CN202092697U - 多相流的正电子断层成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于输油管中的多相流的正电子断层成像装置，该装置利用正负电子湮灭产生一对可符合的511keV能量的伽马射线为断层成像手段、为油田输油管线中的多相流计量提供在线的断层成像功能。该装置包括有特定空间结构排列的多组平行的高精度的伽马射线探测器阵列、正电子放射源及屏蔽器，并且结合图像处理的功能可以只在单一放射源的条件下获取油、气、水等多相流混合物的相分率。多组高精度的探测器阵列设计也大大提高了多相流计量的精度及其在多相流不同流型流态下的适用性。它所产生的流体的影像信息将极大丰富石油天然气工业对于石油天然气的计量信息并为更有效的油藏管理和生产优化提供基础数据。

Description

多相流的正电子断层成像装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于输油管中的多相流的正电子断层成像装置，即利用正负电子湮灭产生的可符合的伽马射线为断层成像手段、为油气田输油管线上的多相流计量提供在线的断层成像功能的多相流的正电子断层成像装置。

背景技术

多相流量计以其低投资、低运营成本、不需要分离油井产物等优势已逐步替代传统测试分离器。多相流量计可以提供油、气、水的在线实时流量及相分率数据，为油公司了解其每一个单井的实际生产情况和能力、实施有效的油藏管理和生产优化管理提供了基础计量数据。

在诸多的多相流传感器技术中，以伽马射线为基础的相分率测量技术已成为多相流计量中的主流技术。目前在多相流计量中使用的伽马测量技术，采用单能或双能伽马射线来在线获取流体对于伽马射线的平均吸收系数。由于油、气和水对于一定能量伽马射线的各自吸收系数是确定的，因此在两相流中用单能伽马射线来获取一个平均吸收系数就能求得混合物中两种成分的比例(含水率或含气率)；用双能伽马射线来获取两个平均吸收系数就能求得混合物中三种成分的比例，即三相混合流体的相分率(含气率和含水率)。

目前，以伽马射线为基础的多相流计量技术的局限性以及所面临的挑战主要有以下几点：(1)测量精度不够高。因为伽马射线测量技术需要满足窄束的条件这个前提，因此只能获取放射源及探头之间很小立体角内的混合物的成分，在此探测区间之外的部分却无能为力。这种用局部来替代整体的方法使得其测量结果对流体的整体均匀性有要求。因此也就相对降低了整体的测量精度。(2)空间对称性不好。由于多相流量计中的伽马射线窄束是锥形结构，在靠近放射源(锥顶)时其射线的空间密度很高即被频繁探测，而在靠近伽马射线接收端(锥底)时射线的密度变稀。因此即使锥形体内平均密度相同的油、气、水的混合物，如果其在锥形体的空间分布不同，其测量的平均密度也会不一样。(3)所要求的测量时间较长。为了减少上述(1)、(2)问题带来的测量误差，多相流计量需要平均很多次的瞬时测量结果，因此一个数据点所需要的测量时间较长。这种依赖于各态历经的统计平均来解决测量空间不对称性的问题，但是对于减少整体非均匀性的影响其效果并不理想。(4)在极端流量条件下，某单相流量的计量精度会大大降低。目前多相流计量技术基于对总流量和相分率的测量，然后通过运算得到各单相的流量率；当某一单相较少(单相相分率较低)时，则该相计量精度较差。(5)不能得到流体流态的流动特性。现有的伽马多相流计量都只能给出多相流的平均密度信息而没有其具体空间分布的位置信息。因此不能给出油、气和水在输油管内的空间分布信息即成像信息。

对输油管内的油、气和水的断层成像从而获得流体流态的动态特性是本实用新型的目的之一。流体的影像信息可以为石油天然气工业提供更丰富的计量信息，从而更有效地实施油藏管理和生产优化管理。断层像中的各单相流体的位置信息也可以减少上述吸收率计算中对于流型流态的空间分布的依赖性及在极端流量条件下计量精度问题。因此也会大大提高相分率的测量精度，这也是本实用新型的另外一个目的。由于该实用新型可以提高测量精度，因此相对于原有的测量精度，就等效于缩小了每一测试点的测量时间。

目前对于多相流的成像研究采用测量介质电学/ERT、光学/Optical、超声/Ultrasound、磁共振/MR等特性的技术，但都有各自的缺点，在多相流计量领域尚没有得到成功应用。本实用新型采用核医学中的伽马射线成像技术结合相关的图像处理技术以实现对输油管中多相流的断层成像。

