CN1252464C - 测量多相流量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种给出多相混合物的特征的方法，包括：应用X-射线辐射所说的混合物；采集响应所说的辐射从所说的混合物中发射的光子；产生与所采集的光子的总能量相对应的信号；以及(iv)分析该信号给出该混合物的特征。本发明进一步包括一种给出多相混合物的特征的装置，包括：辐射所说的混合物的X-射线源；采集响应所说的辐射从所说的混合物中发射的光子的检测器，所说的检测器产生对应于所采集的光子的总能量的信号；以及分析该信号给出该混合物的特征的装置。

Description

测量多相流量的方法和装置

本发明涉及一种多相流量计，比如应用在石油工业中估计流经管道的油、水和气(即气态的碳氢化合物，而不是“汽油”)的相分数和流率的多相流量计。虽然本发明参照其在油/气/水的测量中的优选的应用来描述，但这并不意味着将本发明限制在这些应用中；很明显本发明的许多方面可以广泛地应用在各种工业和化学处理中。

在化学和石油工业中人们一直需要测量在管道中的多相流体的流率——在测量的过程中不需要中断流体流动或进行分相。这种“多相流量计”广泛地使用，尤其是在石油领域中。因为几乎所有的油井生产的都是油、水和气的混合物，所以流体混合物的每种组分的流量测量基本是在油层的有效生产中进行。如今，这些测量都是在地面上通过分离器进行，这种分离器昂贵且庞大，特别是在近海岸的应用中。因此在油田的整体生产运转中一直存在一项重要的需求是需要一种可靠的、廉价的、紧凑且精确的多相流量计。

已经有许多人试图研制多相流量计。一般地这些已有的设备试图利用多相混合物中的油、水和气对X-射线或伽码射线的吸收系数的差异。在本领域的熟练人员很熟知这种已有技术的设备的精度有限，尤其是应用在气相分数高于90％的情况(即现实应用中的普通情况)下。

在美国专利US4,788,852和5,025,160以及PCT出版物WO93/24811和WO94/25859中都公开了应用伽玛射线源的已有技术的流量计的实例，在此将所有这些文献都以引用的方式结合在本申请中。类似地，基于X-射线的设备出现在美国专利US4,490,609和5,689,540中。这两篇专利文献也以引用的方式结合在本申请中。

在前面所述的已有技术中的设备中的一个公共的特征是对所检测的伽玛射线和X-射线进行光谱分析。具体地说，在这些系统的每一种系统中，都存在测量所接收的每个光子的能量由此产生一种说明所接收的所有的光子的能量分布的光谱图(或频谱曲线)的检测器。一般地，通过设定“高能”窗口(在其中主要为康普顿效应(ComptonEffect))和“低能”窗口(在其中主要为光电效应)实现独立的测量。参见’852专利的权利要求1(一种测量在流经管道的原油混合物中的各种组分的比例的方法，包括如下步骤：…检测穿过已知体积的混合物的至少三种不同的能量级的Gamma射线或X-射线以产生三种信号…)；’160专利的第2栏第58-65行(测量包含至少两种液相的多相流体的液体流速的方法…(ii)测量在第一位置上的两种不同的Gamma-射线能量的Gamma-射线的强度)；’24811 PCT第9页(响应所检测的gamma射线检测器14所产生的信号输送到处理计算机单元16，该处理计算机单元16测定两种能量的gamma射线的强度)；’25859PCT第4页第5-7行(然后，通过在两种gamma射线能量级上测量充有油、水和气的管道的辐射吸收量)；’609专利的第2栏第37-41行(通过对所得的通量进行光谱分析，得到分别与较低和较高能量范围相关的两测量值，从该测量值……)以及’540专利的第2栏第53-55行(检测器电子器件(未示)将所检测的能量作为能量函数汇集到频率分布器中)。为了从辐射检测器中产生能量谱，必需单独地分析所接收的每个X-射线或伽玛射线光子。

在此本发明人认识到需要处理在多相流量计的检测器中的单个光子的相互作用从根本上限制了流量计可用的性能。现实的应用中涉及10m/s或更高的多相流流速。此外，流动极不均匀，特别是在高气体浓度的情况下。因此，为了精确地提取这种快速且不均匀的流体的特征，理想的是“捕获”在较小时间间隔上的流体(即，在一个时间间隔上流体的运动可以忽略)。对于10m/s的流速，在10微秒内流体运动0.01厘米。因此对于0.01厘米的空间分辨率，流量计必需每间隔10微秒测量一次。

通常可用的最快的X-射线或伽玛-射线处理系统可以以高达10⁶光子/秒的吞吐量运行。因此，在10微秒内，快速运动的流体基本为恒定的，在检测器中仅处理10光子反应。然而，10个光子远不足以确保测量的精确。(正如在核领域中熟练人员所公知：实现10％的相对精度要求100个光子；而实现1％的相对精确要求10,000个光子)。因此，在此本发明人认为常规的方法根本不能在现实的测量中提供精确的结果—即使应用可用的最快的最昂贵的电子器件。

