CN216051379U - 一种光量子混相质量相分率测量装置 - Google Patents

一种光量子混相质量相分率测量装置 Download PDF

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CN216051379U CN202122598460.7U CN202122598460U CN216051379U CN 216051379 U CN216051379 U CN 216051379U CN 202122598460 U CN202122598460 U CN 202122598460U CN 216051379 U CN216051379 U CN 216051379U
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陈继革
徐斌
罗超
贺阳
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Abstract

本申请公开了一种光量子混相质量相分率测量装置，包括：装置主体、多能级组光量子源、光量子探头及相分计算机；装置主体与油气井的管道连接；多能级组光量子源与所述光量子探头相对设置在装置主体上；多能级组光量子源产生至少三组不同能级的光量子；光量子探头与相分计算机通信连接。本申请用于在混相流体通过装置主体时，不需要工作人员对混相流体进行取样，减少了人力和时间消耗，降低了成本。

Description

一种光量子混相质量相分率测量装置
技术领域
本申请涉及工业混相流体测量技术领域，尤其是涉及一种光量子混相质量相分率测量装置。
背景技术
石油是深埋在地下的流体矿物。最初人们把自然界产生的油状液体矿物称石油，把可燃气体称天然气，把固态可燃油质矿物称沥青。随着对这些矿物研究的深入，认识到它们在组成上均属烃类化合物，在成因上互有联系，因此把它们统称为石油。石油是包括自然界中存在的气态、液态和固态烃类化合物以及少量杂质组成的复杂混合物。石油开采也包括了天然气开采。
在进行石油开采的初期阶段时，由于油、气、水在油藏中分布情况及其变化都是较为复杂和不稳定的，从而需要实时监测油井中油气水各组份的动态变化，传统的相分率监测方式需要取样工先进行取样，化验工再对取样的油气水混相流体进行分离化验，从而得到油气水混相流体中各组份的质量。
但是，传统的相分率监测方式无法做到实时监测，频繁监测就需要消耗大量人力和时间进行取样。
实用新型内容
为了解决混相流体中各流体介质相分率测量需要消耗人力和时间较多，导致成本较高的问题，本申请提供了一种光量子混相质量相分率测量装置。
本申请提供一种光量子混相质量相分率测量装置，采用如下的技术方案：
一种光量子混相质量相分率测量装置，包括：
装置主体、多能级组光量子源、光量子探头及相分计算机；
所述装置主体与油气井的管道连接；
所述多能级组光量子源与所述光量子探头相对设置在所述装置主体上；
所述多能级组光量子源产生至少三组不同能级的光量子；
所述光量子探头与所述相分计算机通信连接。
通过采用上述技术方案，在进行石油开采过程中，油气井完成后，通过设置管道控制混相流体从油气井流出，装置主体与油气井的管道连接，在混相流体穿过装置主体时，多能级组光量子源发射多组不同能级的光量子，光量子探头与多能级组光量子源相对设置在装置主体上，在多组不同能级的光量子穿过混相流体后，光量子探头可以探测到不同能级的光量子的透射数量，基于光电截面及康普顿截面的原理，通过相分计算机内置的程序计算出混相流体的各流体介质的质量相分率。在混相流体通过装置主体时，不需要工作人员对混相流体进行取样，减少了人力和时间消耗，降低了成本。
可选的，所述装置主体为中空，所述装置主体的一端与所述油气井的管道连接。
通过采用上述技术方案，要实现对管道的混相流体的实时监测及无需分离化验，装置主体需要是中空的，并且一端与油气井的管道连接，实现了在线实时监测，无需额外的取样。
可选的，所述装置主体的中空的内径从两端到中间逐渐减小，中间内径最小的部位为喉部段。
通过采用上述技术方案，由于油气井所流出的混相流体是具有较大压力状态的，因此，装置主体的中空的内径设置为从两端到中间逐渐减小，中间内径最小的部位为喉部段，以缓解混相流体对装置主体造成的压力，避免装置主体受损。
可选的，所述喉部段的相对两侧位置开设有通孔，所述通孔内设有高压密封件。
通过采用上述技术方案，喉部段的相对两侧位置开设有通孔，通孔内设有高压密封件，高压密封件一方面可以防止混相流体从通孔溢出，一方面可以缓解混相流体在流过喉部段时造成的压力。
可选的，一个通孔设置所述多能级组光量子源，另一个通孔设置所述光量子探头。
通过采用上述技术方案，在喉部段的相对两侧位置的通孔，一个通孔设置多能级组光量子源，另一个通孔设置光量子探头，多能级组光量子源和光量子探头相对设置使得光量子探头能够顺利的探测到多能级组光量子源产生发射的光量子。
可选的，所述多能级组光量子源为Ba-133光量子源，所述Ba-133光量子源产生31keV、81keV和356keV 能量的三个能级组的单个光量子。
通过采用上述技术方案，多能级组光量子源具体为Ba-133光量子源，多能级组光量子以三组为例，第一能级组光量子的能量为31keV，第二能级组光量子的能量为81keV，第三能级组光量子的能量为356keV，Ba-133光量子源的放射性活度为25 微居，可以每秒发射近一百万个31keV、81keV和356keV 能量组的三个能量组的单个光量子，通过对每一个光量子能量的测量，依据物质与31keV和81keV的能量的光量子组的光电截面，以及物质与356keV 能量的光量子组的康普顿截面，完成混相流体的相分率测量。
