CN105849509B - 解释nmr信号以给出气/液系统的多相流体流动测量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种估定流动的多相流体中气相的方法包括使流体通过磁共振和预极化模块流动以及向流体施加射频脉冲序列，存在磁场梯度时至少一次，没有磁场梯度时至少一次。本方法进一步包括测量NMR信号。本方法也包括使用NMR信号的斜率和截距的比值与施加梯度时至少一种非气相的流动速度之间的校准确定该相的速度。有和没有梯度时，使用随流动速度而变的液相的信号强度之间的校准，校正液体信号的梯度引起的吸收并计算梯度校正后的无磁场梯度时液相的信号强度。另外，本方法包括从NMR信号减去梯度校正后的信号强度以计算液相的体积比例。

Description

解释NMR信号以给出气/液系统的多相流体流动测量的方法
技术领域
一般来说，本发明涉及运输或生产管道中基于磁共振的测量以及多相流的分析规则的方法和设备。更确切地说，本发明涉及多相流中液气比例的确定。
背景技术
在文献中存在着许多技术，使用磁共振技术对通过管线运输的液体的多种性质进行直接的、往往实时的分析。例如，基于流体的横向(T2)和纵向(T1)弛豫时间及其自扩散系数(D)的测量结果，从地下油气藏提取的流体的某些性质能够实时地在现场油气藏温度和压力下确定。从这样的测量得到的参数包括如对测出的NMR信号有贡献的烃和水的相对比例、烃流体相被水或钻井泥浆渗入所污染的水平以及烃粘度的估计结果。
作为地面和地下化验都能够实现这些测量，并且它们往往能够降低与样本提取和样本运输相关联的不确定性。在以下文献中介绍了基于磁共振的某些分析方法及其相关联的设备，例如在No.6,111,408号美国专利“Nuclear Magnetic Resonance SensingApparatus and for Techniques down hole Measurements”；U.S.6,737,864B2,“Magnetic Resonance Fluid Analysis and Method”；U.S.6,825,657B2,“MagneticResonance for Method Characterizing Fluid Samples Withdrawn from SubsurfaceEarth Formations”；U.S.6,891,369B2,“Magnetic Resonance Method and Logging forApparatus Fluid Analysis”；U.S.2005/0040822A1,“Multi-measurements NMR Analysisbased on Maximum Entropy”；U.S.2006/0122779A1,“Interpretation for Methods NMRDiffussion-T2Maps”；U.S.7,872,474,“Magnetic Resonance Based Apparatus andMethod to Analyze and to Measure the Bi-Directional Flow Regime in aTransport or a Production Conduit of Complex Fluids,in Real Time and RealFlow-Rate”；U.S.7,719,267,“Apparatus and Method for Real Time and Real Flow-Rates Measurements of Oil and Water Cuts from Oil Production”；以及其中包含的参考文献。
在美国专利4,785,245中，磁共振用于确定石油和水的相对比例以及流体导管中的流动速度。确定石油和水的比例一般利用被每种流体成分的特有自旋晶格弛豫时间(T1)加权的磁共振信号进行。这种技术要求烃/水混合物中水相的特有横向弛豫时间与油相的特有横向弛豫时间不同。对于大多数应用，这种要求被充分满足。此外，对于由低粘度和高粘度成分组成的烃混合物，往往也可能测量轻和重成分的比值，只要其相应的纵向弛豫时间值有充分差异以分离对应的磁共振信号。
对于流速的测量，能够验明两个基本原理。
