相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2015年2月19日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)no.14/626,265的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文。

本申請(qǐng)涉及可以從中回收碳?xì)浠锏牡叵聟^(qū)域中的流體。

背景技術(shù)：

可以使用鉆入地下地層中的鉆井或井眼來(lái)從地下區(qū)域獲取碳?xì)浠?比如石油和天然氣)。在一些情況中，通過(guò)圍管來(lái)排列井眼，圍管通常是中空鋼管，其在每個(gè)生產(chǎn)區(qū)域穿孔，以從地下地層中提取流體。來(lái)自每個(gè)生產(chǎn)區(qū)域的進(jìn)入井眼的流體被汲取到管道中并且導(dǎo)向地表。例如，流體從貯藏庫(kù)流到環(huán)形空間，并可以從此流到內(nèi)流控制設(shè)備并最終流向基管。由于氣體錐或水錐的侵入，井眼的幾何結(jié)構(gòu)(比如不均勻的排放系統(tǒng))可以導(dǎo)致多相流體。在碳?xì)浠镢@井操作中，常常會(huì)有兩種或更多種類型的流體流過(guò)位于延伸通過(guò)地下區(qū)域的井眼中的井下管道。例如，在生產(chǎn)期間，井眼中的流體趨于分為油、水、氣體和固體(例如，沙子)流的區(qū)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本說(shuō)明書(shū)描述了與監(jiān)測(cè)地下鉆井中的段塞流和測(cè)量段塞流中的氣體含量有關(guān)的技術(shù)。

本文描述的主題的一些方面可以實(shí)現(xiàn)為包括以下內(nèi)容的方法：在一個(gè)時(shí)刻，發(fā)送聲學(xué)信號(hào)，穿過(guò)流動(dòng)著包括氣態(tài)流體和液態(tài)流體的多相流體的管道的截面，以及在所述時(shí)刻，部分地基于被攜帶通過(guò)所述截面的聲學(xué)信號(hào)的所述部分的能量和所發(fā)送的聲學(xué)信號(hào)的總能量的至少一部分來(lái)確定通過(guò)所述管道的截面的氣態(tài)流體的第一量和液態(tài)流體的第二量。所述聲學(xué)信號(hào)的一部分由所述多相流體攜帶通過(guò)所述管道的截面。

這些方面和其它方面可以包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)。在多個(gè)后續(xù)時(shí)刻中的每個(gè)后續(xù)時(shí)刻，發(fā)送穿過(guò)所述管道的截面的后續(xù)聲學(xué)信號(hào)。所述后續(xù)聲學(xué)信號(hào)的一部分由所述多相流體攜帶通過(guò)所述管道的截面。部分地基于被攜帶通過(guò)所述截面的后續(xù)聲學(xué)信號(hào)的所述部分的能量和所發(fā)送的后續(xù)聲學(xué)信號(hào)的能量來(lái)確定通過(guò)所述管道的截面的氣態(tài)流體的第三量和液態(tài)流體的第四量。確定在所述時(shí)刻和所述多個(gè)后續(xù)時(shí)刻期間流過(guò)所述截面的所述多相流體的組成。發(fā)送所述聲學(xué)信號(hào)穿過(guò)所述管道的截面包括：將聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器附接于所述管道的截面上的第一位置，以及將聲學(xué)信號(hào)發(fā)生器連接到所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器，所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生所述聲學(xué)信號(hào)。所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器被附接以便范圍從大約5°到15°之間的波束角度來(lái)發(fā)送所述聲學(xué)信號(hào)。所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器被配置為產(chǎn)生大約0.5mhz到2.0mhz之間的頻率范圍內(nèi)的聲學(xué)信號(hào)。所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)生器被配置為產(chǎn)生電信號(hào)并將所述電信號(hào)發(fā)送到所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器，其中，所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器被配置為將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述聲學(xué)信號(hào)。聲學(xué)信號(hào)接收器附接于所述管道的截面上的第二位置，以及聲學(xué)信號(hào)評(píng)估器連接到所述聲學(xué)信號(hào)接收器。所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器和所述聲學(xué)信號(hào)接收器附接于所述管道的截面上徑向相對(duì)的兩端。所述聲學(xué)信號(hào)包括基于壓強(qiáng)與均值環(huán)境壓強(qiáng)的偏差來(lái)確定的幅值。在所述時(shí)刻，通過(guò)所述管道的截面的氣態(tài)流體的第一量和液態(tài)流體的第二量部分地基于被攜帶通過(guò)所述截面的聲學(xué)信號(hào)的所述部分的能量來(lái)確定，以及所發(fā)送的聲學(xué)信號(hào)的能量包括確定被攜帶通過(guò)所述截面的聲學(xué)信號(hào)的所述部分的能量。

