CN105277239B - 用于操作核磁流量计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作核磁流量计的方法，其特征在于，对于段塞区域和膜区域确定调谐参数和匹配参数，对于段塞区域设定参数，或者对于膜区域设定参数，经过时间t测量反射功率，其中为段塞区域设定的系统中的反射功率对于段塞区域来说低，而对于膜区域来说高，并且其中为膜区域设定的系统中的功率对于膜区域来说低，而对于段塞区域来说高，使用反射功率来确定段塞区域和膜区域在RF线圈中的相对停留时间以及段塞区域和膜区域在流动介质中的相对频率，并且将反射功率的值从高值向较低值的跳跃用作用于开始测量的触发事件。

Description

用于操作核磁流量计的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作核磁流量计的方法，所述核磁流量计用于确定流动穿过测量管的介质的流量，特别是用于确定具有段塞流的介质的流量，具有测量装置，其中所述测量装置包含RF回路，所述RF回路具有外部电子装置，并且具有至少一个RF线圈，所述至少一个RF线圈设计成用于生成激励介质用的激励信号，和/或用于检测由介质发出的测量信号。

背景技术

核磁流量计被设计来用于确定流动穿过测量管的介质的流量。介质可包含一个相或多个相。在单相介质的情况下，通过确定介质的流动速度来进行流量的确定。确定多相介质的流量包括：除了确定流动速度之外，还确定各相在介质中的份额。

使用核磁测量方法的前提是，介质或介质的每个相具有原子核，所述原子核具有磁矩。为了区分各个相，另外还需要的是这些相具有不同的弛豫时间。

从油源吸出的多相介质实质上由两个液相原油和水以及气相天然气构成，其中所有三个相包含具有磁矩的氢原子。

流动穿过测量管的介质可具有不同的流动特性。这意味着，介质的各个相可不均匀地分布在整个体积单元内。常在从油源吸出的介质中发生的流是段塞流。段塞流具有非常复杂的特性，并且基本上特征在于连续中断的稳流。段塞流可分成交替地出现的两个区域。第一区域的特征在于液体介质的段塞，其中液体介质充填测量管的整个截面。小气泡不均匀地分布在液体介质中。该区域被称为段塞区域。第二区域由以下部分构成：大气泡，其占据测量管截面的主要部分；和液体膜，其充填测量管截面的其余部分。该区域被称为膜区域。两个交替区域的伸展度是任意的和不规则的。

核磁流量测量的特征在于，在外部电子装置中生成激励介质的激励脉冲，使用RF线圈将激励脉冲馈入介质中，并且被激励介质的响应由RF线圈检测并传输至外部电子装置以用于处理。核磁流量计因此包括至少一个外部电子装置和供介质流动穿过的RF线圈，它们一起形成RF振荡回路(circuit)。这里，流动穿过RF线圈的介质必须被视为RF振荡回路中的附加负载。

RF回路的频率通过使用所谓的调谐被设定成便于实现共振，即最大可能的信号。

为了确保外部电子装置与RF线圈之间的最大功率(或电力)传输，线圈的阻抗必须调节至外部电子装置的阻抗。该过程被称作匹配(matching)。不正确或不确切的匹配导致功率不被完全传输，而是被部分地反射。如果功率被反射，则线圈未被提供足够的功率。这导致由RF线圈生成的磁场B₁不具有预期强度，因此介质的磁化偏离在小于预期值的值。

不充分的匹配还导致难以检测由样本发射的测量信号。由样本发出的测量信号(其通常非常小)，在不正确“匹配”时“显得”更弱，其导致非常差的信噪比。

为了确保最佳的测量条件，必须在每次核磁流量测量之前设定调谐和匹配。

如已经描述的，用于匹配的设定取决于RF线圈的阻抗。由于介质而出现的附加负载在用于RF线圈的阻抗的值中被纳入考量。介质的负载取决于介质的特性。如果具有段塞流特性的介质流动穿过测量管，则RF振荡回路中在段塞区域位于RF线圈中时的附加负载不同于膜区域位于线圈中时的。

因此，必须对于每个区域修正用于匹配的设定，这在实际上是不可能的或非常复杂的。

从实践中已经知道使用用于数据评估的复杂数据分析算法，其能够区分两个区域。然而，这些算法是非常复杂的，因此数据评估是耗时的，而且是易犯错的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于操作核磁流量计的方法，其中从现有技术已知的缺点得到最小化，并且数据管理得到简化。

