УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЕРВОГО ПУЧКА ФОТОНОВ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ И ВТОРОГО ПУЧКА ФОТОНОВ БОЛЕЕ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ, УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И СПОСОБ Российский патент 2014 года по МПК G01N23/12 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству для излучения первого пучка фотонов высокой энергии и второго пучка фотонов более низкой энергии, содержащего:

- один радиоактивный источник, выполненный с возможностью генерировать падающий пучок фотонов высокой энергии.

Предшествующий уровень техники

Такое устройство используется, в частности, для измерения фазных частей многофазного флюида, циркулирующего в эксплуатационном трубопроводе углеводородов, таких как нефтяные скважины или скважины природного газа, как описано, например, в патенте US 4 788 852.

Для этого известно определение отдельных частей газовой фазы, жидкой водной фазы и жидкой масляной фазы в многофазном флюиде путем излучения первого пучка фотонов высокой энергии и второго пучка фотонов более низкой энергии. Эти пучки направляются через флюид для взаимодействия с последней.

Датчик, расположенный напротив источника излучения, принимает фотоны, испускаемые от первого пучка и второго пучка для подсчета числа фотонов высокой энергии и числа фотонов низкой энергии, проходящих через флюид в единицу времени. На основе этих подсчетов и соответствующей калибровки вычисляются части различных фаз многофазного флюида.

Для одновременного генерирования пучка фотонов высокой энергии и пучка фотонов низкой энергии, из патента US 4 788 852 известно использование излучающего устройства, содержащего радиоактивный источник, излучающий, по меньшей мере, два различных вида энергии или, как вариант, устройства, содержащего несколько источников, излучающих каждый заданную энергию.

Однако может быть затруднительным изготовить единый источник, надежно излучающий различные энергии, и неудобно использовать устройство, снабженное несколькими источниками, в частности, в условиях нефтяной установки.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей изобретения является создание излучающего устройства, способного простым образом генерировать одновременно пучок фотонов высокой энергии и пучок фотонов низкой энергии с помощью одного радиоактивного источника и, если возможно, способного гарантировать, тем не менее, близкие интенсивности пучков для получения высокой точности измерения фазовых частей многофазного флюида.

Для этого объектом изобретения является устройство упомянутого типа, характеризующееся тем, что оно содержит:

- мишень, расположенную напротив источника, при этом мишень выполнена с возможностью генерировать второй пучок вследствие взаимодействия с первой частью фотонов высокой энергии падающего пучка, исходящего из источника, а вторая часть фотонов падающего пучка, исходящая из источника, проходит через мишень для образования первого пучка.

Устройство по изобретению может иметь одну или несколько следующих характеристик, взятых отдельно или в технически возможной совокупности:

- оно содержит коллиматор, имеющий внутри центральный проход, проходящий вдоль продольной оси, для направления первого пучка и второго пучка вдоль продольной оси к датчику через флюид;

коллиматор определяет, по меньшей мере, один вспомогательный проход для направления второго пучка к датчику, при этом один или каждый вспомогательный проход размещены вокруг и с зазором от центрального прохода и открывается выше относительно мишени;

- один или каждый вспомогательный проход размещены по оси вспомогательного прохода, при этом ось вспомогательного прохода и продольная ось образуют ненулевой угол в проекции на плоскость, проходящую по продольной оси;

- мишень примыкает к коллиматору и закрывает центральный проход и один или каждый вспомогательный проход;

- один или каждый вспомогательный проход определен внутри, по меньшей мере, одной стенкой коллиматора, выполненной с возможностью взаимодействия с фотоном высокой энергии с целью генерирования фотона более слабой энергии;

- один или каждый вспомогательный проход имеет поперечное сечение, превышающее или равное поперечному сечению центрального прохода;

- объединенное поперечное сечение одного или каждого вспомогательного прохода имеет форму кольца, расположенного вокруг центрального прохода;

- мишень содержит центральную часть, размещенную, по существу, перпендикулярно продольной оси, и периферийную часть, отходящую от коллиматора к источнику;

- периферийная часть мишени размещена под углом, составляющим от 30° до 60°; и

- устройство содержит средство концентрации фотонов высокой энергии, излучаемых источником, при этом средство концентрации расположено вокруг источника и средство концентрации имеет нижнюю поверхность, расходящуюся вокруг источника к коллиматору, и выполнено с возможностью взаимодействовать с фотоном высокой энергии для генерирования фотона более слабой энергии.

Объектом изобретения, кроме того, является установка для измерения многофазного флюида, содержащегося в трубопроводе, характеризующаяся тем, что содержит:

- измерительный участок, соединенный с трубопроводом, при этом измерительный участок ограничен измерительной зоной многофазного флюида;

- устройство, описанное выше; и

- датчик обнаружения, при этом измерительная зона размещена между мишенью и датчиком измерения, причем устройство выполнено с возможностью направления первого пучка и второго пучка через измерительную зону к датчику обнаружения.

