ИСТОЧНИК РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
RADIOACTIVE RADIATION SOURCE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Уровень техники
[0001] Источники рентгеновского и гамма-излучения используются для решения широкого спектра задач. Например, они могут использоваться для калибровки оборудования, в EDXRF-анализаторах (анализаторах на основе рентгенофлуоресцентной спектрометрии с энергетической дисперсией) или в анализаторах многофазной текучей среды.
[0002] Рентгенофлуоресцентное излучение возникает в случае, когда фотон с достаточной энергией сталкивается с атомом образца, смещая электрон с одной из внутренних электронных оболочек атома (низкоэнергетических квантовых состояний). Атом восстанавливает стабильность в результате того, что вакансия, образовавшаяся во внутренней электронной оболочке, заполняется электроном с одной из внешних электронных оболочек атома (высокоэнергетических квантовых состояний). Электрон переходит в низшее энергетическое состояние в результате испускания флуоресцентного рентгеновского излучения, и энергия этого флуоресцентного рентгеновского излучения (часто измеряемая в электрон-вольтах, эВ), равна специфической разности энергий между двумя квантовыми состояниями переходящего электрона. Высокоэнергетические фотоны (рентгеновское излучение или гамма-излучение) обеспечиваются с помощью источника рентгеновского излучения или гамма-излучения.
[0003] В настоящее время небольшие источники рентгеновского и гамма-излучения часто содержат металлическую оболочку (например, из нержавеющей стали) с открытым торцом, внутрь которой вставлен держатель. Этот держатель имеет передний торец, который поддерживает излучающий элемент. Излучающий элемент представляет собой радиоактивную фольгу или другой материал. Спереди от этой фольги открытый торец металлической оболочки герметизирован прозрачной для излучения оконной частью, например бериллиевой, которая припаяна к своему месту для герметичности.
E
[0004] При анализе многофазной текучей среды фотоны взаимодействуют с многофазной текучей средой, которая поглощает часть фотонов, в зависимости от состава многофазной текучей среды. Исходные эмитированные фотоны поглощаются или ослабляются многофазной текучей средой и принимаются детектором. Значения степени ослабления вычисляются путем подсчета фотонов с определенными энергетическим уровнями, падающих на детектор после взаимодействия с многофазной текучей средой. Значения расхода трех фаз многофазной текучей среды могут быть определены на основе фазовых фракций, вычисленных с использованием значений степени ослабления. Однако количество рентгеновского излучения и гамма-излучения, эмитируемого источником радиоактивного излучения в течение некоторого временного интервала, не является постоянным. Радиоактивный распад следует статистической модели Пуассона, согласно которой количество n фотонов в секунду с энергией E, усредненное по временному интервалу t, известно с погрешностью . Следовательно, значения степени ослабления и фазовые фракции также подвержены влиянию статистических погрешностей, которые могут быть уменьшены путем увеличения времени t исследования. Однако увеличение времени исследования, с операционной точки зрения, сокращает количество тестов, которые могут быть проведены в течение предварительно заданного периода времени.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Настоящее раскрытие сущности изобретения дано для представления выбора концепций, которые будут дополнительно раскрыты ниже в разделе «Осуществление изобретения». Это раскрытие сущности изобретения не предназначено для выявления ключевых признаков или существенных отличительных признаков заявленного предмета, а также не предназначено для использования в качестве помощи в ограничения объема заявленного предмета.
133
[0006] В одном из вариантов раскрыт источник радиоактивного излучения. Этот источник радиоактивного излучения содержит прозрачную для излучения оконную часть, экранирующую часть, радиоактивный материал и флуоресцентный материал. Экранирующая часть имеет полость оконной части, при этом прозрачная для излучения оконная часть перекрывает полость оконной части и окружает ее. Радиоактивный материал размещен внутри полости оконной части таким образом, чтобы эмитировать фотоны через полость оконной части и прозрачную для излучения оконную часть. Флуоресцентный материал расположен между радиоактивным элементом и прозрачной для излучения оконной частью. Например, если радиоактивный материал представляет собой Ba, то флуоресцентный материал принимает фотоны от радиоактивного элемента и генерирует фотоны, имеющие энергетический уровень ниже 32 кэВ.
[0007] Еще в одном варианте раскрыто измерительное устройство. Это измерительное устройство оснащено трубопроводом для текучей среды, источником радиоактивного излучения и фотонным детектором. Трубопровод для текучей среды имеет первый конец, второй конец и полость, проходящую между первым и вторым концами. Источник радиоактивного излучения имеет радиоактивный материал и флуоресцентный материал и расположен с возможностью эмиссии фотонов через указанную полость. Фотонный детектор принимает фотоны, проходящие через указанную полость и взаимодействующие с многофазной текучей средой, протекающей по трубопроводу для прохода текучей среды, и генерирует фотонные сигналы, показывающие количество и энергетические уровни фотонов.
[0008] Еще в одном варианте раскрыт способ использования измерительного устройства. Согласно этому способу, устанавливают измерительное устройство в потоке текучей среды, взятой в качестве пробы из формации в месте нахождения скважины, с помощью фотонного детектора генерируют фотонные сигналы, показывающие количество и энергетические уровни фотонов, и регистрируют данные, соответствующие этим фотонным сигналам, на энергонезависимом машиночитаемом носителе записи. Измерительное устройство содержит трубопровод для текучей среды, имеющий полость, и источник радиоактивного излучения, имеющий радиоактивный материал и флуоресцентный материал, размещенный с возможностью эмиссии фотонов через указанную полость. В одном из вариантов измерительное устройство может представлять собой многофазный расходомер. В этом варианте трубопровод для текучей среды может представлять собой трубку Вентури, имеющую сужение, а многофазный расходомер может иметь устройство для измерения общего расхода через трубку Вентури, так что по меньшей мере один датчик давления измеряет разность между первым давлением, представляющим собой давление внутри сужения трубки Вентури, и вторым давлением, представляющим собой давление вне сужения трубки Вентури. Фотонный детектор может принимать, например, фотоны, проходящие через указанную полость в сужении трубки Вентури и взаимодействующие с многофазной текучей средой, протекающей по трубке Вентури.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0009] Конкретные варианты реализации настоящего изобретения будут далее раскрыты со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми номерами обозначены одинаковые элементы. Из этих чертежей:
[0010] Фиг. 1 показывает вид с местным сечением источника радиоактивного излучение согласно настоящему раскрытию.
