非圆形横截面管道中的流体的nmr成像的制作方法

非圆形横截面管道中的流体的nmr成像的制作方法
【专利摘要】用于测量流体物理性质的基于NMR的系统(100)，所述基于NMR的系统包括：a.NMR波谱仪(110)，用于令所述流体在产生的磁场中受射频(RF)信号作用，测量所述流体再发射的RF信号，并产生所述流体的NMR图像；b.计算机处理器(120)，用于控制所述RF造波和所述NMR波谱仪的检测功能；c.计算机可读介质(CRM)(130)，用于存储供所述计算机处理器使用的机器指令和存储所述RF信号测量的相关信息；d.视觉显示器(140)，用于指示所述基于NMR的系统的当前状态和功能；e.数字电子连接端口(150)，用于所述基于NMR的系统和计算机通讯网络之间的数字通讯；f.管道(160)，所述管道设有预定的非圆形截面节段，用于供所述流体流动；以及g.流激机构(170)，用于在所述管道中引起所述流体的流动；其中，所述CRM(130)包括多个由所述计算机处理器(120)执行的步骤，用于分析处理流经所述非圆形截面管道的所述流体在层流和层流?湍流混合流条件下的物理性质相关的数据。
【专利说明】
非圆形横截面管道中的流体的NMR成像
技术领域 本发明属于用于以基于NMR的系统分析流经非圆形截面管道的流体的物理性质的装置 和方法。
【背景技术】
[0001] 对复杂流体的流动行为的观察和分析能够提供对物质物理性质的重要理解。因 此，这对于工业过程的控制和优化也成为了重要因素。所述过程的示例包括但不限于勘探 性油田钻井、流体运输以及食物加工处理。
[0002] 在石油工业中，钻井液沿钻杆向下流通再向上回到围绕钻杆的钻孔环形区域，其 流变学性质和组成性质将提供必要的过程控制信息。该信息往往带来钻井液组成成分或钻 井参数(例如钻井速度和钻压）的实时流程变化。基于油田钻井操作的性质，此类控制决策 可能带来数千万美元的经济结果。核磁共振(NMR)成像已知是可用于在复杂流体流动和流 体移动性质中采集数据的高灵敏度非侵入性方法。一些极为有效的分析应用是基于脉冲场 梯度自旋回声影像(PGSE)和信号成像实验。这些阴影依靠的是在不同流动区条件下采集到 的流体数据，包括层流、湍流和层流_湍流混合流。
[0003] 基于此，显然需要一种用于对流经核磁共振成像装置的流体进行观察和分析的方 法和系统，其中所述核磁共振成像装置的设计特征可提供不同相对大小的层流-湍流瞬变 流动区域。

【发明内容】
本发明提供用于测量流体物理性质的基于NMR的系统（100)，所述基于NMR的系统包括： a.NMR波谱仪（110)，用于令所述流体在产生的磁场中接触射频(RF)，测量所述流体再发射 的RF信号，并产生所述流体的NMR图像;b.计算机处理器（120)，用于控制所述RF造波和所述 NMR波谱仪的检测功能;c.计算机可读介质（CRM) (130 )，用于存储供所述计算机处理器使用 的机器指令和存储所述RF信号测量的相关信息；d.视觉显示器（140)，用于指示所述基于 匪R的系统的当前状态和功能；e.数字电子连接端口（150)，用于所述基于NMR的系统和计 算机通讯网络之间的数字通讯;f.管道（160)，所述管道设有预定的非圆形截面节段，用于 供所述流体流动；以及g.流激机构（170)，用于在所述管道中引起所述流体的流动;其中，所 述CRM(130)包括多个由所述计算机处理器（120)执行的步骤，用于分析处理流经所述非圆 形截面管道的所述流体在层流和层流-湍流混合流条件下的物理性质相关的数据。
[0004] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的基于匪R的系统，其中由所述基于 NMR的系统测量的所述流动物的物理性质包括至少一种物质的浓度和鉴定，以及所述物质 的粒径、粒径分布、颗粒形状、动态流体特征和水含量。
[0005] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的基于匪R的系统，其中由所述基于 NMR的系统测量的所述流动物的物理性质包括电导率、介电常数和磁性性质这些电化学和/ 或化学性质。
[0006] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的基于匪R的系统，其中所述非圆形 截面管道的规格使得所述管道中得到预测的层流、湍流和层流-湍流混合流区域。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的基于NMR的系统，其中所述管道的非圆 形截面的截面形状为简单椭圆形，且通过所述截面的所述流体速度剖面Vz在笛卡尔坐标系 中如下公式所示：
其中，Q为流经所述管道的流体的总流量，"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道 沿y轴的半径;沿所述截面的不同x、y坐标的速度差与所述管道中的相对层流、湍流和层流-端流混合流流量具有相关性。
[0007] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的基于NMR的系统（100)，其中所述椭 圆形截面管道(310)被串联配置，作为工业过程的串联组成部件，其中所述流体的物理性质 得到测量。
[0008] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的基于NMR的系统（100)，其中述椭圆 形截面管道(410)在线配置，其容纳与工业流程常规流体(420)平行流动的所述流体，即其 中从所述常规流体中抽取流体，并在所述基于匪R的系统的监控点之后再将其重新并入所 述常规流体中。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的基于NMR的系统，其中所述椭圆形截面 管道是多个具有不同椭圆度e的截面的管道之一，所述e的范围在最小值〇至最大值0.98之 间，其中e如以下公式所示：