以上导出和示出的目的最初并且本质上由以下特征实现：对于段塞区(slugzone)域和膜区域(film zone)确定调谐参数和匹配参数；对于段塞区域设定参数，或者对于膜区域设定参数；经过时间t测量反射功率，其中为段塞区域设定的系统中的反射功率(reflected power)对于段塞区域来说低，而对于膜区域来说高，并且其中为膜区域设定的系统中的反射功率对于膜区域来说低，而对于段塞区域来说高；使用反射功率来确定段塞区域和膜区域在RF线圈中的相对停留时间以及段塞区域和膜区域在流动介质中的相对频率；并且将反射功率的值从高值向较低值的跳跃用作用于开始测量的触发事件。

本发明的方法以特定的方式适于测量具有高盐度的介质，特别是具有大份额的高盐度的盐水的介质。特别地，在具有极高盐度的介质中，发生的负载在RF回路中在高和低液体体积比时在很大程度上发生变化，使得如果要摒弃复杂的数据分析，则对于不同区域的测量来说，使用不同测量模式是不可缺少的。

具体实施方式

为了校准流量计，即为了确定用于每个区域即段塞区域和膜区域的调谐参数和匹配参数，可在校准期间记录描述调谐参数和匹配参数的波动的曲线。然后，可使用该曲线来对于段塞区域以及膜区域确定每个参数的值。

低值的反射功率意味着用于匹配的参数是良好的，即功率(几乎)完全从外部电子装置传输至RF线圈，然而匹配不良时，反射功率高。如果对于某区域设定了参数，则可使用反射功率来确定，设定了参数的区域或者其它区域是否位于RF线圈中。由此，必须以良好的时间分辨率来测量反射功率，即在各测量之间选择足够小的时间间隔。通过增大测量的时间分辨率，介质中的段塞区域和膜区域的检测精度得以提高。实施反射测量时的RF功率应该选择得足够小，以便避免干扰在RF线圈中发现的介质。然而，应当考虑到的是，相对较长的RF脉冲是必需的，以便允许稳定读取反射功率。

通过本发明的方法确保的是，测量是以调节成适于介质的特定负载的参数来实施的--取决于RF线圈中发现的介质的区域--即以段塞区域设定(settings)来测量段塞区域，并以膜区域设定来测量膜区域。与现有技术相比，本发明的方法具有优点的是，对于数据分析来说不需要复杂的数据解析算法，其能区分两种流动情形。

本发明的方法的一特定实施方式的特征在于：通过反射功率从高值向低值的跳跃来触发测量，测量是用于使调谐参数和匹配参数最佳化的测量；从起始参数开始，测量调谐参数范围中以及匹配参数范围中的再一些点，其中测量点的数量基于已知的最小段塞停留时间以及单个调谐测量点和单个匹配测量点所需的时间；在记录测量点之后，再次设定起始参数，并测试反射功率是否仍然具有较低值；并且如果反射功率具有高值，则摒弃一部分记录的测量点或者摒弃所有记录的测量点。

使用本发明的方法的该实施方式，对于段塞区域以及膜区域来说，能够使调谐设定和匹配设定最佳化。

本发明的方法的再一优选特定实施方式的特征在于：通过反射功率从高值向低值的跳跃来触发的测量是核磁测量。

本发明的方法使得有可能使用反射功率的数据，来接受或摒弃来自一个单次核磁测量的各个数据点或测量点。特别地，可摒弃在反射功率跳跃时记录到的核磁测量的数据。跳跃期间的测量主要发生在以下时候，即在长于相应区域在RF线圈中的停留时间的时间周期之内进行核磁测量时。如果测量时间长于停留时间，则在测量“末期”是以“不正确”的设定来实施了测量。特别地，于是还实现了，意识到并摒弃具有“不正确”设定的数据点或测量点。因此，对于数据评估所使用的数据解析算法的要求再次得以降低，并且用于数据评估所需的努力也显著降低。

本发明的方法的一特定实施方式的特征在于，对于介质的段塞区域设定参数。根据本发明使用CPMG序列来实施核磁测量，其中对于核磁测量使用的是预磁化对比测量的方法。优选地，提供了：将使用核磁测量获得的数据用于确定流动速度，并且借助于信号振幅数据来确定水液比。

