（信号与信息处理专业论文）x射线法三相流测量技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：论文题目：x x 射线法三相流测量技术研究射线法三相流测量技术研究 专专业：信号与信息处理业：信号与信息处理 硕硕 士士 生：生：孙亮亮孙亮亮（签名）（签名） 指导教师：指导教师：党瑞荣党瑞荣（签名）（签名） 摘要 在石油工业中，井下流量信息在油田合理开采、油藏优化管理、制定和调整开采方 案等方面有着重要意义。尽管目前多相流的测量设备种类繁多，而能够在井下完成油、 气、水三相流测量的仪器几乎没有。本文采用双能 x 射线法研究油、气、水三相流相含 率的测量技术，目的是研制出一种能够在井下使用的油、气、水三相流相含率测量系统。 本文研究了双能 x 射线法油、气、水相含率的测量原理，将射线能量和物质相互作 用的规律与常见x光管的种类结合， 选用了特征谱分别为17.44kev和58.87kev的钼(mo) 靶和钨(w)靶光管，完成了测量系统的研制。本文的研究工作主要集中在 x 射线发生及 探测系统硬件电路的研制，x 射线发生系统的硬件电路主要包括：pwm 脉宽调制驱动 电路、 单端反激变换电路、 升压变压器、 倍压整流电路以及 x 光管的灯丝恒流供电电路。 x 射线探测系统的硬件电路包括：探测器供电电路、多道分析器的前端模拟信号处理电 路、峰值保持和过峰检测电路以及 dsp 外围电路的研制。 在研制了测量系统的基础上，利用已有的试验平台进行了试验，得到不同相比例下 的测量数据，测量数据的结果分析表明测量的各相含率绝对误差很小，满足实际测量的 要求。 关键词：三相流关键词：三相流x x x x 射线射线高压电源高压电源多道分析器多道分析器 论文类型：应用基础研究论文类型：应用基础研究 (本文来源于深水井下流量测量技术研究国家重大专项2008zx05026-001-03 项目) 英文摘要 subjectsubjectsubjectsubject ：r r r researchesearchesearchesearch o o o on n n n mmmmeasurementeasurementeasurementeasurementt t t technechnechnechnologyologyologyology ofofofof three-phasethree-phasethree-phasethree-phase f f f flowlowlowlow bybybyby x-rayx-rayx-rayx-ray specialtyspecialtyspecialtyspecialty：signalsignalsignalsignal andandandand informationinformationinformationinformation processingprocessingprocessingprocessing namenamenamename：sunsunsunsun liangliangliangliang liangliangliangliang（signaturesignaturesignaturesignature） instructorinstructorinstructorinstructor：dangdangdangdang ruirongruirongruirongruirong（signaturesignaturesignaturesignature） abstract in the petrol industry, the underground flow information has great significance in oilfield rational exploitation, reservoir optimize management and formulation and adjustment of mining plan, etc. there are so many measuring equipments for multiphase