RU2665330C2 - Спектральный анализ с использованием спектральной деконволюции - Google Patents

Abstract

Использование: для измерения энергетического спектра. Сущность изобретения заключается в том, что в одном варианте реализации изобретения способ включает передачу электромагнитного излучения сквозь флюид и получение части электромагнитного излучения детектором. Указанный способ также включает измерение энергетического спектра части электромагнитного излучения, полученного детектором, и применение измеренного энергетического спектра и физической модели отклика детектора на электромагнитное излучение для выявления интенсивности сигналов для дискретных энергетических уровней части электромагнитного излучения, полученной детектором. Кроме того, раскрываются дополнительные системы, устройства и способы. Технический результат: обеспечение возможности достоверного определения интенсивности сигнала у различных типов источников. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 29 ил.

Description

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к способам и устройствам для определения расхода потока и/или фазовой фракции различных компонентов во многофазном потоке флюида, иногда называемым многофазными расходомерами (MPFM).

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Скважины обычно бурят в подповерхностных породах для получения доступа к флюидам, таким как углеводороды, содержащиеся в подземных пластах. Подземные флюиды могут быть добыты из этих скважин посредством известных методов. Операторам, возможно, потребуется знать некоторые характеристики добываемых флюидов, чтобы содействовать эффективной и экономичной разведке и добыче. Например, операторам, возможно, потребуется знать расходы потока добываемых флюидов. Эти добываемые флюиды часто являются многофазными флюидами (например, представляют собой определенное сочетание воды, нефти и газа), что усложняет измерение расходов потока.

Для определения расходов потока многофазных флюидов могут быть использованы различные системы. В некоторых системах многофазные флюиды разделяются на составляющие их фазы, и затем эти фазы тестируются по отдельности для определения расходов потока. Другие системы включают многофазные расходомеры, которые могут быть применены для измерения расходов потока многофазных флюидов без разделения. Эти многофазные расходомеры могут быть меньшего размера и легче, чем традиционные сепараторы и испытательные установки, и в некоторых случаях возможность измерения расходов потока без разделения может быть желательной. Как традиционные сепараторные системы, так и системы многофазных расходомеров также могут быть применены для определения некоторых других требуемых характеристик флюидов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приведены определенные аспекты некоторых вариантов реализации изобретения, описанных в данном документе. Следует понимать, что эти аспекты изложены всего лишь с целью предоставить читателю краткую сущность некоторых форм, которые может иметь данное изобретение, и что эти аспекты не предназначены для ограничения объема данного изобретения. Действительно, данное изобретение может охватывать множество аспектов, которые, возможно, не будут изложены ниже.

В одном варианте реализации данного изобретения способ включает передачу электромагнитного излучения сквозь флюид и получение части электромагнитного излучения детектором. Указанный способ также включает измерение энергетического спектра части электромагнитного излучения, принятой детектором, и применение измеренного энергетического спектра и физической модели отклика детектора на электромагнитное излучение для выявления интенсивности сигнала для дискретных энергетических уровней части электромагнитного излучения, принятой детектором.

В другом варианте реализации изобретения способ определения фазовых фракций для многофазного флюида включает получение электромагнитного излучения, проходящего через многофазный флюид и падающего на детектор электромагнитного излучения, а также преобразование падающего электромагнитного излучения в электрические сигналы, типичные для падающего электромагнитного излучения. Указанный способ также включает определение энергетического спектра из этих электрических сигналов и деконволюцию определенного энергетического спектра для расчета количеств фотонов для различных энергетических уровней в электромагнитном излучении, полученных детектором электромагнитного излучения. Кроме того, указанный способ включает вычисление коэффициентов затухания для фаз многофазного флюида на различных энергетических уровнях на основании предполагаемых количеств фотонов различных энергетических уровней, полученных датчиком электромагнитного излучения, и определение фазовых фракций для фаз многофазного флюида на основании вычисленных коэффициентов затухания.

В другом варианте реализации данного изобретения устройство содержит канал с флюидом; радиоактивный источник, соединенный с каналом с флюидом; и датчик, соединенный с каналом с флюидом, чтобы принимать электромагнитное излучение от радиоактивного источника, измерять энергетический спектр полученного электромагнитного излучения и выводить данные, указывающие на измеренный энергетический спектр. Устройство также содержит контроллер для получения выходных данных от датчика и определения, посредством деконволюции измеренного энергетического спектра, интенсивности фотонов на разных энергетических уровнях электромагнитного излучения, полученного датчиком.

В еще одном варианте реализации изобретения способ включает получение детектором фотонов, имеющих различные энергетические уровни, и измерение энергетического спектра указанных фотонов. Кроме того, способ включает в себя применение множества функций моноэнергетического отклика для получения спектральных составляющих энергетического спектра по множеству энергетических уровней фотонов и измерение интенсивности для энергетических уровней полученных фотонов на основании полученных спектральных составляющих.

В еще одном варианте реализации данного изобретения устройство содержит детектор электромагнитного излучения и многоканальный анализатор для измерения энергетического спектра электромагнитного излучения, принятого детектором. К тому же, устройство содержит контроллер для деконволюции измеренного энергетического спектра с использованием физической модели, отражающей отклик детектора, с целью характеристики электромагнитного излучения, принятого детектором.

В дополнительном варианте реализации изобретения способ включает моделирование функции отклика детектора в сборе на электромагнитное излучение, при этом детектор в сборе содержит сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель и усилитель. Моделирование этой функции отклика детектора включает определение функции отклика кристалла, которая связывает электромагнитный спектр, падающий на сцинтилляционный кристалл детектора в сборе, с электромагнитным спектром, поглощенным сцинтилляционным кристаллом. Моделирование функции отклика детектора также включает определение функции отклика фотоэлектронного умножителя, которая связывает электромагнитный спектр, поглощенный сцинтилляционным кристаллом, с размытым спектром, и определение функции отклика усилителя, которая связывает размытый спектр с наблюдаемым спектром. Функция отклика может быть определена как свертка электромагнитного спектра, падающего на сцинтилляционный кристалл, функция отклика кристалла, функция отклика фотоэлектронного умножителя и функция отклика усилителя.

В одном варианте реализации изобретения способ включает передачу электромагнитного излучения от источника сквозь флюид в канале и получение затухающей части электромагнитного излучения сцинтилляционным кристаллом детектора. Способ также включает получение, фотоэлектронным умножителем детектора, света, излучаемого сцинтилляционным кристаллом в ответ на получение затухающей части электромагнитного излучения, полученного сцинтилляционным кристаллом; преобразование света, полученного фотоэлектронным умножителем, в электрические сигналы; и измерение, на основании электрических сигналов, энергетического спектра, генерируемого затухающей частью электромагнитного излучения. Кроме того, способ включает оптимизацию переменных модели отклика для детектора с целью сведения к минимуму остаточных значений между измеренным энергетическим спектром и выходными данными модели отклика. Оптимизированные переменные могут включать интенсивности сигналов для различных энергетических уровней фотонов, полученных сцинтилляционным кристаллом, и характерные для детектора параметры.

В дополнительном варианте реализации изобретения многофазный расходомер включает канал с флюидом, а также излучатель и детектор электромагнитного излучения, расположенные относительно канала с флюидом таким образом, чтобы детектор мог получать фотоны, поступающие от излучателя через флюид внутри канала с флюидом. Детектор может содержать сцинтиллятор, фотоэлектронный умножитель и усилитель. Многофазный расходомер также содержит многоканальный анализатор, соединенный с детектором для приема электрических сигналов от усилителя и вывода измеренного энергетического спектра фотонов, полученных детектором, и компьютер, управляющий потоком, запрограммированный с помощью модели отклика для детектора. Модель отклика может основываться на характеристиках излучателя и детектора, и компьютер, управляющий потоком, может сопоставлять измеренный энергетический спектр с моделью отклика для выявления интенсивности фотонов, принятых детектором.

Кроме того, в одном варианте реализации изобретения устройство содержит энергонезависимое машиночитаемое запоминающее устройство, запрограммированное с использованием прикладных команд. При выполнении процессором прикладные команды обеспечивают получение измеренного спектра, отражающего электромагнитное излучение, падающее на детектор, подгонку смоделированного спектра к измеренному спектру и определение на основании смоделированного спектра интенсивности для фотонов электромагнитного излучения, падающего на детектор.

