專利名稱：多相流的正電子斷層成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于輸油管中的多相流的正電子斷層成像裝置，即利用正負電子湮滅產生的可符合的伽馬射線為斷層成像手段、為油氣田輸油管線上的多相流計量提供在線的斷層成像功能的多相流的正電子斷層成像裝置。
背景技術：
多相流量計以其低投資、低運營成本、不需要分離油井產物等優(yōu)勢已逐步替代傳統(tǒng)測試分離器。多相流量計可以提供油、氣、水的在線實時流量及相分率數(shù)據，為油公司了解其每一個單井的實際生產情況和能力、實施有效的油藏管理和生產優(yōu)化管理提供了基礎計量數(shù)據。在諸多的多相流傳感器技術中，以伽馬射線為基礎的相分率測量技術已成為多相流計量中的主流技術。目前在多相流計量中使用的伽馬測量技術，采用單能或雙能伽馬射線來在線獲取流體對于伽馬射線的平均吸收系數(shù)。由于油、氣和水對于一定能量伽馬射線的各自吸收系數(shù)是確定的，因此在兩相流中用單能伽馬射線來獲取一個平均吸收系數(shù)就能求得混合物中兩種成分的比例(含水率或含氣率)；用雙能伽馬射線來獲取兩個平均吸收系數(shù)就能求得混合物中三種成分的比例，即三相混合流體的相分率(含氣率和含水率)。目前，以伽馬射線為基礎的多相流計量技術的局限性以及所面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點(1)測量精度不夠高。因為伽馬射線測量技術需要滿足窄束的條件這個前提，因此只能獲取放射源及探頭之間很小立體角內的混合物的成分，在此探測區(qū)間之外的部分卻無能為力。這種用局部來替代整體的方法使得其測量結果對流體的整體均勻性有要求。因此也就相對降低了整體的測量精度。(2)空間對稱性不好。由于多相流量計中的伽馬射線窄束是錐形結構，在靠近放射源(錐頂)時其射線的空間密度很高即被頻繁探測，而在靠近伽馬射線接收端(錐底)時射線的密度變稀。因此即使錐形體內平均密度相同的油、氣、水的混合物，如果其在錐形體的空間分布不同，其測量的平均密度也會不一樣。( 所要求的測量時間較長。為了減少上述(1)、(2)問題帶來的測量誤差，多相流計量需要平均很多次的瞬時測量結果，因此一個數(shù)據點所需要的測量時間較長。這種依賴于各態(tài)歷經的統(tǒng)計平均來解決測量空間不對稱性的問題，但是對于減少整體非均勻性的影響其效果并不理想。(4) 在極端流量條件下，某單相流量的計量精度會大大降低。目前多相流計量技術基于對總流量和相分率的測量，然后通過運算得到各單相的流量率；當某一單相較少(單相相分率較低)時，則該相計量精度較差。( 不能得到流體流態(tài)的流動特性?，F(xiàn)有的伽馬多相流計量都只能給出多相流的平均密度信息而沒有其具體空間分布的位置信息。因此不能給出油、 氣和水在輸油管內的空間分布信息即成像信息。對輸油管內的油、氣和水的斷層成像從而獲得流體流態(tài)的動態(tài)特性是本實用新型的目的之一。流體的影像信息可以為石油天然氣工業(yè)提供更豐富的計量信息，從而更有效地實施油藏管理和生產優(yōu)化管理。斷層像中的各單相流體的位置信息也可以減少上述吸收率計算中對于流型流態(tài)的空間分布的依賴性及在極端流量條件下計量精度問題。因此也會大大提高相分率的測量精度，這也是本實用新型的另外一個目的。由于該實用新型可以提高測量精度，因此相對于原有的測量精度，就等效于縮小了每一測試點的測量時間。目前對于多相流的成像研究采用測量介質電學/ERT、光學/Optical、超聲/ Ultrasound、磁共振/MR等特性的技術，但都有各自的缺點，在多相流計量領域尚沒有得到成功應用。本實用新型采用核醫(yī)學中的伽馬射線成像技術結合相關的圖像處理技術以實現(xiàn)對輸油管中多相流的斷層成像。