[0011] Фиг. 2 показывает вид в схематичном поперечном сечении одного из вариантов источника радиоактивного излучения на фиг. 1.
[0012] Фиг. 3 показывает вид в схематичном поперечном сечении еще одного варианта источника радиоактивного излучения на фиг. 1.
[0013] Фиг. 4 показывает вид в схематичном поперечном сечении еще одного варианта источника радиоактивного излучения на фиг. 1.
[0014] Фиг. 5-1 показывает схематичное изображение измерительного устройства, использующего источник радиоактивного излучения на фиг. 1, согласно настоящему раскрытию.
[0015] Фиг. 5-2 показывает схематичное изображение варианта измерительного устройства, использующего источник радиоактивного излучения на фиг. 1, согласно настоящему раскрытию.
[0016] Фиг. 6 показывает блок-схему способа, использующего измерительное устройство с источником радиоактивного излучения согласно настоящему раскрытию.
[0017] Фиг. 7 показывает графическое представление треугольников ослабления, полученных с помощью измерительного устройства с источником радиоактивного излучения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Конкретные варианты настоящего раскрытия будут далее описаны подробно со ссылками на сопроводительные чертежи. Кроме того, в последующем подробном описании вариантов настоящего раскрытия приведен ряд конкретных деталей с целью обеспечения лучшего понимания настоящего раскрытия. Тем не менее, специалистам в данной области техники будет очевидно, что раскрытые здесь варианты могут быть реализованы на практике без указанных конкретных деталей. В других вариантах хорошо известные отличительные признаки не описаны подробно для того, чтобы избежать ненужного усложнения описания.
[0019] Если прямо не указано иное, союз «или» употребляется как включающее «или», а не исключающее «или». Например, условие «А или В» удовлетворяет любому из следующих вариантов: А истинно (или присутствует), а В ложно (или отсутствует); А ложно (или отсутствует), а В истинно (или присутствует); и А и В истинны (или присутствуют).
[0020] В дополнение, для описания элементов и компонентов вариантов настоящего раскрытия здесь используется единственное число. Это сделано лишь для удобства и для того, чтобы дать общее понятие об идее изобретения. В настоящем описании эти артикли должны пониматься как «один» или «по меньшей мере один» и в единственном числе, а также включать множественное число, если не указано иное.
[0021] Используемые здесь терминология и фразеология предназначены для описательных целей и не должны пониматься в смысле, ограничивающем объем изобретения. Такие выражения как «включающий», «содержащий», «имеющий», «вмещающий в себя» и «включающий в себя», а также их варианты предназначены для понимания в широком смысле и охватывают предметы изобретения, перечисленные здесь, а также эквиваленты и дополнительные предметы изобретения, не упомянутые здесь.
[0022] Наконец, используемые здесь термины «один из вариантов» и «вариант» означают, что конкретный элемент, отличительный признак, структура или характеристика, описанная в связи с данным вариантом, включена по меньшей мере в один вариант. Использование фразы «в одном из вариантов» в различных местах настоящего описания не обязательно относится к одному и тому же варианту.
133
[0023] Обратимся теперь к чертежам. На фиг. 1 показан пример источника 10 радиоактивного излучения для эмиссии гамма-лучевых фотонов, рентгеновских фотонов, а также для рентгенофлуоресцентных фотонов в направлении, предварительно заданном относительно источника 10 радиоактивного излучения, с несколькими энергиями, зависящими от радиоизотопов, содержащихся в источнике 10 радиоактивного излучения. Источник 10 радиоактивного излучения может быть использован для измерения фазовых фракций многофазной текучей среды, циркулирующей в эксплуатационных углеводородных трубах. Рентгенофлуоресцентное излучение, генерируемое источником 10 радиоактивного излучения, обеспечивает возможность сокращения времени измерения для данной точности фазовой фракции или обеспечивает возможность получения более высокой точности фазовой фракции при заданном времени измерения. Многофазная текучая среда вызывает ослабление гамма-лучевых фотонов, рентгеновских фотонов и рентгенофлуоресцентных фотонов, эмитируемых источником 10 радиоактивного излучения, который может использоваться для вычисления состава многофазной текучей среды. Как показано на фиг. 1, в одном из вариантов источник 10 радиоактивного излучения имеет прозрачную для радиоактивного излучения оконную часть 12, обеспечивающую возможность эмиссии гамма-лучевых фотонов, рентгеновских фотонов и рентгенофлуоресцентных фотонов в предварительно заданном направлении; экранирующую часть 14, имеющую полость 16 оконной части; радиоактивный материал 18, расположенный внутри полости 16 оконной части экранирующей части 14; и флуоресцентный материал 20, расположенный между радиоактивным материалом 18 и прозрачной для излучения оконной частью 12. Источник 10 радиоактивного излучения может также содержать капсулу 22, заключающую в себе прозрачную для излучения оконную часть 12, экранирующую часть 14, радиоактивный материал 18 и флуоресцентный материал 20. Прозрачная для излучения оконная часть 12 может перекрываться полостью 16 оконной части и окружать ее. Радиоактивный материал 18 может эмитировать фотоны через полость 16 оконной части, флуоресцентный материал 20 и прозрачную для излучения оконную часть 12. Флуоресцентный материал 20 может принимать фотоны от радиоактивного материала 18 и генерировать рентгенофлуоресцентные фотоны. В варианте, в котором радиоактивный материал 18 представляет собой Ba, эмитируемые рентгенофлуоресцентные фотоны имеют энергию ниже 32 кэВ, между 15 кэВ и 25 кэВ. Хотя капсула 22 источника 10 радиоактивного излучения изображена в форме цилиндра, специалистам в данной области техники будет понятно, что источник 10 радиоактивного излучения может иметь любые размеры и форму, например быть кубическим, пирамидальным, сферическим и т.д., при условии, что источник 10 радиоактивного излучения имеет возможность эмиссии фотонов в предварительно заданном направлении относительно источника 10.