然而，如本发明人所实现的希望在管道中进行精确的多相流测量的装置是这样的一种装置，该装置在比流体流动波动相对更短的时间周期中提取在管道中的流体组分的“闪光图像”。在产油井中，一般流体流速达10m/sec。如果查询区沿流体流动方向长1厘米，则在10微秒内将有1％的流体流到查询区之外。因此，10微秒的闪光(包含足够数量的光子)将产生提供在X-射线/检测器系统所探测的区域内的达到1％的精度水平的油、水和气的瞬时浓度的足够信息。通常，对于三种组分的流体，在每次闪光中必需进行两次独立的测量以完整地取得该流体浓度的特征信息。然后应用文丘里管经过差压测量或对“闪光”X-射线测量进行相关确定流率。

本发明在任何时间周期中都不需要处理单个光子的相互作用。而是仅测量在查询间隔中由检测器采集(或存留在检测器中)的辐射量之和。因此，在所选择的时间间隔中可以处理任何X-射线通量，不论是否是较高的X-射线通量。

因此，一般性地而不是限制性地说，本发明的一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的方法，步骤如下：(i)应用X-射线辐射所说的混合物；(ii)采集响应所说的辐射从所说的混合物中发射的光子；(iii)产生与所采集的光子的总能量相对应的信号；以及(iv)分析该信号给出该混合物的特征。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的方法，步骤如下：(i)应用X-射线脉冲辐射所说的混合物；(ii)采集响应所说的X-射线脉冲从所说的混合物中发射的包括许多光子的能量；(iii)产生与所说的所采集的总能量相对应的第一和第二信号；以及(iv)分析所说的第一和第二信号给出该混合物的特征。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出沿着流体路径流动的多相混合物的特征的方法，步骤如下：(i)沿着所说的混合物的流体路径朝第一位置集中许多X-射线光子；(ii)采集穿过所说的第一位置的许多X-射线光子并产生响应所采集的总的能量的第一信号；(iii)沿着所说的混合物的流体路径朝第二位置集中许多X-射线光子；(iv)采集穿过所说的第二位置传输的许多X-射线光子并产生响应所采集的总的能量的第二信号；以及(v)分析所说的第一和第二信号。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的方法，步骤如下：(i)将具有第一能量谱的第一X-射线脉冲集中到所说的混合物中；(ii)采集响应所说的第一X-射线脉冲从所说的混合物中发射的光子并产生响应所采集的光子的总的能量的第一信号；(iii)将具有不同于所说的第一能量谱的第二能量谱的第二X-射线脉冲集中到所说的混合物中；(iv)采集响应所说的第二X-射线脉冲从所说的混合物中发射的光子并产生响应所采集的光子的总的能量的第二信号；以及(v)分析所说的第一和第二信号以给出该混合物的特征。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的其它方法，步骤如下：(i)将X-射线脉冲集中到所说的混合物中；(ii)应用具有第一响应特性的第一检测器采集响应所说的脉冲从所说的混合物中发射的光子以产生响应所采集的光子的总的能量的第一信号；(iii)应用具有不同于所说的第一响应特性的第二响应特性的第二检测器采集响应所说的脉冲从所说的混合物中发射的光子以产生响应所采集的光子的总的能量的第二信号；以及(iv)分析所说的第一和第二信号以给出该混合物的特征。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的其它装置，组合如下：(i)辐射所说的混合物的X-射线源；(ii)采集响应所说的辐射从所说的混合物中发射的光子的检测器，所说的检测器产生对应于所采集的光子的总能量的信号；以及(iii)分析该信号给出该混合物的特征的装置。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的其它装置，组合如下：(i)脉冲发射的X-射线源；(ii)检测器，采集包括响应所说的X-射线脉冲从所说的混合物中发射的许多光子的能量，并产生对应于所说的所采集的能量的第一和第二信号；以及(iv)分析所说的第一和第二信号给出该混合物的特征的装置。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的其它装置，组合如下：(i)X-射线源，将其设置成将许多X-射线光子朝所说的混合物集中；(ii)第一检测器，将其设置成采集沿着所说的混合物的流径穿过第一位置的许多X-射线光子并产生响应所采集的总的能量的第一信号；(iii)第二检测器，将其设置成采集沿着所说的混合物的流径穿过第二位置的许多X-射线光子并产生响应所采集的总的能量的第二信号；以及(iv)分析所说的第一和第二信号的装置。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的其它装置，组合如下：(i)第一X-射线源，产生具有第一能量谱的第一脉冲；(ii)第一检测器，采集响应所说的第一X-射线脉冲从所说的混合物发射的光子并产生对应于所采集的光子的总能量的第一信号；(iii)第二X-射线源，产生具有不同于第一能量谱的第二能量谱的第二脉冲，所说的检测器采集响应所说的第二X-射线脉冲从所说的混合物发射的光子并产生对应于所采集的光子的总能量的第二信号；以及(iv)分析该第一和第二信号以给出混合物的特征的装置。