通过测量两台磁共振光谱仪之间(或者单一光谱仪的两个传感器之间)流体的“飞越时间”确定流体流速。参见例如美国专利6,046,587“Measurements of Flow Fractions,Flow Velocities and Flow Rates of a Multiphase Fluid using NMR Sensing”或者美国专利6,268,727“Measurements of Flow Fractions,Flow Velocities and Flow Ratesof a Multiphase Fluid using ESR Sensing”。两个专利都公开了使用至少两台磁共振光谱仪或者一台磁共振光谱仪和另一种电子顺磁性共振光谱仪的传感器。这种方式的基本原理是根据被称为磁共振激发的流体原子核在两台光谱仪之间的“飞越或通行时间”的概念。这种方法的另一种变型是美国专利申请2004/001532,“Method and procedure tomeasure fluid flow and fluid fraction,and equipment used to that end”。在这种情况下仅有一个电子部件，由两个传感器线圈共享。在'532参考文献中介绍的此方式的操作原理与'727参考文献中概述的相同，即水分子和烃分子的流动速度经由每种成分跨越两个传感器线圈之间的空间所要求的相应时间分开测量。虽然在理论上正确，这种“飞越时间”方式对于油田应用的实用可行性不大，因为它受限于相对慢的流动速度并且实施成本高昂。
利用磁共振测量流体流动的另一种方法是基于利用朝向流动方向的磁场梯度对流动速度进行空间编码。这种方式采用(静态的和/或电子脉冲的)磁场梯度调制质子自旋的进动相位。例如，在美国专利6,452,390,“Magnetic Resonance Analyzing Flow Meterand Flow Measuring Method”中公开了使用脉冲电磁场梯度进行流体相分离的流量计。这种方法具有的缺点在于，可检测的最高流动速度与施加的场梯度脉冲的强度成比例。所以，在烃生产和运输期间遇到的真实流动速度的测量要求高强度的磁场梯度，它也需要在极短的时段期间通断切换。这样的梯度脉冲难以实现，尤其是横跨受感测的体积，它们与油田应用中使用的典型管道的横截面相当。因此，这种方法通常受限于相对低流速的测量。
在美国专利申请US 2006/0020403,“Device and Method for real time directmeasurement of the Flow-Rate of a Multi-Component Complex Fluid”中介绍了这种方法的包括施加永久纵向梯度场的形式。'403参考文献公开了一种流量计以及由与磁体的略微倾斜的平极面相关联的一个线圈测量多相流中流体比例。此设备除了产生检测磁共振信号所要求的恒定磁场，还在流体流动方向上产生磁场梯度。利用由激发和检测磁共振线圈探查的体积中的线性磁场梯度实现了共振原子核时间位置的空间编码。对于高流速，这种梯度必须增大以实现质子(它们组成了在流通的复杂流体)的对应编码。虽然更大的永久磁场梯度在原理上能够使用不同磁体形状实现，但是这种测量方式达到了其极限，因为磁场梯度强度增大伴随着检测出的磁共振信号的频率含量的对应增大。对于(发射和接收射频信号所用的电子设备的)给定的带宽，磁共振线宽的这种展宽──如时间域信号已经被傅里叶变换后在频率域中表示──造成检测出的信号的信噪比恶化。这又造成测量精度降低并增加各测量所需的时间。不仅如此，还有可能检测出的NMR信号仅仅源自位于与磁场梯度方向正交朝向的薄片内的流体而不是源自管道中的全部流体。
在美国专利8,143,887和8,212,557中进一步推进了上述原理，它们的公开也包括示范系统和若干方法用于进行多相流的NMR测量。
本文提及的全部参考文献都在此全文引用作为参考，除非它们包含的陈述达到与本申请中做出的陈述抵触的程度。
以上概述的方式受限于流体成分平均流速的测量。不过已经发现，因为这些方法依赖于液相与气相之间的可计量的扩散反差，所以在低气压或低气体速度下它们不会总是给出准确结果。因此依然需要提供能够更精确地估定多相流每种单独成分的速度分布而无需使用飞越时间测量的方法和装置。
发明内容
