УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФРАКЦИЙ ФАЗ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ, ОПТИМИЗИРОВАННЫЙ ДЛЯ НЕОСУШЕННОГО ГАЗА Российский патент 2013 года по МПК G01N23/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится, в общем, к области измерения свойств текучей среды с использованием рентгеновского излучения. Более конкретно, изобретение относится к способам и устройствам, использующим рентгеновское излучение для определения фракций жидкой фазы многофазных текучих сред, в которых газ составляет главную часть исследуемой текучей среды.

Уровень техники

Стволы скважин бурят в геологические пласты с целью извлечения таких полезных ископаемых в виде текучих сред, как нефть из подземных пластов. Обычно, когда пластовую текучую среду извлекают из пластов и перемещают в ствол скважины, она состоит из смеси различных фракций нефти, газа и воды. Некоторые операции эксплуатации скважины, например, включают в себя закачку текучей среды, такой как вода, природный газ или двуокись углерода в ствол скважины, пробуренной через те же пласты и вблизи ствола скважины, добывающего текучую среду для способствования выдавливанию пластовой текучей среды из пластов в ствол добывающей текучую среду скважины. Измеритель фазовых фракций используют в таких случаях с размещением в стволе добывающей текучую среду скважины для показа, когда нежелательные текучие среды, такие как вода, двуокись углерода или природный газ извлекаются из конкретного подземного пласта вместе с необходимой текучей средой, такой как нефть. Информация, касающаяся объемов фракций конкретных текучих сред, извлекаемых из ствола скважины, также является полезной для оптимизирования добычи текучей среды из подземного коллектора. Газожидкостное отношение и водонефтяной фактор, например, являются важными, и постоянно осуществляется мониторинг таких отношений, которые могут помогать определению наилучшего использования коллектора.

Кроме того, текучая среда с высоким фракционным объемом воды должна быть в денежном выражении менее ценной, чем текучая среда с высоким фракционным объемом других компонентов, таких как газ и нефть. При определении фракционных объемов каждого компонента, газа, нефти и воды еще в процессе извлечения текучей среды из коллектора, становится возможным оценивать экономическую отдачу любой операции, влияющей на добычу текучей среды из подземного коллектора. При испытании текучей среды, полученной из неизвестного источника, также для покупателя добываемой текучей среды становится возможным определение идентичности фракций текучей среды представленной производителем текучей среды, фактически поставленным производителем текучей среды.

Один подход для определения фракционного состава текучей среды, известный в технике, включает в себя использование сепаратора или большой емкости для физического хранения некоторого количества текучей среды, извлеченной из скважины. Расслоение различных компонентов текучей среды происходит в емкости под действием силы тяжести. Такой процесс требует стабильных условий внутри сепаратора, и получение результатов может потребовать продолжительного времени. Требуемую степень стабильности условий может быть трудно или невозможно получить, и вследствие продолжительного времени, необходимого для получения разделения компонентов текучей среды, такая методика может создавать препятствия экономичной добыче углеводородов, поскольку приток из ствола скважины должен останавливаться во время процесса тестирования. Системы на основе сепараторов могут также давать ошибочные результаты, когда имеется некоторое смешивание различных компонентов текучей среды («фаз»). Кроме того, вязкие текучие среды, такие как тяжелая нефть, делают сложным точную сепарацию и испытание.

Другие системы, известные в технике, могут обеспечивать определение фазовых фракций по существу «в режиме реального времени» с использованием источника излучения и детектора. Такие устройства измерения фракционного состава используют химические изотопные источники излучения и могут развертываться на продолжительное время в необслуживаемых местах работы. Места работы часто не являются безопасными, и могут подвергаться воздействию различных окружающих условий. Безопасность и риски для окружающей среды, связанные с химическими изотопными источниками излучения, делают необходимым использование не химических источников излучения для устройств измерения фракционного состава текучей среды. Электрические генераторы излучения могут исключить часть упомянутых выше проблем, но большинство электрических генераторов излучения (таких как генераторы рентгеновского излучения) имеют излучение на выходе, связанное со степенью точности, с которой можно контролировать напряжение срабатывания и ток мишени. В результате имеются некоторые преимущества использования химических источников. В частности, изменение их излучения на выходе во времени является стабильным, обеспечивающим источникам хорошо прогнозируемую интенсивность потока излучения.

Пример использования электрического генератора рентгеновского излучения для определения объемного фракционного состава текучей среды описан в Патенте США № 5689540, выданном Stephenson et al. и переуступленном патентообладателю настоящего изобретения. Устройство, описанное в указанном патенте, представляет собой систему направления спектра фотонного излучения через образец текучей среды и определение фракций текучей среды анализом детектируемого излучения после прохождения через образец текучей среды.