此外，一般性地而不是限制性地说，本发明的另一个方面涉及一种给出多相混合物的特征的其它装置，组合如下：(i)发射脉冲的X-射线源；(ii)第一检测器，设置成采集响应所说的脉冲从所说的混合物发射的光子，并且该第一检测器具有第一响应特性，产生对应于所采集的光子的总能量的第一信号；(iii)第二检测器，设置成采集响应所说的脉冲从所说的混合物发射的光子，并且该第二检测器具有不同于所说的第一响应特性的第二响应特性，产生对应于所采集的光子的总能量的第二信号；以及(iv)分析该第一和第二信号以给出混合物的特征的装置。

根据下文的详细描述本发明的其它方面、目的和优点将会清楚。

在所附的一组附图中描述了本发明的所选择的方面和/或实施例，这些附图都是示例性的(并不是穷举或限制性的)其中：

附图1a描述了本发明的第一示例性的实施例；

附图1b描述了附图1a的实施例的顶视图；

附图2a描述了X-射线管发射的典型的韧致辐射频谱；

附图2b描述了连续地放在X-射线束的路径中的低能检测器、过滤器和高能黑色检测器的示例性的响应函数；

附图2c描述了通过在附图2b中所示的示例性类型的检测器所接收的示例性的能量谱；

附图3a描述了在本发明中应用的双头X-射线管的示例性的实施例；

附图3b描述了本发明的另一种示例性的实施例；

附图4描述了本发明的再一种示例性的实施例；

附图5描述了在本发明中应用的启动技术；

附图6描述了本发明的再一种示例性的实施例；

附图7-8描述了示例性的响应函数。

参考附图1，本发明的示例性的实施例包括一个或多个文丘里管限制管(或其它的管或容器)1、一个或多个发生器组件2以及一个或多个检测器组件3。(如这里所使用，文丘里管是指在其中部具有限制的一段管；这种限制可以为零，因此术语文丘里管包括一直段管)。发生器组件2示例性地包括一个或多个X-射线发生器管4，一个或多个¹³⁷Cs(或其它放射性的)源5和一个或多个监测检测器6。X-射线管4可以以连续或脉冲的方式运行。(当应用不止一个射线管时，可以应用附加的射线管来实现互相关信息—例如，为进行互相关将第二检测器组件安装在第二X-射线管的前面。作为一种变型，还可以以单个X-射线源和沿混合物流动的方向在空间上分开的多个检测器获得这种互相关的信息)X-射线管还可以是多头的并且以不同的能量连续地闪光地运行。

监测检测器6可取的是位于靠近X-射线原点的位置，它的功能是测量X-射线通量，以便对闪光之间的X-射线输出进行归一化(或检测并校正在连续模式操作过程中的可能漂移)。通过连续电源(可取的是，如下文所描述的60千伏的直流源)或脉冲电源给X-射线管本身输送能量。如下文所述，直流电源的优点在于它的非常稳定的特性(特别是在电压方面)和它能够连续地运行一段时间。然而，脉冲发送的电源可能更便宜并且要求更低的功率来运行。它还能够简化检测器组件。

文丘里管1优选包括准直系统和作为壁的一部分且对X-射线透明(尤其是大约20keV的低能X-射线)的窗口，多相混合物流经该窗口。

检测器组件3可以包括许多检测器7，为捕获X-射线与多相混合物相互作用产生的并经选择的频谱区每个检测器都具有不同的特性。使检测器特性最优化以使对不同的多相混合物的组分的差异最大。(在油田中，多相混合物是油、水和气)。可替换地是，可以以过滤器替代一些中间的检测器。

现在参考附图1b，在管道的周围可以安装许多检测器7a，并将其构造成以“层析成像的模式”运行—由此提供多相混合物的截面分布的空间信息。

本发明优选包含发射一种穿过多相混合物的强烈的且短的X-射线闪光(一般地10□s或更大)。这些射线具有韧致辐射频谱的特性。在穿过多相混合物的过程中，X-射线通过不同的过程与混合物相作用，在其中它们被吸收并散射。所输送的X-射线到达一系列的检测器中，一般地这些检测器安装在管道的另一侧面上并且彼此前后层叠。一般地检测器层叠包括一低能检测器，该低能检测器后跟一几乎阻止了所有的剩余辐射的检测器(“黑色检测器”)。可以使用任意数量的检测器，然而，对于三相混合物，由于三个相分数之和必为1，所以两个检测器就足够。(因此，可以应用两个独立的信息段来求解三个相分数，这两个独立的信息段由两个(或“双”)检测器提供)。