flow, however, there is almost no instrument using in oil, gas and water three-phase flow measurement in the underground. the dual-energy x-ray method is used in measuring phase fraction of oil, gas and water three-phase flow in this paper, which is to develop phase fraction measuring system used in the underground. measuring the phase fraction of oil, gas and water by dual-energy x-ray method in this paper, we combine the interaction law between rays and matters with the common types of x-ray tube. choose the mo target fluorescent tubes of characteristic spectrum for 17.44kev and w target fluorescent tubes for 58.87kev to complete the development of the measurement system. the main research work is concentrated in x-ray occurring and probing system hardware circuit. the x-ray occurring system hardware circuit mainly includes pwm pulse width modulation drive circuit, single-ended fly-back converting circuit, step-up transformer, double voltage rectifier circuit, and filament constant current power supply circuit of x-ray tube. the x-ray probing system hardware circuit mainly includes power supply circuit of detector, the middle-front analog signal processing circuit of multi-channel analyzer, the peak-holding circuit, the cross-peak detection circuit and the dsp peripheral circuit. at last, test the measuring system in the indoor test platform, the results show that the absolute error of every phase is small, meet the requirements of the actual measurement. keykeykeykey wordswordswordswords：three-phasethree-phasethree-phasethree-phase f f f flowlowlowlowx-rayx-rayx-rayx-rayhighhighhighhigh voltagevoltagevoltagevoltage powerpowerpowerpower supplysupplysupplysupplymulti-channelmulti-channelmulti-channelmulti-channel a a a