CN106574905A - 用于运行核磁流量计的方法和核磁流量计 - Google Patents

用于运行核磁流量计的方法和核磁流量计 Download PDF

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Abstract

示出和描述了一种用于利用核磁流量计、利用预磁化装置并且利用测量装置来确定流经测量管的多相介质的流量的方法，其中预磁化装置实现至少两个不同长度的长度为L1、L2、…的预磁化路径。本发明所基于的任务是说明一种方法，利用该方法可以以简化的方式确定多相介质的流量。该任务通过如下方式解决：使用测量装置，所述测量装置在每个预磁化路径的末端处在具有在z方向上的分层的测量管横截面平面中实现2D断层扫描，将所述测量管横截面平面分成与测量管直径相比薄的层，在每个层中执行核磁测量以利用至少两个不同长度的预磁化路径来确定测量信号，由测量信号确定在每个单个层中的流速以及由在每个层中的测量信号的幅度的信号比确定T1时间。

Description

用于运行核磁流量计的方法和核磁流量计
技术领域
本发明首先涉及一种用于利用核磁流量计、利用预磁化装置并且利用测量装置来确定流经测量管的多相介质的流量的方法，其中预磁化装置实现至少两个不同长度的长度为L1、L2、…的预磁化路径。此外，本发明也涉及一种核磁流量计，尤其用于应用在根据本发明的方法中。
背景技术
因此被构造用于确定流经测量管的介质的流量的核磁流量计尤其在介质包含多个相时被使用。对多相介质的流量的确定除了确定流动速度和流量率之外同样包括对介质的各个相的份额的确定。然而，利用核磁流量计确定单相介质的流量也是可能的。
核磁测量方法的可应用性的基本前提是，介质或介质的每个相具有带有磁矩的原子核。
此外，为了区分各个相，需要各个相具有可区分的弛豫时间。当前，所谓的自旋晶格弛豫时间T1（也用T1时间来表示）是特别重要的。
如果由携带磁矩的原子核构成的***位于外部的、具有确定方向的磁场中，则原子核的磁矩在外部的磁场中被定向。磁矩采取与外部磁场平行或反平行的状态，其中平行于外部磁场的状态以更高的概率被占据，使得在该***中构成平行于外部场的“净磁化”。该“净磁化”也被称作平衡磁化。由于外部干扰影响，磁化可能从其平衡位置被偏转。然而，干扰影响一被取消，磁化就力求又采取其平衡位置，又弛豫到其平衡位置中。为此所需的时间是自旋晶格弛豫时间T1。
自旋晶格弛豫时间T1针对多相介质中的每个相具有不同的值，如已经在上面阐明的那样。因此，T1时间也是每个相的重要的、独特的和表征的参数。尤其对T1时间的了解实现用于完整地表征介质的良好基础。T1时间的确定经常证明是相对复杂的并且尤其非常费时的。
这里应指出的是，从油源所输送的多相介质基本上由两个流体相、即原油和盐水和气态相、即天然气构成，其中所有三个相包含氢核，所述氢核携带磁矩。
从现有技术中已知的、被用于确定流经测量管的多相介质的流量的核磁流量计可以被设计，使得该核磁流量计有时包含预磁化装置和测量装置，其中预磁化装置实现至少两个不同长度的长度为L1、L2、…的预磁化路径。
发明内容
本发明的任务是说明一种用于运行核磁流量计的方法，利用该方法可以以相对于现有技术简化的方式确定多相介质的流量。
第一种根据本发明的方法的特征在于，使用测量装置，该测量装置在每个预磁化路径的末端处在垂直于测量管纵轴的测量平面中实现2D断层扫描（Tomographie），测量平面分别相同地被划分成体素，体素的大小被选择，使得在每个体素中仅仅介质的一个相流动，为了确定测量信号，执行核磁测量，测定介质在测量平面中的每个体素中的流动速度，由各个测量平面的分别对应的体素的流动速度的所测定的值关于所有测量平面确定各一个体素的介质的平均流动速度，确定不同测量平面的分别对应的体素的测量信号相对于彼此的信号比以及利用预磁化路径的长度L1、L2、…的已知的值由信号比确定每个体素中的T1时间。