然而，本发明的方法并不局限于使用CPMG序列，相反，适合于核磁测量的任何脉冲序列都是可行的。

另外可取的是，对于段塞区域设定参数，并且使用层析成像(tomography)来实施核磁测量。特别地，可使用沿z方向的分层(slicing)来进行层析成像。为了定义方向，以笛卡尔坐标系为基础，其中x方向定位成沿着流动的方向，并且x轴与y轴形成水平面。因此，z轴线垂直于水平面。以测得的信号振幅来确定段塞区域中的气体份额(gas portion)，即气体体积份额。还可确定段塞区域中的流动速度分布。

因为气体体积份额是基于信号振幅确定的，所以不可缺少的是设定正确的参数，即用于介质的相应区域的参数。不正确的参数导致不清楚的信号振幅，由此使得测量不再有用。

使用未调节成适于区域的参数进行的测量，是不可能确定信号振幅从而确定气体体积份额的，然而，根据本发明，在本发明的一特定实施方式中提供了，在具有段塞区域设定的膜区域中实施核磁测量。可从测量值确定介质在膜区域中的流动速度。使用从流动速度测量所确定的值以及对于水液比预先确定的值，来进行流量的确定。

对调谐参数和匹配参数被调节成适于段塞区域的本发明的方法的特定实施方式的描述到此为止。根据本发明，使用调节成适于膜区域的调谐参数和匹配参数作为基础的实施方式也是可行的。

本发明的方法的再一实施方式提供了，对于膜区域设定匹配参数，并且以CPMG序列实施核磁测量。因为根据本发明的方法，核磁测量发生在功率的测量值从高值跳跃至低值之后，并且如已经描述过的，低值意味着良好的匹配，所以可使用本发明的方法的该实施方式来表征介质的膜区域。优选地，使用预磁化对比测量的方法，并且以测得的数据来确定介质的流动速度，并借助于信号振幅数据来确定膜区域中的水液比。

然而，本发明的方法并不局限于使用CPMG序列，相反，可使用适合于确定核磁特性的任何可能的脉冲序列。

本发明的方法的再一实施方式的特征在于，以用于膜区域的匹配参数，来实施层析成像沿z方向分层的核磁测量。以测得的信号振幅来确定膜区域中的气体份额(气体体积分数)。还提供了，使用测得的数据来确定测量管中的液位(或液体含量，liquid level)。

如已经描述过的，不可缺少的是，将匹配参数调节成适于特定区域，以清楚地确定信号振幅，从而确定介质的特定区域中的气体体积份额。

于是再次，本方法的特定实施方式的特征在于，以膜区域参数在段塞区域中实施核磁测量。于是可从测量值确定介质在段塞区域中的流动速度。使用从流动速度测量所确定的值以及对于水液比预先确定的值，来进行流量的确定。

使用沿z方向分层的层析成像来实施核磁测量的再一优选实施方式提供了，在包含至少一个段塞区域和一个膜区域的时间周期之内进行核磁测量。由此，匹配参数可对应于段塞区域的参数，然而还可提供的是，参数对应于膜区域的参数。因此，在任一情况下，都存在具有较高和较低反射功率的区域。优选地，现在提供的是，以从层析成像获得的数据来确定每个测量时间点的流动速度，并且可使用反射功率的数据来将流动速度分配至区域。

到此为止，假定的是介质具有高盐度，特别是，盐水具有高盐度和/或介质中的盐水份额高。然而，还有可能的是，介质中的盐水份额低，或者盐水中的盐度低或几乎为零。

如已经描述过的，RF振荡回路中由流动介质引起的附加负载一方面取决于位于RF线圈中的区域，另一方面取决于介质的盐度。因此，反射功率的量取决于介质的盐度。如果介质低盐度或零盐度，则RF回路中的负载对于段塞区域和膜区域来说几乎是相同的，使得调谐参数和匹配参数对于两个区域来说是相同的。因此，如上所述，基于反射功率来区分这些区域是不可能的。

