JP6553612B2 - 気体／液体系の多相流体の流量測定を与えるためのｎｍｒ信号の解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、輸送または生産パイプにおける多相流動様式の磁気共鳴に基づく測定および分析のための方法および装置に関する。より具体的には、本発明は、多相流中の液体および気体割合の決定に関する。

パイプラインを介して輸送される液体の種々の特性の直接的な、多くの場合リアルタイムの分析に対し磁気共鳴技術を使用するための多くの技術が、文献中に存在する。例えば、地下貯留層から抽出された流体のいくつかの特性をリアルタイムで、ならびにその場（インサイチュー）の貯留層温度および圧力で、流体の横方向（Ｔ_２）および縦（Ｔ_１）緩和時間、ならびにそれらの自己拡散率（Ｄ）の測定に基づいて決定することができる。そのような測定から導き出されるパラメータとしては、例えば、測定されたＮＭＲ信号に寄与する炭化水素および水の相対的割合、水または掘削泥の浸潤による炭化水素流体相の汚染レベル、および炭化水素粘度の概算値が挙げられる。

これらの測定は、地表および地下実験の両方として実現され、多くの場合、サンプルの抽出およびサンプルの輸送に伴う曖昧さを軽減することができる。磁気共鳴およびその関連装置に基づくいくつかの分析方法が、例えば、米国特許第６１１１４０８号「Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｆｏｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｄｏｗｎ ｈｏｌｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」、米国特許第６７３７８６４Ｂ２号「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｆｌｕｉｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ」、米国特許第６８２５６５７Ｂ２号「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｏｒ Ｍｅｔｈｏｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ Ｆｌｕｉｄ Ｓａｍｐｌｅｓ Ｗｉｔｈｄｒａｗｎ ｆｒｏｍ Ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ Ｅａｒｔｈ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ」、米国特許第６８９１３６９Ｂ２号「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｌｏｇｇｉｎｇ ｆｏｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｌｕｉｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ」、米国特許出願公開第２００５／００４０８２２Ａ１号「Ｍｕｌｔｉ−ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ＮＭＲ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｅｎｔｒｏｐｙ」、米国特許出願公開第２００６／０１２２７７９Ａ１号「Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍｅｔｈｏｄｓ ＮＭＲ Ｄｉｆｆｕｓｓｉｏｎ−Ｔ２ Ｍａｐｓ」、米国特許第７８７２４７４号「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｂａｓｅｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｔｏ Ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ Ｂｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｆｌｏｗ Ｒｅｇｉｍｅ ｉｎ ａ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｒ ａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｎｄｕｉｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｆｌｕｉｄｓ， ｉｎ Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ ａｎｄ Ｒｅａｌ Ｆｌｏｗ−Ｒａｔｅ」、米国特許第７７１９２６７号「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ ａｎｄ Ｒｅａｌ Ｆｌｏｗ−Ｒａｔｅｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｕｔｓ ｆｒｏｍ Ｏｉｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」、およびその中に含まれる文献に記載されている。

米国特許第４７８５２４５号では、磁気共鳴は、流体導管内の石油および水の相対的割合ならびに流速を決定するために使用される。石油および水の割合の決定は、一般的にいずれかの流体成分の個々のスピン−格子緩和時間（Ｔ_１）によって重み付けされた磁気共鳴信号を用いて行われる。この技術は、炭化水素／水混合物中の水相の個々の横緩和時間が、油相の個々の横緩和時間とは異なることを必要とする。ほとんどの用途では、この要件は十分に満たされる。さらに、低および高粘度成分からなる炭化水素混合物に対しては、縦緩和時間のそれぞれの値が、対応する磁気共鳴信号を分離するために十分に異なる限り、軽質および重質成分の比率を測定することもしばしば可能である。