实用新型内容

目前多相流量计在对非对称的流型流态或者多种流型流态同时并存时，其测量精度会大大降低。本实用新型的目的之一就是提高在对称性不好的流型流态下多相流量计的测量精度。

我们知道基于伽马射线的核医学成像的精度已相当高了，CT达到了0.1mm精度，SPECT及PET达到1.3mm。如果物体的密度测量能在如此高的空间精度内进行的话，那么混合物的成分分析就迎刃而解了。我们可以根据每一个像素上的测量密度来确定它是油、气或水。而不是像目前的伽马射线多相流量计在一个窄束锥形体内计算平均密度。我们假定在很小的体积内可以把混合物“量子化”为单一成分。这种假定在绝大多数的像素上是准确的，而只在多相混合的边界上会带来少量的误差。核医学成像在流体上应用的最大局限是(1)核医学成像的对象是静物，而流体是不断变化的；(2)核医学最终成像是有很多角度的投影重建而成的，成像速度也往往较慢；(3)核医学设备有很多探测器组成，为了得到多角度的投影，探头有时需要大角度的旋转。而旋转投影对于流动的非对称混合体来说就没有意义了。

本实用新型借鉴核医学的多组探测器阵列的组合来增加传统的基于伽马射线测量技术的多相流量计(以下简称伽马多相流量计)的有效探测区的个数并缩小每个探测区的空间范围。合理的探测器阵列设计可以用许多很小的探测区覆盖整个输油管的截面来实现全测量而非局部测量。就像截面上布满了有很多从不同角度的细小的伽马多相流量计，因此这种高精度的全测量技术对流体的对称性、均匀性不再有要求，因此也大大地提高了其测量的精度及对不同流型流态多相流的适用性。

由于本实用新型的多相流量计采用了多组高精度的探测器阵列，因此比起传统的采用单一探头的伽马多相流量计来说，该方法会获得更多的信息量，包括多相流体密度的空间分布信息。由于传统的伽马多相流量计的锥形体测量区间的局限性，对于即便是轴对称的流体，不同扇角大小的锥形体测量区间也可能给出不同的结果。也就是说其测量结果并不是完全独立于测量的手段或方法，因此引起了较大的测量误差。采用了多组高精度的探测器阵列的多相流量计可以把测量的区间缩小到很多微小独立的像素点上。因此它避免了锥形测量区的非对称局限性，大大提高了测量值的可信度。这也是本实用新型的目的之二。

多组高精度探测器阵列可以形成很多的探测区间，每个区间是由一对探测器来确定，每一个区间都会获得伽马射线的平均吸收系数，很多同时获取的不同区间的平均吸收系数可以用来重建出输油管截面上多相流体的密度分布情况，即流体的瞬时断层图像。在时间上连续测量得到的瞬时断层图像组成了流体的动态影像。在轴向的有一定间距的两组或两组以上的探测器阵列的所获取的断层图像还可以进行互相关处理以获得流体的流速信息。流体的影像信息可以为生产提供更加有效的油藏管理和生产优化所需的基础计量数据。这也是本实用新型的目的之三。

根据本实用新型的一个方面，提供一种用于输油管中的多相流的正电子断层成像装置，其特征在于，该正电子断层成像装置由能产生正负电子湮灭及时间符合的至少一组探头组成，每组探头包括一对平行的伽马射线探测器阵列、正电子放射源以及放射源屏蔽器，该对平行的伽马射线探测器阵列分别设置在被测输油管的两侧并且与输油管的轴向垂直，所述正电子放射源位于所述输油管与该对平行的伽马射线探测器阵列中的一排伽马射线探测器阵列之间且平行于该对平行的伽马射线探测器阵列，所述放射源屏蔽器在所述输油管的轴向对正电子放射源进行间缝屏蔽，每组探头所包括的一对平行的伽马射线探测器阵列确定多个探测区间，每个探测区间由一对伽马射线探测器来确定，从每个探测区间获得伽马射线的平均吸收系数，从而采用同时获取的不同探测区间的平均吸收系数来得到流体的瞬时断层图像。

所述至少一组探头由两组探头组成，所述两组探头构成正交的空间结构以提高探测角度在所述输油管的截面上分布的均匀性，所述两组探头在轴向上相互错开，以使这两组探头的有效探测区域相互避开，从而降低随机符合、提高测量的信噪比。

所述至少一组探头由多组探头组成，以提高有效探测区域在输油管的截面上的覆盖范围，每相邻两组探头的旋转角度为360°/N，并且所述多组探头在轴向上相互错开，以使所述多组探头的有效探测区域相互避开。