其中"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道沿y轴的半径，与所述数据分析处理 参数在操作上相匹配。
[0009] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的基于NMR的系统，其中所述椭圆形 截面管道是多个具有不同程度的表面粗度的内壁的管道之一，所述管道中产生不同的流体 湍流水平，与所述数据分析处理参数在操作上相匹配。 本发明提供用于测量流体的物理性质的方法，所述方法包括以下步骤:a.令所述流体 在使用NMR波谱仪（110)产生的磁场中接触射频(RF)，测量所述流体再发射的RF信号，并产 生所述流体的匪R图像;b.使用计算机处理器（120)控制所述RF造波和所述NMR波谱仪的检 测功能;c.使用计算机可读介质(CRM)(130)存储供所述计算机处理器使用的机器指令和存 储所述RF信号测量的相关信息;d.使用视觉显示器（140)指示所述基于NMR的系统的当前状 态和功能;e.使用数字电子连接端口（150)在所述基于NMR的系统和计算机通讯网络之间进 行数字通讯;f.使用设有预定的非圆形截面节段的管道（160)供所述流体流动；以及g.使用 流激机构（170)在所述管道中引起所述流体的流动；其中，所述CRM( 130)包括多个由所述计 算机处理器（120)执行的步骤，用于分析处理流经所述非圆形截面管道的所述流体在层流 和层流-湍流混合流条件下的物理性质相关的数据。
[0010] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中由所述基于NMR的系统 测量的所述流动物的物理性质包括至少一种物质的浓度和鉴定，以及所述物质的粒径、粒 径分布、颗粒形状、动态流体特征和水含量。
[0011] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中测量所述流动物的物理 性质包括电导率、介电常数和磁性性质这些电化学和/或化学性质。
[0012] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述椭圆形截面管道是 工业流程的串联组成部分，其中所述流体的物理性质受到监控。
[0013] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述椭圆形截面管道在 线连接，其容纳与工业流程常规流体平行流动的所述流体，即其中从所述常规流体中抽取 流体，并在经过所述基于NMR的系统的监控点之后再将其重新并入所述常规流体中。
[0014] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中由所述基于NMR的系统 测量的所述流动物的物理性质包括至少一种物质的浓度和鉴定，以及所述物质的粒径、粒 径分布、颗粒形状、动态流体特征和水含量。
[0015] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中测量所述流动物的物理 性质包括电导率、介电常数和磁性性质这些电化学和/或化学性质。
[0016] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述非圆形截面管道的 规格使得所述管道中得到预测的层流、湍流和层流-湍流混合流区域。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述管道的非圆形截面的截 面形状为简单椭圆形，且通过所述截面的所述流体速度剖面在笛卡尔坐标系中如下公式 所示：
其中，Q为流经所述管道的流体的总流量，"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道 沿y轴的半径;沿所述截面的不同X、y坐标的速度差与所述管道中的相对层流、湍流和层流-端流混合流流量具有相关性。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述椭圆形截面管道是多个 具有不同椭圆度e的截面的管道之一，所述e的范围在最小值0至最大值0.98之间，其中e如 以下公式所示：
其中"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道沿y轴的半径，与所述数据分析处理 参数在操作上相匹配。
[0017] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述椭圆形截面管道是 多个具有不同程度的表面粗度的内壁的管道之一，所述管道中产生不同的流体湍流水平， 与所述数据分析处理参数在操作上相匹配。 本发明提供用于测量流动流体物理性质的基于NMR的系统的配件盒(500)，其中所述 配件盒包括至少一个椭圆形截面管道节段，所述管道节段具有（i)截面椭圆度和（ii)内表 面粗度的特定组合性质，在所述管道内产生特定的层流、湍流和层流-湍流混合流条件，所 述组合性质与所述数据分析处理参数在操作上相匹配。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2个管 道节段，其中所述管道节段的内部均方根粗度的范围在最小值约〇.2m至最大值约20m之 间，其中Rrms如以下公式所示：
其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2个管 道节段，其中所述管道节段的椭圆度e的范围在最小值约〇至最大值约0.98之间，其中e如以 下公式所示：