流速を測定するために、２つの基本的な原理を識別することができる。

２つの磁気共鳴分光計の間（または単一の分光計の２つのセンサー間）の流体の「飛行時間」の測定を通じた流体の流量の決定：例えば、米国特許第６０４６５８７号「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｆｌｏｗ Ｆｒａｃｔｉｏｎｓ， Ｆｌｏｗ Ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ａｎｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅｓ ｏｆ ａ Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｆｌｕｉｄ ｕｓｉｎｇ ＮＭＲ Ｓｅｎｓｉｎｇ」、米国特許第６２６８７２７号「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｆｌｏｗ Ｆｒａｃｔｉｏｎｓ， Ｆｌｏｗ Ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ａｎｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅｓ ｏｆ ａ Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｆｌｕｉｄ ｕｓｉｎｇ ＥＳＲ Ｓｅｎｓｉｎｇ」を参照されたい。両特許は、少なくとも２つの磁気共鳴分光計または１つの磁気共鳴および別の電子常磁性共鳴分光計を使用するセンサーを開示する。このアプローチの基本的な原理は、両方の分光計の間の磁気共鳴励起流体核の「飛行または通過時間」として知られているものに基づく。この方法の別の変形例は、米国特許出願公開第２００４／００１５３２号「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｆｌｕｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ， ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｈａｔ ｅｎｄ」である。この場合、２つのセンサーコイルに共有されているたった１つの電子部品がある。’５３２文献に記載されたアプローチの操作原理は、’７２７文献に概説されたものと同じであり、即ち、水分子および炭化水素分子の流速が、各成分が２つのセンサーコイルの間の空間をまたぐために必要とされるそれぞれの時間を介して別々に測定される。理論的には正しいながら、比較的遅い流速に制限され、また実施するには高価であるので、この「飛行時間」のアプローチは、油田用途にはほとんど実用的な実現可能性を有さない。

磁気共鳴を用いて流体の流れを測定する別の方法は、流れの方向に配向された磁場勾配による流速の空間符号化に基づく。このアプローチは、プロトンのスピンの歳差運動の位相を変調する（静的および／または電子的にパルス状の）磁場勾配を用いる。パルス状電磁場勾配を使用する流体相分離を有する流量計は、例えば、米国特許第６４５２３９０号「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ ａｎｄ Ｆｌｏｗ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ」に開示されている。この方法は、検出可能な最大流速が、印加された磁場勾配パルスの強度に比例するという欠点を有する。従って、炭化水素の製造および輸送中に遭遇するような現実的な流速の測定は高強度の磁場勾配を必要とし、非常に短い期間の間にオンおよびオフを切り替える必要がある。このような勾配パルスは、特に油田用途で使用される典型的な導管の断面に匹敵する感知された容積にわたって達成するのが困難である。結果的に、この方法は、一般に、比較的低流量の測定に制限される。

永久的な縦勾配磁場を印加することを含むこの方法のバージョンは、米国特許出願第２００６／００２０４０３号「Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｄｉｒｅｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｌｏｗ−Ｒａｔｅ ｏｆ ａ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｆｌｕｉｄ」に記載されている。’４０３文献は、流量計およびやや斜めのフラット極性面の磁石に関連する１つのコイルによる多相流中の流体割合の測定を開示する。この装置は、磁気共鳴信号を検出するのに必要な一定の磁場に加えて、流体の流れの方向の磁場勾配を発生させる。共鳴核の時間的位置の空間的符号化が、励起および検出磁気共鳴コイルによってプローブされた容積内の線形磁場勾配によって実現される。高い流速については、この勾配は、循環複合流体を構成するプロトンの対応する符号化を達成するために増加されなければならない。より大きな永久磁場勾配は、原理上は、異なる磁石形状を使用して実現することができるが、磁場勾配強度の増加が検出された磁気共鳴信号の周波数成分の対応する増加を伴うので、この測定法はその限界に達する。（ラジオ周波数信号を送受信するために使用されるエレクトロニクスの）所与の帯域幅に対し、時間領域信号がフーリエ変換された後の周波数領域で表されるような磁気共鳴線の幅のこの広がりは、検出された信号の信号対雑音比を劣化させる。これは、ひいては、測定精度の低下を引き起こし、個々の測定に要する時間を長びかせる。また、検出されたＮＭＲ信号は、パイプ内の全ての流体ではなく、磁場勾配の方向に垂直に配向された薄片内に位置する流体からのみ由来する可能性がある。