Другое устройство описано в патентной заявке США № 11/425285, зарегистрированной 20 июня 2006 г. под названием «HIGH PERFORMANCE X-RAY MULTIPHASE FRACTION METER» и переуступленной патентообладателю настоящего изобретения. Такое устройство включает в себя генератор рентгеновского излучения со специальным фильтром, размещенным на выходе генератора рентгеновского излучения. Прошедшие фильтр рентгеновские лучи из генератора детектируются как на нормирующем детекторе, который, по существу, расположен непосредственно на выходе излучения генератора, так и на измерительном детекторе, расположенном на пути прохождения излучения через камеру, в которой размещен анализируемый образец текучей среды. Фракционные объемы трех различных фаз, газа, нефти и воды, можно определять посредством анализа излучения, детектируемого измерительным детектором. Измерения нормирующего детектора используют для автоматического управления различными параметрами работы генератора рентгеновского излучения, так что на анализ сигналов измерений детектора относительно не влияют изменения на выходе генератора рентгеновского излучения. Система, описанная в следующей ниже патентной заявке, дает увеличение точности при условиях, включающих в себя высокий фракционный объем газа, например, при объеме газовой фракции 90 процентов или более, в исследуемой текучей среде. Соответственно, необходимо иметь устройство анализа фракций многофазной текучей среды с улучшенной точностью в условиях высокого фракционного объема газа.

Сущность изобретения

Устройство для определения фракционных количеств каждой фазы многофазной текучей среды включает в себя генератор рентгеновского излучения. Камера для образца выполнена с возможностью приема образца текучей среды для анализа. Камера размещена на пути выхода излучения из генератора. Фильтр размещен на пути излучения между выходом генератора и входом излучения в камеру для образца. Первый детектор излучения установлен на пути излучения из камеры для образца после прохода излучения через камеру для образца. Толщину и материал фильтра выбирают для оптимизирования разрешения излучения, детектируемого первым детектором, по изменениям в объемных фракциях нефти и воды в образце текучей среды, когда газовая фракция составляет между около 90-100 процентов.

Способ определения объема фракций выбранных компонентов текучей среды согласно другому аспекту изобретения включает в себя генерирование рентгеновских лучей посредством ускорения электронов, направляемых в материал мишени. Ускорение электронов является управляемым, и генерирующиеся рентгеновские лучи фильтруют так, что прошедшие фильтр рентгеновские лучи имеют заданный энергетический спектр, оптимизированный для разложения на объемные фракции нефти и воды, размещенные в газе, при этом, объем фракции газа составляет между около 90 и 100 процентов. Прошедшие фильтр рентгеновские лучи пропускают через образец текучей среды. Рентгеновские лучи в выбранных энергетических диапазонах, прошедшие через образец текучей среды, детектируют. Фракционные объемы газа, нефти и воды определяют детектированием рентгеновских лучей.

Другие аспекты и преимущества изобретения должны быть ясны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показан пример устройства для анализа текучей среды.

На Фиг. 1A показан другой пример устройства анализа текучей среды.

На Фиг. 2 показан график чувствительности контрольно-измерительного устройства к жидким фракциям нефти и воды, как функции энергии излучения, используемой для выполнения измерений.

На Фиг. 3 показан график соотношений скорости счета детектора для различных толщин фильтра излучения для различных разностей потенциалов мишени рентгеновского излучения.

На Фиг. 4 показан график скоростей счета детектора для различных толщин фильтра излучения для различной разности потенциалов мишени рентгеновского излучения.

На Фиг. 5 показан пример спектра энергии рентгеновского излучения, произведенного пропуском рентгеновских лучей через фильтр и работой генератора рентгеновского излучения с выбранным напряжением мишени.

Подробное описание изобретения

Устройство согласно различным аспектам изобретения можно использовать в стволе скважины, пробуренной через подземные геологические пласты. Устройство, согласно изобретению, можно также использовать для мониторинга выходящих потоков нефтяных/газовых скважин, и можно размещать на земной поверхности, как на морском дне на подводном сооружении, так и на морской платформе или на суше. При использовании в стволах скважин, такое устройство можно спускать в ствол на бронированном электрическом кабеле («каротажном кабеле»), на «колонне» бурильных труб или насосно-компрессорных труб, гибкой насосно-компрессорной трубе, на тросе или любом другом спускоподъемном механизме, известном в технике. Устройство согласно изобретению можно также размещать в стволе скважины на постоянной основе. Соответственно, устройство описано безотносительно к способу его размещения, месту размещения или средству спускоподъема, поскольку указанное выше не является ограничением объема настоящего изобретения.