實用新型內容目前多相流量計在對非對稱的流型流態(tài)或者多種流型流態(tài)同時并存時，其測量精度會大大降低。本實用新型的目的之一就是提高在對稱性不好的流型流態(tài)下多相流量計的測量精度。我們知道基于伽馬射線的核醫(yī)學成像的精度已相當高了，CT達到了 0. Imm精度， SPECT及PET達到1. 3mm。如果物體的密度測量能在如此高的空間精度內進行的話，那么混合物的成分分析就迎刃而解了。我們可以根據每一個像素上的測量密度來確定它是油、氣或水。而不是像目前的伽馬射線多相流量計在一個窄束錐形體內計算平均密度。我們假定在很小的體積內可以把混合物“量子化”為單一成分。這種假定在絕大多數(shù)的像素上是準確的，而只在多相混合的邊界上會帶來少量的誤差。核醫(yī)學成像在流體上應用的最大局限是(1)核醫(yī)學成像的對象是靜物，而流體是不斷變化的；( 核醫(yī)學最終成像是有很多角度的投影重建而成的，成像速度也往往較慢；C3)核醫(yī)學設備有很多探測器組成，為了得到多角度的投影，探頭有時需要大角度的旋轉。而旋轉投影對于流動的非對稱混合體來說就沒有意義了。本實用新型借鑒核醫(yī)學的多組探測器陣列的組合來增加傳統(tǒng)的基于伽馬射線測量技術的多相流量計(以下簡稱伽馬多相流量計)的有效探測區(qū)的個數(shù)并縮小每個探測區(qū)的空間范圍。合理的探測器陣列設計可以用許多很小的探測區(qū)覆蓋整個輸油管的截面來實現(xiàn)全測量而非局部測量。就像截面上布滿了有很多從不同角度的細小的伽馬多相流量計， 因此這種高精度的全測量技術對流體的對稱性、均勻性不再有要求，因此也大大地提高了其測量的精度及對不同流型流態(tài)多相流的適用性。由于本實用新型的多相流量計采用了多組高精度的探測器陣列，因此比起傳統(tǒng)的采用單一探頭的伽馬多相流量計來說，該方法會獲得更多的信息量，包括多相流體密度的空間分布信息。由于傳統(tǒng)的伽馬多相流量計的錐形體測量區(qū)間的局限性，對于即便是軸對稱的流體，不同扇角大小的錐形體測量區(qū)間也可能給出不同的結果。也就是說其測量結果并不是完全獨立于測量的手段或方法，因此引起了較大的測量誤差。采用了多組高精度的探測器陣列的多相流量計可以把測量的區(qū)間縮小到很多微小獨立的像素點上。因此它避免了錐形測量區(qū)的非對稱局限性，大大提高了測量值的可信度。這也是本實用新型的目的之
一ο多組高精度探測器陣列可以形成很多的探測區(qū)間，每個區(qū)間是由一對探測器來確定，每一個區(qū)間都會獲得伽馬射線的平均吸收系數(shù)，很多同時獲取的不同區(qū)間的平均吸收系數(shù)可以用來重建出輸油管截面上多相流體的密度分布情況，即流體的瞬時斷層圖像。在時間上連續(xù)測量得到的瞬時斷層圖像組成了流體的動態(tài)影像。在軸向的有一定間距的兩組或兩組以上的探測器陣列的所獲取的斷層圖像還可以進行互相關處理以獲得流體的流速信息。流體的影像信息可以為生產提供更加有效的油藏管理和生產優(yōu)化所需的基礎計量數(shù)據。這也是本實用新型的目的之三。根據本實用新型的一個方面，提供一種用于輸油管中的多相流的正電子斷層成像裝置，其特征在于，該正電子斷層成像裝置由能產生正負電子湮滅及時間符合的至少一組探頭組成，每組探頭包括一對平行的伽馬射線探測器陣列、正電子放射源以及放射源屏蔽器，該對平行的伽馬射線探測器陣列分別設置在被測輸油管的兩側并且與輸油管的軸向垂直，所述正電子放射源位于所述輸油管與該對平行的伽馬射線探測器陣列中的一排伽馬射線探測器陣列之間且平行于該對平行的伽馬射線探測器陣列，所述放射源屏蔽器在所述輸油管的軸向對正電子放射源進行間縫屏蔽，每組探頭所包括的一對平行的伽馬射線探測器陣列確定多個探測區(qū)間，每個探測區(qū)間由一對伽馬射線探測器來確定，從每個探測區(qū)間獲得伽馬射線的平均吸收系數(shù)，從而采用同時獲取的不同探測區(qū)間的平均吸收系數(shù)來得到流體的瞬時斷層圖像。