МНОГОФАЗНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ РАСХОДОМЕР
MULTIPHASE X-RAY FLOWMETER

Изобретение относится к области измерения параметров многофазового потока, а именно к устройству для измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси без предварительной сепарации многофазного потока, и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности.
Для определения фазового состава смеси чаще всего используется метод рентгеновской или гамма-денситометрии. Принцип работы основывается на разнице в коэффициентах поглощения фотонов рентгеновского спектра излучения различной энергии веществами, входящими в состав исследуемой смеси. Этот эффект описывается законом Бугера-Ламберта-Бера. Для нефтегазовой промышленности наибольший интерес представляет определение состава флюида, состоящего из воды, нефти (жидких углеводородов) и природного газа под давлением. В этом случае удобно использовать для денситометрии излучение с двумя диапазонами энергий: низкоэнергетичное излучение (20-40 кэВ) и высокоэнергетичное (50-80 кэВ). На низких энергиях разница в коэффициентах поглощения излучения между водой и жидкими углеводородами максимальна, что позволяет различить эти две фракции. На высоких энергиях разница между коэффициентами поглощения излучения воды и жидких углеводородов становится несущественной, а между жидкими компонентами и природным газом наоборот возрастает. Стоит отметить, что рассматривается диапазон энергий выше 20 кэВ, потому как ниже этой энергии все излучение сильно поглощается в окружающем воздухе и не несет в себе полезной информации.
Известен многофазный рентгеновский расходомер для измерения расхода и состава многофазной жидкости, содержащий средство излучения, адаптированное для генерации луча фотонов, чтобы облучать многофазную жидкость пространственно вдоль участка потока многофазной жидкости, средство детектирования, пространственно сконфигурированное для приема фотонов, исходящих от упомянутого участка потока многофазной жидкости, в различных интервалах времени, чтобы формировать изображение пространственного распределения принятых фотонов для каждого упомянутого интервала времени, и средство анализа, адаптированное для определения скорости потока одной или более фаз многофазной жидкости на основе временной последовательности изображений пространственных распределений принятых фотонов, при этом упомянутое средство детектирования включает в себя двумерную матрицу детекторных элементов и упомянутое средство излучения, адаптированное, чтобы генерировать фотоны на первом энергетическом уровне и втором энергетическом уровне, причем для первого энергетического уровня коэффициенты поглощения фотонов для двух различных фаз, содержащихся в многофазной жидкости, по существу равны, для второго энергетического уровня коэффициенты поглощения фотонов для упомянутых двух фаз многофазной жидкости отличаются [патент RU №2533758, кл. G01F 1/704, опубл. 20.11.2014].
Особенностью данного устройства является возможность фильтрации потока фотонов от рентгеновских источников. Предполагается либо наличие двух импульсных рентгеновских источников с разными потенциалами на рентгеновских трубках, работающих попеременно, либо одной рентгеновской трубки, работающей в импульсном режиме и обеспечивающей вариацию потенциала рентгеновской трубки от импульса к импульсу. Частота следования импульсов находится в непосредственной прямо пропорциональной зависимости от скорости течения исследуемого многофазного потока. При скоростях потока многофазной жидкости от 1 до 10 м/с, типичных для предполагаемых применений данного многофазного расходомера, и размерах единичного элемента матричного детектора порядка 1 мм скорость следования рентгеновских импульсов должна быть порядка 100 Гц и выше. Импульсный рентгеновский источник, обеспечивающий частоту следования импульсов 100 Гц и выше, является технически сложным и, следовательно, дорогим устройством, и, как правило, ресурс эксплуатации таких устройств достаточно мал.
Наиболее близким к заявляемому объекту является устройство для измерения расхода и/или состава многофазной жидкости, содержащее средство излучения, выполненное с возможностью генерации импульсного пучка фотонов для облучения многофазной жидкости пространственно вдоль участка потока многофазной жидкости, выполненное с возможностью приложения напряжения к средству излучения, средство обнаружения, пространственно сконфигурированное для приема фотонов, исходящих от участка потока многофазной жидкости, чтобы сформировать изображения пространственного распределения принятых фотонов для каждой из точек во времени и средство анализа, выполненное с возможностью определения расхода одной или более фаз многофазной жидкости и/или ее состава на основе временной последовательности изображений пространственного распределения принятых фотонов. Напряжение, прикладываемое к средству излучения, является предопределенным, зависимым от времени напряжением, имеющим любой ход изменения между начальным напряжением и конечным напряжением в течение одного импульса фотонов, и фотоны, исходящие от участка потока многофазной жидкости, принимаются в различные моменты времени в течение одного импульса фотонов. Для снижения влияния рассеянного излучения на изображение в таких расходомерах, как правило, после участка потока многофазной жидкости устанавливают противорассеивающую рентгеновскую маску [патент RU №2565346, кл. G01F 1/708, опубл. 20.10.2015].