其中"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道沿y轴的半径。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2个管 道节段，其中对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而 言，用于预测所述管道节段的层流-湍流流动特征的雷诺数N Re的范围在最小值1000至最大 值5000之间，其中NRe如以下公式所示：
其中P为流经所述管道节段的流体密度，#为流体的平均速度，DH是管道的水压直径，且 y为所述流体的动态粘度。
[0018] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2 个管道节段，其中，对于密度为约10镑/加仑、平均速度为约7.5ft/s且动态粘度为约160cp 的参照流体而言，所述管道节段中的层流-湍流混合流(MLTF)截面区域范围为占所述管道 节段的总截面面积的最小值约10%至最大值约70%，其中所述MLTF区域限定为具有在约 2000至约4000之间的雷诺数N Re。
[0019] 本发明提供用测量流动流体的基于NMR的系统的方法，其中所述方法包括以下步 骤:在预设的多个用于承载流经所述基于NMR系统的测量部分的流体的管道模块中进行管 道模块交换，所述管道模块两端设有系统兼容接头;其中所述多个管道包括至少2个椭圆形 截面管道节段，所述管道节段具有(i)截面椭圆度和（ii)内表面粗度的特定组合性质，在所 述管道内产生特定的层流、湍流和层流-湍流混合流条件，所述组合性质与所述数据分析处 理参数在操作上相匹配。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括在至少2个管 道节段中进行选择，其中所述管道节段的内部均方根粗度的范围在最小值约〇.2m至最大 值约20ym之间，其中Rrms如以下公式所示：
其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括在至少2个管 道节段中进行选择，其中所述管道节段的椭圆度e的范围在最小值约〇至最大值约0.98之 间，其中e如以下公式所示：
其中"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道沿y轴的半径。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括在至少2个管 道节段中进行选择，其中对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的 参照流体而言，用于预测所述管道节段的层流-湍流流动特征的雷诺数?^的范围在最小值 1000至最大值5000之间，其中N Re如以下公式所示：
其中P为流经所述管道节段的流体密度，#为流体的平均速度，Dh是管道的水压直径， 且y为所述流体的动态粘度。
[0020] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括在至少2 个管道节段中进行选择，其中，对于密度为约10镑/加仑、平均速度为约7.5ft/s且动态粘度 为约160cp的参照流体而言，所述管道节段中的层流-湍流混合流(MLTF)截面区域范围为占 所述管道节段的总截面面积的最小值约10%至最大值约70%，其中所述MLTF区域限定为具 有在约2000至约4000之间的雷诺数N Re。
[0021] 本发明提供用于测量流动流体物理性质的基于NMR系统的配件盒，其中所述配件 盒包括至少一个矩形截面管道节段，所述管道节段具有（i)截面矩形长宽比和（ii)内表面 粗度的特定组合性质，在所述管道内产生特定的层流、湍流和层流-湍流混合流条件，所述 组合性质与所述数据分析处理参数在操作上相匹配。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2个管 道节段，其中所述管道节段的内部均方根粗度的范围在最小值约〇.2m至最大值约20m之 间，其中Rrms如以下公式所示：
其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括在至少2个 管道节段之间选择，其中所述管道节段的所述矩形长宽比AR的范围在最小值约1至最大值 约8之间，其中AR如以下公式所示： AR=ff/H, 其中W是所述管道的宽度，H是所述管道的高度。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2个管 道节段，其中对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而 言，用于预测所述管道节段的层流-湍流流动特征的雷诺数N Re的范围在最小值1000至最大 值5000之间，其中NRe如以下公式所示：
[0022] 其中P为流经所述管道节段的流体密度，#为流体的平均速度，Dh是管道的水压直 径，且:为所述流体的动态粘度。
[0023] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2 个管道节段，其中，对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照 流体而言，所述管道节段中的层流-湍流混合流(MLTF)截面区域范围为占所述管道节段的 总截面面积的最小值约10%至最大值约70%，其中所述MLTF区域限定为具有在约2000至约 4000之间的雷诺数N Re。
[0024] 本发明提供使用测量流动流体的基于NMR的系统的方法，其中所述方法包括至少 一个矩形截面管道节段，所述管道节段具有（i)截面矩形长宽比和（ii)内表面粗度的特定 组合性质，在所述管道内产生特定的层流、湍流和层流-湍流混合流条件，所述组合性质与 所述数据分析处理参数在操作上相匹配。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括在至少2个管 道节段中进行选择，其中所述管道节段的内部均方根粗度的范围在最小值约〇.2m至最大 值约20ym之间，其中Rrms如以下公式所示：
