用于計算流速的系統(tǒng)和方法技術方案

本發(fā)明專利技術公開用于計算流速的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括至少兩個超聲傳感器、超聲收發(fā)裝置及信號處理裝置。至少兩個超聲傳感器被設置在用于流體流過的管道上，至少兩個超聲傳感器具有不同的超聲束路徑，并且，至少兩個超聲傳感器的超聲束路徑具有重疊區(qū)域。超聲收發(fā)裝置用于激勵至少兩個超聲傳感器，并且用于通過至少兩個超聲傳感器中的一個或多個向管道發(fā)射一個或多個超聲信號，并通過至少兩個超聲傳感器接收超聲信號。信號處理裝置用于對接收到的超聲信號進行處理，從而能夠精確地計算出流體的流速。本發(fā)明專利技術的系統(tǒng)和方法能夠應用于多個領域，具有較高的應用價值。

【技術實現步驟摘要】
用于計算流速的系統(tǒng)和方法
本專利技術大體涉及計算流速的系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種在鉆井過程中用于計算流速的系統(tǒng)和方法。
技術介紹
在鉆井時，可轉動的鉆頭設置在鉆桿上，海面平臺通過鉆桿對鉆頭進行控制，鉆桿驅動鉆頭轉動，從而從海床下鉆出井筒。在此期間，來自設置在海面平臺的流體罐中的鉆井液通過鉆桿到達鉆頭，然后，通過形成于鉆桿和立管之間的環(huán)形空間來返回流體罐中。鉆井液維持了一定的靜水壓力來平衡來自井筒的流體的壓力并對鉆頭進行冷卻。另外，鉆井液與井筒形成過程中產生的物料相混合以返回并攜帶其到海面進行處理。在鉆井過程中，當從井壁中進入井筒中的流體的壓力大于鉆井液的壓力時，則會導致地層中的流體隨同鉆井液一同進入環(huán)形空間中，從而產生較大壓力的返回的鉆井液，如果控制不當就會導致井噴的發(fā)生。因此，需要對返回的鉆井液進行實時的監(jiān)控測量以確定是否會發(fā)生井噴。通常，通過對返回的鉆井液的流速進行測量來確定流體是否發(fā)生變化，從而來監(jiān)控井噴的發(fā)生，確保鉆探的安全運行。圖1a示出一種立管的軸向示意圖及圖1b示出一種立管的橫向示意圖。如圖1a和1b所示，已知使用任一個超聲傳感器能夠計算出在立管11中流動的返回的鉆井液130(如圖3所示)在平行于超聲束路徑的方向上的流速vi，然后，在不考慮返回的鉆井液130的橫向流速分量vR的情況下，直接將返回的鉆井液130在平行于超聲束路徑的方向上的流速vi投影到軸向方向(即z軸方向)，從而可以計算出返回的鉆井液130的軸向流速vz，即z軸方向上的流速分量vz。然而，在實際操作中，鉆桿會不時地移動，當鉆桿移動時，返回的鉆井液130的橫向流速分量vR所作出的貢獻非常明顯，此時，返回的鉆井液130的橫向流速分量vR是不能被忽略的。在這種情況下，僅使用一個超聲傳感器是無法計算出返回的鉆井液130的軸向流速vz和橫向流速分量vR，即返回的鉆井液130的二維流速。進一步地，橫向流速分量vR可以分解成x軸方向上的流速分量vx和y軸方向上的流速分量vy。因此，通過一個超聲傳感器更無法計算出返回的鉆井液130的在x軸、y軸、z軸方向上的流速分量vx、vy、vz，即返回的鉆井液130的三維流速。因此，有必要提供一種改進的系統(tǒng)和方法以解決如上所述的至少一個問題。
技術實現思路
本專利技術的一個方面在于提供一種用于計算流速的系統(tǒng)，其包括至少兩個超聲傳感器、超聲收發(fā)裝置及信號處理裝置。其中，所述至少兩個超聲傳感器被設置在用于流體流過的管道上，所述至少兩個超聲傳感器具有不同的超聲束路徑，并且，所述至少兩個超聲傳感器的超聲束路徑具有重疊區(qū)域。超聲收發(fā)裝置用于激勵所述至少兩個超聲傳感器，并且用于通過所述至少兩個超聲傳感器中的一個或多個向所述管道發(fā)射一個或多個超聲信號，并且，通過所述至少兩個超聲傳感器接收超聲信號。信號處理裝置用于對所述接收到的超聲信號進行處理，以計算出所述流體的流速。本專利技術的另一個方面在于提供一種用于計算流速的方法，其包括：通過至少兩個超聲傳感器中的一個或多個來向管道發(fā)射一個或多個超聲信號，所述至少兩個超聲傳感器的超聲束路徑彼此相交而具有重疊區(qū)域；通過所述至少兩個超聲傳感器接收超聲信號；及對所述接收到的超聲信號進行處理，以計算出流過所述管道的流體的流速。本專利技術的用于計算流速的系統(tǒng)和方法能夠應用于多個領域，具有較高的應用價值和可靠性。