可选的，所述油气井的管道流出混相流体，所述混相流体的流体介质包括油、气及水。
通过采用上述技术方案，在目前的油气井开采过程中，对油气井流出的混相流体中各组份的监测最重要的流体介质是油、气和水，因此，确定油气井的管道流出混相流体的流体介质包括油、气及水。
可选的，所述相分计算机包括输入输出接口，所述输入输出接口与外部设备通信连接。
通过采用上述技术方案，在相分计算机通过内置的程序计算出混相流体的各流体介质的质量相分率后，相分计算机通过输入输出接口将各流体介质的质量相分率传输给外部设备，以方便需要的用户获取油气井的混相流体中各组份的情况。
综上所述，本申请光量子混相质量相分率测量装置的装置主体与油气井的管道连接，在混相流体穿过装置主体时，多能级组光量子源发射多组不同能级的光量子，光量子探头与多能级组光量子源相对设置在装置主体上，在多组不同能级的光量子穿过混相流体后，光量子探头可以探测到不同能级的光量子的透射数量，基于光电截面及康普顿截面的原理，通过相分计算机内置的程序计算出混相流体的各流体介质的质量相分率。在混相流体通过装置主体时，不需要工作人员对混相流体进行取样，减少了人力和时间消耗，降低了成本。
附图说明
图1是本申请的光量子混相质量相分率测量装置的第一结构示意图。
图2是本申请的光量子混相质量相分率测量装置的第二结构示意图。
图3是本申请的光量子混相质量相分率测量装置的第三结构示意图。
图中：
101、装置主体；102、多能级组光量子源；103、光量子探头；104、相分计算机；105、管道；106、仪表仓；201、中空；202、高压密封件；301、输入输出接口；302、外部设备。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参照图1，本申请实施例一种光量子混相质量相分率测量装置，包括：
装置主体101、多能级组光量子源102、光量子探头103及相分计算机104；
装置主体101与油气井的管道105连接；
多能级组光量子源102与光量子探头103相对设置在装置主体101上；
多能级组光量子源102产生至少三组不同能级的光量子；
光量子探头103与相分计算机104通信连接。
本实施例的实施原理为：在进行石油开采过程中，油气井完成后，通过设置管道105控制混相流体从油气井流出，装置主体101与油气井的管道105连接，在混相流体穿过装置主体101时，多能级组光量子源102发射多组不同能级的光量子，光量子探头103与多能级组光量子源102相对设置在装置主体101上，在多组不同能级的光量子穿过混相流体后，光量子探头103可以探测到不同能级的光量子的透射数量，基于光电截面及康普顿截面的原理，通过相分计算机104内置的程序计算出混相流体的各流体介质的质量相分率。在混相流体通过装置主体101时，不需要工作人员对混相流体进行取样，减少了人力和时间消耗，降低了成本。
需要说明的是，为了保护相分计算机104中的器件不会受到外部的物理损坏，还需要在外部加装仪表仓106。
参照图1和图2，装置主体101为中空201，装置主体101的一端与油气井的管道105连接。
本实施例中，要实现对管道的混相流体的实时监测及无需分离化验，装置主体101需要是中空201的，并且一端与油气井的管道105连接，实现了在线实时监测，无需额外的取样。
参照图1和图2，装置主体101的中空的内径从两端到中间逐渐减小，中间内径最小的部位为喉部段。
本实施例中，由于油气井所流出的混相流体是具有较大压力状态的，因此，装置主体101的中空的内径设置为从两端到中间逐渐减小，中间内径最小的部位为喉部段，以缓解混相流体对装置主体造成的压力，避免装置主体101受损。
参照图2，喉部段的相对两侧位置开设有通孔，通孔内设有高压密封件202。
本实施例中，喉部段的相对两侧位置开设有通孔，通孔内设有高压密封件202，高压密封件202一方面可以防止混相流体从通孔溢出，一方面可以缓解混相流体在流过喉部段时造成的压力。
参照图1，一个通孔设置多能级组光量子源102，另一个通孔设置光量子探头103。
本实施例中，在喉部段的相对两侧位置的通孔，一个通孔设置多能级组光量子源102，另一个通孔设置光量子探头103，多能级组光量子源102和光量子探头103相对设置使得光量子探头103能够顺利的探测到多能级组光量子源102产生发射的光量子。进一步的，多能级组光量子源102为Ba-133光量子源，Ba-133光量子源产生31keV、81keV和356keV 能量的三个能级组的单个光量子。光量子简称光子（photon），是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉及衍射等性质；而光子的粒子性可由光电效应证明。光子只能传递量子化的能量，是点阵粒子，是圈量子粒子的质能相态。一个光子能量的多少正比于光波的频率大小，频率越高, 能量越高。当一个光子被原子吸收时，就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。
本实施例中，多能级组光量子源具体为Ba-133光量子源，多能级组光量子以三组为例，第一能级组光量子的能量为31keV，第二能级组光量子的能量为81keV，第三能级组光量子的能量为356keV，Ba-133光量子源的放射性活度为25 微居，可以每秒发射近一百万个31keV、81keV和356keV 能量组的三个能量组的单个光量子，通过对每一个光量子能量的测量，依据物质与31keV和81keV的能量的光量子组的光电截面，以及物质与356keV 能量的光量子组的康普顿截面，完成混相流体的相分率测量。