[0024] Капсула 22 может быть выполнена из непрозрачного для излучения материала, такого как нержавеющая сталь, сплавы никеля и меди, например металлы Monel, и других подходящих материалов, непрозрачных для излучения. Капсула 22 может иметь первую сторону 24, вторую сторону 26, внешнюю часть 28, проходящую между первой стороной 24 и второй стороной 26, и внутреннюю часть 30, проходящую между первой стороной 24 и второй стороной 26 напротив внешней части 28. Первая сторона 24 может образовывать открытый передний торец 32 капсулы 22. Этот открытый передний торец 32 может быть оснащен внешним ободом 34 с внутренним посадочным ободом 36. Внешняя часть 28 может образовывать внешнюю цилиндрическую поверхность капсулы 22, имеющую диаметр от 3 мм до 10 мм и высоту от 3 мм до 10 мм. Внутренняя часть 30 может образовывать внутреннюю цилиндрическую поверхность, которая задает цилиндрическое в целом пространство внутри нее. Внутренний посадочный обод 36 может выступать внутрь в пределах внутренней части 30 и может служить для крепления прозрачной для излучения оконной части 12 или для контакта с ним. Внутренняя часть 30 может служить для размещения внутри нее экранирующей части 14. Полость 16 оконной части экранирующей части 14 может быть выполнена по размерам и форме с возможностью приема радиоактивного материала 18. Экранирующая часть 14 с поддерживаемым им радиоактивным материалом 18 может быть вставлена в капсулу 22 и плотно прижата к прозрачной для излучения оконной части 12 таким образом, чтобы радиация, эмитируемая из радиоактивного материала 18, выходила через оконную часть 12, но не в других направлениях источника 10 радиоактивного излучения. Экранирующая часть 14 может быть прикреплена к капсуле 22, например, с помощью сварки плавлением. В одном из вариантов экранирующая часть 14 прикреплена к капсуле 22 через крышку 38, которая вставлена внутрь внутренней части 30 капсулы 22, напротив прозрачной для излучения оконной части 12, и приварена к капсуле 22.
[0025] Прозрачная для излучения оконная часть 12 может иметь первую сторону 40 и вторую сторону 42, противоположную первой стороне 40. Прозрачная для излучения оконная часть 12 может быть выполнена по размерам и форме таким образом, чтобы первая сторона 40 прозрачной для излучения оконной части 12 могла быть расположена напротив внутреннего посадочного обода 36 в пределах внутренней части 30 капсулы 22. Прозрачная для излучения оконная часть 12 может быть закреплена на своем месте, например, путем пайки, с помощью клея или другими подходящими способами. Прозрачная для излучения оконная часть 12 может быть выполнена из прозрачного для излучения материала, например такого как бериллий или полимеры, армированные волокнами.
[0026] Экранирующая часть 14 может иметь первую сторону 44 и вторую сторону 46, противоположную первой стороне 44, при этом в пределах первой стороны 44 выполнена оконная полость 16. Экранирующая часть 14 может быть выполнена по размерам и форме с возможностью вставления внутрь внутренней части 30 капсулы 22. Экранирующая часть 14 может быть расположена в пределах внутренней части 30 таким образом, чтобы первая сторона 44 экранирующей части 14 могла быть расположена вплотную ко второй стороне 42 прозрачной для излучения оконной части 12, и таким образом радиоактивный материал 18, размещенный внутри полости 16 оконной части, мог быть расположен вплотную к прозрачной для излучения оконной части 12. Экранирующая часть 14 может быть выполнена из непрозрачного для излучения материала, такого как нержавеющая сталь, цирконий, молибден, палладий, серебро, медно-никелевые сплавы, например металлы Monel, и т.д.
133
133
109
153
139
152
241
[0027] Радиоактивный материал 18 может быть выполнен с возможностью вставления внутрь полости 16 оконной части экранирующей части 14 и может располагаться вплотную к прозрачной для излучения оконной части 12. В одном из вариантов радиоактивный материал 18 выполнен в виде керамической матрицы на основе Ba для эмиссии фотонов, имеющих энергетические уровни 32 кэВ и 81 кэВ, причем фотоны с энергетическим уровнем 32 кэВ эмитируются под действием рентгеновского излучения с энергией 31 кэВ и 35 кэВ, естественным образом эмитируемого радиоизотопом Ba. Радиоактивный материал18может также быть выполнен из Cd, Gd, Ce, Eu или других подходящих радиоактивных материалов. В некоторых вариантах радиоактивный материал 18 может быть выполнен из радиоактивных материалов, характеризующихся моноэнергетическими гамма-лучевыми эмиссиями с энергией между 40 и 100 кэВ, например таких как  Am, и в этом варианте два различных флуоресцентных материала 20 могут быть использованы для эмиссии двух различных энергетических уровней рентгенофлуоресцентных фотонов с целью обеспечения трех различных энергетических уровней фотонных эмиссий.