analyzernalyzernalyzernalyzer thesisthesisthesisthesis： applicationapplicationapplicationapplication fundamentfundamentfundamentfundament studystudystudystudy (the paper is originated from deep water downhole flux measurement technology national major projects 2008.72010.122008zx05026-001-03) 目录 目录 第 1 章 绪论. 5 1.1 引言. 5 1.2 课题的研究意义. 5 1.3 课题的研究目的. 5 1.4 国内外研究现状. 5 1.5 本文的研究内容. 5 第 2 章 x 射线法相含率测量原理及系统设计.5 2.1 x 射线的衰减.5 2.1.1 x 射线的几种衰减方式.5 2.1.2 x 射线的衰减规律.5 2.2 相含率测量的原理. 5 2.3 相含率测量系统设计. 5 2.3.1 x 射线法相含率测量模型.5 2.3.2 x 射线法相含率测量系统.5 2.4 本章小结. 5 第 3 章 相含率测量系统硬件设计. 5 3.1 x 射线发生系统硬件设计.5 3.1.1 高压电源. 5 3.1.2 灯丝电路. 5 3.2 x 射线探测系统硬件设计.5 3.2.1 光电倍增管高压电源. 5 3.2.2 多道分析器硬件电路设计. 5 3.2.3 时钟及电源电路. 5 3.3 本章小结. 5 第 4 章 试验技术研究. 5 4.1 室内试验系统. 5 4.2 室内试验. 5 4.2.1 试验一. 5 4.2.2 试验二. 5 4.2.3 试验三. 5 4.2.4 试验四. 5 4.3 试验总结. 5 4.4 本章小结. 5 目录 第 5 章 全文总结. 5 第 6 章 致谢. 5 参考文献. 5 攻读学位期间发表的论文. 60 第 1 章 绪论 1 第 1 章绪论 1.11.11.11.1 引言引言 多相流在自然界，日常生活以及工程应用当中普遍存在。在油气开采、输运、加工 过程中，油、气、水三相流体的混合流动几乎不可避免1。生产井测井中油、气、水的 产量是表征油井动态变化和评价油层生产特性的一个重要参数，据此可以判断油井的生 产状态和储层信息2。在生产阶段，井下流量信息和地面流量信息不可或缺。 井下流量信息的计量，主要包括井下分采、分支井各层段产量以及注入量的测量。 计量井下分采层的油、气产量能及时反映各开采层地质情况变化和生产异常；开采层的 油藏特性的动态分析更加精确；各开采层的储量信息更加可靠；为生产决策及改善油藏 管理提供重要的数据支持3；为评价增产措施提供了有效的手段。注水井的注入量是各 层段的地质情况和生产状况的反映，在井下对注液情况的监测在保护油气储层、延长油 田开采时间、减少修井次数、降低了生产成本中发挥着重要作用。 地面流量信息主要是油田井、站、库计量油、气、水的流量，是生产管理中的一项 重要工作。可分为单井计量和油站、油库计量两大部分。单井计量包括对每口井生产的 原油、天然气以及对注水井注水量的计量；油站、油库计量是对集输原油和天然气的计 量。单井计量资料是生产状态的动态反映，是油田长期稳产、高产的需要，也是优化油 田开采、提高最终采收率的需要；油站、油库是油气集输的枢纽，是保证油田正常生产 和外输、外运平衡的重要手段。油田井、站、库的油、气、水计量工作对生产、运输有 很大的影响，可见，计量工作在生产管理中占据着非常重要的地位4。 油、气、水三相流量的测量与分析储层结构，评价地层产出流体的性质和流量，制 定和调整开采方案，评价增产措施密切相关；是油田正常生产，原油、天然气外输、外 运平衡措施的重要保证；对油田合理开采，油藏的优化管理，延长油井开采时间，维持 油田稳产、高产发挥着重要作用。 1.21.21.21.2 课题的研究意义课题的研究意义 随着科学的发展和技术的进步，新技术和新概念不断涌现，并在石油工业中有了广 泛应用。