CN1268218A - 利用esr传感器测量多相流体的流动分数、流动速度和流动速率 - Google Patents

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李清文
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Abstract

各种不同的流量计(10、70、110、120),各具有测量含有原油的流体的原油分数和/或速度的ESR传感器(13、73、113、121)。与NMR传感器或其它传感器相结合,能够获得含有气体、油、水或其任何组合的多相流体的一组完整的流动分数、流动速度和流动速率。

Description

利用ESR传感器测量多相流体的流动分数、流动速度和流动速率
                        发明的技术领域
本发明一般涉及测定多相流体的仪器，即测量在这种流体中气体和液体(或诸如油和水的单独液体)各自百分比以及测量混合流体的速度和速率或分别的液体速度和速率和气体速度和速率的仪器。
                         发明背景
“流量计”是一种用于测量流体材料流过规定的面积，如管道截面面积的装置。“流动”是指流体的运动，流体可以是液体或气体或是二者的组合。流量计以流动速率、在给定周期内流过的流体量来测量流动。
有多种不同的表示流动速率的方法，如质量流动速率、体积流动速率或流动速度。质量流动速率是指以每单位时间的质量，即每秒千克为单位表示的流动速率。体积流动速率是指以每单位时间的体积，即每秒立方米为单位表示的流动速率。流动速度是指以每单位时间的长度，即每秒米为单位表示的流动速率。
绝大多数的流动测量是用体积流动速率。从这一测量结果可以计算质量流动速率，当然必须考虑到压力、密度、温度上的偏差，尤其是对于气体而言。同样，可以采用流动速度的测量结果来计算质量或体积流动速率。
传统的流量计是为单相流体，即或是气体或是液体的流体而设计的。现行的一些流量计为机械式的，这里流动流体使固体位移或旋转。位移或旋转与流动速率成正比。另一种类型的流量计是差压流量计，其中迫使流体流过特定类型的限制区。这引起其速度变化，从而引起压差与流动成正比。通过测量压差，例如采用差压传感器，能够确定流动速率。其它的流量计类型有热、电磁、涡旋发生和超声等。criolis力流量计广泛用于测量质量流动。
当要测量其流动速率的流体是多相流体时，出现了一些特别的问题。这种流体的一个例子便是碳氢化合物流体，他通常是油和气体以及水的混合物。对于多相流体，常常需要知道液体和气体“断面(cut)”，即在流线中给定点处每种组分的分数量以及它们的速率。在石油流体的情况中，需要知道与水断面和气体断面不同的油断面。
测量多相液体的流动速率时要考虑的一点是气体组分会比液体组分以更高的速度流动。因此需要分别测量气体和液体流动速度或者在使流体混合后测量总流动速度。
在测量多相流体时要考虑的另一点是，除非压力非常高，气体的密度要比液体的密度低。这使得直接测量气体分数变得困难。通常，测量液体分数，其余的便假设是气体的。换句话说，如果管道截面一半被液体充满，那么，另一半假设是气体。
测量多相流动速率的常规方法是将流体按照其成分进行分离。这允许采用传统的单相测量技术。然而，尤其是在石油工业中，由于可回收石油的水和气体含量已经增加，油田已经变得越来越不可接近，因此需要更复杂的多相流量计设备。
已经公布的几项专利描述了采用核磁共振(NMR)分析方法来分析流体流动，流体不一定是多相的。这些专利包括授予Rollwitz等人的第4,53l,093号美国专利，题目为“煤分析和流动测量的方法和装置”、授予King等人的第4,536,711号美国专利，题目为“测量管线或管道中流动的方法和装置”、以及授予Reichwein的第4,866,385号美国专利，题目为“一致性测量装置”。
NMR技术对分析多相流体特别有用。第4,785,245号美国专利，题目为“快速脉冲NMR切削速度计”描述一种流量计，它采用NMR分析来确定在管线中流动的多相流体中一种组分的分数。来自所需组分的NMR信号的幅度与代表该组分100％取样的参考信号相当。
                        发明概要
本发明的一个方面是一种流量计，具有核磁共振(NMR)传感器和电子自旋共振(ESR)传感器二者。可以采用这一流量计来确定各种各样的流体流动参数。ESR输出数据用于确定展现良好ESR特征的液体石油，如原油的分数。NMR输出数据可以用于确定展现良好NMR特征的所有分数的总密度。与温度和压力数据相结合，它能够用于确定气体和液体分数。如果流量计具有混合器，可以用汾丘里管测量总流动速度。不用汾丘里管，可利用“可变延迟”脉冲序列，从NMR数据确定速度。另一方面，在梯度磁场中可以由NMR对流体进行测量，采用频谱分析来确定分别的液体和气体速度。NMR输出数据还可以用于直接确定流动速率。梯度磁场方法也可以与ESR数据一起用于确定展现良好ESR特征的液体的速度。