Пример устройства для анализа фракционных объемов жидкой фазы в многофазной текучей среде, конкретно, в текучей среде, включающей в себя высокий фракционный объем газа (например, 90 процентов или больше), показан схематично на Фиг. 1. Устройство 10 включает в себя камеру 12, которую можно разместить в струе потока текучей среды, такой как в оборудовании устья скважины, пробуренной через подземные геологические пласты. Камеру 12 можно выполнить так, что текучая среда, размещенная в ней, находится под давлением окружающей текучей среды струйного потока. Другие компоненты устройства 10, размещенные сбоку, примыкающими к камере 12, могут размещаться в различных корпусах (не показано) для эксплуатации при атмосферном давлении на поверхности, что является обычным вариантом для некоторых типов контрольно-измерительных приборов, размещенных в струе потока текучей среды. Камера 12 показана на Фиг. 1 цилиндрической, вместе с тем конкретная форма камеры 12 не направлена на ограничение объема изобретения. Например, камеру типа «трубки Вентури», показанную в патенте США № 6097786, выданном Groves et al и переуступленном патентообладателю настоящего изобретения, можно использовать в некоторых примерах. В таких примерах возможен подсчет объемного расхода каждой фазы образца текучей среды, проходящего анализ, посредством измерения перепада давления в трубке Вентури и определения объема фракции каждой фазы способом, описываемым ниже. Посредством определения перепада давления и объема фракции для каждой жидкой фазы, расход каждой фазы можно определить с использованием методик, известных в технике.

Образцы текучей среды, подлежащие анализу, в общем, проходят через камеру 12, где они подвергаются воздействию рентгеновских лучей, создаваемых генератором 20 рентгеновского излучения, образующего часть устройства 10. Рентгеновские лучи, проходящие через образец текучей среды, регистрируются измерительным детектором 16, выходные данные которого используют для получения характеристик образца текучей среды, проходящего через камеру 12. Работа генератора 20 рентгеновского излучения и детектора 16 измерений дополнительно рассмотрена ниже.

Прозрачные для излучения окна 14, 14A могут располагаться на противоположных боковых сторонах камеры 12 для образования пути излучения с входным отверстием в камеру 12 и выходным отверстием из камеры 12. Окна 14A, 14B могут быть выполнены, например, из карбида бора (B₄C), который должен передавать фотоны с выбранной энергией, ослабляя излучение, не более, чем на выбранную величину. Материал, предпочтительно, способен выдерживать давление текучей среды в напорном трубопроводе, а также передавать излучение, как объяснено выше. Окна 14, 14A настоящего примера могут каждое иметь толщину около 4 мм, так что рентгеновская энергия фотонного излучения в диапазоне между около 18-60 кэВ (тысяч электрон вольт) должна быть ослаблена обоими окнами 14, 14A самое большое на около 90 процентов. Таким образом, интенсивность рентгеновской энергии фотонного излучения, приложенной снаружи (на удалении от камеры 12) поверхности одного окна (14A на Фиг. 1), уменьшается на около 90 процентов ко времени достижения внешней поверхности противоположного окна (14 На Фиг. 1), когда камера 12 пуста. Толщину окон 14, 14A можно выбирать из условия сопротивления разрушению выбранным гидростатическим давлением. Окна 14, 14A настоящего примера могут противостоять внешнему давлению до 15000 фунт/дюйм² (1050кг/см² или 103500 кПа).

Детектор 16 измерений может быть соединен с противоположным окном 14 или иначе размещен вблизи внешней поверхности окна и, как описано выше, выполнен с возможностью регистрации излучения после его прохождения через любой материал (не показано на Фиг. 1), размещенный в камере 12. Детектор 16 измерений может являться сцинтилляционным счетчиком, включающим в себя сцинтилляционный кристаллический детектор 16A, соединенный с фотоумножителем 16B. Как известно в технике, излучение, входящее в кристалл 16A, должно вызывать вспышки света в кристалле, амплитуда которых пропорциональна энергии входящего излучения. В некоторых примерах, сцинтилляционный кристалл 16A может включать в себя источник калибровки энергии («начальный источник» - не показано). Такой начальный источник можно использовать для калибровки выходной мощности детектора 16 измерений для создания возможности определения абсолютного уровня энергии входящих фотонов рентгеновского излучения и других. См., например, Патент США № 4879463, выданный Wraight et al и переуступленный патентообладателю настоящего изобретения. Одним не ограничивающим примером такого источника калибровки является изотоп цезий 137, испускающий монохроматические гамма-лучи с уровнем энергии около 662 кэВ. В некоторых примерах, измерительный детектор может включать в себя вспомогательные устройства, выполненные с возможностью поддержания стабильности детектирования в отношении интенсивности и уровня энергии входящего излучения. Один такой детектор и вспомогательные устройства описаны в публикации международной патентной заявки WO 2001/096902, зарегистрированной Perciot et al. Такой детектор, использующийся в устройстве 10, может обеспечивать преимущество более высокой точности, чем примеры устройства 10 с использованием других типов детектора излучения, поскольку описанный детектор предлагает очень высокую стабильность.

