[发明专利]微波空腔传感器

说明书

一种传感器包括：电介质波导管，用于引导微波信号；以及电介质反射器，位于所述电介质波导管的一端，用于引起越过所述电介质反射器外表面的感应场的形成。

技术领域

本发明涉及一种微波空腔传感器。具体地，本发明的微波空腔传感器特别地用于多相混合物的成分的检测、腐蚀的测量以及电介质材料的化学过程的确定。当本发明的微波空腔传感器被使用与电子顺磁共振(EPR)和核磁共振(NMR)结合时，如下文所述。

背景技术

在石油和天然气工业中，管道(pipe)与管道形成的监控需要进行大量的测量以控制或阻止腐蚀及规模的发展或当流体必须在管线(pipeline)中被进行长距离运输时管理与监控流体。在管道中流动的石油与水以及可能的天然气的流体的混合物的独立组分的组成和流量需要被监控。需要这些测量确定油井中存在的成分，也可帮助控制石油的萃取以及使石油的萃取最大化。

用于测量独立组分的组成和流量的常规技术需要对具有每种流体成分的流进行单独的测量。可选地，在之前没有进行分离的条件下，多相仪表可以被使于测量组成和流量。这些仪表测量石油、水以及天然气(可能也需要石油与天然气的温度、压力、密度以及水的含盐量作为输入参数以作补偿用途)的流速与相对比例。在近海处的采油树生产系统中多相仪表的可用空间被限制。因此，需要紧凑的多相仪表。

具体地，在石油和天然气产业中，腐蚀检测是另一个重大的难题。酸性物质、碱性溶液剂以及气体的侵蚀性影响会导致金属腐蚀。塑料腐蚀被引起是由于扑捉杂质粒子、紫外光以及热量。这两者的腐蚀机理可以被以微波或电磁波谱中的高频部分操作的优化的传感探头监控、检测以及测试。

在石油和天然气管线中，用于腐蚀检测与监控的最广泛使用技术是抗电阻性(ER)监控与失重取样(weight loss coupons)。这些方法检测金属损耗。但它们不能检测油漆材料与防护涂层材料的变质以及导致腐蚀开始的条件。诸如超声波测量技术、辐射成像测量技术、热成像测量技术以及涡电流测量技术的非破坏性测试(NDT)技术对腐蚀预测不够灵敏。此外，油漆、底层涂料以及腐蚀产物是典型的电介质(绝缘的)材料。因此，这些方法不适合用于检测与评估油漆与底层涂料薄层下的腐蚀层的特性。

金属腐蚀是一个复杂的问题，并且其对工商业设备的影响是极大的，因为它威胁到大批资产的安全性与完整性。通过对腐蚀的早期检测更好地预测绝缘层下的腐蚀发展情况是需要的。用于检测铝面板油漆与底层涂料下的腐蚀的近场微波非破坏性检测技术的最近成果表明了使用微波信号的潜在优势。例如，美国专利US 7,190,177描述了用于检测油漆与复合材料下的生锈的微波传感器。根据对反射信号相移的测量，该传感器可以对材料腐蚀成像。该传感器也可以根据脉冲的传输时间确定疏松材料的疏松程度。然而，该传感器不能检测电介质或材料的特性，同样也不能检测这些特性的变化。

为了模拟地层油，需要测量诸如多孔性、渗透性以及流体饱和度的构造岩石特性。直到最近，才知道地核样品是渗透性的唯一来源。另外，从地层中收集的数据获得起来稀少且昂贵。核磁共振(NMR)数据对于收集渗透性与多孔性数据而言是宝贵的工具。例如，美国专利US 4,785,245描述了一种被石油工业使用以确定原地流体岩石的渗透性与多孔性的NMR测井工具。具体地，对于渗透性的确定而言，NMR比其它的测井方法更好，因为NMR信号的缓和(relaxation)时间(T1到T2)可以被使用以提供关于孔径大小分布的信息。NMR也提供对岩石中氢基总数的测量。

其它的研究表明另一种磁共振技术-电子顺磁共振(EPR)能根据原油中的有机自由基产生可检测的信号，但是不能根据水或天然气产生可检测的信号。这些EPR信号的幅度与岩石里的油量成比例。因此，应该可直接测量流体岩石的含油量或原油混合物的含油量。当EPR与NMR一起被使用时，由此这种方法能够分别检测岩石(以及可能的天然气)中水与石油的含量。