每个检测器所吸收的能量是该相分数的函数。应用反演算法从在检测器中所吸收的能量中抽取相分数。

在附图2a中，示例性地给出了初始韧致辐射频谱。(注意：在此这些附图以及其它附图中仅仅示出了涉及本发明的解释性概念，这些附图可能包含非精确的数值并且可能没有按比例绘制。)附图2b所示为应用连续的低能检测器、中间过滤器以及黑色高能检测器所获得的典型响应。通过低能和黑色高能检测器所测量的总能量在附图2c中分别以打有断面线的面积10和11表示。每个X-射线闪光测量产生低能值(对油和水之间的差最敏感)和高能值(对液体和气之间的差最敏感)。

这种检测器序列可以有利地以一组“夹层结构”的半导体材料实施，每层半导体材料都读取输出光谱的一部分。这种实施形式具有几个优点—例如，紧凑并更容易应用在使用两个以上的检测器的系统。

与已有技术中光谱法相比较，本发明的闪光X-射线查询法具有的非常好的优点在于它能够充分地利用X-射线管的潜在功率。(即，无论该射线管发射多少数量的光子，只测量淀积在每个检测器中的总的能量；因此，对于每次闪光仅要求该测量电子器件处理两种这样的测量值(对于两个检测器的系统)。)因此，闪光X-射线技术相对于已有技术具有至少两个优点。第一是每次“闪光”测量具有足够的光子数量以使核统计数最小：这非常有利，由于导出最终的相分数所需的方程组存在严重的非线性(在几种方法中)，正如本领域的熟练技术人员将会理解到，这种方程组以非直观的方式传播测量误差，并且最后的解受到显著的影响。第二个优点在于闪光测量极快，在较短的时间内发送大量的闪光(通常每秒100至1000)而不会造成相关的检测器或测量电子器件的速度紧张，但是能够给出特别详细的流动的“时间信号”，很好地应用该信号能够提高最终测量的精度。

本发明还可以用来获得对多相流体力学的有价值的理解。在所有的基于文丘里管原理(在它的入口和它的喉管之间进行Dp测量)的多相流量计中的敏感量是在气相和液相之间的“滑动(slip)”的关系。通常从在流动回路的测量中获得这种关系(“滑动规律”)并将其制成表格以便在野外应用。然而，如果在野外所遇到的条件变化极大，在本领域的熟练技术人员会很清楚这种基于实验室的滑动规律在野外通常被证明是不精确的。尤其是对于气体流量计(或GOR)的正确的预测量精确的滑动规律信息非常重要。

依据本发明，通过连续地放置X-射线管并尽可能快地采集一个检测器通道来获得滑动规律信息。(如果一个采样10□s，则每秒可测量100,000个采样)。然后对这种信号进行傅立叶变换(或提取它的功率谱)以获得流体的各种结构的“特征”—例如，可以分析在具有液体流速特性的大液体结构和由气体夹带并具有气体流速特性的小液体结构之差。获得滑动规律的定量估计的一种方法是在流入的液体或气体流团的前端通过的同时观测在一个检测器中的信号变化有多快。关于这种前端长度的信息(例如从已有的流团模型中导出)能够给出大致的流速。可替换的是，可以应用具有一定尺寸的X-射线束(在本优选实施例中，它为几毫米的数量级)。通过快速采样，对于给定的较大结构，通过信号上升时间划分的这种长度提供该结构的速度估计量。最后，获得速度信息的明确方法是应用第二X-射线管和位于下游的检测器组件(或者，可替换的是应用单个X-射线管同时应用在空间上分离的多个检测器)，并对两个检测器的信号进行互相关。

在本发明中(最大允许的，exempt)铯源(或其它的辐射源)还有几种应用。第一，可以应用它们来稳定在组件中的各种检测器。在662keV上铯源主要产生康普顿(Compton)作用。由于是最大允许的，它的计数率较低。如果每个X-射线闪光产生瞬时的水、油和气的相分数，当在获得对铯信号合理数量的计数(例如，对一般的参数5-10分钟)所花的时间上进行平均时，这些瞬时结果应该相同地检验铯的平均时间相分数方程。这提供了第一种对X-射线测量的有效性的内校验，但是它还可以用于导出该系统的一个结构参数：即，它表明时间平均相分数可以从该系统中消除以得到在水、油和气的衰减系数之间的关系。结果，这些参数中的一个可以作为其它的参数的函数(比如，水的盐度)。由于这三部分上信息(低能响应、高能响应和铯响应)是独立的，所以能够明确地导出水的盐度。

与本发明一同应用的X-射线管优选发送一致的韧致辐射频谱，特别是它具有稳定的端点电压。这种X-射线管还可取的是能够每秒发射100-1000脉冲。在本领域熟练技术人员将会理解到许多X-射线管都满足这些条件。参见Pietras和Stephenson的美国专利US5,680,431，X-RAY GENERATOR。该’431中所记载的设备尤其可取，因为它能够通过LED和它的接地的对阴极快速地切换。

射线管的对阴极的特性非常重要，因为它影响韧致辐射频谱的能量的组成。具有透射对阴极的X-射线管(比如’431中所记载的X-射线管)是一种常规的实施方式。重金属透射对阴极(比如金)可取的是具有最佳的厚度以便限制对阴极再吸收光子。一种优选的射线管是具有较低的Z对阴极(比如钼)，因为它产生在所研究的低能窗口内的荧光谱线。这就在低能窗口中装入了更多的低能光子。这种对阴极与低能检测器相匹配的特性设计极大地改进了油和水的总体分辨能力。

