使用用于对湿气进行优化的x射线进流体相分数确定的设备和方法

专利名称：使用用于对湿气进行优化的x射线进流体相分数确定的设备和方法
技术领域：
本发明总体涉及使用χ射线辐射测量流体特性的领域。更具体地，本发明涉及用 于确定其中气体构成大部分检查流体的多相流中的流体相分数的X射线辐射方法和设备。
背景技术：
井眼被钻通地下地球地层，以便从地下地层采出诸如石油的有用流体。通常，当从 地层采出地层流体并且所述地层流体移动到井眼内时，所述地层流体包括不同分数的油、 气、和水的混合物。诸如包括将流体(例如，水、天然气或二氧化碳)泵送到钻通相同地层 和邻近于流体生产井的井眼的一些操作有助于迫使地层流体从地层进入到流体生产井内。 相分数计在这种情况下用于设置在流体生产井内以显示诸如水、二氧化碳或天然气的不期 望的流体何时与诸如油的期望流体一起从具体的地下地层正在被采出。关于正在从井眼采 出的具体流体的分数体积也在优化从地下储层开采流体期间是有用的。例如，气体与液体 比，和油与水比是重要的，并且这种比值的恒定监测可以有助于确定对储层的最好利用。另外，具有高分数体积的水的流体比具有高分数体积的其它组分(例如，气和油) 的价值低。通过在从储层采出流体的初始过程中确定气体、油和水的分数体积，可以估计影 响从地下储层进行流体开采的任何给定操作的经济价值。通过测试当从未知源输送时的流 体，采出流体的买方还可以确定通过流体生产井表示的流体分数是否就是实际上由流体生 产井提供的流体分数。现有技术中已知的一种用于确定流体分数组成的方法包括用于物理地储存从井 采出的一定量的流体的分离器或大槽。在槽中通过基于重力的处理执行对不同流体组分的 分离。这种过程在分离器内需要稳定的条件，并且可能花费很长时间才能获得结果。难以 或者甚至不可能获得所需的调节稳定程度，并且由于获得流体组分分离所需的时间延长， 因此这种技术因为在测试过程期间必须停止从井眼的流动而阻碍对油气经济采收率。当具 有不同流体组分(“相”)的一些混合时，基于分离器的系统还可能提供错误的结果。另外， 诸如稠油的粘性流体使得精确分离和测试变得困难。本领域公知的其它系统可能考虑到使用辐射源和检测器进行大致“实时”相分数 确定。这种馏分组成测量装置使用化学同位素辐射源，并且可以长时间布置在没人看守的 位置。所述位置通常是不固定的，并且可能遇到可变的外界环境条件。与化学同位素辐射源 相关联的安全和环境风险使得期望使用非化学辐射源用于流体馏分组成测量装置。电辐射 发生器将缓解一些先前的顾虑，但是大多数电辐射发生器(例如，X射线发生器)具有与可 以控制致动电压和靶电流的精度有关的输出。因此，使用化学源具有一定的益处。具体地， 所述化学源的输出辐射随时间的变化是稳定的，从而能够使这种源提供可高度预测的辐射 通量。授予Stephenson等人并转让给本发明的受让人的美国专利No5，689，540中说明 了使用用于分数流体体积组分确定的电力X射线发生器的示例。Stephenson等人的'540专利中所述的装置是用于施加某一光谱的光子辐射通过流体样品，以及通过在所述光子辐 射已经通过流体样品之后分析检测的辐射来确定流体分数的系统。在2006 年6 月 20 日提出申请、题目为 “HIGH PERFORMANCE X-RAYMULTIPHASE FRACTION METER”并转让给本发明的受让人的美国专利申请No June 11/425，285中说明 了另一种装置。这种装置包括具有设置在X射线发生器的输出中的专用过滤器的χ射线发 生器。在参考检测器和测量检测器处检测来自发生器的被过滤的χ射线，所述参考检测器 基本上直接设置在发生器的辐射输出中，所述测量检测器沿通过室的辐射通路设置，被分 析的流体样品设置在所述室中。可以通过分析由测量检测器检测到的辐射来确定三种不同 相(气体、油和水)的分数体积。来自参考检测器的测量值用于自动控制χ射线发生器的 不同操作参数，使得测量检测器信号的分析相对不受χ射线发生器输出的变化的影响。上 述专利申请中公开的系统在正在被检查的流体中的包括高分数体积气体(例如，90%或以 上的分数体积气体)的条件下容易出现精度不高的问题。因此，理想的是具有一种多相流 馏分分析装置，所述多相流馏分分析装置在高分数体积的气体的条件下具有提高的精度。

