CN1050769A - 低能源原油含水分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用过油管道中油和水对射线 的吸收强弱不同的方法测量原油含水情况的仪器，目 的在于对0-100％含水率原油测量精度一致并同时 测出平均密度和含水率。用低能光子源照射源室内 的银片，获得具有两组能量的射线，由传感器将经过 油、水吸收后的射线转换为电脉冲信号，经脉冲幅度 分析器鉴别及稳定能谱峰位的技术处理分别获得两 组能量射线的强度ND和NG，再由两个公式经计 算机计算出含水率K和平均密度ρ及其余参数。

Description

本发明涉及一种借助于测定原油的物理性质来分析原油含水率的仪器，更确切地说是涉及一种利用油和水对射线的吸收强弱不同的方法来测量原油含水率的仪器。

为了满足油田原油生产中的要求，要在0-100%的含水范围内对油、气、水三相混合原油进行在线含水分析，中国专利申请CN86105543“原油含水率自动监测仪”，利用油和水对X射线的吸收强弱不同的方法来测量原油含水率，采用此测量方法的仪器，主要包括向输油管道放出特定能量的X射线源;由碘化钠晶体和光电倍增管构成的探头，每接受一条经输油管道中原油吸收后的X射线发出一次闪光并把X射线信号转换为电脉冲信号;由放大器放大探头输出的微弱电信号;甄别放大器输出的电信号的强弱，记录所需要的电信号的单道脉冲幅度分析器;记录电信号并按公式计算出原油含水率等数据的计算机;为测量系统提供所需要电源的高、低压电源。

上述“原油含水率自动监测仪”的问题是：用镅源直接照射介质（即油、气、水三相混合物）只能测介质的体积含水率，当混合液中含有天然气气体时，将增大测量误差;由于是取样测量，要求所测介质混合液必须搅拌均匀，因而要在上游输油管道上安装螺旋片，对高含水原油很难搅拌均匀，也影响了测量精度;在计算含水率的公式中，由于代入的是混合液密度的近似值，因而不能保证0-100%含水率测量范围内的相同测量精度，尤其当含水率增到80%以上时。

本发明的目的在于从根本上解决油水复杂状态对测量含水原油带来的种种困难，在0-100%的含水率测量范围内，测量精度都一致，测量结果不受油品影响，并同时测出平均密度值 ρ和含水率K（体积含水比），根据体积含水比/平均密度（K/ ρ）可求出重量含水比。

本发明利用的测量原理是采用具有一定强度的低能光子源照射被测物质，经过介质吸收后的光的强度仅与介质的含水率和平均密度有关，用仪表测量这些变化着的光子数，用计算机运算出油、气、水三相混合液的平均密度和含水率再用打印机打印出数据并由显示器显示出数据。

本发明实施例采用镅-241低能光子源照射双银片或圆锥银片，获得22Kev的X射线和50Kev的γ射线，得到具有两种能量的低能光子源，可同时测量油、水、气三相混合物的平均密度和含水率。

下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术。

附图1为低能源原油含水分析仪结构方框图。

附图2为低能源原油含水分析仪源室结构示意图。

分析仪的方框结构参见图1，1为过油管道，2为仪器的传感器部分即探头，将流过管道1的介质的平均密度和含水率的变化所造成的射线强度的变化转变为电脉冲的计数率的变化，探头2包括位于管道1一侧的低能光子源21和位于管道1另一侧的低能γ探测器22，低能γ探测器22由碘化钠晶体221，光导222，光电倍增管223，测量窗224和前置放大器225组成。

在过油管道一侧的铅室内装有一个镅-241低能光子源和一个圆锥银片（或双银片），在源的周围加有足够厚的铅屏蔽层，以便把所有的射线挡掉，镅源照射它周围的银片获得两种能量的光子，这两组光子通过准直器被过油管道中的介质吸收后照射到过油管道另一侧的低能γ探测器22上，将射线即每束光子转换成电脉冲。