根据若干优选实施例，本发明包括能够更精确地估定多相流的每种单独成分的速度分布而无需使用飞越时间测量的方法和装置。确切地说，本方法的一个实施例包括提供所述多相流体通过其流动的测量和分析磁共振模块以及所述多相流体在进入所述磁共振模块之前通过其流动的预极化模块；使所述多相流体流动通过所述预极化模块和所述磁共振模块；随着所述流体通过所述磁共振模块流动，向所述流体施加射频脉冲序列，其中存在磁场梯度时施加射频脉冲序列至少一次，没有磁场梯度时射频脉冲序列至少一次，并测量由所述射频脉冲序列产生的预定数量的自旋回波的强度；在施加所述磁场梯度时，使用所测出的自旋回波的斜率和截距的比值与至少一种非气相的流动速度之间的第一校准确定该非气相的流动速度；在施加和不施加磁场梯度时，使用随流动速度而变的所述非气相的信号强度的第二校准校正所述梯度引起的所述非气相信号的衰减并计算梯度校正的所述非气相的信号强度；从在所述液体流动速度测出的所述多相流体的NMR信号减去所述梯度校正的非气相的信号强度以确定对应于所述气相的信号；以及使用所述气信号确定所述气相的体积比例和流动速度。
所述射频脉冲序列可以是CPMG脉冲序列并且在所述RF序列期间所述磁场梯度可以是脉冲的或恒定的。气体流动速度的确定可以包括连同算出的气体信号的斜率和截距对纯气体使用流动速度校准。气体体积和气体速度的计算可以对所述流的横截面区域的多个水平或非水平区段进行。所述气相的体积流动速度的计算可以包括所述气体的体积比例乘以所述气体流动速度。优选情况下，本方法可以用于估定包括在低于15MPa压力流动的气体的多相流体。
应当理解，虽然以下描述可以包括对单一方向上流体流动的引用，但是本发明对双向流动具有同等适用性。
同样，在本发明的装置中存在某成分的宣告中或描述中使用“一”时，必须理解，除非这种宣告或描述显式地表示相反情况，否则这种使用不把所述装置中所述成分的存在限制为数字上的一个。
附图说明
为了易于理解以下描述，对附图进行了参考，其中：
图1是能够根据本发明运行的系统的示意展示；
图2是根据本发明产生和使用的图的示意展示；
图3是对于水/甲烷流(其中水以3.97m3/hr流动，气体以1m3/hr流动)，应用于液-气测量的本方法的展示；
图4和图5显示了在三个不同的气体体积比例下，分别对于水流速和气体流速，算出的和已知的数值之间的相关性。
具体实施方式
首先参考图1，能够根据本发明运行的系统优选情况下包括流体流动管路10、预极化模块12、磁共振模块14和控制器16。管路10可以是能够运送流体而优选情况下能够运送多相流体的任何流动管线。优选情况下流动管路10是水平的，并且在某些实例中可以是管道，比如运输原油或其他烃产品(它又可以包括气态和/或液态烃以及液态水或其他含氢污染物，比如H2S)所用的管道。流动管路10(优选情况下同心地)穿过预极化模块12和磁共振模块14，所以流经管路10的流体暴露于由预极化模块12和磁共振模块14施加的磁场。
预极化模块12包括提供磁场的装置，并且优选情况下但是并非必需地包括提供可变有效长度的磁场的装置。在某些实施例中，预极化模块12可以包括一个或多个海尔贝克(Halbach)磁体阵列。
磁共振模块14优选情况下包括至少一个线圈，能够施加射频(RF)脉冲序列。此线圈可以绕制为螺线管结构、鞍形结构或任何其他适宜结构，引起施加与背景磁场正交地定向的可预测磁场，并且覆盖模块14内部流体的整个体积。
对于流动管路10位于预极化模块内部的部分，优选情况下由非磁性材料构成，而对于位于磁共振模块内部的部分，由非导电材料构成。但是，如果RF和梯度线圈安装在管道内部，则流动管路10能够由非磁性但是导电管道材料构成，比如不锈钢。
仍然参考图1，预极化模块12和磁共振模块14优选情况下由控制器16控制，优选情况下它是微处理器/计算机，比如本领域公知的产品。如果需要，控制器16能够远离模块12和14，从而简化与油田规章合规。
在若干优选实施例中，为了确保在流体进入模块之前建立层流，本系统也包括在预极化模块12上游足够长度的直管道。为了确保层流所需的直管道长度取决于管道中预期流体速度的范围并且可以是几米。
优选但是并非必需的是计量仪器的内径与计量仪器上游管道的内径尽可能匹配和对齐，从而使进入计量仪器的湍流最小。
优选情况下也提供了磁场“捕集器”，用于在流体进入计量仪器前去除任何金属碎片。在烃生产中所产出的流体包含来自多种来源的金属碎片很常见，包括从钻头和其他井下工具刮掉或切下的金属颗粒，以及井眼中可能存在的其他偶然金属碎块。优选情况下磁场捕集器位于流动管路中靠近计量仪器并在其上游，但是足够远离以确保其磁场不干扰计量仪器的运行以及由捕集器引起的流体磁性极化消失后流体才进入预极化模块12。
最后，优选情况下使计量仪器的位置和安装与振动源(比如泵和其他装备)机械地隔离。
仍然参考图1，应当理解，预极化模块12用于在某些原子核穿过它时使它们朝向一致的方向。能够定向的原子核类型中是具有奇数质子(1H)或中子(13C)或兼而有之(2H)的原子核。因为氢在气态和液态烃中和在水中都很丰富，能够估定典型油田流体中氢的存在很有用。磁共振模块14既用作发射器又用作传感器，尽管不是在同时。定向的原子核引起的磁场可由磁共振模块14检测到。