在一些實(shí)施例中，在所述時(shí)刻，通過(guò)所述管道的截面的氣態(tài)流體的量和液態(tài)流體的量部分地基于被攜帶通過(guò)所述截面的聲學(xué)信號(hào)的所述部分的能量來(lái)確定。所發(fā)送的聲學(xué)信號(hào)的能量包括：確定被攜帶通過(guò)所述截面的聲學(xué)信號(hào)的所述部分的能量與所發(fā)送的聲學(xué)信號(hào)的能量實(shí)質(zhì)相等，以及確定多相流體包括的液態(tài)流體多于氣態(tài)流體。在一些實(shí)施例中，在所述時(shí)刻，通過(guò)所述管道的截面的氣態(tài)流體的量和液態(tài)流體的量部分地基于被攜帶通過(guò)所述截面的聲學(xué)信號(hào)的所述部分的能量來(lái)確定。所發(fā)送的聲學(xué)信號(hào)的能量包括：確定被攜帶通過(guò)所述截面的聲學(xué)信號(hào)的所述部分的能量實(shí)質(zhì)小于與所發(fā)送的聲學(xué)信號(hào)的能量；以及確定多相流體包括的氣態(tài)流體實(shí)質(zhì)多于液態(tài)流體。

本文描述的主題的一些方面可以實(shí)現(xiàn)為用于分析管道中的多相流體的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括：聲學(xué)發(fā)射器，附接于流動(dòng)著包括氣態(tài)流體和液態(tài)流體的多相流體的所述管道的第一位置，所述聲學(xué)發(fā)射器用于發(fā)送具有第一能量的聲學(xué)信號(hào)，穿過(guò)流動(dòng)著包括氣態(tài)流體和液態(tài)流體的多相流體的管道的截面。所述系統(tǒng)還包括：聲學(xué)接收器，附接于所述管道的第二位置，所述聲學(xué)接收器用于接收由所述多相流體攜帶的穿過(guò)所述管道的聲學(xué)信號(hào)的一部分，所述聲學(xué)信號(hào)的所述部分具有第二能量；以及聲學(xué)信號(hào)評(píng)估器，部分地基于所述第二能量和所述第一能量來(lái)確定通過(guò)所述管道的截面的氣態(tài)流體的量和液態(tài)流體的量。

這些方面和其它方面可以包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)。所述系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生所述聲學(xué)信號(hào)的聲學(xué)信號(hào)發(fā)生器。所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)生器連接到所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器，其中，所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)生器被配置為產(chǎn)生電信號(hào)并將該電信號(hào)發(fā)送到所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器，其中，所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器被配置為將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述聲學(xué)信號(hào)。

在一些實(shí)施例中，所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器附接于第一位置，以便以范圍從大約5°到15°之間的波束角度來(lái)發(fā)送所述聲學(xué)信號(hào)。所述聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器被配置為產(chǎn)生大約0.5mhz到2.0mhz之間的頻率范圍內(nèi)的聲學(xué)信號(hào)。

本文描述的主題的一些方面可以實(shí)現(xiàn)為包括以下內(nèi)容的方法：發(fā)送聲學(xué)信號(hào)，穿過(guò)流動(dòng)著包括氣態(tài)流體和液態(tài)流體的多相流體的管道的截面，接收由所述多相流體攜帶通過(guò)所述管道的截面的聲學(xué)信號(hào)，確定所接收的聲學(xué)信號(hào)的能量級(jí)別，以及部分地基于所接收的聲學(xué)信號(hào)的所確定的能量級(jí)別來(lái)確定所述多相流體的流體參數(shù)。

這些方面和其它方面可以包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)。發(fā)送所述聲學(xué)信號(hào)穿過(guò)所述管道的截面包括通過(guò)在第一位置附接于所述管道的外表面的聲學(xué)發(fā)射器來(lái)發(fā)送所述聲學(xué)信號(hào)，其中，接收由所述多相流體攜帶通過(guò)所述管道的截面的聲學(xué)信號(hào)包括在第二位置處的附接于所述管道的外表面的聲學(xué)接收器處接收所述多相流體攜帶的聲學(xué)信號(hào)，以及所述第一位置與所述第二位置在所述截面上徑向相對(duì)。所述流體參數(shù)包括以下中的至少一項(xiàng)：段塞速度、段塞頻率和段塞長(zhǎng)度。所述段塞速度基于將在所述管道的兩個(gè)位置處接收的聲學(xué)信號(hào)相關(guān)聯(lián)以及所述兩個(gè)位置之間的行進(jìn)時(shí)間來(lái)確定。

在附圖和以下描述中闡述了本說(shuō)明書(shū)的主題的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。根據(jù)描述、附圖和權(quán)利要求，本主題的其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1a示出了用于監(jiān)測(cè)段塞流的示例鉆井系統(tǒng)。

