CN101852746A - 多相流中含水率与含气率的x射线测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相流中含水率与含气率的X射线测量装置及其测量方法，该测量装置包括X光机、计算机、前准直器、多相流管道、第一后准直器，探测器、信号放大器及多道分析器。本发明多相流中含水率与含气率的X射线测量装置及其测量方法，测量精度高，能够方便快捷地实时采集穿过多相流管道的X射线信号数据，根据不同介质对不同能量的X射线吸收和散射情况不同的原理，实现对多相流混合介质的精确测量。

Description

多相流中含水率与含气率的X射线测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量输油管道中油、水、气多相混合介质的含水率与含气率指标的装置及方法，尤其是涉及一种根据不同介质对不同能量的X射线吸收和散射情况不同的原理进行测量的多相流中含水率与含气率的X射线测量装置及其测量方法，特别适用于油田生产中的自动在线计量系统。

背景技术

原油是国家最重要的战略物资之一。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。特别是大多数油田，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g射线法。

微波法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。

电容法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。

短波法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，再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。

导热法是利用液-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。

振动密度计法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。

以上几种测量方法，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。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，所以在实际应用中，都不能很好地满足生产要求。

射线法是根据g射线穿过不同介质时，其衰减不同的原理工作的，根据g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。

如公开号为CN1086602A的发明专利就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。该方案是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。但是这个方案中，参数取近似的地方太多，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g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。

目前市场上尚未发现应用X光机发出的具有连续能量X射线测量原油中含水率和含气率的原理和装置。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术中的不足，提供一种能够实时、高精度测量的多相流中含水率与含气率的X射线测量装置及其测量方法。

为解决现有技术中的问题，本发明多相流中含水率与含气率的X射线测量装置，包括X光机，所述X光机包括X射线发生器和与X射线发生器相连的X光机控制器，所述X射线发生器的输出端与前准直器的输入端连接，所述前准直器的输出端与多相流管道的输入端连接，所述多相流管道的输出端与第一后准直器的输入端连接，所述第一后准直器的输出端与第一探测器的输入端连接，所述第一探测器的输出端与第一信号放大器的输入端连接，所述第一信号放大器的输出端与多道分析器的输入端连接，所述多道分析器的输出端与计算机相连接，所述计算机与X光机控制器相连接，所述第一探测器与探测器高压电源相连接。

进一步，所述前准直器的另一输出端与第二后准直器的输入端连接，所述第二后准直器的输出端与第二探测器的输入端连接，所述第二探测器的输出端与第二信号放大器的输入端连接，所述第二信号放大器的输出端与多道分析器的输入端连接，所述第二探测器与探测器高压电源相连接。

进一步，所述多相流管道内为油、水、气的混合介质。

一种多相流中含水率与含气率的X射线测量装置的测量方法：

1）计算机发送开始测量命令给X光机控制器；

2）X光机控制器控制X射线发生器发出X射线；

3）X射线经过前准直器准直，从输出端输出满足窄光束条件的窄光束X射线；

4）窄光束X射线在多相流管道内被混合介质吸收和散射；

5）经混合介质吸收和散射的X射线经第一后准直器再次准直；

6）准直后的X射线进入第一探测器转变为电信号；

7）电信号经第一信号放大器滤波、放大、成形后送入多道分析器；

8）多道分析器将采集到的数据发送给计算机；

9）计算机对所接收的数据进行处理分析，最终得到多相流管道内各介质的质量或体积百分比。

上述方法中，步骤3）还包括：从前准直器的另一输出端输出另一窄光束X射线。

上述方法中，所述另一窄光束X射线经第二后准直器准直后进入第二探测器转变为电信号，电信号经第二信号放大器滤波、放大、成形后送入多道分析器。

本发明多相流中含水率与含气率的X射线测量装置的优点是：

1）利用X光机作为射线源，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。

2）增加技术特征第二探测器、第二后准直器和第二信号放大器，用来监测X射线发生器发出的X射线能谱随时间的漂移，并对最终采集数据进行修正，从而达到高精度测量。

综上所述，本发明多相流中含水率与含气率的X射线测量装置及其测量方法，测量精度高，能够方便快捷地实时采集穿过多相流管道的X射线信号数据，根据不同介质对不同能量的X射线吸收和散射情况不同的原理，实现对多相流混合介质的精确测量。

附图说明

图1为本发明多相流中含水率与含气率的X射线测量装置的结构示意图。

图2为图1中多相流中含水率与含气率的X射线测量装置的测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明多相流中含水率与含气率的X射线测量装置，包括X光机1，所述X光机1包括X射线发生器101和与X射线发生器101相连的X光机控制器102，所述X射线发生器101的输出端与前准直器2的输入端连接，所述前准直器2的输出端与多相流管道3的输入端连接，所述多相流管道3的输出端与第一后准直器4的输入端连接，所述第一后准直器4的输出端与第一探测器5的输入端连接，所述第一探测器5的输出端与第一信号放大器6的输入端连接，所述第一信号放大器6的输出端与多道分析器7的输入端连接，所述多道分析器7的输出端与计算机8相连接，所述计算机8与X光机控制器102相连接，所述第一探测器5与探测器高压电源9相连接。

为了监测X射线发生器101发出的X射线能谱随时间的漂移情况，以便测到精确的数据信息，增加了第二探测器11、第二后准直器10和第二信号放大器12，即所述前准直器2的另一输出端与第二后准直器10的输入端连接，所述第二后准直器10的输出端与第二探测器11的输入端连接，所述第二探测器11的输出端与第二信号放大器12的输入端连接，所述第二信号放大器12的输出端与多道分析器7的输入端连接，所述第二探测器11与探测器高压电源9相连接，但如果X射线能谱稳定则可省略第二探测器11、第二后准直器10和第二信号放大器12。