对于流经系统的流体，磁共振模块14将感测到逐渐减小的场，其中定向原子核流出磁共振模块14以及定向状态的自然衰减和进动的自旋的相位相干损失都引起信号振幅随时间的减小。
根据本发明的若干优选实施例，预极化模块12运行期望的区间然后改变有效长度，同时磁共振模块14对流体施加脉冲磁场。在其“关闭”周期期间，磁共振模块14用作传感器。
图2展示了典型的脉冲序列期间磁共振模块14的输出和由它感测到的信号。所感测的场的振幅随时间逐渐减小。再次，定向原子核流出磁共振模块14和定向状态的自然衰减都引起振幅随时间的减小。在每个脉冲序列期间收集的这些测量结果表明了多相流体中至少两相的体积比例。正如在美国专利7,719,267和7,872,474中阐述，对于短时间近似和合理的流速，测出的衰减往往由定向原子核的流动为主要因素并且能够用作流动测量结果。
例如，使用适于测量横向NMR弛豫时间T2的脉冲序列进行第一次测量。适宜序列的实例是Carr Purcell Meiboom Gill(CPMG)序列。正如本领域公知，CPMG序列是90°射频脉冲后随着一串相继的180°脉冲组成的自旋回波脉冲序列，正如参考图2中发射器所展示。典型情况下，在单一序列中施加数百至几千个这些RF脉冲。引起的自由感应衰减(FID)和自旋回波由流量计的接收器在初始90°射频脉冲之后和180°射频脉冲之间检测，正如参考图2中接收器所展示。正如图中可见，自旋回波最大值的包络以时间常数T2指数型衰减。自旋回波包络的外推到时间零，或者说FID信号的初始振幅，得出净磁化。在校准后，净磁化是共振中原子核数量从而流体体积的直接度量。因此，在若干优选实施例中，斜率/截距确定连同先前建立的校准用于确定流动速度。在2011年3月6-9日在巴林麦纳麦举办的SPE中东油气展览和会议上宣读的论文SPE 141465，M.Appel and J.J.Freeman,and D.Pusiol,2011.Robust Multi-Phase Flow Measurement Using Magnetic Resonance Technology中详细地介绍了这些概念。
已经确定，以上技术不足以测量气-液流动。为了应对这种缺点，已经发现了一种新方法，它不依赖于液相与气相之间的可计量扩散反差。新技术依赖于气相(典型情况下甲烷)与液相之间氢指数的反差。
获取油气藏流体的氢指数在本领域内已经广泛地讨论。对于质子(1H)NMR目的，氢指数(HI)被定义为标准条件(STP)下样本中氢的量与纯水中氢的量的比值：
其中ρm为以g/cm3为单位的流体的质量密度，NH为分子中的氢原子数量，而M为流体的分子量。最后表达式的分母0.111表示标准条件下一立方厘米中的氢摩尔数。从而，分子是测量条件下相同体积的大块样本中的氢摩尔数。
以上讨论的没有任何场梯度的CPMG测量的初始振幅表示管道的受测部分中流体的比例，由流出效应和氢指数加权。在高达1000至2000psi的自喷井井口压力下，甲烷的信号贡献仅仅10％-15％的测出NMR信号，因为气体氢指数低。
如果在整个CPMG脉冲序列期间施加恒定磁场梯度，整个NMR信号将进一步衰减，与后续180°脉冲之间的持续期间、磁场梯度的强度以及流体的扩散率成比例。应当理解，这种恒定磁场梯度减小了被测薄片的厚度；不过，由于RF接收器的宽带宽和低的梯度强度，被测薄片典型情况下仍然宽于管道横截面。
由于气体的扩散系数高，对给定数量的采集重复，整个测出信号的梯度引起的衰减使气体信号压制到检测水平以下。同时，低扩散的液体信号将仍然可测，因为其初始(非梯度)信号和强度更高。因此，在施加恒定磁场梯度时检测出的NMR信号将由水和的油响应占主导。
以在CPMG RF脉冲序列期间接通的磁场梯度对各液相使用斜率和截距的比值与流动速度之间的校准，能够确定液相的流动速度。在CPMG RF脉冲序列期间，磁场梯度可以是恒定的，也可以是脉冲的。
施加和不施加磁场梯度脉冲时，随流动速度而变的纯液相的信号强度之间的第二校准能够用于校正梯度引起的液体信号衰减并计算梯度校正后的无恒定梯度时的液相信号强度。
梯度校正后的液相强度对先前确定的液体流动速度时测出的纯液体的NMR信号的强度的比值能够用于计算液相的体积比例。
另外，从不施加恒定梯度时获得的信号减去梯度校正的液体信号产生气体信号。使用纯气体的流速校准，这种微分气体信号的斜率和截距能够被校准到气体流动速度。液相的体积比例能够用于确定气体的体积比例。把这个气体体积比例乘以先前确定的气体流动速度和管道的横截面积给出气相的体积流速。
