体的内部延伸的传感器杆，传感器杆具有孔口；构造成不动地附连到传感器杆上的磁体组件；以及附连到盖上的波导管。传感器杆的孔口构造成接收波导管。
文档编号G01F1/34GK102435235SQ20111028398
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月15日
发明者D·A·迪茨 申请人:海德里尔美国制造业有限责任公司