本发明的优点在于能够确定多相流体的每一个分数。根据采用是多种技术中的哪一种技术，能够测量总的或者分别的流动速度，以及流动密度和总体流动速率。本发明尤其适用于含有气体、油和水的流体，因为能够确定这些成分中任何两种或者所有三种的流动速率。
传感器设备可以与检测电子电路和处理设备分开设置。结果可以在流体流动的现场实时提供。
                        附图简述
图1示出一种流量计，它具有测量流动分数的NMR传感器和ESR传感器和测量流速的汾丘里管。
图1A和1B分别示出图1中的NMR传感器和ESR传感器。
图2-5示出图1中的预极化器的两个实施例。
图6示出由图1的预极化器和NMR传感器和ESR传感器提供的磁场结构。
图7示出一种流量计，它具有测量流动分数和流速的NMR传感器和ESR传感器。
图8A和8B示出如何利用图7的NMR传感器测量速度。
图9示出一种流量计，它采用两个测量流动分数的NMR传感器。
图10示出如何采用梯度极化场和NMR传感器来确定单独的液体流速和气体流速。
图11示出一种流量计，它仅有一个测量油分数和油速度的ESR传感器。
图12示出一种流量计，它具有测量流动分数和流速的ESR传感器和咖马射线传感器。
                   较佳实施例的详细描述
以下的说明书将描述几种不同的流量计，每一种流量计提供NMR(核磁共振)或ESR(电子自旋共振)信号。在有些情况下，流量计提供两种类型信号。ESR有时被称为EPR(电子顺磁共振)。ESR在工作原理上与NMR相似，但是，对材料中非成对电子(由于自由基、断裂键和顺磁元素)进行检测，而不是氢原子的核。
流量计对这些信号进行分析，推导出多相流体中液体和气体的分数量(或油、水和气体的分数量)。还描述利用这些流量计推导出流速的各种方法。流速可以是混合流体的测量结果，这里，气体和液体以相同速度流动或者气体和液体以分别速度流动。还描述推导总流动速率和分数流动速率的方法。
在本说明书的例子中，当多相流体在管道输送时对它进行测量。然而，这里所描述的流量计能够与其它的流体输送手段，如输送带、油槽、在重力下垂直流动，或者其它任何随时间变化使流体在空间上移动的输送手段结合在一起使用。
对于这个例子，假设多相流体是碳氢化合物气体和油以及水的组合。因此，流体具有两种液体组分(油和水)和一种气体组分。这里所描述的各种流量计能够测量每种组分的分数。然而，流量计对于其它多相流体是有用的，另一个例子是部分液化的气体。本发明还能够与单相液体或气体一起使用。
对于NMR传感，待检测的核是氢核。这些核存在于水、油和碳氢化合物气体中，比其他类型的原子核提供更好的NMR测量灵敏度。
具有NMR传感器、ESR传感器、分数分析和汾丘里管速度测量的流量计
图1示出本发明的第一实施例，测量多相流体中液体和气体的分数量的NMR/ESR流量计10。在本说明书的例子中，流体包含水、油和气体。正如下文中所描述的，流量计10采用NMR(核磁共振)和ESR(电子自旋共振)两种分析。
流体材料通过预极化器11，它实质上是一块磁铁，使存在于流体中的核和自由或非成对电子二者的磁矩都极化。这种预极化提供来自流动材料，尤其是具有长极化时间材料(即长T1的材料)的NMR信号的快速和灵敏检测。对于ESR，不需要延长的预极化。
由预极化器11提供的极化量取决于是否根据流体特性和流速正在进行NMR或ESR检测。对于一种给定流体，极化时间是特定时间常数。对于ESR信号，极化时间可以小于微秒。对于NMR信号，极化时间可以为几秒甚至更长。
对于NMR检测，极化时间常数T1是自旋晶格弛豫时间。对于水中的氢原子核(质子)，T1在2.0至2.5秒范围内。如果水受到顺磁铁离子污染，则情况例外。对于原油，T1随温度而变化，但是通常具有两个值，一个值在0.05至0.15秒的范围内，另一个值在0.4至0.9秒的范围内。这是由于不同的分子组成，油可以具有两种以上的T1值。对于碳氢气体，T1随温度、压力和气体类型而变化。对于氢气体，T1可以相当短，在数十至数百微秒。对于甲烷，在典型陆上管道温度和压力下，T1在数十至数百毫秒，在海底温度和压力下，升高到几秒。对于更重的碳氢气体，T1通常在几百毫秒至几秒的范围。
在测量NMR和ESR前，磁极化的程度MP决定这些信号的幅度。对于简单材料，磁极化可以表示为： M p = M 0 ( 1 - e t T 1 ) - - - - ( 1 ) 式中M0是磁场强度H0的最大极化，t是材料暴露于H0的时间，T1是自旋晶格弛豫时间常数。极化时间t等于预极化磁铁的长度除以流动速度。