Различные усовершенствования отмеченных выше функций могут существовать в отношении различных аспектов представленных вариантов реализации изобретения. В эти различные аспекты могут быть также включены дополнительные функции. Эти усовершенствования и дополнительные функции могут существовать по отдельности или в любой комбинации. Например, различные функции, рассмотренные ниже в связи с одним или более проиллюстрированных вариантов реализации изобретения, могут быть включены в любые из описанных выше аспектов настоящего изобретения по отдельности или в любой комбинации. Опять же, краткая сущность изобретения, представленная выше, предназначена только для ознакомления читателя с некоторыми аспектами и контекстом некоторых вариантов реализации изобретения без ограничения заявленного объекта изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Эти и другие функции, аспекты и преимущества определенных вариантов реализации изобретения станут более понятными при чтении следующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых аналогичные обозначения представляют собой аналогичные элементы во всех графических материалах, при этом:

Фиг. 1 в основном иллюстрирует устройство в виде расходомера для анализа флюида в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения;

Фиг. 2 иллюстрирует блок-схему компонентов компьютера устройства по Фиг. 1 в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 3 и 4 в основном иллюстрируют излучатель и детектор электромагнитного излучения, расположенные возле канала с флюидом с целью обеспечения облучения флюида внутри канала и измерения излучения, переданного через флюид в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 5 иллюстрирует блок-схему компонентов излучателя и детектора по Фиг. 3 и 4 в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 6 в основном иллюстрирует детектор, содержащий сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель и усилитель в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 7 иллюстрирует схему технологического процесса разработки модели отклика для детектора по Фиг. 6 в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 8-13 в основном иллюстрируют различные эффекты взаимодействия электромагнитной энергии с сцинтилляционным кристаллом и воздействий на поглощенный спектр;

Фиг. 14 иллюстрирует электромагнитные излучения бария-133 на различных энергетических уровнях;

Фиг. 15 иллюстрирует смоделированную функцию отклика кристалла в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 16 в основном иллюстрирует определение импульсного отклика кристалла для сцинтилляционного кристалла в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 17 иллюстрирует смоделированные отдельные спектральные отклики сцинтилляционного кристалла для различных падающих энергетических уровней в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 18 в основном иллюстрирует дополнительные элементы фотоэлектронного умножителя по Фиг. 6 в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 19 иллюстрирует деконволюцию компонентов ядра на основании отдельных спектральных откликов по Фиг. 17 в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 20 иллюстрирует блок-схему электронных компонентов устройства по Фиг. 1 в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 21 представляет собой график, иллюстрирующий в основном синхронные импульсы, генерируемые фотоэлектронным умножителем в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 22 иллюстрирует схему технологического процесса для выявления интенсивности сигналов с использованием физической модели детектора в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 23 иллюстрирует схему технологического процесса для определения фазовых фракций флюида посредством спектральной деконволюции в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения;

Фиг. 24-27 иллюстрируют примеры спектральных деконволюций для различных радиоактивных источников и типов детектора в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения;

Фиг. 28 иллюстрирует схему технологического процесса для вычисления интенсивности сигналов, затухания и фазовых фракций флюида в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения; и

Фиг. 29 иллюстрирует схему технологического процесса для оптимизации переменных модели отклика детектора для вычисления характеристик требуемого флюида в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следует понимать, что данное изобретение предоставляет множество различных вариантов реализации изобретения, или примеров, для воплощения различных функций в различных вариантах реализации изобретения. Конкретные примеры компонентов и схем расположения описаны ниже с целью наглядности и упрощения понимания данного изобретения. Они, конечно же, являются всего лишь примерами и не предназначены для ограничения.

При представлении элементов различных вариантов реализации изобретения термины, представленные в единственном числе, а также термины «данный», «указанный» предназначены для обозначения того, что существует один или более элементов. Термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» предназначены для всеохватывающего включения и означают, что могут быть дополнительные элементы помимо перечисленных элементов. Кроме того, любое использование слов «верх», «низ», «вверху», «внизу», других терминов, определяющих направление, и вариаций этих терминов делается для удобства восприятия, но не диктует какую-либо конкретную ориентацию компонентов.

Далее со ссылкой на графические материалы, устройство 10 в виде расходомера в основном проиллюстрировано на Фиг. 1 в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения. Хотя некоторые элементы устройства 10 проиллюстрированы на этой фигуре и в основном рассматриваются ниже, следует понимать, что устройство 10 может содержать и другие компоненты в дополнение к или вместо компонентов, проиллюстрированных и рассматриваемых в данном документе. Кроме того, в то время как устройство 10 может быть предоставлено в виде расходомера (например, многофазного расходомера), как описано ниже в связи с определенными вариантами реализации изобретения, устройство 10 может быть предоставлено и в других видах.

Как проиллюстрировано, устройство содержит канал с флюидом 12, предназначенный для приема флюида. Устройство 10 также содержит излучатель 14 электромагнитного излучения, детектор 16 электромагнитного излучения, датчик давления 18 (например, один из датчика давления и датчика перепада давления или и тот, и другой), и один или более дополнительных датчиков 20 (например, датчик температуры). Для содействия некоторым измерениям, таким как расход потока, канал с флюидом 12 может иметь коническое отверстие (например, сопло трубки Вентури) для сужения потока флюида. Кроме того, по меньшей мере в одном варианте реализации изобретения излучатель 14 и детектор 16 расположены около сопла трубки Вентури в канале с флюидом 12, так что в детектор 16 поступает излучение, которое передается сквозь флюид внутри сопла трубки Вентури.

Устройство 10 дополнительно содержит компьютер 22 (который может также по-разному называться контроллером или блоком управления) для определения характеристик флюида внутри канал с флюидом 12. По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения компьютер 22 предоставлен в форме компьютера, управляющего потоком, соединенного с другими проиллюстрированными компонентами в единый блок для облегчения установки расходомера в более крупной системе (например, устройстве нефтяного месторождения). В частности, компьютер 22 предназначен для определения характеристик флюида внутри канала с флюидом 12, исходя из измерений, собранных другими компонентами. Например, компьютер 22 может определять давление и расход потока флюида. Кроме того, компьютер 22 многофазного расходомера может определять затухание флюида применительно к различным уровням электромагнитного излучения посредством сопоставления количества излучения, излученного излучателем 14, с частью такого излучения, фактически принятой детектором 16. Такой компьютер 22 может также использовать эту информацию для вычисления фазовых фракций (например, фракций нефти, газа и воды) для многофазного флюида внутри канала с флюидом 12. И наконец, расходы однофазного потока могут быть получены посредством объединения измерений фазовых фракций с измерением общего расхода потока. Часто модель многофазного потока выполняют для компенсации разности между скоростями жидкости и газа во флюиде.

Компьютер 22 может представлять собой систему на основе процессора, пример которой приведен на Фиг. 2. В этом проиллюстрированном варианте реализации изобретения компьютер 22 содержит по меньшей мере один процессор 30, подключенный, посредством шины 32, к энергозависимой памяти 34 (например, оперативному запоминающему устройству) и энергонезависимой памяти 36 (например, флэш-памяти и постоянному запоминающему устройству (ПЗУ)). Запрограммированные прикладные команды 38 и данные 40 хранятся в энергонезависимой памяти 34. Например, прикладные команды 38 могут храниться в ПЗУ, а данные 40 могут храниться в флэш-памяти. Команды 38 и данные 40 могут также быть по необходимости загружены в энергозависимую память 34 (или в локальную память 42 процессора), например, чтобы уменьшить задержку и повысить эффективность работы компьютера 22. Запрограммированные прикладные команды 38 могут быть предоставлены в виде программного обеспечения, которое может выполняться процессором 30 для обеспечения различных функций, описанных в данном документе. Не ограничивающие примеры этих функций включают деконволюцию измеренного энергетического спектра, выявление детектором интенсивности сигнала для фотонов и вычисление коэффициентов затухания и фазовых фракций для флюида. По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения прикладные команды 38 кодируются в энергонезависимом машиночитаемом запоминающем носителе, например, в энергозависимой памяти 34, энергонезависимой памяти 36, локальной памяти 42 или переносном запоминающем устройстве (например, во флэш-памяти или на компакт-диске).

Интерфейс 44 компьютера 22 обеспечивает связь между процессором 30 и различными устройствами ввода 46 и устройствами вывода 48. Интерфейс 44 может содержать любое пригодное устройство, которое обеспечивает такую связь, такое как модем или последовательный порт. В некоторых вариантах реализации изобретения устройства ввода 46 включают один или более измерительных компонентов устройства 10 (например, детектор 16, датчики давления 18, другие датчики 20), а устройства вывода 48 включают дисплеи, принтеры и запоминающие устройства, которые обеспечивают вывод данных, полученных или генерированных компьютером 22. Устройства ввода 46 и устройства вывода 48 могут быть предоставлены как часть компьютера 22 или могут быть предоставлены отдельно.

К тому же, в то время как компьютер 22 может быть расположен рядом с каналом с флюидом 12 и измерительными компонентами устройства 10 и образовывать с ними целостную систему (например, расходомер), то компьютер 22 может также располагаться удаленно от других компонентов. Кроме того, компьютер 22 может быть предоставлен как распределенная система с частью компьютера 22, расположенной вместе с измерительными компонентами на канале с флюидом 12, а остальная часть компьютера 22 может быть расположена удаленно от канала с флюидом 12.