新技术的注入促进了石油工业的发展，合理开采、优化油藏管理、提高采收率 为目的的数字化油田、智能化油田等概念也应运而生，并且成为指引油田建设的新方向 6。多相流的测量在数字化油田、智能化油田建设中不可或缺，在智能完井和常规的生 产井测井中同样非常重要，可见多相流量测量技术的研究工作具有重要意义。 数字化油田、 智能化油田以智能完井技术为基础。 智能完井系统被定义为具有采集、 西安石油大学硕士学位论文 2 传输及分析井眼生产数据、油藏数据和完井综合数据能力，以远程控制方式改善油藏动 态和生产动态的控制系统7。 在智能完井系统中，单井多层段油、气生产实行在线监测和控制。各开采层油、气 的产量及各储层的压力、温度信息结合，确定生产状态、了解油藏动态，综合各项基础 资料和参数，直接对井下设备进行控制，在避免了不必要的井下干扰作业的同时实现了 生产的动态调整；在降低生产成本的同时对开采和油藏管理进行了优化，最终达到延长 稳产期，提高采收率的目的8,9。 图 11 为智能完井示意图，利用井下传感器采集井下设备的工作情况和生产层段 的压力、温度、油气产状等参数，并将采集的参数通过高速数据流回传到地面；由地面 平台对数据进行分析、学习不断加深对油藏认识的同时对产状进行仲裁，结合油藏数值 模拟预测，形成油藏管理决策；将决策信息反馈到井下设备控制系统，通过对液流控制 和井身结构的重置，改变生产状态，实现生产状态的动态调整10。 通通通通信信信信系系系系统统统统 接 地 面 接 井 下 井下系统示意图井下系统示意图井下系统示意图井下系统示意图 控控控控 流流流流 量量量量 产 层 一 压 力 传 感 器压 力 传 感 器压 力 传 感 器压 力 传 感 器 温 度 传 感 器温 度 传 感 器温 度 传 感 器温 度 传 感 器 多 相 流 量 计多 相 流 量 计多 相 流 量 计多 相 流 量 计 压 力 传 感 器压 力 传 感 器压 力 传 感 器压 力 传 感 器 温 度 传 感 器温 度 传 感 器温 度 传 感 器温 度 传 感 器 多 相 流 量 计多 相 流 量 计多 相 流 量 计多 相 流 量 计 控控控控 流流流流 量量量量 节 流 阀 节 流 阀 产 层 二 通信系统接口通信系统接口通信系统接口通信系统接口 地 面 平 台地 面 平 台地 面 平 台地 面 平 台 井 下 数 据 分 析分 析分 析分 析 通信系统接口通信系统接口通信系统接口通信系统接口 综 合综 合综 合综 合 决 策决 策决 策决 策 控 制 信 号 图 11 智能完井示意图 在油田正式开采阶段油藏动态分析的主要工作有以下几点：掌握油田生产实况并不 断加深对油藏的认识，核实、补充各项基础资料和参数，进一步落实地质储量；分析各 油藏影响最终采收率的因素，落实油藏的可采储量；预测各油藏在不同开采条件下的生 产状况和开发效果，提出进一步提高油藏最终采收率的合理措施11。 智能完井系统对生产状态进行实时监测，为油藏动态分析提供数据资料的同时，能 够及时反映生产决策的效果；减少甚至无需修井作业，在生产过程中实现即时的动态调 整，降低了生产成本；对井下设备在线控制，在生产过程中能够根据井下油藏的变化， 对生产状态进行不断的即时调整，使油田在各个阶段均处于最优的生产状态。井下传感 器在智能完井系统及数据资料采集中的作用非常关键，采集到数据准确性、真实性、可 靠性对生产状态的判断、决策效果的评价、油藏特性的认识起着决定性作用。压力、温 度等参数的测量相对比较成熟，而井下多相流量计还处在进一步的研究阶段，意味着生 产层多相流量的测量成为了井下数据采集系统的瓶颈。 第 1 章 绪论 3 1.31.31.31.3 课题的研究目的课题的研究目的 随着经济增长的需求和石油勘探、钻井与开采技术的进步，水平井、大位移和多分 支井技术出现，生产井数量减少，单井产量大幅度提高；一些储层分布情况复杂，油藏 状况和环境条件恶劣，地处偏远难以管理的油田受到越来越多的关注和重视；同时，技 术条件相对成熟，具备了智能化开采的能力，常规生产管理方式难以开发的油藏也逐步 开始开采。在开采过程中，产状分析和油藏动态管理需要准确的油、气、水的产量信息。 