CN101261236A - 原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法，利用放射源产生的γ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。其测量设备包括三大分系统和一套专用软件，具体包括产生二种能量γ射线的二种γ射线放射源、探测器分系统、一个总控和数据处理分系统，还包括准直器。本发明双能γ射线测量系统利用建立地比较完善的物理模型，提高了测量系统的测量精度，适用于油田生产中的自动在线计量系统。理论模型精度比较高，各种参数物理意义明确，使用简单，考虑了温度、压力等因素的影响。当利用双能γ射线源时，可以在保证高的测量精度的同时，简化系统的装置，提高测量系统的可靠性，对原油产量的测量和计量有着特别重要的意义。

Description

原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法

技术领域

本发明涉及石油测量技术领域，具体涉及一种双能γ射线测量技术，即利用放射源产生的γ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。特别适用于油田生产中，自动在线计量系统。

背景技术

原油作为最重要的能源之一，从油井开采出的原油，是油、水、天然气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进行外输或销售。在原油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和含气率等情况，以便控制生产过程，保证生产出合格的成品原油。因此，原油含水率和含气率等指标是石化行业石油采集、冶炼及运输过程中一个重要参数。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，对原油进行含水率和含气率的准确检测在原油生产、贸易中有着重要作用。

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。

目前市场上尚未发现应用双能γ射线法测量原油中含气率和含水率的原理和装置。

发明内容

本发明的目的，在于针对在三相油水气混合体中，实时、高精度测量原油中含气、含水率的需求，提出了原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法。本发明的理论模型精度比较高，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。

一种原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法，系利用放射源产生的γ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。该测量方法依托于主要由三个大分系统组成的测量设备和一套专用软件，即：它包括产生二种能量的γ射线二种γ射线放射源，一套或二套探测器构成探测器分系统，以及一个总控和数据处理分系统；其它装置还包括准直器；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、AD转换等单元；总控和数据处理分系统包括数据的传输、同步、显示、控制和报警等部分；专用软件通过算法求解含水率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。

在油水气三相状态下，所述专用软件采用如下两个方程来求解含水率ω₁和含气率ω₃，

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)=\ln \left(\frac{N_0\left(E_H\right)}{N(x,E_H)}\right)---\left(10\right)$

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)=\ln \left(\frac{N_0\left(E_L\right)}{N(x,E_L)}\right)---\left(11\right)$

方程中：E_H、E_L分别代表γ放射源发出的高能γ射线和低能γ射线所对应的能量；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γ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γ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；N₀(x，E)代表在对应的测量厚度、γ射线能量条件下，测试系统所测量的计数；μ₁、μ₂、μ₃可以通过预先测量指数衰减曲线求得，也可通过查核数据手册得到。

在只考虑油水二相状态时，可以把测量系统的γ射线放射源简化为一种能量的γ射线放射源，这时专用软件中采用了如下公式来求解含水率ω₁，

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{\ln \left(\frac{N_0}{N\left(x\right)}\right)-\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2}\right)\mathrm{x\ρ}}{(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})\mathrm{x\ρ}}---\left(5\right)$

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γ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γ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；N₀(x)代表在对应的测量厚度、γ射线能量条件下，测试系统所测量的计数；μ₁、μ₂可以通过预先测量指数衰减曲线求得，也可通过查核数据手册得到。

在设计放射源系统时，考虑到高、低能量之间应满足一定的条件，这会影响到测量精度。高能E_H与低能E_L差别越大，测量精度越好，例如：E_H≈(1.5～3)E_L，简单一点，E_H≈2E_L，高能γ射线的能量范围可以取在10keV～1MeV之间。