在本发明的范围中，能基于信号振幅而不是基于反射功率，来区分具有段塞流的介质中的膜区域和段塞区域。为此，本发明的特定教导的特征在于：对于段塞区域或对于膜区域设定调谐参数和匹配参数；实施核磁测量；使用信号振幅，确定段塞区域或膜区域是否位于RF线圈中；并且确定段塞区域和膜区域中的水液比和/或气体体积份额。

可使用CPMG序列或另一用于测量核磁变量的常见脉冲序列来进行核磁测量。还有可能的是，使用沿z方向分层的层析成像来实施核磁测量。

在核磁层析成像中，已知不同的排序方案，根据它们，能检测数据--特别是傅里叶空间中的。

在没有稳定的特别是没有固定的流动特性的流动介质的流量测量领域中，特别是在使用核磁层析成像时，存在特殊要求。因此，一些脉冲序列特别适于高时间分辨率，然而，对此而言，外加磁场的非常高的均匀性是不可缺少的。对磁场不均匀性不敏感的脉冲序列无法实现这种高时间分辨率。

优选地，在本发明的方法的范围中，使用根据黄金比例的排序方案来进行数据采集。该方法最初已知于医学成像的领域，特别地，它用于检测心脏或肺。

基于黄金比例的排序方案给出这样的组织方案，其中数据轮廓线(dataprofiles)被记录在倒易空间中。对于任意数量的数据轮廓线而言，它确保了数据轮廓线的几乎均匀的分布。排序方案实现了以111.25°的方位角增量、180°的黄金比例来记录数据轮廓线。因此，辐射线随时间推移非常均匀地分布在整个空间内。这确保了轮廓线得到均匀地分布，而不管用于图像重建的轮廓线的数量如何--然而，特别是在用于图像重建的轮廓线的数量对应于斐波纳契数时。这得到若干优点，其对于具有段塞流特性的介质的流量测量而言具有特别的相关性。因此，能任意地选择用于图像重建的轮廓线的数量。如果快速时间分辨率是必要的，则可使用较少的轮廓线，而另一方面，使用多个轮廓线的数据重建被用于高时间分辨率。该方法相对于流量计技术中先前使用的方法具有巨大的优势，因为图像重建能自发地、可变地适应于当时的条件，并且不必在测量之前被建立。因此，能任意地选择测量窗口的长度。通过根据黄金比例的组织方案模式，对于每个时间点确保了数据在傅里叶频谱中的均匀分布。因此，不再有必要事先建立所需的时间分辨率或图像更新率。另外，能事后调节用于数据重建的轮廓线的数量，以便视情况反复对图像质量和时间分辨率进行折衷。例如，轮廓线的数量可适于段塞区域和膜区域的长度。

因为每个轮廓线是通过倒易空间的原点执行的，所以在每个轮廓线中检测绝对信号振幅。以信号振幅能检测到区域是段塞区域还是膜区域。

还有可能是使数据采集窗口的位置保持随机。后续轮廓线大致分布在整个倒易空间内。因此，确保了在整个倒易空间内的几乎均匀的轮廓线分布，而不管数据采集是何时开始的。数据于是能适于特定的间隔。

还可提供将数个数据采集窗口合并在一起。数据采集的灵活性允许数个数据采集窗口在不同间隔中合并在一起，但是被记录在相同区域中。因此，例如，可提供将来自第一段塞区域的数据与来自第二段塞区域的数据组合，由此改善组合图像的分辨率。

本发明的方法的再一实施方式的特征在于，将准随机排序方案用于数据采集。基于准随机化或亚随机化的这类排序方案，还对于用于数据采集的任意数量的数据轮廓线而言，确保了数据轮廓线的几乎均匀的分布。这种类型的排序方案基于低差异序列。低差异序列也被称为准随机序列。与纯确定性方法相比，准随机序列具有的优点是，它们允许均匀的分布，尽管是非预定数量的数据轮廓线，因此可以跟随流量测量的当前条件来调节数据轮廓线的数量。特别地，哈尔顿(Halton)序列、范德库普特(van der Corput)序列和福尔(Faure)序列非常适合于数据采集。

Claims (17)

1.一种用于操作核磁流量计的方法，所述核磁流量计用于确定流动穿过测量管的具有段塞流的介质的流量，具有测量装置，其中所述测量装置包含RF回路，所述RF回路具有外部电子装置，并且具有至少一个RF线圈，所述至少一个RF线圈设计成用于生成激励介质用的激励信号，和/或用于检测由介质发出的测量信号，

其特征在于，

对于段塞区域和膜区域确定调谐参数和匹配参数，

对于段塞区域设定所述调谐参数和匹配参数，或者对于膜区域设定所述调谐参数和匹配参数，

经过时间t测量反射功率，其中为段塞区域设定的系统中的反射功率对于段塞区域来说低，而对于膜区域来说高，并且其中为膜区域设定的系统中的所述反射功率对于膜区域来说低，而对于段塞区域来说高，

使用反射功率来确定段塞区域和膜区域在RF线圈中的相对停留时间以及段塞区域和膜区域在流动介质中的相对频率，并且

将反射功率的值从高值向较低值的跳跃用作用于开始测量的触发事件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量是用于使调谐参数和匹配参数最佳化的测量；从起始参数开始，测量调谐参数范围中以及匹配参数范围中的再一些点，其中测量点的数量基于已知的最小段塞停留时间以及单个调谐测量点和单个匹配测量点所需的时间；在记录测量点之后，再次设定起始参数，并测试反射功率是否仍然具有较低值；并且如果在测试时反射功率具有高值，则摒弃一部分记录的测量点或者摒弃所有记录的测量点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量是核磁测量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，反射功率的数据用于接受或摒弃来自核磁测量的个体数据，其中，在反射功率跳跃时记录的核磁测量的数据可被摒弃，或者以“不正确”调谐参数和/或不正确匹配参数记录的核磁测量的数据可被摒弃。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于段塞区域设定调谐参数和匹配参数；以CPMG序列或另一脉冲序列实施核磁测量来确定核磁变量，其中使用的是预磁化对比测量的方法；并且以测量数据确定流动速度，并以信号振幅确定水液比。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于段塞区域设定调谐参数和匹配参数；核磁测量实施沿z方向分层的层析成像；以测得的信号振幅确定段塞区域中的气体体积分数份额；并且确定段塞区域中的流动速度分布。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在膜区域中实施具有用于段塞区域的调谐参数和匹配参数的核磁测量；以测量值确定流动速度；并且以对于流动速度确定的值以及对于水液比预先确定的值来计算流量。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于膜区域设定调谐参数和匹配参数；以CPMG序列或其它脉冲序列实施核磁测量来确定核磁变量，其中使用的是预磁化对比测量的方法；并且以测量数据确定流动速度，并以信号振幅确定水液比。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于膜区域设定调谐参数和匹配参数；核磁测量实施沿z方向分层的层析成像；并且以测得的信号振幅来确定膜中的气体体积分数份额以及液位。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在段塞区域中实施具有用于膜区域的调谐参数和匹配参数的核磁测量；以测量值确定流动速度；并且以对于流动速度确定的值以及对于水液比预先确定的值来计算流量。

11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用沿z方向分层的核磁层析成像来实施测量，并且在含有至少一个段塞区域和一个膜区域的时间周期内实施测量；以测得的数据来确定流动速度；并且使用反射功率的数据将流动速度分配给区域。

12.一种用于操作核磁流量计的方法，所述核磁流量计用于确定流动穿过测量管的具有段塞流的介质的流量，该段塞流具有低盐度或零盐度，具有测量装置，其中所述测量装置包含RF回路，所述RF回路具有外部电子装置以及至少一个RF线圈，所述至少一个RF线圈设计成用于生成激励介质用的激励信号，和/或用于检测由介质发出的测量信号，

其特征在于，

对于段塞区域或对于膜区域设定调谐参数和匹配参数，

实施核磁测量，

使用信号振幅来确定在RF线圈中是否存在段塞区域或膜区域，并且

使用信号振幅来确定段塞区域和膜区域中的水液比和/或气体体积份额。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，对于核磁测量使用CPMG序列或其它脉冲序列来确定核磁变量。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用沿z方向分层的层析成像来实施核磁测量。

15.根据权利要求6、9、11和14中任一项所述的方法，其特征在于，使用根据黄金比例的排序方案来进行数据采集。

16.根据权利要求6、9、11和14中任一项所述的方法，其特征在于，使用准随机排序方案来进行数据采集。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，使用哈尔顿序列、范德库普特序列或福尔序列来进行数据采集。