在测量中，测量点离目标层越近，所采集到数据的分辨率和最终价值越大，若要得 到完整、可靠的井下油藏描述和油藏动态分析，必须分别对井下各层产出的油、气进行 计量。井下各层的油、气产量信息对开采方案的制定、油藏的优化管理有着指导性的作 用。使用较多的多相流计量方式采用分离技术，由分离设备对多相流体进行分离，用单 相流量计分别计量各相的产量，这种分离式计量方式精确度很高；同样因为使用了分离 设备，这种计量设备的体积较大，限制了它的使用范围，在海上平台和井下等空间有限 的地方都无法使用。 本课题的研究目的是围绕井下开采层油气产量测量， 有限空间内多相流量测量展开， 对各种多相流量测量方法进行分析比较之后，研究出一种造型小、轻便、维修保养量较 少、节约空间、安全、可靠并能连续计量各油井产量的技术方法。 1.41.41.41.4 国内外研究现状国内外研究现状 目前，多数井下流量计只能测量总流量，在注水井注水作业时用来测量各层的注入 量，在生产井中用来测量各层的产液量；少数在井下应用的多相流量计可以准确计量两 相流的流量，尚未完全解决油、气、水三相流的测量问题。井下多相流量测量技术是智 能完井、数字化油田、智能化油田的关键技术，为分析储层结构、油藏动态分析提供重 要的数据资料，是评价增产措施的重要手段。这就要求井下油、气、水三相流的测量结 果必须要连续、精确、可靠。 美国大约从 1945 年左右采用井下流量计来测量油井分层产量， 早期的研制工作集中 在如埃克森(texax)，美孚(standant)，加里富尼亚(califarnia)，亨勃尔(humble)及丹尼尔 (daniel)等几个大石油公司12。前苏联在这方面的研究工作比美国稍后几年，日本、德国 与罗马尼亚也制成了一些井下流量计，原理与结构与美国和前苏联类似。哈里伯顿 (halliburton)、斯伦贝谢(schlumberger)、阿特拉斯(atlas)等公司在近几年推出了不同原理 及结构的井下流量计，使井下流量测量技术达到一个新水平。下面将几种典型的井下流 量计及其优缺点列入表 11。 西安石油大学硕士学位论文 4 表 11 典型井下流量计 名 称 ()浮子式井下流量计(humble)涡轮式井下流量计()u 型管速头式井下流量计 方 式 定压降浮子旋转涡轮u 型管 集 流 金属伞皮囊式非集流 测 量 原 理 浮子在锥形管内的垂直位移与被 测流量大小有关，浮子位移通过 拉杆带动记录笔尖上下运动，从 而在钟机带动的记录卡上画出各 时间或不同井深处的流量刻痕 线。取出仪器后，测量刻痕的坐 标值即可知道流量的大小。 涡轮转速与被测流量大小成比 例，该转速被电感线圈转换为电 脉冲数，电脉冲信号沿电缆传输 至地面记录仪器，测出脉冲数即 可知晓流量。 在 u 型管的两侧分别装有密度不同的液 体，一侧液体为显影液。当 u 型管长度 一定时，流经 u 型管的水头损失与被测 流体流量大小有关，从而使 u 型管内的 液体高度差与流量大小有关。只要 u 型 管的显影液一侧插入照相用胶片，即可 在胶片上得到与流量大小有关的刻痕。 优 缺 点 用试井钢丝吊挂仪器下井，操作 简便；用液压定时机构打开金属 伞不甚可靠；井内液体进入记录 筒，常使记录卡模糊不清。 地面直读，可以及时获得测量结 果并判断井下仪器的工作状况； 采用脉冲信号，传输精度较高； 需一套微型电机与泵液系统，井 下仪器结构较复杂；可用于注水 井或生产井的井下流量测量；涡 轮系统有被卡、磨损的可能性。 无集流装置，仪器结构简单；适于大流 量的测量；仪器本身未设置扶正器，使 测量结果受井眼变形及仪器居中与否等 影响因素的影响；用井下中标结构打开 u 型管口与井内的连通阀可靠性不高。 名 称 (califarnia)热敏电阻式井下流量 计 (califarnia)扭转叶轮式井下流量 计 ()型井下流量计 方 式 热敏电阻扭转叶轮热电阻 集 流 橡皮环橡皮伞橡皮环 测 量 原 理 流体流速不同将引起周围介质温 度场的变化，热敏电阻对温度敏 感，其电阻值随温度而变化，从 而使井下仪器内的电子振荡器频 率发生变化，测得频率的变化， 即可知道井下流量的大小。 