所述正电子放射源是多个点状的正电子放射源、线状的正电子放射源或是由点状的正电子放射源与线状的正电子放射源构成的组合源。

所述伽马射线探测器是半导体射线探测器，或者是闪烁晶体加上传统的光电倍增管、位置灵敏的光电倍增管或半导体光电倍增管。

每组探头的一对平行的伽马射线探测器阵列同时进行实时窗的时间符合与延迟窗的时间符合，延迟符合的结果作为背景噪声被从实时符合结果中减去，以提高测量的信噪比。

沿所述输油管的轴向以一定间距设置两套所述正电子断层成像装置，从而通过对断层图像进行连续相关运算处理来获取流体的流速信息。

将流体的瞬时断层图像在时间上实时排列起来，从而得到流体的断层影像。

该正电子断层成像装置还包括对所述断层图像进行处理的图像处理部分，当平均吸收系数接近多相流中的某一相时，对断层图像的像素进行单一相的量子化处理，在断层图像中的部分像素被量子化之后，重新计算各剩余像素的吸收系数的最佳值，经过多次量子化及求最佳值的处理，获取多相流的相分率，从而能够在单能正电子放射源的条件下获取多相流的相分率，即含气率和含水率。

附图说明

图1示出了正负电子湮灭探测器的准直功能；

图2是多相流正电子断层成像装置的示意图，上半部为截面图，下半部为俯视图；

图3是多相流正电子断层成像的原理示意图；

图4是多相流正电子(线状的正电子放射源)断层成像的正交探头结构示意图；

图5是多相流正电子(多个点状的正电子放射源)断层成像的正交探头结构示意；

图6是多相流正电子(点状与线状混合的正电子放射源)断层成像的正交探头结构示意图；

图7是多相流正电子断层成像装置的轴向三组探头结构示意图。

具体实施方式

(1)正电子断层成像的原理

能量在1MeV以下的伽马射线同物质相互作用时，主要是发生光电效应、康普顿效应两种效应。光电效应发生时伽马光子把全部能量交给与之相互作用的物质的束缚电子，使之克服在原子壳层中的电离能而发射出去。康普顿效应则是伽马光子同电子之间的散射，入射伽马光子把一部分能量传递给电子，光子本身能量减少并向不同的方向散射。正因为伽马光子会同物质发生作用，因此伽马射线穿过物质时会发生被吸收衰减。当入射伽马光子发生康普顿散射时，由于光子的剩余能量及散射方向的不确定性使其仍然有可能被探测器接收到从而影响了伽马射线吸收系数的测定。因此在应用时往往用窄束伽马射线以将散射事例尽可能拒绝掉从而增加测量的精度。为了实现窄束条件，需要用准直器对伽马源出来的射线进行准直筛选。但是当使用高精度探测器阵列时，每个小的探测器都需要准直器因此会提高准直器的设计难度，同时很多准直器也会大大降低了计数率和灵敏度。如果系统有多个伽马源且分布在不同角度位置上而且都需要准直的话，其设计难度会更大。如果利用正负电子湮灭技术就可以避免了准直器，而且大大地提高计数率。

正负电子湮灭时会同时产生一对180度相向的伽马光子，且每一个伽马光子都具有单一能量511keV，因此我们可以用两个相对的探测器来探测正负电子湮灭事件。如果每个探测到的伽马射线都用其全能峰来甄别，再结合伽马光子对的时间符合处理，就可以比较有效地拒绝散射事例从而提高测量精度。

如图1所示，探测器1、1′探测到很多由正负电子湮灭产生的从不同角度来的伽马射线，但是只有在很小的角度内其伽马射线是同时被探测器1与1′探测到的。因此如果对探测器1与1′做时间符合处理，就是用探测器1对探测器1′进行了无需准直器的准直处理。那些被探测器1探测到而没有被探测器1′探测到的湮灭事件最终将会被甄别。