根据本发明的方法的一种优选的实施方式的特征在于，在另一尤其紧接着的步骤中利用相应的T1时间测定每个体素中的相应的氢指数并且根据T1时间和氢指数HI确定介质的不同的相和不同的相的范围。
根据本发明的方法的另一优选的实施方式的特征在于，在紧接着的方法步骤中通过对介质的不同范围进行积分并且与相应的流动速度相乘来确定流量率。该实施方式具有如下大的优点：介质的各个相的流量率可以仅通过了解“各个相的范围的伸展”和相应的流动速度来确定。
根据本发明的方法的一种特别优选的实施方式的特征在于，核磁测量利用CPMG序列实现。然而应理解的是，可以使用每个可用于核磁测量的脉冲序列。
介质在每个体素中的速度在根据本发明的一种实施方式中可以通过“对流衰变”方法来确定。在该方法中，介质在测量距离上在测量方向上被激励并且由被激励的介质发出的测量信号多次连续地被测量。由于被激励的区域渐渐地从测量路径在测量方向上流动，即位于测量区域中的被激励的核自旋的数量降低，因此测量信号随着每个测量过程而变得更弱。根据信号强度的下降可以确定流动速度。
根据本发明的方法的另一优选的实施方式的特征在于，为了确定信号比而利用测量信号在时间t=0时的幅度。在此情况下，时间t=0被定义为测量的始端。
根据本发明的方法的一种特别的实施方式的特征在于，为了确定信号比而利用测量信号的时间变化。这是可能的，因为一方面在每个体素中介质都处于单相的状态，即分别仅仅介质的唯一的相出现在一个体素中，因为于是与该介质的该相有关的自旋自旋弛豫时间T2在不同测量平面的分别对应的体素中是相同的，而另一方面介质在不同测量平面的分别对应的体素中的速度可以被假设为相同的。
根据本发明的方法的又特别的实施方式的特征在于，至少两个预磁化路径通过可变RF线圈来实现，并且测量平面在相应的预磁化路径的末端处通过不同的平面来实现。尤其是因此至少两个预磁化路径可以具有相同的起点，优选地预磁化路径的起点是在进入预磁化装置的入口处的点。属于测量装置的测量平面因此被实现为至少两个不同的测量平面并且属于相应的RF线圈的区域。
根据本发明的方法的也优选的实施方式的特征在于，至少两个预磁化路径通过旋转的磁体装置来实现并且测量平面在相应的预磁化路径的末端处以唯一的空间平面来实现。因此，至少两个测量平面在相应的预磁化路径的末端处在空间上叠合。通过这种根据本发明的实施方式，可以实现测量装置的简单结构。
在另一实施方式中规定：至少两个预磁化路径通过发出破坏脉冲的RF线圈来实现并且测量平面在相应的预磁化路径的末端处以唯一的空间平面来实现。这里，脉冲或脉冲序列被称为破坏脉冲，该脉冲或该脉冲序列破坏介质在z方向上的磁化。发出破坏脉冲的RF线圈被布置在预磁化单元的区域中。RF线圈中的每个都定义预磁化路径的始端，因为磁化在破坏之后又形成，这样好像介质流入预磁化单元中。该实施方式同样具有如下优点：至少两个测量平面在相应的预磁化路径的末端处在空间上叠合。
上面所指明的任务此外通过如下方式来解决：用于确定流经测量管的多相介质的流量的方法利用核磁流量计来应用，该核磁流量计具有预磁化装置并且具有测量装置，其中预磁化装置实现至少两个不同长度的长度为L1、L2、…的预磁化路径，其特征在于，使用测量装置，该测量装置在每个预磁化路径的末端处在具有在z方向上的分层的测量管横截面平面中实现2D断层扫描，测量管横截面平面被分成与测量管直径相比薄的层，利用至少两个不同长度的预磁化路径在每个层中执行核磁测量以确定测量信号，由测量信号确定在每个单个层中的流速，并且由在每个层中的测量信号的幅度的信号比确定T1时间。
最后描述的根据本发明的方法的一种特别的实施方式的特征在于，利用测量信号的绝对幅度确定各个相在介质中的份额。