其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括在至少2个管 道节段之间选择，其中所述管道节段的所述矩形长宽比AR的范围在最小值约1至最大值约8 之间，其中AR如以下公式所示： AR=ff/H, 其中W是所述管道的宽度，H是所述管道的高度。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括至少2个管道 节段，其中对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而 言，用于预测所述管道节段的层流-湍流流动特征的雷诺数N Re的范围在最小值1000至最大 值5000之间，其中NRe如以下公式所示：
其中。为流经所述管道节段的流体密度3为流体的平均速度，Dh是管道的水压直径，且 为所述流体的动态粘度。
[0025] 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括至少2个 管道节段，其中，对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流 体而言，所述管道节段中的层流-湍流混合流(MLTF)截面区域范围为占所述管道节段的总 截面面积的最小值约10%至最大值约70%，其中所述MLTF区域限定为具有在约2000至约 4000之间的雷诺数N Re。
[0026] 本发明提供用于测量流动流体物理性质的基于NMR系统的配件盒，其中所述配件 盒包括至少一个螺旋形截面管道节段，所述管道节段具有（i)相对曲率和（i i)内表面粗度 的特定组合性质，在所述管道内产生特定的层流、湍流和层流-湍流混合流条件，所述组合 性质与所述数据分析处理参数在操作上相匹配。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2个管 道节段，其中所述管道节段的内部均方根粗度的范围在最小值约〇.2m至最大值约20m之 间，其中Rrms如以下公式所示：
其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2个管 道节段，其中所述管道节段的螺旋曲率S的范围在最小值约0.02至最大值约0.1之间，其中S 如以下公式所示：
其中，a为螺旋管道的截面内宽，螺旋管道的螺距为2皿'，且螺旋管道所包围的圆柱形 半径为V。。
[0027] 本发明提供使用测量流动流体的基于NMR的系统的方法，其中所述方法包括螺旋 截面管道，所述管道节段具有（i)相对曲率和（i i)内表面粗度的特定组合性质，在所述管道 内产生特定的层流、湍流和层流-湍流混合流条件，所述组合性质与所述数据分析处理参数 在操作上相匹配。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述方法包括在至少2个管 道节段中进行选择，其中所述管道节段的内部均方根粗度的范围在最小值约〇.2m至最大 值约20ym之间，其中Rrms如以下公式所示：
其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。 本发明的又一目的在于公开任一种如上所述的方法，其中所述配件盒包括至少2个管 道节段，其中所述管道节段的螺旋曲率S的范围在最小值约0.02至最大值约0.1之间，其中S 如以下公式所示：
其中，a为螺旋管道的截面内宽，螺旋管道的螺距为2皿'，且螺旋管道所包围的圆柱形 半径为V。。
【附图说明】
[0028]
[0029]
[0030]
[0031] 为了帮助理解本发明，并明白其如何应用于实践，本公开将在下文中，引用以下附 图，以非限制性实施例的形式对优选实施例进行详细描述： 图1展示了用于测量流体物理性质的基于NMR的系统（100)的示意图。 图2是管道的简单椭圆形截面在笛卡尔坐标空间中的几何制图（椭圆形管道截面），其
中x轴(主轴)为a，y轴(副轴)为b ，(Xb彡a;e = l，椭圆是沿x轴的直线； e = 0,椭圆是圆形。 图3是其中贯穿了椭圆形截面管道的基于NMR的测量系统的示意图，该系统与工业过程 常规流体流动相串联;基于NMR的系统（100)与椭圆形截面管道(310)与常规流通流体(320) 串行连接。 图4其中贯穿了椭圆形截面管道的基于NMR的测量系统的示意图，该系统与工业过程常 规流体流动相并联;基于NMR的系统（100)与椭圆形截面管道(410)与常规流通流体(420)串 行连接。
图5是管道配件盒的示意图，其中具有各种截面椭圆度和表面粗度的管道配件盒(500) 可在基于NMR的系统（100)中换用。 图6是矩形截面管道的几何制图，其中宽度为W，高度为H;矩形长宽比. ，0<H< 图7是螺旋管道节段的示意图，其中螺旋管道截面的内宽为a，螺旋管道的螺距为2皿'， 且螺旋管道所包围的圆柱形半径为V。。。
【具体实施方式】
[0032]下文将描述本发明的所有方面，以便于本领域技术人员使用本发明，并列举发明 人所构思的实施本发明的最佳模式。但是，本领域技术人员能够理解本发明可以存在各种 改进形式，因为本发明的本质原理具体限定为提供一种用于高精度测量和控制工业环境中 的流动物的物理、电化学和/或化学态转换的非侵入式在线装置。
[0033] 本发明中的"核磁共振"和"NMR"术语指的是处于磁场中的物质的原子核吸收并再 放射电磁辐射的物理现象。所述物质再放射出的辐射共振频率由磁场强度和所述物质的特 定原子结构决定。
[0034] 本发明中的"基于NMR的系统"术语指的是一种对物质产生可控核磁共振作用并检 测由此产生的电磁辐射的波谱测度的装置。