Установка по изобретению может отвечать следующим характеристикам:

- датчик измерения содержит кристалл, выполненный с возможностью принимать фотоны от первого пучка и от второго пучка после их прохождения в измерительную зону, при этом кристалл имеет средний атомный номер, меньший 40, причем кристалл, предпочтительно, выполнен на основе иттрий-алюминий-перовскита или фтористого кальция.

Объектом изобретения является также способ измерения многофазного флюида, содержащегося в трубопроводе, с помощью описанной выше установки, характеризующийся тем, что он содержит следующие этапы, на которых:

- размещают многофазный измеряемый флюид в измерительной зоне датчика обнаружения;

- активируют один источник для генерирования одного пучка фотонов высокой энергии, направленных к мишени;

- осуществляют взаимодействие между первой частью фотонов высокой энергии, исходящих из одного падающего пучка, и мишенью для генерирования, после прохождения через мишень, первого пучка фотонов высокой энергии и второго пучка фотонов низкой энергии;

- направляют первый пучок и второй пучок для освещения жидкости, циркулирующей в измерительной зоне, первым пучком и вторым пучком;

- детектируют датчиком обнаружения фотоны высокой энергии и фотоны низкой энергии, исходящие соответственно из первого пучка и второго пучка после их прохождения через флюид.

Способ по изобретению может содержать следующие отличительные характеристики:

- устройство содержит коллиматор, имеющий внутренний центральный проход, проходящий вдоль продольной оси для направления через флюид первого пучка и второго пучка вдоль продольной оси к датчику, содержащемуся в датчике детектирования через флюид;

коллиматор, определяющий, по меньшей мере, один вспомогательный проход для направления второго пучка к датчику, при этом один или каждый вспомогательный проход размещен вокруг и с зазором от центрального прохода и открывается выше относительно мишени; и

направление первого пучка осуществляется через центральный проход и направление второго пучка осуществляется через центральный проход и один или каждый из вспомогательных проходов.

Объектом изобретения является также установка измерения фазовых частей многофазного флюида, содержащегося в трубопроводе, характеризующаяся тем, что она содержит:

- измерительный участок, соединенный с трубопроводом, при этом измерительный участок ограничивает измерительную зону многофазного флюида;

- устройство излучения первого пучка фотонов высокой энергии и, по меньшей мере, второго пучка фотонов более низкой энергии, предназначенных для измерения флюида, содержащего радиоактивный источник,

- датчик детектирования, причем измерительная зона расположена между источником и датчиком детектирования, при этом устройство выполнено с возможностью направления первого пучка и второго пучка через измерительную зону к датчику обнаружения,

при этом датчик детектирования содержит кристалл, выполненный с возможностью принимать фотоны, излучаемые из первого пучка и второго пучка после их прохождения в измерительной зоне, причем кристалл имеет средний атомный номер меньше 40, и кристалл предпочтительно выполнен на основе иттрий-алюминий-перовскита или фтористого кальция.

Устройство для излучения в этой установке не обязательно содержит один источник измерения или мишень, но может содержать одну или несколько вышеуказанных характеристик.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает вид в разрезе по средней вертикальной плоскости первой измерительной установки согласно изобретению, установленной на измерительном трубопроводе многофазного флюида;

Фиг.2 изображает детальный вид, обозначенный II на фиг.1;

Фиг.3 изображает детальный вид, обозначенный III на фиг.2, иллюстрирующий первое устройство излучения пучка фотонов по изобретению;

Фиг.4 изображает вид с торца нижнего края коллиматора устройства излучения, изображенного на фиг.3;

Фиг.5 изображает вид, аналогичный фиг.4, для второго устройства излучения по изобретению;

Фиг.6 изображает вид, аналогичный фиг.4, для третьего устройства излучения по изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Далее термины «выше» и «ниже» используются относительно основного направления циркуляции фотонов от источника к датчику.

Термин «ниже» используется, в основном, как более удаленный от источника и более близкий к датчику, тогда как термин «выше» используется как более близкий к источнику и более удаленный от датчика.

Первая измерительная установка 10 по изобретению изображена на фиг.1-4. Эта установка 10 предназначена для измерения различных фазовых частей многофазного флюида, содержащегося в трубопроводе 12 установки для эксплуатации этого флюида. В процессе измерения флюид может циркулировать в трубопроводе 12, либо, напротив, находиться в трубопроводе 12 в статическом состоянии.

Установка является, например, скважиной для добычи углеводородов, такой как скважины для нефти или природного газа.

Трубопровод 12 содержит измерительный участок 20, на котором установлена измерительная установка 10. В примере, изображенном на фиг.1, измерительный участок 20 представлен по вертикальной оси A-A'.

Многофазный флюид, циркулирующий в трубопроводе 12, предпочтительно является смесью углеводородов, содержащей, в основном, газовую фазу, жидкую масляную фазу и жидкую водную фазу.

Измерительная установка 10 содержит измерительный участок 20, образованный аппаратом 24 измерения гамма-излучения и блоком 26 вычисления и управления.