[0028] Флуоресцентный материал 20 расположен между радиоактивным материалом 18 и прозрачной для излучения оконной частью 12. Флуоресцентный материал 20 может представлять собой металлический материал и может быть выбран из группы, состоящей из циркония, молибдена, палладия и серебра. Флуоресцентный материал 20 может иметь толщину в диапазоне от 40 мкм до 200 мкм. В одном из вариантов, как показано на фиг. 2, флуоресцентный материал 20 может быть реализован в виде покрытия, нанесенного на радиоактивный материал 18, или путем вставления металлической фольги между радиоактивным материалом 18 и прозрачной для излучения оконной частью 12. В другом варианте, как показано на фиг. 3, флуоресцентный материал 20 может быть реализован в виде покрытия, нанесенного на прозрачную для излучения оконную часть 12. Еще в одном варианте, как показано на фиг. 4, флуоресцентный материал 20 может быть реализован в виде независимого модуля, отдельного от радиоактивного материала 18 и прозрачной для излучения оконной части 12, не прикрепленного к ним и расположенного между ними. В комбинации с радиоактивным материалом 18, флуоресцентный материал 20 может создавать низкоэнергетический фотонный луч с энергией между 15 кэВ и 25 кэВ, который может быть обнаружен и интерпретирован для снижения статистических погрешностей, рассмотренных выше.
133
[0029] При монтаже радиоактивного материала 18 и флуоресцентного материала 20 внутри источника 10 радиоактивного излучения, фотоны с несколькими энергетическими уровнями, эмитируемые из радиоактивного материала 18, принимаются флуоресцентным материалом 20 и инициируют генерацию дополнительных фотонов этим материалом. В одном из вариантов, в случае, если радиоактивный материал 18 представляет собой Ba, дополнительные (или рентгенофлуоресцентные) фотоны, генерируемые флуоресцентным материалом 20, имеют энергетический уровень ниже 32 кэВ, который может находиться в диапазоне между 15 кэВ и 25 кэВ.
[0030] Обратимся теперь к фиг. 2, показывающему упомянутый выше вариант источника 10 радиоактивного излучения, в котором флуоресцентный материал 20 представляет собой покрытие, выполненное на радиоактивном материале 18. Флуоресцентный материал 20 может быть выполнен в виде фольги, наложенной и закрепленной на радиоактивном материале 18, или путем нанесения тонкого покрытия методом осаждения из паровой фазы на радиоактивном материале 18. Например, флуоресцентный материал 20 может представлять собой тонкое металлическое покрытие, нанесенное методом осаждения из паровой фазы. Материал этого тонкого металлического покрытия может быть выбран из группы, состоящей, например, из циркония, молибдена, палладия и серебра. Хотя флуоресцентный материал 20 описан здесь как выполненный в виде фольги или нанесенный методом осаждения из паровой фазы, специалистам в данной области техники будет понятно, что флуоресцентный материал 20 может быть выполнен и другими подходящими способами.
[0031] Обратимся теперь к фиг. 3, показывающему упомянутый выше вариант источника 10 радиоактивного излучения, в котором флуоресцентный материал 20 представляет собой покрытие, выполненное на прозрачной для излучения оконной части 12. Флуоресцентный материал 20 может быть выполнен, как было описано выше, в виде фольги или путем нанесения тонкого покрытия методом осаждения из паровой фазы на прозрачной для излучения оконной части 12, или он может быть выполнен любыми другими подходящими способами. Как показано на фиг. 3, флуоресцентный материал 20 может быть выполнен после того, как прозрачная для излучения оконная часть 12 была вставлена в капсулу 22, в результате чего часть флуоресцентного материала 20 оказывается нанесенной на первую сторону 24 капсулы 22. Тем не менее, специалистам в данной области техники будет понятно, что флуоресцентный материал 20 может быть выполнен на прозрачной для излучения оконной части 12 до вставления в капсулу 22.
[0032] Обратимся теперь к фиг. 4, показывающему упомянутый выше вариант источника 10 радиоактивного излучения, в котором флуоресцентный материал 20 представляет собой независимый модуль, отдельный от радиоактивного материала 18 и прозрачной для излучения оконной части 12 и не прикрепленный к ним. Как показано на фиг. 4, флуоресцентный материал 20 расположен между радиоактивным материалом 18 и прозрачной для излучения оконной частью 12, не будучи выполненным в виде покрытия на радиоактивном материале 18 и прозрачной для излучения оконной части 12. В одном из вариантов флуоресцентный материал 20 может быть расположен между прозрачной для излучения оконной частью 12 и радиоактивным материалом 18. Еще в одном варианте флуоресцентный материал 20 может быть расположен внутри полости, образованной радиоактивным материалом 18 и прозрачной для излучения оконной частью 12. Еще в одном варианте флуоресцентный материал 20 может быть расположен вплотную к противолежащей стороне прозрачной для излучения оконной части 12 таким образом, чтобы эта оконная часть 12 располагалась напротив радиоактивного материала 18, и флуоресцентный материал 20 располагался со стороны прозрачной для излучения оконной части 12, противоположной радиоактивному материалу 18. Например, в данном варианте сначала флуоресцентный материал 20 может быть размещен напротив внутреннего посадочного обода 36 капсулы 22 с прозрачной для излучения оконной частью 12, вставляемой внутрь капсулы 22 после того, как был размещен флуоресцентный материал 20, и закрепляющим флуоресцентный материал 20 на своем месте.
[0033] Источник 10 радиоактивного излучения может быть применен в таких областях, как измерительные устройства, многофазные расходомеры, устройства для измерения фазовых фракций, операции калибровки оборудования, устройства для контроля толщины и плотности и в других областях. Хотя в настоящем раскрытии было упомянуто или подробно описано лишь небольшое число областей применения, специалистам в данной области техники будет понятно, что источник 10 радиоактивного излучения может быть пригоден для применения и в тех областях, которые не были конкретно указаны здесь.
[0034] Источник 10 радиоактивного излучения может быть применен в измерительном устройстве, в одном из вариантов представляющем собой устройство для измерения фазовых фракций, многофазного расходомера или других измерительных устройств. В целом, измерительное устройство, если оно представляет собой устройства для измерения фазовых фракций, может быть оснащено трубопроводом для текучей среды, имеющим первый конец, второй конец и полость, проходящую между этими первым и вторым концами; источником 10 радиоактивного излучения, имеющим возможность эмиссии первых фотонов из радиоактивного материала 18 и вторых фотонов - из флуоресцентного материала 20; фотонным детектором; и компьютером. Фотонный детектор может принимать первые и вторые фотоны, проходящие через указанную полость, и генерировать фотонные сигналы, показывающие количество и энергетические уровни первых и вторых фотонов. Компьютер может принимать фотонные сигналы и вычислять фазовые фракции многофазной текучей среды с помощью информации, получаемой на основе фотонных сигналов.