[0035] 本发明中的"NMR图像"术语指的是通过匪R波谱法获得的截面的波谱测度的图像 表征;其集合可以整合生成NMR波谱测度的三维表征。
[0036] 本发明中的"非侵入式"术语指的是，本发明所公开的操作并不影响待测物质，且 不会干扰所述物质参与的正常工业过程。
[0037] 下文中的术语"多个"指的是任何大于等于一的整数。
[0038] 本发明中的"层流"术语指的是流体各层平行流动的流体动态特征，各层之间各不 干扰。层流亦可表征为其流体的粘度吸收其动能的形式。
[0039]本发明中的"湍流"术语指的是流体流动时各层之间显著相互干扰的流体动态特 征，其特征在于并非以平滑的平行层流动。湍流亦可表征为其流体的粘度不吸收其动能的 形式。
[0040] 本发明中的"表面粗糙度"术语指的是机械加工面的质地特征，该特征是由真实表 面相对于其理想形式的法向向量方向偏差来量化的，由此偏差大则表面粗糙，偏差小则表 面平滑。
[0041] 本发明中的术语"在线"（"on-line")指的是一种系统状态，在此状态下，系统的测 量功能为实时操作，且无需人工干预。
[0042] 本发明中的"串联"（"in-line")指的是测量系统在涉及流体的工业过程中作为连 续操作序列的组成部分。
[0043] 本发明的又一个实施例中，提供一种尤其适用于检测物质中所含（即浓度和识别） 的至少一种物质以及该材料的物理特征(包括粒径、粒径分布、颗粒形状、动态流体特征、含 水量)的系统和方法。
[0044] 本系统进一步适用于测量流动物的电化学和/或化学态转化，所述转化包括所述 物质的电导率、介电常数和磁性性质的相对变化。 流体动力的科学和应用几何学表明，管道的截面形状的改变会影响其层流-湍流瞬变 区域的大小。基于此，NMR波谱技术与具有特定层流-湍流瞬变性质的流动管道系统的结合， 能够为测定流体的流变和组成性质提供有益的实验和流程控制价值。 实施例
[0045] 下面将描述本发明寻求保护的实施方式的多个实施例，以为例证。下文中将涉及 部分所述实验。所述实施例描述了本发明的形式和方法，并列举了发明人所构思的实施本 发明的最佳模式，但不应看作是对本发明范围的限制。 实施例1
[0046] 众多水质毒性检测技术能检测极低浓度的危险污染物。但是，这些技术往往专门 针对一种或一类污染物，有些还受到物流限制。例如，许多生物检测体，例如藻类系统，其分 布能力有限。使用鱼类或贻贝的检测体能够检测氰化物和含氯农药，但其灵敏度不足以达 到期望检测水平。由于潜在水质污染物的物理和化学性质变化很大，因此当需要全面检测 水质毒性时，检测一种或一类污染物的仪器用途有限。全面毒性检测对于大型供水系统的 一般安全是必要的，例如城市水库。
[0047] 基于NMR的系统可以通过从城市水库栗出的平行供水，持续在线监控供水系统。该 系统以饮用水的共振频率以及预定有毒污染物列表的共振频率和电磁自选特征进行校准。 当(a)流体共振频率偏离标准可接受共振频率范围时或(b)检测到所述有毒污染物列表上 的任一种污染物时，该系统发出警报。
[0048] 此外，该基于NMR的系统测量水流截面的层流-湍流瞬变，以促进物质成分的分离， 最大化该系统的整体检测有效性。 实施例2:
[0049] 将基于NMR的系统用于测量番茄酱生产流程中的流体流变性质，包括粘度。该系统 针对期望的番茄酱配置参数相关的共振频率进行校准和调整。对番茄酱流进行持续的在线 测量，若系统检测到偏离校准粘度值大于〇. 5 %的流体粘度时，则可以启动警报。
[0050] 此外，该基于匪R的系统测量番茄酱生产线的流动物中的层流-湍流瞬变截面区 域，这是为了分离和识别未能完全同化在流体基质中的任何成分。由此，可以最大化产品一 致性和质量控制。 实施例3:
[0051] 在石油勘探工业中，钻井液沿钻杆向下流通再向上回到围绕钻杆的钻孔环形区 域，其流变学性质和组成性质将提供必要的过程控制信息。该信息往往带来钻井液组成成 分或钻井参数(例如钻井速度和钻压)的实时流程变化。
[0052]在一些情况下，循环钻井液的性质可以提供地质结构构造信息。某些地质结构更 可能使得钻井下部钻具组合(BHAs)卡住。当检测到所述情况时，将采用特定步骤来避免钻 柱卡住。应当注意，钻柱卡住将导致数以百万计的不可预测操作费用，尤其是损失昂贵的下 部工具，且钻井点场地费用浪费天数累积。
[0053]在油田钻机现场，使用基于NMR的系统来测量钻井液的流变性质，包括粘度。 实施例4:
[0054] 蒸馏物可以包括但不限于，酒精饮料和化工产品，包括石油化工产品。在饮料蒸馏 工业中，酒精物质来自各种原料，包括但不限于谷物、蔬菜和水果。在石油化工工业中，有的 产品的蒸馏性质对终产品的质量至关重要，例如汽车燃料和航空燃料。例如，航空燃料的蒸 馏性质可以影响高温操作、高飞行高度或两者兼有时的启动、预热和汽塞倾向。因此，石油 产品说明书、商业合同协议、炼油加工/控制应用以及工业/产品规定的符合性中常常包括 了蒸馏限制。
[0055] 作为蒸馏系统/过程中质量控制的一部分，使用基于NMR的系统，根据共振频率来 测量流体的流变性质以及相对于标准参照物质的水含量和流体质量。流体流经冷凝过程 (包括流经部分螺旋管道)时进行NMR成像。
【主权项】