Излучение для выполнения измерений для получения характеристик текучей среды в камере 12 может быть создано генератором 20 рентгеновского излучения 20. Генератор рентгеновского излучения 20 может включать в себя термический катод 20B, выполненный из материала, способного к испусканию электронов (e^-) при нагреве. Источником нагрева в генераторе 20 рентгеновского излучения может являться нагреватель 20A по типу сопротивления. Для электронов, испускаемых катодом 20B, могут поддерживать высокую отрицательную разность потенциалов относительно анода 20C мишени, так что электроны, испускаемые катодом 20B, притягиваются к аноду 20C мишени и ударяют по нему. В таких примерах анод мишени имеет потенциал земли. Возможным преимуществом такой конфигурации является исключение необходимости электроизоляции мишени от внешней поверхности генератора, таким образом, упрощая конструкцию и увеличивая надежность генератора. В настоящем примере анод 20C мишени (или просто «мишень») может быть выполнен из золотой фольги, с толщиной, выбранной, по существу, для остановки прохода через нее электронов с энергией менее 100 кэВ, но обеспечивая сравнительно свободную передачу рентгеновских лучей с энергией более около 10 кэВ. Конец с мишенью генератора 20 рентгеновского излучения может включать в себя подходящий экран (не показан отдельно) так, что рентгеновские лучи могут достигать детектора 16 измерений и нормирующего детектора 18, по существу, только вдоль прямых путей перемещения, показанных на Фиг. 1. Фильтр 20D размещен вблизи поверхности мишени 20C противоположной поверхности, открытой воздействию электронов от катода 20B. Функции и конструкция фильтра 20D дополнительно описаны ниже. Хотя это не показано на Фиг. 1, вышеупомянутые компоненты генератора рентгеновского излучения 20 обычно размещены в вынимающемся корпусе. Выход рентгеновского излучения через стенку такого корпуса (не показано), обычно вблизи мишени 20C и фильтра 20D, может быть выполнен через прозрачное для излучения, стойкое к давлению окно (не показано), например, из бериллия. Одним примером такого окна может являться бериллиевая пластина или диск с толщиной около 0,25 мм. Некоторые рентгеновские лучи, испускаемые генератором 20 рентгеновского излучения, могут проходить прямо на нормирующий детектор 18, размещенный вблизи генератора 20 рентгеновского излучения. Нормирующий детектор 18 может являться сцинтилляционным счетчиком, аналогичным по конструкции детектору 16 измерений, и может включать в себя сцинтилляционный кристалл 18А и фотоумножитель 18В. В некоторых примерах, кристалл 18B нормирующего детектора может включать в себя начальный источник (не показано), как описано выше. В других примерах нормирующий детектор 18 может являться аналогичным по конструкции детектору, описанному в публикации WO 2001/096902 международной патентной заявки, зарегистрированной Perciot et al, изложенной выше.

Выход каждого фотоумножителя 16B, 18B можно соединить с многоканальным анализатором («MCA») 22 высоты импульса, размещенным в других компонентах устройства 10 или близи их. Многоканальный анализатор 22 может генерировать цифровой единичный сигнал или одиночный импульс счета, или аналогичный сигнал, соответствующий каждому электрическому импульсу от каждого фотоумножителя 16B, 18B с выбранной амплитудой, или амплитудой в выбранном диапазоне. Таким образом, выход многоканального анализатора 22 может включать в себя ряд одиночных импульсов счета для каждого из выбранного числа энергетических «окон» (диапазонов), детектируемых каждым детектором 16, 18 в выбранных интервалах времени. Одиночные импульсы счета многоканального анализатора 22 можно вывести на контроллер 24, который может являться устройством на базе микропроцессора, для анализа, как дополнительно описано ниже.