如图1所示，该测量方法依托于二个单能γ射线放射源产生高、低能γ射线，其测量设备核心部件的安装方式，是由同一个横截面上的二个单能γ射线放射源，分别连接高能γ射线放射源的准直器和屏蔽室和低能γ射线放射源的准直器和屏蔽室；所述高能γ射线放射源和低能γ射线放射源，分别对应两组探测器分系统——第一组探测器和屏蔽管，第二组探测器和屏蔽管，形成两条独立的探测分路，两组探测器分系统分别连接各自的总控和数据处理分系统，即：一组连接第一路信号成形、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，另一组连接第二路信号成形、放大和采样保持单元、第二组探测器的高压电源、第二路AD转换单元、第二路控制单元；两套探测通路处于原油管道的同一个横截面上，以减少测量设备的长度；两套探测通路的夹角可以变化，理想状态是，夹角越小越好，在原油管道横截面上均匀性比较好时，其夹角可以大一些；两组数据均分别传至数据处理计算机。

如图2所示，该测量方法依托于二个单能γ射线放射源产生高、低能γ射线，其测量设备核心部件的安装方式，是并行安装的二个单能γ射线放射源，分别连接高能γ射线放射源的准直器和屏蔽室和低能γ射线放射源的准直器和屏蔽室；所述高能γ射线放射源和低能γ射线放射源，分别对应两组探测器分系统——第一组探测器和屏蔽管，第二组探测器和屏蔽管，形成两条独立的探测分路，两组探测器分系统分别连接各自的总控和数据处理分系统，即：一组连接第一路信号成形、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，另一组连接第二路信号成形、放大和采样保持单元、第二组探测器的高压电源、第二路AD转换单元、第二路控制单元；两套探测通路越靠近，越能满足理论上希望高低能γ射线能同时打在介质的同一个位置上的理想要求，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；两组数据均分别传至数据处理计算机。

如图3所示，该测量方法依托于二个放射源并列放置方式测量系统，其测量设备核心部件的安装方式，包括二个位置几乎重叠、但最好不相互遮挡的单能γ射线放射源，外罩准直器，与之对应第一组探测器和屏蔽管；放射源、准直器、探测器和屏蔽管组成一套γ射线探测通路，连接第一路信号成形、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，高、低能的识别是通过计算机专用软件中的γ射线能谱分析功能来区别的。

本发明双能γ射线测量系统利用建立地比较完善的物理模型，提高了测量系统的测量精度，适用于油田生产中的自动在线计量系统。理论模型精度比较高，各种参数物理意义明确，使用简单，考虑了温度、压力等因素的影响。当利用双能γ射线源时，可以在保证高的测量精度的同时，简化系统的装置，提高测量系统的可靠性，对原油产量的测量和计量有着特别重要的意义。

附图说明

图1为二个放射源和探测器横向安装方式的示意图；

图2为二个放射源和探测器纵向安装方式的示意图；

图3为二个放射源并列放置方式和探测器安装的示意图。

图中：1-测量设备；2-高能γ射线放射源；3-高能γ射线放射源的准直器和屏蔽室；4-第一组探测器；5-第一组探测器的屏蔽管；6-低能γ射线放射源；7-低能γ射线放射源的准直器和屏蔽室；8-第二组探测器；9-第二组探测器的屏蔽管；10-原油管道；20-(第一路)信号成形、放大和采样保持单元；21-第二路信号成形、放大和采样保持单元；22-(第一组)探测器的高压电源；23-第二组探测器的高压电源；24-(第一路)AD转换单元；25-第二路AD转换单元；26-(第一路)控制单元；27-第二路控制单元；28-计算机；30-γ射线放射源分系统的控制系统。

具体实施方式

本发明技术方案以如下方式实现：

根据说明书后附的参考文献[2]，如果物质是混合物，其密度为ρ，线性衰减系数为μ，所含元素的质量衰减系数为

...，则混合物的质量衰减系数用下式计算：

$\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}}\right)}_i{\mathrm{\ω}}_i---\left(1\right)$