Дополнительные подробности, касающиеся работы излучателя 14 и детектора 16, могут быть более понятны со ссылкой на Фиг. 3 и 4. Излучатель 14 и детектор 16, которые могут также упоминаться как компоненты спектрометра или денситометра 50, расположены возле канала с флюидом 12 любым пригодным способом, который позволяет детектору 16 принимать электромагнитное излучение, передаваемое через флюид внутри канала с флюидом 12 от излучателя 14. Как в настоящее время проиллюстрировано, излучатель 14 и детектор 16 соединены, располагаясь друг напротив друга возле канала с флюидом 12. Флюид 52 в канале с флюидом 12 облучается электромагнитным излучением 54. Часть электромагнитного излучения 54 поглощается или рассеивается флюидом 52, а часть электромагнитного излучения 54 поступает на детектор 16. Окна 56 и 58 изолируют излучатель 14 и детектор 16 от флюида 52, в то же время позволяя передачу электромагнитного излучения 54 от излучателя 14 и получение его детектором 16. В частности, окна 56 и 58 являются по меньшей мере частично прозрачными для электромагнитного излучения, излучаемого излучателем 14 и замеряемого детектором 16.

Излучатель 14 может генерировать электромагнитное излучение любой пригодной частоты и энергии в пределах электромагнитного спектра. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения излучатель 14 включает один или более радиоактивных источников, которые испускают гамма-лучи и рентгеновские лучи. Другие варианты реализации изобретения могут включать не радиоактивные излучатели 14, такие как электрический генератор рентгеновского излучения, в полном соответствии с представленными методами.

Как в основном проиллюстрировано на Фиг. 4, излучатель 14 и детектор 16 могут быть расположены на противоположных сторонах от сопла трубки Вентури 62 в канале с флюидом 12. Такая схема расположения обеспечивает измерение коэффициента линейного затухания,

, флюида 52 для электромагнитного излучения при заданной энергии

в соответствии с законом Бэра-Ламберта:

где d представляет собой диаметр сопла 64, N(E) представляет собой количество переданных фотонов (количество фотонов, обнаруженных детектором 16), и

представляет собой интенсивности сигнала в пустой трубе (количество фотонов, излучаемых излучателем 14, которые достигают детектора 16, но подвергаются интерференции среды, такой как флюид 52, в сопле 62).

В некоторых случаях анализируемый флюид может иметь несколько фаз. Например, флюид 52 может представлять собой многофазный флюид, имеющий нефтесодержащую жидкую фазу, водную жидкую фазу и газовую фазу, которые могут в более общем случае называться нефтяной, водной и газовой фазами. Специалистам в данной области техники будет понятно, что затухание электромагнитного излучения многофазным флюидом является линейной комбинацией затуханий, вызванных каждой из его фаз, взвешенных по их фракциям во флюиде. В случае флюида, имеющего определенную комбинацию нефти, воды и газа, это может быть выражено в виде следующей формулы:

где λg, λw и λo представляют собой коэффициенты затухания для газа, воды и нефти для излучения заданного энергетического уровня E, а αg, αw и αo представляют собой соответствующие долевые порции каждой фазы в анализируемом флюиде (также называемые в данном документе фазовыми задержками или фазовыми долями).

Это дает количество уравнений по количеству четко различимых энергетических уровней электромагнитного излучения, исходящего от излучателя 14. Далее, с учетом того, что трехфазовые задержки складываются в 1, может быть достигнута следующая система линейных уравнений:

Приведенная выше матрица затухания (т.е. матрица, содержащая характерные для каждой фазы коэффициенты затухания для n энергетических уровней) может быть получена на основании полнопроходных измерений по каждой фазе, которые в дальнейшем именуются опорными уровнями in situ, или могут применяться теоретические коэффициенты. Затем эта матрица затухания может быть инвертирована (давая матрицу инверсии А^-1) для расчета фазовых задержек:

Приведенные выше уравнения, связывающие фазовые затухания и фазовые фракции с измеренными коэффициентами затухания для многофазного флюида, предполагают, что энергетические уровни

излучаемые из источника, могут быть независимо измерены детектором. Однако в действительности отклик детектора не является идеальным, и некоторые фотоны более высоких энергетических уровней могут быть учтены в более низких энергетических областях или, наоборот, фотоны более низких энергетических уровней могут быть учтены в более высоких энергетических областях. Из-за такого смешения падающих энергий фазовые задержки в конечном итоге могут быть смещены при инвертировании матрицы затухания. Подобным образом, отклик детектора может смещаться в течение времени из-за колебаний температуры или вследствие собственного старения. Как следствие, интенсивности в режиме реального времени могут отличаться от опорных уровней in situ (которые, например, могли быть получены нескольких дней или месяцев назад). Это также может привести к систематической погрешности в фазовых задержках.

Для компенсации этих двух источников погрешностей может быть смоделирована каждая часть процесса обнаружения. Кроме того, вместо регистрации только некоторых электромагнитных излучений и дальнейшего применения эмпирической модели для компенсации отклонения между реальным и идеальным откликами детектора, по меньшей мере в некоторых вариантах реализации данного изобретения используют датчик 16 для измерения полного энергетического спектра электромагнитного излучения 54. И как описано более подробно ниже, в таких вариантах реализации изобретения можно затем использовать физическую модель отклика детектора 16 для выявления интенсивности сигнала для фотонов различных требуемых энергетических уровней, которые падают на детектор 16. По меньшей мере в некоторых случаях измерение полного энергетического спектра и применение физической модели обеспечивает нечувствительность цикла обнаружения устройства 10 к перепадам температур, смещениям по причине старения и колебаниям активности источника. Эти функции также позволяют раскрытым в настоящее время методам выявления интенсивности сигнала быть широко применимыми к любым типам источников, технологий детектора и геометрий источник-детектор.

Дополнительные функции излучателя 14 и детектора 16 проиллюстрированы на Фиг. 5 как часть системы 70 в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения. В этом примере излучатель 14 содержит источник 72 электромагнитного излучения. Как отмечалось выше, источник 72 может представлять собой радиоактивный источник, такой как барий-133 или америций-241. Выбор источника 72 может основываться на флюиде, предназначенном для анализа. Например, америций-241 может применяться, если флюид 52 представляет собой влажный газ, а в других случаях может применяться барий-133. Также могут применяться источники флуоресцентного света, которые, как правило, излучают более низкие энергетические спектры, чем радиоактивные источники. В дополнение к описанным выше окнам 56 и 58, система 70 содержит коллиматор 74. Коллиматор 74 имеет отверстие, такое как прорезь, который формирует пучок электромагнитного излучения, направляемый в сторону сцинтиллятора 80. Как проиллюстрировано в данном случае, коллиматор 74 находится на стороне детектора системы, так что электромагнитное излучение, передаваемое через флюид, коллимируется для получения сцинтиллятором 80. Это помогает отфильтровывать рассеянные фотоны от излучения, переданного на сцинтиллятор 80. Но коллиматор 74 может быть предоставлен в других положениях внутри системы 70.

Детектор 16 проиллюстрирован в качестве сцинтилляционного детектора на Фиг. 5, хотя в других вариантах реализации изобретения детектор может представлять собой твердотельный детектор. Как проиллюстрировано, детектор 16 содержит сцинтиллятор 80, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 82 и усилитель 84. Сцинтиллятор 80 может быть предоставлен в различных формах, таких как кристалл. В некоторых вариантах реализации изобретения сцинтиллятор 80 представляет собой неорганический сцинтилляционный кристалл.

Сцинтиллятор 80 собирает по меньшей мере часть падающей фотонной энергии, которую он получает, и преобразует эту падающую энергию в излучение в какой-либо другой части электромагнитного спектра. Например, как проиллюстрировано в виде части цикла обнаружения 90 на Фиг. 6, высокоэнергетическое излучение 94 (например, рентгеновские лучи и гамма-лучи) может поглощаться сцинтиллятором (в этом документе предоставленном в качестве сцинтилляционного кристалла 92), чтобы заставить его излучать импульсы света 96, такого как видимый свет. ФЭУ 82, который может быть оптически связан с сцинтилляционным кристаллом 92, обнаруживает электромагнитное излучение (например, свет 96), излучаемый сцинтилляционным кристаллом 92, и преобразует это излучение в электрические заряды 98. Затем усилитель 84 преобразует эти электрические заряды в электрические сигналы, такие как импульсы напряжения 100, пригодные для аналого-цифровой обработки.

По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения создана физическая модель отклика детектора 16. Физическая модель, как правило, может включать модели для каждого участка цикла обнаружения. Эта физическая модель также может храниться в компьютере 22 и, как описано ниже, может быть использована для содействия выявлению интенсивности сигнала на детекторе 16 и вычисления фазовых фракций для анализируемого флюида.

