Определение состава нефтеводогазовой смеси методом ядерного магнитного резонанса Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

5. Силинь А. Р., Трухин А. Н. Точечные дефекты и элементарные возбуждения в кристаллическом и стеклообразном SiO2. Рига: Зинатне, 1985. 244 с.

6. Bai G. F., Wang Y Q., Ma Z. C., Zong W. H., Qin G. G. Electroluminescence from Au/native silicon oxide layer/pC-Si and Au/native silicon oxide layer/nC-Si structures under reverse biases // J. Phys.: Condens. Matter. 1998. Vol. 10. P. 717—721.

7. Lin C. F., Liu C. W., Chen M.-J., Lee M. H., Lin I. C. Infrared electroluminescence from metal-oxide— semiconductor structures on silicon // J. Phys.: Condens. Matter. 2000. Vol. 12. Р. 205—210.

8. Павлова В. Т. Оптика тонких пленок и технология их нанесения. Минск: БПИ, 1990.

9. Технология тонких пленок: Справочник / Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Т. 1. М.: Сов. радио, 1977. 664 с.

Альберт Матвеевич Скворцов Светлана Сергеевна Дышловенко Максим Викторович Погумирский Фам Куанг Тунг Владимир Иванович Соколов

Рекомендована кафедрой проектирования компьютерных систем

Сведения об авторах Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: a-skvortsov@yandex.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: puushistaya@mail.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: max33-05@mail.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: quang_tung@yahoo.com Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, E-mail: V.Sokolov@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 20.02.07 г.

УДК 543.422.25

А. И. Жерновой

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА НЕФТЕВОДОГАЗОВОЙ СМЕСИ МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Представлен метод определения состава нефтеводогазовой смеси методом ядерного магнитного резонанса, основанный на различии значений ядерной магнитной восприимчивости и времени продольной магнитной релаксации компонентов. Используется инверсия ядерной намагниченности п-импульсом, амплитуда сигнала свободной индукции измеряется в момент времени, когда намагниченность одного из жидких компонентов или всей смеси равна нулю.

Ключевые слова: ядерный магнитный резонанс, нефтеводогазовая смесь, состав, измерение.

Для оптимизации процесса добычи нефти требуется контроль соотношения нефти, воды и попутного газа непосредственно в промысловой скважине. Для этой цели можно использовать метод ядерного магнитного резонанса. Участок трубопровода, в котором находится исследуемая смесь, помещается в приемную катушку датчика сигнала свободной индукции (ССИ), расположенную в магнитном поле. Амплитуда ССИ смеси с относительными объемными концентрациями жидких компонентов (нефти и воды), равными Сн и Св, может быть рассчитана по следующей формуле:

А = Сн Ан + Св Ав, (1)

где Ан и Ав — амплитуды ССИ при Сн = 1 и Св = 1, т.е. при заполнении датчика только одним компонентом.

Определение состава нефтеводогазовой смеси методом ядерного магнитного резонанса 85

Если в некоторый момент времени с помощью п-импульса произвести инверсию ядерной намагниченности в приемной катушке, то через время I после этого амплитуда ССИ смеси будет

ДО = Сн Ан (1 - 2е" ^ ) + Св Ав (1 - 2е" ¿Тв ), (2)

где Тн, Тв — время продольной релаксации компонентов.

Из выражения (2) видно, что в моменты времени t1 = Тн1п2 и = Тв1п2 амплитуда ССИ определяется концентрацией только одного компонента:

— при I = t1

Л&) = СвАв (1 - 2е-^Тв ), (3)

— при t = t2

А&) = Сн Ан (1 - 2е- ^ ) . (4)

Кроме того, в некоторый промежуточный между t1 и ^ момент времени когда выполняется условие

Сн Ан (1 - 2е" ЫТн ) = Св Ав (2е" ¿0/Тв -1), (5)

амплитуда ССИ А(^) = 0.

