專利名稱：油氣田中多相流指標的偽雙能χ射線測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及石油測量技術(shù)領(lǐng)域，是一種原油、天然氣生產(chǎn)中含水率、含油率、含氣率或含沙量的 測量系統(tǒng)，具體涉及一種利用單能x光機產(chǎn)生的偽雙能X射線探測技術(shù)，與物質(zhì)作用產(chǎn)生效應(yīng)不同的原理， 在油氣田生產(chǎn)中、油水氣、油沙水或氣沙水三相介質(zhì)并存的條件下測量輸油、氣管道中含水率、含油率、 含氣率或含沙量(只能測四個指標中與對應(yīng)混合流體相關(guān)的三個指標)指標的偽雙能x射線測量裝置，屬 于國際專利分類G01N技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
原油和天然氣作為最重要的能源之一，從油、氣井開采出的原油、天然氣，是油、水、天然氣或沙粒 等多相介質(zhì)組成的混合物。處理這種混合物首先要進行氣液分離，剩下的油水混合液體經(jīng)脫水處理后得到 含水率很低的成品油或天然氣進行外輸或銷售。對含在其中的沙粒，也要監(jiān)測，及時分離，否則容易損壞 設(shè)備。在原油或天然氣脫水處理等一系列生產(chǎn)活動中，需要及時準確地掌握原油含水率、含氣率或含油率 等情況，以便控制生產(chǎn)過程，保證生產(chǎn)出合格的成品原油或天然氣。因此，原油或天然氣中含水率、含氣 率、含油率或含沙量等指標是石化行業(yè)石油和天然氣采集、冶煉及運輸過程中一組重要參數(shù)。特別是許多 老油田，目前主要采用注水采油工藝，采出原油的含水率普遍偏高。因此，對原油和天然氣進行含水率、 含氣率、含油率或含沙量的準確檢測在原油或天然氣生產(chǎn)、貿(mào)易中有著重要作用。
在原油生產(chǎn)中，目前測量原油含水率主要有以下幾種方法人工蒸餾化驗法、微波法(或射頻法)、電 容法、短波法、導(dǎo)熱法、振動密度計法和Y射線法。1、微波法(如CN1112677)是根據(jù)電磁波與介電物質(zhì) 相互作用，其耗散與物質(zhì)的大小及相對介電常數(shù)有關(guān)，油和水的介電常數(shù)不同導(dǎo)致被測對象所呈現(xiàn)的射頻 阻抗特性不同，當射頻信號傳到以油水混合物為介質(zhì)的電容式射頻傳感器時，其負載阻抗隨著混合介質(zhì)的 不同油水比而變化，即當原油含水率變化時，波參量隨之變化，從而實現(xiàn)含水率測量；2、電容法(如 CN1186236)是根據(jù)油水的介電常數(shù)不同，反映到由極板構(gòu)成的電容器的電容量不同，測量電容量的變化， 就可以測量含水率的變化；3、短波法(如CN2349574)是利用一個(后)探頭向原油中發(fā)射3.579MHz 的短波信號，把當前原油狀態(tài)查清，間隔幾秒鐘后，在通過另一個(前)探頭向原油中發(fā)射3.579MHz的 短波信號，又取出油中含水的信號，然后取二次測得的差值，經(jīng)處理后可得出瞬時含水率；4、導(dǎo)熱法(如 CN1259671)利用液-液兩相流體的熱物理性質(zhì)的差異，如導(dǎo)熱、比熱、粘度等，同時測量原油的含水率和 油水流量；5、振動密度計法(如CN1789969, CN2359692)利用液位測量元件測量儲油罐(或分離器) 內(nèi)原油的液位，壓力測量儀表測量儲油罐(或分離器)中無原油部分的壓力和底部承受的壓力，最后通過 經(jīng)驗公式算出；6、射線法(如CN86105543A， CN2359692Y, CN1086602A， CN2383068Y)是根據(jù)y射 線穿過不同介質(zhì)時，其衰減不同的原理工作的。除Y射線法以外的其它各種測量方法，都屬接觸式測量， 由于原油腐蝕性較強，結(jié)垢、結(jié)蠟嚴重，致使儀表長期運行的可靠性差，尤其是這些儀表都無法消除含氣 對含水率測量帶來的影響，而導(dǎo)致了比較大的測量誤差。對此，專利CN2452022Y、 CN2646704Y和 CN2646705Y專門設(shè)計了不同的擦除器來傳感器外面累積的雜質(zhì)。另外，電容法、射頻法和微波法測量的 含水率變化與被測量之間是非線性關(guān)系，在某一含水率范圍內(nèi)有拐點，而原油是油水氣混合體，其物理化 學性質(zhì)多變，所以除Y射線法外的上面幾種測量方法在實際應(yīng)用中，都不能很好地滿足生產(chǎn)要求。
根據(jù)Y射線與物質(zhì)相互作用規(guī)律而工作的原油含水分析儀與混合流體的宏觀流態(tài)和化學性質(zhì)無關(guān)，能 夠?qū)?fù)雜的原油進行含水率和含氣率的測量，深受油田的歡迎。