作为磁极化的以上计算的例子，对于t＝T1，则MP＝0.632M0，检测到的NMR信号幅度比若t＞＞T1所获得的最大值低36.78％。对于MP＝0.9M0，则t＝2.3T1，对于0.95，则t＝T1，对于0.99，则t＝4.6T1。对于NMR测量结果，来自给定类型和浓度的材料的NMR信号幅度最好基本上为常数，尽管流动速度有变化。为此，极化磁铁的长度应当这样，即在最高速度和最低速度下的极化时间符合MP/M0允许变化，正如由方程式(1)所确定的。本发明采用紧凑且经济有效的设计实现这一目的。另外，如果速度是已知的，流量计10可提供不完全极化，对NMR信号幅度上的速度变化的影响作出补偿。
图1A和1B分别示出NMR传感器12和ESR传感器13。NMR传感器12和ESR传感器13各包含磁铁12a和13a(它们通过传感器12和13中的流动管道提供磁场H0)以及传感器线圈12c和13c。每个传感器还包括对NMR或ESR频率进行调谐的调谐元件(它可以是谐振腔)，如图中适当表示为NMR传感器12的调谐电容器12b和ESR传感器13的谐振器或调谐线圈13b。通过传感器12和13的流动导管为非导电材料，以允许射频场从传感器线圈12c和13c(或腔体或其它谐振器)到达流动流体。
图2-5示出采用预极化永磁铁11b的预极化器11的两个不同实施例。图2和3是具有圆形流动通道11a的预极化器11的平面图和截面图。图4和5是具有矩形流动通道11a的预极化器11的平面图和截面图。在这两种实施例中，流动通道11a在两个钢板或铁板之间的单个平面中折转，钢板或铁板是磁铁的极靴。永磁铁11b位于平面的两侧，给极靴提供磁场。导管也可以处于这些极靴之间的平行平面上。预极化器11的这些实施例是为以给定量的磁能提供最佳极化以及使预极化器11的尺寸减至最小而设计的。也可以采用在极化磁铁两极之间的传统的笔直流动管道或者在极化磁铁两极之间的螺旋流动管道。预极化器中的流动导管11a为非铁磁性材料，允许外部磁场穿透流动管道。
图6示出由预极化器11以及NMR传感器12和ESR传感器13中传感器磁铁提供的磁场。在NMR和ESR传感器中可以使用具有不同H0值的各个传感器磁铁。流动通道在磁铁N极与S极之间横穿。正如图2-5所示，基于Watson结构的磁铁是尤其适合的，当然也可以采用其它磁铁。
再参考图1，预极化器11加入了给流体中气体和液体提供均匀混合的特征。这导致用分丘里14测量的混合流体具有单一流动速度。
极化之后，采用NMR传感器12检测NMR信号。NMR传感器12由磁铁(它提供静磁场强度H0)和射频(RF)线圈L(它通过电容调谐到NMR(拉莫尔)频率f0)组成。这个线圈环绕(或者靠近)流动流体并产生射频磁场，在取向上与静磁场H0正交。NMR频率由下式给出
f0＝γH0  MHz                (2)式中：H0以特斯拉为单位表示，γ是观察之下的核的回转磁矩。对于氢，这一频率约为42.6H0 MHz。采用ESR传感器13来检测来自原油的ESR信号，其它的ESR材料由提供静磁场强度H0的磁铁和调谐到ESR频率的线圈或腔体谐振器组成。
NMR传感器12和ESR传感器13分别与相关的检测器12a和13a通信。检测器12a或13a各由一个在NMR或ESR频率下激励传感器线圈或谐振器的信号发生器以及对来自传感器的输出信号进行接收、放大和检测并将输出信号传送到处理器19的电子电路组成。为了描述简单起见，有时把NMR或ESR的传感器和检测器的组合简单地称为“传感器”。然而，本发明的优点在于，传感器(由调谐线圈和传感器磁铁组成)和检测器可以彼此之间分开和相距较远。
根据NMR理论，极化的流体当受到NMR(拉莫尔)频率的射频电磁场的脉冲(如90度脉冲)激励时将发射在NMR(拉莫尔)频率上振荡的射频电磁场。当NMR传感器线圈被多个这种脉冲激励时，要测量的流体中的核象一个或多个射频脉冲一样在传感器线圈中在NMR频率下产生正弦电信号。脉冲的占空周期和脉冲之间的延迟可以由传感器的电子电路来控制，使得所需NMR响应增至最大。
利用图1所示的实施例，可以采用单个脉冲来激励传感器线圈。NMR输出信号是来自氢核的瞬态自由电感衰减(FID)信号。对于FID信号的最大幅度，在脉冲和脉冲能量应当使核从与静磁场H0对准偏转90°角度前，应当使核完全预极化。以这种方式使核偏转的脉冲称为“90°脉冲”。然而，有用的NMR FID信号可以采用不足完全预极化以及采用短于90°的脉冲获得。
FID信号的峰值幅度与NMR传感器12的线圈中的氢核总数、极化量MP、以及射频脉冲的能量成正比。利用NMR分析技术，可以计算流体的总的氢密度。对于含有油、水和气体的流体，这个总量代表每种组成的贡献。