Контроллер 26 высокого напряжения может создавать напряжение срабатывания для каждого из фотоумножителей 16B, 18B и мишени 20D. В настоящем примере, на катоде 20A, 20B может поддерживаться высокое напряжение, и мишень 20C может иметь потенциал земли. Контроллер 26 высокого напряжения может работать под управлением контроллера 24, так что выбранное напряжение прикладывается к каждому из фотоумножителей 16B, 18B и мишени 20D в любой момент времени. Контроллер 24 может также давать сигнал управления на нагреватель 20A для регулирования его выхода так, что электрический ток, проходящий через генератор 20 на мишень 20D (называемый «ток луча»), поддерживается выбранной величины для любой выбранной величины высокого напряжения, приложенного к мишени 20D. Способ управления током луча и напряжениями мишени описан дополнительно ниже. В других примерах можно использовать отдельный контроллер высокого напряжения для фотоумножителей 16B, 18B и генератора 20 рентгеновского излучения.

Другой пример показан на Фиг. 1A. Образец текучей среды проходит через канал 505 в ячейку 506 образца, которая в настоящем примере может являться камерой Вентури. В ответ на ввод высокого напряжения, генератор 502 рентгеновского излучения создает излучение, проходящее через фильтр 504. Прошедшее фильтр излучение может затем проходить по двум путям. Отметим, что для оптимальной работы, генератор 502 рентгеновского излучения можно установить симметрично относительно двух путей, так что действие фильтра 504 на излучение, проходящее по двум путям, является насколько возможно идентичным. Первый путь 516 является путем измерения, где излучение проходит через ячейку 506 образца и текучую среду 505 в ней и далее на измерительный детектор 508. Второй путь 514 является нормирующим путем, где излучение проходит напрямую от генератора 502 рентгеновского излучения на нормирующий детектор 510. В одном примере выходные данные двух детекторов излучения 508, 510 направляют на систему 512 управления и сбора данных. Информацию из детекторов направляют из системы сбора данных по кабелю или проводу 517 на блок 518 анализа.

В примерах устройства для определения фазового состава смесей «неосушенного газа», то есть смесей природного газа, включающих в себя самое большее около 10 процентов рассола и/или жидкого углеводорода, толщину и состав фильтра 20D, рабочего напряжения для генератора 20 рентгеновского излучения (приложенного между катодом 20B и мишенью 20C) и ток луча в генераторе 20 рентгеновского излучения выбирают такими, что разрешение устройства 10 является оптимизированным относительно изменений состава компонентов жидкой фазы такой смеси неосушенного газа.

Следующие условия относятся к толщине и составу фильтра 20D и току мишени и напряжению мишени (катод). Первое, в настоящем примере, мишень 20C выполнена из золотой фольги толщиной 5 микрон. Такая толщина и состав фольги дают спектр рентгеновского излучения Бремстреллунга, определенный подходящим для целей изобретения. Фильтр 20D выбран так, что энергетический спектр рентгеновских лучей, входящих в камеру 12 через входное окно 14A, включает в себя два, четко выраженных пика энергии (локальные максимумы количества фотонов на каждом из двух отдельных уровней энергии), определенных в данном документе, как пик низкой энергии и пик высокой энергии. Предпочтительно, пик низкой энергии является предельно низким для практического улучшения чувствительности измерений для проведения различия между нефтью и водой.

Посредством численной имитации реагирования устройства, такого как показанное на Фиг. 1, определено, что смесь 10 процентов нефти в 90 процентах газа, при давлении 5000 фунт/дюйм² (350кг/см² 34500кПа) и температуре 100 градусов C должна иметь максимальный контраст ослабления рентгеновских лучей по сравнению со смесью 10 процентов воды в 90 процентах газа при аналогичных условиях давления и температуры и энергии рентгеновского излучения около 18 кэВ. График, показывающий разницу реакции поглощения для воды, как жидкой фазы и нефти, как жидкой фазы показан на Фиг. 2. Одним отличием фильтра 20D поэтому является наличие относительно высокого поглощения энергии для фотонов только выше около 18-20 кэВ. Примеры материалов, имеющих «границу К-полосы поглощения» при подходящей величине, показаны ниже в Таблице 1. «Граница К-полосы поглощения» относится к пороговой энергии, требующейся для такого снабжения энергией электронов на орбите К-оболочки вокруг атомного ядра, что электроны выбрасываются из атома.