式中ω₁，ω₂，...，ω_i...，ω_N分别为组成元素的重量百分比。

注意：元素的质量衰减系数也可表示为μ_m，线性厚度为x，质量厚度为x_m。即：

μ_m＝μ/ρ  x_m＝x·ρ

1、考虑油水二相状态(无下标-原油+水混合状态，下标1-纯水状态，下标2-纯原油状态)

μ_m＝ω₁μ_m1+ω₂μ_m2

   ＝ω₁μ_m1+(1-ω₁)μ_m2

   ＝ω₁(μ_m1-μ_m2)+μ_m2    (2)

Θμ_m＝μ/ρ  x_m＝x·ρ

∴ $\mathrm{\μ}\·x={\mathrm{\μ}}_m\·x_m$

$=({\mathrm{\ω}}_1({\mathrm{\μ}}_{m1}-{\mathrm{\μ}}_{m2})+{\mathrm{\μ}}_{m2})\·x_m$

$=({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)$

$=({\mathrm{\ω}}_1({\mathrm{\μ}}_1\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_1}-{\mathrm{\μ}}_2\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\μ}}_2\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·x---\left(3\right)$

对单能的γ源来讲，其与物质的作用规律服从指数衰减规律。

$N\left(x_m\right)=N_0{e}^{-{\mathrm{\μ}}_m\·x_m}---\left(4\right)$

其中：N₀    --射线穿过空气后，测量的计数。

      N(小_m)--射线穿过质量厚度为x_m的物质后，测量的计数。

把(3)代入(4)，并化简得：

$({\mathrm{\ω}}_1({\mathrm{\μ}}_1\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_1}-{\mathrm{\μ}}_2\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\μ}}_2\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·x=\ln \left(\frac{N_0}{N\left(x\right)}\right)$

即：

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{\ln \left(\frac{N_0}{N\left(x\right)}\right)-\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2}\right)\mathrm{x\ρ}}{(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})\mathrm{x\ρ}}---\left(5\right)$

在这种情况下，一个未知量含水率ω₁，一个方程，故采用单能即可解决测量问题。

2、考虑油水气三相状态(无下标-原油+水+气混合状态，下标1-纯水状态，下标2-纯原油状态，下标3-纯天然气状态)

μ_m＝ω₁μ_m1+ω₂μ_m2+ω₃μ_m3

   ＝ω₁μ_m1+(1-ω₁-ω₃)μ_m2+ω₃μ_m3

   ＝ω₁(μ_m1-μ_m2)+ω₃(μ_m3-μ_m2)+μ_m2    (6)

Θμ_m＝μ/ρ  x_m＝x·ρ

∴ $\mathrm{\μ}\·x={\mathrm{\μ}}_m\·x_m$

$=({\mathrm{\ω}}_1({\mathrm{\μ}}_{m1}-{\mathrm{\μ}}_{m2})+{\mathrm{\ω}}_3({\mathrm{\μ}}_{m3}-{\mathrm{\μ}}_{m2})+{\mathrm{\μ}}_{m2})\·x_m$

$=({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)---\left(7\right)$

对单能的γ源来讲，其与物质的作用规律服从指数衰减规律。

$N\left(x_m\right)=N_0{e}^{-{\mathrm{\μ}}_m\·x_m}---\left(8\right)$

把(8)代入(7)，并化简得：

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\mathrm{\μ}\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)=\ln \left(\frac{N_0}{N\left(x\right)}\right)---\left(9\right)$

为了求得含水率ω₁和含气率ω₃，需要列出类似(9)的二个方程。从核物理上，可以通过二种不同能量的射线来测量求得。(注意：有的文献引入散射射线与物质的作用关系而得出第二个方程，但其方程来历比较模糊，其中各个参数的物理意义不甚清晰。)

本文中，采用双能测量模式讨论如下：

设E_H、E_L分别代表高能和低能γ射线所对应的能量，则(9)可以表示为：

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)=\ln \left(\frac{N_0\left(E_H\right)}{N(x,E_H)}\right)---\left(10\right)$