Измерительный участок 20 включает в себя внутренний проход 28 для измерения флюида, по оси A-A'.

Аппарат измерения 24 гамма-излучения содержит первое излучающее устройство 40, предназначенное для образования первого пучка фотонов высокой энергии и второго пучка фотонов более низкой энергии для поперечного освещения многофазного флюида, имеющегося в циркуляционном проходе 28. Он содержит, дополнительно, датчик 42 детектирования фотонов первого пучка и второго пучка, получаемых после их прохода через многофазный флюид.

Как изображено на фиг.2 и 3, первое излучающее устройство расположено в стенке измерительного участка 20. Оно размещено вдоль продольной горизонтальной оси B-B', по существу, перпендикулярно оси A-A' прохода 28.

Излучающее устройство 40 содержит сверху вниз, слева направо на фиг.2 и фиг.3, единый радиоактивный источник 44, концентратор 46 лучей, расположенный вокруг источника 44, мишень 48, выполненную с возможностью взаимодействия с падающим пучком, генерируемым источником 44 для генерирования гамма-фотонов высокой энергии и рентгеновских фотонов низкой энергии, и коллиматор 50, предназначенный для направления пучков фотонов, генерируемых на выходе мишени 48.

Излучающее устройство 40 содержит, дополнительно, нижнее защитное окно 52, предназначенное для контакта с многофазным флюидом, циркулирующим в проходе 28, и периферийную муфту 54 для удержания источника 44, концентратора 46, коллиматора 50 в стенке участка 20.

На фиг.3 источник 44 содержит цилиндрическую капсулу 56 для удержания и защиты и радиоактивную таблетку 58, установленную в нижнем посадочном месте, выполненном на конце цилиндрического корпуса 56.

Капсула 56 и таблетка 58 установлены коаксиально вдоль оси B-B'.

Таблетка 58 предпочтительно выполнена на основе радиоактивного материала, самопроизвольно излучающего гамма-фотоны. Этим материалом предпочтительно является америций 241.

Радиоактивный источник 44 способен также излучать самопроизвольно и постоянно под телесным углом, превышающим 2π с центром вокруг оси В-В', падающий пучок гамма-фотонов высокой энергии.

Под «гамма-фотонами высокой энергии» понимают, в частности, гамма-фотоны с энергией, превышающей 40 кэВ и предпочтительно составляющей от 40 кэВ до 100 кэВ.

Таблетка 58 имеет обычно диаметр, меньший 10 мм, и, например, составляющий от 3 мм до 7 мм, в частности, равной 5 мм.

Концентратор 46 образован периферийным кольцом 60, размещенным вокруг источника 44. Периферийное кольцо 60 имеет внутреннюю поверхность 62, периферийную относительно оси В-В', определяющую посадочное место для установки источника и открывающуюся снизу и сверху кольца 60. Кроме того, оно имеет нижний край 64 для опоры на коллиматор 50.

Внутренняя поверхность 62 содержит центральную область 66, примыкающую к периферии источника 44 для его удержания в положении вдоль оси В-В', и нижнюю область 68 концентрации фотонов, которые радиально расходятся вокруг и от источника 44, в направлении к коллиматору 50.

Нижняя область 68 предпочтительно сформирована или покрыта металлом, способным взаимодействовать с гамма-фотонами высокой энергии, испускаемыми источником 44 для образования рентгеновских фотонов с более низкой энергией, обозначаемыми в дальнейшем фотонами низкой энергии. Под «низкой энергией» понимают фотоны, обладающие энергией, меньшей на 30% энергии фотонов с высокой энергией, и, в частности, ниже 40 кэВ и, предпочтительно, составляющей от 15 кэВ до 30 кэВ.

Выходная область 68 имеет, по существу, форму усеченного конуса, которая открывается, образуя угол, взятый в проекции, проходящей по оси В-В', составляющий от 20° до 60° и, в частности, равный 30°. Коллиматор 50 выполнен общей удлиненной цилиндрической формы вдоль оси В-В'.

Он содержит внутреннюю кольцевую стенку 70, размещенную вокруг оси В-В' и определяющую центральный проход 72 коллимации первого пучка и части второго пучка.

В соответствии с изобретением, коллиматор 50 дополнительно содержит внешнюю периферию 74, сходящуюся внутри к выходу и образующую с внутренней периферийной стенкой 70 несколько вспомогательных проходов 76 коллимации второго пучка низкой энергии, при этом проходы 76 разделены между собой радиальными стенками 78 для связи между внешней периферийной стенкой 74 и внутренней периферийной стенкой 70.

Внешняя периферийная стенка 74 размещена между входным краем 80, примыкающим к входному краю 64 концентратора 46, и выходным краем 82, предпочтительно, примыкающим напротив окна 52.

Внутренняя периферийная стенка 70 размещена между входным краем 84, аксиально смещенным к выходу относительно входного края 80 внешней периферийной стенки 74, и выходным краем 86, размещенным в направлении выходного края 82 внешней периферийной стенки 74, по существу, в одной и той же плоскости, перпендикулярной оси В-В'.