發(fā)明專利CN86105543A公開了一種利用放射源(如1G9Cd，或243Am等)發(fā)出的單能y射線，對二相 油水混合體的體積含水率的測量原理。實用新型專利CN2359692Y公布了一種利用238Pu放射源對二相油 水混合體的含水率進行測量的裝置。發(fā)明專利CN1086602A公開了一種在三相油水氣混合體中，測量原油 中含氣、含水率的自動測量儀；在測量管道的側(cè)壁上沿徑向中心線對稱位置兩側(cè)分別固定有Y射線源和透 射探測器；在與Y射線源和透射探測器所在中心線成夾角且沿測量管道軸向與之相距一定距離的中心線側(cè) 壁上固定有散射探測器；最后根據(jù)測量的結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而得到體積含氣率和體積含水率。文獻[l] 對其測量原理，從理論做了進一步的探討。實用新型專利CN2383068Y對依據(jù)上述原理設(shè)計的裝置，做了 改進，增加了一個攪拌裝置，使實際上從油井里出來的油水氣浪合均勻，以便更進一步滿足理論假設(shè)條件， 以便提高測量的精度。不管怎么說，這個理論模型取近似的地方太多，各個參數(shù)物理意義不明確，對壓力、溫度等變化參數(shù)的影響，沒有考慮修正，這些最終還是影響了其使用的方法和測量精度。
另外，使用放射源產(chǎn)生的Y射線測量法，還有一個比較大的弱點，就是存在放射性安全問題，特別是 在目前反恐形勢比較嚴峻的時期，這個弱點更加突出。
對含沙量測量，GB2429288A公布了一項采用聲學方法測量含沙量的專利。即通過沙子與輸油或輸氣 管道壁的碰撞，來故算流體中含沙量的多少。利用該專利設(shè)計的設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，功耗小， 本地保存數(shù)據(jù)時間長等有點。但該原理的工作頻段屬于音頻，其干擾源比較多，比較復(fù)雜，其測量結(jié)果也 容易受流體流動性質(zhì)的影響，所以測量的不確定度比較大，不能滿足高精度測量的需要。
目前市場上尚未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用雙能X射線法測量原油和天然氣生產(chǎn)中的含水率、含油率、含氣率或含沙量 的方法和裝置。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的，在于針對油水氣或油水沙或水氣沙三相混合體中，實時高精度測量原油或天然氣 中含水率、含油率、含氣率或含沙量的需求，提供一種偽雙能x射線測量裝置(只能測四個指標中與對應(yīng) 混合流體相關(guān)的三個)。
本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。為了簡潔，下面說明中只考慮原油中油、水、氣三相 混合體共存的情況，對天然氣中油、水、氣三相混合體共存的情況，以及原油和天然氣中油水沙或水氣沙 三項共存的情況，測量裝置相同，數(shù)據(jù)處理的技巧類似，在給出的公式中只需替換相關(guān)物理量即可，所以 對其它情況的相關(guān)說明從略。
原油中含氣率和含水率的偽雙能X射線測量裝置，安裝于原油管道中，它由三個分系統(tǒng)和一套專用軟 件組成，即二種能量x射線的產(chǎn)生分系統(tǒng)，l一3套探測器構(gòu)成的探測器分系統(tǒng)、和若干套控制和數(shù)據(jù) 處理分系統(tǒng)組成；其它裝置還包括準直器，準直器中有屏蔽管；所述的探測器分系統(tǒng)包括探測器、前置放 大器或光電倍增管、信號成形、放大、采樣、保持和AD轉(zhuǎn)換單元，探測器分系統(tǒng)連接總控和數(shù)據(jù)處理分 系統(tǒng)；總控和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸、同步、顯示、控制和報警部分；探測器與準直器連接，準直 器與控制系統(tǒng)連接。
其安裝，是在原油管道水平直徑的一端安裝偽雙能X射線產(chǎn)生分系統(tǒng)，包括單能X光機和靶點，以及 控制系統(tǒng)、連接兩個準直器，偽雙能X射線的產(chǎn)生機構(gòu)包括能譜預(yù)硬化裝置、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和控制系統(tǒng)；原油 管道水平直徑另一端裝設(shè)探測器分系統(tǒng)，包括探測器和屏蔽管，連接總控和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連 接的第一路信號成形、放大和采樣保持單元、第一組探測器的高壓電源、第一路A/D轉(zhuǎn)換單元、第一路控 制單元和數(shù)據(jù)處理計算機。
對探測器進行能譜預(yù)硬化處理、組成偽雙能測量系統(tǒng)，其安裝方式是在原油管道水平直徑的一端安裝
有單能X射線產(chǎn)生分系統(tǒng)，包括單能X光機和靶點、控制系統(tǒng)，連接兩個準直器；原油管道水平直徑的另 一端裝設(shè)二路探測器分系統(tǒng) 一路探測器系統(tǒng)包括能譜過濾片、探測器和屏蔽管，以及連接控制和數(shù)據(jù)處 理分系統(tǒng)，包括相互連接的第一路信號成形、放大和采樣保持單元、第一組探測器的高壓電源、第一路 A/D轉(zhuǎn)換單元、第一路控制單元和數(shù)據(jù)處理計算機；另一路探測器系統(tǒng)包括第二組探測器和第二組探測器 的屏蔽管，它連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，系統(tǒng)包括相互連接的第二路信號成形、放大和采樣保持單元、 第二組探測器的高壓電源、第二路AD轉(zhuǎn)換單元、第二路控制單元和數(shù)據(jù)處理計算機。