现在参考附图3a，附图3a描述了实例性的多头(所示为两个头)的X-射线管20。射线管20包括一个对阴极21，但具有两个电子源22-23。这种具有两个头的射线管能够在不同的端点能量下运行。因此能够在高能和低能之间交替地连续闪光。应用这种设计，由于连续的高能和低能闪光产生需要给出三相混合物的特征所需的信息，所以在检测器组件24中仅需要单个(可取的是黑色)检测器25(参见附图3b)。

在本发明中应用的铯源优选具有明确的能量谱，通过在该系统中的多道分析器采集这些能量谱。这仅是采集频谱的系统的一部分。响应X-射线闪光的检测器一般通过不同的电子板处理，这些电子板的作用是在该检测器中对来自闪光的光进行积分。

在本发明中应用的电源可以是交流电或直流电。在每一种情况下可取的是这些电源具有较好的稳定性的端点电压。

在本发明中应用低能检测器应该能够捕获所研究的低能量区域(例如10-30keV)，并且在高能量区尽可能地透明(例如45-60keV)。如果多相流量计在油田中典型地使用，这种检测器还应该具有稳定温度。这种检测器的合适的替代物包括塑料闪烁体或透射电离室比如氪电离室。

在双检测器结构中的过滤器的作用是降低低能光子对黑色检测器的作用。这就能够显著地增加该系统的动态范围，特别是涉及处理较高(95％以上)气化的情况的能力。在实施双检测器的过程中，可取的是选择使动态范围最大的过滤器。

在双检测器系统中，“高能”检测器是最后的一个，它必需捕获剩下的辐射。许多可替代的检测器可以应用，比如NaI、LSO或CsI，其中在本发明中GSO比较可取。

为进行校准应用样品支架26。可取的是将它放在在检测器组件侧且在检测器之前的X-射线束的路径中。当管道是空的时它没有包含任何东西，即水、油或已知的样品或混合物。然后记录每个检测器的响应，这就组成了气、水和油的校准系统。

现在参考附图4，本发明的示例性的实施例包括文丘里管40、发生器组件41和检测器组件42。

发生器组件41优选包括直流或交流电源43、X-射线管44、辐射源45和监测检测器46。X-射线管44优选由直流电源供电，并且可取的是由在发生器组件41中的一组(最大允许的)¹³⁷Cs(662keV)源45和LED控制和发射脉冲。

检测器组件42包括对着文丘里管40的喉部的X-射线/Gamma-射线检测器。可取的是X-射线管44闪光或脉冲地产生X-射线，这些闪光或脉冲可以短到10微秒或长至电源45所允许的长度。通过辐射源45可取的是¹³⁷Cs源发射Gamma-射线。

信号处理电子器件(未示)基于X-射线脉冲的时序将来自辐射(例如¹³⁷Cs)源的微弱(例如662keV)的Gamma-射线和由X-射线所感应的射线区分开来。可取的是通过多道分析器分析¹³⁷Cs光子。对于X-射线光子，分析在每个脉冲过程中淀积在检测器47中X-射线能量的总和，因此要求具有合适的速度要求的很简单且低成本的电子器件。监测检测器46可取的是用来对X-射线管输出的波动进行归一化。X-射线管44的能量要求可以很低(例如，30kV的电源)，这使得本实施例性能可靠且成本低。

仍然参考附图4，从该系统中所获得的测量值是一组X-射线闪光强度(例如，每秒100次闪光，即每次持续10毫秒)和来自辐射源的662keV衰减的读数。采集662keV数据的时间要求足够使核统计方差最小。

可以以几种不同的模式运行该系统(附图4)。例如，一种模式是应用脉冲发送的能量源来产生一系列单能量X-射线脉冲，由此获得与上述所描述的类似的测量值。应用脉冲发送的能量源允许在每次脉冲中以较低功率的系统输送较大的瞬时功率。

当以脉冲发送的电源给X-射线管输送能量时，通过向它施加不同电压的脉冲可以获得有关流量的附加信息。例如，通常首先以较低能量的电压脉冲(例如30kV)运行X-射线管，接着以较高能量的脉冲(例如60kV)，每次单个脉冲仅持续几微秒。每个脉冲将一定能量的脉冲输送到检测器47中，因此产生两种独立的信息(因为每个脉冲的衰减机理都不同)。

在这种设计方案下，X-射线管交替地发送低能量(例如，30keV)脉冲和高能量(例如50keV)脉冲，本发明人有如下的惊人的发现。对于固定的高能量端点脉冲，存在使反演问题(即，从检测器信号计算相分数的问题)的线性很好地近似(可以达到1％)的最佳低能量端点(“极好的能量”)。这种特别结果能够极大地简化该系统的校准：在极好的端点能量上仅要求校准纯水和纯油，而不必已知油或水的衰减细节。