圖1b示出了用于監(jiān)測(cè)段塞流的另一示例鉆井系統(tǒng)。

圖1c示出了用于監(jiān)測(cè)段塞流的示例鉆井系統(tǒng)的截面視圖。

圖2是用于監(jiān)測(cè)段塞流的示例過(guò)程的流程圖。

圖3是用于監(jiān)測(cè)段塞流的另一示例過(guò)程的流程圖。

各附圖中相似的附圖標(biāo)記和標(biāo)號(hào)表示相似的元件。

具體實(shí)施方式

本說(shuō)明書(shū)涉及監(jiān)測(cè)地下鉆井中的流體。流過(guò)地下鉆井的流體可以包括油、水、氣體和固體(例如沙子)。不同類型流體的共存產(chǎn)生多相流體，這意味著流體組成可以在井眼內(nèi)各個(gè)點(diǎn)隨著壓力、溫度以及不同相之間的滑移而變化。多相流體可取決于許多因素，包括一種流體相對(duì)于另一種流體的相對(duì)密度比、流體之間的粘度差以及每種流體的速度(例如滑移)。地下鉆井中的多相流體可以在一個(gè)鉆井、或者在普通生產(chǎn)線中將流體混合的一組鉆井的生產(chǎn)壽命期間變化。例如，在含油地層的壽命期間，氣體的產(chǎn)量可能增加，特別是將氣體用作驅(qū)動(dòng)流體來(lái)將原油推動(dòng)到生產(chǎn)鉆井的情況更是如此。在這種情況下，氣體濃度增加，其他流體成分的濃度降低。

多相流體通常導(dǎo)致所謂的段塞流，其中，在連接到分離、處理和泵送設(shè)備的流動(dòng)路線中發(fā)生液體段塞。在大范圍的油氣流動(dòng)速率下，可能經(jīng)常遇到段塞流體系。液氣組合物中的段塞流可能影響石油生產(chǎn)系統(tǒng)的流動(dòng)路線設(shè)計(jì)和機(jī)械完整性。因此，監(jiān)測(cè)液氣組合物中的段塞流可能是有用的。

本說(shuō)明書(shū)中描述的主題的實(shí)現(xiàn)總體上涉及地下鉆井中的多相流體監(jiān)測(cè)。一些實(shí)施方案包括對(duì)地下鉆井中的段塞流的屬性集合的自動(dòng)計(jì)算。段塞流是一種多相流體，可以從兩個(gè)不同的相開(kāi)始，其中，氣相以例如被液體段塞分隔開(kāi)的大氣泡形式存在。在一些示例中，每個(gè)氣體腔之后是位于液相中的構(gòu)成段塞尾部的一系列氣泡。段塞流可能在井眼內(nèi)部產(chǎn)生，并在管道中繼續(xù)，直到地表處理設(shè)備。了解段塞流參數(shù)(包括段塞的頻率、速度和長(zhǎng)度)可以改善管道的有效設(shè)計(jì)和操作。

可以實(shí)現(xiàn)在本說(shuō)明書(shū)中描述的主題的特定實(shí)施例，以便實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。所提出的用來(lái)監(jiān)測(cè)多相流體的方法的準(zhǔn)確性和可靠性與氣體空隙率無(wú)關(guān)。該方法考慮到信號(hào)的聲學(xué)可變性和非穩(wěn)定性質(zhì)。所描述的方法中的任何一種可以與傳感器陣列耦合，從而可以檢測(cè)到段塞的先導(dǎo)條件，以防止段塞本身。所公開(kāi)的系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為段塞低計(jì)量解決方案，其可以安裝在地表應(yīng)用中，作為頂部離岸或岸上位置，并且還可部署在井下，作為永久或可回收系統(tǒng)的一部分。系統(tǒng)特性允許對(duì)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行緊湊封裝，并且可以在低功率下有效工作。該方法被設(shè)計(jì)為具有低計(jì)算成本，并且系統(tǒng)可以以低成本開(kāi)發(fā)。

如圖1a所示，可以實(shí)現(xiàn)示例鉆井系統(tǒng)100，其在鉆井生產(chǎn)期間監(jiān)測(cè)地下地層101中的段塞流。段塞流的測(cè)量可以支持鉆井生產(chǎn)的優(yōu)化。示例鉆井系統(tǒng)100包括形成有鉆探組件(未示出)的井眼104。鉆井組件可用于形成從地表面110延伸通過(guò)一個(gè)或多個(gè)地下地層106和/或108(或其他地下地層或區(qū)域)的垂直井眼部分。地下區(qū)域可以包括貯藏庫(kù)區(qū)120，其包含碳?xì)浠镔Y源，例如石油、天然氣和/或其它碳?xì)浠镔Y源。貯藏庫(kù)120可以包括含有液體和/或氣態(tài)碳?xì)浠?例如石油、水或其它液體)的多孔和可滲透巖石。貯藏庫(kù)120可以包括常規(guī)貯藏庫(kù)、非常規(guī)貯藏庫(kù)、氣密貯藏庫(kù)和/或其它類型的貯藏庫(kù)。鉆井系統(tǒng)100通過(guò)井眼104產(chǎn)生從貯藏庫(kù)120到地表110的駐留碳?xì)浠镔Y源。