最后描述的根据本发明的方法尤其适合于对多相介质的流量测量，其中介质的各个相具有不同的流速。在这样的情况下，可能发生：更快地流动的相赶上更缓慢地流动的相，谈及所谓的“相滑”。在忽略不同的流速、即假设介质的唯一的流速的情况下，发生不精确性和测量误差。通过层被选择为与测量管横截面相比薄的，如下假设是完全合理的：每个层仅包含唯一的相，即在一个层之内不出现相滑，其中在所述层中执行测量。
在对多相介质进行流量测量时的另一问题是由气体份额的测量的困难引起的，因为气体具有非常小的测量信号。因此，根据本发明的方法的另一优选的扩展方案是，该扩展方案尤其对于具有浪涌流动或分层的流动剖面的介质而言证明是有利的，其特征在于，在测量管中逐层地从下向上确定测量管中的下面的层的水液比，根据所述层在测量管中的位置由所确定的值生成水液比曲线，该曲线从最后确定的值出发在整个测量管横截面上被外插，由被外插的曲线计算测量管中的上面的层的所期望的测量信号幅度，以及由在所期望的测量信号幅度与实际上所测量到的测量信号幅度之间的差确定上面的层中的气体体积份额。
在浪涌流动时或在分层流动时，没有气***于测量管的下面的区域中的层中。因此，该信号唯一地通过介质的流体份额来确定，αO+αW=1适用。因此可能的是，将绝对幅度用于确定介质的相的份额并且尤其确定水液比。在此情况下，油的信号比水的信号更强。即，更大的水液比对应于更弱的测量信号（在αO+αW=1的前提下）。而气体很可能位于测量管的上面的区域中的层中。由于气体具有非常弱的测量信号，在含气体的层中的总信号与无气体的层相比同样将是弱的。弱的测量信号与小的测量信号幅度对应，而强的测量信号与大的测量信号幅度对应。由在假设在上面的层中也没有出现气体的情况下理论上所计算出的测量信号幅度和实际上所测量到的测量信号幅度于是可以根据1-α方法计算介质的气体份额，其方式是：将实际上所测量到的测量信号幅度从理论上所计算出的测量信号幅度中减去。
另外，本发明的任务也是说明一种核磁流量计，利用该核磁流量计可以以简化的方式确定多相介质的流量。
先前所指明的任务首先并且基本上通过如下方式来解决：测量装置在每个预磁化路径的末端处在垂直于测量管纵轴的测量平面中实现2D断层扫描或者在具有在z方向上的分层的测量管横截面平面中实现2D断层扫描。
在根据本发明的核磁流量计中因此设置有至少两个不同长度的预磁化路径，因此根据本发明也设置有至少两个测量平面。尤其也可以设置大于两个的数量的预磁化路径和测量平面。
根据本发明的流量计的一种特别的实施方式的特征在于，预磁化路径的不同长度L1、L2、…通过可变RF线圈来实现并且测量平面在每个预磁化路径的末端处属于相应的RF线圈的区域。
另一实施方式的特征在于，预磁化路径的不同长度L1、L2、…通过旋转的磁体单元来实现并且测量平面在每个预磁化路径的末端处属于唯一的空间平面。
核磁流量计的一种优选的实施方式的特征在于，预磁化路径的不同长度L1、L2、…通过发出破坏脉冲的RF线圈来实现并且测量平面在每个预磁化路径的末端处属于唯一的空间平面。
附图说明
详细地，现在存在扩展和改进根据本发明的核磁流量计的大量可能性。为此参考从属于专利权利要求14的专利权利要求以及参考结合附图的描述。在该附图中：
图1示出根据本发明的核磁流量计的第一优选实施例的示意图，
图2示出根据本发明的核磁流量计的第二优选实施例的示意图，
图3示出根据本发明的核磁流量计的第三优选实施例的示意图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了根据本发明的核磁流量计1的第一实施例。介质流经测量管2，该介质的流量应当被确定。流量计1包括预磁化装置3以及测量装置4，其中预磁化装置3包括用于产生穿过测量管2的磁场的一个或多个永磁体10。在测量装置4的区域中设置有两个可变RF线圈11。可变RF线圈11用于利用激励信号激励介质并且用于接收由介质基于激励信号而发出的测量信号。第一测量平面8位于第一可变RF线圈11中，该第一测量平面垂直于测量管纵轴。第一预磁化路径6因此被定义为从预磁化装置3的开端直到第一测量平面8的路径。第二测量平面9位于第二可变RF线圈11中，该第二测量平面同样垂直于测量管纵轴。第二预磁化路径7因此被定义为从预磁化装置3的开端直到第二测量平面9的路径。由于第一测量平面8和第二测量平面9在空间上并不重叠，所以第一预磁化路径6和第二预磁化路径7的长度不同。在测量平面8和9中实现2D断层扫描。同样可设想的是具有在z方向上的分层的断层扫描的实现。