其安裝，是在原油管道水平直徑的一端裝設(shè)單能X射線產(chǎn)生分系統(tǒng)，包括單能X光機和靶點，控制系 統(tǒng)連接兩個準直器；原油管道水平直徑的另一端裝有雙能探測器分系統(tǒng)，它包括能譜過濾片，探測器和屏 蔽管，且連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連接的第一路信號成形、放大和采樣保持單元、第一組探 測器的高壓電源、第一路AD轉(zhuǎn)換單元、第一路控制單元和數(shù)據(jù)處理計算機；低能探測器系統(tǒng)包括第二組 探測器和屏蔽管，連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連接的第二路信號成形、放大和采樣保持單元、 第二組探測器的高壓電源、第二路AD轉(zhuǎn)換單元、第二路控制單元和數(shù)據(jù)處理計算機。 '
可以在X光機出口避開主束流方向上，安裝有一個亮度校正探測器，且連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)， 包括相互連接的第三路信號成形、放大和采樣保持單元、第三路探測器的高壓電源、第三路AD轉(zhuǎn)換單元、 第三路控制單元和數(shù)據(jù)處理計算機。
本實用新型特別適用于油田生產(chǎn)中的自動在線計量系統(tǒng)，克服了放射源帶來的重大安全隱患。當利用 X光機作為射線源時，可以免除丟失放射源的困擾，提高輻射防護的安全系數(shù)，從根本上杜絕恐怖分子獲 取臟彈原料的機會，對國家安全有著特別重要的意義。


圖1為偽雙能X光機和探測器安裝方式示意圖；圖2為x光機和偽雙能探測器之一種安裝方式的示意圖； 圖3為x光機和偽雙能探測器之另一種安裝方式的示意圖。
圖中l(wèi)一測量設(shè)備；2—x光機的靶點；3_X光機的準直器和屏蔽室；4一 (第一組)探測器；5—(第 一組)探測器的屏蔽管；8—第二組探測器；9一第二組探測器的屏蔽管；IO—原油管道；12—能譜預(yù)硬化 裝置；13^r旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；20~ (第一路)信號成形、放大和采樣保持單元；21—第二路信號成形、放大和采
樣保持單元；22_ (第一組)探測器的高壓電源；23—第二組探測器的高壓電源；24—(第一路)AD轉(zhuǎn) 換單元；25—第二路AD轉(zhuǎn)換單元；26~ (第一路)控制單元；27—第二路控制單元；28—計算機；30— 偽雙能X光機的控制系統(tǒng)；31—單能x光機的控制系統(tǒng)；33— (第一路)亮度校正探測器；34—第三路 信號成形、放大和采樣保持單元；35—第三路探測器的高壓電源；36^第三路AD轉(zhuǎn)換單元；37—第三路 控制單元；50—能譜過濾片。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體的實施方式對本實用新型作進一步的描述。
參見附圖1、圖2和圖3，本實用新型的測量裝置1主要由三個分系統(tǒng)組成x光機構(gòu)成X射線產(chǎn)生分 系統(tǒng)； 一個(或二、三套探測器)構(gòu)成探測器分系統(tǒng)；和幾套控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)組成。分系統(tǒng)部分還 包括準直器等。探測器分系統(tǒng)包括探測器、前置放大器或光電倍增管、信號成形、放大、采樣保持、AD 轉(zhuǎn)換等單元。數(shù)據(jù)的傳輸、同步、顯示、各部分控制和報警等工作由控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)統(tǒng)一完成。
如圖1所示，本實施例是利用目前現(xiàn)有的一臺單能x光機通過分時預(yù)硬化技術(shù)來產(chǎn)生高能、低能x射線。 X光機的靶點2、準直器3、探測器4和屏蔽管5組成一套x射線探測通路。能譜預(yù)硬化裝置12同旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 13安裝在一起，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)13的旋轉(zhuǎn)中心不能遮擋x光機的靶點2。當旋轉(zhuǎn)機構(gòu)13旋轉(zhuǎn)的位置使能譜預(yù)硬 化裝置12擋住靶點2發(fā)出的x射線時，這時從準直器3射出來的x射線，就是高能x射線，系統(tǒng)當作高能測 量系統(tǒng)。否則，系統(tǒng)當作低能測量系統(tǒng)使用。實踐中，可根據(jù)介質(zhì)的均勻度、流速、要求監(jiān)測數(shù)據(jù)的間隔 等，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)13旋轉(zhuǎn)速度，以保證測試條件盡可能滿足理論模型和誤差要求。