CN105091960A - 核磁式流量测量仪和用于运行核磁式流量测量仪的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于核磁式流量测量仪和用于运行核磁式流量测量仪的方法，核磁式流量测量仪(1)用于确定流过测量管(2)的介质的流量，带有由永磁体构成的磁场产生装置(3)用于在磁场路段LM上产生贯穿测量管(2)的磁场，带有处在磁场路段LM内的预磁化路段LVM且带有包括用作测量天线的构造成线圈状的长度L1的天线(5)的同样处在磁场路段LM中的测量装置。根据本发明，在预磁化路段LVM中设置有构造成线圈状的至少一个天线(5)用于产生破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲序列。

Description

核磁式流量测量仪和用于运行核磁式流量测量仪的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定流过测量管的介质的流量的核磁式流量测量仪，其带有：由永磁体构成的磁场产生装置用于在磁场路段LM上产贯穿介质的磁场；带有处在磁场路段LM内的预磁化路段LVM且带有包括用作测量天线的构造成线圈状的长度L1的天线的同样处在磁场路段LM中的测量装置。此外，本发明涉及一种用于运行核磁式流量测量仪的方法。
背景技术
元素的原子核(其具有核自旋(Kernspin))还具有由核自旋引起的磁矩。核自旋可被理解为可通过一向量描述的角动量(Drehimpuls)，并且磁矩相应地也可通过一向量来说明，其平行于角动量的向量。原子核的磁矩的向量在存在宏观磁场时平行于在原子核的部位处宏观磁场的向量取向。在此，原子核的磁矩的向量围绕在原子核的部位处宏观磁场的向量进动。进动(Pr?zession)的频率被称为拉莫尔频率ωL并且与磁场强度B的量成比例。拉莫尔频率根据ωL=γ·B来计算。在此，γ是旋磁比，其对于氢原子核最大。旋磁比说明了在粒子的自旋或角动量与属于此的磁矩之间的比例因数。
测量和分析方法(其在存在宏观磁场的情况下利用带有磁矩的原子核的进动的特性)被称为核磁共振测量或分析方法。核磁共振的英文术语是NuclearMagneticResonance(NMR)。
对于在利用核磁共振的情况下的分析多相介质的前提条件是，介质的待分析的相可被激励成可区别的核磁共振。该分析可包括介质的各个相的流速和多相介质的各个相的相对含量。核磁式流量测量仪例如可被用于分析从油井输送的多相介质。该介质那么主要由原油、天然气和盐水这些相构成，其中，所有相包含氢原子核。
从油井输送的介质的分析也可利用所谓的计量分离器(Testseparator)实现。其分出所输送的介质的一小部分、使介质的各个相彼此分离并且确定介质的各个相的含量。然而计量分离器不能可靠地测量小于5%的原油含量。因为每个井的原油含量持续降低并且许多井的原油含量已小于5%，目前不可能在使用计量分离器的情况下经济地开采这些井。为了另外还能够开采带有非常小的原油含量的井，需要相应精确的流量测量仪。
通常将由旋进的原子核在激励之后在测量天线中所感应的电气信号用作用于评估的原始量。如已实施的那样，对于测量多相介质的前提条件是介质的各个相可被激励至可区别的核磁共振。由介质的相的旋进的原子核在测量天线中所感应的电气信号的大小取决于在该相中每个体积元旋进的原子核的数量，相应地即取决于该相的密度，但是也取决于原子核在影响的磁场中的影响持续时间。
因此，所感应的电气信号的大小对于介质的相应的相是不同的。
用于确定介质的各个相的测量方法设置成，介质暴露于在预磁化路段中所产生的磁场确定的时间t且然后于在预磁化路段中所产生的磁场对介质的不一样长的影响持续时间之后来确定介质在磁场的方向上的磁化。在一定的影响持续时间之后介质的磁化的确定在测量装置中通过以激励信号激励被磁化的介质、测量由激励信号在介质中所引起的测量信号和评估该测量信号实现。
由现有技术已知的开头所说明的类型的核磁式流量测量仪通过磁场的变化改变磁场对介质的有效的影响持续时间，其中，磁场的变化由一机构引起。
由文件US7,872,424B2已知一种开头所说明的类型的核磁式流量测量仪。磁场产生装置包括多个围绕测量管布置的、沿着测量管纵轴线彼此相继的磁体组件(Magnetanordnung)。磁体组件中的每个可围绕测量管纵轴线旋转且以具有确定方向的磁场贯穿流过测量管的介质。现在由此来改变有效的预磁化路段，即各个磁体组件的相应的磁场彼此平行或反平行地来取向。在两个分别由一磁体组件所产生的磁场平行取向的情况下，在介质中在持续直到介质已流过这两个磁体组件的时间上建立磁化。在两个相邻的磁场反平行取向的情况下，在第一磁体组件中在介质中构建磁化，其在第二磁体组件中由于相反的场方向又被破坏。有效的预磁化路段在该情况中是零。