可以将上述方案推广到n(大于2)个脉冲的脉冲组。例如，可以引入第三低能脉冲(例如15至20kV)以产生有关该系统的校准系数的附加信息。还可以应用这种信息来跟踪在该系统的一种组成中的可能变化—例如，水的盐度、油的硫含量等。

使用辐射源为了两个有用的目的。首先，它们可以在几分钟内对在相同的时间周期中所测量的X-射线闪光组的有效性进行综合质量校验。换句话说，将在给定的时间周期上从X-射线闪光中导出的相分数中计算的平均密度与应用该辐射源所测量的值进行比较。因此可以检测在X-射线闪光测量中的任何漂移。其次，可以导出用于时间平均(在得到一次铯测量所需的时间上)的相分数的三个方程(2个从X-射线闪光中得出，1个从铯源中得出)。经平均的相分数之和应该为1。在这四个方程之间消除相分数，剩下一个连接油、水和气的校准系数的表达式。可以应用该方程来计算一个校准参数：例如，水的盐度或油的硫含量。

此外，当应用如上文所描述的双能脉冲方案时，如在附图5所示可以依据脉冲电压启动采集电子器件。如附图5所示，第一触发器50开始对脉冲的低压部分进行积分。在读取该检测器之后，第二触发器51启动对脉冲的高压部分的积分(可以应用第二积分器)。(注意：这种技术可以应用在信号的上升或下降部分。)可替换的是，可以应用双头(或多头)射线管(例如附图3a)。这种多头射线管可以产生类似的闪光方案，如前文所述在两种或更多种能量之间交替地闪光。以直流电源对在多头组件中的每个射线管进行供电。这就使其具有很稳定的电压的优点(对于精确的测量)并且具有发送任意长度的脉冲的能力。

现在参考附图6，本发明的进一步示例性的实施例包括检测器组件60，该检测器组件60包含有高能检测器61、过滤器63和低能检测器62。将检测器61和62设计成对不同能量的X-射线敏感。例如，低能检测器62可以是一种基本能够阻止高达30keV的X-射线的“薄”检测器，而高能检测器61可以是一种能够阻止所有达到的X-射线的“厚”检测器。此外，在两检测器之间有过滤器63，将其设计成尽可能多地衰减在一定能量以下的X-射线而不过多地影响在高能窗口中要捕获的X-射线，该过滤器增加了在两个检测器的响应函数之差，由此提高了动态范围。应用本实施例，每次闪光获得两段信息。如前文的实施例所描述，进一步的信息从辐射源45中获得。

一般地，为了处理(校准)流量计，必需导出一些流速信息。这可以通过测量在文丘里管上的压力差来完成。这种Dp通常与液体流速紧密相关(与在前面所述，在油和水之间的滑动可以忽略，则可以认为它们具有相同的速度)。然后从“滑动规律”中导出气体速度，通常通过流动回路校准该“滑动规律”。对于在油田中的特定多相混合物和条件下所给定的“滑动规律”没有确定性。实际上，应用常规流量计在“滑动规律”中的不精确的问题是公知的。因为本发明能够如此快地采样多相流体因此本发明能够在现场校准滑动规律。与已有的方法相比这是十分有利的。

应用直流电源的X-射线管，使射线管工作着并尽可能快速地应用可用的电子器件采样一个检测器信号(标准的电子器件能够以100kHz采样较短的时间)。所得的信号包含有流体的时间波动，具体地说是对于气体和液体的不同的时间结构。当较大的气团通过该检测器时，它输送了较小的液体结构，该液体结构几乎以气体速度运动。这些结构都是气体速度的特征信号。相反，当产生较大的液体结构时，可以获得液体速度的特征信号。可以直接在时间域中或通过傅立叶变换或通过提取功率谱以不同的方式对这些时间特征信号进行分析。

在几种方法中引入长度标尺来将这些时间信号变换为速度：例如，管道直径、经准直的X-射线束的大小、通常团块前端的大小(基于模型)等。通过将这些长度估计量与时间特征信息相结合，可以得出在气相和液相之间的滑动。

可替换的是，为直接估计这些速度，可以对如附图1a所示的多个空间上间隔开的检测器的信号进行互相关。对这种时间信号的解释类似—即在较大的气体结构中较小的液滴代表气体速度，而同时较大的液体团给出液体速度。因此直接地测量气体/液体的滑动速度。

如在附图1b所示，应用在该管道周围的检测器阵列(“层析成像式检测器”)来估计沿着不是直径的弦的相浓度，以便校准浓度的“视线”估计量。这种“层析成像模式”设备可以应用在此所描述的任何实施例中。

我们在下文讨论并示出前面的系统的数据的反演，即如何从在检测器中所测量的较低和较高的强度X-射线信号中获得多相流体的混合物的相分数。

应用DC电源的情况：从给定的X-射线闪光中可以得出较低能量和较高能量的两段数据。我们称其为韧致辐射频谱f(E)。它的端点能量为E_end。低能检测器的响应表述为：