上述の原理は、米国特許第８１４３８８７号および第８２１２５５７号でさらに進歩しており、これらの開示内容は多相流のＮＭＲ測定を行うための例示的なシステムおよび方法も含んでいる。

それらが本願でされた記述と矛盾する記述を含む場合を除き、本願で言及した参考文献の全ての全体が本明細書に組み込まれる。

上記で概説したアプローチは、流体成分の平均流量の測定に限定される。しかし、これらの方法は、液相と気相の間の定量化可能な拡散コントラストに依存しているため、それらは常に低い気体圧力または低い気体速度では正確な結果を与えないことが見出された。従って、飛行時間測定を用いることなく、多相流体の各成分の速度プロファイルをより正確に評価することができる方法および装置を提供することが望ましいままである。

米国特許第６１１１４０８号明細書 米国特許第６７３７８６４号明細書 米国特許第６８２５６５７号明細書 米国特許第６８９１３６９号明細書 米国特許出願公開第２００５／００４０８２２号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１２２７７９号明細書 米国特許第７８７２４７４号明細書 米国特許第７７１９２６７号明細書 米国特許第４７８５２４５号明細書 米国特許第６０４６５８７号明細書 米国特許第６２６８７２７号明細書 米国特許出願公開第２００４／００１５３２号明細書 米国特許第６４５２３９０号明細書 米国特許出願公開第２００６／００２０４０３号明細書 米国特許第８１４３８８７号明細書 米国特許第８２１２５５７号明細書

好ましい実施形態によれば、本発明は、飛行時間測定を用いることなく、多相流体の各成分の速度プロファイルをより正確に評価することができる方法および装置を含む。具体的には、本発明の方法の一実施形態は、多相流体が流れる、測定および分析磁気共鳴モジュール、および磁気共鳴モジュールに入る前に多相流体が流れる前分極モジュールを提供し、前分極モジュールおよび磁気共鳴モジュールに多相流体を流し、流体が磁気共鳴モジュールを流れるときに、磁場勾配の存在下で少なくとも１度および磁場勾配の不存在下で少なくとも１度ラジオ周波数パルスシーケンスを流体に印加し、ＲＦパルスシーケンスによって生成された、予め決定された数のスピンエコーの強度を測定し、印加された磁場勾配を有する少なくとも１つの非気相に対する、測定されたスピンエコーの傾きおよび切片の比と、流速との間の第１の較正を使用して、非気相の流速を決定し、印加された磁場勾配を有するおよび有さない、流速の関数としての非気相の信号強度の第２の較正を使用して、非気体信号の勾配誘起減衰を補正し、非気相の勾配補正信号強度を計算し、液体流速で測定された多相流体のＮＭＲ信号から非気相の勾配補正信号強度を減算して、気相に対応する信号を決定し、および気体信号を使用して気相の体積分率および流速を決定することを含む。

ラジオ周波数パルスシーケンスはＣＰＭＧパルスシーケンスであってもよいし、磁場勾配はＲＦシーケンスの間にパルス状であっても、一定であってもよい。気体流速の決定は、計算された気体信号の傾きおよび切片とともに、純粋な気体に対する流量較正を使用することを含むことができる。気体体積および気体速度の計算は、流れの断面積の水平方向または非水平方向の複数のセグメントに対して行われてもよい。気相の体積流量の計算は、気体の体積分率に気体の流速を乗じることを含むことができる。本発明の方法は、有利には、１５ＭＰａ未満の圧力で流れる気体を含む多相流体を評価するために使用することができる。

以下の説明は、一方向の流体の流れへの参照を含むことができるが、本発明は、双方向流について等しい適用可能性を有することが理解されるであろう。

同様に、この宣言または記述が明示的に反対を表現しない限り、冠詞「ａ（１つの）」が本発明の装置において構成要素の存在の宣言または記述において使用される場合、この不定冠詞の使用は、装置の当該構成要素の存在を数１に制限するものではないことが理解されなければならない。