相应的磁体组件的旋转需要一机构。该机构一方面需要空间而另一方面与成本相联系。此外，机械移动的零件经受磨损且须以定期的间隔来维护。这意味着不仅时间上的而且经济上的耗费。
同样由现有技术已知一种用于改变预磁化路段的装置，在其中围绕测量管布置有多个磁体组件。这些磁体组件中的每个包括内部的由永磁材料构成的环和外部的同样由永磁材料构成的环。这些环中的每个产生自己的磁场。这两个环可彼此相对移动。如果这些环彼此位于两个磁场彼此平行取向的位置中，在磁体组件的内部中是较强的磁场。如果两个环彼此取向成使得两个磁场彼此反平行取向，在磁体组件的内部中场是零。通过多个这样的磁体组件依次的布置可任意改变有效的预磁化路段。
此处还通过一机构(其使磁体组件中的各一个的环相对旋转)来设立预磁化路段。为此，一方面须承受较高的时间耗费，另一方面运动的部件需要定期维护，这与成本和另外的时间耗费以及磨损相联系。
发明内容
本发明的目的是说明一种核磁式流量测量仪，在其中减少或消除由现有技术已知的缺点，以及说明一种用于运行核磁式流量测量仪的方法。
之前得出的且所指出的目的首先且主要由此来实现，即在预磁化路段LVM中设置有构造成线圈状的至少一个天线用于产生破坏述介质在外部磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏介质在外部磁场的方向上的磁化的脉冲序列，下面也概括地称为破坏脉冲。天线可围绕测量管、此外在预磁化路段中的任意部位处来布置。可在介质的流动方向上产生脉冲。下面应将介质的流动方向称为x方向，而在垂直于流动方向的z方向上来产生由磁场产生装置所产生的磁场。
相对现有技术，本发明提供了较大优点，即能够以非常简单的且无维护的方式来改变有效的预磁化路段的长度。如果天线不产生破坏脉冲，预磁化路段相应于直至测量装置的整个磁场路段。而如果天线产生破坏脉冲，则磁化在天线的区域中被破坏，且其之后在天线与测量装置之间的其余段上又重新建立，有效的预磁化路段由此即被缩短。
在破坏脉冲之后磁化的建立遵循该规律
。
在此，LVM是有效的预磁化路段(即在发出破坏脉冲的天线与在测量装置中的天线之间的路段)，v是介质的流动速度而T1是介质或介质的各个相的自旋点阵弛豫时间。
多相介质的各个相的流动速度无须相同。在实际中，介质的各个相常常具有不同的流动速度，流动轮廓(Stroemungsprofil)即具有最大流动速度vmax和最小流动速度vmin。不同的流动速度可导致所谓的“相滑移”-较缓慢流动的相被较快速流动的相“赶超”。该效应负面地影响流量测量，因为在由永磁体所产生的预磁化路段中各个相的影响持续时间和因此在磁场的方向上磁化的建立直接与相的流动速度相关联。快速流动的相在预磁化路段相同的情况下相应地具有比缓慢流动的相更短的影响持续时间。
优选地设置成，用于产生破坏脉冲的天线相对于测量装置的天线以距离d布置且产生破坏脉冲的天线的长度L2被选择成使得满足条件
。
在此，vmax是在流动轮廓中的最大流动速度、vmin是最小流动速度而L1是测量装置的天线的长度。由此保证，在测量的时刻位于测量天线的区域中的全部介质事先感知破坏脉冲且每个相的磁化独立于相应的流动速度在相同的时间上建立，即每个相经历磁场的相同的影响持续时间。
对于磁化适用
，
其中，Δt是在用于确定介质的流量的测量装置中在测量序列的起始与破坏脉冲之间的时间而T1是介质或介质的各个相的自旋点阵弛豫时间。
通过合适地选择产生破坏脉冲的天线的长度可降低在测量中的不精确性且测量变得更可靠。
在根据本发明的流量测量仪的一特别优选的实施形式中设置成，至少一个另外的构造成线圈状的用于产生破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲序列的天线布置在预磁化路段LVM中。由此产生至少一个另外的有效的预磁化路段。天线可直接彼此相邻地布置。但是也可能将一个或多个天线彼此相间隔地布置。同样可考虑由至少三个天线构成的布置，在其中至少两个相邻地布置而至少一个另外的天线与相邻布置的天线相间隔地布置。在此，天线中的每个单个可满足上面所列举的对于其长度L2的条件。
同样可考虑将多个天线(n个天线)彼此直接相邻地围绕测量管布置，其中，天线中的每个单个具有比上面所列举的更短的长度。然而那么设置成，数量k<=n个直接相邻的天线的的总和一起具有满足对于L2的条件的长度。如果k个天线同时产生破坏脉冲，这等于具有k个天线的长度的总和的长度的单个天线。通过布置多个可具有相同长度或不同长度的天线可能以简单的方式实现多个有效的预磁化路段。
