CN201335814Y - 油气田中多相流指标的真双能χ射线测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种原油或天然气中含水率、含油率、含气率或含沙量指标的真双能χ射线测量装置，安装于原油、天然气管道上，其特征在于：测量装置由三个分系统组成，即：双能χ射线产生分系统，主要包括X光机，一套或二套探测器构成的探测器分系统，以及一个总控和数据处理分系统或称控制系统；还包括准直器，准直器中有屏蔽管；所述的探测器分系统包括探测器、前置放大器或光电倍增管、信号成形、放大、采样、保持和AD转换单元，探测器分系统连接总控和数据处理分系统；总控和数据处理分系统包括数据传输、同步、显示、控制和报警部分；探测器与准直器连接，准直器与控制系统连接。

Description

油气田中多相流指标的真双能χ射线测量装置

技术领域

本实用新型涉及石油测量技术领域，具体涉及原油、天然气生产中含水率、含油率、含气率或含沙量的测量系统，是利用双能χ光机产生的双能χ射线与物质作用产生效应不同的原理，在油气田生产中，油水气、油沙水或气沙水三相介质并存的条件下测量输油、气管道中含水率、含油率、含气率或含沙量指标的双能χ射线测量设备(只能测四个指标中与对应混合流体相关的三个指标)，属于国际专利分类G01N技术领域。

背景技术

原油和天然气作为最重要的能源之一，从油、气井开采出的原油、天然气，是由油、水、天然气或沙粒等多相介质组成的混合物。处理这种混合物首先要进行气液分离，剩下的油水混合液体经脱水处理后得到含水率很低的成品油或天然气进行外输或销售。对含在其中的沙粒，也要监测，及时分离，否则容易损坏设备。在原油或天然气脱水处理等一系列生产活动中，需要及时准确地掌握原油含水率、含气率或含油率等情况，以便控制生产过程，保证生产出合格的成品原油或天然气。因此，原油或天然气中含水率、含气率、含油率或含沙量等指标是石化行业石油和天然气采集、冶炼及运输过程中的一组重要参数。特别是许多老油田，目前主要采用注水采油工艺，采出原油的含水率普遍偏高。因此，对原油或天然气中进行含水率、含气率、含油率或含沙量的准确检测在原油或天然气生产、贸易中有着重要作用。

在原油生产中，目前测量原油含水率主要有以下几种方法：人工蒸馏化验法、微波法(或射频法)、电容法、短波法、导热法、振动密度计法和γ射线法。1、微波法(如CN1112677)是根据电磁波与介电物质相互作用，其耗散与物质的大小及相对介电常数有关，油和水的介电常数不同导致被测对象所呈现的射频阻抗特性不同，当射频信号传到以油水混合物为介质的电容式射频传感器时，其负载阻抗随着混合介质的不同油水比而变化，即当原油含水率变化时，波参量随之变化，从而实现含水率测量；2、电容法(如：CN1186236)是根据油水的介电常数不同，反映到由极板构成的电容器的电容量不同，测量电容量的变化，就可以测量含水率的变化；3、短波法(如：CN2349574)是利用一个(后)探头向原油中发射3.579MHz的短波信号，把当前原油状态查清，间隔几秒钟后，在通过另一个(前)探头向原油中发射3.579MHz的短波信号，又取出油中含水的信号，然后取二次测得的差值，经处理后可得出瞬时含水率；4、导热法(如：CN1259671)利用液-液两相流体的热物理性质的差异，如导热、比热、粘度等，同时测量原油的含水率和油水流量；5、振动密度计法(如：CN1789969，CN2359692)利用液位测量元件测量储油罐(或分离器)内原油的液位，压力测量仪表测量储油罐(或分离器)中无原油部分的压力和底部承受的压力，最后通过经验公式算出；6、射线法(如：CN86105543A，CN2359692Y，CN1086602A，CN2383068Y)是根据γ射线穿过不同介质时，其衰减不同的原理工作的。除γ射线法以外的其它各种测量方法，都属接触式测量，由于原油腐蚀性较强，结垢、结蜡严重，致使仪表长期运行的可靠性差，尤其是这些仪表都无法消除含气对含水率测量带来的影响，而导致了比较大的测量误差。对此，专利CN2452022Y、CN2646704Y和CN2646705Y专门设计了不同的擦除器来清除传感器外面累积的杂质。另外，电容法、射频法和微波法测量的含水率变化与被测量之间是非线性关系，在某一含水率范围内有拐点，而原油是油水气混合体，其物理化学性质多变，所以除γ射线法外的上面几种测量方法在实际应用中，都不能很好地满足生产要求。