叶轮的扭转角度与被测流量大小 有关，叶轮的转角通过磁耦合使 小轴带动刻度盘产生相应的角位 移，该角位移被定时摄入电子照 相相机，仪器返至地面，冲洗照 相卷即可知流量值。 用螺旋泵循环被测液流，当泵的排量等 于被测流体时，间隙内没有液体流动， 此时起补偿作用的热电阻的阻值将最 高，与此同时，测得泵的转数即可求得 井下流量的大小。 优 缺 点 井下仪器结构简单，使用方便； 流量敏感部分没有运转零件，减 少了仪器在井下迂卡的几率；适 于大流量测量，特别适于气井井 下流量的测量；只能在无油管的 井内测量。 用试井钢丝吊挂仪器，操作方便； 井下电子照相机系成熟技术；流 量测量的准确性与扭力弦 7 及 15 的性能有很大关系；集流装置较 简便，容易制造；可用于注水井 或生产井下流量测量。 由于采用补偿法，可得到比较高的测量 精度；可在注水井或生产井内使用；运 转部件较多，容易在井内迂卡。 这些井下流量计都有各自的特点和长处，适用于生产井和注水井。这些流量计能测 得井筒内流体的总流量，如注水井进行注水作业时，监测各个分采层的注液情况；计量 生产井中各产层产出的总量。若要得到储层结构、油藏特性的准确分析结果，不仅要得 到井下流量信息，而且需要准确测量油、气、水三相流的各相流量。混合流体油、气、 第 1 章 绪论 5 水流量测量属于多相流问题，在多相流流动中，流型多种多样，相速度各不相同，要严 格测知各相流量必须测知其分相含率和分相速度。实际应用中，通常以均相模型处理， 测得分相含率和平均流动速度，计算出各相的流量13。目前国内外先进、可靠、实用的 三相流测量方法，都是流量及分相含率测量技术进行组合，采用组合式方法进行多项参 数检测。运用近现代技术进行不干扰流动的流量测量的主要方法有辐射技术、相关法、 光学法、声学法、热学法、电学法、电磁法、核磁共振法、新型示踪法等1314。很多研 究机构和公司推出了基于新技术的地面多相流量计，表 12 列出了国内外具有代表性 的几种多相流量计采用的测量技术及其评价。 表 12 多相流量计 多相流量计名称采用的测试技术评价 fluenta公司的mpfm1900vi 文丘里管、伽玛密度计、电容 传感器、电导传感器 含有节流元件、 同位素， 影响产量及测量， 同时使用过程中存在安全问题。 mfi 公司的 lp 型多相流量 计 微波技术、密度计、相关技术微波体积较大，不适用小空间。 framo 公司的 mpfm 型多相 流量计 射线密度计、文丘里流量计 含有节流元件、同位素，使用过程中存在 安全问题。 agar 公司 mpfmes301 型 多相流量计 文丘里流量计与容积式流量计 相结合，微波技术 仅适用于两相流，存在节流元件 兰州海默 mfm2000-ng 文丘里管、流型调整器、双能 级伽玛源 含有节流元件、同位素，使用过程中存在 安全问题 西交大tfm-500三相流量仪 静态混合器、文丘里管、倒 u 型管、热扩散技术 倒 u 型管结构复杂、体积庞大。 由表 12 可以看出现有多相流量计有以下几点不足： 1) 采用了文丘里管，影响产量； 2) 使用了持续的放射源产生的伽马射线，在调试安装过程中存在安全隐患； 3) 微波技术测量相分率的设备庞大，用于井下有困难； 4) 倒 u 型管体积庞大，无法用于井下。 此外，更为先进的层析成像技术用于三相流测量的研究工作在国内外取得了一些成 果，能够准确判断流体的流型、相含率，但由于其采用的传感器较多，使得设备难以小 型化所以也无法在井下使用。 尽管有诸多方法和设备用于多相流的测量，而能够在井下使用的多相流量测量设备 并不多。目前用于井下的多相流量测量设备有：美国斯伦贝谢公司的 phase watcher 固定 式井下永久实时监测多相流量计和壳牌公司的光纤多相流量计，而国内井下多相流量计 未见有文献报道。 斯伦贝谢公司采用 vx 多相流量测量技术，开发了 phase watcher 固定式井下永久实 时监测多相流量计。图 12 为该流量计的剖面图，包括一个文丘里流量计，装配有绝 西安石油大学硕士学位论文 6 对压力和差压传感器， 并配有单个低强度放射性化学源ba133的双能谱伽马射线探测器， 测量总质量流量以及气、油和水的比率。