由靶點2發(fā)出的)c射線， 經(jīng)過準直器3后，穿過原油管道10中的介質(zhì)，被探測器4轉(zhuǎn)換成電信號。探測器的屏蔽管5的作用是保 護探測器4，同時減少探測本底、散射信號對探測器4的影響。探測器的高壓電源22給探測器4提供工作 電壓，探測器4的信號輸出到信號成形、放大和采樣保持單元20,信號經(jīng)過放大、處理后，送到AD轉(zhuǎn)換 單元24轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送到計算機28進行分析處理?？刂茊卧?6用來同步、協(xié)調(diào)各個單元或分 系統(tǒng)的工作，特別是高、低能的識別是通過5C光機的控制系統(tǒng)30和控制單元26的信號交互來實現(xiàn)的。本 實施例對X光機的設(shè)計要求不高，只要使用目前市場上的產(chǎn)品即可。
如果X光機的束流隨時間的變化較大，實際處理數(shù)據(jù)時，應(yīng)該對其修正。為了獲得x光機的束流隨時間 的變化量，需要增加用于亮度校正的探測系統(tǒng)。即在x光機的出口安裝一路亮度校正探測器33，第三路 探測器的高壓電源35給探測器33提供高壓，探測器33的信號輸出到第三路信號成形、放大和采樣保持 單元34，信號經(jīng)過放大、處理后，送到第三路AD轉(zhuǎn)換單元36轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送到計算機28進行 分析處理。控制單元37用來同步、協(xié)調(diào)各個單元或分系統(tǒng)的工作。
如果X光機的束流穩(wěn)定，對系統(tǒng)測量帶來的誤差可以忽略，則有關(guān)亮度校正的探測系統(tǒng)可省略。
計算機28上的專用軟件，先把探測到的數(shù)據(jù)分成高能組數(shù)據(jù)系列和低能組數(shù)據(jù)系列，應(yīng)用亮度探測 器獲得的高、低能數(shù)據(jù)，分別對其對應(yīng)時刻的所有數(shù)據(jù)進行修正，首先消除x光機的束流隨時間的變化的 影響。然后，應(yīng)用本實用新型中推導(dǎo)的模型(也可以采用其它合適的模型)，算出原油中的含水率、含氣 率等指標。
如圖2所示，顯示了單能X光機和偽雙能探測器的一種安裝方式，二路探測器也可安裝在其它位置， 如在原油管道10同一橫截面上。
本實施例的特點，是利用目前現(xiàn)有的一臺單能x光機，通過對一路探測器采用預(yù)硬化技術(shù)來產(chǎn)生高能x 射線探測通路，另一路探測器則為低能x射線探測通路。能譜過濾片50安裝在探測器4的前面，x光機的 靶點2、準直器3、能譜過濾片50、探測器4和屏蔽管5組成一套高能x射線探測通路。這時這一路系統(tǒng)當 作高能測量系統(tǒng)。X光機的靶點2、準直器3、第二組探測器8和第二組探測器的屏蔽管9組成另一套低能 X射線探測通路，這一路系統(tǒng)當作低能測量系統(tǒng)使用。
第一路由靶點2發(fā)出的x射線，經(jīng)過準直器3后，穿過原油管道10中的介質(zhì)，經(jīng)過能譜過濾片50 把能譜預(yù)硬化后，變成高能能譜，被探測器4轉(zhuǎn)換成電信號。探測器的屏蔽管5的作用是保護探測器4， 同時減少探測本底、散射信號對探測器4的影響。探測器的高壓電源22給探測器4提供工作電壓，探測 器4的信號輸出到信號成形、放大和采樣保持單元20,信號經(jīng)過放大、處理后，送到AD轉(zhuǎn)換單元24轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送到計算機28進行分析處理?？刂茊卧?6用來同步、協(xié)調(diào)各個單元或分系統(tǒng)的工作。 第二路由靶點2發(fā)出的x射線，經(jīng)過準直器3后，穿過原油管道10中的介質(zhì)，被第二組探測器8轉(zhuǎn) 換成電信號。第二組探測器的屏蔽管9的作用是保護探測器8,同時減少探測本底、散射信號對探測器8 的影響。第二組探測器的高壓電源23給探測器8提供工作電壓，探測器8的信號輸出到第二路信號成形、 放大和采樣保持單元21，信號經(jīng)過放大、處理后，送到第二路AD轉(zhuǎn)換單元25轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送 到計算機28進行分析處理。第二路控制單元27用來同步、協(xié)調(diào)各個單元或分系統(tǒng)的工作。 在本實施例對X光機的設(shè)計要求不高，只要使用目前巿場上的產(chǎn)品即可。
如果X光機的束流隨時間的變化較大，實際處理數(shù)據(jù)時，應(yīng)該對其修正。為了獲得x光機的束流隨時間 的變化量，需要增加用于亮度校正的探測系統(tǒng)。即在x光機的出口安裝一路亮度校正探測器33，第三路 探測器的高壓電源35給探測器33提供高壓，探測器33的信號輸出到第三路信號成形、放大和采樣保持 單元34，信號經(jīng)過放大、處理后，送到第三路AD轉(zhuǎn)換單元36轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送到計算機28進行 分析處理?？刂茊卧?7用來同步、協(xié)調(diào)各個單元或分系統(tǒng)的工作。