Таблица 1 Полосы поглощения рентгеновских лучей Элемент К-полоса Y 17,0384 Zr 17,9976 Nb 18,9856 Mo 19,9995 Tc 21,0440

На основе вышеупомянутой имитации определено, что подходящим материалом для фильтра 20D может являться элемент с атомным номером (Z) в диапазоне около 38-45 или смеси таких элементов. В одном примере, фильтр 20D может быть выполнен из молибдена. Молибден (Mo) имеет характеристическую границу полосы поглощения рентгеновских лучей 19,9995 кэВ. С использованием такого фильтра, энергия выше границы полосы поглощения существенно ослабляется от спектра энергии рентгеновского излучения Бремстреллунга выше границы полосы поглощения, до приближения энергии рентгеновского излучения к конечной энергии Бремстреллунга.

Выбрав подходящий материал фильтра, его толщину и рабочее напряжение, которое можно использовать, в некоторых примерах определяли имитацией устройства, аналогичного показанному на Фиг. 1. На Фиг. 3 показаны графики соотношения сымитированной скорости счета (соотношений одиночных импульсов счета, регистрировавшихся в окне высокой энергии с одиночными импульсами счета, регистрировавшимися в окне низкой энергии) для различных толщин фильтров и напряжений на мишени генератора рентгеновского излучения на кривых 30-48. Толщина фильтра находится в пределах от 50 микрон (кривая 30) до 500 микрон (кривая 48). Соотношение показателей счета рентгеновских лучей с энергией около пика высокой энергии и около пика низкой энергии может находиться в диапазоне от около 10 до 1. Такой численной имитацией определено, что практический диапазон напряжения мишени около 40-50 кВ.

Считается, что общая скорость счета (высокой энергии плюс низкой энергии) должна составлять, по меньшей мере, 1×10⁴ одиночных импульсов счета/секунда/микроампер тока электронного луча. Для генератора рентгеновского излучения, с рабочим напряжением в диапазоне около 40-50 кВ, максимальной толщиной фильтра считают около 0,25 мм (250 микрон). График общей скорости счета относительно различных напряжений мишени и различных толщин молибденового фильтра показан кривыми 50-68 на Фиг. 4. На основе вышеупомянутого анализа, напряжение мишени в некоторых примерах может составлять около 47 кВ для молибденовой мишени толщиной около 250 микрон.

На Фиг. 5 показан график спектра энергии фотона с расширением разрешения детектора для генератора рентгеновского излучения, работающего при 47 кВ, с пустой камерой, имеющей окна из B₄C толщиной 4 мм (см. 14 и 14A на Фиг. 1, дающими общую толщину B₄C 8 мм) и фильтром, выполненным из молибдена толщиной 0,0250 см.

Средние энергии пиков низкой энергии и высокой энергии составляют 18,6 и 41,5 кэВ, соответственно. Таким образом, два четко очерченных пика энергии с малой интенсивностью потока излучения при промежуточной энергии можно создавать из спектра рентгеновского излучения Бремстрелунга посредством выбора подходящего материала фильтра, толщины фильтра и рабочего напряжения генератора рентгеновского излучения.

Как также показано на Фиг. 1, в настоящем примере контроллер 24 можно программировать на подсчет чисел фотонов, детектируемых нормирующим детектором 18 в «окне» высокой энергии и «окне» низкой энергии в выбранные временные интервалы. Окно высокой энергии и окно низкой энергии могут находиться в заданном диапазоне соседних каналов многоканального анализатора (каждый такой диапазон, в общем, отцентрован вокруг пика высокой энергии и пика низкой энергии, соответственно, окон высокой энергии и низкой энергии) или других выбранных каналов из диапазона каналов многоканального анализатора 22. В некоторых примерах окно низкой энергии можно выполнить так, что одиночные импульсы счета, соответствующие энергии рентгеновского излучения между около 10-30 кэВ, должны накапливаться через окно низкой энергии. Окно высокой энергии можно выполнить так, что одиночные импульсы счета, соответствующие энергии рентгеновского излучения между около 30-55 кэВ, должны накапливаться через окно высокой энергии.

Для каждого такого временного интервала, или для выбранных временных интервалов, соотношение импульсов счета окна высокой энергии с импульсами счета окна низкой энергии можно подсчитывать в контроллере 24 для выхода нормирующего детектора 18. Любое изменение подсчитанного соотношения можно использовать для регулировки выхода контроллера 26 высокого напряжения на генератор 20 рентгеновского излучения. Определено, что изменение в подсчитанном соотношении скорости счета для высокой энергии и низкой энергии линейно соотносится с напряжением, приложенным к генератору 20 рентгеновского излучения для небольших изменений номинального рабочего напряжения. В одном примере изменение в подсчитанном соотношении используют для регулировки напряжения для поддержания, по существу, постоянного соотношения импульсов счета окна высокой энергии и импульсов счета окна низкой энергии, измеренных нормирующим детектором 18. Кроме того, изменения суммы скорости счета высокой энергии и низкой энергии можно использовать для регулировки тока электронного луча рентгеновской трубки для поддержания, по существу, постоянной суммы импульсов счета окна высокой энергии и окна низкой энергии, измеренных нормирующим детектором 18.