优选的，本申请的一些实施例中，油气井的管道流出混相流体，混相流体的流体介质包括油、气及水。
本实施例中，在目前的油气井开采过程中，对油气井流出的混相流体中各组份的监测最重要的流体介质是油、气和水，因此，确定油气井的管道流出混相流体的流体介质包括油、气及水。
参考图3，相分计算机104包括输入输出接口301，输入输出接口301与外部设备302通信连接。
本实施例中，在相分计算机104通过内置的程序计算出混相流体的各流体介质的质量相分率后，相分计算机104通过输入输出接口301将各流体介质的质量相分率传输给外部设备302，以方便需要的用户获取油气井的混相流体中各组份的情况。
对于相分计算机通过内置的程序计算出混相流体的各流体介质的质量相分率的过程具体如下：
S1，通过Ba-133光量子源发射第一能级组光量子、第二能级组光量子及第三能级组光量子。
一能级组光量子的能量为31keV，第二能级组光量子的能量为81keV，第三能级组光量子的能量为356keV。
S2，光量子探头探测接收每组能级组光量子的实测透射数量。
S3，获取每组能级组光量子的无介质透射数量。
其中，无介质透射数量是标定值，可以通过预先的标定计算得到，计算原理为：设置管道内是空管无介质时，发射第一能级组光量子、第二能级组光量子及第三能级组光量子，探测接收到第一能级组光量子的无介质透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、第二能级组光量子的无介质透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE004
及第三能级组光量子的无介质透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
S4，获取第一能级组光量子和第二能级组光量子对应各流体介质的线性质量吸收系数，及第三能级组光量子的康普顿散射常数。
其中，在目前的油气井开采过程中，对油气井流出的混相流体中各组份的监测最重要的流体介质是油、气和水，对于各流体介质的线性质量吸收系数的标定值的计算原理为：
（1）、将管道内的流体介质设置为满油，发射第一能级组光量子、第二能级组光量子及第三能级组光量子，探测接收第一能级组光量子的油透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、第二能级组光量子的油透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
及第三能级组光量子的油透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
（2）、将管道内的流体介质设置为满气，发射第一能级组光量子、第二能级组光量子及第三能级组光量子，探测接收第一能级组光量子的气透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、第二能级组光量子的气透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE016
及第三能级组光量子的气透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
（3）、将管道内的流体介质设置为满水，发射第一能级组光量子、第二能级组光量子及第三能级组光量子，探测接收第一能级组光量子的水透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE020
、第二能级组光量子的水透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE022
及第三能级组光量子的水透射数量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
（4）、再根据第一能级组光量子的满油光电吸收方程、满气光电吸收方程、满水光电吸收方程、无介质透射数量
Figure 758373DEST_PATH_IMAGE002
、油透射数量
Figure 504875DEST_PATH_IMAGE008
、气透射数量
Figure 346929DEST_PATH_IMAGE014
及水透射数量
Figure 804455DEST_PATH_IMAGE020
，分别计算得到第一能级组光量子的油线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE026
、气线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE028
及水线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
由于第一能级组光量子（能量31keV）对于混相流体的各流体介质的光电吸收总方程是：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
下标为
Figure DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure DEST_PATH_IMAGE038
或
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 857643DEST_PATH_IMAGE036
表示流体介质为油，
Figure 742422DEST_PATH_IMAGE038
表示流体介质为气，
Figure 570307DEST_PATH_IMAGE040