根据γ射线与物质相互作用规律而工作的原油含水分析仪与混合流体的宏观流态和化学性质无关，能够对复杂的原油进行含水率和含气率的测量，深受油田工作人员的欢迎。

发明专利CN86105543A公开了一种利用放射源(如¹⁰⁹Cd，或²⁴³Am等)发出的单能γ射线，对二相油水混合体的体积含水率的测量原理。实用新型专利CN2359692Y公布了一种利用²³⁸Pu放射源对二相油水混合体的含水率进行测量的装置。发明专利CN1086602A公开了一种在三相油水气混合体中，测量原油中含气、含水率的自动测量仪；在测量管道的侧壁上沿径向中心线对称位置两侧分别固定有γ射线源和透射探测器；在与γ射线源和透射探测器所在中心线成夹角且沿测量管道轴向与之相距一定距离的中心线侧壁上固定有散射探测器；最后根据测量的结果，经过数据处理而得到体积含气率和体积含水率。文献[1]对其测量原理，从理论上做了进一步的探讨。实用新型专利CN2383068Y对依据上述原理设计的装置，做了改进，增加了一个搅拌装置，使实际上从油井里出来的油水气混合均匀，以便更进一步满足理论假设条件，以便提高测量的精度。不管怎么说，这个理论模型取近似的地方太多，各个参数物理意义不明确，对压力、温度等变化参数的影响，没有考虑修正，这些最终还是影响了其使用的方法和测量精度。

另外，使用放射源产生的γ射线测量法，还有一个比较大的弱点，就是存在放射性安全问题，特别是在目前反恐形势比较严峻的时期，这个弱点更加突出。

对含沙量测量，GB2429288A公布了一项采用声学方法测量含沙量的专利。即通过沙子与输油或输气管道壁的碰撞，来故算流体中含沙量的多少。利用该专利设计的设备，具有结构简单，安装方便，功耗小，本地保存数据时间长等有点。但该原理的工作频段属于音频，其干扰源比较多，比较复杂，其测量结果也容易受流体流动性质的影响，所以测量的不确定度比较大，不能满足高精度测量的需要。

目前市场上尚未发现应用双能χ射线法测量原油和天然气生产中的含水率、含油率、含气率或含沙量的方法和装置。

发明内容

本实用新型的目的，在于针对油水气、或油水沙、或水气沙三相混合体中，实时高精度测量原油或天然气中含水率、含油率、含气率或含沙量的需求，提供一种采用双能技术测量含水率、含油率、含气率或含沙量的装置。(只能测四个指标中与对应混合流体相关的三个)

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

为了简洁，下面说明中只考虑原油中油、水、气三相混合体共存的情况，对天然气中油、水、气三相混合体共存的情况，以及原油和天然气中油水沙或水气沙三相共存的情况，测量装置相同，数据处理的技巧类似，在给出的公式中只需替换相关物理量即可，所以对其它情况的相关说明从略。

原油中含气率和含水率的真双能χ射线测量装置，安装于原油管道上，它由三个分系统组成，即：双能χ射线产生分系统，主要包括X光机，一套或二套探测器构成的探测器分系统，以及一个总控和数据处理分系统或称控制系统；其它装置还包括准直器，准直器中有屏蔽管；所述的探测器分系统包括探测器、前置放大器或光电倍增管、信号成形、放大、采样、保持和AD转换单元，探测器分系统连接总控和数据处理分系统；总控和数据处理分系统包括数据传输、同步、显示、控制和报警部分；探测器与准直器连接，准直器与控制系统连接。

所述的测量装置安装于原油管道上，是在原油管道水平直径的一端安装包括有X光机控制系统和准直器、屏蔽室的χ射线产生分系统，准直器的屏蔽室中设置有位置基本重合的高能X射线靶点和低能X射线靶点；原油管道水平直径的另一端安装有探测器分系统。

所述的测量装置，是对应于四种多相流混合工作模式：原油生产中的油水气或油水沙多相流混合模式、天然气生产中的油水气或油水沙多相流混合模式；这四种混合工作模式的测量装置相同，数据处理方法类似，可以测量出与多相流混合模式对应的三个指标。

