Спектральный анализ с использованием спектральной деконволюции

Спектральный анализ с использованием спектральной деконволюции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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: