CN105651346A - 用于运行核磁流量测量设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所基于的任务是说明用于运行核磁流量测量设备的方法，所述方法尤其适合于应用具有“相滑移”的介质，利用所述方法，气相的表征被简化，本发明所基于的任务在之前描述的方法中通过以下方式来解决，尤其与移相梯度相结合地，由线圈形地构造的天线发出破坏至少在磁场方向上的磁化的脉冲或者破坏在磁场方向上的磁化的脉冲序列，等待等待时间t_W，并且然后执行核磁测量，其方式是，介质通过线圈形地构造的天线利用激发脉冲被激发，以及在介质中通过激发产生的测量信号被探测。

Description

用于运行核磁流量测量设备的方法

技术领域

本发明涉及用于运行核磁流量测量设备的方法，所述核磁流量测量设备用于确定流过量管的多相介质的流量，具有用于预磁化介质的预磁化装置、具有用于产生渗透介质的磁场的磁场产生装置以及具有测量装置，其中所述测量装置包括至少一个用于产生激发介质的激发信号和/或用于探测由介质发出的测量信号而设计的、线圈形地构造的天线。

背景技术

核磁流量测量设备被构造用于确定流过量管的介质的流量。在此情况下，所述介质可以含有一个相或多个相。在单相介质情况下，通过确定介质的流速来实现流量的确定。多相介质的流量的确定除了流速的确定以外，还包括介质的各个相的相对份额（Anteile）的确定。

核磁测量方法的适用性的基本前提条件是，介质或者介质的每个相具有带有磁矩的原子核。如果由具有磁矩的原子核组成的系统处于外部的、具有确定方向的磁场中，则原子核的磁矩在外部磁场中对齐。磁矩在此采取与外部磁场平行或者反向平行的状态，其中与外部磁场平行的状态被分配给较高的概率，使得在系统中构造与外部场平行的“净磁化”。所述“净磁化”也被称作“平衡磁化”。通过外部干扰影响，所述磁化可以从其平衡位置偏转出。一旦干扰影响被取消，所述磁化致力于，重新采取其平衡位置，也即重新张弛到其平衡位置中。不仅磁矩而且外部磁场均能通过矢量描述。在张弛过程中，磁矩的矢量围绕宏观磁场的矢量进动（präzedieren...um den Vektor…）。进动的频率被称作拉莫尔频率ω_L，并且与磁场强度B的数值成比例。所述拉莫尔频率按照ω_L=γ·B计算。其中γ是旋磁比，氢原子的旋磁比是最大的。旋磁比说明粒子的自旋或者角动量（Drehimpuls）和与此有关的磁矩之间的比例系数。

用于确定流动的介质的流量、尤其用于确定多相介质的各个相的份额的其他前提条件是，介质的各个相可以被激发进行不同的核磁共振。

处于议论中的类型的核磁流量测量设备特别被用于分析从油源采掘的介质。所述介质于是基本上由相、即原油、天然气和盐水组成。所有的相均包含氢原子核，并且因此能够被激发进行核磁共振。

由原子核的进动的磁矩在激发之后在线圈形地构造的天线中感应的信号被用作用于表征介质的初始参量。如已经阐明的那样，用于测量多相介质的前提条件是，介质的各个相可以被激发进行可区别的核磁共振。由介质的相的进动原子核在线圈形地构造的天线中感应的电信号的大小与该相中每体积元的进动原子核的数量有关，因此也即与相的密度有关。在比较每立方米气体、油和水的信号振幅的平均值时能够确定，气体的信号明显地与油和水的信号不同。信号的强度可以通过所谓的氢指数HI表达。所述氢指数HI描述与水相比介质的氢原子的相对份额。因此水的氢指数HI­_Wasser=1。对于油和气体的指数适用的是HI_Öl=0.9-1.1以及HI_Gas=0-0.2。因此在液相情况下感应的电信号的大小明显地比在气相情况下大。

但是，由相的进动原子核感应的电信号的大小不仅与每体积元进动原子核的数量有关，而且附加地与原子核在外部磁场中的滞留时间有关。这可以十分简单地通过以下方式解释，即磁化在较长的滞留时间情况下有更多的时间来建立。

从油源中采掘的、流过流量测量设备的量管的介质可以具有不同的流动特性。这意味着，介质的各个相可以从量管横截面上看可以不同地分布。尤其可设想的是，介质具有所谓的层流。所述层流的特点在于，介质的各个相层状地流过量管。介质的气相在此情况下处于量管的上部部分中，介质的液相、也即油相和水相处于量管的下部部分中。并不少见的是：介质的各个相的流速是不相同的。流动分布图于是具有最大流速ν_max和最小流速ν_min。不同的流速可能导致所谓的“相滑移（phase slip）”、即较慢地流动的相被较快地流动的相“超过”。不利地，“相滑移”的效应对流量测量产生消极的影响，如在以下应当阐述的：

存在具有气相和液相的流过量管的多相介质。所述气相具有流速ν₁，液相具有流速ν₂，其中ν₁＞ν₂。此外，量管在长度L的恒定的线段上用磁场渗透。所述磁场具有至少一个与介质的流向垂直的分量。此外所述介质具有层流特性。如之前所阐明的，在介质的各自相中构造的磁化与介质或者相在磁场中的滞留时间有关。以流速ν₁流过用磁场渗透的线段L的气相在磁场中因此停留持续时间t₁，以流速ν₂流过用磁场渗透的线段L的液相在磁场中停留持续时间t₂。因为气相的流速大于液相的流速，所以在磁场中液相的滞留时间大于气相的滞留时间。这导致，在液相中可以构造比气相中更大的磁化。液相的测量信号因此已经由于在磁场中的滞留时间而比气相的测量信号大。

之前已经表明，测量信号的强度与各自的相的密度或者氢指数有关。因此已经阐明了，用于具有小的氢指数的气相的测量信号比具有较高的氢指数、尤其具有接近1的氢指数的液相的测量信号小。

两种之前阐述的影响总计导致，成批测量（Bulkmessung）的测量信号通过缓慢流动的相、也即液相主宰（dominiert）。信号强度能够通过下式表达：

其中HI是氢指数，L是用磁场渗透的线段的长度，ν是流速，以及T₁是自旋晶格张弛时间。

基于主宰测量信号的液相，气相的表征变得为复杂的和昂贵的，并且在由现有技术已知的方法中大多数导致相对不准确的结果。

发明内容

本发明的任务因此是说明用于运行核磁流量测量设备的方法，所述方法尤其适合于具有“相滑移”的介质的应用，利用所述方法，气相的表征被简化。

所述任务首先并且基本上通过以下方式来解决，即尤其结合移相梯度，由线圈形地构造的天线发出破坏至少在磁场方向上的磁化的脉冲或者破坏在磁场方向上的磁化的脉冲序列，等待等待时间t_W，并且然后执行核磁测量，其方式是：介质通过线圈形地构造的天线利用激发脉冲被激发，以及在介质中通过激发产生的测量信号被探测。

具体实施方式

通过破坏至少在磁场方向上的磁化的脉冲或者破坏磁场方向上的磁化的脉冲序列（以下概括地称作“破坏脉冲”）实现，在线圈形地构造的天线的长度的区域上方介质的磁化被破坏，因此也即介质的该部分对于随后的测量变为“不能用的”。在核磁测量之前等待的等待时间t_W中，介质在量管中继续流动。两个相、也即液相和气相中的每一个经过的线段由各自的流速ν和等待时间t_W的乘积确定。气相因此经过的线段比液相经过的线段更大。这导致，磁化之前已被破坏的介质部分按照相不同地快地从线圈形地构造的天线的延伸的区域向外流。随之直接出现，对于每个相，“新鲜”介质的不同的体积份额再流入到线圈形地构造的天线的区域中。具有“新鲜”介质的该区域再次具有在磁场方向上的确定的磁化，所述磁化是可测量的。因为新鲜气态介质的相对份额由于较高的流速而比新鲜液态介质的相对份额大，所以引起测量信号的由气态介质产生的份额增强或者测量信号的由液态介质产生的份额减弱。