Для введения поправки на любые изменения в общем выходе фотонов рентгеновского излучения генератора 20 рентгеновского излучения при выполнении измерений с использованием устройства, показанного на Фиг. 1, одиночные импульсы счета, измеренные в каждом выбранном числе временных интервалов для каждого окна высокой энергии и окна низкой энергии посредством детектора 16 измерений, нормализуют посредством импульсов счета в каждом из окон высокой энергии и низкой энергии от нормирующего детектора 18 в аналогичных временных интервалах.

Для определения фазовых фракций нефти, газа и воды в образце текучей среды, одиночные импульсы счета детектора 16 измерений от окна высокой энергии и окна низкой энергии в выбранные временные интервалы обрабатывают следующим образом. Измерениям импульсов счета окна высокой энергии соответствует следующее уравнение:

где I _MH - число импульсов счета высокой энергии, по детектору 16 измерений, I ⁽⁰⁾ _MH - число импульсов счета высокой энергии при прохождении излучения через пустую камеру 12, d - диаметр (длина пути фотона) ячейки образца, α_o - фазовая фракция нефти в текучей среде, α_w - фазовая фракция воды в текучей среде, и α_g - фазовая фракция газа в текучей среде. μ_o(H), μ_w(H) и μ_g(H) представляют линейное ослабление для фаз нефти, воды и газа, соответственно для окна высокой энергии. Данные величины зависят от энергии рентгеновских лучей, состава и плотности фаз нефти, воды и газа. Данные фракции являются предметом, представляющим интерес. Измерениям импульсов счета окна низкой энергии соответствует следующее уравнение:

где I _ML - число импульсов счета низкой энергии, по детектору 16 измерений, I ⁽⁰⁾ _ML - число импульсов счета низкой энергии при прохождении излучения через пустую камеру 12. μ_o(L), μ_w(L) и μ_g(L) - различные коэффициенты для окна низкой энергии. Оба вышеупомянутых уравнения можно преобразовать в следующее:

для измерений окна высокой энергии

для измерений окна низкой энергии. Дополнительное уравнение необходимо для решения по данным трем фракциям текучей среды. Текучие среды образца включают в себя нефть, воду и газ, значит, также известно, что:

С использованием данных трех вышеупомянутых уравнений, можно определить фракции нефти, воды и газа в текучей среде на основе излучения, прошедшего образец, например, регистрацией в окне низкой энергии и окне высокой энергии измерительным детектором. При анализе фракционных объемов вышеупомянутых трех составляющих фаз, выполняют некоторые допущения относительно плотности и состава каждой фазы. Плотность легко определить, когда температура и давление газа известны. Можно использовать датчики (не показано на фигурах), связанные с устройством 10, для определения давления и температуры, для определения плотности газа.

Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что приведенный выше анализ опирается только на одиночные импульсы счета детектора 16 измерений для определения объема фракций различных фаз в образце текучей среды. Возможно, при условии достаточно стабильного измерительного детектора и генератора рентгеновского излучения, использование только измерительного детектора для такого определения объема фракции. Практические примеры устройства, вместе с тем, могут выиграть от использования нормирующего детектора, описанного в данном документе.

Устройство для анализа фракций фаз текучей среды согласно различным аспектам изобретения может давать более высокую точность при использовании в текучих средах с высоким объемом фракции газа (например, 90 процентов или более), чем устройства, известные в технике.

Хотя изобретение описано для ограниченного числа вариантов осуществления, специалисту в данной области техники, воспользовавшемуся описанием, должно быть ясно, что другие варианты осуществления можно вырабатывать из него, не отходящие от объема изобретения, описанного в данном документе. Соответственно, объем изобретения должен быть ограничен только прилагаемой формулой изобретения.