Стенки 70, 74 образуют между входным краем 80 внешней перегородки и входным краем 74 внутренней перегородки полость 88 для размещения мишени 48, располагаемую напротив источника 44.

Посадочное место для вставки источника в кольцо 62 открывается на выходе в полость 88, напротив выходной области 68.

Центральный проход 72 расположен аксиально вдоль оси В-В' между входным краем 84 и выходным краем 86 внутренней периферийной стенки 70. Он открывается на входе в полость 88, а на выходе напротив окна 52. Центральный проход 72 имеет постоянное поперечное сечение перпендикулярно оси В-В'.

Диаметр центрального прохода 72 меньше на 60% диаметра источника. Он может составлять, например, от 1 мм до 3 мм.

Вспомогательные проходы 76 размещены в кольцевом пространстве, ограниченном стенками 70, 74. Проходы 76, как изображено на фиг.4, имеют объединенное сечение в общей форме кольца, расположенного вокруг оси В-В'.

Каждый вспомогательный проход 76 размещается в угловом секторе, определяемом двумя соседними радиальными перегородками 78 вокруг оси В-В'.

В примере, представленном на фиг.4, количество вспомогательных проходов 76 вокруг оси В-В' равно 8. Это число может составлять, в общем, от 1 до 10.

Как показано на фиг.4, поперечное сечение каждого вспомогательного прохода 76, взятое перпендикулярно оси В-В', превышает или равно поперечному сечению центрального прохода 72.

Более того, каждый проход 76 в проекции в аксиальной плоскости, проходящей по оси В-В', имеет ось С-С' вспомогательного прохода, которая образует ненулевой угол с продольной осью В-В', взятой в проекции на ту же плоскость.

Этот угол, предпочтительно, превышает 0° и составляет от 2° до 3°.

Стенки 70, 74 и 78, ограничивающие каждый проход 76, предпочтительно, покрыты или выполнены из металла, способного поглощать гамма-фотоны высокой энергии для взаимодействия с этими фотонами, и вновь передавать рентгеновские фотоны низкой энергии, как было показано выше.

В примере, представленном на фиг.4, радиальные стенки 78 имеют малую толщину. Таким образом, поперечное сечение каждой радиальной стенки 78, взятое в плоскости, перпендикулярной оси В-В', меньше, по меньшей мере, в два раза, предпочтительно в десять раз поперечного сечения аксиального прохода 76.

В этом примере радиальные стенки 78 размещены по всей длине внутренней стенки 70 вдоль оси В-В'.

Мишень 48 в данном примере приложена к входной кромке 80 внешней периферийной стенки 74 коллиматора и к входной кромке 84 внутренней периферийной стенки 70.

Мишень 48 выполнена на основе металлического листа малой толщины. Толщина листа меньше толщины источника 58, взятой вдоль оси В-В'. Эта толщина выбрана достаточно малой для того, чтобы, по меньшей мере, 20% фотонов высокой энергии, исходящей из источника 44, проходили через лист без взаимодействия с ним.

Мишень 48 представляет собой чашку общей формы полного усеченного конуса, имеющего центральную стенку 92, перпендикулярную оси В-В', и периферийную стенку 94, по существу, в форме усеченного конуса.

Мишень 48 и ее стенки 92, 94 выполнены заодно из металла, аналогичного или идентичного металлу, образующему или покрывающему стенки 70, 74, 78, ограничивающие вспомогательные проходы 76. Таким образом, материал, формирующий мишень 48 способен поглощать, по меньшей мере, частично гамма-фотоны высокой энергии, производимые падающим пучком, исходящим из источника 44, вследствие фотоэлектрического взаимодействия с листом, атомы которого дезактивируются рентгеновской флуоресценцией. Вследствие этого, после дезактивации рентгеновской флуоресценцией образуются рентгеновские фотоны более низкой энергии, как описано выше.

Центральная стенка 92 примыкает к входной кромке 84. Она полностью перекрывает центральный проход в сторону входа. Она расположена напротив источника 44 в полости 88.

В этом примере центральная стенка 92 и, в частности, мишень 48 полностью удалены от источника 44. Как вариант, источник 44 примыкает к центральной стенке 92.

Периферийная стенка 94 отклоняется к источнику 44 между входной кромкой 84 внутренней стенки 70 и входной кромкой 80 внешней стенки 74. Она полностью перекрывает каждый вспомогательный проход 76.

Угол раскрытия периферийной стенки 94 превышает 45° и, например, составляет от 45° до 90°.

Фиксирующая муфта 54 окружает кольцо 60 и коллиматор 50. Она удерживает эти элементы между собой. Она установлена съемно в стенке участка 20.

Входное окно 52 герметично установлено между выходным краем стенок 70-74 коллиматора 50 и циркуляционным проходом 28 для того, чтобы помешать многофазному флюиду выйти из прохода 28. Оно расположено на одном уровне со стенкой участка 20 в измерительном проходе 28. Оно размещено вокруг оси В-В' и выполнено на основе материала, по существу, прозрачного для фотонов как, например, РЕЕК (полиэфирэфиркетон), бериллия или карбида бора.

