低能射线法油水气相含率测量研究

论文摘要

石油的生产、加工、输运等过程都与多相流有关,准确测量油水气多相流对监测油井生产状况、预测油田储量、优化油田开采方法、管理原油生产过程等有着重要意义。由于油水气多相流在管道流动时存在多种流型以及原油成分、水矿化度、介质温度等不断变化,油水气多相流测量一直是难于解决的问题。本文采用低能(<100keV)射线研究油水气多相流相含率测量问题,应用双能射线透射法和单能射线透射散射法测量油水气相含率。采用双能射线测量低含水原油的水相含率。通过散射射线能谱识别垂直管道气液两相流的流型,修正流型对双能射线法气相含率测量的影响。论文在分析射线法油水相含率测量模型的基础上,应用Monte Carlo仿真方法模拟γ光子与油水气介质的相互作用过程,对系统进行优化设计。通过仿真研究射线能量与灵敏度、统计误差的关系,发现低能γ射线对油水变化的灵敏度高,确定双能射线源采用238Pu和241Am同位素,单能射线源采用241Am同位素;研究散射探测器位置与散射射线能量分布的关系,确定散射探测器在90°散射角位置时能够反映管道流体的流态;分析了温度、压力和油成分变化对低含水原油水相含率的影响,建立了温度和油成分变化的补偿算法。应用散射射线能谱分布识别气液两相流型,补偿双能射线透射法气相含率的测量误差。仿真获得了均匀混合流、环状流和弹状流三种流型产生的散射射线能量概率分布数据,应用RBF网络对三种流型进行识别,均匀混合流和环状流的识别率为100%,应用流型识别结果修正环状流对双能射线气相含率测量的影响。采用RBF神经网络预测γ射线透射散射法的水相含率和气相含率,与双能射线模型近似求解相比,提高了相含率测量的精度。建立了油水气相含率测量实验系统。根据射线源和探测器的规格设计了测量装置的机械结构,进行了探测器输出信号放大成形电路和计数卡电路设计,开发了基于Windows驱动模型的计算机精确定时模块,减小了定时误差对射线强度计数值的影响,通过计算机进行数据采集与处理,用于油水气相含率测量实验。在循环测量装置上进行了双能射线油水气相含率测量、单能射线透射散射法油水气相含率测量和低含水原油水相含率测量试验,实验表明,双能射线法含水率和气相含率的最大绝对误差均小于0.01;单能射线透射散射法预测含水率最大绝对误差为0.04,预测气相含率最大绝对误差为0.02;双能射线法低含水原油水相含率测量精度高,温度、油成分变化对水相含率测量的影响通过算法进行补偿,补偿后的水相含率最大绝对误差小于0.002。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 油水气多相流概述
• 1.2.1 气液两相流流型
• 1.2.2 多相流特征参数
• 1.3 射线法多相流测量技术现状
• 1.3.1 射线法多相流测量装置结构
• 1.3.2 透射法多相流测量技术现状
• 1.3.3 透射散射法多相流测量技术现状
• 1.3.4 射线层析成像多相流测量技术现状
• 1.3.5 中子法多相流测量技术现状
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 射线检测理论与油水气相含率算法
• 2.1 引言
• 2.2 射线检测理论
• 2.2.1 γ射线与物质的相互作用
• 2.2.2 γ射线透射模型
• 2.2.3 γ射线散射模型
• 2.3 油水气相含率测量算法
• 2.3.1 单能射线两相流相含率测量算法
• 2.3.2 双能射线油水气三相流相含率测量算法
• 2.3.3 基于最小二乘法的相含率测量参数估计
• 2.3.4 流型对射线透射法气相含率测量的影响
• 2.3.5 单能射线透射散射法油水气相含率模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 油水气相含率测量关键技术仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 油水气测量仿真模型建立
• 3.2.1 Monte Carlo 方法
• 3.2.2 基于Monte Carlo 方法粒子输运仿真软件
• 3.2.3 Geant4 仿真环境
• 3.2.4 油水气测量仿真模型
• 3.3 射线源选择
• 3.3.1 双能射线源选择
• 3.3.2 透射散射法相含率测量射线源选择
• 3.3.3 低含水原油水相含率测量射线源选择
• 3.4 射线透射散射响应特性仿真研究
• 3.4.1 窗材料
• 3.4.2 透射探测器准直器孔径
• 3.4.3 射线散射传输特性
• 3.5 低含水原油水相含率测量仿真研究
• 3.5.1 低含水原油水相含率测量误差仿真研究
• 3.5.2 温度和压力影响水相含率测量仿真研究
• 3.5.3 原油成分变化影响水相含率测量仿真研究
• 3.5.4 矿化度影响水相含率测量仿真研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于神经网络的流型识别与油水气相含率测量
• 4.1 引言
• 4.2 神经网络理论
• 4.3 基于RBF 网络的垂直管气液两相流流型识别
• 4.3.1 气液两相流散射能谱仿真
• 4.3.2 气液两相流流型识别
• 4.4 基于RBF 网络透射散射法油水气相含率预测
• 4.5 本章小结
• 第5章 油水气相含率测量系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 测量系统的总体结构
• 5.3 测量系统机械结构
• 5.3.1 射线源和探测器
• 5.3.2 测量系统机械结构
• 5.4 测量系统硬件电路
• 5.4.1 闪烁探测器信号处理电路
• 5.4.2 半导体探测器信号处理电路
• 5.4.3 计数卡
• 5.4.4 高压电源
• 5.5 测量系统软件
• 5.6 本章小结
• 第6章 油水气相含率测量实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验系统
• 6.3 实验内容及结果
• 6.3.1 双能射线法油水气相含率测量实验
• 6.3.2 气液两相流流型识别实验
• 6.3.3 透射散射法油水气相含率测量实验
• 6.3.4 双能射线低含水原油水相含率测量实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介