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)=\ln \left(\frac{N_0\left(E_L\right)}{N(x,E_L)}\right)---\left(11\right)$

理论上，可根据方程(10)和(11)求得ω₁和ω₃，这就是双能γ射线测试含水率和含气率的原理。

注意：

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，要采用实际相对应的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，E_H＝2E_L。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1，总体的设计思想：本发明的测量装置1主要由三个大分系统组成。二个放射性源构成γ射线分系统；一套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。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。

根据本发明的基本原理，给出以下三种应用实例：

实施例1：二个放射源和探测器横向安装方式测量系统的工作原理

测量设备1的核心部件的安装位置如图1所示。

本实施例的特点是，利用二个γ射线放射源来产生高、低能γ射线。高能γ射线的放射源2、准直器3、探测器4和屏蔽管5组成一套高能γ射线探测通路，同理低能γ射线的放射源6、准直器7、探测器8和屏蔽管9组成一套低能γ射线探测通路。两套探测通路在原油管道10的同一个横截面上，这样减少了测量设备1的长度。注意图1中所示的两套探测通路的夹角不一定要求90°，只要能完整安装好测试部件，并能确保二个探测通路互不影响即可。本实例要求流体在原油管道10的同一个横截面分布近似相同，这样才能满足理论上希望高低能γ射线能同时打在介质的同一个位置上的理想要求。实际应用时，可在介质流入测试设备前，采取措施对流体加以搅拌，使之混合均匀即可。

高能γ射线的放射源2发出高能γ射线，经过准直器和屏蔽室3后，穿过原油管道10中的介质，被第一组探测器4转换成电信号。第一组探测器的屏蔽管5的作用是保护第一组探测器4，同时减少本底、散射信号对第一组探测器4的影响。第一组探测器的高压电源22给第一组探测器4提供工作电压，第一组探测器4的信号输出到第一路信号成形、放大和采样保持单元20，信号经过放大、处理后，送到第一路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。第一路控制单元26用来同步、协调第一路各个单元和与其相关的分系统的工作。

同理低能γ射线的放射源6发出低能γ射线，经过准直器和屏蔽室7后，穿过原油管道10中的介质，被第二组探测器8转换成电信号。第二组探测器的屏蔽管9的作用是保护第二组探测器8，同时减少本底、散射信号对第二组探测器8的影响。第二组探测器的高压电源23给第二组探测器8提供工作电压，第二组探测器8的信号输出到第二路信号成形、放大和采样保持单元21，信号经过放大、处理后，送到第二路AD转换单元25转换成数字信号，最后送到计算机28进行分析处理。第二路控制单元27用来同步、协调第二路各个单元和与其相关的分系统的工作。

探测到的双能信号分别传输到计算机28统一进行分析和处理。计算机专用软件应用本发明中推导的模型(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。

实施例2：二个放射源和探测器纵向安装方式测量系统的工作原理

测量设备1的核心部件的安装位置如图2所示。

本应用实例的特点是，利用二个放射源来产生高、低能γ射线。产生高能γ射线的放射源2、准直器3、探测器4和屏蔽管5组成一套高能γ射线探测通路，同理产生的低能γ射线的放射源6、准直器7、探测器8和屏蔽管9组成一套低能γ射线探测通路。两套探测通路越靠近，越能满足理论上希望高低能γ射线能同时打在介质的同一个位置上的理想要求。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。

高能γ射线的放射源2发出高能γ射线，经过准直器和屏蔽室3后，穿过原油管道10中的介质，被第一组探测器4转换成电信号。第一组探测器的屏蔽管5的作用是保护第一组探测器4，同时减少本底、散射信号对第一组探测器4的影响。第一组探测器的高压电源22给第一组探测器4提供工作电压，第一组探测器4的信号输出到第一路信号成形、放大和采样保持单元20，信号经过放大、处理后，送到第一路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。第一路控制单元26用来同步、协调第一路各个单元和与其相关的分系统的工作。