由两组射线产生的电脉冲从传感部分（探头）经电缆送至仪器的转换道3（一对电缆线既传电源又传电脉冲，故需转换道转换）。电脉冲信号从转换道3输出，经过脉冲放大器4放大，并经两个单道分析器选择成形，包括测量X射线的单道D和测量γ射线的单道G，鉴别并取出有用信号，送入计算机7中，按本发明的公式进行计算，计算机每秒钟对数据自动采样，计算处理一次，保证了对过油管道中迅速变化着的液体密度和含水率的跟踪，从而提高了动态测量的精度。

由于本发明的原油含水分析仪要长期连续地在现场通电使用，随着时间、温度的变化，自然会引起仪器工作状态的缓慢变化。例如碘化钠晶体的发光效率、光电倍增管及脉冲放大器的增益，高压电源的输出电压以及测量X射线和γ射线的阈值等，都会发生时漂和温漂，这些因素将对仪器的测量精度产生不良影响。上述种种变化因素的最终结果是导致两种射线能谱的峰位变化和造成所测量的两组射线的计数率的变化，因而在实施中必须采取自稳措施来稳定两组射线的能谱峰位简称“稳峰”或者使测量X射线和γ射线的“阈值”随着它们的能谱峰位的变化而变化简称“阈跟随”。从而保证所测量的两种射线计数率的稳定，即保证了仪器稳定的测量精度。

常用的“稳峰”或者“阈跟随”的方法包括有：采用稳峰单道，即测量X射线和γ射线各用一个稳峰单道的方法;采用计算机自动控制，利用稳峰单道的稳峰或阈跟随的自动控制原理由计算机给出自稳信号;采用多道脉冲幅度分析器测能谱的方法，如256道脉冲幅度分析器来测量两组射线的能谱曲线，再由能谱曲线算出经过介质吸收后的两种射线的强度NG和ND。

由计算机计算所得的通过过油管道2的介质的平均密度ρ和含水率K，再根据流量计发讯装置给出的表示流量的脉冲数，计算出通过过油管道的水量，油量和总液量，计算结果可按需要的时间间隔由打印机8打印在纸带上。

高压电源9为传感器2的光电倍增管提供高压电源，10为分析仪提供工作电源。

附图2为低能源原油含水分析仪源室结构示意图。21为低能光子源镅-241，11为托源盘，12为圆锥形银片（或双银片），13为准直器，上有准直孔14，26为输油管道与源室间的测量窗。镅-241源的γ射线能量为59.5Kev，照射0.5mm厚的圆锥形银片或者在银片，上激发出22Kev的X射线，或者在银片上发生康谱顿散射。散射的能量在50Kev左右的γ射线和22Kev的X射线经过准直器上的准直孔照射到被测物质上。

测量窗26的作用一方面是使射线容易穿过透射板，另一方面堵住测量窗口防止原油流出，也是过油管道两侧的隔油板。现有技术中采用金属铍片，但铍片昂贵有毒，由于耐油水腐蚀能力较差，还必须在其表面复盖一定厚度的防腐材料，本发明采用一种工程塑料-聚酰亚胺片，价格便宜，对低能光子包括50Kev的γ射射线和22Kev的X射线的透射率达97%以上，耐油水腐蚀性好，抗磨抗压性能及寿命都优于铍片。

本发明所提供的计算油、水、气三相混合物的平均密度ρ和含水率K的计算公式为：

ρ=F1·1n NGO/NG-F2·1n NDO/ND…（1）

K=F3·1n NDO／ND－F4· ρ……（2）

式中，NGO、NDO分别是介质为空气时，50Kevγ射线的强度和22KevX射线的强度。NG、ND分别为经过介质吸收后的50Kevγ射线强度和22KevX射线的强度。F1、F2、F3、F4分别为油、水对22KevX射线的质量吸收系数和油、水对50Kevγ射线的质量吸收系数及射线所穿过的物质厚度所决定的常数。

式中参数除NG、ND随着介质的平均密度和含水率K的变化而变化外，其余的均为常数，只要测出NG和ND，就可算出 ρ和K。仅使用公式（1）也可将本发明制作成自动化的密度计。