为了提高 phase watcher 多相流量计在高含气率 油田的测试精度，将多相流量计之前连接了分离单元1516。随后斯伦贝谢公司又和 bp 公司联合开发了长期应用海洋深水井下的多相流量计。在文丘里管的上游，层流十分严 重，但在文丘里管的出口处，流体的混合效果较好，这就为密度测量带来了非常有利的 条件。该流量计于 2000 年开始安装于井下，连续工作了 5 年。研究和试验结果表明， 该 流量计存在的主要问题是：当对油水两相流、油气两相流或气水两相流测量时，其测量 误差为5%，但不适应于三相流的测量。其主要原因是采用了单一的放射性密度测量， 没有采用区分油气水的补偿测量技术。 图 12 固定式井下永久实时监测多相流量计剖面图 17 美国壳牌公司于 2000 年成功研制了世界上第一个井下光纤多相流量计， 并成功安装 在墨西哥湾的 shells mars a-18 井18，图 13 为该流量计的结构及测量流程简图。该 流量计利用 bragg 光栅传感器通过测量声速计算多相流中的相含率，并采用相关法计算 多相流的总流量。该流量计包括压力、温度短节和流量计短节，可实时测量井下温度、 压力、流速及各相含率，是一种非侵入式的、无井下供电、无活动部件的流量计。唯一 需要的是一个渗透式的井头和一条光纤电缆19。现场实验表明，该流量计的测量精度控 制在 5%之内。该流量计测量油、水两相流时能得到理想的测量结果，而间歇流及相对 较高的噪声环境会影响该流量计的效果，使用中存在一定的局限性20。 压 力 和 温 度 声 速 油 水 特 性 含 水 率 体 积 流 速均 质 流 模 型 油 的 流 量 水 的 流 量 流 量流 量流 量流 量 短 节短 节短 节短 节 压 力压 力压 力压 力 温 度温 度温 度温 度 短 节短 节短 节短 节 图 13 井下光纤多相流量计结构及测量流程简图 综上所述，井下多相流量测量技术已经取得了一定的成绩，部分产品已经在油井上 第 1 章 绪论 7 安装使用，获得了理想的使用效果，井下油、气、水产量计量正在逐步变为现实。但在 研制和应用过程中仍然存在一些技术难题，各种井下多相流量计有各自的适用范围，如 要在特定的流量范围或者特定的流型下测量，测量结果才能达到较高的精度，通用性较 差21。井下流量计未来的发展在借鉴地面多相流计量技术的同时，采用新技术，开发出 新的适用于井下的多相流计量设备。新的井下流量测量技术应当解决现有井下流量计存 在的问题，工作安全、可靠，在不影响生产的前提下连续、精确地测量井下任意产状时 的油、气、水的产量。 1.51.51.51.5 本文的研究内容本文的研究内容 多相流的主要参数有：流型、分相含率、流速和流量。实际测量中，通过测量流速 和分相含率，经过计算得到多相流的各相流量。油、气、水三相流测量中，瞬时流量计 量技术成熟且方法多样，有较高的可靠性和准确性，很多新技术在分相含率的测量测量 中得到应用，在诸多分相含率测量技术中双能射线法、微波技术、层析成像技术、核磁 共振技术等有着相对更高的准确性。以上几种技术中微波技术、层析成像技术、核磁共 振技术的测量设备较大，是这些技术没有在井下流量计中应用的一个重要因素；双能 射线法设备较小，但射线来自于放射源，放射源会持续发出射线，设备在安装调试过 程中有诸多不便，而且放射源的存在会给生产带来一定的安全隐患，该技术没有得到广 泛的支持。 本文以双能 x 射线法相分率测量技术为基础，以测量油、气、水三相流的分相含率 为目的，对双能 x 射线法三相流分相含率测量技术进行了研究，并研制出了一套试验样 机，包括 x 射线发生器原理样机和射线探测装置原理样机。 本文的研究内容包括以下几个部分： 1) x 射线三相流测量理论与模型 研究了 x 射线衰减规律，同时研究了 x 射线法三相流相含率测量的原理和模型， 双 能 x 射线的确定及相含率测量系统的实现方法。 2) x 射线发生系统研究 根据 x 射线的产生机理， 研究了 x 射线发生系统的硬件电路， 并对其中的部分电路 进行了仿真分析，设计、调试完成的电路有：灯丝供电电路、高压电源电路。 3) 探测系统研究 研究了探测系统的工作原理，分析了其后端的各部分处理电路的原理和功能，设计 并实现了 x 射线探测系统。 