本发明的目的还是说明一种用于运行用于确定流过测量管的介质的流量的核磁式流量测量仪的方法，亦即带有由永磁体构成的磁场产生装置用于在磁场路段LM上产生贯穿介质的磁场、带有处在磁场路段LM中的预磁化路段LVM且带有包括用作测量天线的构造成线圈状的长度L1的天线的同样处在磁场路段LM中的测量装置。
根据本发明的方法首先且主要特征在于，为了确定流量使用一种流量测量仪，在其中在预磁化路段LVM中设置有构造成线圈状的至少一个天线用于产生破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲序列，在预磁化路段中利用构造成线圈状的该天线或利用构造成线圈状的至少一个天线来产生破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲序列，在实际测量之前等待一等待时间Δt并且接着通过由激励信号来激励被磁化的介质且来测量由激励信号在介质中所引起的测量信号，在测量装置中来执行在被磁化的介质处的核磁测量。
在根据本发明的方法的一优选的实施形式中(在其中所使用的流量测量仪仅具有唯一的构造成线圈状的天线用于产生破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏在磁场的方向上的磁化的脉冲序列且在其中产生破坏脉冲的天线满足的上面另外所列举的对于其长度L2的条件)设置成，位于预磁化路段中的天线产生脉冲或脉冲序列，通过其来破坏在流过贯穿磁场的预磁化路段的介质中所建立的介质在磁场的方向上的磁化。磁化在介质的长度L3的区域中被破坏，该区域在脉冲的时刻位于测量管的被产生破坏脉冲的天线所包围的部分中。产生破坏脉冲的天线具有长度L2。那么适用L3=L2。
在根据本发明的方法中，破坏脉冲可以是P90脉冲、P180脉冲或饱和脉冲序列(Saettigungspulssequenz)。然而，根据本发明的方法不限于之前所提及的类型的破坏脉冲。可能是破坏介质在磁场的方向上的磁化的的任何脉冲或任何脉冲序列。
如之前所示，根据本发明的方法不限于使用确定的破坏脉冲。根据本发明的方法也不限于在测量装置中的一定的测量序列。此处，在流量测量的领域中可考虑的序列是可能的。
在尤其适合于带有塞流的介质的流量测量的根据本发明的方法的又一优选的实施形式中，设置成，等待时间Δt通过Δt=d/v来确定，其中，d是在产生破坏脉冲的天线与接收测量信号的天线之间的间距而v是介质的流动速度。
当产生破坏脉冲的天线满足对于其长度的规律(这根据本发明可设置成，即具有大于或等于测量天线的长度的长度)时，在等待时间Δt=d/v之后刚好介质的其磁化先前被破坏且重新建立的部分位于测量天线的区域中。
在尤其适合于带有具有最大流动速度vmax和最小流动速度vmin的流动轮廓的介质的流量测量的根据本发明的方法的还一特别的实施形式中，设置成，等待时间Δt通过
来确定，其中，此处L2是产生破坏脉冲的天线的长度、L1是在测量装置中的天线的长度、vmax是最大流动速度而vmin是最小流动速度。由此来保证，整个所测量的区域包含其磁化先前被破坏的介质。
显示出，在遵循之前所示出的对于等待时间Δt的规律的情况下磁场对介质的影响持续时间在预磁化路段的区域中独立于介质或介质的各个相的流动速度且独立于每个相的流动轮廓，从而确保每个单个相的统一的磁化。
在根据本发明的方法中也可使用流量测量仪，在其中多于一个破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲序列的天线设置在预磁化路段LVM中且在其中天线可直接彼此相邻地或彼此相间隔地来布置且天线中的每个具有长度L2，其满足上面另外所阐述的规律。那么，根据本发明的方法可补充地特征在于，在该方法的第一步骤中第一天线产生破坏脉冲，在第二步骤中等待一等待时间Δt1，在第三步骤中在测量单元中测量介质的流量，在第四步骤中第二天线产生破坏脉冲，在第五步骤中又等待一等待时间Δt2且在第六步骤中在测量单元中测量介质的流量。如果在所使用的流量测量仪中设置有多于两个产生破坏脉冲的天线，对于每个另外的天线来执行前三个方法步骤。
如果对于根据本发明的方法来使用流量测量仪，在其中设置有多于一个天线用于产生破坏介质的在磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏介质在磁场的方向上的磁化的脉冲序列，另一教导负责使多个产生破坏脉冲的天线同时产生破坏脉冲。在此推荐在每个等待时间之后在测量装置中测量介质。在此，在各个测量之间的时间那么缩短到在各个等待时间之间的时间差上。
根据本发明的方法例如具体应用于确定自旋点阵弛豫时间T1：
通常，利用反转恢复试验(inverserecoveryexperiment)来执行T1测量。在介质中完整的磁化(平衡磁化)建立之后，通过P180脉冲使磁化反转，等待一定的时间(在其中磁化又可建立)且对于不同的恢复时间来测量所重建的磁化的量。在此缺点是，在能够以另一恢复时间来执行新的试验之前，须相应等待直到磁化又达到其平衡值。