Особенностью данного устройства является применение импульсного источника рентгеновского излучения, позволяющего варьировать потенциал, подаваемый на рентгеновскую трубку в течение импульса, и тем самым обеспечивать необходимый спектральный состав фотонов, попадающих на матричный рентгеновский детектор. Как и в решении по вышеуказанному патенту RU №2533758, данная конструкция многофазного рентгеновского расходомера подразумевает использование импульсного рентгеновского источника, обеспечивающего частоту следования импульсов 100 Гц и выше, со всеми техническими недостатками, указанными выше: технически сложная и дорогостоящая конструкция, низкий ресурс эксплуатации такого расходомера, снижающий его надежность.
Изобретение направлено на упрощение конструкции многофазного рентгеновского расходомера с одновременным его удешевлением и повышением надежности при эксплуатации.
Это достигается тем, что в многофазном рентгеновском расходомере для измерения расхода и/или состава многофазной жидкости, содержащем средство излучения, рентгенопрозрачный участок трубопровода для исследования многофазной жидкости, после которого расположена противорассеивающая рентгеновская маска для снижения влияния излучения на изображение, матричный рентгеновский детектор в качестве средства обнаружения, средство анализа, выполненное с возможностью определения расхода одной или более фаз жидкости и/или ее состава, согласно изобретению перед матричным рентгеновским детектором установлен рентгеновский фильтр, который выполнен из двух видов фильтрующих материалов, имеющих различный коэффициент поглощения и расположенных в шахматном порядке так, чтобы каждая клетка фильтра находилась над собственным пикселем матричного детектора.
Преимуществом предлагаемой конструкции является организация фильтрации рентгеновского излучения при помощи фильтра с двумя различными типами фильтрующих элементов, расположенных в шахматном порядке, помещаемого перед матричным рентгеновским детектором. При этом обеспечивается одновременное получение пространственного распределения фотонов «высокой» и «низкой» энергий в каждом кадре, регистрируемом матричным детектором. Таким образом, предлагаемая конструкция позволит отказаться от применения импульсных рентгеновских источников с частотой следования импульсов 100 Гц и выше и даст возможность использовать рентгеновские источники «непрерывного» режима работы (длительность импульсов 0,1 с и длиннее), что значительно упростит и удешевит многофазный расходомер, а также повысит его надежность в эксплуатации.
На фиг. 1 схематично изображен заявляемый многофазный рентгеновский расходомер; на фиг. 2 - рентгеновский фильтр; на фиг. 3 показана зависимость коэффициентов поглощения меди в качестве материала с низким атомным номером и олова - с высоким атомным номером от энергии излучения; на фиг. 4 приведен типичный спектр рентгеновского излучения от рентгеновской трубки с напряжением 80 кВ после прохождения рентгеновского фильтра, выполненного из расположенных в шахматном порядке двух видов фильтрующих материалов: меди и олова.
Многофазный рентгеновский расходомер включает в себя источник рентгеновского излучения - рентгеновскую трубку 1, тестовую секцию - рентгенопрозрачный участок 2 трубопровода для исследования многофазной жидкости, средство обнаружения - матричный рентгеновский детектор 3 и средство анализа (не показано) для обработки данных, поступающих с детектора 3, и определения расхода одной или более фаз жидкости и/или ее состава. После рентгенопрозрачного участка 2 трубопровода расположена противорассеивающая рентгеновская маска 4 для снижения влияния рассеянного излучения на изображение, при этом перед детектором 3 установлен рентгеновский фильтр 5, который служит для селективного пропускания рентгеновского излучения и выполнен из двух видов фильтрующих материалов 6 и 7, имеющих различный коэффициент поглощения излучения и расположенных в шахматном порядке так, чтобы каждая клетка фильтрующих материалов рентгеновского фильтра 5 находилась над собственным пикселем 8 матричного детектора.