Датчик обнаружения 42 размещен вдоль оси В-В' напротив излучающего устройства 40 через проход 28 в стенке участка 20. Он содержит выходное окно 100, выходной коллиматор 102 и датчик фотонов 104, закрепленный в опоре 106.

Выходное окно 100 размещено вокруг оси В-В' в стенке измерительного участка 20 напротив и относительно входного окна 52 через циркуляционный проход 28. Оно достигает стенки участка 20 в проходе 28.

Выходной коллиматор 102 ограничивает центральное отверстие 108 прохода первого пучка и второго пучка.

Выходной датчик 104 содержит опорный корпус 110, включающий оборудование 11 и кристалл 112 для детектирования фотонов.

Сцинтиляторный кристалл 112 предназначен для приема фотонов, прошедших через флюид, имеющийся в проходе 28, и воспроизведения их энергии в форме видимого света. Он выполнен, предпочтительно, на основе кристалла, имеющего средний атомный номер, меньший 40.

Этот кристалл является, например, кристаллом типа T_nM_m, где Т является редкоземельным элементом, таким как иттрий, М является металлом, таким как алюминий, и n и m являются соответственно валентностями этих элементов. Этот кристалл, предпочтительно, легирован лантаноидом, таким как церий или европий. Этим кристаллом может, например, быть иттрий-алюминий-перовскит, легированный церием (YAP;Се).

Как вариант, этот кристалл может быть кристаллом типа A_nH_m, где А является щелочноземельным металлом, таким как кальций, Н является галогеном, таким как фтор, «а», «n» и «m» являются соответственно валентностями этих элементов. Этот кристалл, предпочтительно, легирован лантаноидом, таким как церий или европий. Этим кристаллом является, например, CaF₂, легированный европием.

Обычно кристалл 112 способен принимать совокупность энергии излучения фотонов высокой энергии путем взаимодействия между принимаемым фотоном и атомом кристалла, излучая рентгеновский фотон перегруппирования атома более низкой энергии. Этот фотон поглощается, в свою очередь, в кристалле.

В некоторых случаях, а именно, когда рентгеновский луч перегруппирования выходит из кристалла без взаимодействия, кристалл воспринимает только часть падающей энергии, а другая часть переносится рентгеновским лучом перегруппирования, который выходит из кристалла. Таким образом, имеется риск интерпретации измерения фотона высокой энергии измерением фотона низкой энергии.

Если кристалл выполнен на основе упомянутых выше материалов, энергия излучения которых ниже 15 кэВ, фотоны высокой энергии будут собираться между 60 кэВ и 40 кэВ, и даже при более высоких значениях низкой энергии.

Кристалл 112 спарен с трубкой фотоумножителя, способного производить электрический сигнал с интенсивностью, характерной для световой интенсивности, испускаемой кристаллом. Этот сигнал принимается оборудованием 111.

Оборудование 111 подключено к блоку 26 управления и вычисления. Блок 26 способен вычислять количество фотонов, исходящих из первого пучка высокой энергии и количество фотонов, исходящих из второго пучка низкой энергии, поступающих на датчик 104.

Ниже будет описан способ измерения частей α_g, α_o, α_w различных фаз многофазного флюида, циркулирующего в проходе 28 трубопровода 12.

В этом способе многофазный флюид размещен в проходе 28.

Когда должны быть определены соответствующие сечения α_g, α_o, α_w газовой, жидкой водяной и масляно-жидкостной фаз, активируется излучающее устройство 40. Для этого, как изображено на фиг.3, источник 44 излучает падающий пучок 120 гамма-фотонов высокой энергии, который распространяется таблеткой 58.

Гамма-фотоны падающего пучка 120 имеют энергию, составляющую от 40 кэВ до 100 кэВ.

Большая часть фотонов пучка 120 направлена к мишени 48 и входит в соответствующее взаимодействие с центральной стенкой 92 и периферийной перегородкой 94 мишени 48.

Первая часть фотонов высокой энергии, коснувшись центральной части 92, не взаимодействуют с материалом центральной части 92 и проходит через центральную часть 92, сохраняя свою энергию для формирования падающего пучка 124 фотонов высокой энергии, который ориентирован вдоль оси В-В' посредством ее циркуляции в центральном проходе 72.

Вторая часть гамма-фотонов падающего пучка 120, ударяясь в центральную стенку 92, взаимодействует с материалом, формирующим эту центральную стенку, и теряет энергию для образования части 126 второго пучка рентгеновских потоков более низкой энергии, составляющей, например, от 15 кэВ до 30 кэВ.

Эти фотоны низкой энергии направляются в центральный проход 72.

Количество фотонов низкой энергии в центральном проходе 72 меньше на 10% количества фотонов высокой энергии в центральном проходе 72.