根据本发明现在设置成，在介质中的磁化被破坏脉冲破坏，等待一定的但是固定的时间，其中，应注意的是，该等待时间不与恢复时间混淆，在其中磁化的部分又建立且然后如上所述来执行反转恢复试验。在破坏脉冲与反转恢复试验开始之间的时间根据本发明小于持续直到平衡磁化又建立的时间。平衡磁化即被固定的“部分磁化”代替，由此可明显更快速地依次来执行带有不同恢复时间的试验。
根据本发明的方法的一特别优选的设计方案特征在于，在另外的方法步骤中在第一核磁测量之后以彼此间相应的时间间隔Δτ来执行n个另外的核磁测量。
前述设计方案尤其适合于以非常简单的方式确定介质的自旋点阵弛豫时间T1。由破坏在所施加的磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏在所施加的场的方向上的磁化的脉冲序列在空间区域L3上来破坏在预磁化路段中所建立的介质的磁化。
根据上面所说明的规律，磁化平行于外部所施加的磁场随着时间缓慢地再建立。在破坏脉冲之后在第一时间Δt之后磁化即达到确定的值。在每个另外的时间Δτ之后，磁化进一步建立且具有相应提升的值，直至达到平衡磁化M0。在每个时间Δτ之后来执行核磁测量且由此测量“新”流动到测量线圈的区域中的介质，在其中磁化即是尤其随着时间流逝进一步建立。尤其可设置成执行FID测量(FID:“FreeInductionDecay(自由感应衰减)”)且由此测量新流动到测量线圈的区域中的介质的磁化的幅度。因为磁化的建立通过自旋点阵弛豫时间T1来确定，其可由所采集的测量值简单地来确定。该优选的设计方案相应地尤其具有可在流中确定自旋点阵弛豫时间T1的优点。
附图说明
现在尤其存在设计和改进根据本发明的核磁式流量测量仪和根据本发明的方法的不同可能性。对此不仅参照从属于权利要求1和6的权利要求而且结合附图参照优选的实施例的说明。其中：
图1显示了根据本发明的核磁式流量测量仪的第一实施例以及
图2显示了根据本发明的核磁式流量测量仪的第二实施例。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的核磁式流量测量仪1的第一实施例的主要元件。核磁式流量测量仪1具有其流量应被确定的介质所流过的测量管2。介质可包含一个或多个相。为了确定流量，核磁式流量测量仪1具有围绕测量管2布置的磁场产生装置3。可由一个或多个永磁体构成的磁场产生装置3产生在磁场路段LM上贯穿测量管2的磁场。在磁场产生装置3的在介质的流动方向上观察在后的端部处设置有构造成线圈状的天线4，其不仅被用于产生激励介质的激励脉冲而且用于探测由激励信号在介质中所引起的测量信号。构造成线圈状的天线4具有长度L1。以磁场贯穿的在构造成线圈状的天线4之前的路段用于流过测量管2的介质的预磁化且被称为预磁化路段LVM。在预磁化路段LVM中现在根据本发明设置有构造成线圈状的天线5，其围绕测量管2布置。构造成线圈状的天线5产生破坏介质在由磁场产生装置3所产生的磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏介质在所产生的磁场的方向上的磁化的脉冲序列且具有长度L2。在介质中在路段L3上介质的磁化被破坏。在图1中示出该情况，在其中被破坏的磁化的路段L3相应于天线5的长度L2。
在介质的磁化被破坏之后，其在由磁场产生装置3所产生的磁场中再次建立。这发生在有效的预磁化路段LVMeff上，该路段在天线5与天线4之间。产生破坏脉冲的天线5以间距d与测量天线4间隔。
在图2中示出了根据本发明的核磁式流量测量仪的另一实施例。在这两个实施例中的相同的元件具有相同的附图标记。
在图1中示出的实施例与图2中示出的实施例之间的主要区别在于，在根据图2的实施例中设置有多个产生破坏介质的磁化的脉冲或破坏介质的磁化的脉冲序列的构造成线圈状的天线5，其围绕测量管2布置。图2显示了五个这样的天线5。天线5直接彼此相邻地布置。然而也可设置成，天线5彼此相间隔地围绕测量管2布置。如果所有天线同时产生破坏脉冲，路段L3是预磁化路段的在其上介质的磁化被破坏的区域。

Claims (13)

1.一种用于确定流过测量管的介质的流量的核磁式流量测量仪，其带有：由永磁体构成的磁场产生装置用于在磁场路段LM上产生贯穿所述测量管的磁场；带有处在所述磁场路段LM内的预磁化路段LVM；且带有包括用作测量天线的构造成线圈状的长度L1的天线的同样处在所述磁场路段LM中的测量装置，
其特征在于，
在所述预磁化路段LVM中设置有构造成线圈状的至少一个天线(5)用于产生破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，构造成线圈状的所述天线(5)的长度通过