发明内容
一种用于确定多相流中的每一相的分数的设备包括x射线发生器；样品室，被构 造成用于分析的流体样品容纳在所述样品室内，所述样品室设置在来自发生器的输出的辐 射通路中；过滤器，在发生器的输出与样品室的辐射输入之间设置在辐射通路中；第一辐 射检测器，在辐射已经通过样品室之后位于来自样品室的辐射通路中，其中选择过滤器的 厚度和材料以优化由第一检测器检测到的辐射的分辨率，以当流体样品的气体体积分数在 大约90%到100%之间时改变所述流体样品中的油和水的体积分数。一种根据本发明的另一方面的用于确定流体的选定组分的体积分数的方法，包括 以下步骤通过使电子加速进入靶材料生成X射线；控制电子的加速度并且对生成的X射 线进行过滤，使得被过滤的X射线具有预定能谱，所述预定能谱被优化以求解设置在气体 内的油和水的体积分数，其中，气体的体积分数在大约90%与100%之间；被过滤的X射线 通过所述流体样品；检测已经通过所述流体样品的在选定能量范围内的χ射线；由检测到 的χ射线确定气体、油和水的体积分数。本发明的其它方面和优点将从以下说明和所述权利要求清楚可见。


图1显示示例性流体分析装置；图IAx射线显示另一个示例性流体分析装置；图2显示装置对作为用于进行测量的辐射能的函数的油和水液体分数的灵敏度 的图表；图3对于不同的χ射线靶电压对于辐射滤波器的不同厚度显示检测器计算速率比 值的图表；图4对于不同的χ射线靶电压对于辐射滤波器的不同厚度显示检测器计算速率比 值的图表；图5显示通过过滤χ射线并在选定的靶电压下操作χ射线发生器而生成的示例性X射线能谱。
具体实施例方式根据本发明的不同方面的装置可以在钻通地下地球地层的井眼中使用。根据本发 明的装置还可以用于监测油/气井流出物，并且可以在地球的表面上或在海底位于坐底式 平台结构上或位于海上平台、或位于陆地上。当在井眼中使用时，这种装置可以通过钻杆的 “管柱”或油管内的铠装电缆(“电缆”)、通过挠性管、通过试井钢丝、或通过本领域公知的 任何其它输送机构被输送。根据本发明的装置还可以永久放置在井眼内。因此，不考虑其 布置方式对所述装置进行说明，所述装置的分布位置或如上所述的任意输送装置不限制本 发明的保护范围。图1中示意性地显示用于分析多相流中的流体相分数体积的示例性装置，具体 地，其中所述流体包括高分数体积(例如，90%或以上)气体。装置10包括室12，所述室可 以放置在液体流动流中，例如，放置在钻通地下地球地层的井眼的井口装置上。室12可以 被形成为使得设置在所述室内的流体处于液体流动流的外界压力下。如一定类型的仪器通 常放置在流体流动流中的情况，邻近于室12横向(或侧向)设置的装置10的其它部件可 以装入不同的壳体(未示出)内以被保持在地面大气压力下。室12在图1中被示出为是 圆柱形，然而室12的具体形状不旨在限制本发明的保护范围。例如，在一些示例中可以使 用如授予Groves等人并转让给本发明的受让人的美国专利No. 6，097，786中所示的“文丘 里管”型室。在这种示例中，可以通过测量文丘里管内的压降并且以诸如以下所述的方式确 定每一相的体积分数来计算正在被分析的流体样品的每一相的体积流量。通过确定压降和 每一相的流体相体积分数，可以使用本领域公知的技术确定每一相的流量。将要被分析的流体样品通常通过室12，在所述室12中，所述流体样品被暴露给由 形成装置10的一部分的X射线发生器20生成的X射线。通过测量检测器16检测通过流 体样品的χ射线，所述测量检测器的输出用于表征通过室12的流体样品。以下进一步说明 χ射线发生器20和测量检测器16的操作。辐射透明窗14、14A可以设置在室12的横向相对侧，以限定辐射通路，所述辐射通 路具有进入室12内的入口和从室12出来的出口。窗14A、14可以由诸如碳化硼(B4C)的材 料制成，所述材料将具有选定能量的光子发射通过所述窗，同时将辐射衰减至多选定的量。 所述材料优选地能够承受流动管线中的流体压力以及能够如上所述发射辐射。在本示例 中，窗14、14A每一个可以大约为4mm厚，使得具有在大约18_60keV(千电子伏特)之间范 围内的能量的χ射线能量光子辐射将被窗14、14A衰减至多大约90 %。