如果X光機的束流穩(wěn)定，對系統(tǒng)測量帶來的誤差，可以忽略，則有關(guān)亮度校正的探測系統(tǒng)可省略。 計算機28上的專用軟件，先把探測到的數(shù)據(jù)分成高能組數(shù)據(jù)系列和低能組數(shù)據(jù)系列，應(yīng)用亮度探測 器獲得的高、低能數(shù)據(jù)，分別對其對應(yīng)時刻的所有數(shù)據(jù)進行修正，首先消除x光機的束流隨時間的變化的 影響。然后，應(yīng)用本實用新型中推導(dǎo)的模型(也可以采用其它合適的模型)，算出原油中的含水率、含氣 率等指標。
如圖3所示，顯示了單能X光機和偽雙能探測器的另一種安裝方式。高、低二路探測器做成了一個整體。
本實施例的特點是，利用目前現(xiàn)有的一臺單能x光機，通過對一路探測器采用預(yù)硬化技術(shù)來產(chǎn)生高能X 射線探測通路，另一路探測器則為低能x射線探測通路。X光機的靶點2、準直器3、第二組探測器8和探 測器的屏蔽管5組成一套低能x射線探測通路，這一路系統(tǒng)當作低能測量系統(tǒng)使用；能譜過濾片50安裝在 探測器4的前面，但在第二組探測器8的后面，x光機的靶點2、準直器3、能譜過濾片50、探測器4和屏 蔽管5組成一套高能x射線探測通路。這一路系統(tǒng)當作高能測量系統(tǒng)，注意這一路的射線也穿過了低能x 射線探測器8,這時第二組探測器8與能譜過濾片50起著同樣的作用。
第一路由靶點2發(fā)出的x射線，經(jīng)過準直器3后，穿過原油管道IO中的介質(zhì)，經(jīng)過第二組探測器8 和能譜過濾片50把能譜預(yù)硬化后，變成高能能譜，被探測器4轉(zhuǎn)換成電信號。探測器的屏蔽管5的作用 是保護探測器4，同時減少探測本底、散射信號對探測器4的影響。探測器的高壓電源22給探測器4提供 3;作電壓，探測器4的信號輸出到信號成形、放大和采樣保持單元20,信號經(jīng)過放大、處理后，送到AD 轉(zhuǎn)換單元24轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送到計算機28進行分析處理?？刂茊卧?6用來同步、協(xié)調(diào)各個單元 或分系統(tǒng)的工作。
第二路由靶點2發(fā)出的x射線，經(jīng)過準直器3后，穿過原油管道10中的介質(zhì)，被第二組探測器8轉(zhuǎn) 換成電信號。探測器的屏蔽管5的作用是保護探測器8，同時減少探測本底、散射信號對探測器8的影響。 第二組探測器的高壓電源23給探測器8提供工作電壓，探測器8的信號輸出到第二路信號成形、放大和 采樣保持單元21,信號經(jīng)過放大、處理后，送到第二路AD轉(zhuǎn)換單元25轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送到計算 機28進行分析處理。第二路控制單元27用來同步、協(xié)調(diào)各個單元或分系統(tǒng)的工作。
在本實例中，采用了新的探測器制作工藝，做成新的偽雙能探測器，降低了對x光機的設(shè)計要求，只 要使用目前市場上的產(chǎn)品即可。
如果X光機的束流隨時間的變化較大，實際處理數(shù)據(jù)時，應(yīng)該對其修正。為了獲得x光機的束流隨時間 的變化量，需要增加用于亮度校正的探測系統(tǒng)。即在X光機的出口安裝一路亮度校正探測器33，第三路 探測器的高壓電源35給探測器33提供高壓，探測器33的信號輸出到第三路信號成形、放大和采樣保持 單元34，信號經(jīng)過放大、處理后，送到第三路AD轉(zhuǎn)換單元36轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后送到計算機28進行 分析處理?？刂茊卧?7用來同步、協(xié)調(diào)各個單元或分系統(tǒng)的工作。
如果X光機的束流穩(wěn)定，對系統(tǒng)測量帶來的誤差，可以忽略，則有關(guān)亮度校正的探測系統(tǒng)可省略。
計算機28上的專用軟件，先把探測到的數(shù)據(jù)分成高能組數(shù)據(jù)系列和低能組數(shù)據(jù)系列，應(yīng)用亮度探測
器獲得的高、低能數(shù)據(jù)，4分別對其對應(yīng)時刻的所有數(shù)據(jù)進行修正，首先消除x光機的束流隨時間的變化的
影響。然后，應(yīng)用本實用新型中推導(dǎo)的模型(也可以采用其它合適的模型)，算出原油中的含水率、含氣 率等指標。