[0035] С использованием фотонов на (по меньшей мере) двух энергетических уровнях, могут быть вычислены (по меньшей мере) три фазовых фракции и таким образом определен состав текучей среды. Для измерения значений расхода каждой фазы многофазной текучей среды необходимо знать общий расход. Таким образом, если измерительное устройство 50 содержит компоненты для измерения общего значения расхода, то это измерительное устройство 50 может рассматриваться как представляющее собой многофазный расходомер. Обратимся теперь к фиг. 5-1, показывающему один из вариантов измерительного устройства 50, представляющего собой многофазный расходомер. Многофазный расходомер 50 оснащен трубкой 52 Вентури, источником 10 радиоактивного излучения, расположенным и выполненным с возможностью эмиссии, через трубку 52 Вентури, фотонов, которые взаимодействуют с многофазной текучей средой, протекающей по трубке 52 Вентури; первым датчиком 56 давления, расположенным с возможностью измерения первого давления внутри трубки 52 Вентури; вторым датчиком 58 давления, расположенным с возможностью измерения второго давления внутри трубки 52 Вентури; и фотонным детектором 60, принимающим фотоны, проходящие в поперечном направлении через трубку 52 Вентури. Первый датчик 56 давления, второй датчик 58 давления и фотонный детектор 60 могут быть соединены с компьютерной системой 62, имеющей процессор, таким образом, чтобы сигналы, генерируемые первым датчиком 56 давления, вторым датчиком 58 давления и фотонным детектором 60, могли передаваться на компьютерную систему 62 для анализа. Хотя многофазный расходомер 50 показан с трубкой 52 Вентури, другие варианты многофазного расходомера могут не использовать трубку Вентури; вместо этого может обеспечиваться протекание многофазной текучей среды через трубопровод или другой контейнер с целью ее анализа.
[0036] Трубка 52 Вентури имеет первый конец 64, второй конец 66 и полость 68, проходящую между первым концом 64 и вторым концом 66. Первый конец 64 и второй конец 66 могут быть выполнены с возможностью соединения с трубой, по которому протекает текучая среда, взятая в качестве пробы из формации в месте нахождения скважины. Например, первый и второй концы 64 и 66 могут быть оснащены резьбой и фланцами и выполнены с возможностью приема болтов, или они могут иметь зажимы, выполненные с возможностью соединения с трубой, и таким образом обеспечивается возможность установки трубки 52 Вентури в потоке текучей среды и протекания пробы по трубке 52 Вентури. Трубка 52 Вентури имеет выступ 72, смежный с внутренней поверхностью 70 и образующий сужение 74 трубки Вентури. Это сужение 74 трубки Вентури вызывает падение давления, когда многофазная текучая среда, такая как комбинация жидкости и газа, протекает по трубке 52 Вентури и, следовательно, через сужение 74 трубки Вентури. В трубке 52 Вентури соотношение между внутренним диаметром сужения 74 трубки 52 Вентури и внутренним диаметром остальной части трубки 52 Вентури может составлять 0,5. Трубка 52 Вентури может быть выполнена с диаметром 38 мм, 80 мм, 130 мм или любым другим подходящим диаметром. В одном из вариантов трубка 52 Вентури может быть выполнена из непрозрачного для излучения материала, имеющего оконные части, выполненные из прозрачных для излучения материалов, и таким образом источник 10 радиоактивного излучения может быть расположен с возможностью эмиссии фотонов через первую оконную часть в сужении 74 трубки Вентури, так что фотоны проходят через первую оконную часть и вторую оконную часть, расположенную в трубке 52 Вентури напротив первой оконной части, и принимаются фотонным детектором 60.
133
[0037] В одном из вариантов источник 10 рентгеновского излучения может быть расположен и выполнен с возможностью эмиссии фотонов через полость 68 в сужении 74 трубки Вентури. Тем не менее, источник 10 радиоактивного излучения может быть расположен в различных местах вдоль трубки 52 Вентури, включая область вне сужения 74 трубки Вентури. В одном из вариантов, в случае, если радиоактивный материал 18 представляет собой Ba, фотоны могут иметь энергетические уровни, превышающие или равные 32 кэВ, и дополнительные фотоны, эмитируемые флуоресцентным материалом 20, могут иметь энергетические уровни ниже 32 кэВ. Как показано на фиг. 5, источник 10 радиоактивного излучения может быть размещен внутри трубки 52 Вентури в выемке, смежной с сужением 74 трубки Вентури.
[0038] Первый датчик 56 давления может измерять первое давление внутри сужения 74 трубки Вентури и генерировать первые сигналы давления, показывающие первое давление. Первый датчик 56 давления может передавать первые сигналы давления на компьютерную систему 62 для использования при определении параметров многофазного потока, протекающего по трубке 52 Вентури. Первый датчик 56 давления может быть реализован в виде датчика давления любого типа, имеющего возможность измерения давления внутри сужения 74 трубки Вентури и передачи первых сигналов давления на компьютерную систему 62.
[0039] Второй датчик 58 давления может измерять второе давление с внешней стороны сужения 74 трубки Вентури и генерировать вторые сигналы давления, показывающие это второе давление. Второй датчик 58 давления может передавать вторые сигналы давления на компьютерную систему 62 для использования при определении параметров многофазного потока текучей среды, протекающего по трубке 52 Вентури. Второй датчик 58 давления может быть реализован в виде любого подходящего датчика давления, имеющего возможность измерения давления внутри трубки 52 Вентури вне сужения 74 и передачи этих вторых сигналов давления на компьютерную систему 62.