在本实施例中，所述X光机1通过X射线发生器101能够发出具有连续能量的X射线，以免除丢失放射源的困扰，提高了辐射防护的安全系数。

在本实施例中，所述前准直器2通过其狭缝将X射线发生器101发出X射线输出为满足窄光束条件的窄光束X射线，从而提高了测试分析的精度和效率，能满足高精度测试要求。

在本实施例中，所述多相流管道3内为被测量的油、水、气的混合介质。X射线发生器101发出X射线经过前准直器2的狭缝输出为窄光束X射线，在多相流管道3内被混合介质吸收和散射。由于不同介质对不同能量的X射线吸收和散射的情况不同，因此经混合介质吸收和散射的X射线信号可以作为分析计算混合介质各特征参量的依据。

在本实施例中，所述第一后准直器4是将经混合介质吸收和散射的X射线通过其狭缝再次准直。

在本实施例中，所述第一探测器5用来探测经第一后准直器4准直后输出的X射线，并将X射线信号转变为电信号。

在本实施例中，所述第一信号放大器6是将第一探测器5输出的电信号进行滤波、放大、成形后，输出到多道分析器7。

在本实施例中，所述多道分析器7将从第一信号放大器6和第二信号放大器12所接收到的信号处理后的数据发送给计算机8。

在本实施例中，所述计算机8负责整体控制与协调，并对多道分析器7采集到的数据进行处理，同时结合多相流管道3内混合介质的温度、压力等参量对计算公式进行修正，即可得出多相流管道3内油、水、气三相的质量或体积含量百分比。

在本实施例中，所述探测器高压电源9给第一探测器5和第二探测器11持续供电。

如图2所示，本发明多相流中含水率与含气率的X射线测量装置的测量方法是：

1）计算机8发送开始测量命令给X光机控制器102；

2）X光机控制器102控制X射线发生器101发出X射线；

3）X射线经过前准直器2准直，从一输出端输出满足窄光束条件的窄光束X射线进入多相流管道3，从另一输出端输出另一窄光束X射线进入到第二后准直器10；

4）另一窄光束X射线经第二后准直器10准直后进入第二探测器11转变为电信号，电信号经第二信号放大器12滤波、放大、成形后送入多道分析器7，多道分析器7将采集到的数据发送给计算机8，计算机8对数据进行处理分析，得出X射线发生器101发出的X射线能谱随时间的漂移；

5）在多相流管道3内被混合介质吸收和散射的窄光束X射线经第一后准直器4再次准直进入第一探测器5转变为电信号，电信号经第一信号放大器6滤波、放大、成形后送入多道分析器7，多道分析器7将采集到的测量数据发送给计算机8，计算机8对测量数据进行处理分析，并根据X射线能谱随时间的漂移对测量数据进行计算修正，最终得到多相流管道3内油、水、气各介质的实际质量或体积百分比。

总之，本发明的实施例公布的是其较佳的实施方式，但并不限于此。本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多相流中含水率与含气率的X射线测量装置，其特征在于：包括X光机（1），所述X光机（1）包括X射线发生器（101）和与X射线发生器（101）相连的X光机控制器（102），所述X射线发生器（101）的输出端与前准直器（2）的输入端连接，所述前准直器（2）的输出端与多相流管道（3）的输入端连接，所述多相流管道（3）的输出端与第一后准直器（4）的输入端连接，所述第一后准直器（4）的输出端与第一探测器（5）的输入端连接，所述第一探测器（5）的输出端与第一信号放大器（6）的输入端连接，所述第一信号放大器（6）的输出端与多道分析器（7）的输入端连接，所述多道分析器（7）的输出端与计算机（8）相连接，所述计算机（8）与X光机控制器（102）相连接，所述第一探测器（5）与探测器高压电源（9）相连接。

2.根据权利要求1所述的多相流中含水率与含气率的X射线测量装置，其特征在于：所述前准直器（2）的另一输出端与第二后准直器（10）的输入端连接，所述第二后准直器（10）的输出端与第二探测器（11）的输入端连接，所述第二探测器（11）的输出端与第二信号放大器（12）的输入端连接，所述第二信号放大器（12）的输出端与多道分析器（7）的输入端连接，所述第二探测器（11）与探测器高压电源（9）相连接。

3.根据权利要求1所述的多相流中含水率与含气率的X射线测量装置，其特征在于：所述多相流管道（3）内为油、水、气的混合介质。

4.一种如权利要求1所述的多相流中含水率与含气率的X射线测量装置的测量方法，其特征在于,包括以下步骤：

1）计算机（8）发送开始测量命令给X光机控制器（102）；

2）X光机控制器（102）控制X射线发生器（101）发出X射线；

3）X射线经过前准直器（2）准直，从输出端输出满足窄光束条件的窄光束X射线；

4）窄光束X射线在多相流管道（3）内被混合介质吸收和散射；

5）经混合介质吸收和散射的X射线经第一后准直器（4）再次准直；

6）准直后的X射线进入第一探测器（5）转变为电信号；

7）电信号经第一信号放大器（6）滤波、放大、成形后送入多道分析器（7）；

8）多道分析器（7）将采集到的数据发送给计算机（8）；

9）计算机（8）对所接收的数据进行处理分析，最终得到多相流管道（3）内各介质的质量或体积百分比。

5.根据权利要求4所述的多相流中含水率与含气率的X射线测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤3）还包括：从前准直器（2）的另一输出端输出另一窄光束X射线。

6.根据权利要求5所述的多相流中含水率与含气率的X射线测量装置的测量方法，其特征在于，所述另一窄光束X射线经第二后准直器（10）准直后进入第二探测器（11）转变为电信号，电信号经第二信号放大器（12）滤波、放大、成形后送入多道分析器（7）。

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