Кроме того, часть фотонов падающего пучка 120, испускаемых источником 44, входит во взаимодействие с периферийной стенкой 94 мишени 48. Вследствие наклона периферийной стенки 94 относительно оси В-В' и угла наклона падающих фотонов, эти фотоны высокой энергии взаимодействуют, в основном, с мишенью 48 для образования фотонов более низкой энергии. Эти фотоны более низкой энергии направляются в каждый вспомогательный проход 76 для формирования вспомогательного пучка 128, образованного только фотонами низкой энергии.

На выходе коллиматора 50 и перед входом в окно 52 первый пучок 124 фотонов высокой энергии направляется по центральному проходу 72, а второй общий результирующий поток 130 низкой энергии получается из пучка 126 фотонов низкой энергии, исходящих из центрального прохода 72 и вспомогательных пучков 128, исходящих из вспомогательных проходов 76.

Таким образом, число фотонов низкой энергии, освещающих флюид в проходе 28 значительно превышает, более чем на 40%, число фотонов высокой энергии, освещающих флюид в проходе 28. Кроме того, это соотношение может быть отрегулировано выбором центрального прохода 72.

Кроме того, материал, формирующий стенки вспомогательных проходов 76 и материал, формирующий выходную область 68 концентратора, собирает фотоны высокой энергии и преобразует их в фотоны низкой энергии, что повышает интенсивность второго пучка 130.

Пучки 124, 130 пересекают многофазный флюид через проход 28, по существу, вдоль оси В-В', поперечно, относительно оси А-А' циркуляции флюида в проходе 28. В процессе прохождения они взаимодействуют, в основном, путем фотоэлектрической абсорбции и комптоновского рассеяния с различными фазами многофазного флюида, имеющегося в проходе 28.

Фотоны высокой энергии и низкой энергии пучков 122, 130 проходят через выходное окно 100, затем через отверстие 108 датчика обнаружения 142. Они собираются на кристалле 112 датчика 104, где выдают сигналы амплитудой, соответствующей принятой энергии.

Оборудование 111 принимает, таким образом, сигналы, соответствующие этим амплитудам, и передает на блок 26 управления и вычисления последовательность импульсов, измеренных средствами измерения в зависимости от времени. Блок 26 формирует, таким образом, спектр, в котором фотоны высокой энергии и фотоны низкой энергии распределены в зависимости от их энергии.

Блок 26 определяет далее части различных фаз многофазного флюида, например, посредством системы уравнений, связывающих количество фотонов высокой энергии, полученных датчиком 104, и количество фотонов низкой энергии, полученных датчиком 104, в единицу времени, коэффициенты калибровки, и сечения α_g, α_o, α_w.

Измерительный комплекс, согласно изобретению, содержит также излучающее устройство 40 пучка 130 фотонов низкой энергии и пучка 124 фотонов высокой энергии, которое использует единый радиоактивный источник 44, что делает использование его в полевых условиях более легким и более точным.

Несмотря на использование этого единого источника 44, относительные интенсивности пучка 124 фотонов высокой энергии и пучка 130 фотонов низкой энергии различаются незначительно, что позволяет получить хорошую точность измерения. Этот результат получается, в частности, путем приема большей части фотонов низкой энергии, излучаемых мишенью 48, и эффективного направления их через коллиматор 50 во вспомогательные проходы 76.

Выходной конец коллиматора 50 второго излучающего устройства 40 изображен на фиг.5.

В отличие от первого излучающего устройства 40, изображенного на фиг.4, этот коллиматор 50 имеет три вспомогательных прохода 76, размещенных по окружности через 120° вокруг оси В-В'. Работа этого излучающего устройства 40 аналогична работе первого излучающего устройства 40.

В варианте, изображенном на фиг.6, коллиматор 50 имеет вспомогательные проходы 76, выполненные в отверстиях кольцевого сечения и кольцеобразно расположенные вокруг оси В-В'.

Каждый вспомогательный проход 76 в этом случае имеет сечение, по существу, равное сечению центрального прохода 72.

В варианте (не показан) лист мишени 48 сформирован в виде множества областей на основе различных металлических материалов. Например, лист может содержать несколько металлических слоев, сформированных на основе различных материалов.

Это позволяет получить несколько пучков 130 фотонов более низкой энергии, чем падающий пучок 120, с различными энергиями, которые зависят от природы металла, образующего различные области.

В частном случае измерительный участок 20 измерительной установки 10 образует трубку Вентури в форме горлышка. Проход 28 представляет собой, таким образом, горловину меньшего диаметра.

В этом случае измерительная установка 10, предпочтительно, снабжена дифференциальным датчиком давления для измерения разности давлений через трубку Вентури.

Трубопровод 12, таким образом, предпочтительно, соединен с выходом скважин для получения многофазного флюида, выходящего из скважин.

В этом случае, мишень 48 выполнена с возможностью генерировать два пучка фотонов более низкой энергии, размещенных в диапазонах различающихся энергий, например, от 15 кэВ до 30 кэВ для первого пучка низкой энергии, и от 30 кэВ до 50 кэВ для вспомогательного пучка низкой энергии.