以下の説明を理解するのを容易にするために、添付の図面が参照される。

本発明に従って操作可能なシステムの概略図である。 本発明に従って生成され、使用されるプロットの概略図である。 水が３．９７ｍ^３／時間で、気体が１ｍ^３／時間で流れていた水／メタンの流れに対する液体−気体測定に適用された本発明の方法の説明図である。 ３つの異なる気体の体積分率での水流量について、計算された値と既知の値の相関を示すプロットである。 ３つの異なる気体の体積分率でのガス流量について、計算された値と既知の値の相関を示すプロットである。

図１を最初に参照すると、本発明に従って操作可能なシステムは、好ましくは流体流路１０、前分極モジュール１２、磁気共鳴モジュール１４、およびコントローラ１６を備える。流路１０は、流体を運ぶことができる、好ましくは多相流体を運ぶことができる任意のラインであってよい。流路１０は、好ましくは水平であり、いくつかの例では原油または他の炭化水素生成物（これらはひいては気体状態および／または液体炭化水素ならびに液体の水または他の水素含有汚染物質、例えば、Ｈ_２Ｓを含んでもよい）を輸送するために使用されるようなパイプであってもよい。流路１０を流れる流体が、前分極モジュール１２および磁気共鳴モジュール１４によって印加される磁場に曝されるように、流路１０は、好ましくは同心円状に、前分極モジュール１２および磁気共鳴モジュール１４を通る。

前分極モジュール１２は、磁場を提供するための手段を含み、必ずしも必要ではないが好ましくは、可変有効長さの磁場を提供するための手段を含む。いくつかの実施形態では、前分極モジュール１２は、磁石の１つ以上のハルバッハ配列を含んでもよい。

磁気共鳴モジュール１４は、好ましくは、ラジオ周波数（ＲＦ）パルスシーケンスを印加することができる少なくとも１つのコイルを含む。コイルは、ソレノイド構成、鞍形状、またはバックグラウンド磁場に垂直に配向され、モジュール１４内の流体の全体積を覆う予測可能な磁場の印加をもたらす任意の他の適切な構成に巻かれることができる。

流路１０は、好ましくは、前分極モジュールの内部に位置する部分に対し非磁性材料から構成され、磁気共鳴モジュール内に位置する部分に対し非導電性材料から構成される。しかし、ＲＦ−および勾配コイルがパイプの内側に取り付けられている場合には、流路１０はステンレス鋼のような、非磁性しかし導電性パイプの材料から構成することができる。

依然として図１を参照すると、好ましくは、前分極モジュール１２および磁気共鳴モジュール１４は、好ましくは、当技術分野で知られているようなマイクロプロセッサ／コンピュータであるコントローラ１６によって制御される。所望であれば、油田の規制への準拠を容易にするために、コントローラ１６をモジュール１２および１４から離して配置することができる。

好ましい実施形態では、流体がモジュールに入る前に層流が確立されることを確保するために、システムは、前分極モジュール１２の上流に十分な長さの直管も含む。層流を確保するために必要な直管の長さは、パイプ内の予想される流体速度の範囲に依存し、数メートル（ｆｅｗ ｍｅｔｅｒｓ）から数メートル（ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｅｒｓ）であってよい。

計器への乱流を最小化するために、計器のＩＤを、計器の上流の管の内径と一致させ、できる限り正確に整合させることが好ましいが、必須ではない。

計器に入る前に、流体からあらゆる金属破片を除去する働きをする磁場「キャッチャー」も好ましく設けられる。生産された流体が、ビットおよび他のダウンホール器具から掻き取られたまたは削ぎ落とされた金属の粒子、および掘削孔に存在し得るその他のランダムな金属片をはじめとする、様々な源からの金属破片を含むことは、炭化水素の生産において非常に一般的である。磁場キャッチャーは、好ましく計器の近くであって、流路における計器の上流、しかし、その磁場が計器の動作を妨害せず、キャッチャーによって誘発される流体の磁気分極が、流体が前分極モジュール１２に入る前に消失することを確保するのに十分離れているように配置される。