本实用新型特别适用于油田生产中的自动在线计量系统，克服了放射源带来的重大安全隐患。当利用X光机作为射线源时，可以免除丢失放射源的困扰，提高辐射防护的安全系数，从根本上杜绝恐怖分子获取脏弹原料的机会，对国家安全有着特别重要的意义。

附图说明

附图为本实用新型的结构及安装于原油管道的示意图。

图中：图中：1-测量装置；2-高能χ光机的靶点；3-高能χ光机的准直器和屏蔽室；4-(第一组)探测器；5-(第一组)探测器的屏蔽管；6-低能χ光机的靶点；7-低能χ光机的准直器和屏蔽室；10-原油管道；20-(第一路)信号成形、放大和采样保持单元；22-(第一组)探测器的高压电源；24-(第一路)AD转换单元；26-(第一路)控制单元；28-计算机；30-真双能χ光机的控制系统；33-(第一路)亮度校正探测器；34-第三路信号成形、放大和采样保持单元；35-第三路探测器的高压电源；36-第三路AD转换单元；37-第三路控制单元。

具体实施方式

参见附图，本实用新型的测量装置1主要由三个大分系统组成。二种能量的χ光机构成χ射线产生分系统；一个或二套探测器构成探测器分系统；和一个总的控制和数据处理分系统组成。其它分系统部分还包括准直器，或其它机构等。探测器分系统包括探测器、前置放大器或光电倍增管、信号成形、放大、采样保持、AD转换等单元。数据的传输、同步、显示、各部分控制和报警等工作由总的控制和数据处理分系统统一完成。

真双能χ光机的特征是高能χ射线的靶点2和低能χ射线的靶点6的位置基本重合，真双能χ光机的控制系统30控制高、低能χ射线的分时交替输出，输出脉冲的频率与流体的速度有关。理论上希望高、低能χ射线能同时打在介质的同一个位置上，实践中可根据介质的均匀度、流速、要求监测数据的间隔等，调节其参数，以保证测试条件尽可能满足理论模型和误差要求。

由靶点2和6发出的χ射线，经过准直器3和7(二者已合为一体，为了和其它文件中的编号一致，特保留两个标号)后，穿过原油管道10中的介质，被探测器4转换成电信号。探测器的屏蔽管5的作用是保护探测器4和减少探测本底、散射信号对探测器4的影响。

探测器的高压电源22给探测器4提供工作电压，探测器4的信号输出到信号成形、放大和采样保持单元20，信号经过放大、处理后，送到AD转换单元24转换成数字信号，最后送到计算机28进行分析处理。控制单元26用来同步、协调各个单元或分系统的工作。

在本实例中省略了第二套探测器系统，高、低能信号的识别、同步是通过真双能χ光机的控制系统30和控制单元26的信号交互来实现的。

如果χ光机的束流随时间的变化较大，即束流不稳定，则在实际处理数据时，应该对其修正。为了获得χ光机的束流随时间的变化量，需要增加用于亮度校正的探测系统。即：在χ光机的出口安装一路亮度校正探测器33，第三路探测器的高压电源35给探测器33提供高压，探测器33的信号输出到第三路信号成形、放大和采样保持单元34，信号经过放大、处理后，送到第三路AD转换单元36转换成数字信号，最后送到计算机28进行分析处理。控制单元37用来同步、协调各个单元或分系统的工作。

如果χ光机的束流稳定，对系统测量带来的误差，可以忽略，则有关亮度校正的探测系统可省略。

所述的测量设备与相应软件配套，计算机28上的专用软件，先把探测到的数据分成高能组数据系列和低能组数据系列，应用亮度探测器获得的高、低能数据，分别对其对应时刻的所有数据进行修正，首先消除χ光机的束流随时间的变化的影响。然后，应用本实用新型中推导的模型(也可以采用其它合适的模型)，算出原油中的含水率、含气率等指标。该软件中采用了特殊算法来求解含水率ω₁和含气率ω₃；ω₁表示水所占的重量百分比即含水率，ω₃表示天然气所占的重量百分比即含气率，ω₂表示油所占的重量百分比ω₂＝1-ω₁-ω₃；为了修正χ光机所发束流的稳定性，加了一个亮度校正探测器构成的一套亮度校正探测器分系统。