表示流体介质为水，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为油线性质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为气线性质量，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为水线性质量，当管道内的流体介质为满油时，将第一能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程变换为满油光电吸收方程，满油光电吸收方程的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
；
再将无介质透射数量
Figure 988781DEST_PATH_IMAGE002
及油透射数量
Figure 985556DEST_PATH_IMAGE008
带入以上满油光电吸收方程中，得到第一能级组光量子的油线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE050
；
与以上油线性质量吸收系数的计算同理，计算得到第一能级组光量子的气线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE052
及水线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE054
。
（5）、根据第二能级组光量子的满油光电吸收方程、满气光电吸收方程、满水光电吸收方程、无介质透射数量
Figure 392967DEST_PATH_IMAGE004
、油透射数量
Figure 475193DEST_PATH_IMAGE010
、气透射数量
Figure 274522DEST_PATH_IMAGE016
及水透射数量
Figure 125803DEST_PATH_IMAGE022
，计算得到第二能级组光量子的油线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE056
、气线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE058
及水线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE060
；
由于第二能级组光量子（能量81keV）对于混相流体的各流体介质的光电吸收总方程是：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
当管道内的流体介质为满油时，将第二能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程变换为满油光电吸收方程，具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
；
再将无介质透射数量
Figure 929549DEST_PATH_IMAGE004
及油透射数量
Figure 499070DEST_PATH_IMAGE010
带入以上满油光电吸收方程，得到第一能级组光量子的油线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE066
；
与以上油线性质量吸收系数的计算同理，计算得到第二能级组光量子的的气线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE068
及水线性质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE070
。
（6）、根据第三能级组光量子的康普顿散射特性得到康普顿散射常数
Figure DEST_PATH_IMAGE072
。
由于康普顿散射后的二次射线决定于散射角度，与散射物的材料无关的性质，那么对于能量为356keV的第三能级组光量子，能量已经到了康普顿效应的能量，第三能级组光量子的康普顿散射特性是康普顿散射常数
Figure 524926DEST_PATH_IMAGE072
，并且第三能级组光量子（能量356keV）混相流体的各流体介质的康普顿吸收方程是：
Figure DEST_PATH_IMAGE074
。
S5，根据实测透射数量、无介质透射数量、线性质量吸收系数及康普顿散射常数，计算得到各流体介质的线性质量。
其中，依据以上提到的第一能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程、第二能级组光量子的各流体介质的光电吸收总方程及第三能级组光量子的各流体介质的康普顿吸收方程，
令
Figure DEST_PATH_IMAGE076
，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，T=
Figure DEST_PATH_IMAGE092
；
得到方程式组为：
Figure DEST_PATH_IMAGE094
=
Figure DEST_PATH_IMAGE096
+
Figure DEST_PATH_IMAGE098
+
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
=
Figure DEST_PATH_IMAGE104
+
Figure DEST_PATH_IMAGE106
+
Figure DEST_PATH_IMAGE108
，
T=