鉆井系統(tǒng)100中的井眼104可以包括水平、垂直、傾斜、彎曲、鉸接、橫向、多側(cè)和/或能夠影響流體流過(guò)井眼的其它井眼幾何形狀的任何組合。可以在井眼104的垂直部分和/或其他井眼部分中的至少一部分中安裝一個(gè)或多個(gè)井眼圍管，例如導(dǎo)體圍管112、中間圍管114和生產(chǎn)圍管116。備選地，在一些實(shí)施例中，不能安裝圍管112、114和116中的一個(gè)或多個(gè)(例如，完成開(kāi)孔)。

在一些實(shí)施例中，井眼104可以包括多處不連續(xù)(例如穿孔、斷裂或其它不連續(xù))。圖1a示出了示例性不連續(xù)122和斷裂118。不連續(xù)部分122可以包括從圍管116向貯藏庫(kù)結(jié)構(gòu)120創(chuàng)建的連通通道，由此生產(chǎn)油或氣。穿孔122的幾何結(jié)構(gòu)可以取決于用于創(chuàng)建穿孔122的方法，并且可以影響流體流過(guò)井眼。

在第一實(shí)施例中，系統(tǒng)100包括由發(fā)射器124和接收器126形成的聲學(xué)配對(duì)。發(fā)射器124和接收器126可以附接到井眼104(例如，附接到生產(chǎn)圍管116)，使得發(fā)射器124的表面和接收器126的表面與流動(dòng)流體直接接觸。在一些實(shí)施方案中，可以使用系統(tǒng)的非侵入性配置(其中聲學(xué)發(fā)射器124和接收器126配對(duì)不與流動(dòng)流體直接接觸)。在系統(tǒng)的非侵入性配置中，可以使用發(fā)射器124的表面與井眼104之間的耦合介質(zhì)并且使用接收器126的表面與井眼104之間的耦合介質(zhì)將聲學(xué)發(fā)射器124和接收器126配對(duì)夾持在管道上，從而形成不影響井眼104的結(jié)構(gòu)的可移除系統(tǒng)。

在一些實(shí)施方式中，如圖1a所示，發(fā)射器124和接收器126可以附接到管道的截面上徑向相對(duì)的兩端。在一些實(shí)施方式中，如圖1a、1b和1c所示，發(fā)射器124和接收器126偏離垂直于井眼104的縱軸截取的截面。發(fā)射器124和接收器126配對(duì)可以操作為在一個(gè)時(shí)刻或多個(gè)時(shí)刻處監(jiān)測(cè)多相流體。

在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖1a所示，系統(tǒng)100包括由多個(gè)發(fā)射器124和相應(yīng)數(shù)量的接收器126形成的多個(gè)聲學(xué)配對(duì)。每個(gè)聲學(xué)配對(duì)具有與第一實(shí)施例中的發(fā)射器124-接收器126配對(duì)相同的特性。每個(gè)發(fā)射器124-接收器126配對(duì)可以以不同的深度、位置和/或取向附接到井眼104，并且可以在一個(gè)或多個(gè)時(shí)刻監(jiān)測(cè)多相流體。第一實(shí)施例允許確定穿過(guò)管道的截面的多相流體簡(jiǎn)檔(profile)，而第二實(shí)施例允許確定管道的長(zhǎng)度上的流體簡(jiǎn)檔。

在一些實(shí)施方案中，發(fā)射器124和接收器126可以定位在井口上以監(jiān)測(cè)來(lái)自鉆井的段塞流。發(fā)射器124和接收器126也可以在井下部署在井內(nèi)，以用于從井眼進(jìn)行段塞流監(jiān)測(cè)。發(fā)射器124和接收器126可以是永久智能完成的一部分，或者是母孔或側(cè)孔中的可回收系統(tǒng)。發(fā)射器124和接收器126可以相對(duì)于彼此以任意角度定位(例如在該范圍：5°至15°)。在極端情況下，諸如氣泡流的某些多相流體可能產(chǎn)生強(qiáng)反射信號(hào)，從而使得在共位的發(fā)射器124和接收器126中產(chǎn)生困難，甚至使用單個(gè)收發(fā)器124和126時(shí)產(chǎn)生困難。多相流體的完整覆蓋范圍可能需要多個(gè)查詢角度。在特定情況下修改角度響應(yīng)可以導(dǎo)致對(duì)流體體系的更準(zhǔn)確測(cè)量。

發(fā)射器124和接收器126可以在窄波束角度下(在該范圍：5°至15°)以固定高頻(例如，在范圍0.5-2mhz中)來(lái)工作。在不同的發(fā)射器124/接收器126配對(duì)中，一個(gè)配對(duì)可以與另一發(fā)射器124和接收器126配對(duì)以相同或不同的頻率工作。發(fā)射器124可以發(fā)送由信號(hào)發(fā)生器132產(chǎn)生并由放大器134放大的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的聲學(xué)信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器(例如，振蕩器)132可以產(chǎn)生以特定幅度、頻率和相位為特征的高頻(例如，0.5-2mhz)和低電壓(例如5-10v)的連續(xù)正弦波信號(hào)。在一些實(shí)現(xiàn)中，可以產(chǎn)生更復(fù)雜的波形，其中例如，輸入信號(hào)的頻率可以在固定的時(shí)間段內(nèi)從低頻啁啾到高頻，其可以用于覆蓋頻率空間。