因此，施加到一个窗 (图1中的14A)的外表面(背离室12)的χ射线能量光子辐射的强度当室12是空的时候 在所述χ射线能量光子辐射到达相对窗(图1中的14)的外表面时被至多减少大约90%。 可以选择窗14、14A的厚度以抵抗选定的流体静压。在本示例中，窗14、14A可以抵抗达到 15000磅/平方英寸的外部压力。测量检测器16可以联接到相对窗14的外表面或以其它方式紧邻所述外表面设 置，并且如以上所述被布置成在所述辐射通过设置在室12内的任何物质(图1中未示 出)之后检测辐射。测量检测器16可以是包括联接到光电倍增器16B的闪烁晶体16A的 闪烁计数器。如本领域所公知的，进入晶体16A的辐射将使晶体产生闪烁光，所述光的振
6幅与入射辐射的能量成比例。在一些示例中，闪烁晶体16A内可以包括能量校正源(“种 源”-未示出)。这种种源可以对测量检测器16的输出进行校准，使得可确定入射χ射线及 其它光子的绝对能级。例如，参见授予Wraight等人并转让给本发明的受让人的美国专利 No. 4，879，463。这种校准源的非限制性示例是同位素铯137，同位素铯137以大约662keVx 的能级发射单频Y射线。在一些示例中，测量检测器可以包括被构造成相对于入射辐射的 强度和能级保持检测的稳定性的辅助装置。由Perciot等人提出申请的国际专利申请出版 物NO.W02001/096902中说明了一种这样的检测器和辅助装置。与使用其它类型辐射检测 器的装置10的示例相比，由于所公开的检测器提供非常高的稳定性，在装置10中使用的这 种检测器可以提供更高精度的优点。可以由χ射线发生器20提供用于进行测量以表征室12内的流体的辐射。χ射线 发生器20可以包括热致动阴极20B，所述热致动阴极由当加热时易于发射电子(e_)的材料 制成。χ射线发生器20内的热源可以是电阻型加热器20A。由阴极20B发射的电子可以相 对于靶阳极20C保持在较高的负电压下，使得由阴极20B发射的电子被吸引并撞击靶阳极 20C。在这种示例中，靶阳极为地电势。这种结构的可能的优点在于消除使靶与发生器的外 部进行电绝缘的需要，从而可简化发生器的结构并增加了发生器的可靠性。在本示例中，靶 阳极20C(或简单地为“靶”)可以由金属金箔制成，所述金属金箔的厚度被选择成为基本上 使具有小于大约IOOkeV的能量的电子不能通过所述厚度但是能够相对自由地发射具有大 约IOkeV以上的能量的χ射线。χ射线发生器20的靶端可以包括适当的屏蔽件(没有单 独示出)使得χ-射线可以基本上仅沿图1中所示的导向传播路径到达测量检测器16和参 考检测器18。过滤器20D被设置成紧邻靶20C的与暴露于电子的阴极20B的表面相对的 表面。以下进一步说明过滤器20D的功能和结构。虽然在图1中未示出，但是χ射线发生 器20的上述部件通常设置在抽真空壳体中。通过通常紧邻靶20C和过滤器20D的这种壳 体的壁(未示出)的χ射线输出可以通过对辐射透明、承受压力的窗(未示出)实现，所述 窗例如可以由铍制成。这种窗的一种示例可以是具有大约0.25mm厚度的铍板或圆盘。从 χ射线发生器20发出的一些χ射线可以直接传播到紧邻χ射线发生器20设置的参考检测 器18。参考检测器18可以是结构类似于测量检测器16的闪烁计数器，并且可以包括闪烁 晶体18B和光电倍增器18A。在一些示例中，参考检测器晶体18B可以包括如上所述的种源 (未示出)。在其它示例中，参考检测器18的结构可以类似于以上所述的由Perciot等人 提出申请的国际专利申请出版物No. W02001/096902中公开的检测器。每一个光电倍增器16B、18B的输出可以联接到设置在装置10的其它部件内或紧 邻所述其它部件设置的多通道脉冲高度分析器(“MCA”)22。MCA22可以生成与来自每一个 光电倍增器16B、18B的电脉冲相对应的数字位或计数、或相似信号，所述电脉冲具有选定 振幅、或者具有在选定振幅范围内的振幅。因此，MCA 22的输出可以包括由每一个检测器 16,18在选定的时间间隔内检测到的选定数量的能量“窗”(范围)中的每一个的计数的数 量。来自MCA 22的计数可以联接到控制器21，用于如以下进一步所述进行分析，所述控制 器可以是任意基于微处理器的装置。