與本實用新型裝置所配套使用的測量方法，利用了x光機產(chǎn)生的X射線與物質(zhì)作用原理，在油田生產(chǎn)中，油水氣三相介質(zhì)并存的條件下，測量輸油管道中含水率和含氣率指標。該測量方法依托于主要由三個分系 統(tǒng)組成的測量設(shè)備和一套配用軟件，即 一個單能X光機產(chǎn)生X射線的產(chǎn)生分系統(tǒng)(通過分時預(yù)硬化技術(shù) 獲得偽雙能X射線)， 一套探測器(或二、三套)構(gòu)成的探測器分系統(tǒng)(如果在X光機上不采取預(yù)硬化技術(shù) 來獲得偽雙能X射線，那么可以在其中一套探測器系統(tǒng)上采用預(yù)硬化技術(shù)，來獲得高能X射線，從而也能構(gòu) 成偽雙能X射線測量系統(tǒng))，以及一套(或幾套)控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)組成；其它裝置還包括準直器；所 述的探測器分系統(tǒng)包括探測器、前置放大器(或光電倍增管)、信號成形、放大、采樣保持、AD轉(zhuǎn)換等單 元；總的控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的傳輸、同步、顯示、控制和報警等部分。所配套的軟件中采用
了特殊的算法來求解含水率叫和含氣率0^; ^表示水所占的重量百分比即含水率，6;3表示天然氣所占
的重量百分比即含氣率，6^表示油所占的重量百分比6^4-6Vfi^;為了修正X光機所發(fā)束流的穩(wěn)定性， 加了一個亮度校正探測器構(gòu)成的一套亮度校正探測器分系統(tǒng)。
在油水氣三相狀態(tài)下，該軟件采用了如下的兩個方程來求解含水率q和含氣率6^，
<formula>formula see original document page 8</formula>
上述方程中由于)C光機所發(fā)的能譜是連續(xù)的，所以五；、五:分別代表偽雙能X光機測量系統(tǒng)的高能和
低能X射線所對應(yīng)的等效能量；p代表油管中油水氣三相狀態(tài)下的實際密度，p,代表實際油管里所對應(yīng)的溫
度、壓力等條件下純水的密度，P2代表實際油管里所對應(yīng)的溫度、壓力等條件下純原油的密度，P3代表實
際油管里所對應(yīng)的溫度、壓力等條件下純天然氣的密度；m、 ^、 ^分別代表純水、純原油、純天然氣在 對應(yīng)的等效射線能量下的線性衰減系數(shù)；x代表油管里，測試系統(tǒng)測量空間的線性厚度；N。 (E')代表在 對應(yīng)的等效射線能量條件下，油管里沒有任何物質(zhì)存在時，測試系統(tǒng)所測量的計數(shù)；N (x， E')代表在對 應(yīng)的測量厚度、等效射線能量條件下，測試系統(tǒng)所測量的計數(shù)；k、 c分別為修正系數(shù)，同m、 &、 ^一起， 可以通過預(yù)先測量指數(shù)衰減曲線求得。
在只考慮油水二相狀態(tài)時，可以把測量系統(tǒng)的X光機能量簡化為單能，這時所述軟件中采用了如下公
式來求解含水率<formula>formula see original document page 8</formula>
公式中p代表油管中油水二相狀態(tài)下的實際密度，Pl代表實際油管里所對應(yīng)的溫度、壓力等條件下 純水的密度，P2代表實際油管里所對應(yīng)的溫度、壓力等條件下純原油的密度；^、 P2分別代表純水、純原 油在對應(yīng)的等效射線能量下的線性衰減系數(shù)；X代表油管里，測試系統(tǒng)測量空間的線性厚度；Nq代表在対 應(yīng)的等效射線能量條件下，油管里沒有任何物質(zhì)存在時，測試系統(tǒng)所測量的計數(shù)；N (x)代表在對應(yīng)的測 量厚度、等效射線能量條件下，測試系統(tǒng)所測量的計數(shù)；k、 C分別為修正系數(shù)，同A、 H2—起，可以通過預(yù)先測量指數(shù)衰減曲線求得；k和c的理論值為k=l;c=0。在缺乏實驗值時，可直接引用理論值。
設(shè)計X光機系統(tǒng)時，將高、低能量之間滿足的一定條件考慮進去，高能五；與低能五的差別越大，測
量精度越高；例如五二 ^ (1.5 3)￡:，簡單一點，= ;所述高能5c光機的能量范圍可取在10keV 1MeV之間。
該測量方法依托于偽雙能X光機測量系統(tǒng)，其測量設(shè)備核心部件的安裝方式，是在原油管道的水平直 徑一端裝設(shè)X射線產(chǎn)生分系統(tǒng)，包括X光機控制系統(tǒng)，連接準直器和準直器；原油管道水平直徑的另一端裝 設(shè)探測器分系統(tǒng)，包括探測器和屏蔽管，連接總控和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連接的第一路信號成形、 放大和采樣保持單元、第一組探測器的高壓電源、第一路AD轉(zhuǎn)換單元、第一路控制單元和數(shù)據(jù)處理計算 機。
如果5C光機的束流不太穩(wěn)定，為了提高測量精度，可以加入一路亮度校正探測器。其特征在于在每 個X光機的出口安裝一路亮度校正探測器或；亮度校正探測器的位置在X光機的出口，但最好不要遮擋用于 測量的主束流。以亮度校正探測器為例說明其安裝關(guān)系x光機的靶點、準直器和亮度校正探測器組成一 套X射線束流大小探測通路，連接第三路信號成形、放大和采樣保持單元、第三路探測器的高壓電源、第 三路AD轉(zhuǎn)換單元、第三路控制單元和計算機。如果x光機性能比較好，所發(fā)束流穩(wěn)定時，可以省略。