可以使用啁啾或掃頻信號(hào)，其中頻率在固定時(shí)間段內(nèi)從低頻(低至100khz)線性或指數(shù)地掃描到高頻(2mhz)。這樣的信號(hào)可以提供關(guān)于全頻譜上穿過(guò)流體的聲學(xué)信號(hào)傳輸?shù)挠袃r(jià)值信息。啁啾或掃頻信號(hào)可以有助于提高測(cè)量精度?？赡苄枰环N復(fù)雜的處理方法來(lái)從所發(fā)送的掃頻信號(hào)中提取信息?？梢栽陔娦盘?hào)中引入khz或更低頻率范圍的信號(hào)的低頻調(diào)制，并且可以實(shí)現(xiàn)鎖定放大器樣式測(cè)量以濾除測(cè)量中的噪聲。電信號(hào)可以被放大器134(例如，高壓運(yùn)算放大器)放大到50-100v。放大的電信號(hào)被提供以驅(qū)動(dòng)聲學(xué)發(fā)射器124。發(fā)射器124將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲學(xué)信號(hào)，并產(chǎn)生連續(xù)的高頻(例如，0.5-2mhz)聲學(xué)信號(hào)。在一些實(shí)施方案中，增加發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度以補(bǔ)償聲學(xué)信號(hào)在段塞流中的衰減。通過(guò)使用可編程增益放大器而不是固定增益放大器134來(lái)增加放大器的增益，可以增加發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度。

可以實(shí)現(xiàn)幾種類型的發(fā)射器124。發(fā)射器124的一個(gè)示例可以是與接收器具有相似結(jié)構(gòu)的壓電收發(fā)器(或發(fā)射器)，其中通過(guò)使得壓電堆疊隨著對(duì)其施加的電場(chǎng)而膨脹和收縮來(lái)使用電壓信號(hào)調(diào)制聲波。壓電收發(fā)器可以調(diào)諧到窄的頻率范圍。發(fā)射器124的另一示例可以是諧振頻率在0.5-2.0mhz的額定工作頻率范圍內(nèi)的高q壓電收發(fā)器(或發(fā)射器)的陣列。在頻率空間中，選擇標(biāo)準(zhǔn)可以包括，對(duì)于相鄰收發(fā)機(jī)，與較低頻率收發(fā)器的上3db點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的頻率與較高頻率收發(fā)器的下3db點(diǎn)重合。以選擇標(biāo)準(zhǔn)為特征的相鄰收發(fā)器可以產(chǎn)生連續(xù)頻率聲學(xué)信號(hào)。收發(fā)器比接收器或接收器陣列小。可以輸入單個(gè)電壓信號(hào)，然后將其路由通過(guò)并聯(lián)的放大器陣列，并且分別提供給陣列中的每個(gè)收發(fā)器。

在一些示例中，收發(fā)器(或發(fā)射器)的壓電元件致動(dòng)器可以被由周圍線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的磁致伸縮材料替代。線圈可能需要電流供應(yīng)，使得可以輸入電壓信號(hào)并通過(guò)電流放大器饋送以提供電流源?？梢酝ㄟ^(guò)使用磁致伸縮收發(fā)器陣列來(lái)改善收發(fā)器124的帶寬。收發(fā)機(jī)(或發(fā)射器)124的另一示例可以包括調(diào)諧以在高頻操作(考慮到帶寬)的機(jī)電揚(yáng)聲器系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)解決方案，以將機(jī)電揚(yáng)聲器系統(tǒng)的操作從khz體系改變到mhz體系，例如通過(guò)元件質(zhì)量減小且適于在選定頻率范圍工作的基于mems(微機(jī)電系統(tǒng))的系統(tǒng)。收發(fā)機(jī)(或發(fā)射器)124的另一示例包括致動(dòng)系統(tǒng)，其將電壓或電流形式的電能轉(zhuǎn)換到感興趣的頻率范圍(mhz范圍)中的某種形式的運(yùn)動(dòng)。

聲學(xué)信號(hào)穿過(guò)段塞流被發(fā)送，并被聲學(xué)接收器126接收。聲學(xué)接收器126將聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)。模擬電信號(hào)可以由前置放大器136(例如，固定增益運(yùn)算放大器)預(yù)放大。使用帶通濾波器138對(duì)放大的信號(hào)進(jìn)行濾波。帶通濾波器的截止頻率取決于聲學(xué)發(fā)射器124和接收器126的工作頻率和帶寬。使用高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)140，將經(jīng)濾波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。adc140將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到個(gè)人計(jì)算機(jī)(pc)或數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)142，以進(jìn)行處理。pc/dsp142由電池144供電。處理結(jié)果可以保存在存儲(chǔ)器146中。