以上解释方法已经成功地应用于几种水/气测量。例如，图3展示了这个过程用于以近似4m3/hr流动的水和以1m3/hr流动的气体。在图3中，线条32表示以上讨论的CPMG测量结果，不施加任何磁场梯度，线条34表示存在梯度时收到的信号，线条36表示在无恒定梯度时的液相的校正的信号强度，而线条38表示从原始无梯度信号32减去梯度校正后的液体信号36获得的气体信号。
图4和图5显示了分别对于若干水气比例，已知的流速与使用上述方法获得的结果之间的相关性。测量结果覆盖三个不同的气体积比例和多种流速。正如图中可见，已知的和算出的数值之间的相关性很高，尤其是对于液相。使用水平观察窗，应当注意到，在恒定气体积比例，由气体占据的横截面积随着流速升高而减小。这展示了气相的滑流速度升高，也暗示水流动速度的升高小于与流速升高成比例，因为更大的横截面积可用于流动。此外，横截面积改变表明，混合的流体密度的测量不对体积流比例提供信息。
在若干优选实施例中，本系统被配置为感测从流体积的一系列水平区段的每一个收到的信号。因为不太致密的流体，比如气体，将迁移到多相系统的顶部，把流体水平地“切片”使以上陈述的方法应用于成层流体的各个部分。所以能够对每个“薄片”确定流体成分和速度，并且获得整个流体的更准确特征变为可能。
已经发现，本发明提供了以小于0.3m/s，甚至小于0.2m/s穿过磁共振模块流动的流体的有意义特征。同样已经发现，本发明提供了包括某气体的多相流体的有意义特征，而此气体以小于15MPa，甚至小于8MPa的压力穿过磁共振模块。
虽然已经关于烃/水混合物的特征确定介绍了本公开的若干优选实施例，但是本发明不限于油田应用。本发明优选情况下但是不一定应用于石油生产管线或运输多相流体的其他导管，用于地表、地下、在岸和离岸应用。例如，本文概述的测量方式也能够应用于需要确定多相流体的组分的任何其他技术领域。

Claims (8)

1.一种用于确定在管道中流动的多相流体中的气体流动速度而无需使用飞越时间测量的方法，包括：
a)提供测量和分析磁共振模块，所述多相流体流动通过所述测量和分析磁共振模块；
b)提供预极化模块，所述多相流体在进入所述磁共振模块之前流动通过所述预极化模块；
c)使所述多相流体流动通过所述预极化模块和所述磁共振模块；
d)当所述多相流体流动通过所述磁共振模块时，在存在磁场梯度的情况下向所述多相流体施加至少一次射频脉冲序列，在没有磁场梯度的情况下向所述多相流体施加至少一次射频脉冲序列，并测量由所述射频脉冲序列产生的预定数量的自旋回波的强度；
e)在施加所述磁场梯度的情况下，使用所测出的自旋回波的斜率和截距的比值与至少一种非气相的流动速度之间的第一校准确定该非气相的流动速度；
f)在施加和不施加磁场梯度的情况下，使用随流动速度而变的所述非气相的信号强度的第二校准校正所述梯度引起的非气相信号的衰减并计算梯度校正的所述非气相的信号强度；
g)从在步骤e)确定的液体流动速度下测出的所述多相流体的NMR信号中减去梯度校正的所述非气相的信号强度，以确定对应于气相的信号；以及
h)确定所述气相的体积比例和流动速度，其中，使用对纯气体的流速校准以及在步骤g)确定的气体信号的斜率和截距来确定气体流动速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述射频脉冲序列是CPMG脉冲序列。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述射频脉冲序列期间所述磁场梯度是恒定的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述射频脉冲序列期间所述磁场梯度是脉冲的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对流体的横截面区域的多个区段执行至少步骤e)到h)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述流体的横截面区域的区段是水平区段。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤h)还包括所述气体的体积比例乘以所述气体流动速度以产生所述气相的体积流速。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多相流体包括气体，并且所述气体以小于15MPa的压力流动通过所述磁共振模块。
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