在图2中示意性地示出了根据本发明的核磁流量计1的第二实施例。与图1所示的实施例不同，预磁化装置3包括多个旋转的磁体单元5。示出了六个这样的磁体单元5，然而本发明并不限于确定数量的磁体单元5。磁体单元5中的每个磁体单元产生确定的强度和方向的磁场。相邻的旋转的磁体单元5的磁场可以是彼此平行或反平行的，同样可设想的是磁体单元5不产生磁场。通过选择相邻的磁体单元5的取向，定义有效的预磁化路径。一方面示出了第一预磁化路径6而另一方面示出了第二预磁化路径7。两个预磁化路径6、7与根据第一实施例的预磁化路径6、7不同具有不同的起点和共同的终点。因此，第一测量平面8和第二测量平面9属于测量装置4中的一个空间平面。在测量平面8和9中实现2D断层扫描。同样可设想的是具有在z方向上的分层的断层扫描的实现。
在图3中示出了根据本发明的流量计1的第三实施例。介质流经测量管2，该介质的流量应当被确定。流量计类似于前面所描述的两个实施例包含预磁化装置3和测量装置4。在图3中所示的实施例中，预磁化装置3包含一个永磁体10或多个永磁体10，用于产生穿过介质的磁场。此外，预磁化装置3包含产生破坏介质的磁化的脉冲或破坏介质的磁化的脉冲序列的RF线圈12。通过破坏脉冲，在进入预磁化装置3的入口和破坏线圈12之间的区域中形成的磁化又被破坏，使得“新”预磁化路径的开端处于破坏线圈12的位置处。
两个不同长度的预磁化路径6、7如所阐明的那样具有不同的始端，即如图3中所示的那样可以具有相同的末端。在测量装置4中，测量平面8和测量平面9属于唯一的空间平面。在测量平面8和9中实现2D断层扫描。同样可设想的是具有在z方向上的分层的断层扫描的实现。

Claims (17)

1.用于利用核磁流量计、利用预磁化装置并且利用测量装置来确定流经测量管的多相介质的流量的方法，其中所述预磁化装置实现至少两个不同长度的长度为L1、L2、…的预磁化路径，
其特征在于,
使用测量装置，所述测量装置在每个预磁化路径的末端处在垂直于测量管纵轴的测量平面中实现2D断层扫描，
所述测量平面分别相同地被划分成体素，
选择所述体素的大小，使得在每个体素中仅仅所述介质的一个相流动，
为了确定测量信号，执行核磁测量，
测定所述介质在每个测量平面中的每个体素中的流动速度，
由各个测量平面的分别对应的体素的流动速度的所测定的值关于所有测量平面确定各一个体素的所述介质的平均流动速度，
确定不同测量平面的分别对应的体素的测量信号相对于彼此的信号比，以及
利用所述预磁化路径的长度L1、L2、…的已知的值由所述信号比确定每个体素中的T1时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用相应的T1时间测定每个体素中的相应的氢指数HI，并且根据T1时间和氢指数HI确定所述介质的不同的相和所述不同的相的范围。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过对所述介质的不同的范围进行积分并且与相应的流动速度相乘来确定流量率。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述核磁测量利用CPMG序列来实现。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述介质在每个平面中的每个体素中的速度通过“对流衰变”方法来确定。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，为了确定所述信号比，利用所述测量信号在时间t=0时的幅度。