偽雙能X射線的產(chǎn)生有二大方式 一種方式是在)C光機上，利用預(yù)硬化技術(shù)來產(chǎn)生偽雙能X射線，分時 輸出高、低能x射線(如圖1所示)；另一種方式是在探測器上，利用預(yù)硬化技術(shù)來產(chǎn)生偽雙能x射線，兩 路探測器系統(tǒng)分別測量高能和低能X射線(如圖2和圖3所示)，其中圖3所示的探測器是高、低能探測器 合而為一的偽雙能探測器。
本實用新型使用偽雙能X射線測量技術(shù)，即利用系統(tǒng)產(chǎn)生的高、低能X射線與物質(zhì)作用原理，在油田生 產(chǎn)中，油水氣三相介質(zhì)并存的條件下，測量輸油管道中含水率和含氣率指標。該系統(tǒng)克服了放射源帶來的 重大安全隱患，特別適用于油田生產(chǎn)中，自動在線計量系統(tǒng)。本實用新型理論模型的精度比較高，各種參 數(shù)的物理意義比較明確，使用簡單，還能考慮溫度、壓力等因素的影響，特別適用于油田生產(chǎn)中，自動在 線計量系統(tǒng)。當利用X光機作為射線源時，可以免除丟失放射源的困擾，提高了輻射防護的安全系數(shù)，從 根本上杜絕了恐怖分子獲取臟彈原料的機會，對國家安全有著特別重要的意義。應(yīng)用時提示注意以下兩個 問題
1) 在實驗測量Pi、 p2、 P3和p時，需要同時檢測樣品的溫度、壓力等參數(shù)的影響。
2) 因為氣體的狀態(tài)與溫度、壓力密切相關(guān)，應(yīng)用中，要測量與實際條件相一致的P3和Hm3。
3) 求解方程時，要利用査表法，采用與實際條件相對應(yīng)的p值，可以通過實時測量得到。
4) 高能五二與低能五的差別越大，測量精度要越好。例如五二 《(1.5~3)￡:,簡單一點，
E// = 。
5) 公式中的各種系數(shù)，m、 H2、內(nèi)、k和c等，可以在實驗室中，分別用偽雙能測量系統(tǒng)的x光機， 照射不同質(zhì)量厚度的標定介質(zhì)(純原油、純水、純天然氣)，用衰減測量法獲得的實驗數(shù)據(jù)，再
按最小二乘法擬合求得。注意k和C可以用原油所對應(yīng)的值來近似，也可以針對各種情況，在 實驗室測出數(shù)據(jù)，建成一個數(shù)據(jù)庫，在現(xiàn)場使用時，用査表法獲取該數(shù)據(jù)。最后根據(jù)本實用新型 推導(dǎo)的模型(也可以采用其它合適的模型)，算出原油中的含水率、含氣率等指標。
6) 對天然氣中油、水、氣三相混合體共存的情況，上面公式中各個參數(shù)的含義不變，只不過測量的
含氣率數(shù)值變大了許多，同理測量的含油率數(shù)值變小了許多。
7) 對原油中油水沙三項共存的情況，只要把上面說明的原油中油水氣三相介質(zhì)并存的條件下含氣率 3修改為含沙量《3，其它下標為3的參數(shù)修改成沙子的參數(shù)，上面說明的數(shù)據(jù)處理方法可以完 全照搬。
8) 對天然氣中水氣沙三項共存的情況，只要把上面說明的油水沙三相介質(zhì)并存的條件下含油率G^ 修改為含氣率《2 ，而把含氣率6;3修改為含沙量《3 ，其它下標為2的參數(shù)修改成天然氣的參數(shù)， 下標為3的參數(shù)修改成沙子的參數(shù)，上面說明的數(shù)據(jù)處理方法可以完全照搬。
權(quán)利要求1.一種油氣田中多相流指標的偽雙能χ射線測量裝置，為原油或天然氣中含水率、含油率、含氣率或含沙量指標的偽雙能χ射線測量裝置，安裝于原油或天然氣輸送管道上，其特征在于所述的測量裝置主要由三個分系統(tǒng)組成，即一種能量χ射線的產(chǎn)生分系統(tǒng)或攜帶分時能譜預(yù)硬化裝置的偽雙能χ射線的產(chǎn)生分系統(tǒng)，1-3套探測器構(gòu)成的探測器分系統(tǒng)、以及若干套控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)；還包括準直器，準直器中有屏蔽管；所述的探測器分系統(tǒng)包括探測器、前置放大器或光電倍增管、信號成形、放大、采樣、保持和AD轉(zhuǎn)換單元，探測器分系統(tǒng)連接總控和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)；總控和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸、同步、顯示、控制和報警部分；探測器與準直器連接，準直器與控制系統(tǒng)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油氣田中多相流指標的偽雙能X射線測量裝置， 其特征在于該測量裝置通過譜預(yù)硬化裝置、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和控制系統(tǒng)把單能X光機 轉(zhuǎn)變了成分時輸出二種能譜的偽雙能光機，其安裝，是在原油管道水平直徑的一 端安裝偽雙能X射線產(chǎn)生分系統(tǒng)，包括單能X光機和靶點，以及控制系統(tǒng)、連接準 直器，偽雙能X射線的產(chǎn)生機構(gòu)包括能譜預(yù)硬化裝置、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和控制系統(tǒng)；原 油管道水平直徑另一端裝設(shè)探測器分系統(tǒng)，包括探測器和屏蔽管，連接總控和數(shù) 據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連接的第一路信號成形、放大和采樣保持單元、第一組 探測器的高壓電源、第一路A/D轉(zhuǎn)換單元、第一路控制單元和數(shù)據(jù)處理計算機。