在油水气三相状态下，该软件采用了如下的两个方程来求解含水率ω₁和含气率ω₃，

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(E_H^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3\left(E_H^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)$

$=\ln \left(\frac{k_H{N}_0\left(E_H^{*}\right)}{N(x,E_H^{*})-k_H{c}_H{N}_0\left(E_H^{*}\right)}\right)---\left(13\right)$

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(E_L^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3\left(E_L^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L^{*}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)$

$=\ln \left(\frac{k_L{N}_0\left(E_L^{*}\right)}{N(x,E_L^{*})-k_L{c}_L{N}_0\left(E_L^{*}\right)}\right)---\left(14\right)$

上述方程中：由于χ光机所发的能谱是连续的，所以E_H ^*、E_L ^*分别代表χ光机的高能和低能χ射线所对应的等效能量；ρ代表油管中油水气三相状态下的实际密度，ρ₁代表实际油管里所对应的温度、压力等条件下纯水的密度，ρ₂代表实际油管里所对应的温度、压力等条件下纯原油的密度，ρ₃代表实际油管里所对应的温度、压力等条件下纯天然气的密度；μ₁、μ₂、μ₃分别代表纯水、纯原油、纯天然气在对应的等效射线能量下的线性衰减系数；x代表油管里，测试系统测量空间的线性厚度；N₀(E^*)代表在对应的等效射线能量条件下，油管里没有任何物质存在时，测试系统所测量的计数；N(x，E^*)代表在对应的测量厚度、等效射线能量条件下，测试系统所测量的计数；k、c分别为修正系数，同μ₁、μ₂、μ₃一起，可以通过预先测量指数衰减曲线求得。

在只考虑油水二相状态时，可以把测量系统的χ光机能量简化为单能，这时所述软件中采用了如下公式来求解含水率ω₁，

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{\ln \left(\frac{{\mathrm{kN}}_0}{N\left(x\right)-\mathrm{kc}{N}_0}\right)-\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2}\right)\mathrm{x\ρ}}{(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})\mathrm{x\ρ}}---\left(9\right)$

公式中：ρ代表油管中油水二相状态下的实际密度，ρ₁代表实际油管里所对应的温度、压力等条件下纯水的密度，ρ₂代表实际油管里所对应的温度、压力等条件下纯原油的密度；μ₁、μ₂分别代表纯水、纯原油在对应的等效射线能量下的线性衰减系数；x代表油管里，测试系统测量空间的线性厚度；N₀代表在对应的等效射线能量条件下，油管里没有任何物质存在时，测试系统所测量的计数；N(x)代表在对应的测量厚度、等效射线能量条件下，测试系统所测量的计数；k、c分别为修正系数，同μ₁、μ₂一起，可以通过预先测量指数衰减曲线求得；k和c的理论值为：k＝1；c＝0。在缺乏实验值时，可直接引用理论值。

设计χ光机系统时，将高、低能量之间满足的一定条件考虑进去，高能E_H ^*与低能E_L ^*的差别越大，测量精度越高；例如： $E_H^{*}\≈(1.5~3)E_L^{*},$ 简单一点可取， $E_H^{*}=2E_L^{*};$ 所述高能χ光机的能量范围可取在10keV～1MeV之间。

该测量方法依托于真双能χ光机测量系统，其测量设备核心部件的安装方式，是在原油管道横截面的水平直径一端装设χ射线产生分系统，包括真双能χ光机控制系统，连接准直器，准直器屏蔽室中设有位置基本重合的高能χ射线的靶点和低能χ射线的靶点；原油管道横截面水平直径的另一端装设探测器分系统，包括探测器和屏蔽管，连接总控和数据处理分系统，包括相互连接的第一路信号成形、放大和采样保持单元、第一组探测器的高压电源、第一路AD转换单元、第一路控制单元和数据处理计算机。

如果χ光机的束流不太稳定，为了提高测量精度，可以加入一路亮度校正探测器。其特征在于：在每个χ光机的出口安装一路亮度校正探测器；或亮度校正探测器的位置在χ光机的出口，但最好不要遮挡用于测量的主束流。以亮度校正探测器为例说明其安装关系：χ光机的靶点、准直器和亮度校正探测器组成一套χ射线束流大小探测通路，连接第三路信号成形、放大和采样保持单元、第三路探测器的高压电源、第三路AD转换单元、第三路控制单元和计算机。如果χ光机性能比较好，所发束流稳定时，可以省略。也可以采用监测χ光机管电流等其它方法来对束流大小做实时校准。