Использование: для измерения свойств текучей среды с использованием рентгеновского излучения. Сущность: заключается в том, что устройство для определения фракционного количества каждой фазы многофазной текучей среды включает в себя генератор рентгеновского излучения, камеру для образца, выполненную с возможностью размещения в ней образца текучей среды для анализа. Камера размещена на пути выхода излучения из генератора. Фильтр размещен на пути излучения между выходом генератора и входом в камеру для образца. Первый детектор излучения установлен на пути излучения от камеры для образца после прохода излучения через камеру для образца. Толщину и материал фильтра выбирают для оптимизирования разрешения излучения, детектирующегося первым детектором по изменениям в объемных фракциях нефти и воды в образце текучей среды, когда газовая фракция в нем составляет между около 90-100 процентов. Технический результат: увеличение точности при условиях, включающих в себя высокий фракционный объем газа, например, при объеме газовой фракции 90 процентов или более, в исследуемой текучей среде. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Устройство для определения фракционных количеств каждой фазы многофазной текучей среды, содержащее:
генератор рентгеновского излучения;
камеру для образца, выполненную с возможностью приема образца текучей среды для анализа и размещенную на пути выхода излучения из генератора;
фильтр, размещенный на пути излучения между выходом генератора и входом излучения камеры для образца;
и первый детектор излучения, установленный на пути излучения из камеры для образца после прохождения излучения через камеру для образца; и
в котором толщину и материал фильтра выбирают для оптимизирования разрешения по излучению, регистрируемому первым детектором, для изменений в объемных фракциях нефти и воды в образце текучей среды, когда объемная фракция газа составляет между около 90-100 процентов.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее источник электропитания, функционирующий для осуществления испускания генератором рентгеновских лучей, при этом напряжение источника электропитания выбирают для поддержания выбранной скорости счета в каждом из множества энергетических диапазонов вторым детектором излучения.

3. Устройство по п.1, дополнительно содержащее анализатор высоты импульса, функционально соединенный с выходом первого детектора излучения.

4. Устройство по п.3, дополнительно содержащее второй детектор излучения, размещенный на пути выхода излучения генератора, анализатор высоты импульса, соединенный с выходом второго детектора излучения, и выполненный с возможностью генерирования одиночных импульсов счета, соответствующих рентгеновскому излучению, детектируемому вторым детектором излучения в выбранных энергетических диапазонах, и контроллер, функционально соединенный с анализатором высоты импульса, при этом контроллер выполнен с возможностью регулировки по меньшей мере одного из напряжения и/или тока луча генератора рентгеновского излучения в ответ на излучение, детектируемое в выбранных энергетических диапазонах вторым детектором излучения.

5. Устройство по п.1, в котором фильтр содержит, по меньшей мере, одно из элемента с атомным номером в диапазоне Z=38-45 и смеси таких элементов.

6. Устройство по п.5, в котором фильтр содержит молибден.

7. Устройство по п.1, в котором камера для образца содержит прозрачное для рентгеновского излучения окно на пути излучения, на каждом из входа и выхода, причем окна выполнены из материала, имеющего состав и толщину, выбранные для ослабления излучения на выбранную величину и противодействия гидростатическому давлению до выбранного значения.

8. Устройство по п.7, в котором окна содержат карбид бора.

9. Способ для определения объемных фракций выбранных компонентов текучей среды, содержащий:
генерирование рентгеновских лучей посредством ускорения электронов с направлением в материал мишени;
регулировку по меньшей мере одного из ускорения и/или тока электронов и пропуск через фильтр генерируемых рентгеновских лучей, так, что прошедшие фильтр рентгеновские лучи имеют заданный энергетический спектр, оптимизированный для определения объемных фракций нефти и воды, размещенных в газе, при этом объемная фракция газа составляет между около 90 и 100 процентов;
пропуск прошедших фильтр рентгеновских лучей через образец текучей среды;
детектирование рентгеновских лучей в выбранном энергетическом диапазоне, прошедших через образец текучей среды; и
определение объемных фракций газа, нефти и воды по детектированию рентгеновских лучей.

10. Способ по п.9, дополнительно содержащий прямое детектирование прошедших фильтр рентгеновских лучей в выбранных энергетических диапазонах и нормализацию числа детектирующихся рентгеновских лучей, прошедших через образец текучей среды применительно к числу напрямую детектировавшихся прошедших фильтр рентгеновских лучей.

11. Способ по п.9, дополнительно содержащий прямое детектирование прошедших фильтр рентгеновских лучей в выбранных энергетических диапазонах и регулирование ускорения электронов на основе числа рентгеновских лучей прямо детектирующихся в каждом из выбранных энергетических диапазонов.

12. Способ по п.9, дополнительно содержащий ускорение образца текучей среды, измерение перепада давления в образце текучей среды в результате ускорения и подсчет расхода газа, нефти и воды по измеренному скачку давления и определенным объемным фракциям.

13. Способ по п.9, в котором определение объемных фракций содержит определение чисел детектирующихся рентгеновских лучей в каждом из множества энергетических диапазонов.