最後に、計器がポンプまたは他の装置のような振動源から機械的に分離されるように、計器を配置し、取り付けることが好ましい。

さらに図１を参照すると、理解されるように、前分極モジュール１２は、特定の原子核が該モジュールを通過するときに特定の原子核を均一な配向に配向するのに役立つ。配向させることができる核の種類の中には、奇数のプロトン（^１Ｈ）もしくは中性子（^１３Ｃ）またはプロトンおよび中性子（^２Ｈ）の両方を有するものがある。水素は気体および液体の両方の炭化水素ならびに水中に豊富にあるので、典型的な油田の流体中の水素の存在を評価することができることは有用である。磁気共鳴モジュール１４は、同時ではないが、送信機およびセンサーの両方として機能する。配向核によって引き起こされる磁場は、磁気共鳴モジュール１４によって検出可能である。

システムを流れる流体に対し、磁気共鳴モジュール１４は減衰する磁場を感知することとなるが、ここで経時的な信号振幅の減少は、磁気共鳴モジュール１４を出る配向核の流れならびに配向状態の自然減衰および歳差運動スピンの位相コヒーレンスの損失の両方の結果である。

本発明の好ましい実施形態によれば、磁気共鳴モジュール１４が流体にパルス状磁場を印加する間、前分極モジュール１２が所望の間隔で操作され、有効長を変化させる。その「オフ」サイクルの間、磁気共鳴モジュール１４はセンサーとして作動する。

図２は、磁気共鳴モジュール１４からの出力、および典型的なパルスシーケンスの間、磁気共鳴モジュールによって感知される信号を示す図である。感知された場の振幅は、時間の経過とともに減少する。ここでも、経時的な振幅の減少は、磁気共鳴モジュール１４から出る配向核の流れ、および配向状態の自然減衰の両方の結果である。これらの測定値は各パルスシーケンスの持続時間にわたって集められ、多相流体中の少なくとも２相の体積分率を示す。短時間近似および合理的な流量について、米国特許第７７１９２６７号および第７８７２４７４号に記載されるように、測定された減衰は、多くの場合、配向核の流れによって支配され、流量測定として使用することができる。

一例として、最初の測定は、横ＮＭＲ緩和時間Ｔ２を測定するように適合されたパルスシーケンスを用いて行われる。適切なシーケンスの一例は、Ｃａｒｒ Ｐｕｒｃｅｌ Ｍｅｉｂｏｏｍ Ｇｉｌｌ（ＣＰＭＧ）シーケンスである。当分野で知られているように、ＣＰＭＧシーケンスは、図２の送信機に関連して示されるように、９０°ラジオ周波数パルス、その後の一連の連続する１８０°パルスからなるスピンエコーパルスシーケンスである。典型的には、数百から数千のこれらのＲＦパルスは、単一のシーケンスにおいて印加される。図２の受信機に関連して示されるように、得られた自由誘導減衰（ＦＩＤ）およびスピンエコーは、最初の９０°ラジオ周波数パルスの後、１８０°ラジオ周波数パルスの間に流量計の受信機によって検出される。図からわかるように、スピンエコー最大値の包絡線は、時定数Ｔ２と指数関数的に減衰する。ゼロ時間へのスピンエコー包絡線の外挿、即ちＦＩＤ信号の初期振幅は、正味の磁化を生成する。較正後、正味の磁化は、共鳴中の核の数、ひいては流体の体積の直接的な尺度である。従って、好ましい実施形態では、勾配／切片の決定が、予め確立された較正とともに流速を決定するために使用される。これらの概念は、２０１１年３月６から９日、バーレーン、マナマで開催されたＳＰＥ中東石油およびガスショーおよび会議で発表された論文ＳＰＥ １４１４６５、Ｍ． ＡｐｐｅｌおよびＪ．Ｊ． Ｆｒｅｅｍａｎ、およびＤ． Ｐｕｓｉｏｌ， ２０１１． Ｒｏｂｕｓｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙに詳細に記載されている。

上述の技術は、気体−液体の流れを測定するには不十分であることが断定された。その不足に対処するために、液相と気相の間の定量化可能な拡散コントラストに依存しない新しい方法が発見された。新しい技術は、気相、典型的にはメタン、と液相の間の水素指数におけるコントラストに依存する。

貯留層流体に対する水素指数の導出は、当分野で十分に議論されてきた。プロトン（１Ｈ）ＮＭＲの目的に対し、水素指数（ＨＩ）は、サンプル中の水素量と標準条件（ＳＴＰ）下での純水中の水素量との比として定義される：