Один из примеров процесса создания физической модели отклика сцинтилляционного детектора в основном проиллюстрирован схемой технологического процесса 110 на фиг. 7. В этом варианте реализации изобретения компоненты цикла обнаружения 90 сами моделируются как функции отклика, которые связывают входные данные по каждому компоненту с соответствующими выходными данными. В частности, как проиллюстрировано на Фиг. 7, функция отклика сцинтилляционного кристалла 92 определяется в блоке 112, функция отклика ФЭУ 82 определяется в блоке 114, а функция отклика усилителя 84 определяется в блоке 116. Тем не менее, следует иметь в виду, что компоненты твердотельного детектора могут быть подобным образом смоделированы в другом варианте реализации изобретения. Определение этих функций отклика сцинтилляционного детектора описано более подробно ниже в качестве примера.

В рентгеновской и гамма-спектроскопии фотоны оставляют свою энергию в детекторе (например, сцинтилляционном кристалле 92 или полупроводнике) посредством эффектов взаимодействия вещества, создавая таким образом энергетический спектр. Даже учитывая идеально подходящий процесс преобразования поглощенной энергии в электрический сигнал, приводящий к появлению дискретного спектра, по причине конечных размеров детектора полученный спектр является непрерывным: для фотонов, излученных с энергией hν, есть вероятность, что они будут измеряться с меньшими энергиями. Как подробно описано ниже, некоторые варианты реализации данного изобретения включают определение количества и энергии фотонов, падающих на детектор из измеренного спектра. Следует иметь в виду, что точность таких выводов по меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения будет зависеть от точности физической модели отклика детектора.

Определение функции отклика кристалла в блоке 112 включает определение отклика импульса кристалла h(e',e), которое связывает падающий спектр i(e) электромагнитного излучения 94 на сцинтилляционном кристалле 92 с поглощенным спектром d(e) внутри сцинтилляционного кристалла. Как будет понятно, фотоны в электромагнитном излучении 94 взаимодействуют с атомами сцинтилляционного кристалла 92 для генерирования света 96. Примеры таких взаимодействий в основном описываются ниже со ссылкой на Фиг. 8-13. С целью ясности изложения эти примеры иллюстрируют фотоны с энергией hν, попадающие на сцинтилляционный кристалл 92 конечных размеров. Примечательные механизмы взаимодействия гамма-лучей и рентгеновских лучей с материей включают фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние (беспорядочное рассеяние), а в случае гамма-лучей с энергией hν > 1,022 МэВ, образование электронно-дырочных пар.

В случае фотоэлектрического поглощения, в основном проиллюстрированного на Фиг. 8, падающее гамма-излучение (или рентгеновское излучение) взаимодействует с электроном атома сцинтилляционного кристалла 92 (например, электрон из внутренней электронной оболочки (K-оболочки) атома) и исчезает, отдав свою энергию hν. Электрон (e-) образуется из этого взаимодействия (т. е. выбрасывается из атома, получающего падающее гамма-излучение или рентгеновское излучение) либо с рентгеновским фотоном, либо с так называемым электроном Оже после перегруппировки электронов вследствие вакантного узла решетки, образовавшегося в результате выброшенного электрона. В отношении атомных чисел Z>39, вероятность образования рентгеновского фотона превышает семьдесят процентов и возрастает вместе с Z. Энергия падающего фотона часто полностью поглощается детектором (как в случае с верхним падающим лучом на Фиг. 8), тем самым способствуя образованию пика полной энергии 126, как проиллюстрировано на Фиг. 9. Однако, если этот эффект имеет место вблизи поверхности детектора, рентгеновский фотон энергии E _X может покинуть детектор (как в случае с нижним падающим лучом на Фиг. 8). Тогда поглощенная энергии будет представлять собой hv-E _X , соответствуя характеристическому рентгеновскому пику вылета (ЕР) 128 в спектре, проиллюстрированном на Фиг. 9.

Как в основном проиллюстрировано на Фиг. 10, в случае комптоновского рассеяния падающее гамма-излучение (или рентгеновское излучение) с энергией hν взаимодействует с электроном, отдавая часть своей энергии самому электрону и рассеиваясь под углом θ. Часть энергии между электроном Комптона и рассеянным фотоном энергии hν'≤hν зависит от угла рассеяния θ. Когда оба продукта комптоновского рассеяния оставляют свою энергию в детекторе (когда рассеянный фотон в итоге поглощается фотоэлектрическим образом, как в случае с самым верхним падающим лучом на рис. 10), падающий фотон способствует образованию пика полной энергии 126, проиллюстрированного на Фиг. 11. Но когда рассеянный фотон покидает детектор (см., например, средний падающий луч на Фиг. 10), поглощается только энергия электрона Комптона. Максимальная энергия электрона Комптона соответствует лобовому столкновению, т. е. θ=π, и определяется по формуле:

В спектре на Фиг. 11 это представлено границей комптоновского поглощения (CE) 134 при энергии E _{e-, θ = π} , а для 0≤θ≤π электроны Комптона генерируют так называемый комптоновский континуум 136. Кроме того, если рассеянный фотон покидает детектор после многократного комптоновского рассеяния (см., например, самый нижний падающий луч на Фиг. 10), поглощенная энергия будет представлять собой ε<E _e -<hν-ε, где ε≅0, таким образом приводя к дополнительному фоновому перекрытию комптоновского континуума для энергий, которые меньше или равны E _{e-, θ = π} (что, с целью ясности изложения, не проиллюстрировано на Фиг. 11).

В отличие от предыдущих эффектов взаимодействия, образование электронно-дырочных пар является пороговым эффектом. В таком взаимодействии (два примера которого в основном проиллюстрированы на Фиг. 12) гамма-излучение с энергией hν исчезает, чтобы образовать электрон-позитронную пару. Поскольку масса покоя m ₀ указанного электрона (и позитрона) соответствует энергии m ₀ c ²=511 КэВ, образование пары может иметь место, только если hν≥2 m ₀ c ². В некоторых случаях аннигиляционные фотоны из аннигиляции электрон-позитронной пары (е ⁺ представляют собой высоко нестабильные частицы) оставляют всю свою энергию в детекторе, тем самым способствуя образованию пока полной энергии 126 на Фиг. 13. Однако в других случаях либо один, либо оба фотона могут покинуть детектор. Это приводит к образованию одиночного и двойного пиков вылета 142 и 144, находящихся в спектре при hν - m ₀ c ² и hν - 2 m ₀ c ², соответственно.

Интенсивности пиков вылета и форма комптоновского континуума могут быть эмпирически определены для выбросов на выявленном энергетическом уровне с заданным размером детектора и геометрией аппаратного обеспечения. Тем не менее, в более общем сценарии нескольких гамма- или рентгеновских выбросов различных энергий, подлежащих обнаружению, такое эмпирическое определение становится все более трудной задачей. Даже аналитический подход может не дать желаемые результаты. Например, по определению комптоновского континуума уравнение Клейна-Нишины не дает точного количественного описания указанного континуума, потому что, среди прочего, его гипотеза свободного электрона является нереалистичной.

По меньшей мере в некоторых вариантах реализации данного изобретения комплексная задача получения падающего фотона из энергетического спектра представлена кодами Монте-Карло, где сочетание физики ядра и статистики обеспечивает точную характеристику взаимодействий излучение-вещество. Программный комплекс для расчета характеристик транспорта частиц методом Монте-Карло (MCNP) транспортный кодекс, разработанный и доступный от Лос-Аламосской национальной лаборатории США, используется по меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения для моделирования отклика сцинтилляционного кристалла 92 на электромагнитное излучение разных энергий, хотя в различных вариантах реализации изобретения для этого моделирования могут быть использованы другие коды или алгоритмы (например, Geant 4 от Европейской организации ядерных исследований (CERN)). После введения характеристик трехмерной геометрии аппаратного обеспечения, источника излучения и детектора MCNP учитывает связанные с детектором эффекты, а также моделирует взаимодействия гамма-излучения с материалами, окружающими сам детектор. Результатом является описание идеальной функции отклика кристалла (CRF).

В качестве примера, Фиг. 14 иллюстрирует спектр рентгеновского и гамма-излучения бария-133, а Фиг. 15 иллюстрирует идеальную CRF неорганического сцинтилляционного кристалла 7-миллиметровой толщины на излучение бария-133, как смоделировано посредством MCNP. Спектральные составляющие на обеих этих фигурах помечены соответствующим механизмом их образования. Хотя спектр, проиллюстрированный на Фиг. 15, не содержит одиночных и двойных пиков вылета (поскольку самый энергичный выброс из бария-133 происходит при 383,8 КэВ, что составляет менее чем 2 m ₀ c ²), эффекты накапливающегося взаимодействия, обусловленные конечным размером детектора, усложняют спектр, так как множество фотонов высокой энергии расположены в ячейках с низкой энергией.

Один из вариантов реализации изобретения для моделирования импульсного отклика сцинтилляционного кристалла в основном проиллюстрирован схемой технологического процесса 154 на Фиг. 16. Для того чтобы выделить спектральную долю каждого выброса бария-133, CRF можно моделировать для одного выброса за раз. В частности, с помощью MCNP 156 и различных характеристик 158 устройства (например, характеристики источника излучения, детектора и трехмерной геометрии аппаратного обеспечения, как обсуждалось выше), могут быть смоделированы моноэнергетические отклики для множества энергетических уровней (блок 160) с целью создания набора моноэнергетических CRF, характеризующих импульсный отклик кристалла 162. Моделирование моноэнергетических откликов может быть выполнено с помощью MCNP или любым другим пригодным способом. Кроме того, как описано ниже, этот набор моноэнергетических CRF содействует последующему определению падающих на детектор фотонов из измеренного спектра.