Наглядно рентгеновский фильтр показан на фиг. 2. Фильтр выполнен из расположенных в шахматном порядке двух видов фильтрующих материалов 6 и 7, имеющих различный коэффициент поглощения: с высоким и низким атомным номером, и установлен перед матричным рентгеновским детектором, где 8 - пиксели детектора. В частности, фильтр может быть выполнен из меди в качестве материала с низким атомным номером и олова в качестве материала с высоким атомным номером. Фильтр может быть выполнен из других пар фильтрующих материалов 6 и 7, имеющих различающиеся коэффициенты поглощения излучения. Эмпирически выявлено, что при использовании такого рентгеновского фильтра коэффициент поглощения материала с высоким атомным номером имеет «провал» в области низких энергий, чего не наблюдается для легких материалов. В частности, для олова этот «провал» располагается в области 10-30 кэВ (фиг. 3), что позволяет получать выделяющийся пик по интенсивности рентгеновского излучения в этом диапазоне энергий после прохождения излучением олова. В частности, на фиг. 4 представлен типичный спектр рентгеновского излучения от рентгеновской трубки с напряжением 80 кВ после прохождения рентгеновского фильтра из меди толщиной 150 мкм и олова толщиной 350 мкм. Толщины материалов выбираются таким образом, чтобы максимизировать точность определения фазового состава смеси через решение системы уравнений Бугера-Ламберта-Бера (1):
1
где I - интегрированный сигнал от низкоэнергетичного рентгена;
2
I - интегрированный сигнал от высокоэнергетичного рентгена;
,  - интегрированный референсный сигнал с установленным соответствующим фильтрующим материалом и пустой тестовой секцией;
w
g
o
σ, σ, σ - коэффициенты поглощения рентгеновского излучения для воды, газа и нефти соответственно;
w
g
o
x, x, x - эффективная толщина воды, газа и нефти в смеси, на пути прохождения излучения;
d - внутренний размер трубопровода на пути прохождения излучения.
Предлагаемый многофазный рентгеновский расходомер работает следующим образом.
Рентгеновская трубка 1 с напряжением 80-100 кВ генерирует поток фотонов 9, который пропускают через рентгенопрозрачный участок 2 трубопровода, в котором течет исследуемая многофазная жидкость 10, после чего излучение проходит через противорассеивающую рентгеновскую маску 4, которая снижает влияние излучения, рассеянного на флюиде (многофазной жидкости) и участке трубопровода, на изображение. После прохождения излучения через один из двух фильтрующих материалов 6 или 7 рентгеновского фильтра 5 на матричном рентгеновском детекторе 3 формируются два изображения. Изображения снимаются с матричного рентгеновского детектора с частотой до десятка кГц. Затем изображения обрабатываются средством анализа, и далее с применением математических алгоритмов определяют фазовый состав и скорость движения потока жидкости (и, соответственно, расход потока) каждой фазы многофазной жидкости, используя вышеприведенную систему уравнений (1).
При пуске в эксплуатацию, изменении условий работы расходомера, например при изменении состава многофазной жидкости, скорости потока жидкости и/или других ее параметров, необходимо его калибровать.
Калибровочную процедуру осуществляют путем пропускания потока фотонов через:
- пустую трубу (фон);
- заполненную нефтью трубу при рабочих условиях (температура, давление и т.д.);
- заполненную природным газом трубу при рабочих условиях;
- заполненную водой трубу при рабочих условиях.
1. Фон. Делается снимок пустой тестовой секции. Получаем два значения интенсивности  и .
2. Нефть. Делается снимок тестовой секции, заполненной нефтью. Получаем два значения интенсивности  и  соответственно.
3. Газ. Делается снимок тестовой секции, заполненной газом. Получаем два значения интенсивности и  и  соответственно.
4. Вода. Делается снимок тестовой секции, заполненной водой. Получаем два значения интенсивности  и  соответственно.
Принимая в расчет формулу (1),
для нефти:
для воды:
для газа:
Из этих формул получают эффективные значения коэффициентов поглощения излучения для нефти, газа и воды.
Далее, в процессе работы многофазного рентгеновского расходомера состав смеси определяется по формуле (1).
Как видно, заявленная конструкция многофазного рентгеновского расходомера исключает необходимость использования дорогого матричного детектора со спектральным разрешением по энергиям регистрируемых фотонов или дополнительных рентгеновских источников и детекторов на разную энергию рентгеновского излучения с частотой следования импульсов 100 Гц и выше и дает возможность использовать рентгеновский источник с широкополосным спектром излучения (с длительностью импульсов 0,1 с и длиннее) для «непрерывного» режима работы и одновременного получения двух независимых изображений исследуемой многофазной жидкости с разной энергией излучения.
Это позволит по сравнению с наиболее близким аналогом по патенту RU №2565346 значительно упростить и удешевить конструкцию расходомера, а также повысить его надежность в эксплуатации.