4) 试验技术研究 研究三相流相含率测量的室内试验方法，提高测量精度的相关试验技术，分析测量 误差及测量有效性的考核办法。 西安石油大学硕士学位论文 8 第 2 章x 射线法相含率测量原理及系统设计 射线检测技术在工业测量中已有广泛应用，射线法是多相流相测量的一个重要研究 方向，并且已取得了一定的成果，如射线层析成像，双能射线相含率测量等。本章从 x 射线特性出发，以油、气、水三相流为研究对象，进行相含率测量技术研究，分析 x 射线与物质的相互作用机理，提出双能 x 射线法相含率测量的原理及实现方法。 2.12.12.12.1 x x x x 射线的衰减射线的衰减 x 射线是一种波长范围在 0.0110之间、能量极大的电磁波，具有波粒二象性。 可 见光波长较长，光子能量很小，照射到物体上时一部分被反射，大部分被物质吸收，不 能透过物体；而 x 射线波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部 分从原子间隙透过，表现出很强的穿透能力。 x 射线穿透能力与光子的能量有关： 光子能量为e=h，h为常量，所以能量仅与频率有关，而=c/即频率与波长成反 比。得到光子能量e与射线波长的表达式： e=hc/(21) 式(21)中h、c均为常量，射线能量与波长成反比，即波长越短频率和光子能量e 越大，穿透能力越强。 x 射线的穿透能力还与被照射物质的原子序数或物质密度有关：密度大的物质，对 x 射线的吸收强；密度小的物质刚好相反，对 x 射线的吸收弱。 2.1.12.1.12.1.12.1.1 x x x x 射线的几种衰减方式射线的几种衰减方式 x 射线的衰减方式主要有三种：光电效应、康普顿效应和电子对效应。下面对这三 种效应分别进行介绍。 a. 光电效应 入射光子的能量大于电子的结合能时，光子与原子相碰撞时把全部能量交给一个轨 道电子，使它脱离原子轨道成为光电子，光子本身整个被吸收，这一效应称为光电效应 23，光电效应原理示意图如图 21。 光 电 子 入 射 光 子 原 子 图 21 光电效应示意图 第 2 章 x 射线法相含率测量原理及系统 9 能量为h的 x 射线通过介质发生光电效应的概率可用(22)式表示 2 7 )( 5 hnz(22) n 表示单位体积原子数； z 表示原子序数。 从式(22)中可以看出光电效应的发生和介质原子序数密切相关，原子序数越大，发 生光电效应的概率越高越明显，射线衰减越明显。根据这一特点，在需要探测或屏蔽 x 射线时，都利用高原子序数的材料。从(22)式中还能看出光子的能量过大，发生光电效 应的概率反而变小，射线的衰减反而不明显了。一般在 2mev 以上，发生光电效应的几 率就很小了24。 b. 康普顿效应 x 射线光子能量增加后，光电效应逐渐减弱，康普顿散射成为 x 射线光子能量损失 的主要方式。 入射光子和原子中的一个电子发生弹性碰撞， 光子以散射角偏离它原来的 方向，一部分能量随着碰撞传递给电子，反冲电子偏离光子原来运动方向角开始运动， 康普顿散射情况如图 22。当射线能量较低时，散射角大，能够达到 90以上，射线 散射角随着入射光子能量的增加而减小，散射角大于 90的几率很小22。 入 射 光 子 反 冲 电 子 原 子 散射光子 图 22 康普顿散射示意图 x 射线通过介质发生康普顿散射的几率与光子能量h及介质原子序数 z 有关，当 hmc2(mc2=0.51mev)时： ) 12 (ln 2 zmc h h nz + (23) 由式(23)康普顿散射发生在束缚能较低的电子与光子之间，x 射线光子能量减弱 时，康普顿散射效应上升；介质原子序数及密度大时，康普顿散射增加21。 c. 电子对效应 当 x 射线光子从原子核旁经过， 在原子核库伦力的作用下， 光子转化为正负电子对， 图 23 为电子对效应示意图。根据能量守恒，形成电子对效应的光子能量要大于所形 成的电子对的静止能量(1.02mev)21,22。 式(24)为 x 射线光子发生电子对效应的概率的表达式 )2( 22 mchnz(24) 由式(24)可以看出，产生电