本分析仪探头所用的闪烁体是碘化钠NaI（TL）晶体，当入射射线的能量大于碘的K吸收能量（33.2Kev）时发生光电效应，产生特征X射线（能量为28Kev），如果这种作用发生在晶体表面的附近，那么特征X射线逃逸的几率就相当可观，这使能谱中产生另一个比全能峰小28Kev的峰，即逃逸峰，而50Kevγ射线的逃逸峰正好与22KevX射线峰重迭，若把含水仪的过油管道的口径增大，则射线所穿过的介质厚度增大，由于介质对不同能量射线的质量吸收系数不同（22Kev  X射线的大，50Kev  γ射线的小），所以当过油管道中介质的含水率增高时，由于经过介质吸收后剩下的22Kev  X射线数显著地增少，这时，50Kev  γ射线的逃逸峰在22Kev  X射线峰中所占的比例明显地增大。因此在测量高含水原油时，正确处理γ射线的逃逸峰是个技术关键。

本发明采用在低能光子源与探测器的碘化钠晶体之间放上适当厚的金属片，将X射线全部挡掉，此时测量银片上散射的γ射线能谱，由于50Kev  γ射线的逃逸峰与22Kev  X射线峰重迭，因此50Kev  γ射线的逃逸峰对全能峰的比例系数为：

n逃＝N逃/N全能  ……（3）

式中，N逃为能谱中逃逸峰的计数，N全能为能谱中全能峰的计数，本发明在分析仪正式用于测量前，首先按公式（3）测出50Kev  γ射线的逃逸峰对全能峰的比例系数n逃，然后就按此比例系数对实际测量时测得的低能峰计数和高能峰计数进行修正。

若实际测量的低能峰计数为ND测，高能峰计数为NG测，公式（1）、（2）中的ND和NG要经过下述公式（4）、（5）的修正：

ND＝ND测-n逃NG测  ……（4）

NG＝NG测+n逃NG测  ……（5）

本发明由于采取把油、水混合液的密度实测值代入含水率公式（2）中测量混合液的含水率，所以在0-100%的含水率测量范围内，测量精度都一样，且测量精度与油品无关。

又由于本发明在测量含水率的同时，也测量密度值，因此，不但可给出原油的体积含水比，也可给出重量含水比，在测量中就不怕有气存在，亦能保证测量精度。

Claims (3)

1、一种低能源原油含水分析仪，包括向输油管道内介质(油、水、气三相混合物)放出特定能量的射线源室，每接受一条射线发出一次闪光并转换为电脉冲信号的由测量窗、碘化钠晶体、光电倍增管和前置放大器组成的传感器，鉴别脉冲信号幅度的脉冲幅度分析器，记录脉冲信号并按公式计算分析原油含水情况的计算机和显示或打印数据的设备，其特征在于：

1)所述的射线源室内有圆锥形银片或双银片，低能光子源照射双银片或圆锥形银片，获得具有两组能量的低能光子源，

2)所述的鉴别脉冲电压幅度的脉冲幅度分析器，采用稳定能谱峰位的方法或阈值跟随着能谱峰位变化的方法来稳定地测量经介质吸收后的两组能量射线的强度ND和NG，

3)所述的计算分析原油含水情况的公式为；油、水、气三相混合物的平均密度

ρ=F1·lnNGO/NG-F2·lnNDO/ND

油、水、气三相混合物的含水率即体积含水比

K=F3·lnNDO/ND-F4·ρ

2、根据权利要求1所述的一种低能源原油含水分析仪，其特征在于所述的计算分析原油含水情况的平均密度ρ和含水率K两公式中的ND和NG是经过在低能光子源室与传感器碘化钠晶体间放置金属片后测量银片上散射的γ射线能谱而获得50Kev  γ射线的逃逸峰对全能峰的比例系数n逃，并据此对实测的NG测和ND测经过

ND＝ND测-n逃NG测

NG＝NG测+n逃NG测

修正获得的。

3、根据权利要求1所述的一种低能源原油含水分析仪，其特征在于所述的射线源室、传感器与输油管道间的测量窗（透射板、隔油板）是聚酰亚胺片。

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