对处理器19进行编程以从FID信号数据计算流体总的氢密度。它有相关的存储器，存储程序、标定因数、以及这种计算所使用的数据。它还可以进行编程，执行以下所述的其它各种计算，如气体、水和油的各自分数以及流体的总速度和流体速率。
可以采用总的氢密度的NMR测量以及来自传感器15和17的压力和温度测量一起来确定流体中气体分数。具体地说，如果传感器线圈仅包含液体，则FID信号具有已知的最大幅度值。这个值随气体的存在而降低。因此，气体分数可以作为FID信号幅度和流体压力和温度的函数来计算。
ESR传感器13测量流体中原油(油断面)的分数。由于ESR信号的极化时间短，ESR传感器13只需几厘米长。对于ESR信号，频率f0约为28H0 GHz。因此，对于给定的磁场，ESR谐振在频率上要比NMR谐振高得多，ESR灵敏度更大。
ESR传感器13检测非成对的电子，它们存在于绝大多数原油中，即提炼前的石油液体中。水或气体不产生ESR信号。ESR信号幅度与非成对的电子成正比，因此与管道截面中的油量成正比。利用ESR检测多相流动中的油，能够获得原油分数的分别或直接测量结果。尽管不是所有的原油对于给定浓度具有相同信号幅度，但是能够方便地导出并应用油的类型的标定因数。此外，原油中特定的ESR信号特征能够提供识别特定原油或检测特定组成的基础。
一旦油分数和气体分数已知，利用上述的方法，可以假设流体中其余的是水。另外，正如下文所述，利用NMR传感器能够确定水分数。
总之，在流量计10的情况中，采用NMR传感器12来确定总流体密度。采用ESR传感器13来确定油分数。将混合器装入预极化器11中，以保证在单一速度下流动的气体和液体均匀混合。利用差分压力、总压力和温度在汾丘里管14中测量总流动速度。图1示出温度传感器15、压力传感器16和差分压力传感器17的合适位置。
具有NMR传感器、ESR传感器、分数分析和NMR速度分析的流量计
图7示出本发明的流量计70的另一个实施例，这里流体不是混合体，以及未采用汾丘里管。流量计70包括预极化器71、NMR传感器72、ESR传感器73、温度传感器75和压力传感器77。这些部件中的每一个以类似于流量计10中相应部件的方式进行工作。
为了确定液体和气体分数，可以对流量计70进行编程并以以上针对流量计10所描述的方式使用。具体地说，可以采用NMR传感器72和ESR传感器73来提供信号，处理器74分析这些信号，以确定分别的油、水和气体分数。
利用NMR传感器72，通过以下“可变延迟”脉冲序列的激励而获得流动速度：
p1-τ-p2-获取-d这里：τ是脉冲之间的可变延迟。假设在进入NMR传感器72前，载有流体的管线长度X1被浸没在静磁场中，使得核预极化，例如由预极化器71实现。在NMR传感器线圈内管线的长度为X0，这里X1＞＞X0。如果流体是在速度v下流动的液体(也许是油水混合物)，那么延迟时间τ在1毫秒时开始并增大到比X0/v更长的值。还假设，静磁场在z方向，以致于所有的质子核磁化，在进入NMR传感器72的线圈前沿z方向对准或部分对准。
对于速度测量，在第一个90度射频脉冲p1后立即观察到FID信号。在这些条件下，可以按照如下建模FID信号幅度： F = M 0 dS X 0 ( 1 - e ( - X 1 / vT 1 ) ) f - - - - ( 3 ) 式中S是管道的截面面积，d是质子(水和油中氢原子的核)的密度，T1是是自旋晶格弛豫时间，M0是最大核极化，f是标定因数。
在延迟时间τ之后，以及在第二个90度脉冲p2之后，FID信号为： F ( τ ) = M 0 dS ( X 0 - vτ ) ( 1 - e - X 1 / vT 1 ) ( 1 - e - τ / vT 1 ) + M 0 dSvτ ( 1 - e - X 1 / vT 1 ) - - - - ( 4 ) 式中dSvτ代表在时间τ期间进入线圈入口和从线圈出口流出的流体部分。
如果延迟时间τ等于或超过X0/v，那么线圈中所有材料将含有“新鲜质子”，FID信号处于最大。“新鲜质子”是被极化的和以前未暴露于NMR频率的射频脉冲的这些质子。这种暴露降低有效极化，这导致随后的相同材料的第二脉冲更小的FID信号。
图8A和8B各代表一系列测量结果，这里τ(第一脉冲与第二脉冲之间的时间延迟)被改变，以增大2毫秒的增量。在图8A中，FID信号幅度在τ＝26毫秒达到最大值。这表明对于3.81cm(1.5英寸)长样品线圈每秒1.46米的流动速度。在图8B中，FID信号幅度在τ＝15毫秒达到最大值。这表明对于3.81cm(1.5英寸)长样品线圈每秒2.54米的流动速度。