所述至少一組探頭由兩組探頭組成，所述兩組探頭構成正交的空間結構以提高探測角度在所述輸油管的截面上分布的均勻性，所述兩組探頭在軸向上相互錯開，以使這兩組探頭的有效探測區(qū)域相互避開，從而降低隨機符合、提高測量的信噪比。所述至少一組探頭由多組探頭組成，以提高有效探測區(qū)域在輸油管的截面上的覆蓋范圍，每相鄰兩組探頭的旋轉角度為360° /N，并且所述多組探頭在軸向上相互錯開，以使所述多組探頭的有效探測區(qū)域相互避開。所述正電子放射源是多個點狀的正電子放射源、線狀的正電子放射源或是由點狀的正電子放射源與線狀的正電子放射源構成的組合源。所述伽馬射線探測器是半導體射線探測器，或者是閃爍晶體加上傳統(tǒng)的光電倍增管、位置靈敏的光電倍增管或半導體光電倍增管。每組探頭的一對平行的伽馬射線探測器陣列同時進行實時窗的時間符合與延遲窗的時間符合，延遲符合的結果作為背景噪聲被從實時符合結果中減去，以提高測量的信噪比。沿所述輸油管的軸向以一定間距設置兩套所述正電子斷層成像裝置，從而通過對斷層圖像進行連續(xù)相關運算處理來獲取流體的流速信息。將流體的瞬時斷層圖像在時間上實時排列起來，從而得到流體的斷層影像。該正電子斷層成像裝置還包括對所述斷層圖像進行處理的圖像處理部分，當平均吸收系數(shù)接近多相流中的某一相時，對斷層圖像的像素進行單一相的量子化處理，在斷層圖像中的部分像素被量子化之后，重新計算各剩余像素的吸收系數(shù)的最佳值，經過多次量子化及求最佳值的處理，獲取多相流的相分率，從而能夠在單能正電子放射源的條件下獲取多相流的相分率，即含氣率和含水率。

圖1示出了正負電子湮滅探測器的準直功能；圖2是多相流正電子斷層成像裝置的示意圖，上半部為截面圖，下半部為俯視圖；圖3是多相流正電子斷層成像的原理示意圖；[0024]圖4是多相流正電子(線狀的正電子放射源)斷層成像的正交探頭結構示意圖；圖5是多相流正電子(多個點狀的正電子放射源)斷層成像的正交探頭結構示
辰、 圖6是多相流正電子(點狀與線狀混合的正電子放射源)斷層成像的正交探頭結構示意圖；圖7是多相流正電子斷層成像裝置的軸向三組探頭結構示意圖。
具體實施方式
(1)正電子斷層成像的原理能量在IMeV以下的伽馬射線同物質相互作用時，主要是發(fā)生光電效應、康普頓效應兩種效應。光電效應發(fā)生時伽馬光子把全部能量交給與之相互作用的物質的束縛電子， 使之克服在原子殼層中的電離能而發(fā)射出去?？灯疹D效應則是伽馬光子同電子之間的散射，入射伽馬光子把一部分能量傳遞給電子，光子本身能量減少并向不同的方向散射。正因為伽馬光子會同物質發(fā)生作用，因此伽馬射線穿過物質時會發(fā)生被吸收衰減。當入射伽馬光子發(fā)生康普頓散射時，由于光子的剩余能量及散射方向的不確定性使其仍然有可能被探測器接收到從而影響了伽馬射線吸收系數(shù)的測定。因此在應用時往往用窄束伽馬射線以將散射事例盡可能拒絕掉從而增加測量的精度。為了實現(xiàn)窄束條件，需要用準直器對伽馬源出來的射線進行準直篩選。但是當使用高精度探測器陣列時，每個小的探測器都需要準直器因此會提高準直器的設計難度，同時很多準直器也會大大降低了計數(shù)率和靈敏度。如果系統(tǒng)有多個伽馬源且分布在不同角度位置上而且都需要準直的話，其設計難度會更大。如果利用正負電子湮滅技術就可以避免了準直器，而且大大地提高計數(shù)率。正負電子湮滅時會同時產生一對180度相向的伽馬光子，且每一個伽馬光子都具有單一能量511keV，因此我們可以用兩個相對的探測器來探測正負電子湮滅事件。如果每個探測到的伽馬射線都用其全能峰來甄別，再結合伽馬光子對的時間符合處理，就可以比較有效地拒絕散射事例從而提高測量精度。如圖1所示，探測器1、1'探測到很多由正負電子湮滅產生的從不同角度來的伽馬射線，但是只有在很小的角度內其伽馬射線是同時被探測器1與1'探測到的。因此如果對探測器1與1 ‘做時間符合處理，就是用探測器1對探測器1 ‘進行了無需準直器的準直處理。