图2为用于被探测的输油管4中的多相流正电子断层成像装置的原理示意图，该正电子断层成像装置由能产生正负电子湮灭及时间符合的一组探头组成，该组探头包括：一对平行的伽马射线探测器阵列1、1′，线状的正电子放射源5，以及放射源屏蔽器6。图2的上半部为截面图，下半部为俯视图。其中，一对平行的探测器阵列1、1′分别立于被测输油管4的两侧且与输油管4轴向垂直构成。正电子放射源5位于输油管4与其中一排探测器阵列1之间且平行于探测器阵列1、1′。放射源屏蔽器6在输油管4的轴向对正电子放射源5进行间缝屏蔽。所述伽马射线探测器阵列1、1′中的探测器是半导体射线探测器，或者是闪烁晶体加上传统的光电倍增管、位置灵敏的光电倍增管或半导体光电倍增管。每组探头的一对平行的伽马射线探测器阵列1、1′同时进行实时窗的时间符合与延迟窗的时间符合，延迟符合的结果作为背景噪声被从实时符合结果中减去，以提高测量的信噪比。线状的正电子放射源5可以看成是由很多个不同位置上的点状的正电子放射源构成，如图3所示，如果输油管的断层图像由图像像素矩阵7组成，那么每个像素将可能被多组探测器对同时测量。每个探测器对都代表了不同的探测角度，因此每个像素将有很多个不同角度的测量。两组N个探测器阵列用传统的测量方法时只有2N探测经迹给出2N个衰减吸收方程式，而本实用新型用的正负电子湮灭法可以给出N²个衰减吸收方程式。约束方程数越多，其多相流量计的测量精度就越高，可允许截面图像的像素也就越多，其图像的精度就越高。

为了提高每个像素的多个测量角度在截面上360度内分布的均匀性，本实用新型的多相流量计可以采用两组或者两组以上的正负电子湮灭符合探头组成。每组正负电子湮灭符合探头包括一对平行的探测器阵列、正电子放射源及放射源屏蔽器。如果是两组正负电子湮灭符合探头，则可以组成正交结构，将其中一组探头围绕输油管的轴心旋转90度就到了另外一组的角度了，但是这两组探头在输油管的轴向位置上会有一定的错开以避开对方探头的有效探测区间。图4、5及6分别给出了利用线状的正电子放射源5、多个点状的正电子放射源5以及线状的正电子放射源与点状的正电子放射源组成的混合源的正交结构示意图。对于N组探头则每相邻两组探测器阵列的旋转角度为360/N度，而且在轴向都避开其它探测器阵列的探测区间。如图7给出了在轴向有三组正电子探测器阵列1、1′、2、2′、3、3′的结构示意图。

正电子放射源可用Ge-68(其半衰期为271天)，Na-22(其半衰期为2.6年)或其它源。当放射源的强度增强时，在一定的符合时间窗内会探测到来自多个不同的正负电子湮灭的假的随机符合事例。这种假的随机符合事例增加了测量的本底，最终会影响密度探测的精度。为了消除该本底，我们同时用另外一个有固定时间延迟但大小相同的时间窗来测量随机符合的计数，并用该计数来当作本底将之从上述实时符合事件中扣除。在轴向需要对正电子源进行间缝屏蔽以降低单一事例率，从而减少探测器电子学的处理死时间，提高真实事例的符合效率并减少随机符合率。

(2)断层成像

借鉴核医学的多组探测器阵列的组合可以增加传统的伽马多相流量计的有效探测区间的个数并缩小每个探测区间的探测空间范围。如图3所示，假定输油管的截面内有M个像素，连接每一对探测器径迹可以穿越多个像素，因此这对探测器测量的平均吸收系数并不代表单个像素的吸收系数而是该径迹上所有像素的平均吸收系数(仅有一条方程但有多个未知数)。但是如果我们一共有L个探测器对穿过输油管截面，那么我们就有L条方程去解M个未知数，如果L＞M就有可能获得M未知数的最佳解。因此可以用像素的平均吸收系数来代表流体截面成像。该吸收系数所成的像就类似于CT的断层成像。

多组高精度探测器阵列可以形成很多的探测区间，每个区间是由一对探测器来确定，每一个区间都会获得伽马射线的平均吸收系数，很多同时获取的不同区间的平均吸收系数可以用来重建出输油管截面上流体的密度分布情况，即流体的瞬时断层图像。在时间上连续测量得到的瞬时断层图像组成了流体的动态影像，流体的影像信息可以为生产提供更加有效的油藏管理和生产优化管理。沿输油管的轴向以一定间距布置的两组或两组以上的探测器阵列所获取的断层图像还可以进行相关运算处理以获得流体的流速信息。

(3)相分率的获取

上述由正负电子湮灭所成的断层图像是由多个像素的吸收系数组成。这些像素的吸收系数矩阵是满足所有探测器测量值的一个最佳解，由此获得的每个像素的平均吸收系数往往是一个连续的值。由于吸收系数是流体密度的函数，如下表所示比如水、油对同一能量的伽马射线就有不同的吸收系数。