对于给定的流体，通过在两个τ值下的FID幅度可以确定速度v。利用方程式(5)，获得F(τ)的两个值。τ的一个值是代表最大信号的值，这里τ≥X0/v，这里v是最大预计速度，因此可以假设NMR传感器72的线圈充满新鲜的完全极化的质子。τ的另一个值在线圈不完全充满新鲜质子的点上。速度越快，第二FID幅度相对于第一幅度将越大。可以用两个方程式求解v，这两个方程式各代表F(τ)的一个不同值。这一确定速度方法的特点在于只需在管线的单个位置上进行测量。
对于速度分析，流体混合是任选的。通常，来自液体分数的NMR信号比来自气体分数的NMR信号强得多。因此，对于未混合的流体，NMR分析将基本上反映液体速度。不混合，对于速度测量可能更需要使气体和液体的分层流动或是环形流动达到最大。因此，预极化器11可以装入装置，或是增强混合(对于总流动速度)或是增强层次(对于液体流动速度)。如果流体仅仅是气体，那么气体信号将是可检测的，可以采用上述方法来确定气体速度。
流动速率的直接测量
采用NMR信号测量结果可以直接确定液体流动速率。这种方法采用以下脉冲序列：
p1-获取-τ-p1-获取-τ-
获取-τ-p1-获取，…这里：p1是90°脉冲，τ是脉冲之间的延迟时间，“获取”是从流动流体获取FIDNMR数据期间的时间间隔。实际上，这种方法测量在脉冲之间进入NMR传感器线圈的新的极化材料。将延迟时间τ选择为不大于在最高预计速度下通过NMR传感器线圈的流体移动时间，对信号获取时间的补偿。在这些条件下，NMR FID信号的幅度F可以表示为：
F＝ρvf-g这里：ρ是密度(由流体中氢浓度测量)，v是流动速度，f是标定因数，g是跟随补偿脉冲p1的流动材料中任何残留极化的因数，因此，FID信号幅度代表流动速率的直接函数。
对于给定密度，当传感器线圈完全充满最大速度下的新鲜流体时，输出信号幅度具有最大值。对于较低的流动速度，传感器线圈含有老的(以前测量的)材料以及一些新的极化材料，信号幅度较低。
因此，对于流动速率的直接测量，当已知传感器线圈充满新鲜流体时获得第一输出信号。对这种流体这一信号代表最大值。在时间延迟τ之后，获得第二输出信号。它相对于第一信号的幅度表示流动速率。例如，如果在最高预计速度下流动的流体在参考延迟时间τ期间再装满线圈，在具有这一延迟时间(对信号获取时间的补偿)的脉冲之后获得的一系列信号在幅度A上将基本上为常量。如果未知速度的相同流体在相同参考延迟时间后具有仅A/2输出信号，那么已知其速度，因此其流动速率仅为第一信号的一半。流动速率也可以通过取在不同τ值下的测量结果来确定，确定哪个τ值产生基本恒定的输出信号，将这一τ值与参考值进行比较。
直接测量流动速率的这一方法，与混合流体，如流量计10的混合流体一起使用提供总流体速率。如果流体不是混合的，那么可以将这一方法与流量计70或90一起使用，提供液体组成的各自流动速率。
具有两个NMR传感器的流量计
图9示出采用两个预极化器以及因此两个预极化间隔的流量计90。第一预极化器91使流体预极化，第一NMR传感器92测量在这第一预极化之后的FID幅度。第二预极化器93比第一预极化器91短，使流体部分预极化。第二NMR传感器94再次测量FID幅度。在一个实施例中，第一和第二NMR传感器和第二预极化器采用一个单个共用磁铁，延伸到两个传感器线圈以及这些线圈之间的分开距离上。
从FID幅度测量结果，能够确定两种液体组成(油和水)的各自分数量。具体地说，如果第一和第二预极化流动通道的长度分别是X1和X2，FID信号F1和F2可以表示为：
F1＝M0fd水X0(1-exp(-X1/vT1水)+M0fd油X0(1-exp(-X1/vT1油)  (5)
F2＝M0fd水X0(1-exp(-X2/vT1水)+M0fd油X0(1-exp(-X2/vT1油)  (6)式中，d水和d油分别是水和油的密度，T1水和T1油分别是水和油的自旋晶格弛豫时间，M0是最大极化，f是标定因数。
通过油和水的混合物的测量结果可获得T1水和T1油的值并用作标定因数。下表列出了几种原油的T1油值。存在两个T1值，这些值的范围对较长的组成在约0.464至0.862秒之间，对较短的组成在约0.077至0.114秒之间。
   T1(ms)                              原油样品
    A     B     C     Da    Ta    Lan    Do
*T11(ms)   489    795    558    477    862   479    464
*T12(ms)    77    101    114    101    124    93    92
*T11和T12分别是T的较长和较短组成。