式中、ρ_ｍはｇ／ｃｍ^３で表される流体の質量密度であり、Ｎ_Ｈは分子内の水素原子の数であり、Ｍは流体の分子量である。最後の式の分母０．１１１は、標準条件での水の１立方センチメートル中の水素のモルを表す。その結果、分子は、測定条件で同じ体積のバルクサンプル中の水素のモル数である。

上述のように、あらゆる磁場勾配無しのＣＰＭＧ測定の初期振幅は、流出量および水素指数の影響によって重み付けされるパイプの感知部分内の流体の割合を表す。１０００から２０００ｐｓｉまでの流体管路頭圧（ｆｌｏｗｉｎｇ ｔｕｂｉｎｇ ｈｅａｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）において、メタンの信号は、低い気体水素指数のため、測定されたＮＭＲ信号の１０％から１５％に寄与するにすぎない。

一定の磁場勾配がＣＰＭＧパルスシーケンス全体の間に印加される場合、ＮＭＲ信号全体は、磁場勾配の強度、それに続く１８０°パルス間の持続時間、および流体の拡散率に比例してさらに減衰される。この一定の磁場勾配は、試験したスライスの厚さを減少させることが理解される。しかし、ＲＦ受信機の広い帯域幅および低い勾配強度に起因して、測定されたスライスは、典型的には、パイプ断面よりもまだ広い。

気体の高い拡散係数のために、所与の数の取得の繰り返しでは、測定された信号全体の勾配誘起減衰は、検出レベル未満の気体信号の抑制をもたらす。同時に、より拡散性の少ない液体信号は、その高い初期（非勾配）信号および強度のために未だ測定可能であるであろう。その結果、一定の磁場勾配が印加された場合に検出されたＮＭＲ信号は、水の応答および油の応答によって支配されることとなる。

ＣＰＭＧ ＲＦパルスシーケンスの間で切り替えられる磁場勾配を有する個々の液相の傾きおよび切片の比と流速との間の較正を使用して、液相の流速を決定することができる。磁場勾配は、ＣＰＭＧ ＲＦパルスシーケンスの間に一定であっても、パルス状であってもよい。

印加磁場勾配パルスを有するおよび有さない、流速の関数としての純粋な液相の信号強度の間の第２の較正を使用して、液体信号の勾配誘起減衰を補正し、一定の勾配の不存在下での液相の勾配補正信号強度を計算することができる。

予め決定された液体の流速で測定された純粋な液体のＮＭＲ信号の強度に対する液相の勾配補正強度の比を、液相の体積分率を計算するために使用することができる。

さらに、印加される一定の勾配の不存在下で得られた信号から勾配補正液体信号を減算すると気体信号が得られる。この差分気体信号の傾きおよび切片は、純粋な気体に対する流量較正を使用して、気体流速に対し較正することができる。気体の体積分率を決定するために、液相の体積分率を用いることができる。この気体体積分率に予め決定された気体流速およびパイプの断面積を掛けると、気相の体積流量が与えられる。

前述の解析方法がいくつかの水／気体の測定にうまく適用された。一例として、図３は、約４ｍ^３／時で流れる水および１ｍ^３／時で流れる気体に対するこの手順を示す。図３では、線３２は印加されたあらゆる磁場勾配なしの、上述したようなＣＰＭＧ測定を表し、線３４は勾配の存在下で受信された信号を表し、線３６は一定勾配の不存在下での液相の勾配補正信号強度を表し、線３８は、元の勾配のない信号３２から勾配補正液体信号３６を減算することにより得られた気体信号を表す。

図４および５はそれぞれ、水および気体部分について、既知の流量と、上記の方法を用いて得られた結果との相関関係を示す。測定は、３つの異なる気体体積分率および多様な流量に及んだ。図から分かるように、既知の値と計算値の間の相関は、特に液相については高い。水平のぞき窓を使用すると、一定の気体−体積分率で、気体によって占有される断面積が、流量の増加に伴って減少することが認められた。これは、気相のすべり速度の増加を示し、また、流れのために利用可能な断面積がより大きくなるために、水の流速は、流量の増加に伴う比例的な増加よりも少なく増加することを暗示する。また、この断面積の変化は、組み合わされた流体密度の測定によっては体積流量割合についての情報が提供されないことを示す。