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油氣田中多相流指標的偽雙能X射線測量裝置， 其特征在于該測量裝置是對其中一路探測器采用了能譜預(yù)硬化處理而組成的偽 雙能測量系統(tǒng)，其安裝方式是在原油管道水平直徑的一端安裝有單能X射線產(chǎn)生 分系統(tǒng)，包括單能x光機和靶點、控制系統(tǒng)，連接兩個準直器；原油管道水平直 徑的另一端裝設(shè)二路探測器分系統(tǒng) 一路探測器系統(tǒng)包括能譜過濾片、探測器和 屏蔽管，以及連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連接的第一路信號成形、放 大和采樣保持單元、第一組探測器的高壓電源、第一路A/D轉(zhuǎn)換單元、第一路 控制單元和數(shù)據(jù)處理計算機；另一路探測器系統(tǒng)包括第二組探測器和第二組探測器的屏蔽管，它連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，系統(tǒng)包括相互連接的第二路信號成 形、放大和采樣保持單元、第二組探測器的高壓電源、第二路AD轉(zhuǎn)換單元、第 二路控制單元和數(shù)據(jù)處理計算機。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的油氣田中多相流指標的偽雙能％射線測量裝 置，其特征在于該測量裝置是對其中一路探測器采用了能譜預(yù)硬化處理、并把 二路探測器組合在一起而構(gòu)成偽雙能測量系統(tǒng)；其安裝，是在原油管道水平直徑 的一端裝設(shè)單能X射線產(chǎn)生分系統(tǒng)，包括單能X光機和靶點，控制系統(tǒng)連接準直器;原油管道水平直徑的另一端裝有雙能探測器分系統(tǒng)，它包括能譜過濾片，探測器 和屏蔽管，且連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連接的第一路信號成形、放 大和采樣保持單元、第一組探測器的高壓電源、第一路AD轉(zhuǎn)換單元、第一路控 制單元和數(shù)據(jù)處理計算機；低能探測器系統(tǒng)包括第二組探測器和屏蔽管，連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連接的第二路信號成形、.放大和采樣保持單元、 第二組探測器的高壓電源、第二路AD轉(zhuǎn)換單元、第二路控制單元和數(shù)據(jù)處理計 算機。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油氣田中多相流指標的偽雙能5C射線測量裝置， 其特征在于可以在x光機的出口，避開主束流方向上，安裝有一個亮度校正探 測器，且連接控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，包括相互連接的第三路信號成形、放大和 采樣保持單元、第三路探測器的高壓電源、第三路AD轉(zhuǎn)換單元、第三路控制單 元和數(shù)據(jù)處理計算機。
專利摘要本實用新型涉及一種油氣田中多相流指標的偽雙能χ射線測量裝置，為原油或天然氣中含水率、含油率、含氣率或含沙量指標的偽雙能χ射線測量裝置，安裝于原油或天然氣輸送管道上。該測量裝置主要由三個分系統(tǒng)和一套專用軟件組成，即一種能量χ射線的產(chǎn)生分系統(tǒng)或攜帶分時能譜預(yù)硬化裝置的偽雙能χ射線的產(chǎn)生分系統(tǒng)，1-3套探測器構(gòu)成的探測器分系統(tǒng)、和若干套控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)組成；其它裝置還包括準直器，準直器中有屏蔽管。探測器分系統(tǒng)包括探測器、前置放大器或光電倍增管、信號成形、放大、采樣、保持和AD轉(zhuǎn)換單元，探測器分系統(tǒng)連接總控和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)；總控和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸、同步、顯示、控制和報警部分；探測器與準直器連接，準直器與控制系統(tǒng)連接。
文檔編號G01N23/087GK201352205SQ20092000069
公開日2009年11月25日 申請日期2009年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月13日
發(fā)明者羅平安, 賀江林 申請人:羅平安;賀江林