水的T1水值通常约为2.2秒，当然如果水含有顺磁离子它可以低得多。方程式(5)和(6)可以求解d水和d油，因此可以用于导出水和油的分数量。
采用类似于以上针对流量计10所描述的方式可以确定气体分数。对于流量计90，这种方法采用来自第一NMR传感器92的总FID幅度以及来自传感器97和98的压力和温度测量结果。
利用NMR传感器92和脉冲序列以及以上针对流量计70所述的方法可以确定流体速度。如上所述，流体速度测量结果接近液体速度。如果液体分数和液体速度是已知的，那么可以计算水和油的各自流动速率。流动速率r是密度和速度的乘积。
传感器92或93的磁铁之一可以提供确定各自流动速度的梯度场，正如以下结合图10所描述。
来自梯度场的分别流动速度
图10示出一种测量气体和液体的各自流动速度的方法。这种方法涉及利用一预极化器，随后是传感器磁铁，它在传感器中提供梯度磁场。例如，对于图1所示的流量计10，以这种方式可以采用传感器12中的磁铁。尽管以下的描述采用NMR检测，但是对于ESR检测，可以采用同样的概念。
授予King和Riewarts的题目为“测量管线或管道中流动的方法和装置”的第4,536,711号美国专利(这里引作参考)描述了一种利用NMR或ESR检测和梯度磁场测量流动速度的方法。当一部分流动流体通过梯度磁场移动时，来自流体的NMR信号的频率改变。如果磁场梯度是线性的，那么频率变化也是线性的。频率在时间τ变化，它跟随在NMR激励脉冲p之后，与流体的速度成正比。例如，具有速度v的流体在时间τ通过梯度磁场，将具有频率漂移，它是具有速度2v的流体的漂移的一半。
对于梯度磁场速度测量，可以采用适合于获取Hahn回声NMR信号的脉冲序列。也可以采用FID信号来获取速度数据。
正如图10所示，通过利用快速傅里叶变换，NMR信号数据可以表示为频率的函数。如果NMR信号来自在梯度磁场中流动的流体，频谱反映流动速度。例如，如果磁场梯度引起以每秒5米移动的液体的NMR信号频率产生1.0kHz漂移，那么，以每秒25移动的气体的NMR信号则频率漂移5kHz。尽管气体信号的幅度通常比液体信号幅度低，具有足够分辨率便能够分别检测和测量这些信号中每一个。频率漂移提供流动速度，而频谱峰下方的面积通过氢核提供流动密度。
对于梯度磁场测量，分层或环形流动是较佳的，流量计可以包括增强这两种类型流动的装置。每个频谱分量的幅度与以相同速度流动的相关液体或气体构成中的核浓度成正比。频率位置表示流动速度。频谱分量之间的间隔允许对较高流动速度气体信号的检测与较慢液体的检测相分开。
梯度磁场方法可应用于ESR输出信号，不同之处在于幅度代表非成对电子的密度，而不是核的密度。此外，ESR信号仅由具有较好ESR特性的原油组分或其它组分产生，如果流体是混合体，速度则反映总速度，如果流体不是混合体，速度则反映液体速度。
具有ESR传感器的流量计
图11示出ESR流量计110，这里采用ESR信号测量流动流体中油断面。检测的ESR信号幅度乘以装置和油类型的标定因数，提供油分数的测量结果。
ESR传感器111(由磁铁111a和谐振器111c组成，前者在传感器中流动线路截面上提供磁场H0，后者调谐到ESR频率)和检测器112被用于获得ESR信号，其幅度与油断面成正比。谐振器111c可以是线圈和调谐电容或是一个合适腔体，如TE102模，被调谐到ESR频率。传感器111中的流动管线为非导电材料。
正如以上结合图1所说明的，不同的原油具有不同的标定因数，将它们提供给处理器113。对处理器113进行适当编程，以根据ESR信号幅度、管线的尺寸以及标定因数计算原油分数。
通过给ESR传感器提供梯度磁场，以模拟以上所描述的NMR方法的方式可以确定油流动速度。利用汾丘里管，如图1的汾丘里管也可以确定总流体流动速度。
具有ESR传感器和咖马射线传感器的流量计
图12示出具有ESR传感器121和伽马射线传感器122的流量计120。每个传感器分别具有相关检测器电路121a和122a。ESR传感器121提供ESR信号，由此能够计算油分数，正如以上结合图11所述。伽马射线传感器122测量总流体密度，由此利用来自传感器123和124的温度和压力测量结果计算水分数和气体分数。液体分数是总密度与气体分数之间的差，水分数是液体分数与油分数之间的差。计算机125根据ESR和伽马射线传感器数据确定气体、油和水分数。伽马射线处理器126选择并处理来自检测器122a的数据，以供计算机126使用。
ESR传感器121还能够被用于以类似于以上结合图10所述NMR方法的方式确定液体速度。在这种情况下，来自流体的ESR信号则是在梯度磁场中获得的。如果采用混合物，在ESR传感器前存在液体和气体的均匀混合，ESR传感器121提供混合物的总速度。另外，可以采用汾丘里管测量混合流体的总速度，正如以上结合图1所描述的。