按照本发明的方法的特别的实施方式的特征在于，破坏磁化的脉冲通过P90脉冲实现，尤其之后是移相梯度脉冲。但是每种其他脉冲或者每种其他脉冲序列也是可设想的，其中利用所述每种其他脉冲或者每种其他脉冲序列可以破坏在磁场方向上的磁化。因此按照本发明的方法不被限制于使用P90脉冲作为破坏脉冲。

按照本法的方法的另一优选的实施方式的特征在于，等待时间由下式给出：

其中L₁是线圈形构造的天线的长度，并且ν_Gas是气相的流速。

如已经阐明的，介质在通过破坏脉冲破坏磁场方向上的磁化之后在量管中继续流动。介质的气相需要用以经过包括线圈形地构造的天线的长度L₁的整个线段的时间由长度L₁除以气体流速ν_Gas得出。如果等待时间t_W因此为较大的值，则这意味着，整个“具有破坏的磁化的”气体份额从线圈形地构造的天线中流出来，并且因此也即线圈形地构造的天线的区域完全地用新鲜的气态介质填充，并且发出最大可能的核磁测量信号。等待时间越长，越多的液相介质离开线圈。因此随着等待时间的增加，新鲜的液态介质的份额也变得更大，因此还再次对测量信号提供更大的贡献。

要注意的是，利用较大的等待时间（其中这指的是大于t_W=L₁/ν_Gas的等待时间），通过按照本发明的方法产生的效应、也即“测量信号的由气态介质产生的份额的增强”被减小。如果更多新鲜的液态介质流到线圈的区域中，则液态介质对测量信号的贡献一直扩大直至最终最初的状态被重新建立、也即整个线圈重新用新鲜的气态介质和新鲜的液态介质填充，并且所述测量信号通过液相主宰。等待时间t_W的合适的选择因此是绝对必要的。

按照本发明的方法的特别优选的实施方式的特征在于，等待时间t_W迭代地根据信号振幅比S_Gas/S_flüssig和气相的信号振幅S_Gas确定，其中所述信号振幅比和气相的信号振幅对于t_W=L₁/ν_Gas是最大的。

如上已经所阐明的，绝对重要的是，遵守在破坏磁场方向上的磁化与开始核磁测量之间的等待时间t_W的合适的值。如果这里阐明，遵守合适的值，则这指的是，对于等待时间t_W使用以下值，按照所述值，尽可能地多的“新鲜的”气态介质以及尽可能少的“新鲜的”液态介质处于线圈形地构造的天线的区域中。针对所述状态的标志是与气相的信号振幅S_Gas的值相组合的信号振幅比S_Gas/S_flüssig的值。如果处于线圈状地构成的天线中的气态份额完全地由“新鲜的”介质组成，则气相的信号振幅具有最大值。这对于大于或等于L₁/ν_Gas的等待时间情况如此。对于较小的等待时间，气相的信号振幅具有随着时间升高的值。所述信号振幅比S_Gas/S_flüssig对于等待时间t_W=L₁/ν_Gas具有最大值，所述值随着等待时间增加而下降。也即不仅信号振幅比而且气相的信号振幅是最大的时间点对应于等待时间t_W的最优值，并且是t_W=L₁/ν_Gas。