$S_L=\underset{0}{\overset{E_{\mathrm{end}}}{\∫}}f\left(E\right)e^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{window}}{d}_{\mathrm{window}}}{e}^{-({\mathrm{\α}}_o{\mathrm{\μ}}_o+{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\μ}}_w+{\mathrm{\α}}_g{\mathrm{\μ}}_g)d}(1-e^{-{\mathrm{\μ}}_L{d}_L})\mathrm{dE}$

这里：

S_L是储积在低能检测器中的能量，

μ_window是管道壁的窗口材料(对X-射线是透明的)的线性衰减系数，

d_window是壁材料的总的厚度(有两个壁)，

α_o，α_w，α_g分别是油、水和气的相分数，

μ_o，α_w，μ_g分别是油、水和气的线性衰减系数，

d是管道的内径(或文丘里管部分)，

μ_L是低能检测器的线性衰减系数，

d_L是低能检测器的厚度。

f(E)、μ_window(E)、d_window、μ_L(E)和d_L都是在实验室中所测量的系统参数。

μ_o(E)、μ_w(E)、μ_g(E)都是从每相的已知的组分中计算出或应用较高分辨率的检测器测量出。

3个相分数之和为1：

α_o+α_w+α_g＝1

将在低能检测器中的信号绘制成相分数的函数曲线或更实际地绘制成两个独立的参数WLR(水/液比率)和GLR(气液比率)的函数曲线。

$\mathrm{WLR}=\frac{{\mathrm{\α}}_w}{{\mathrm{\α}}_o{\mathrm{\α}}_w}$

$\mathrm{GLR}=\frac{{\mathrm{\α}}_g}{{\mathrm{\α}}_o{+\mathrm{\α}}_w}$

类似地，高能检测器的响应函数模拟为：

$S_H=\underset{0}{\overset{E_{\mathrm{end}}}{\∫}}f\left(E\right)e^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{window}}{d}_{\mathrm{window}}}{e}^{-({\mathrm{\α}}_o{\mathrm{\μ}}_o+{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\μ}}_w+{\mathrm{\α}}_g{\mathrm{\μ}}_g)d}{e}^{-{\mathrm{\μ}}_L{d}_L}{e}^{-{\mathrm{\μ}}_F{d}_F}\mathrm{dE}$

这里：

μ_F是过滤器的线性衰减系数，

d_F是过滤器的厚度。

μ_F(E)和d_F都是从实验室中已知的系统参数。

假设上述的高能检测器捕获了在该系统中的所有的剩余的辐射(即，该检测器为黑色检测器)，如果应用晶体的GSO则有较好的近似。本示例性的反演的结果总结在附图7中。这里绘制下述量的响应：

在X轴上为 $-\mathrm{In}\left(\frac{S_H}{S_g}\right)$

在Y轴上为 $-\mathrm{In}=\left(\frac{S_L}{S_g}\right)$

S_H和S_L都为该系统的气体响应(以使气体点在图的原点上)。

在附图7上所示出的是曲线三角形，其顶点是纯相(气、油和水)的响应。一旦将这种三角形制成表格，就可以从所测量参数(S_H，S_L)中得出每次X-射线闪光的流体相分数(GLR，WLR)。

应用交流电源的情况：现在在两个端点能量E_L和E_H上以X-射线闪光(或应用相同的闪光触发积分器)和单个检测器交替地运行。现在我们分析单个的闪光的情况(与触发积分器的情况很类似)。检测器的低能量响应表示如下：

$S_L=\underset{0}{\overset{E_L}{\∫}}{f}_L\left(E\right)e^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{window}}{d}_{\mathrm{window}}}{e}^{-({\mathrm{\α}}_o{\mathrm{\μ}}_o+{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\μ}}_w+{\mathrm{\α}}_g{\mathrm{\μ}}_g)d}{e}^{-{\mathrm{\μ}}_F{d}_F}\mathrm{dE}$

这里：

f_L(E)是在实验室中所测量的低能量的韧致辐射频谱。

类似地，高能量的响应表示为：

$S_H=\underset{0}{\overset{E_H}{\∫}}{f}_H\left(E\right)e^{-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{window}}{d}_{\mathrm{window}}}{e}^{-({\mathrm{\α}}_o{\mathrm{\μ}}_o+{\mathrm{\α}}_w{\mathrm{\μ}}_w+{\mathrm{\α}}_g{\mathrm{\μ}}_g)d}{e}^{-{\mathrm{\μ}}_F{d}_F}\mathrm{dE}$