同理低能γ射线的放射源6发出低能γ射线，经过准直器和屏蔽室7后，穿过原油管道10中的介质，被第二组探测器8转换成电信号。第二组探测器的屏蔽管9的作用是保护第二组探测器8，同时减少本底、散射信号对第二组探测器8的影响。第二组探测器的高压电源23给第二组探测器8提供工作电压，第二组探测器8的信号输出到第二路信号成形、放大和采样保持单元21，信号经过放大、处理后，送到第二路AD转换单元25转换成数字信号，最后送到计算机28进行分析处理。第二路控制单元27用来同步、协调第二路各个单元和与其相关的分系统的工作。

探测到的双能信号分别传到计算机28后，采用专用软件，并应用本发明中推导的模型(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。

实施例3：二个放射源并列放置方式测量系统的工作原理

测量设备1的核心部件的安装位置如图3所示。

本应用实例的特点是，把二个γ射线放射源2和6并列放置在对准准直器3出口的位置，让高、低γ射线随机从准直器3的出口射出。利用专用软件的能谱分析功能，标记高能、低能γ射线的能量区间，分别记录高能、低能γ射线的计数，作为高、低能通道数据使用。

由放射源2和6分别发出的高、低能γ射线，随机但不同时穿过准直器3，照射原油管道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，同时减少探测本底、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，放射源2和6分时公用的同一套探测器系统，高、低能的识别是通过计算机专用软件中的γ射线能谱分析功能来区别的。

探测到的双能信号传输到计算机28统一进行分析和处理。计算机专用软件再应用本发明中推导的模型(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。

参考文献：

[1]任晓峰，李建等，“射线体积型原油含气、含水率分析仪的原理及应用”，自动化仪表，Vol.28，No.10，2007。

[2]李星洪，《辐射防护基础》，原子能出版社，1982年。

Claims (7)

1.一种原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法，系利用放射源产生的γ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，其特征在于：该测量方法依托于主要由三个大分系统组成的测量设备(1)和一套专用软件，即：它包括产生二种能量的γ射线二种γ射线放射源，一套或二套探测器构成探测器分系统，以及一个总控和数据处理分系统；其它装置还包括准直器；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、AD转换等单元；总控和数据处理分系统包括数据的传输、同步、显示、控制和报警等部分；专用软件通过算法求解含水率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。

2.根据权利要求1所述的原油中含气率和含水率双能γ射线测量方法，其特征在于：在油水气三相状态下，所述专用软件采用如下两个方程来求解含水率ω₁和含气率ω₃，

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_H\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)=\ln \left(\frac{N_0\left(E_H\right)}{N(x,E_H)}\right)---\left(10\right)$

$({\mathrm{\ω}}_1(\frac{{\mathrm{\μ}}_1\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+{\mathrm{\ω}}_3(\frac{{\mathrm{\μ}}_3\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_3}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})+\frac{{\mathrm{\μ}}_2\left(E_L\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2})\·\left(\mathrm{x\ρ}\right)=\ln \left(\frac{N_0\left(E_L\right)}{N(x,E_L)}\right)---\left(11\right)$

方程中：E_H、E_L分别代表γ放射源发出的高能γ射线和低能γ射线所对应的能量；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γ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γ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；N₀(x，E)代表在对应的测量厚度、γ射线能量条件下，测试系统所测量的计数；μ₁、μ₂、μ₃可以通过预先测量指数衰减曲线求得，也可通过查核数据手册得到。

3.根据权利要求1所述的原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法，其特征在于：在只考虑油水二相状态时，可以把测量系统的γ射线放射源简化为一种能量的γ射线放射源，这时专用软件中采用了如下公式来求解含水率ω₁，

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{\ln \left(\frac{N_0}{N\left(x\right)}\right)-\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2}\right)\mathrm{x\ρ}}{(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2})\mathrm{x\ρ}}---\left(5\right)$