В этом случае, мишень 48 содержит, предпочтительно, первую область, образованную на базе первого металла, и вторую область, образованную на базе второго металла, отличного от первого металла.

Таким образом, мишень 48 имеет, например, центральную стенку 92, сформированную из первого металла, и периферийную стенку 94, сформированную из второго металла.

Центральная стенка 92 способна формировать вследствие флуоресценции фотоны низкой энергии, а периферийная стенка 94 способна формировать вследствие флуоресценции фотоны вспомогательного пучка низкой энергии.

В этом варианте падающий пучок 120 ударяет в мишень 48, одновременно в центральную стенку 92 и в периферийную стенку 94. Первая часть гамма-фотонов падающего пучка 120 взаимодействует с первым металлом, содержащимся в центральной стенке 92, и образует первый пучок рентгеновских фотонов более низкой энергии, входящей в первый интервал низкой энергии, содержащейся, например, между 15 кэВ и 30 кэВ.

Другая часть фотонов падающего пучка 120 взаимодействует со вторым металлом, содержащимся в периферийной стенке 94, и генерирует вспомогательный пучок рентгеновских фотонов более низкой энергии во вспомогательном интервале низкой энергии, содержащейся, например, между 30 кэВ и 60 кэВ.

Пучок высокой энергии и два пучка низкой энергии облучают флюид в циркуляционном проходе и поступают в датчик обнаружения 42 для измерения и выдачи сигналов, амплитуда которого соответствует принятой энергии.

Возможно также определить не только сечения α_g, α_o, α_w, как описано выше, но кроме того, и другие параметры, такие как, например, свойство одной из фаз (например, соленость воды, концентрацию серы в сырой нефти) или непосредственно часть четвертой фазы, имеющейся в циркулирующем флюиде, такой как твердая взвесь в фазе, например песок.

Способ измерения солености с помощью фотонов, принимаемых в третьем интервале энергии, описан, например, в патенте US 5854820.

В другом варианте мишень 48 образована многослойным соединением металлических слоев, при этом, по меньшей мере, один первый слой выполнен из первого металла, а, по меньшей мере, второй слой выполнен из второго металла.

В варианте металлический слой сформирован сплавом первого металла и второго металла.

Использование: для измерения фазных частей многофазного флюида. Сущность заключается в том, что устройство (40) для излучения первого пучка (124) фотонов высокой энергии и, по меньшей мере, второго пучка (130) фотонов более низкой энергии, предназначенных для измерения многофазного флюида, содержит: радиоактивный источник (44), выполненный с возможностью генерирования падающего пучка (120) фотонов высокой энергии, мишень (48), размещенную напротив источника (44), при этом мишень (48) выполнена с возможностью генерирования второго пучка (130) путем взаимодействия с первой частью фотонов высокой энергии падающего пучка (120), излучаемого источником (44), при этом вторая часть фотонов падающего пучка (120), излучаемая источником (44), проходит через мишень (48) для формирования первого пучка (124), а устройство содержит также коллиматор (50), имеющий внутри центральный проход (72), размещенный вдоль продольной оси (В-В'), для направления первого пучка (124) и второго пучка (130) вдоль продольной оси (В-В') к датчику (104) через флюид, причем коллиматор (50) имеет, по меньшей мере, один вспомогательный проход (76) для направления второго пучка (130) к датчику (104), при этом один или каждый вспомогательный проход (76) расположен вокруг и на расстоянии от центрального прохода (72) и открыт на входе напротив мишени (48). Технический результат: обеспечение возможности простым образом генерировать одновременно пучок фотонов высокой энергии и пучок фотонов низкой энергии с помощью одного радиоактивного источника, генерирующего близкие интенсивности пучков для получения высокой точности измерения фазовых частей многофазного флюида. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство (40) для излучения первого пучка (124) фотонов высокой энергии и, по меньшей мере, второго пучка (130) фотонов более низкой энергии, предназначенных для измерения многофазного флюида, содержащего:
радиоактивный источник (44), выполненный с возможностью генерирования падающего пучка (120) фотонов высокой энергии;
отличающееся тем, что содержит:
мишень (48), размещенную напротив источника (44), при этом мишень (48) выполнена с возможностью генерирования второго пучка (130) путем взаимодействия с первой частью фотонов высокой энергии падающего пучка (120), излучаемого источником (44), при этом вторая часть фотонов падающего пучка (120), излучаемая источником (44), проходит через мишень (48) для формирования первого пучка (124), а устройство содержит также коллиматор (50), имеющий внутри центральный проход (72), размещенный вдоль продольной оси (В-В'), для направления первого пучка (124) и второго пучка (130) вдоль продольной оси (В-В') к датчику (104) через флюид; причем
коллиматор (50) имеет, по меньшей мере, один вспомогательный проход (76) для направления второго пучка (130) к датчику (104), при этом один или каждый вспомогательный проход (76) расположен вокруг и на расстоянии от центрального прохода (72) и открыт на входе напротив мишени (48).