Первый способ определения состава смеси состоит в измерении амплитуд ССИ А до п-импульса и А(^) в момент времени t1. Концентрации жидких компонентов определяются по следующим из (3) и (1) выражениям:

Л(^)

Св =■

(

Тн

С = А Св Ав

(6)

- 2е в )

Объемную концентрацию газа можно рассчитать по следующему выражению:

Сг = 1 - Св - Сн. (7)

Второй способ состоит в измерении амплитуд ССИ А(^) в момент времени t1 и А(^) — в момент времени Значения концентрации Св и Сг определяются по формулам (6) и (7), а концентрация Сн по следующему из (4) выражению

А^2)

Сн =■

(

Тв Ь2

(8)

Ан 11 - 2е н )

Третий способ определения состава смеси заключается в измерении амплитуды ССИ А до подачи п-импульса и определении момента времени когда сигнал ССИ меняет знак. Концентрация Сг определяется по формуле (7), а концентрация Св и Сн по следующим из (5) и (1) выражениям:

Сн =

АХ

Св =

А(1 - X)

(9)

где

1 - 2е~г° Тв

X = —,-1-^т • (10)

2 (е~г°Тн - е~г°Тв )

Результаты расчета зависимости (10) параметра Х от интервала времени ^ при Тн = 0,2 с и Тв =1 с по выражению (10) приведены ниже, а также представлены на рисунке.

¿0, с 0,14 0,20 0,25 0,27 0,28 0,30 0,40 0,50 0,69

Х 1 0,70 0,57 0,52 0,50 0,46 0,32 0,19 0

н

Представленный метод позволяет определить состав смеси в стационарном и динамическом режимах. Если смесь движется по трубопроводу с некоторой скоростью V, то инверсия ядерной намагниченности п-импульсом должна производиться не только в приемной катушке, но и на участке трубопровода длиной I перед ней, чтобы в момент регистрации амплитуды ССИ А(Ь) в приемной катушке находилась только жидкость, подвергнувшаяся действию п-импульса. Для этого перед приемной катушкой должна быть установлена дополнительная инвертирующая катушка длиной I > УтахЬ, где Утах — максимальная скорость, а значение Ь зависит от способа измерения.

\ * Значение полученное вторым и

третьим способами — Ь = Тв 1п2 -0,7 с, а первым способом Ь = Тн 1п2 -0,14 с. В случае Утах =3 м/с требуемая длина дополнительной катушки при использовании второго и третьего способов должна быть более 2 м, а при использовании первого способа достаточно 0,4 м. Таким образом, применение второго способа позволяет значительно уменьшить длину катушки I.

В динамическом режиме до входа в дополнительную инвертирующую катушку она должна проходить расположенный в магнитном поле участок трубопровода длиной Ь, достаточной для поляризации жидких компонентов. Во втором и третьем способах измерения требуется полная поляризация обоих компонентов, поэтому должно выполняться условие Ь>3УтахТв (при Утах = 3 м/с Ь > 3 м). Использовать первый способ можно при полной поляризации только одного компонента, поэтому должно удовлетворяться условие Ь>3УтахТн (при Утах = 3 м/с Ь > 1,8 м). Концентрацию Сн и Св в этом случае следует определять по формулам:

Ь

Св =•

Л(^)

Г Г Ь \ Ь 1

Лв 11 -12-е шв, ) е Тв \

С = Л - Св Л и - е

(11)

Для возможности применения формул (11) нужно знать скорость течения смеси У. Ее без усложнения конструкции прибора можно определять методом магнитной отметки, описанным в [1, 2]. В результате помимо определения состава смеси можно будет измерять объемный расход ее компонентов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жерновой А. И. Измерение скоростей компонентов нефтегазовой смеси методом ЯМР // Вестн. ИНЖЭКОНа. Сер. Технические науки. 2005. Вып. 3(8). С. 41—49.

2. Жерновой А. И. Ядерно-магнитный расходомер с отметкой в приемной катушке // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 1. С. 39—43.

Сведения об авторе

Александр Иванович Жерновой — Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет), Б.тай: а7Ь@Ш-§Цт

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

общей физики 21.02.06 г.