高压控制器26可以为光电倍增器16B、18B和靶20C中的每一个提供致动电压。在 本示例中，阴极20A、20B可以保持在高压下，而靶20C保持在地电势下。高压控制器26可以 在控制器24的控制下操作，使得可始终将选定的电压施加到光电倍增器16B、18B和靶20C中的每一个。控制器24还可以将控制信号提供给加热器20A以调节所述加热器的输出，使 得对于施加到靶20C的任意选定的高压值来说将流动通过发生器20、靶20C的电流(称作 “束电流”)保持在选定的值。以下进一步说明控制束电流和靶电压的方式。在其它示例中， 单独的高压控制器可以用于光电倍增器16B、18B和χ射线发生器20。图IA中示出了另一个示例。样品流体流动通过样品室506中的通道505，所述样 品室在本示例中可以是文丘里管室。响应于输入的高压，X射线发生器502产生通过过滤器 504的辐射。过滤过的辐射则可以沿两条通路传播。要注意的是对于最佳性能，χ射线发生 器502可以相对于两条通路对称定位，使得过滤器504对穿过两条通路的辐射的影响几乎 尽可能地完全相同。第一通路516是其中辐射通过样品室506和所述样品室内的流体505 并到达测量检测器508上的测量通路。第二通路514是其中辐射直接从χ射线发生器502 通过到达参考检测器510的参考通路。在一个示例中，两个辐射检测器508、510的输出被 发送到控制和采集系统512。来自检测器的信息从采集系统沿电缆或铠装电缆517被发送 分析单元518。在用于确定“湿气”混合物(即，包括至多大约10%盐水和/或液态烃的天然气的 混合物)的相组成的装置的示例中，可选择过滤器20D的厚度和组成、χ射线发生器20的 操作电压(在阴极20B与靶20C之间施加的)和χ射线发生器20中的束电流，使得相对于 这种湿气混合物的液相组分的变化优化装置10的分辨率。以下条件与过滤器20D的厚度和组成以及靶电流和靶电压(阴极)有关。首先， 在本示例中，靶20C是5微米厚的金箔。箔的这种厚度和组成产生已经确定适于本发明的 轫致辐射χ射线辐射谱。选择过滤器20D，使得通过入口窗14A进入室12x射线的χ射线的 能谱包括两个不同的能量峰值(在两个不同能级中的每一个处的光子数量局部最大)，所 述两个不同的能量峰值在这里被限定为低能(“LE”)峰值和高能(“HE”)峰值。优选地， LE峰值实际上可较低，以增加用于在油与水之间进行辨别的测量值的灵敏度。与在相同压力和温度条件在大约18keV的χ射线能量下90%的气体和10%的水 的混合物相比，已经通过诸如图1中所示的装置的响应的数值模拟确定了 90%的气体和 10%的油的混合物在5，000磅/平方英寸的压力和100摄氏度温度下将具有最大χ射线衰 减差。图2中示出了利用水作为液相与油作为液相的吸收响应之间的差的图表。因此，过 滤器20D的一个特征是对于仅在大约18-20keV以上的光子具有相对较高的能量吸收。以 下表1中示出了在适当的值下具有“K吸收限”的材料的示例。“K吸收限”表示用于绕原子 核激发K-电子层轨道内的电子使得电子从原子发射所需的阈能。表Ix射线吸收限
权利要求
一种用于确定多相流中的每一相的分数的设备，包括x射线发生器；样品室，所述样品室被构造成用于分析的流体样品容纳在所述样品室内，并且设置在来自所述发生器的输出的辐射通路中；过滤器，所述过滤器在所述发生器的输出与所述样品室的辐射输入之间设置在所述辐射通路中；和第一辐射检测器，所述第一辐射检测器在辐射已经通过所述样品室之后位于来自所述样品室的辐射通路中，其中，选择所述过滤器的厚度和材料以优化由所述第一检测器检测到的辐射的分辨率，以当所述流体样品的气体体积分数在大约90％到100％之间时改变所述流体样品中的油和水的体积分数。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括电源，所述电源能够操作以使所述发生器发射χ 射线，选择所述电源的电压能够以通过所述第一辐射检测器保持在多个能量范围中的每一 个范围内的选定的计数速率。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括脉冲高度分析器，所述脉冲高度分析器能够操 作以联接到所述第一辐射检测器的输出。