1. 用于测量流体物理性质的基于核磁共振(NMR)的系统（100)，所述基于NMR的系统包 括： a. NMR波谱仪（110)，用于令所述流体在产生的磁场中受射频(RF)信号作用，测量所述 流体再发射的RF信号，并产生所述流体的NMR图像； b. 计算机处理器（120)，用于控制所述RF造波和所述NMR波谱仪的检测功能； c. 计算机可读介质（CRM) (130)，用于存储供所述计算机处理器使用的机器指令和存储 所述RF信号测量的相关信息； d. 视觉显示器（140 )，用于指示所述基于NMR的系统的当前状态和功能； e. 数字电子连接端口（150)，用于所述基于NMR的系统和计算机通讯网络之间的数字通 讯； f. 管道(160)，所述管道设有非圆形截面的预定节段，用于供所述流体流动；以及 g. 流激机构（170 )，用于在所述管道中引起所述流体的流动； 其中，所述CRM(130)包括多个由所述计算机处理器（120)执行的步骤，用于分析处理与 流经所述非圆形截面管道的所述流体在层流和层流-湍流混合流条件下的物理性质相关的 数据。2. 根据权利要求1所述的基于NMR的系统，其特征在于，由所述基于NMR的系统测量的所 述流动物的物理性质包括至少一种物质的浓度和鉴定，以及所述物质的粒径、粒径分布、颗 粒形状、动态流体特征和水含量。3. 根据权利要求1所述的基于NMR的系统，其特征在于，由所述基于NMR的系统测量的所 述流动物的物理性质包括电导率、介电常数和磁性性质这些电化学和/或化学性质。4. 根据权利要求1所述的基于NMR的系统，其特征在于，所述非圆形截面管道的规格使 得所述管道中得到层流、湍流和层流-湍流混合流的预测区域。5. 根据权利要求4所述的基于NMR的系统，其特征在于，所述管道的非圆形截面的截面 形状为简单椭圆形，且通过所述截面的所述流体速度剖面在笛卡尔坐标系中如下公式所 示：其中，Q为流经所述管道的流体的总流量，"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道 沿y轴的半径;沿所述截面的不同x、y坐标的速度差与所述管道中的相对层流、湍流和层流-端流混合流流量具有相关性。6. 根据权利要求5所述的基于NMR的系统，其特征在于，所述椭圆形截面管道(310)被串 联配置，作为工业过程的串联组成部分，其中所述流体的物理性质受到监控。7. 根据权利要求5所述的基于NMR的系统，其特征在于，所述椭圆形截面管道(410)为在 线配置，其容纳与工业过程的常规流体(420)平行流动的所述流体的流，即其中从所述常规 流体中抽取流体，并在经过所述基于NMR的系统的监控点之后再使所述流体重新并入所述 常规流体中。8. 根据权利要求5所述的基于NMR的系统，其特征在于，所述椭圆形截面管道是具有不 同椭圆度e的截面的多个管道之一，所述e的范围在最小值0至最大值0.98之间，其中e如以 下公式所示：其中"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道沿y轴的半径，与所述数据分析处理 参数在操作上相匹配。9. 根据权利要求5所述的基于NMR的系统，其特征在于，所述椭圆形截面管道是具有不 同程度的表面粗度的内壁的多个管道之一，所述管道中产生不同的流体湍流水平，与所述 数据分析处理参数在操作上相匹配。10. 用于测量流体的物理性质的方法，所述方法包括以下步骤： a. 令所述流体在使用匪R波谱仪（110)产生的磁场中受射频(RF)信号作用，测量所述流 体再发射的RF信号，并产生所述流体的NMR图像； b. 使用计算机处理器（120)控制所述RF造波和所述NMR波谱仪的检测功能； c .使用计算机可读介质（CRM) (130)存储供所述计算机处理器使用的机器指令和存储 所述RF信号测量的相关信息； d. 使用视觉显示器（140)指示所述基于NMR的系统的当前状态和功能； e. 使用数字电子连接端口（150)在所述计算机处理器（120)与计算机通讯网络之间进 行数字通讯； f. 使用设有非圆形截面节段的预定管道(160)供所述流体在所述磁场中流动；以及 g. 使用流激机构（170)在所述管道中引起所述流体的流动； 其中，所述方法进一步包括所述CRM(130)执行用于处理与流经所述非圆形截面管道的 所述流体在层流和层流-湍流混合流条件下的物理性质相关的数据的指令的步骤。11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述处理与流动物的测得物理性质相关 的数据的步骤包括确定至少一种材料的浓度和鉴定，以及所述材料的粒径、粒径分布、颗粒 形状、动态流体特征和水含量。12. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述流动物的测得物理性质包括电导 率、介电常数和磁性性质这些电化学和/或化学性质。13. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述非圆形截面管道的规格使得所述管 道中得到层流、湍流和层流-湍流混合流的预测区域。14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述管道的非圆形截面的截面形状为简 单椭圆形，且通过所述截面的所述流体速度剖面在笛卡尔坐标系中如下公式所示：其中，Q为流经所述管道的流体的总流量，"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道 沿y轴的半径;沿所述截面的不同x、y坐标的速度差与所述管道中的相对层流、湍流和层流-端流混合流流量具有相关性。15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述椭圆形截面管道(310)被串联配置， 作为工业过程的串联组成部分，其中所述流体的物理性质受到监控。16. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述椭圆形截面管道(410)为在线配置 的，其容纳与工业过程的常规流体(420)平行流动的所述流体，即其中从所述常规流体中抽 取流体，并在经过测量区域之后再将该流体重新并入所述常规流体中。17. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述椭圆形截面管道是具有不同椭圆度 e的截面的多个管道之一，所述e的范围在最小值0至最大值0.98之间，其中e如以下公式所 示：其中"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道沿y轴的半径，与所述数据分析处理 参数在操作上相匹配。18. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述椭圆形截面管道是具有不同程度的 表面粗度的内壁的多个管道之一，所述管道中产生不同的流体湍流水平，与所述数据分析 处理参数在操作上相匹配。19. 用于测量流动流体物理性质的基于匪R的系统的配件盒（500)，其中所述配件盒包 括至少一个椭圆形截面管道节段，所述管道节段具有（i)截面椭圆度和（ii)内表面粗度的 特定组合性质，在所述管道内产生层流、湍流和层流-湍流混合流的特定的条件，所述组合 性质与所述数据分析处理参数在操作上相匹配。20. 根据权利要求19所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中所述管道节段的内部均方根粗度Rrms的范围在最小值约0.2wi至最大值约20wi之间，其中 Rrms如以下公式所示：其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。21. 根据权利要求19所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中所述管道节段的椭圆度e的范围在最小值约〇至最大值约0.98之间，其中e如以下公式所 示：其中"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道沿y轴的半径。22. 根据权利要求19所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而言，用于预 测所述管道节段的层流-湍流流动特征的雷诺数N Re的范围在最小值1000至最大值5000之 间，其中NRe如以下公式所示：其中P为流经所述管道节段的流体的密度，#为流体的平均速度，DH是管道的水压直径， 且y为所述流体的动态粘度。23. 根据权利要求19所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中，对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而言，所述 管道节段中的层流-湍流混合流(MLTF)截面区域范围为占所述管道节段的总截面面积的最 小值约10%至最大值约70%，其中所述MLTF区域限定为具有在约2000至约4000之间的雷诺 数 NRe〇24. 使用测量流动流体的基于NMR的系统的方法，其中所述方法包括以下步骤:在预设 的多个用于承载流经所述基于NMR系统的测量部分的流体的管道模块中进行管道模块交 换，所述管道模块两端设有系统兼容接头;其中所述多个管道包括至少2个椭圆形截面管道 节段，所述管道节段具有(i)截面椭圆度和（ii)内表面粗度的特定组合性质，在所述管道内 产生层流、湍流和层流-湍流混合流的特定条件，所述组合性质与所述数据分析处理参数在 操作上相匹配。25. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括在至少2个管道节段中进 行选择，其中所述管道节段的内部均方根粗度Rrms的范围在最小值约0.2m至最大值约2〇ym 之间，其中Rrms如以下公式所示：其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。26. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括在至少2个管道节段中进 行选择，其中所述管道节段的椭圆度e的范围在最小值约〇至最大值约0.98之间，其中e如以 下公式所示：其中"a"是所述管道沿x轴的半径，"b"是所述管道沿y轴的半径。27. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括在至少2个管道节段中进 行选择，其中对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而 言，用于预测所述管道节段的层流-湍流流动特征的雷诺数N Re的范围在最小值1000至最大 值5000之间，其中NRe如以下公式所示：其中P为流经所述管道节段的流体密度，为流体的平均速度，Dh是管道的水压直径，且 y为所述流体的动态粘度。28. 根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括在至少2个管道节段中进 行选择，其中，对于密度为约10镑/加仑、平均速度为约7.5ft/s且动态粘度为约160cp的参 照流体而言，所述管道节段中的层流-湍流混合流(MLTF)截面区域范围为最小值、即占所述 管道节段的总截面面积的约10%至最大值、即约70%之间，其中所述MLTF区域限定为具有 在约2000至约4000之间的雷诺数N Re。29. 用于测量流动流体物理性质的基于NMR系统的配件盒，其中所述配件盒包括至少一 个矩形截面管道节段，所述管道节段具有（i)截面矩形长宽比和（i i)内表面粗度的特定组 合性质，在所述管道内产生层流、湍流和层流-湍流混合流的特定条件，所述组合性质与所 述数据分析处理参数在操作上相匹配。30. 根据权利要求29所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中所述管道节段的内部均方根粗度Rrms,的范围在最小值约0.2wi至最大值约20wi之间，其 中Rrms如以下公式所示：其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。31. 根据权利要求29所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括在至少2个管道节段 之间选择，其中所述管道节段的所述矩形长宽比AR的范围在最小值约1至最大值约8之间， 其中AR如以下公式所示： AR=ff/H, 其中W是所述管道的宽度，H是所述管道的高度。