Поскольку процесс поглощения энергии представляет собой энергетически вариабельную линейную систему, функция отклика кристалла в полной мере характеризуется своим импульсным откликом h(e',e). Следовательно, поглощенный спектр может быть вычислен, исходя из свертки падающего спектра, посредством h(e',e):

Эта свертка также может быть выражена в матричной форме. Если

обозначает матрицу энергетического воздействия в сцинтилляционном кристалле,

полученное посредством моделирования MCNP (или другого моделирования);

относится к вектору падающего спектра

;

обозначает вектор поглощенного спектра

, тогда уравнение свертки также может быть записано в следующей дискретизированной форме:

Матрица отклика кристалла

содержит отдельные отклики на выбросы источника, такого как барий-133, как описано выше. Эти отдельные отклики

(для примера выбросов источника бария-133) в основном проиллюстрировано на Фиг. 17. В частности, Фиг. 17 иллюстрирует смоделированные спектральные отклики кристалла для различных энергетических уровней падающего электромагнитного излучения, соответствующего гамма-излучению и K компонентам рентгеновского спектра по Фиг. 14. В рассматриваемом примере эти спектральные отклики приведены для десяти требуемых уровней падающей энергии (округленные до ближайшего КэВ): 31 КэВ, 35 КэВ, 53 КэВ, 81 КэВ, 161 КэВ, 223 КэВ, 276 КэВ, 303 КэВ, 356 КэВ и 384 КэВ. Однако в других случаях уровни падающей энергии, для которых моделируется отклик, могут отличаться от предыдущего примера. Кроме того, моноэнергетические отклики могут быть смоделированы для большего или меньшего количества уровней падающей энергии в соответствии с представленными методами.

Определение функции отклика ФЭУ в блоке 114 по Фиг. 7 включает определение функции отклика ФЭУ g(e',e), которая связывает поглощенный спектр d(e) с размытым спектром s(е). Тогда как в данном документе с целью пояснения описана функция отклика ФЭУ, следует отметить, что твердотельный детектор, который не содержит ФЭУ, также может быть смоделирован подобным образом. В случае твердотельных детекторов тянущееся продолжение, или эффект размытости, происходит из-за процесса собирания носителей заряда, а не из-за процесса умножения электронов, указанного ниже.

Дополнительные детали ФЭУ 82 в основном проиллюстрированы на схеме 170 по Фиг. 18 в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения. Как отмечалось ранее, сцинтилляционный кристалл 92 преобразует падающее излучение 94 в импульсы света 96, который измеряется и преобразуется в электрические сигналы 98 посредством ФЭУ 82. Как проиллюстрировано на представленной фигуре, фотоны света 96 из сцинтилляционного кристалла 92 попадают на светочувствительный слой в виде фотокатода 172, побуждая фотокатод излучать фотоэлектроны. Эти фотоэлектроны ориентированы электростатически на серию динодов 174, которые постепенно усиливают ток, связанный с излучаемыми фотоэлектронами. Усиленный сигнал накапливается на аноде 176 в виде импульсов тока 98 (которые могут быть переданы на усилитель 84, как описано выше).

В силу статистического характера процесса умножения электронов ФЭУ, выходной заряд может изменяться в зависимости от события. Эта неопределенность следует за процессом Пуассона, что приводит к расширению спектра (например, размытости) идеальных пиков Дирака CRF. Это расширение спектра можно аппроксимировать посредством фильтра Гаусса, параметры которого будут зависеть от линейности и разрешающей способности кристалла-ФЭУ. При поглощении фотона в кристалле энергия

будет регистрироваться в среднем на канале

со среднеквадратичным отклонением

. Эти две функции (которые являются моделями отклика энергии и разрешающей способности) являются специфическими для каждого детектора в сборе (в частности, кристалл-ФЭУ в сборе в этих вариантах реализации изобретения с использованием сцинтилляционного кристалла) и могут быть параметризованы следующим образом или на основании какой-либо другой энергетической зависимости:

В некоторых вариантах реализации изобретения параметры p(1), p(2), p(3) и p(4) постоянно настраиваются в режиме реального времени с учетом температуры или сдвигов из-за механического старения, которые могут возникать в течение срока службы детектора. В других вариантах реализации изобретения эти параметры постоянно настраиваются, например, периодически с любой заданной периодичностью (например, раз в минуту).

Поскольку речь идет об энергетически вариабельной линейной системе, функция отклика ФЭУ полностью характеризуется своим импульсным откликом g(e',e). Поэтому размытый спектр может быть вычислен, исходя из свертки поглощенного спектра, с помощью g(e',e):

Эта свертка также может быть выражена в матричной форме. Например, если

представляет собой гауссову матрицу

, основанную на вышеуказанных моделях отклика энергии и разрешающей способности; D представляет собой вектор поглощенного спектра

; а S представляет собой вектор размытого спектра

, тогда уравнение свертки можно записать в следующей дискретизированной форме:

Матрицу произведений

можно назвать ядром деконволюции. Это ядро деконволюции характеризует импульсный отклик сцинтилляционного кристалла 92 и ФЭУ 82. Указанное ядро деконволюции также содержит отдельные энергетические спектры (компоненты), из которых образуются наблюдаемые спектры. Эти отдельные энергетические спектры в основном проиллюстрированы на Фиг. 19, и следует отметить, что каждый проиллюстрированный спектр представляет собой размытый вариант соответствующего спектра, проиллюстрированного на Фиг. 17.

Снова кратко обратившись к Фиг. 7, можно сказать, что определение функции отклика усилителя в блоке 116 включает определение функции отклика усилителя f, которая связывает размытый спектр s(e) с наблюдаемым спектром o(e). Каждый выход ФЭУ 82, описанного выше, является, по существу, значением электрического заряда, пропорциональным количеству энергии фотона (например, гамма- или рентгеновский фотон), поглощенного сцинтилляционным кристаллом 92. Затем электрические компоненты, такие как усилитель 84 и многоканальный анализатор, собирают указанный заряд, измеряют его амплитуду и сохраняют его в спектре.

Один из таких компонентов проиллюстрирован на Фиг. 20. В этом варианте реализации изобретения электрические компоненты включают предварительный усилитель 184, формирующий усилитель 186 и многоканальный анализатор (МКА) 188. Предварительный усилитель 184 и формирующий усилитель 186 могут быть компонентами усилителя 84 (Фиг. 6), в то время как МКА 188 может быть включен как часть детектора 16, часть компьютера 22 (например, как устройство ввода 46) или как отдельный компонент. Предварительный усилитель 184 усиливает и преобразует импульсы тока 98, которые он получает от ФЭУ 82, в импульсы напряжения. Формирующий усилитель 186 преобразует эти импульсы напряжения в линейные импульсы, такие как униполярные или биполярные полу-гауссовы импульсы, демонстрирующие более быстрое базовое восстановление и лучшее отношение сигнал/шум.

Многоканальный анализатор 188 содержит контур анализатора 190 для сортировки линейных импульсов по соответствующим каналам. МКА 188 может содержать любое пригодное количество каналов измерения для сортировки линейных импульсов, поступивших от формирующего усилителя 186. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения МКА 188 имеет 512 каналов или 1024 канала. Когда два падающих фотона попадают на детектор в пределах длительности выходного импульса формирующего усилителя, их соответствующие импульсы накладываются, чтобы образовать выходной импульс искаженной высоты, приводя к искаженному энергетическому спектру. В то время как в некоторых случаях алгоритмы последующей обработки могут описать эффект наложения импульсов на спектре, они также могут требовать наличия слишком больших ресурсов (например, в циклах обработки центрального процессора (ЦП)) для некоторых (например, в режиме реального времени) вариантов реализации изобретения.

Соответственно, проиллюстрированный МКА 188 содержит подавитель наложения импульсов 192. Этот подавитель наложения импульсов 192 отбрасывает события наложения импульсов, в которых их временной интервал больше, чем пороговое время подавления наложения импульсов. Пороговое время подавления наложения импульсов может быть установлено на любом требуемом уровне, таком как уровень, который будет приводить к отбросу большинства событий наложения импульсов. Это позволяет упростить интерпретацию искажения спектра посредством, как правило, ограничения эффектов наложения импульсов случаем синхронных импульсов. Для моделирования искажения вследствие этих остаточных синхронных импульсов количественный анализ выполняется по каждому каналу k спектра. На примере закона Пуассона можно продемонстрировать, что существует следующая вероятность наложения двух фотонов:

где τ представляет собой время подавления наложения импульсов, а n _tot представляет собой общую скорость подсчета.