如圖1a所示，發(fā)射器124和接收器126可以通過(guò)例如線路130可通信地耦合到計(jì)算系統(tǒng)102。計(jì)算系統(tǒng)102可以包括信號(hào)發(fā)生器132、放大器134、前置放大器136、帶通濾波器138、adc140、dsp142、電池144和存儲(chǔ)器146。在一些實(shí)施例中，如圖1b和1c所示，發(fā)射器124連接到信號(hào)發(fā)生器132和放大器134，而接收器126分開(kāi)地連接到處理所接收的聲學(xué)信號(hào)的電子部件。接收器126可以包括記錄能力以評(píng)估和/或測(cè)量段塞流的性質(zhì)，包括流過(guò)鉆井128的流體的量和組成。測(cè)量可以在井下進(jìn)行，存儲(chǔ)在固態(tài)存儲(chǔ)器中一段時(shí)間，并在之后傳輸?shù)接?jì)算系統(tǒng)102(例如，用于存儲(chǔ)和/或分析)。在一些實(shí)施例中，所接收的聲學(xué)信號(hào)可以被實(shí)時(shí)傳輸和/或傳送到地表處理系統(tǒng)，地表處理系統(tǒng)包括前置放大器136、帶通濾波器138、adc140、dsp142、電池144和存儲(chǔ)器146(例如，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)130)。例如，如圖所示，這些屬性可以作為流屬性存儲(chǔ)在所示的存儲(chǔ)器146中。

發(fā)射器124包括將聲能轉(zhuǎn)換成電能的換能器。接收器126包括將電能轉(zhuǎn)換成聲能的換能器。當(dāng)聲學(xué)換能器(發(fā)射器124和接收器126)與液體聲學(xué)接觸時(shí)，第一量的聲能可以通過(guò)流過(guò)井眼104不含氣體的流體從發(fā)射器124傳輸?shù)浇邮掌?26。小于第一量的聲能的第二量的聲能可以通過(guò)由流過(guò)井眼104的氣體和液體的混合物形成的流體從發(fā)射器124傳輸?shù)浇邮掌?26。小于第二量的聲能的第三量的聲能可以通過(guò)由流過(guò)井眼104的氣體形成的流體從發(fā)射器124傳輸?shù)浇邮掌?26。例如，當(dāng)在井眼內(nèi)沒(méi)有氣體(例如，空氣或其它氣體)且流過(guò)井眼的介質(zhì)完全是液體時(shí)，最大聲能穿過(guò)流體，并且沒(méi)有任何聲能能夠穿過(guò)基本由氣體(如空氣或其他氣體)構(gòu)成的流體。由于空氣的聲學(xué)阻抗(～400rayl)與原油(1.3megarayl)或水(在20℃為1.48megarayl)差別很大，在液體中存在氣泡的情況下，液-空氣界面作為反射面，將散射和反射入射聲波。這種散射和/或反射引入混響和聲能損失。例如，當(dāng)細(xì)長(zhǎng)形氣泡在聲學(xué)發(fā)射器124和接收器126之間通過(guò)時(shí)，大部分傳輸聲能被液體/空氣界面反射，并且聲學(xué)接收器126不能接收到信號(hào)。

圖2是示出用于監(jiān)測(cè)多相流體的示例過(guò)程200的流程圖。在一些情況下，過(guò)程200用于監(jiān)測(cè)段塞流以幫助在井眼中產(chǎn)生流體。在202處，一個(gè)或多個(gè)聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器附接到管道的截面上的第一位置。聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器可以放置在需要測(cè)量段塞流的任何位置。例如，聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器可以位于地面或井下。在地面上，位置可以在下游處理設(shè)備之前(從而可以相應(yīng)地設(shè)計(jì)處理設(shè)備的操作)。在204處，聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器連接到信號(hào)發(fā)生器。在206處，可以產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)。例如，聲學(xué)信號(hào)可以由聲學(xué)發(fā)射器(例如，圖1a-1c中的發(fā)射器124)產(chǎn)生。在208處，可以在一個(gè)時(shí)刻或多個(gè)時(shí)刻穿過(guò)多相流體所流過(guò)的管道的截面來(lái)發(fā)送聲學(xué)信號(hào)。多相流體可以包括氣態(tài)流體和液態(tài)流體，其可以通過(guò)管道的截面攜帶聲學(xué)信號(hào)的至少一部分。在一些實(shí)施方式中，穿過(guò)管道的截面來(lái)發(fā)送后續(xù)的聲學(xué)信號(hào)。