来确定，其中，d是在所述测量天线(4)与构造成线圈状的所述天线(5)之间的距离、vmax是最大流动速度、vmin是最小流动速度而L1是所述测量天线(4)的长度。
3.根据权利要求1或2所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，在所述预磁化路段LVM中设置有另外的构造成线圈状的至少一个天线(5)用于产生破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲序列。
4.根据权利要求3所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，构造成线圈状的所述天线(5)在所述介质的流动方向上直接彼此相邻地布置、在所述介质的流动方向上彼此相间隔地布置或者部分直接彼此相邻地而部分彼此相间隔地布置。
5.根据权利要求3或4所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，线圈状的所述天线(5)具有相同的长度或不同的长度。
6.一种用于运行用于确定流过测量管的介质的流量的核磁式流量测量仪的方法，所述核磁式流量测量仪带有：由永磁体构成的磁场产生装置用于在磁场路段LM上产生贯穿所述介质的磁场；带有处在所述磁场路段LM中的预磁化路段LVM；且带有包括用作测量天线的构造成线圈状的长度L1的天线的同样处在所述磁场路段LM中的测量装置，
其特征在于，
为了确定流量使用流量测量仪，在其中在所述预磁化路段LVM中设置有构造成线圈状的至少一个天线(5)用于产生破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲序列，
在所述预磁化路段中利用构造成线圈状的所述天线或利用构造成线圈状的至少一个天线来产生破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲序列，
在实际测量之前等待一等待时间Δt并且
接着通过由激励信号来激励被磁化的所述介质且来测量由所述激励信号在所述介质中所引起的测量信号，在所述测量装置中来执行在被磁化的介质处的核磁测量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，破坏脉冲是P90脉冲、P180脉冲或饱和脉冲序列。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，流过所述测量管的所述介质具有带有最大流动速度vmax和最小流动速度vmin的流动轮廓，其特征在于，所述等待时间Δt通过
来给定，其中，d是在构造成线圈状的所述天线(5)与所述测量天线(4)之间的距离、L2是构造成线圈状的所述天线(5)的长度而L1是所述测量天线(4)的长度。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，设置有构造成线圈状的多于一个天线(5)用于产生破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲序列，其特征在于，构造成线圈状的所述天线(5)同时产生脉冲。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，设置有构造成线圈状的多于一个天线(5)用于产生破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲序列，其特征在于，构造成线圈状的所述天线(5)在时间上错开地产生脉冲。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其中，设置有构造成线圈状的多于一个天线(5)用于产生破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲或破坏所述介质在所述磁场的方向上的磁化的脉冲序列，其特征在于，相邻的和/或不相邻的构造成线圈状的所述天线(5)产生所述脉冲。
12.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，在另外的方法步骤中以彼此间相应的时间间隔Δτ来执行n个另外的核磁测量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，由所述n个另外的核磁测量的测量值来确定自旋点阵弛豫时间T1。
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