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括第二辐射检测器，所述第二辐射检测器设置在所述发生器的辐射输出通路中； 脉冲高度分析器，所述脉冲高度分析器联接到所述第二辐射检测器的输出，并且被构 造成生成与由所述第二辐射检测器在选定的能量范围内检测到的χ射线相对应的计数；和 控制器，所述控制器能够操作地联接到所述脉冲高度分析器，所述控制器被构造成响 应于在所述选定的能量范围内由所述第二辐射检测器检测到的辐射调节所述χ射线发生 器的电压和束电流中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述过滤器包括具有在Z= 38-45的范围内的原 子序数的元素和/或这些元素的混合物。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述过滤器包括钼。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述样品室包括在所述样品室的辐射输入和辐 射输出中的每一个内的辐射通路中的χ射线透明窗，每一个所述χ射线透明窗都由具有被 选择成将辐射衰减最多选定量并且抵抗选定量的流体静压的组分和厚度的材料制成。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述窗包括碳化硼。
9.一种用于确定流体的选定组分的体积分数的方法，包括以下步骤 通过使电子加速进入靶材料生成χ射线；控制电子的加速度和电流中的至少一个，并对生成的所述X射线进行过滤，使得被过 滤的所述X射线具有预定能谱，所述预定能谱被优化以求解设置在气体内的油和水的体积 分数，其中，所述气体的体积分数在大约90%与100%之间； 使被过滤的所述χ射线通过所述流体样品； 在选定的能量范围内检测已经通过所述流体样品的χ射线；以及 由检测到的所述χ射线确定气体、油和水的体积分数。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤在所述选定的能量范围内直接检测被过滤的X射线，并且相对于直接检测到的被过滤 的X射线的数量使已经通过所述流体样品的被检测到的X射线的数量标准化。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤在所述选定能量范围内直接检测被过滤的χ射线，并且根据在选定的能量范围中的每 一个范围内直接检测到的χ射线的数量控制对所述电子的加速。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤 使所述流体样品加速；测量由于加速作用在所述流体样品中产生的压降；以及 由测量的所述压降和确定的体积分数计算所述气体、油和水的流量。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述确定体积分数的步骤包括 在多个能量范围中的每一个范围内确定检测到的χ射线的数量。
全文摘要
本发明公开了一种用于确定多相流中的每一相的分数的设备，所述设备包括x射线发生器、样品室，所述样品室被构造成用于分析的流体样品容纳在所述样品室内。所述室设置在来自发生器的输出的辐射通路中。过滤器在发生器的输出与样品室的辐射输入之间设置在辐射通路中。第一辐射检测器在辐射已经通过样品室之后定位于来自样品室的辐射通路中。选择过滤器的厚度和材料以优化由第一检测器检测到的辐射的分辨率，以当流体样品的气体体积分数在大约90％到100％之间时改变所述流体样品中的油和水的体积分数。
文档编号G01N33/28GK101946173SQ200880127108
公开日2011年1月12日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月19日
发明者皮特·怀特, 约耳·L·格罗夫斯, 艾蒂·瓦列 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司