[0040] В одном из вариантов, как показано на фиг. 5-2, первый и второй датчики давления 56 и 58 могут быть реализованы в виде дифференциального датчика 76 давления. В этом варианте дифференциальный датчик 76 давления может быть соединен с трубкой 52 Вентури в месте, смежном с первым отверстием 78-1 для измерения давления и вторым отверстием 78-2 для измерения давления, и может быть выполнен с возможностью измерения разности давлений между первым и вторым отверстиями 78-1 и 78-2 для измерения давления. Первое отверстие 78-1 для измерения давления расположено в мете сужения 74 трубки Вентури, а второе отверстие 78-2 для измерения давления расположено выше по потоку относительно сужения 74 трубки Вентури. Согласно фиг. 5-1, первое отверстие 78-1 для измерения давления может замещать первый датчик 56 давления и располагаться на месте этого датчика, а второе отверстие 78-2 для измерения давления может замещать второй датчик 58 давления и располагаться на месте этого датчика. Первое и второе отверстия для измерения давления 78-1 и 78-2 могут быть соединены с дифференциальным датчиком 76 давления таким образом, чтобы этот дифференциальный датчик давления мог определять разность давлений, показывающую изменение давления между первым отверстием 78-1 для измерения давления и вторым отверстием 78-2 для измерения давления, внутри текучей среды, протекающей по трубке 52 Вентури, в сужении 74 трубки Вентури или вблизи него и генерировать по меньшей мере один сигнал давления, показывающий разность давлений.
[0041] Хотя на фиг. 5-1 и 5-2 показан вариант с трубкой 52 Вентури и сужением 74 трубки Вентури, некоторые варианты устройства для измерения фазовых фракций или многофазного расходомера могут не быть оснащены трубкой 52 Вентури или сужением 74 трубки Вентури. Например, в одном из вариантов измерительное устройство, представляющее собой устройство для измерения фазовых фракций, может быть оснащено трубопроводом для текучей среды, таким как труба или другой контейнер, выполненным с возможностью приема и протекания внутри него многофазной текучей среды, подлежащей анализу с помощью источника 10 радиоактивного излучения, фотонного детектора 60 и компьютерной системы 62. Кроме того, измерительное устройство может представлять собой многофазный расходомер, и в этом случае оно как многофазный расходомер имеет устройство для измерения расхода многофазной текучей среды, такое как дифференциальный датчик 76 давления на фиг. 5-2 или первый и второй датчики 56 и 58 давления на фиг. 5-1, в дополнение к тракту текучей среды, источнику 10 рентгеновского излучения, фотонному детектору 60 и компьютерной системе 62. В одном из вариантов многофазный расходомер может быть оснащен расходомером Кориолиса или другим расходомером, вместо дифференциального датчика 76 давления, для измерения расхода многофазной текучей среды через тракт текучей среды. Хотя устройство для измерения фазовых фракций может быть описано как использующее трубки Вентури, трубы или контейнеры, а многофазный расходомер может быть дополнительно описан как использующий датчики давления, дифференциальные датчики давления или расходомеры Кориолиса, специалистам в данной области техники будет понятно, что многофазный расходомер и устройство для измерения фазовых фракций могут иметь множество различных конструкций, оставаясь в пределах объема настоящего изобретения.
3
[0042] Фотонный детектор 60 может принимать фотоны, проходящие через полость 68 в сужении 74 трубки Вентури и генерировать фотонные сигналы, показывающие количество и энергетические уровни фотонов. Фотонный детектор 60 может передавать фотонные сигналы на компьютерную систему 62 для использования при определении параметров многофазного потока текучей среды, протекающего по трубке 52 Вентури. Фотонный детектор 60 может быть расположен напротив источника 10 радиоактивного излучения и может по меньшей мере частично поддерживаться с помощью выемки внутри трубки 52 Вентури. Фотонный детектор 60 может быть реализован в виде любого подходящего фотонного детектора, имеющего возможность генерирования электрических сигналов, показывающих фотоны, принимаемые от источника 10 радиоактивного излучения. Например, фотонный детектор 60 может представлять собой сцинтилляционный детектор, имеющий возможность детектирования гамма-излучения и рентгеновского излучения. Сцинтиллятор может быть выполнен, например, на YAP(Ce), Nal(TI) или CeBr. Детектор может быть укомплектован фотоэлектронным умножителем и источником питания.
[0043] Компьютерная система 62 может быть оснащена процессором, энергонезависимым машиночитаемым носителем записи, выполняемыми процессором командами, хранящимися на энергонезависимом машиночитаемом носителе записи, устройством ввода, устройством вывода и устройством связи. Процессор может быть реализован в виде одного процессора или группы процессоров, работающих совместно или независимо для выполнения указанных выполняемых процессором команд. Процессор подключается к энергонезависимому машиночитаемому носителю записи, который может быть реализован на основе ОЗУ, ПЗУ, флэш-памяти и т.д., и может иметь форму магнитного устройства, оптического устройства и т.д. Устройство ввода может передавать данные на процессор и может быть реализовано в виде клавиатуры, мыши, сенсорного экрана, камеры, мобильного телефона, планшета, смартфона, личного цифрового секретаря, микрофона, сетевого адаптера, кабельного адаптера, такого как порт USB, сканера и комбинации вышеперечисленных. Устройство вывода передает информацию от процессора пользователю и может быть реализовано в виде сервера, компьютерного монитора, мобильного телефона, планшета, громкоговорителя, веб-сайта, личного электронного секретаря, факса, принтера, проектора, портативного монитора и комбинации вышеперечисленных. Устройство связи с сетью может облегчать связь между сетью связи и процессором. Хранящиеся на энергонезависимо машиночитаемом носителе выполняемые процессором команды при их выполнении процессором могут инициировать прием процессором по меньшей мере одного сигнала давления и фотонных сигналов соответственно от первого и второго датчиков 56 и 58 давления и фотонного детектора 60 и вычисление состава многофазной текучей среды, протекающей по трубке 52 Вентури. Состав многофазной текучей среды, т.е. фазовые фракции, может быть определен на основе фотонных сигналов от фотонного детектора 60. Расход каждой отдельной фазы многофазной текучей среды может быть вычислен с использованием разности давлений между первыми сигналами давления и вторыми сигналами давления, соответствующей общему расходу, и фотонных сигналов. В варианте, имеющем дифференциальный датчик 76 давления, значения расхода отдельных фаз многофазной текучей среды могут быть вычислены с использованием по меньшей мере одного сигнала давления, показывающего разность давлений, и фотонного сигнала от фотонного детектора.
