射线型原油含水分析仪.doc

射线型原油含水分析仪是基于油、水介质对γ射线的吸收不同，通过检测γ射线穿过油、水混合物后的透射强度，实现对原油含水率的在线测量的。
工作原理
当一定能量的γ射线穿过一定厚度的某一介质时，其衰减后强度满足指数衰减规律[2][3][4]，即

式中N0——γ光子源强度；
N——衰减后的强度；
X——射线穿过某物质的厚度；
μ——─某物质对γ射线的吸收系数，它与物质的密度有关。
当射线穿过含有两种物质的混合介质时，则上式可表示为：

式中μ1——原油对γ射线的吸收系数；
1
2
3
4
θ
μ2——水对γ射线的吸收系数；
η——原油含水率（体积比）。
上式经整理可得：

式中的a、b是常数。
当我们测得透射强度N时，根据上式就很容易得到两种物质的体积比η。然而，在油田实际生产中，油井到集输站之间一般是油、气、水三相混合输送的。因此，当射线穿过油、气、水混合物时，由于伴生天然气与水有不同的吸收系数，而油、气、水三种物质的密度有明显的差别，因此上式不能用于含场合。在这种情况下，我们要得到的是油、水体积比η（含水率）和气、液体积比λ（气液比）两个未知数，仅靠一个探测器得到透射强度、通过解上述方程是得不到两个未知数的，必须再有另一个相关方程，通过解方程组才能同时得到含水率和油气比，其解决途径是通过引入散射方法得到的。
具有一定初始强度的γ射线穿过油、气、水混合介质时，另设一个探测器在90º方向测出其散射强度。根据γ射线的散射原理，γ射线与物质作用后在一定角度的散射强度M与物质的密度有关，且可以表示为：

式中k——与γ源强度有关的一个常数；
ρ——被测物质的密度；
h——密度指数常数；
x——源到探测器的距离；
B——与γ源初始能量有关的一个常数；
θ——探测器和源的夹角；
f(θ)——夹角修正值。
因为混合液的密度是和油、气、水三种介质的比例有关，即：

式中ρ1、ρ2、ρ3为分别为油、气、水的密度，通过上述分析可得到下列方程组：
透射：
散射：
式中
A、B─与被测介质有关的常数；
a、b─与介质及散射角有关的常数；
N0、M0─空管道时透射和散射计数；
Nx、Mx─管道内有介质时的透射和散射计数；
λ、η─含气率和含水率。
从上述方程组可得知，只要分别测出Nx、Mx，即可求出含气率λ和含水率η。而方程中的有关常数，对确定的油品而言，只需标定（人工化验）一次即可得到。
结构
射线型原油含气、含水率自动监测仪由测量管道、传感器(一次仪表)和计算机数据获取处理系统(二次仪表)两大部分构成[1],如图所示:

性能
1）、含水率测量范围：1％～100％，测量误差：±0.10％；
2）、含气率测量范围：0～30％，测量精度：0.25％
特点
1、射线型原油含气、含水率自动监测仪，实现了原油含气、含水率在线全流量的测量，消除了由于含气对含水测量带来的误差，克服了其它种类含水仪表由于水包油或油包水等因素造成的测量范围小、非线性误差大以及由于分流取样测量而导致的含水测量代表性差的不足。就在线测量而言，射线型含水仪表的测量精度优于其他种类仪表。
2、该仪表是通过监测同位素射线穿过被测介质后的透射和散射计数实现油气水三组分在线自动测量的，由于射线是与介质的原子发生作用，因而仪表的精度不受原油的流态的影响。又由于该仪表的创新之处在于使用了散射方式，这一新的测量方式将为多相流的在线监测提供了新的方法。
3、非接触式测量方法是该仪表的特点，这将使得仪表避免了原油结垢、结蜡的问题，使一次仪表免维护得到技术上的保证。
4、该仪表监测量程宽、自动化程度高、安装方便、操作简单易学，给现场操作人员带来诸多方便，使油田原油计量水平上了一个台阶。例如：由于微机将分离器的管道压力、含水情况能及时显示出来，并能够对特殊情况作报警，使得分离器操作人员能随时了解分离器的工作状态，这对于分离器的平稳运行十分重要，不仅使原油分离效果好，而且还大大减轻了分离器操作工和化验工的劳动强度。
5、该仪表是低剂量同位素工业仪表，对γ射线采用了严密的辐射屏蔽，没有任何计剂量的泄漏，仪表周围任意距离的γ剂量大大低于国家安全剂量标准。此外，仪表采用了防爆措施，防爆等级为dⅡBT4，保证环境和工作人员的绝对安全。
6、生产射线型含水仪表系统的厂家--兰州科庆仪器仪表有限责任公司，对仪表的维护为终身服务，这对仪表精确、稳定的运行无疑是重要的保障。
参考文献:
[1]兰州科庆仪器仪表有限责任公司培训教材
[2]徐克尊,《粒子探测技术》，上海:科技出版社，1981年
[3]戴光曦,《实验原子核物理学》，北京：原子能出版社，1995年
[4]中国大百科全书《物理学1》，中国大百科全书出版社，1987年
[5]魏宝文，《原子核物理实验方法》，北京：原子能出版社，1990年