在210處，在一個(gè)時(shí)刻或多個(gè)時(shí)刻，附接到管道的截面上的第二位置處、與聲學(xué)信號(hào)評(píng)估器相連的聲學(xué)信號(hào)接收器可以接收聲學(xué)信號(hào)的一部分。接收的聲學(xué)信號(hào)包括基于壓強(qiáng)與均值環(huán)境壓強(qiáng)的偏差來(lái)確定的幅值。在212處，可以在一個(gè)時(shí)刻確定通過(guò)管道的截面的氣態(tài)流體的量和液態(tài)流體的量。在一些實(shí)施方式中，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)(例如，圖1a中的計(jì)算系統(tǒng)102)可以確定通過(guò)管道截面的氣態(tài)流體的量和液態(tài)流體的量。氣態(tài)流體的量和液態(tài)流體的量可以部分地基于被攜帶通過(guò)截面的聲學(xué)信號(hào)的部分的能量和所發(fā)送的聲學(xué)信號(hào)的能量來(lái)確定?？梢圆糠值赝ㄟ^(guò)確定被攜帶通過(guò)截面的聲學(xué)信號(hào)的部分的能量和所發(fā)送的聲學(xué)信號(hào)的能量實(shí)質(zhì)相等以及通過(guò)確定多相流體包括的液態(tài)流體比氣態(tài)流體更多，來(lái)確定通過(guò)管道的界面的氣態(tài)流體的量和液態(tài)流體的量。時(shí)間連續(xù)聲學(xué)信號(hào)x(t)的能量可以定義為：

可以使用能夠處理下式的pc/dsp(例如，圖1a中的計(jì)算系統(tǒng)102)來(lái)確定聲學(xué)信號(hào)的能量：

其中，es是攜帶通過(guò)截面的聲學(xué)信號(hào)的部分的能量，δt是采樣間隔，xn是電壓，n是采樣數(shù)。測(cè)量從時(shí)間t＝0開(kāi)始，采樣間隔為δt，包括總共n次測(cè)量，電壓可表示為：

xn＝x(n.δt)，1≤n≤n

可以針對(duì)所接收的聲學(xué)信號(hào)的每1000個(gè)周期計(jì)算能量對(duì)于在中心頻率為1mhz的0.5-2mhz范圍內(nèi)工作的系統(tǒng)(發(fā)射器和接收器)，可以每1000個(gè)周期計(jì)算能量，這等于是每秒進(jìn)行1000次能量測(cè)量。每50次測(cè)量可以一起平均，這產(chǎn)生每秒20次的平均測(cè)量。在一些實(shí)施方式中，通過(guò)gui與計(jì)算系統(tǒng)交互的用戶可以選擇平均參數(shù)。

在214處，可以在一個(gè)時(shí)刻處確定在所述時(shí)刻和所述多個(gè)后續(xù)時(shí)刻期間流過(guò)截面的多相流體的組成。在一些實(shí)施方式中，多相流體的組成可以由計(jì)算系統(tǒng)(例如，圖1a中的計(jì)算系統(tǒng)102)確定。例如，在兩相流體中，也可以根據(jù)接收的聲學(xué)信號(hào)的能量來(lái)確定液體保持(holdup)的近似測(cè)量。接收的聲學(xué)信號(hào)的能量可以存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)點(diǎn)es的時(shí)間序列?？梢栽诖笥诙稳麜r(shí)長(zhǎng)的足夠長(zhǎng)的測(cè)量窗口上執(zhí)行傅立葉變換。傅里葉變換可以將能量測(cè)量es的時(shí)間序列轉(zhuǎn)換為以每根赫茲的能量為單位的數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻譜，并且可以將其定義為esm。索引m表示使用上述參數(shù)每0.001s發(fā)生一次的測(cè)量。段塞流的特征頻率可以表現(xiàn)為由傅里葉變換產(chǎn)生的頻譜內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)頻率峰值?？梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的閾值方法或通過(guò)更復(fù)雜的峰值擬合算法(如高斯峰值查找算法)來(lái)檢測(cè)這些峰值。

可以通過(guò)連續(xù)獲取移動(dòng)采樣窗口或通過(guò)連續(xù)獲取能量數(shù)據(jù)來(lái)獲得連續(xù)頻譜?？梢詫⒍稳l譜的演變來(lái)監(jiān)測(cè)。峰值追蹤算法可以用于監(jiān)測(cè)作為時(shí)間的函數(shù)的段塞流的演變。穿過(guò)不含氣體的液體的聲學(xué)信號(hào)具有最大聲能，其可以等于對(duì)應(yīng)于0損耗的歸一化值1。對(duì)于100％液體情況，接收的聲學(xué)信號(hào)的能量可以定義為：

emax＝max(esm)

接收的聲學(xué)信號(hào)的能量隨著氣體量的增加而減小。在發(fā)射器和接收器之間的整個(gè)區(qū)域充滿氣體的情況下，接收的聲學(xué)信號(hào)的能量減小到0，損耗最大(歸一化為1)。在任何中間狀態(tài)下，發(fā)射器和接收器之間的流體包括液體和氣體的混合物，能量在0和1之間。可以隨時(shí)間來(lái)繪制任何中間狀態(tài)下的接收的聲學(xué)信號(hào)的能量，并使用以下關(guān)系計(jì)算：