32. 根据权利要求29所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中对于密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而言，用于预 测所述管道节段的层流-湍流流动特征的雷诺数N Re的范围在最小值1000至最大值5000之 间，其中NRe如以下公式所示：其中P为流经所述管道节段的流体密度，曼为流体的平均速度，Dh是管道的水压直径，且 y为所述流体的动态粘度。33. 根据权利要求29所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中，对于密度为约10镑/加仑、平均速度为约7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而言， 所述管道节段中的层流-湍流混合流(MLTF)截面区域的范围在最小值、即占所述管道节段 的总截面面积的约10%至最大值、即占约70%之间，其中所述MLTF区域限定为具有在约 2000至约4000之间的雷诺数N Re。34. 使用测量流动流体的基于匪R的系统的方法，其中所述方法包括至少一个矩形截面 管道节段，所述管道节段具有（i)截面矩形长宽比和（ii)内表面粗度的特定组合性质，在所 述管道内产生层流、湍流和层流-湍流混合流的特定条件，所述组合性质与所述数据分析处 理参数在操作上相匹配。35. 根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述方法包括至少2个管道节段，其中所 述管道节段的内部均方根粗度Rrms的范围在最小值、即约0.2wi至最大值、即约20ym之间，其 中Rrms如以下公式所示：其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。36. 根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述方法包括在至少2个管道节段之间 选择，其中所述管道节段的所述矩形长宽比AR的范围在最小值约1至最大值约8之间，其中 AR如以下公式所示： AR=ff/H, 其中W是所述管道的宽度，H是所述管道的高度。37. 根据权利要求34所述方法，其特征在于，所述方法包括至少2个管道节段，其中对于 密度为10镑/加仑、平均速度为7.5ft/s且动态粘度为160cp的参照流体而言，用于预测所述 管道节段的层流-湍流流动特征的雷诺数N Re的范围在最小值1000至最大值5000之间，其中 NRe如以下公式所示：其中P为流经所述管道节段的流体密度，#为流体的平均速度，DH是管道的水压直径，且 y为所述流体的动态粘度。38. 根据权利要求34所述方法，其特征在于，所述方法包括至少2个管道节段，其中，对 于密度为约10镑/加仑、平均速度为约7.5ft/s且动态粘度为约160cp的参照流体而言，所述 管道节段中的层流-湍流混合流(MLTF)截面区域范围为在最小值、即占所述管道节段的总 截面面积的约10%至最大值、即占约70%之间，其中所述MLTF区域限定为具有在约2000至 约4000之间的雷诺数N Re。39. 用于测量流动流体物理性质的基于NMR系统的配件盒，其中所述配件盒包括螺旋形 截面管道节段，所述管道节段具有(i)相对曲率和（i i)内表面粗度的特定组合性质，在所述 管道内产生层流、湍流和层流-湍流混合流的特定条件，所述组合性质与所述数据分析处理 参数在操作上相匹配。40. 根据权利要求39所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中所述管道节段的内部均方根粗度Rrms的范围在最小值约0.2wi至最大值约20wi之间，其中 Rrms如以下公式所示：其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。41. 根据权利要求39所述的配件盒，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其 中所述管道节段的螺旋曲率S的范围在最小值约0.02至最大值约0.1之间，其中S如以下公 式所示：其中，aa为螺旋管道的截面内宽，螺旋管道的螺距为2皿'，且螺旋管道所包围的圆柱形 半径为V。。42. 使用测量流动流体的基于NMR的系统的方法，其中所述方法包括螺旋截面管道，所 述管道节段具有（i)相对曲率和(i i)内表面粗度的特定组合性质，在所述管道内产生层流、 湍流和层流-湍流混合流的特定条件，所述组合性质与所述数据分析处理参数在操作上相 匹配。43. 根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述方法包括至少2个管道节段，其中所 述管道节段的内部均方根粗度Rrms的范围在最小值约0.2M1至最大值约20mi之间，其中Rrms 如以下公式所示：其中n为测量次数，y为与平均表面高度之间的差值。44. 根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述配件盒包括至少2个管道节段，其中 所述管道节段的螺旋曲率S的范围在最小值约0.02至最大值约0.1之间，其中S如以下公式 所示：其中，a为螺旋管道的截面内宽，螺旋管道的螺距为2皿'，且螺旋管道所包围的圆柱形 半径为V。。
【文档编号】G01N15/00GK106053299SQ201510420515
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年7月16日
【发明人】尤里·拉波波特, 伊泰·巴鲁奇
【申请人】艾斯拜克特Ai有限公司