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γ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γ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；N₀(x)代表在对应的测量厚度、γ射线能量条件下，测试系统所测量的计数；μ₁、μ₂可以通过预先测量指数衰减曲线求得，也可通过查核数据手册得到。

4、根据权利要求1所述的原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法，其特征在于：设计放射源系统，考虑到高、低能量之间满足一定的条件，影响到测量精度，高能E_H与低能E_L差别越大，测量精度越好，例如：E_H≈(1.5～3)E_L，简单一点，E_H≈2E_L，高能γ射线的能量范围可以取在10keV～1MeV之间。

5.根据权利要求1所述的原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法，其特征在于：该测量方法依托于二个单能γ射线放射源产生高、低能γ射线，其测量设备(1)核心部件的安装方式，是由同一个横截面上的二个单能γ射线放射源(2)和(6)，分别连接高能γ射线放射源的准直器和屏蔽室(3)和低能γ射线放射源的准直器和屏蔽室(7)；所述高能γ射线放射源(2)和低能γ射线放射源(6)，分别对应两组探测器分系统——第一组探测器(4)和屏蔽管(5)，第二组探测器(8)和屏蔽管(9)，形成两条独立的探测分路，两组探测器分系统分别连接各自的总控和数据处理分系统，即：一组连接第一路信号成形、放大和采样保持单元(20)、第一组探测器的高压电源(22)、第一路AD转换单元(24)、第一路控制单元(26)，另一组连接第二路信号成形、放大和采样保持单元(21)、第二组探测器的高压电源(23)、第二路AD转换单元(25)、第二路控制单元(27)；两套探测通路处于原油管道(10)的同一个横截面上，以减少测量设备(1)的长度；两套探测通路的夹角可以变化，理想状态是，夹角越小越好，在原油管道(10)横截面上均匀性比较好时，其夹角可以大一些；两组数据均分别传至数据处理计算机(28)。

6.根据权利要求1所述的原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法，其特征在于：该测量方法依托于二个单能γ射线放射源产生高、低能γ射线，其测量设备(1)核心部件的安装方式，是并行安装的二个单能γ射线放射源(2)和(6)，分别连接高能γ射线放射源的准直器和屏蔽室(3)和低能γ射线放射源的准直器和屏蔽室(7)；所述高能γ射线放射源(2)和低能γ射线放射源(6)，分别对应两组探测器分系统——第一组探测器(4)和屏蔽管(5)，第二组探测器(8)和屏蔽管(9)，形成两条独立的探测分路，两组探测器分系统分别连接各自的总控和数据处理分系统，即：一组连接第一路信号成形、放大和采样保持单元(20)、第一组探测器的高压电源(22)、第一路AD转换单元(24)、第一路控制单元(26)，另一组连接第二路信号成形、放大和采样保持单元(21)、第二组探测器的高压电源(23)、第二路AD转换单元(25)、第二路控制单元(27)；两套探测通路越靠近，越能满足理论上希望高低能γ射线能同时打在介质的同一个位置上的理想要求，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；两组数据均分别传至数据处理计算机(28)。

7.根据权利要求1所述的原油中含气率和含水率的双能γ射线测量方法，其特征在于：该测量方法依托于二个放射源并列放置方式测量系统，其测量设备(1)核心部件的安装方式，包括二个位置几乎重叠、但最好又不相互遮挡的单能γ射线放射源(2)和(6)，外罩准直器(3)，与之对应第一组探测器(4)和屏蔽管(5)；放射源(2)和(6)、准直器(3)、探测器(4)和屏蔽管(5)组成一套γ射线探测通路，连接第一路信号成形、放大和采样保持单元(20)、第一组探测器的高压电源(22)、第一路AD转换单元(24)、第一路控制单元(26)和数据处理计算机(28)，高、低能的识别是通过计算机专用软件中的γ射线能谱分析功能来区别的。

Images