[0044] В целом, способ использования измерительного устройства 50 может включать в себя шаг, на котором устанавливают устройство 50 для измерения фазовых фракций в потоке текучей среды, взятой в качестве пробы из формации в месте нахождения скважины. Устройство 50 для измерения фазовых фракций может иметь трубопровод 52 для текучей среды с полостью и источник 10 радиоактивного излучения с радиоактивным материалом 18 и флуоресцентным материалом 20. Радиоактивный материал 18 генерирует первые фотоны, а флуоресцентный материал 20 принимает первые фотоны от радиоактивного материала и генерирует вторые фотоны. Источник 10 радиоактивного излучения расположен и выполнен с возможностью эмиссии первых и вторых фотонов через указанную полость, при этом фотоны будут взаимодействовать с многофазной текучей средой, протекающей по трубопроводу для текучей среды. Фотонный детектор 60 может принимать фотоны, прошедшие через указанную полость и претерпевшие взаимодействие с многофазной текучей средой, проходящей по трубопроводу 52 для текучей среды. После установки источника 10 радиоактивного излучения обеспечивается возможность генерирования фотонным детектором 60 фотонных сигналов, показывающих количество и энергетические уровни первых и вторых фотонов. Данные, соответствующие фотонным сигналам, могут быть записаны на энергонезависимый машиночитаемый носитель записи.
[0045] Обратимся теперь к фиг. 6, показывающему один из вариантов способа установки и использования измерительного устройства 50 на фиг. 5. Устанавливают измерительное устройство 50 (блок 100). Измерительное устройство 50 может быть установлено в потоке текучей среды, взятой в качестве пробы из формации в месте нахождения скважины. Например, измерительное устройство 50 может быть установлено между двумя секциями трубы, по которой протекает поток текучей среды, взятой в качестве пробы из формации в месте нахождения скважины. Измерительное устройство 50 может быть присоединено с помощью резьбовых соединений на первом и втором концах 64 и 66 или с помощью любого другого подходящего механизма для обеспечения возможности протекания потока текучей среды через измерительное устройство 50. После своей установки измерительное устройство 50 с помощью первого датчика 56 давления может генерировать первые сигналы 102 давления, показывающие первое давление многофазной текучей среды, протекающей по трубке 52 Вентури, в сужении 74 трубки Вентури (блок 104). Блок 104 может также представлять по меньшей мере один сигнал 102 давления, генерируемый дифференциальным датчиком 76 давления и показывающий разность давлений, как показано на фиг. 5-2. Измерительное устройство 50 с помощью второго датчика 58 давления может также генерировать вторые сигналы 106 давления, показывающие давление в трубке 52 Вентури до или после сужения 74 трубки Вентури. Измерительное устройство 50 может генерировать фотонные сигналы 110 (блок 112) с помощью фотонного детектора 60. Фотонные сигналы 110 показывают количество и энергетические уровни фотонов, эмитируемых источником 10 радиоактивного излучения и проходящих через трубку 52 Вентури и многофазную текучую среду в сужении 74 трубки Вентури.
[0046] В блоке 114 измерительное устройство 50 регистрирует данные, соответствующие первому сигналу давления, второму сигналу давления и фотонным сигналам соответственно 102, 106 и 110, на энергонезависимом машиночитаемом носителе записи компьютерной системы 62. Как будет более подробно описано ниже со ссылками на фиг. 7, компьютерная система 62 может вычислять значения расхода отдельных фаз многофазной текучей среды, протекающей по трубке 52 Вентури (блок 116). Компьютерная система 62 может вычислять общий расход многофазной текучей среды путем вычисления разности 118 давлений между первыми сигналами 102 давления и вторыми сигналами 106 давления, определяя в результате общее давление многофазной текучей среды. Компьютерная система 62 может затем вычислять значения 120 расхода отдельных фаз многофазной текучей среды на основе фотонных сигналов 110 и разности 118 давлений. Разность 118 давлений может также определяться на основе по меньшей мере одного сигнала 102 разности давлений от датчика 76 разности давлений.
[0047] Установка измерительного устройства 50 может дополнительно включать в себя калибровку измерительного устройства 50. Фазовые фракции многофазной текучей среды могут быть вычислены на основе закона Бера-Ламберта по формуле (1):
E
E
0
Е,i
Е,i
-1
В формуле (1) n - количество фотонов в секунду с энергией Е, усредненной по временному интервалу t, n, - количество фотонов в секунду с энергией Е, обнаруженных при пустой трубке 52 Вентури, λ - линейные коэффициенты ослабления (в см) энергии Е для фаз (вода, нефть, газ) многофазной текучей среды, d - расстояние, проходимое фотонным лучом внутри многофазной жидкости. Процесс калибровки может использоваться для определения линейных коэффициентов ослабления λ. Процесс калибровки может быть осуществлен до или после отбора образцов из потока текучей среды, взятой в качестве пробы из формации в месте нахождения скважины.
[0048] Процесс калибровки может быть осуществлен путем заполнения трубки 52 Вентури 100%-й водой и генерирования фотонного сигнала 110 для воды.. Затем трубка 52 Вентури может быть заполнена 100%-й нефтью, после чего устройство 50 измерения фазовых фракций может генерировать фотонный сигнал 110 для нефти. Затем трубка 52 Вентури может быть заполнена 100%-м газом, после чего измерительное устройство 50 может генерировать фотонный сигнал 110 для газа. После этого компьютерная система 62 может быть использована для построения графика, показанного на фиг. 7, с использованием данных, соответствующих фотонным сигналам 102 для воды, нефти и газа, соответственно.