水、油对不同能量窄束伽马射线吸收系数(m)(实验值)

E nergy(keV)	Water	Oil
			75-80	0.159	0.142
167	0.137	0.118
			364	0.099	0.092

如果在某个像素空间上它是由一定比例的两相混合而成，那么它的平均吸收系数就是介于该两相的两个吸收系数之间的一个值。对于纯两相的流体来说，仅仅需要一个已知的平均吸收系数就可以求得该两相在该像素上的各自的相分率。但是对于三相(油、气或水)的混合物乃至四相(油、气、水及沙)混合物来说，每个像素上的仅有一个平均吸收系数是不足以求出其各相的相分率。

但是如果说图像的精度足够高，或者其像素的大小足够小，那么在这些微小的像素区间内的流体就可能“量子化”成为单一相。如果是一个单一流体相的像素，则其求解到的吸收系数就会接近于油、气或水中某一相的真实的吸收系数，因此采用该正电子断层成像装置的图像处理部分将该像素“量子化(确定)”为该单一相。从而其像素上的原先计算出的吸收系数的连续值将被“量子化”。当图像部分像素被“量子化(确定)”之后，需要重新计算各剩余像素的吸收系数的最佳值。在多次计算-量子化-再计算的循环之后，只有一些介于两相边界的像素是可能不确定的，因此多相问题就成为两相可解的问题。这些边界的像素根据其相邻像素的成分就可能变为油与水、油与气、水与气这些两相可解的问题。因此有成像功能的多相流量计可以不需要双能放射源仅靠单能放射源就可以计算出多相流体的相分率(含气率和含水率)。由于上述相分率的提取是根据图像像素间的相对的密度大小来判定各个像素的成分的，而不是根据一个需要比对标定计数的绝对计数，因此正电子源的衰减、外界的温度等参数的变化对测量结果的影响会大大降低。因此基于图像的单能的多相流量计可以大大地降低系统的设计复杂程度，并提高可靠性。

(4)流体的断层影像及流速

如果将正电子断层成像装置所输出的连续多帧的断层图像在时间上给实时排列起来就成为该流体的断层影像。另外，在被测量的输油管上分别安装两组可以同步输出断层成像的该装置，并且将两组断层图像进行相关运算处理，以获得流体的流速信息。假如在帧间距为M时，其两组图像连续相关输出达到最大，那么此时其流体的流速V＝两组成像装置的间距L/((单帧的采样时间)×M)。

Claims (7)

1.一种用于输油管中的多相流的正电子断层成像装置，其特征在于，该正电子断层成像装置由能产生正负电子湮灭及时间符合的至少一组探头组成，每组探头包括一对平行的伽马射线探测器阵列、正电子放射源以及放射源屏蔽器，该对平行的伽马射线探测器阵列分别设置在被测输油管的两侧并且与输油管的轴向垂直，所述正电子放射源位于所述输油管与该对平行的伽马射线探测器阵列中的一排伽马射线探测器阵列之间且平行于该对平行的伽马射线探测器阵列，所述放射源屏蔽器在所述输油管的轴向对正电子放射源进行间缝屏蔽，每组探头所包括的一对平行的伽马射线探测器阵列确定多个探测区间，每个探测区间由一对伽马射线探测器来确定。

2.根据权利要求1所述的正电子断层成像装置，其中，所述至少一组探头由两组探头组成，所述两组探头构成正交的空间结构，所述两组探头在轴向上相互错开。

3.根据权利要求1所述的正电子断层成像装置，其中，所述至少一组探头由多组探头组成，每相邻两组探头的旋转角度为360°/N，其中N＞＝3，并且所述多组探头在轴向上相互错开。

4.根据权利要求1-3中的任一项权利要求所述的正电子断层成像装置，其中，所述正电子放射源是多个点状的正电子放射源、线状的正电子放射源或是由点状的正电子放射源与线状的正电子放射源构成的组合源。

5.根据权利要求1-3中的任一项权利要求所述的正电子断层成像装置，其中，所述伽马射线探测器是半导体射线探测器，或者是闪烁晶体加上传统的光电倍增管、位置灵敏的光电倍增管或半导体光电倍增管。

6.根据权利要求1-3中的任一项权利要求所述的正电子断层成像装置，其中，沿所述输油管的轴向以一定间距设置两套所述正电子断层成像装置。 

7.根据权利要求1-3中的任一项权利要求所述的正电子断层成像装置，该正电子断层成像装置还包括对所述断层图像进行处理的图像处理部分。 

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