Пример синхронных импульсов в основном представлен на графике на Фиг. 21, в котором импульс 200 (с амплитудой i) синхронизирован с импульсом 202 (с амплитудой j), в результате чего образуется кумулятивный импульс 204, который будет считываться в канале k вследствие суммирования i и j. Кроме того, если i и j обозначают комбинации падающих амплитуд, степени усиления и потери могут быть рассчитаны для каждого канала k по следующей формуле:

Тогда наблюдаемый спектр представляет собой баланс усилений и потерь в каждом канале:

Каждая часть цикла обнаружения была смоделирована выше в виде отдельных функций отклика. Глобальный отклик детектора может считаться физической моделью, которая объединяет в себе эти отдельные функции отклика для представления функционирования моделируемого цикла детектора. Следовательно, этот глобальный отклик детектора может быть выражен в следующей матричной форме:

По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения эта физическая модель отклика детектора используется с целью выявления интенсивности сигнала для фотонов различных энергетических уровней, принятых детектором 16. Затем выявленные интенсивности сигнала могут быть использованы для определения характеристик анализируемого флюида. Один пример процесса для выявления интенсивности сигнала и последующего охарактеризования атрибута флюида на основании выявленных интенсивностей сигнала в основном проиллюстрирован схемой технологического процесса 210 на Фиг. 22. В этом варианте реализации изобретения электромагнитное излучение (например, рентгеновские лучи и гамма-лучи от излучателя 14) передается (блок 212) через исследуемый флюид. Данный флюид ослабляет излучение таким образом, что часть излучения поступает (блок 214) на детектор (например, детектор 16). В блоке 216 измеряется энергетический спектр излучения, принятого детектором, и это может быть выполнено с помощью многоканального анализатора, такого как описанный выше. По меньшей мере в некоторых случаях измеряется полный энергетический спектр полученного излучения. В других случаях может измеряться частичный энергетический спектр, например, часть энергетического спектра, попадающих в непрерывный диапазон нескольких каналов многоканального анализатора. Но стоит отметить, что в контексте данного документа измерение энергетического спектра (будь то полный энергетический спектр или частичный энергетический спектр) означает измерение интенсивности внутри многочисленных каналов многоканального анализатора, а не просто измерение интенсивности в небольшом количестве каналов (например, от двух до десяти каналов, изолированных друг от друга), соответствующих выявленным требуемым энергетическим уровням. Это измерение спектра, а не небольшого количества отдельных каналов позволяет выявлять интенсивности сигнала, которые подлежат определению на основании измеренного энергетического спектра в соответствии с представленными методами.

В блоке 218 измеренный энергетический спектр и физическая модель для отклика детектора применяются для определения переменных физической модели. Для описанной выше модели входные данные модели включают моноэнергетические отклики кристалла H, энергию детектора и функции разрешающей способности μ(e) и σ(e), а переменные включают интенсивности сигнала для фотонов различных энергетических уровней и характерные для детектора параметры p(1), p(2), p(3) и p(4). Эти переменные можно определить с использованием процесса деконволюции, исходя из функции отклика детектора O.

В частности, по меньшей мере в некоторых случаях функция отклика детектора физической модели сопоставляется с измеренным энергетическим спектром, что может включать выполнение оптимизации (например, оптимизация методом наименьших квадратов) функции отклика детектора с тем, чтобы согласовывать функцию отклика детектора с измеренным энергетическим спектром и выявлять интенсивности сигнала и характерные для детектора параметры. Например, если принять, что Y представляет собой измеренный спектр, нелинейный алгоритм наименьших квадратов можно использовать для определения характерных для детектора параметров P и интенсивности сигнала I, которые сводят к минимуму следующие остаточные значения:

Остаточные значения могут быть взвешены посредством среднеквадратичного отклонения измерений, т. е. в этом случае квадратный корень интенсивности сигнала, поскольку предполагают, что процессы выявления интенсивности сигнала обычно придерживаются статистики Пуассона. Для выполнения оптимизации можно применять алгоритм Левенберга-Марквардта (в виде минимизации методом наименьших квадратов) или можно применять более простой метод Гаусса-Ньютона. Более того, для выполнения оптимизации могут быть использованы способы максимальной вероятности или максимальной энтропии, а также любые другие пригодные способы.

После выявления интенсивности сигнала I эти интенсивности сигнала можно сопоставить с интенсивностями сигнала в пустых трубах для определения затухания электромагнитного излучения в анализируемом флюиде для нескольких энергетических уровней, как описано выше в связи с Фиг. 4. Затем может быть использовано определенное затухание для характеристики атрибута флюида (блок 220), например, посредством определения фазовых фракций для флюида или информации о некоторых дополнительных компонентах, таких как сероводород или соли, во флюиде, как описано ниже. Кроме того, выявленные характерные для детектора параметры

могут быть использованы для калибровки детектора (блок 222), например, для поддержания спектральных выходных параметров детектора в исходном положении.

В соответствии с другим вариантом реализации изобретения, процесс определения фазовых фракций многофазного флюида в основном проиллюстрирован схемой технологического процесса 230 на Фиг. 23. В этом варианте реализации изобретения электромагнитное излучение проходит (блок 232) через многофазный флюид. Например, радиоактивный источник может излучать рентгеновские лучи и гамма-лучи внутрь многофазного флюида, протекающего через канал для флюида. Падение излучения принимается (блок 234) на детекторе и преобразуется (блок 236) в электрические сигналы, как описано выше. Следует иметь в виду, что электрические сигналы представляют собой падающее излучение.

Энергетический спектр определяется (блок 238), исходя из электрических сигналов, а затем проходит деконволюцию (блок 240) для расчета количества фотонов нескольких энергетических уровней, принятых детектором. Деконволюция определенного энергетического спектра (который по меньшей мере в некоторых случаях является полным энергетическим спектром полученного излучения) могут быть выполнена любым пригодным способом, например, посредством аппроксимации смоделированной функции отклика детектора, выполненной описанным выше способом. Могут быть рассчитаны коэффициенты затухания для флюида (блок 242), и могут быть определены фазовые фракции (блок 244) на основании коэффициентов затухания, как описано в другом месте данного документа. В некоторых вариантах реализации изобретения фазовые фракции включают газовую, водную и нефтяную фазы. Кроме того, фазовые фракции могут включать и другие компоненты в дополнение к компонентам (или вместо) газа, воды и нефти. Более того, также может быть определена информация о дополнительных компонентах, таких как сероводород или соли, как описано ниже.

Примеры спектральных деконволюций для различных радиоактивных источников и типов датчика в основном проиллюстрированы на Фиг. 24-27. В каждом из этих примеров ядра деконволюции вычисляется, исходя из моделей MCNP, основанных на входных характеристиках радиоактивного источника, детектора и геометрии источник-детектор. К тому же, каждый из этих графиков иллюстрирует подсчеты падающего фотона (ось y) по 512 каналам (ось x). Помимо измеренного спектра, наблюдаемого спектра и размытого спектра, также проиллюстрированы отдельные спектральные составляющие, связанные с энергетическими линиями соответствующего радиоактивного источника (при этом энергетические линии источника приведены в КэВ внизу каждой из этих фигур). Данные, проиллюстрированные на Фиг. 24, основаны на показаниях по источнику излучения бария-133 и 10-миллиметровому неорганическому сцинтилляционному кристаллу. Данные, проиллюстрированные на Фиг. 25, тоже основаны на показаниях по источнику излучения бария-133, но с учетом 2-миллиметрового неорганического сцинтилляционного кристалла. Данные, проиллюстрированные на Фиг. 26, основаны на показаниях по источнику излучения америция-241 и 10-миллиметровому сцинтиллятору. И данные на Фиг. 27 основаны на показаниях по источнику излучения с цезием-137 и натрием-22, а также 25,4-миллиметровому (1-дюймовому) неорганическому сцинтилляционному кристаллу.

Еще один пример процесса для расчета интенсивности сигнала, затухания и фазовых фракций флюида в основном представлен схемой технологического процесса 250 на Фиг. 28. В этом варианте реализации изобретения фотоны разных энергий, прошедшие через исследуемый флюид (например, многофазный флюид в канале), попадают на детектор (блок 252), после чего измеряется энергетический спектр полученных фотонов (блок 254). Получают спектральные составляющие измеренного энергетического спектра (блок 256) для нескольких энергетических уровней фотонов, принятых детектором. Эти спектральные составляющие могут быть получены любым пригодным способом, включая использование нескольких функций моноэнергетического отклика описанным выше способом. Затем могут быть измерены интенсивности (блок 258) для по меньшей мере двух энергетических уровней полученных фотонов на основании выведенных спектральных составляющих. По меньшей мере два энергетических уровня могут включать любые исследуемые энергетические уровни. Например, полученные фотоны могут включать рентгеновские фотоны и гамма-фотоны, и по меньшей мере два энергетических уровня могут включать первый энергетический уровень для полученных рентгеновских фотонов и второй энергетический уровень для полученных гамма-фотонов. В некоторых вариантах реализации изобретения, таких как варианты с использованием источника бария-133, первый энергетический уровень полученных рентгеновских фотонов находится между 30 КэВ и 36 КэВ, а второй энергетический уровень полученных гамма-фотонов находится между 79 КэВ и 81 КэВ. Затем коэффициенты затухания фотонов во флюиде по меньшей мере для двух энергетических уровней и фазовых фракций для флюида могут быть рассчитаны в блоках 260 и 262 любым пригодным способом.