本实用新型双能χ射线测量技术，即利用χ光机产生的χ射线与物质作用原理，在油田生产中，油水气三相介质并存的条件下，测量输油管道中含水率和含气率指标。该系统克服了放射源带来的重大安全隐患，特别适用于油田生产中，自动在线计量系统。本实用新型理论模型的精度比较高，各种参数的物理意义比较明确，使用简单，还能考虑温度、压力等因素的影响，特别适用于油田生产中，自动在线计量系统。当利用X光机作为射线源时，可以免除丢失放射源的困扰，提高了辐射防护的安全系数，从根本上杜绝了恐怖分子获取脏弹原料的机会，对国家安全有着特别重要的意义。

对于公式利用中的一些问题：

1)在实验测量ρ₁、ρ₂、ρ₃和ρ时，需要同时检测样品的温度、压力等参数的影响。

2)因为气体的状态与温度、压力密切相关，应用中，要测量与实际条件相一致的ρ₃和μ_m3。

3)求解方程时，要利用查表法，采用与实际条件相对应的ρ值，可以通过实时测量得到。

4)高能E_H ^*与低能E_L ^*的差别越大，测量精度要越好。例如： $E_H^{*}\≈(1.5~3)E_L^{*},$ 简单一点可取， $E_H^{*}=2E_L^{*}.$

5)公式中的各种系数，μ₁、μ₂、μ₃、k和c等，可以在实验室中，分别用高、低能χ光机，照射不同质量厚度的标定介质(纯原油、纯水、纯天然气)，用衰减测量法获得的实验数据，再按最小二乘法拟合求得。注意：k和c可以用原油所对应的值来近似，也可以针对各种情况，在实验室测出数据，建成一个数据库，在现场使用时，用查表法获取该数据。最后根据本实用新型推导的模型(也可以采用其它合适的模型)，算出原油中的含水率、含气率等指标。

6)对天然气中油、水、气三相混合体共存的情况，上面公式中各个参数的含义不变，只不过测量的含气率数值变大了许多，同理测量的含油率数值变小了许多。

7)对原油中油水沙三项共存的情况，只要把上面说明的原油中油水气三相介质并存的条件下含气率ω₃修改为含沙量ω₃，其它下标为3的参数修改成沙子的参数，上面说明的数据处理方法可以完全照搬。

8)对天然气中水气沙三项共存的情况，只要把上面说明的油水沙三相介质并存的条件下含油率ω₂修改为含气率ω₂，而把含气率ω₃修改为含沙量ω₃，其它下标为2的参数修改成天然气的参数，下标为3的参数修改成沙子的参数，上面说明的数据处理方法可以完全照搬。

Claims (3)

1.一种油气田中多相流指标的真双能χ射线测量装置，为原油或天然气中含水率、含油率、含气率或含沙量指标的真双能χ射线测量装置，安装于原油、天然气管道上，其特征在于：所述的测量装置由三个分系统组成，即：双能χ射线产生分系统，主要包括X光机，一套或二套探测器构成的探测器分系统，以及一个总控和数据处理分系统或称控制系统；还包括准直器，准直器中有屏蔽管；所述的探测器分系统包括探测器、前置放大器或光电倍增管、信号成形、放大、采样、保持和AD转换单元，探测器分系统连接总控和数据处理分系统；总控和数据处理分系统包括数据传输、同步、显示、控制和报警部分；探测器与准直器连接，准直器与控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的油气田中多相流指标的真双能χ射线测量装置，其特征在于：所述的测量装置安装于原油、天然气管道上，是在管道水平直径的一端安装有包括χ光机控制系统和准直器、屏蔽室的χ射线产生分系统，在准直器的屏蔽室中设有位置基本重合的高能χ射线靶点和低能χ射线靶点；管道水平直径的另一端安装有探测器分系统。

3.根据权利要求1所述的油气田中多相流指标的真双能χ射线测量装置，其特征在于：在χ光机的出口处避开主束流的方向上，安装有一个亮度校正探测器，它与控制和数据处理分系统连接，该控制和数据处理分系统包括相互连接的信号成形、放大和采样保持单元、探测器高压电源、AD转换单元、控制单元和数据处理计算机。

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