那些被探測器1探測到而沒有被探測器1'探測到的湮滅事件最終將會被甄別。圖2為用于被探測的輸油管4中的多相流正電子斷層成像裝置的原理示意圖，該正電子斷層成像裝置由能產生正負電子湮滅及時間符合的一組探頭組成，該組探頭包括 一對平行的伽馬射線探測器陣列1、1'，線狀的正電子放射源5，以及放射源屏蔽器6。圖2 的上半部為截面圖，下半部為俯視圖。其中，一對平行的探測器陣列1、1'分別立于被測輸油管4的兩側且與輸油管4軸向垂直構成。正電子放射源5位于輸油管4與其中一排探測器陣列1之間且平行于探測器陣列1、1'。放射源屏蔽器6在輸油管4的軸向對正電子放射源5進行間縫屏蔽。所述伽馬射線探測器陣列1、1'中的探測器是半導體射線探測器，或者是閃爍晶體加上傳統(tǒng)的光電倍增管、位置靈敏的光電倍增管或半導體光電倍增管。每組探頭的一對平行的伽馬射線探測器陣列1、1'同時進行實時窗的時間符合與延遲窗的時間符合，延遲符合的結果作為背景噪聲被從實時符合結果中減去，以提高測量的信噪比。線狀的正電子放射源5可以看成是由很多個不同位置上的點狀的正電子放射源構成，如圖3所示，如果輸油管的斷層圖像由圖像像素矩陣7組成，那么每個像素將可能被多組探測器對同時測量。每個探測器對都代表了不同的探測角度，因此每個像素將有很多個不同角度的測量。兩組N個探測器陣列用傳統(tǒng)的測量方法時只有2N探測經跡給出2N個衰減吸收方程式，而本實用新型用的正負電子湮滅法可以給出N2個衰減吸收方程式。約束方程數(shù)越多， 其多相流量計的測量精度就越高，可允許截面圖像的像素也就越多，其圖像的精度就越高。為了提高每個像素的多個測量角度在截面上360度內分布的均勻性，本實用新型的多相流量計可以采用兩組或者兩組以上的正負電子湮滅符合探頭組成。每組正負電子湮滅符合探頭包括一對平行的探測器陣列、正電子放射源及放射源屏蔽器。如果是兩組正負電子湮滅符合探頭，則可以組成正交結構，將其中一組探頭圍繞輸油管的軸心旋轉90度就到了另外一組的角度了，但是這兩組探頭在輸油管的軸向位置上會有一定的錯開以避開對方探頭的有效探測區(qū)間。圖4、5及6分別給出了利用線狀的正電子放射源5、多個點狀的正電子放射源5以及線狀的正電子放射源與點狀的正電子放射源組成的混合源的正交結構示意圖。對于N組探頭則每相鄰兩組探測器陣列的旋轉角度為360/N度，而且在軸向都避開其它探測器陣列的探測區(qū)間。如圖7給出了在軸向有三組正電子探測器陣列1、1'、2、 2'、3、3'的結構示意圖。正電子放射源可用Ge-68 (其半衰期為271天)，Na_22 (其半衰期為2. 6年)或其它源。當放射源的強度增強時，在一定的符合時間窗內會探測到來自多個不同的正負電子湮滅的假的隨機符合事例。這種假的隨機符合事例增加了測量的本底，最終會影響密度探測的精度。為了消除該本底，我們同時用另外一個有固定時間延遲但大小相同的時間窗來測量隨機符合的計數(shù)，并用該計數(shù)來當作本底將之從上述實時符合事件中扣除。在軸向需要對正電子源進行間縫屏蔽以降低單一事例率，從而減少探測器電子學的處理死時間，提高真實事例的符合效率并減少隨機符合率。(2)斷層成像借鑒核醫(yī)學的多組探測器陣列的組合可以增加傳統(tǒng)的伽馬多相流量計的有效探測區(qū)間的個數(shù)并縮小每個探測區(qū)間的探測空間范圍。如圖3所示，假定輸油管的截面內有 M個像素，連接每一對探測器徑跡可以穿越多個像素，因此這對探測器測量的平均吸收系數(shù)并不代表單個像素的吸收系數(shù)而是該徑跡上所有像素的平均吸收系數(shù)(僅有一條方程但有多個未知數(shù))。但是如果我們一共有L個探測器對穿過輸油管截面，那么我們就有L條方程去解M個未知數(shù)，如果L > M就有可能獲得M未知數(shù)的最佳解。因此可以用像素的平均吸收系數(shù)來代表流體截面成像。該吸收系數(shù)所成的像就類似于CT的斷層成像。