附圖說明當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本專利技術的這些和其它特征、方面及優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中，相同的元件標號在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：圖1a是一種立管的軸向示意圖；圖1b是一種立管的橫向示意圖；圖2是根據本專利技術的一個具體實施方式的用于計算流速的系統(tǒng)的示意圖；圖3是圖2中的立管的剖視圖；圖4是圖2中三個超聲傳感器的超聲束路徑的示意圖；圖5是以三個超聲傳感器所建立的三維坐標系的示意圖；及圖6是根據本專利技術的一個具體實施方式的用于計算三維流速的方法的流程圖。具體實施方式為幫助本領域的技術人員能夠確切地理解本專利技術所要求保護的主題，下面結合附圖詳細描述本專利技術的具體實施方式。在以下對這些具體實施方式的詳細描述中，本說明書對一些公知的功能或構造不做詳細描述以避免不必要的細節(jié)而影響到本專利技術的披露。除非另作定義，本權利要求書和說明書中所使用的技術術語或者科學術語應當為本專利技術所屬
內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權利要求書中所使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分。“一個”或者“一”等類似詞語并不表示數量限制，而是表示存在至少一個。“包括”或者“具有”等類似的詞語意指出現在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵蓋出現在“包括”或者“具有”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“連接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。本專利技術的用于計算流速的系統(tǒng)100和方法正是用于解決現有技術中所述的技術問題而提出的。以下將對本專利技術的用于計算流速的系統(tǒng)100和方法進行詳細介紹。圖2示出根據本專利技術的一個具體實施方式的用于計算流速的系統(tǒng)100的示意圖。現在參照圖2所示，根據本專利技術的一個具體實施方式的用于計算流速的系統(tǒng)100可以在開探海上井筒或陸上井筒中使用，其包括管道11、至少兩個超聲傳感器(例如圖示中所示出的超聲傳感器20、21、22)、與至少兩個超聲傳感器(例如超聲傳感器20、21、22)相電性連接的超聲收發(fā)裝置3以及與超聲收發(fā)裝置3相電性連接的信號處理裝置4。在本專利技術的一個示例中，管道11被示為包括立管(riser)，以下將以管道11包括立管為例來進行描述。然而，這僅作為本專利技術的管道11的一個示意性例子，本專利技術的管道11并不限于此。在本專利技術的另一個示例中，管道11也可以包括套管(casing)。在非限定的一個具體實施方式中，至少兩個超聲傳感器(例如超聲傳感器20、21、22)中的每一個為多普勒超聲傳感器，其具有較高的感應準確度。當然，超聲傳感器的類型并不限于此，其也可以使用其他合適的感應裝置。圖3示出圖2中的立管11的剖視圖，如圖2并結合參照圖3所示，立管11具有筒形橫截面(如圖1b所示)，并且可收容鉆桿12，在立管11與鉆桿12之間形成用于通過返回的鉆井液130的環(huán)形空間13，鉆桿12是由多個具有一定長度的管道首尾相連形成，鉆桿12設置在立管11中并且沿著立管11的軸向方向在立管11中延伸。在鉆桿12的底端可旋轉地安裝有鉆頭(未圖示)，利用立管11、鉆桿12及其上的鉆頭來開鑿出井筒。來自平臺(未圖示)的鉆井液120(通常也被稱為鉆井泥漿)通過鉆桿12輸送到井筒中。在鉆井的過程中，來自井筒中的返回的鉆井液130可通過立管11與鉆桿12之間的環(huán)形空間13返回到平臺。鉆井液120維持了一定的靜水壓力來平衡來自井筒的返回的鉆井液130的壓力并對鉆頭進行冷卻，同時，鉆井液120把在開鑿井筒過程中產生的物料本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于計算流速的系統(tǒng)，其包括：至少兩個超聲傳感器，其被設置在用于流體流過的管道上，所述至少兩個超聲傳感器具有不同的超聲束路徑，并且，所述至少兩個超聲傳感器的超聲束路徑具有重疊區(qū)域；超聲收發(fā)裝置，其用于激勵所述至少兩個超聲傳感器，并且用于通過所述至少兩個超聲傳感器中的一個或多個向所述管道發(fā)射一個或多個超聲信號，并且，通過所述至少兩個超聲傳感器接收超聲信號；及信號處理裝置，其用于對所述接收到的超聲信號進行處理，以計算出所述流體的流速。