接收的聲學(xué)信號(hào)的能量和損耗可用于確定井眼中的流體的組成，例如氣體體積分?jǐn)?shù)。為了計(jì)算指示氣體分?jǐn)?shù)的值，計(jì)算以下量：

1-es，normalized

接收的聲學(xué)信號(hào)的歸一化能量可以表現(xiàn)出與測(cè)得的氣體分?jǐn)?shù)的單調(diào)相關(guān)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以校準(zhǔn)相關(guān)性以提供對(duì)流體中的氣體量的估計(jì)。

對(duì)井眼中流體的組成的計(jì)算還可以包括井眼的幾何結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，計(jì)算系統(tǒng)(例如，圖1a中的計(jì)算系統(tǒng)102)可以在更長(zhǎng)的時(shí)間段(例如20-30次或更多次測(cè)量)上平均所確定的參數(shù)，并因此提高能量測(cè)量和流體組成確定的精度。過(guò)程200可以包括在訓(xùn)練算法和流程控制硬件的優(yōu)化中，這可以使流程最小化。過(guò)程200還可以與傳感器陣列耦合，從而可以檢測(cè)到段塞的先導(dǎo)條件，以防止段塞本身。

圖3是示出用于監(jiān)測(cè)段塞流的示例過(guò)程300的流程圖。在302處，信號(hào)發(fā)生器(例如，圖1b中的信號(hào)發(fā)生器132)可以產(chǎn)生電信號(hào)。在304處，電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成聲學(xué)信號(hào)，并且被發(fā)送穿過(guò)多相流體流過(guò)的管道的截面。信號(hào)轉(zhuǎn)換以及穿過(guò)管道的截面發(fā)送聲學(xué)信號(hào)可以包括：通過(guò)附接于管道外表面的第一位置處的聲學(xué)發(fā)射器(如圖1a所示)來(lái)發(fā)送聲學(xué)信號(hào)。

在306處，聲學(xué)接收器接收聲學(xué)信號(hào)。接收由多相流體攜帶通過(guò)管道的截面的聲學(xué)信號(hào)可以包括：附接于管道外表面的第二位置處的聲學(xué)接收器處接收多相流體攜帶的聲學(xué)信號(hào)，所述第二位置與第一位置在截面上徑向相對(duì)。在308處，計(jì)算系統(tǒng)(例如，圖1a中的計(jì)算系統(tǒng)102)確定接收的聲學(xué)信號(hào)的能量級(jí)別。在310處，計(jì)算系統(tǒng)(例如，圖1a中的計(jì)算系統(tǒng)102)確定井眼中的流量參數(shù)。流體參數(shù)可以包括段塞的頻率、速度和長(zhǎng)度。

在一些實(shí)施方式中，可以基于液體段塞體ls的長(zhǎng)度和細(xì)長(zhǎng)氣泡lb的長(zhǎng)度來(lái)確定流體參數(shù)。液體段塞體ls的長(zhǎng)度和細(xì)長(zhǎng)氣泡lb的長(zhǎng)度可以從時(shí)間能量圖來(lái)計(jì)算。單元的總長(zhǎng)度被認(rèn)為是：ls+lb?？梢允褂霉?/(ls+lb)計(jì)算段塞的頻率。對(duì)于包括彼此相距d的至少2個(gè)聲學(xué)發(fā)射器-接收器配對(duì)(如圖1a所示)的系統(tǒng)配置，可以通過(guò)將這2個(gè)配對(duì)接收到的聲學(xué)信號(hào)相關(guān)聯(lián)并計(jì)算段塞從一個(gè)聲學(xué)配對(duì)行進(jìn)到另一聲學(xué)配對(duì)所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算段塞流的速度?？梢允褂霉絭＝d/δt來(lái)計(jì)算段塞速度。在一些實(shí)施方式中，可以應(yīng)用類似的關(guān)聯(lián)方法，使用在第一個(gè)和最后一個(gè)元件處接收分隔信號(hào)的線性陣列換能器來(lái)計(jì)算段塞速度。在一些實(shí)施方式中，所確定的流體參數(shù)還可以包括一種流體相對(duì)于另一種流體的相對(duì)密度比、流體之間的粘度差和每個(gè)流體的速度(滑移)。

本說(shuō)明書(shū)中描述的主題和操作中的實(shí)施例可以在數(shù)字電子電路中或在計(jì)算機(jī)軟件、固件或硬件中實(shí)現(xiàn)，其包括在本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)等效物、或其一個(gè)或多個(gè)的組合。在本說(shuō)明書(shū)中描述的主題的實(shí)施例可以被實(shí)現(xiàn)為在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)上編碼的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序，即計(jì)算機(jī)程序指令的一個(gè)或多個(gè)模塊，用于被數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行或者控制數(shù)據(jù)處理裝置的操作。