Figure DEST_PATH_IMAGE110
；
根据以上的方程式组，构建得到行列式
Figure DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure DEST_PATH_IMAGE116
及
Figure DEST_PATH_IMAGE118
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE120
、
Figure DEST_PATH_IMAGE122
、
Figure DEST_PATH_IMAGE124
及
Figure DEST_PATH_IMAGE126
；
根据以上的行列式
Figure 706132DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 634774DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure 190127DEST_PATH_IMAGE116
及
Figure 472203DEST_PATH_IMAGE118
，得到
Figure 563656DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 663199DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure 82679DEST_PATH_IMAGE116
及
Figure 293081DEST_PATH_IMAGE118
的表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE128
，
Figure DEST_PATH_IMAGE130
，
Figure DEST_PATH_IMAGE132
，
Figure DEST_PATH_IMAGE134
；
根据以上
Figure 333980DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 73266DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure 597352DEST_PATH_IMAGE116
及
Figure 221231DEST_PATH_IMAGE118
的表达式，求解得到混相流体的油线性质量
Figure DEST_PATH_IMAGE136
、气线性质量
Figure DEST_PATH_IMAGE138
及水线性质量
Figure DEST_PATH_IMAGE140
。
S6，计算得到油线性质量、气线性质量及水线性质量之后，根据混相流体的油线性质量
Figure 411910DEST_PATH_IMAGE042
、气线性质量
Figure 994201DEST_PATH_IMAGE044
及水线性质量
Figure 748793DEST_PATH_IMAGE046
，计算得到油质量相分率
Figure DEST_PATH_IMAGE142
、气质量相分率
Figure DEST_PATH_IMAGE144
及水质量相分率
Figure DEST_PATH_IMAGE146
，表达式如下：
油质量相分率
Figure DEST_PATH_IMAGE148
；
气质量相分率
Figure DEST_PATH_IMAGE150
；
水质量相分率
Figure DEST_PATH_IMAGE152
。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (8)

1.一种光量子混相质量相分率测量装置，其特征在于，包括：
装置主体、多能级组光量子源、光量子探头及相分计算机；
所述装置主体与油气井的管道连接；
所述多能级组光量子源与所述光量子探头相对设置在所述装置主体上；
所述多能级组光量子源产生至少三组不同能级的光量子；
所述光量子探头与所述相分计算机通信连接。
2.根据权利要求1所述的光量子混相质量相分率测量装置，其特征在于，所述装置主体为中空，所述装置主体的一端与所述油气井的管道连接。
3.根据权利要求2所述的光量子混相质量相分率测量装置，其特征在于，所述装置主体的中空的内径从两端到中间逐渐减小，中间内径最小的部位为喉部段。
4.根据权利要求3所述的光量子混相质量相分率测量装置，其特征在于，所述喉部段的相对两侧位置开设有通孔，所述通孔内设有高压密封件。
5.根据权利要求4所述的光量子混相质量相分率测量装置，其特征在于，一个通孔设置所述多能级组光量子源，另一个通孔设置所述光量子探头。
6.根据权利要求5所述的光量子混相质量相分率测量装置，其特征在于，所述多能级组光量子源为Ba-133光量子源，所述Ba-133光量子源产生31keV、81keV和356keV 能量的三个能级组的单个光量子。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的光量子混相质量相分率测量装置，其特征在于，所述油气井的管道流出混相流体，所述混相流体的流体介质包括油、气及水。
8.根据权利要求7所述的光量子混相质量相分率测量装置，其特征在于，所述相分计算机包括输入输出接口，所述输入输出接口与外部设备通信连接。
CN202122598460.7U 2021-10-27 2021-10-27 一种光量子混相质量相分率测量装置 Active CN216051379U (zh)

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