【技術特征摘要】
1.一種用于計算流過管道的流體的流速的系統(tǒng)，其包括：
至少兩個超聲傳感器，其被設置在用于流體流過的所述管道上，所述至少兩個超聲傳感器中的每一個具有不同的超聲束路徑，其中所述至少兩個超聲傳感器間隔開并定向成使得對應的超聲束路徑彼此相交而提供設置在所述管道內的重疊區(qū)域；
超聲收發(fā)裝置，其配置成激勵所述至少兩個超聲傳感器中的至少一個超聲傳感器通過至少一個超聲傳感器向所述管道發(fā)射至少一個超聲信號，并且，通過所述至少兩個超聲傳感器同時接收來自所述重疊區(qū)域內的采樣點的經反射的超聲信號，其中所述采樣點與所述管道間隔開；及
信號處理裝置，其用于對所述接收到的經反射的超聲信號進行處理，以計算出在所述采樣點流經所述管道的所述流體的流速。


2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩個超聲傳感器包括至少三個超聲傳感器，所述至少三個超聲傳感器的超聲束路徑位于不同的平面，所述信號處理裝置對所述至少三個超聲傳感器的每一個所述接收到的超聲信號進行處理，以計算出所述流體的三維流速。


3.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述信號處理裝置用于基于所述接收到的超聲信號來計算出所述流體在所述重疊區(qū)域內的不同方向的至少三個流速，并且基于所述計算出的所述流體的在不同方向的至少三個流速來計算出所述流體的三維流速。


4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩個超聲傳感器設置在所述管道周圍。


5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少兩個超聲傳感器中的每一個為多普勒超聲傳感器。


6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括多組超聲傳感器，其中每一組包括所述至少兩個超聲傳感器，所述多組超聲傳感器位于所述管道的不同位置用于計算出所述流體在所述管道內的不同區(qū)域的不同的采樣點處的流速。


7.一種用于計算流經管道的流體的流速的方法，其包括：
將成間隔關系并且設置在管道上的至少兩個超聲傳感器進行定向，使得所述至少兩個超聲傳感器中的對應超聲束路徑重疊而提供重疊區(qū)域，所述重疊區(qū)域設置在所述管道內；
通過至少一個超聲傳感器來向所述管道發(fā)射至少一個超聲信號；
通過所述至少...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：梅艷，牛冉，尚衛(wèi)華，程剛，葉菁，袁龍濤，
申請(專利權)人：通用電氣公司，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US