Кроме того, пример процесса, который оптимизирует переменные модели отклика детектора для обеспечения расчета характеристик флюида, в основном представлен схемой технологического процесса 270 на Фиг. 29. В этом варианте реализации изобретения электромагнитное излучение передается через флюид (блок 272) и затухающая часть указанного излучения попадает на сцинтилляционный кристалл детектора (блок 274). Сцинтилляционный кристалл излучает свет в ответ на полученное излучение, и этот свет попадает в фотоэлектронный умножитель (блок 276). Указанный свет преобразуется в электрические сигналы (блок 278) для обеспечения измерения энергетического спектра, образованного излучением, попадающим на сцинтилляционный кристалл (блок 280). После этого переменные модели отклика детектора могут быть оптимизированы, как описано выше, для сведения к минимуму остаточных значений между измеренным энергетическим спектром и выходными данными модели отклика детектора (блок 282). Оптимизированные переменные модели отклика детектора могут включать интенсивности сигнала для различных энергетических уровней фотонов, принятых сцинтилляционным детектором, и характерные для детектора параметры, также описанные выше. В некоторых вариантах реализации изобретения остаточные значения оцениваются на основании среднеквадратичного отклонения измеренного энергетического спектра и переменные оптимизируются с помощью нелинейного алгоритма наименьших квадратов, такого как алгоритм Левенберга-Марквардта или алгоритм Гаусса-Ньютона. Кроме того, могут быть рассчитаны коэффициенты затухания флюида для различных энергетических уровней излучения и фазовые фракции (например, для воды, нефти и газа) (блоки 284 и 286).

В то время как представленные методы могут быть использованы для определения долевых частей для многофазного флюида, состоящего из трех компонентов (например, нефти, воды и газа), они также могут быть использованы для определения дополнительных компонентов многофазного флюида. В некоторых случаях представленные методы могут быть применены к случаям с флюидами, содержащими комбинацию углеводородной жидкости (например, нефти), воды, углеводородного газа и некоторых дополнительных компонентов, например, сероводорода или солей. Посредством представленных методов могут быть выявлены интенсивности сигнала, исходя из различных энергетических уровней в электромагнитном излучении, исходящем от излучателя 14. Это может дать количество уравнений по количеству энергетических уровней, обеспечивая таким образом систему линейных уравнений, которые могут быть инвертированы для вычисления долевых компонентов нефти, воды и газа, а также дополнительной информации, связанной с дополнительными компонентами, например, в виде изменения количества соли и сероводорода. Уравнения относительно дополнительных компонентов будут включать интенсивность для дополнительных энергетических уровней, а также другие физические значения в зависимости от химической реакции дополнительных компонентов с нефтью, водой и газом.

Измерение полного спектра с использованием процесса деконволюции также позволяет осуществлять мониторинг исправности детектора в режиме реального времени. Состояние детектора можно контролировать, наблюдая за спектром деконволюции и параметрами детектора в режиме реального времени и сопоставляя их с ожидаемыми значениями в таких же или аналогичных условиях. Например, наблюдаемый полный спектр может проявлять иные характеристики, чем ожидаемые в различных областях. Например, полный спектр может содержать пики на разных каналах или пики с различной интенсивностью, или даже другое количество пиков, например, проявлять 3 пика, в то время, как ожидается 4 пика. Аналогичным образом, параметры детектора могут иметь иные точки данных, чем ожидается или наблюдалось бы при нормальных обстоятельствах. Могут быть применены средства автоматизированного контроля для обеспечения эффективности измерений посредством контуров обратной связи. Помимо обеспечения долговременной стабильности измерения, метод деконволюции полного спектра также значительно снижает и, в некоторых случаях, устраняет необходимость применения теплового контроля системы детектора. Иными словами, измерение полного спектра и метод деконволюции обеспечивают MPFM, который лучше саморегулируется на основании измеренных откликов. Это позволяет применять более простую систему, эксплуатируемую в условиях окружающей среды, обеспечивая при этом надежную стабильность и последовательность измерения.

Из приведенного выше описания будет понятно, что данное раскрытие представляет способ определения фазовых фракций для многофазного флюида, включающий: получение электромагнитного излучения, проходящего через многофазный флюид и падающего на детектор электромагнитного излучения; преобразование падающего электромагнитного излучения в электрические сигналы, отражающие падающее электромагнитное излучение; определение энергетического спектра на основании электрических сигналов; деконволюцию определенного энергетического спектра для расчета количества фотонов по меньшей мере двух различных энергетических уровней в электромагнитном излучении, которые получены детектором электромагнитного излучения; вычисление коэффициентов затухания для фаз многофазного флюида по меньшей мере для двух различных энергетических уровней на основании предполагаемого количества фотонов по меньшей мере двух различных энергетических уровней, принятых детектором электромагнитного излучения; и определение фазовых доле для фаз многофазного флюида на основании вычисленных коэффициентов затухания. В некоторых вариантах реализации изобретения деконволюция определенного энергетического спектра включает сопоставление смоделированной функции отклика детектора с определенным энергетическим спектром. Кроме того, по меньшей мере в одном варианте реализации изобретения деконволюция определенного энергетического спектра включает сопоставление смоделированной функции отклика детектора, содержащей ядро деконволюции, которое характеризует импульсный отклик одного или более компонентов детектора электромагнитного излучения. Определение фазовых фракций фаз многофазного флюида может включать определение фазовых фракций для газовой фазы, водной жидкой фазы и нефтяной жидкой фазы многофазного флюида. Кроме того, вычисление коэффициентов затухания для фаз многофазного флюида может включать сопоставление предполагаемых количеств фотонов по меньшей мере двух различных энергетических уровней с предполагаемыми количествами фотонов по меньшей мере двух различных энергетических уровней, излучаемых источником электромагнитного излучения. К тому же, преобразование падающего электромагнитного излучения в электрические сигналы может включать преобразование гамма-излучения в электрические сигналы. Способ также может включать испускание электромагнитного излучения из радиоактивного источника через многофазный флюид, когда он протекает через расходомер.

Также будет понятно, что данное изобретение представляет устройство, содержащее энергонезависимое машиночитаемое запоминающее устройство, запрограммированное с помощью прикладных команд, которые, при выполнении их процессором, обеспечивают: получение измеренного спектра, представляющего электромагнитное излучение, падающее на детектор; сопоставление смоделированного спектра с измеренным спектром; и определение на основании смоделированного спектра скоростей подсчета фотонов электромагнитного излучения, падающего на детектор. В одном варианте реализации изобретения сопоставление смоделированного спектра с измеренным спектром включает сведение к минимуму остаточных значений между измеренным спектром и смоделированным спектром. Энергонезависимое машиночитаемое запоминающее устройство может быть дополнительно запрограммировано с помощью прикладных команд, которые, при выполнении их процессором, обеспечивают вычисление фазовых фракций многофазного флюида на основании выявленных интенсивностей сигнала по меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения. В некоторых случаях указанное устройство представляет собой запоминающее устройство или компьютер, содержащий процессор и энергонезависимое машиночитаемое запоминающее устройство. Кроме того, по меньшей мере в одном варианте реализации изобретения такой компьютер представляет собой компьютер, управляющий потоком, многофазного расходомера.

Данное изобретение также представляет устройство, содержащее: канал с флюидом; радиоактивный источник, соединенный с каналом с флюидом; датчик, соединенный с каналом с флюидом и сконфигурированный для приема электромагнитного излучения от радиоактивного источника, измерения энергетического спектра полученного электромагнитного излучения и вывода данных, указывающих на измеренный энергетический спектр; и контроллер, предназначенный получать выходные данные от датчика и определять, посредством деконволюции измеренного энергетического спектра, интенсивности сигнала для фотонов разных энергетических уровней электромагнитного излучения, получаемого датчиком. В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер представляет собой компьютер, управляющий потоком, многофазного расходомера. Радиоактивный источник может испускать гамма-излучение, а детектор может быть сконфигурирован для обнаружения гамма-излучения. К тому же, радиоактивный источник может излучать и рентгеновские лучи, а детектор может быть сконфигурирован для обнаружения рентгеновских лучей. В некоторых вариантах реализации изобретения радиоактивный источник содержит барий-133. Также по меньшей мере в некоторых случаях детектор устройства содержит сцинтиллятор.