在迭代方法中，例如可以首先假定，气相比液相快一倍地流动，也即ν_Gas=2ν_flüssig=2ν_bulk。因此首先得出等待时间为t_W=L₁/2ν_bulk。在该等待时间之后，可以执行核磁测量，并且根据测量数据为快速的气相和缓慢的液相确定信号振幅。由气相的这样确定的信号振幅能够求取气相的流速ν_Gas的更准确的值，所述流速于是可以被使用用于确定“新的”等待时间。在“新的”等待时间之后，可以执行下一个核磁测量，并且根据测量数据重新更准确地确定各自相的信号振幅以及气相的流速。所述迭代方法优选地一直被应用，直到对于t_W得出恒定值，所述恒定值由以下引起，即找到了最优的等待时间。

按照本发明的方法的再次优选的实施方式的特征在于，由在核磁测量时获得的测量值确定各个相的流速。

如果之前已经阐明，在迭代方法中，各个相的流速、尤其气相的流速已经被确定，以便可以确定等待时间t_W的合适的值，则现在要考虑的是，早先确定的流速不必然对应于“实际的”流速，更确切地说已经迭代地接近“实际的”流速。如果现在谈及，由测量值确定各个相的流速，这意味着，不仅气相的而且液相的“实际的”流速被确定，因为对于等待时间t_W使用最优值。尤其可以规定，各个相的流速通过对所记录的测量数据进行合适的拟合（Anfitten）被求取。

按照本发明的方法的特别优选的实施方式的特征在于，介质的各个相的份额由信号振幅比S_flüssig/S_Gas确定。

如果当前谈及，各个相的份额被确定，则这指的是介质的各个相的相对份额α。信号比通过下式给出

其中HI是各自相的氢指数，α是介质的各自相的相对份额，ν是流速，t_W是在破坏脉冲和开始测量之间等待的时间，以及L₁是线圈形的天线的长度。

表达式ν_xt_W/L₁在此说明在线圈形地构造的天线中新鲜介质的相对份额，其中x可以代表“flüssig（液态）”或者“Gas（气体）”，因此也即表示新鲜液态介质的相对份额或者新鲜气态介质的相对份额。表达式

意味着，对于等待时间t_W，相对份额通过ν_xt_W/L₁被确定，在所述等待时间t_w之后线圈形地构造的天线的整个区域尚未用新鲜的介质填充。对于较长的等待时间，线圈形地构造的天线的整个区域用新鲜的介质填充，相对份额因此为1。

按照本发明的方法的另一优选的实施方式的特征在于，核磁测量通过CPMG序列实现。但是，按照本发明的方法不应被限制于在测量装置中的确定的测量序列。这里每个在流量测量范围中能应用的测量序列均是可能的。

Claims (7)

1.用于运行核磁流量测量设备的方法，所述核磁流量测量设备用于确定流过量管的多相介质的流量，具有用于预磁化介质的预磁化装置、具有用于产生渗透介质的磁场的磁场产生装置和具有测量装置，其中所述测量装置包括至少一个用于产生激发介质的激发信号和/或用于探测由介质发出的测量信号所设计的线圈形地构造的天线，

其特征在于，

尤其与移相梯度相结合地，由线圈形地构造的天线发出破坏至少在磁场方向上的磁化的脉冲或者破坏磁场方向上的磁化的脉冲序列，

等待等待时间t_W，并且

然后执行核磁测量，其方式是，介质通过线圈形地构造的天线利用激发脉冲被激发，以及在介质中通过激发产生的测量信号被探测。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，破坏磁化的脉冲通过P90脉冲实现，尤其由移相梯度脉冲跟随。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，等待时间t_W由下式给出

其中L₁是线圈形地构造的天线的长度，以及ν_Gas是气相的流速。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述等待时间t_W迭代地根据信号振幅比S_Gas/S_flüssig和气相的信号振幅S_Gas确定，其中信号振幅比和气相的信号振幅对于

是最大的。

5.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，由在核磁测量时获得的测量值确定各个相的流速。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，由信号振幅比S_{flüssig/SGas}确定介质的各个相的份额。

7.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，核磁测量通过CPMG序列实现。