133
133
[0049] Фазовые фракции 120 многофазной текучей среды, протекающей через устройство 50 измерения фазовых фракций, могут быть вычислены с использованием фотонных сигналов 110. Низкоэнергетическая флуоресцентная эмиссия с энергией ниже 25 кэВ, в дополнение к естественной эмиссии с энергией 32 кэВ и 81 кэВ, в варианте, использующем Ba, обеспечивает возможность эмиссии дополнительного низкоэнергетического фотонного луча. Этот дополнительный низкоэнергетический фотонный луч может быть использован, в сочетании с естественными эмиссиями, для вычисления фазовых фракций многофазной текучей среды за более короткое время измерения с предварительно заданной точностью, или с повышенной точностью за такое же время измерения. Путем подстановки трех энергетических уровней (<25 кэВ, 32 кэВ и 81 кэВ для Ba) в уравнение 1 можно получить уравнение (2):
133
которое может быть решено для вычисления фазовых фракций. В уравнении (2)/- измеренные линейные коэффициенты при энергетическом уровне  ниже 25 кэВ для смеси,/- измеренные линейные коэффициенты при низком энергетическом уровне 32 кэВ,/- измеренные линейные коэффициенты при высоком энергетическом уровне 81 кэВ в варианте, использующем Ba, и/- фазовые фракции, при этом iпоказывает воду, нефть или газ. В результате применения закона Бера-Ламберта в виде формулы (1) для трех энергетических уровней линейная система становится переопределенной для трех неизвестных/и четырех имеющихся уравнений. Компьютерная система может решить уравнение (2), например, с помощью метода взвешенных линейных наименьших квадратов для получения единственного решения.
LE
Xfluo
Xfluo
Xfluo
133
133
133
133
[0050] Как показано на фиг. 7, компьютерная система 62 может вычислять линейные коэффициенты ослабления, показывающие ослабление гамма- и рентгеновского излучения при прохождении через воду, нефть и газ. График, представляющий линейные коэффициенты ослабления, имеет ось х, по которой отложены значения λ, показывающие линейные коэффициенты ослабления при низкой энергии, и ось y, по которой отложены значения λhe, показывающие линейные коэффициенты ослабления при высокой энергии. Линейный коэффициент ослабления для воды 122, соответствующий фотонным сигналам 110, прошедшим через 100%-ю воду, линейный коэффициент ослабления для нефти 124, соответствующий фотонным сигналам 110, прошедшим через 100%-ю нефть, и линейный коэффициент ослабления для газа 126, соответствующий фотонным сигналам 110, прошедшим через 100%-й газ, вычисляются с помощью компьютерной системы 62 и могут быть изображены на графике на фиг. 7, образуя первый треугольник 132 ослабления с площадью 138. Чем больше площадь 138 треугольника 132, тем меньше погрешности определения фазовых фракций при одном и том же времени измерения и наоборот, тем меньше время измерения при одной и той же точности определения фазовых фракций. Этот треугольник имеет линейный коэффициент ослабления для воды 134, соответствующий фотонным сигналам 110, прошедшим через 100%-ю воду, линейный коэффициент ослабления для нефти 136, соответствующий фотонным сигналам 110, прошедшим через 100%-ю нефть, и линейный коэффициент ослабления для газа 126, соответствующий фотонным сигналам 110, прошедшим через 100%-й газ. Треугольник 132 ослабления имеет площадь 138. Треугольник 132 ослабления графически отображает точки ослабления для [32; 81] кэВ, где 32 кэВ представляет собой низкую энергию, а 81 кэВ - высокую энергию, в варианте, использующем Ba. Площадь 138 соответствует ситуации, когда фотоны эмитируются из Ba без рентгенофлуоресценции, и возможные фазовые фракции распределены по площади 138. Второй треугольник 128 ослабления графически отображает точки ослабления для [E, 81] кэВ, где E - низкая энергия, соответствующая рентгенофлуоресцентному излучению, эмитируемому флуоресцентным материалом источника 10 радиоактивного излучения, E ниже 25 кэВ, и 81 кэВ - это высокая энергия, в варианте, использующем Ba. Площадь 130 соответствует ситуации, когда фотоны эмитируются из Ba в результате рентгенофлуоресценции, и возможные комбинации фазовых фракций распределены по площади 130, большей, чем площадь 138.
[0051] Обозначим матрицу ослабления, например, через М. Система уравнений 2 имеет единственное решение, если det(M)≠0, т.е. если строки являются линейно независимыми. Можно отметить, что площади 130 и 138 треугольников ослабления на фиг. 7 соответствуют det(M). В предположении идеальной калибровки лишь статистические погрешности будут влиять на левую столбцовую матрицу. В процессе инверсии для решения системы, большее значение det(M) может коррелировать с меньшей степенью увеличения погрешности.
133
109
153
139
152
241
[0052] Та же самая технология, что и описанная выше, может использоваться с различными парами низких и высоких энергий, путем выбора радиоизотопов, отличных от Ba, например таких, как Cd, Gd, Ce и Eu. В другом примере могут использоваться радиоизотопы, эмитирующие моноэнергетическое гамма-излучение с энергией между 40 кэВ и 100 кэВ, например Am. С целью генерирования двух дополнительных энергий для матрицы ослабления с помощью рентгенофлуоресценции, флуоресцентный материал может быть выполнен в виде сборной двухслойной структуры из листов или в виде сплава двух металлов таким образом, чтобы каждый из металлов сплава генерировал отличную от другого флуоресцентную энергию.
[0053] Хотя приведенное выше описание дано здесь со ссылками на конкретные значения, материалы и варианты, оно не предназначено для ограничения раскрытых здесь конкретных деталей; напротив, оно распространяется на все функционально эквивалентные структуры, способы и области применения в рамках объема изобретения, определяемого приложенной формулой изобретения.