Кроме того, данное изобретение представляет способ, включающий: передачу электромагнитного излучения от источника сквозь флюид в канале; получение затухающей части электромагнитного излучения сцинтилляционным кристаллом детектора; получение, фотоэлектронным умножителем детектора, света, излучаемого сцинтилляционным кристаллом в ответ на получение затухающей части электромагнитного излучения, полученного сцинтилляционным кристаллом; преобразование указанного света, полученного фотоэлектронным умножителем, в электрические сигналы; измерение, на основании электрических сигналов, энергетического спектра, образованного затухающей частью электромагнитного излучения; и оптимизацию переменных модели отклика для детектора с целью сведения к минимуму остаточных значений между измеренным энергетическим спектром и выходными данными модели отклика, при этом оптимизированные переменные включают интенсивности сигнала для разных энергетических уровней фотонов, полученных сцинтилляционным кристаллом, и характерные для детектора параметры. Этот способ также может включать использование по меньшей мере двух из оптимизированных интенсивностей сигнала для вычисления коэффициентов затухания флюида по меньшей мере для двух различных энергетических уровней. К тому же, в одном варианте реализации изобретения способ включает измерение минерализации флюида на основании по меньшей мере двух из оптимизированных интенсивностей сигнала. В некоторых примерах способ также включает вычисление фракций воды, нефти и газа во флюиде на основании вычисленных коэффициентов затухания. Оптимизация переменных модели отклика с целью сведения к минимуму остаточных значений может включать оценку остаточных значений с использованием среднеквадратичного отклонения измеренного энергетического спектра. Также оптимизация переменных модели отклика может включать оптимизацию переменных с использованием нелинейного алгоритма наименьших квадратов. По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения оптимизация переменных с использованием нелинейного алгоритма наименьших квадратов включает оптимизацию переменных с использованием алгоритма Левенберга-Марквардта или алгоритма Гаусса-Ньютона.

Кроме того, данное изобретение представляет способ, включающий моделирование функции отклика детектора в сборе на электромагнитное излучение, причем детектор в сборе содержит сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель и усилитель, при этом моделирование функции отклика детектора в сборе включает: определение функции отклика кристалла, которая связывает электромагнитный спектр, падающий на сцинтилляционный кристалл детектора в сборе, с электромагнитным спектром, поглощенным сцинтилляционным кристаллом детектора в сборе; определение функции отклика фотоэлектронного умножителя, которая связывает электромагнитный спектр, поглощенный сцинтилляционным кристаллом, с размытым спектром; и определение функции отклика усилителя, которая связывает размытый спектр с наблюдаемым спектром; при этом функция отклика определяется как свертка электромагнитного спектра, падающего на сцинтилляционный кристалл, функция отклика кристалла, функция отклика фотоэлектронного умножителя и функция отклика усилителя. В одном варианте реализации данного способа определение функции отклика кристалла включает образование матрицы импульсного отклика для сцинтилляционного кристалла посредством моделирования методом Монте-Карло, основанного на характеристиках: сцинтилляционного кристалла, источника электромагнитного излучения, фактически полученного сцинтилляционным кристаллом, и геометрической схемы расположения источника и сцинтилляционного кристалла друг относительно друга. Кроме того, данный способ может также включать хранение смоделированной функции отклика детектора в сборе в запоминающем устройстве блока управления многофазного расходомера для обеспечения блока управления возможностью впоследствии выявлять интенсивности сигнала для дискретных энергетических уровней электромагнитного излучения, фактически полученного сцинтилляционным кристаллом детектора в сборе, на основании смоделированной функции отклика и сопоставления измеренного спектра, полученного в результате воздействия электромагнитного излучения, фактически полученного сцинтилляционным кристаллом, со смоделированной функцией отклика.

Вышеизложенное описывает признаки нескольких вариантов реализации изобретения таким образом, чтобы специалисты в данной области техники могли лучше понять аспекты данного изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что они могут без труда применить настоящее изобретение в качестве основы для разработки или модификации других процессов и конструкций с целью достижения тех же целей или достижения тех же преимуществ вариантов реализации изобретения, представленных в данном документе. Специалисты в данной области техники также должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не отходят от сущности и объема данного изобретения, и что они могут делать различные изменения, замены и модификации изложенного в данном документе без отхода от сущности и объема данного изобретения.

Claims (37)

1. Способ измерения энергетического спектра, включающий:

передачу электромагнитного излучения сквозь флюид;

получение части электромагнитного излучения детектором;

измерение энергетического спектра указанной части электромагнитного излучения, полученной детектором; и

применение измеренного энергетического спектра и физической модели отклика детектора на электромагнитное излучение для выявления интенсивности сигнала для дискретных энергетических уровней указанной части электромагнитного излучения, принятой детектором.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применение измеренного энергетического спектра и физической модели отклика детектора включает сопоставление измеренного энергетического спектра с функцией отклика детектора и физической моделью для выявления интенсивности сигнала.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что сопоставление измеренного энергетического спектра с функцией отклика детектора включает выполнение оптимизации функции отклика детектора методом наименьших квадратов в отношении измеренного энергетического спектра для выявления интенсивности сигнала.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что физическая модель отклика детектора включает модели отклика энергии и разрешающей способности, содержащие характерные для детектора параметры, и при этом указанный способ включает выявление характерных для детектора параметров на основании оптимизации методом наименьших квадратов между измеренным энергетическим спектром и функцией отклика детектора.

5. Способ по п. 4, включающий калибровку детектора на основании выявленных характерных для детектора параметров.

6. Способ по п. 1, включающий охарактеризование физического атрибута флюида на основании выявленных интенсивностей сигналов.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что флюид является многофазным флюидом, а охарактеризование физического атрибута флюида включает определение фазовых фракций многофазного флюида.

8. Способ по п. 4, дополнительно включающий мониторинг исправности детектора с использованием измеренного спектра.

9. Устройство для измерения энергетического спектра, содержащее:

детектор электромагнитного излучения;

многоканальный анализатор, сконфигурированный для измерения энергетического спектра электромагнитного излучения, полученного детектором; и

контроллер, сконфигурированный для деконволюции измеренного энергетического спектра с использованием физической модели, отражающей отклик детектора, с целью характеристики электромагнитного излучения, полученного детектором.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что контроллер конфигурируется для определения интенсивности фотонов, падающих на детектор, на основании деконволюции измеренного энергетического спектра.

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что детектор является твердотельным детектором.

12. Устройство по п. 9, содержащее многофазный расходомер, имеющий в составе детектор, многоканальный анализатор и контроллер.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что контроллер является компьютером, управляющим потоком, предназначенным рассчитывать фазовые фракции флюида, проходящего через многофазный расходомер, исходя из деконволюции измеренного энергетического спектра, с использованием физической модели, отражающей отклик детектора.

14. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что детектор содержит формирующий усилитель для предоставления многоканальному анализатору выходных импульсов, являющихся признаком фотонов, полученных детектором.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что многоканальный анализатор содержит подавитель наложения импульсов, сконфигурированный для сброса выходного импульса формирующего усилителя, исходящего от детектора, который указывает на множество фотонов, полученных детектором в пределах длительности выходного импульса формирующего усилителя, если временной интервал между получением множества фотонов превышает определенное пороговое значение длительности.

16. Способ измерения энергетического спектра, включающий:

получение детектором фотонов, имеющих различные энергетические уровни;

измерение энергетического спектра указанных фотонов;

применение множества функций моноэнергетического отклика для получения спектральных составляющих энергетического спектра по множеству энергетических уровней фотонов; и

измерение интенсивности по меньшей мере по двум энергетическим уровням полученных фотонов на основании полученных спектральных составляющих.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что получение фотонов детектором включает получение фотонов, которые прошли через многофазный флюид в канале.

18. Способ по п. 16, включающий:

вычисление коэффициентов затухания фотонов в многофазном флюиде по меньшей мере для двух энергетических уровней; и

вычисление фазовых фракций многофазного флюида с использованием вычисленных коэффициентов затухания.

19. Многофазный расходомер, содержащий:

канал с флюидом;

излучатель и детектор электромагнитного излучения, расположенные относительно канала с флюидом так, чтобы детектор был способен получать фотоны, посылаемые излучателем через флюид внутри канала с флюидом, при этом детектор содержит сцинтиллятор, электронный фотоумножитель и усилитель;

многоканальный анализатор, соединенный с детектором для приема электрических сигналов от усилителя и вывода измеренного энергетического спектра фотонов, полученных детектором; и

компьютер, управляющий потоком, запрограммированный с помощью модели отклика для детектора, причем модель отклика основывается на характеристиках излучателя и детектора, при этом компьютер, управляющий потоком, предназначен сопоставлять измеренный энергетический спектр с моделью отклика для определения интенсивности фотонов, полученных детектором.

20. Многофазный расходомер по п. 19, отличающийся тем, что модель отклика включает функции энергии и разрешающей способности детектора, имеющие характерные для детектора параметры, и набор функций моноэнергетического отклика, которые моделируют отклик сцинтиллятора на фотоны, падающие на сцинтиллятор.

Images