好ましい実施形態では、システムは、流量の一連の水平セグメントのそれぞれから受信される信号を感知するように構成される。気体のようなあまり密度の高くない流体は、多相系で頂部に移行するので、流れを水平に「スライスすること」は、層状流の個々の部分について上記の方法を適用することを可能にする。従って、流体組成物および速度は、各「スライス」に対し決定され、全流のより正確な特徴付けを得ることが可能になる。

本発明は、０．３ｍ／秒未満、さらには０．２ｍ／秒未満で磁気共鳴モジュールを通る流体の流れの有意義な特徴付けを提供することが見出された。同様に、本発明は、気体を含む多相流体の流れの有意義な特徴付けを提供することが見出され、気体は１５ＭＰａ未満、さらには８ＭＰａ未満の圧力で磁気共鳴モジュールを流れる。

この開示の好ましい実施形態を炭化水素／水混合物の特徴付けに関して説明してきたが、本発明は油田の用途に限定されるものではない。本発明は、好ましくは、しかし必然的ではないが、石油生産ライン、または表面、地下、陸上および海上用途のために多相流体を輸送する他の導管に適用される。例えば、本明細書で概説された測定法を、多相流体の構成を決定することが望ましい任意の他の技術分野にも適用することができる。

Claims (8)

1. ａ） 多相流体が流れる、測定および分析磁気共鳴モジュールを提供し、
   ｂ） 磁気共鳴モジュールに入る前に多相流体が流れる前分極モジュールを提供し、
   ｃ） 前分極モジュールおよび磁気共鳴モジュールに多相流体を流し、
   ｄ） 多相流体が磁気共鳴モジュールを流れるときに、磁場勾配の存在下で少なくとも１度および磁場勾配の不存在下で少なくとも１度ラジオ周波数（ＲＦ）パルスシーケンスを多相流体に印加し、ＲＦパルスシーケンスによって生成された、予め決定された数のスピンエコーの強度を測定し、
   ｅ） 印加された磁場勾配を有する少なくとも１つの非気相に対する、測定されたスピンエコーの傾きおよび切片の比と、流速との間の第１の較正を使用して、非気相の流速を決定し、
   ｆ） 印加された磁場勾配を有するおよび有さない、流速の関数としての非気相の信号強度の第２の較正を使用して、非気体信号の勾配誘起減衰を補正し、非気相の勾配補正信号強度を計算し、
   ｇ） 工程ｄ）で測定された多相流体のＮＭＲ信号から工程ｅ）で決定された液体流速での非気相の勾配補正信号強度を減算して、気相に対応する信号を決定し、および
   ｈ） 気相の体積分率および流速を決定することであって、気体流速が、工程ｇ）で決定された気体信号の傾きおよび切片とともに純粋な気体に対する流量較正を使用して決定される、気相の体積分率および流速を決定すること
   を含む飛行時間測定を使用しないでパイプ中を流れる多相流体における気体流速を決定する方法。
2. ラジオ周波数パルスシーケンスがＣａｒｒ Ｐｕｒｃｅｌ Ｍｅｉｂｏｏｍ Ｇｉｌｌ（ＣＰＭＧ）パルスシーケンスである請求項１に記載の方法。
3. 磁場勾配がＲＦシーケンスの間一定である請求項１に記載の方法。
4. 磁場勾配がＲＦシーケンスの間パルス状である請求項１に記載の方法。
5. 少なくとも工程ｅ）からｈ）が流れの断面積の複数のセグメントに対して実行される請求項１に記載の方法。
6. 流れの断面積のセグメントが水平セグメントである請求項５に記載の方法。
7. 工程ｈ）が、気体の体積分率に気体流速を乗じて気相の体積流量を得ることをさらに含む請求項６に記載の方法。
8. 多相流体が気体を含み、この気体が１５ＭＰａ未満の圧力で磁気共鳴モジュールを流れる請求項１に記載の方法。

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