多組高精度探測器陣列可以形成很多的探測區(qū)間，每個區(qū)間是由一對探測器來確定，每一個區(qū)間都會獲得伽馬射線的平均吸收系數(shù)，很多同時獲取的不同區(qū)間的平均吸收系數(shù)可以用來重建出輸油管截面上流體的密度分布情況，即流體的瞬時斷層圖像。在時間上連續(xù)測量得到的瞬時斷層圖像組成了流體的動態(tài)影像，流體的影像信息可以為生產提供更加有效的油藏管理和生產優(yōu)化管理。沿輸油管的軸向以一定間距布置的兩組或兩組以上的探測器陣列所獲取的斷層圖像還可以進行相關運算處理以獲得流體的流速信息。(3)相分率的獲取上述由正負電子湮滅所成的斷層圖像是由多個像素的吸收系數(shù)組成。這些像素的吸收系數(shù)矩陣是滿足所有探測器測量值的一個最佳解，由此獲得的每個像素的平均吸收系數(shù)往往是一個連續(xù)的值。由于吸收系數(shù)是流體密度的函數(shù)，如下表所示比如水、油對同一能量的伽馬射線就有不同的吸收系數(shù)。水、油對不同能量窄束伽馬射線吸收系數(shù)(m)(實驗值)
權利要求1.一種用于輸油管中的多相流的正電子斷層成像裝置，其特征在于，該正電子斷層成像裝置由能產生正負電子湮滅及時間符合的至少一組探頭組成，每組探頭包括一對平行的伽馬射線探測器陣列、正電子放射源以及放射源屏蔽器，該對平行的伽馬射線探測器陣列分別設置在被測輸油管的兩側并且與輸油管的軸向垂直，所述正電子放射源位于所述輸油管與該對平行的伽馬射線探測器陣列中的一排伽馬射線探測器陣列之間且平行于該對平行的伽馬射線探測器陣列，所述放射源屏蔽器在所述輸油管的軸向對正電子放射源進行間縫屏蔽，每組探頭所包括的一對平行的伽馬射線探測器陣列確定多個探測區(qū)間，每個探測區(qū)間由一對伽馬射線探測器來確定。
2.根據權利要求1所述的正電子斷層成像裝置，其中，所述至少一組探頭由兩組探頭組成，所述兩組探頭構成正交的空間結構，所述兩組探頭在軸向上相互錯開。
3.根據權利要求1所述的正電子斷層成像裝置，其中，所述至少一組探頭由多組探頭組成，每相鄰兩組探頭的旋轉角度為360° /N，其中N > = 3，并且所述多組探頭在軸向上相互錯開。
4.根據權利要求1-3中的任一項權利要求所述的正電子斷層成像裝置，其中，所述正電子放射源是多個點狀的正電子放射源、線狀的正電子放射源或是由點狀的正電子放射源與線狀的正電子放射源構成的組合源。
5.根據權利要求1-3中的任一項權利要求所述的正電子斷層成像裝置，其中，所述伽馬射線探測器是半導體射線探測器，或者是閃爍晶體加上傳統(tǒng)的光電倍增管、位置靈敏的光電倍增管或半導體光電倍增管。
6.根據權利要求1-3中的任一項權利要求所述的正電子斷層成像裝置，其中，沿所述輸油管的軸向以一定間距設置兩套所述正電子斷層成像裝置。
7.根據權利要求1-3中的任一項權利要求所述的正電子斷層成像裝置，該正電子斷層成像裝置還包括對所述斷層圖像進行處理的圖像處理部分。
專利摘要本實用新型涉及一種用于輸油管中的多相流的正電子斷層成像裝置，該裝置利用正負電子湮滅產生一對可符合的511keV能量的伽馬射線為斷層成像手段、為油田輸油管線中的多相流計量提供在線的斷層成像功能。該裝置包括有特定空間結構排列的多組平行的高精度的伽馬射線探測器陣列、正電子放射源及屏蔽器，并且結合圖像處理的功能可以只在單一放射源的條件下獲取油、氣、水等多相流混合物的相分率。多組高精度的探測器陣列設計也大大提高了多相流計量的精度及其在多相流不同流型流態(tài)下的適用性。它所產生的流體的影像信息將極大豐富石油天然氣工業(yè)對于石油天然氣的計量信息并為更有效的油藏管理和生產優(yōu)化提供基礎數(shù)據。
文檔編號G01F5/00GK202092697SQ20102068741
公開日2011年12月28日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年12月29日
發(fā)明者李洪弟, 陳繼革 申請人:蘭州海默科技股份有限公司, 李洪弟