这里：

f_H(E)是在实验室中所测量的高能量的韧致辐射频谱。

附图8所示为典型的 $-\mathrm{In}=\left(\frac{S_L}{S_{L_g}}\right)$ 对 $-\mathrm{In}=\left(\frac{S_H}{S_{H_g}}\right)$ 的曲线。应用与上文中相同的分析。然而，从该曲线中可以看出，该三角形很靠近以至成线性。这是因为我们在大约30keV的较低的能量下运行，即所谓的“极好的能量”。这对于校准程序具有显著的结果：由于反演是线性的，具体的吸收系数与能量不相关的，因此可以仅通过得知在该三角形的每个角上的总的响应(例如，对于纯相)和通过在角之间的进行线性插值来校准该系统。如果我们定义：

$L_w=-\ln \left(\frac{S_{L_w}}{S_{L_g}}\right)---H_w=-\ln \left(\frac{S_{H_w}}{S_{H_g}}\right)$ $L_o=-\ln \left(\frac{S_{L_o}}{S_{L_g}}\right)---H_o=-\ln \left(\frac{S_{H_0}}{S_{H_g}}\right)$

这里当为纯相时从该系统中获得这四个量，WLR和GLR可以表示为：

$\mathrm{GLR}=\frac{(L_w-L_o)(H_w-H)-(H_w-H_o)(L_w-L)}{H(L_w-L_o)-L(H_w-H_o)}$

$\mathrm{WLR}=\frac{H_{O}L-L_{O}H}{L(H_O-H_W)+H(L_W-L_O)}$

如果需要的话，可以通过前文中所描述的方法校正这种线性近似。通过在上文中的GLR和WLR的估计量的反演方程进行线性化来估计该校正量。

虽然上文已经描述并示例性地说明了本发明的各个方面的实施例，但是在本领域中熟练人员将会认识到变型的元件和技术和/或上述的元件和技术的组合和变更都可以替换在此所描述的实施例和方法或增加到在此所描述的实施例和方法中。因此，可取的是，本发明并不通过在此所描述的特定的装置和方法来确定，而是通过所附加的权利要求来确定。

Claims (31)

1.一种给出多相混合物的特征的方法，包括如下步骤：

(i)应用X-射线辐射所说的混合物；

(ii)采集响应所说的辐射从所说的混合物中发射的光子；

(iii)产生与所采集的光子的总能量相对应的信号；以及

(iv)分析该信号给出该混合物的特征；

所述的步骤(iv)包括计算混合物的一种或多种组分的流速。

2.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(i)包括给X-射线管输送脉冲。

3.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(i)包括给X-射线管重复输送脉冲。

4.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(i)包括给具有第一和第二电压的X-射线管交替地输送脉冲。

5.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(i)包括给多头X-射线管交替地输送脉冲。

6.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(i)包括应用直流电源的X-射线管连续地产生X-射线。

7.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(i)包括以来自混合物周围的许多X-射线源的X-射线辐射所说的混合物。

8.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(ii)包括采集在黑色检测器中的光子。

9.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(ii)包括将光子集中到过滤器中并采集穿过在黑色检测器中的过滤器中的这些光子。

10.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(ii)包括采集储积在多层检测器的某一级中的光子。

11.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(ii)包括采集在混合物周围的许多检测器中的许多光子。

12.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(iii)包括触发检测器以产生对该检测器所采集的光子的总能量的响应信号。

13.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(iii)包括周期性地触发检测器以产生对该检测器所采集的光子的总能量的响应信号。

14.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(iii)包括周期性地且与触发X-射线源协调一致地触发检测器以产生对该检测器所采集的光子的总能量的响应信号。

15.一种如权利要求14所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(iii)进一步包括在源和检测器之间设定相对的触发器延迟以有选择地采集在优选的能量谱中的光子。

16.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(iv)包括测定混合物的组分。

17.一种如权利要求1所述的给出多相混合物的特征的方法，其中步骤(iv)包括检测在混合物中流动的一段流团。

18.给出多相混合物特征的装置，包括：

(i)辐射所说的混合物的X-射线源；

(ii)采集响应所说的辐射从所说的混合物中发射的光子的检测器，所说的检测器产生对应于所采集的光子的总能量的信号；以及

(iii)分析该信号给出该混合物的特征的装置，

所说的分析装置用于计算该混合物的一种或多种组分的流速。

19.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中(i)包括脉冲的X-射线管。

20.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中(i)包括具有第一和第二电压的脉冲的X-射线管。

21.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中(i)包括多头X-射线管。

22.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中(i)包括连续的直流电源供电的X-射线管。

23.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中(i)包括在混合物周围的许多X-射线源。

24.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中所说的检测器是黑色检测器。

25.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中所说的检测器包括黑色检测器在其后的过滤器。

26.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中所说的检测器包括一级多层检测器。

27.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中所说的检测器包括在混合物周围的许多检测器。

28.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，进一步包括在所说的源和检测器之间提供相对触发延迟的装置。

29.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，进一步包括在所说的源和检测器之间设定相对的触发延迟以有选择地采集在优选的能量谱中的光子的装置。

30.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中所说的分析装置检测混合物的组分。

31.如在权利要求18中所述的给出多相混合物特征的装置，其中所说的分析装置检测在混合物中流动的一段流团。

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