2. Устройство (40) по п.1, отличающееся тем, что один или каждый вспомогательный проход (76) расположен по оси вспомогательного прохода (С-С'), при этом ось вспомогательного прохода (С-С') и продольная ось (В-В') образует ненулевой угол в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось (В-В').

3. Устройство (40) по пп.1 или 2, отличающееся тем, что мишень (48) примыкает к коллиматору (58) и закрывает центральный проход (72) и один или каждый вспомогательный проход (76).

4. Устройство (40) по пп.1 или 2, отличающееся тем, что один или каждый вспомогательный проход (76) ограничен внутри, по меньшей мере, одной стенкой (70, 74, 78) коллиматора (50), выполненной с возможностью взаимодействовать с фотоном высокой энергии для генерирования фотона более низкой энергии.

5. Устройство (40) по пп.1 или 2, отличающееся тем, что один или каждый вспомогательный проход (76) имеет поперечное сечение, превышающее или равное поперечному сечению центрального прохода (72).

6. Устройство (40) по пп.1 или 2, отличающееся тем, что объединенное поперечное сечение одного или каждого вспомогательного прохода (76) имеет кольцевую форму, размещенную вокруг центрального прохода (72).

7. Устройство (40) по пп.1 или 2, отличающееся тем, что мишень (48) содержит центральную часть (92), размещенную, по существу, перпендикулярно продольной оси (В-В') и периферийную часть (94), расходящуюся от коллиматора (50) к источнику (44).

8. Устройство (40) по п.7, отличающееся тем, что периферийная часть мишени (48) раскрывается на угол, составляющий от 30° до 60°.

9. Устройство (40) по пп.1 или 2, отличающаяся тем, что оно содержит средство (60) концентрации фотонов высокой энергии, излучаемых источником (44), при этом средство (60) концентрации расположено вокруг источника (44) и имеет нижнюю поверхность (68), расходящуюся вокруг источника (44) к коллиматору (50), и выполнено с возможностью взаимодействовать с фотоном высокой энергии для образования фотона более низкой энергии.

10. Устройство по пп.1 или 2, отличающееся тем, что первый пучок образован из фотонов, обладающих энергией, находящейся в первом энергетическом интервале, второй пучок образован из фотонов, обладающих энергией, находящейся во втором энергетическом интервале, который меньше первого энергетического интервала, при этом мишень (48) выполнена с возможностью создавать второй вспомогательный пучок фотонов более низкой энергии, имеющий энергию, содержащуюся в дополнительном энергетическом интервале, отличном от второго энергетического интервала и первого энергетического интервала.

11. Устройство по пп.1 или 2, отличающееся тем, что мишень (48) содержит, по меньшей мере, первую область, выполненную из первого металла, генерирующего фотоны более низкой энергии, предназначенные для образования второго пучка, и вторую область, выполненную из второго металла, отличного от первого металла, способного формировать вспомогательные фотоны более низкой энергии, формирующие второй вспомогательный пучок.

12. Установка (10) измерения фаз многофазного флюида, содержащегося в трубопроводе (12), отличающаяся тем, что содержит:
измерительный участок (20), соединенный с трубопроводом, при этом измерительный участок (20) ограничивает измерительную зону (28) многофазного флюида;
устройство (40) по любому из пп.1-11; и
датчик (42) обнаружения, при этом измерительная зона (28) размещена между мишенью (48) и датчиком (42) обнаружения, причем устройство (40) выполнено с возможностью направления первого пучка и второго пучка через измерительную зону (28) к датчику (42) обнаружения.

13. Установка по п.12, отличающаяся тем, что датчик (42) обнаружения содержит кристалл, выполненный с возможностью принимать фотоны, исходящие из первого пучка и второго пучка после их прохождения в зону измерения, причем кристалл имеет средний атомный номер, меньший 40, и, предпочтительно, выполнен на основе иттрий-алюминий-перовскита или фтористого кальция.

14. Способ измерения фазовых частей многофазного флюида, содержащегося в трубопроводе (12), с помощью установки (10) по любому из пп.12 или 13, отличающийся тем, что он содержит следующие этапы, на которых:
размещают многофазный измеряемый флюид в измерительной зоне (28) измерительного участка (20);
активируют один источник (44) для генерирования одного пучка (120) фотонов высокой энергии, направленных к мишени (48);
осуществляют взаимодействие между первой частью фотонов высокой энергии, исходящих из одного падающего пучка (120), и мишенью (48) для генерирования, после прохождения через мишень (48), первого пучка (124) фотонов высокой энергии и второго пучка (130) фотонов низкой энергии;
направляют первый пучок (124) и второй пучок (130) для освещения флюида, циркулирующего в измерительной зоне (28), первым пучком (124) и вторым пучком (130);
детектируют датчиком (42) обнаружения фотоны высокой энергии и фотоны низкой энергии, исходящие соответственно из первого пучка (124) и второго пучка (130) после их прохождения через флюид;
направляют первый пучок (124) через центральный проход и направляют второй пучок (130) через центральный проход (72) и один или каждый вспомогательный проход (76).