流量计120的优点在于它不需要长的预极化磁铁，ESR传感器磁铁便足够了。它提供气体、油和水分数，无需多能量伽马射线，不需要分别的流动速度传感器。
其它实施例
虽然已经参考特定的实施例描述了本发明，但是这一描述并不意味着诠释为一种限制情况。对于本领域专业人员而言，对所揭示实施例的各种改进以及另外的实施例是显然的。因此，希望所附的权利要求书覆盖落在本发明范围内的所有改进。

Claims (34)

1.一种具有至少一种石油液体成分的流体流动的流量计，其特征在于所述流量计包括：
使所述流体磁极化由此提供极化流体流动的预极化器；
NMR传感器，用于提供来自所述极化流体流动的NMR输出数据；
NMR检测器，用于以NMR频率激励所述NMR传感器以及从所述被极化流体流动对所述传感器中感应的NMR信号进行放大和检测；
ESR传感器，用于提供来自所述极化流体流动的ESR输出数据；
ESR检测器，用于以ESR频率激励所述ESR传感器以及从所述被极化液体流动对所述传感器中感应的ESR信号进行放大和检测；以及
处理器，对其进行编程，从所述NMR输出数据计算总的流体密度以及从所述ESR输出计算石油液体分数。
2.如权利要求1所述的流量计，其特征在于：进一步对所述处理器进行编程，从所述总的流体密度和从温度和压力测量结果计算所述流体的气体分数。
3.如权利要求2所述的流量计，其特征在于：进一步对所述处理器进行编程，从所述总的流体密度计算水分数以及从所述ESR输出计算油分数。
4.如权利要求1所述的流量计，其特征在于：所述预极化器由在平面内折转的流动通道组成，在所述平面的相对两侧有磁铁。
5.如权利要求1所述的流量计，其特征在于进一步包括使所述流体混合的混合器和测量混合物的总速度的汾丘里管。
6.如权利要求1所述的流量计，其特征在于：所述处理器存储了不同类型石油液体的标定数据，进一步对所述处理器编程，对所述ESR输出数据进行标定以确定所述油分数。
7.如权利要求1所述的流量计，其特征在于：所述处理器存储了油识别数据，进一步对所述处理器编程，以识别所述原油的特定类型。
8.一种具有至少一种石油液体成分的流体流动的流量计，其特征在于所述流量计包括：
使所述流体磁极化由此提供极化流体流动的预极化器；
NMR传感器，用于提供来自所述极化流体流动的NMR输出数据；
NMR检测器，用于以NMR频率激励所述NMR传感器以及从所述被极化流体流动对所述传感器中感应的NMR信号进行放大和检测；
ESR传感器，用于提供来自所述极化流体流动的ESR输出数据；
ESR检测器，用于以ESR频率激励所述ESR传感器以及从所述被极化液体流动对所述传感器中感应的ESR信号进行放大和检测；以及
处理器，对其进行编程，从所述ESR输出计算石油液体分数，以及通过获得由填充所述NMR传感器的所述极化流体所发射的第一NMR信号，在小于新极化流体流入并填充所述NMR传感器所需时间的延迟时间后获得由所述传感器中流体所发射的第二信号，以及将所述第二NMR信号与所述第一NMR信号的幅度进行比较，计算流动速度。
9.如权利要求8所述的流量计，其特征在于进一步包括使所述气体和所述液体混合以致于所述流动速度为所述混合流体流动速度的混合器。
10.如权利要求8所述的流量计，其特征在于进一步包括使所述流体分层以致于所述流动速度为分层液体流动速度的装置。
11.如权利要求8所述的流量计，其特征在于：进一步对所述处理器编程，从所述总的流体密度和从温度和压力测量结果计算所述流体的气体分数。
12.如权利要求11所述的流量计，其特征在于：气体分数的计算基于NMR信号分量幅度与当用液体填充时所述传感器的NMR信号幅度之间的差。
13.如权利要求8所述的流量计，其特征在于：所述预极化器由在平面内折转的流动通道组成，在所述平面的相对两侧有磁铁。
14.如权利要求8所述的流量计，其特征在于：所述处理器存储了不同类型石油液体的标定数据，进一步对所述处理器编程，对所述ESR输出数据进行标定以确定所述油分数。
15.如权利要求8所述的流量计，其特征在于：所述处理器存储了油识别数据，进一步对所述处理器编程，以识别所述原油的特定类型。
16.如权利要求8所述的流量计，其特征在于：所述处理器从总的液体分数确定水。
17.一种具有至少一种石油液体成分的流体流动的流量计，其特征在于所述流量计包括：
使所述流体磁极化由此提供极化流体流动的预极化器；
NMR传感器，用于提供来自所述极化流体流动的NMR输出数据；
NMR检测器，用于以NMR频率激励所述NMR传感器以及从所述被极化流体流动对所述传感器中感应的NMR信号进行放大和检测；
ESR传感器，用于提供来自所述极化流体流动的ESR输出数据；
ESR检测器，用于以ESR频率激励所述ESR传感器以及从所述被极化液体流动对所述传感器中感应的ESR信号进行放大和检测；以及