7.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，为了确定所述信号比，利用所述测量信号的时间变化。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述至少两个预磁化路径通过可变RF线圈来实现，并且所述测量平面在相应的预磁化路径的末端处通过不同的平面来实现。
9.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述至少两个预磁化路径通过旋转的磁体装置来实现，并且所述测量平面在相应的预磁化路径的末端处以唯一的空间平面来实现。
10.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述至少两个预磁化路径通过发出破坏脉冲的RF线圈来实现，并且所述测量平面在相应的预磁化路径的末端处以唯一的空间平面来实现。
11.用于利用核磁流量计、利用预磁化装置并且利用测量装置来确定流经测量管的多相介质的流量的方法，其中所述预磁化装置实现至少两个不同长度的长度为L1、L2、…的预磁化路径，
其特征在于,
使用测量装置，所述测量装置在每个预磁化路径的末端处在具有在z方向上的分层的测量管横截面平面中实现2D断层扫描，
将所述测量管横截面平面分成与测量管直径相比薄的层，
在每个层中执行核磁测量以利用至少两个不同长度的预磁化路径确定测量信号，
由所述测量信号确定在每个单个层中的流速，以及
由在每个层中的所述测量信号的幅度的信号比确定T1时间。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，利用所述测量信号的绝对幅度确定各个相在所述介质中的份额。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述测量管中逐层地从下向上确定所述测量管中的下面的层的水液比，
根据所述层在测量管中的位置由所确定的值生成水液比曲线，
从最后确定的值出发在整个测量管横截面上对所述曲线进行外插，
由被外插的曲线计算所述测量管中的上面的层的所期望的测量信号幅度，以及
由在所期望的测量信号幅度与实际上所测量到的测量信号幅度之间的差确定所述上面的层中的气体体积份额。
14.用于确定流经测量管的介质的流量的核磁流量计，尤其利用根据权利要求1至13之一所述的方法，所述核磁流量计具有预磁化装置并且具有测量装置，其中所述预磁化装置实现至少两个不同长度的长度为L1、L2、…的预磁化路径，
其特征在于,
所述测量装置在每个预磁化路径的末端处在垂直于测量管纵轴的测量平面中实现2D断层扫描或者在具有在z方向上的分层的测量管横截面平面中实现2D断层扫描。
15.根据权利要求14所述的核磁流量计，其特征在于，所述预磁化路径的不同长度L1、L2、…通过可变RF线圈来实现并且所述测量平面在每个预磁化路径的末端处属于相应的RF线圈的区域。
16.根据权利要求14所述的核磁流量计，其特征在于，所述预磁化路径的不同长度L1、L2、…通过旋转的磁体单元来实现并且所述测量平面在每个预磁化路径的末端处属于唯一的空间平面。
17.根据权利要求14所述的核磁流量计，其特征在于，所述预磁化路径的不同长度L1、L2、…通过发出破坏脉冲的RF线圈来实现并且所述测量平面在每个预磁化路径的末端处属于唯一的空间平面。
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