处理器，对其进行编程，从所述ESR输出数据计算石油液体分数，以及进一步对其进行编程，通过将代表在已知流动速率和已知脉冲延迟时间下NMR输出信号最大幅度的存储参考数据与在所述已知脉冲延迟时间后所获得的所述NMR输出数据进行比较，计算所述流体的流动速率。
18.一种测量具有至少一种石油液体成分的流体流动的流量计，其特征在于所述流量计包括：
使所述流体磁极化由此在流动线路中提供极化流体流动的预极化器；
具有磁铁的NMR传感器，所述磁铁在所述传感器中提供梯度磁场，用梯度磁场引起磁场强度沿所述流动线路变化；
ESR传感器，用于提供来自所述极化流体流动的ESR输出数据；以及
处理器，对其进行编程，从所述ESR输出数据计算石油液体分数、从所述NMR数据提供频谱数据、以及从所述频谱数据确定所述石油液体的速度。
19.一种测量具有至少一种石油液体成分的流体的流量计，其特征在于所述流量计包括：
提供所述流体沿流动线路流动的极化的装置；
具有传感器磁铁的ESR传感器，所述传感器提供来自极化流体流动的ESR输出数据，所述磁铁在所述传感器中沿所述流动线路在强度上具有梯度；
ESR检测器，用于以ESR频率激励所述ESR传感器以及从所述极化液体流动对所述传感器中感应的ESR信号进行放大和检测；以及
处理器，对其进行编程，从所述ESR输出数据计算石油液体分数、从所述ESR数据提供频谱数据、以及从所述频谱数据确定所述石油液体的速度。
20.如权利要求19所述的流量计，其特征在于：所述的极化装置是由所述ESR传感器提供的。
21.如权利要求19所述的流量计，其特征在于：所述处理器存储了不同类型石油液体的标定数据，进一步对其编程，对所述ESR输出数据进行标定，以确定所述油分数。
22.如权利要求19所述的流量计，其特征在于：所述处理器存储了油识别数据，进一步对其编程以识别特定类型的所述原油。
23.一种测量具有至少一种石油液体成分的流体流动的流量计，其特征在于所述流量计包括：
ESR传感器，用于提供来自所述极化流体流动的ESR输出数据；
ESR检测器，用于以ESR频率激励所述ESR传感器以及从所述极化液体流动对所述传感器中感应的ESR信号进行放大和检测；
伽马射线传感器，用于提供来自所述流体流动的伽马射线输出数据；以及
处理器，对其进行编程，从所述伽马射线输出数据计算总的流体密度、以及从所述ESR输出数据计算石油液体分数。
24.如权利要求23所述的流量计，其特征在于进一步包括测量所述流体的温度和压力的传感器。
25.如权利要求23所述的流量计，其特征在于：所述处理器采用所述ESR数据计算石油液体分数、采用ESR和伽马射线数据计算水分数以及采用ESR和伽马射线数据与流体压力和温度数据一起确定气体分数。
26.如权利要求23所述的流量计，其特征在于：所述处理器存储了不同类型石油液体的标定数据，进一步对其编程，对所述ESR输出数据进行标定，以确定所述油分数。
27.如权利要求23所述的流量计，其特征在于：所述处理器存储了油识别数据，进一步对其编程以识别特定类型的所述原油。
28.如权利要求23所述的流量计，其特征在于进一步包括沿含有所述流体的流动线路提供梯度极化场的装置，这里，进一步对所述处理器编程，从所述ESR数据提供频谱数据以及从所述频谱数据确定所述石油液体的速度。
29.一种现场确定流动的多相流体的分数成分的方法，所述流体具有液体石油成分，其特征在于所述方法包括以下步骤：
感测所述流体的总密度；
利用ESR传感器感测非成对电子的密度；
由所述的非成对电子密度计算所述液体石油分数；以及
利用总密度、以及所述流体的温度和压力测量结果，计算所述流体的任何气体分数。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于：感测总密度的所述步骤是用NMR传感器进行的。
31.如权利要求29所述的方法，其特征在于：感测总密度的所述步骤是用伽马射线传感器进行的。
32.如权利要求29所述的方法，其特征在于进一步用所述液体石油成分的标定因子调节所述液体石油分数的步骤。
33.如权利要求29所述的方法，其特征在于进一步包括由所述ESR传感器的输出中的特性确定所述液体石油类型的步骤。
34.一种现场确定流动的多相流体的流动速度的方法，所述流体含有液体石油成分，其特征在于所述方法包括以下步骤：
用梯度场使所述流体极化；
利用ESR传感器提供来自所述极化流体流动的ESR输出数据；以及
通过把所述ESR传感器的输出变换为频谱数据以及对于与速度有关的漂移通过分析所述频谱数据计算所述液体的速度。
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