CN102884423A - X射线荧光分析器 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量样品液体的性质的x射线荧光仪器，所述仪器包括具有入口和出口的外壳；安置在外壳中的测试室，所述测试室包括与入口流体连通的注入口；安置在测试室中的载物片，所述载物片包括样品仓；和测试口；安置在外壳中的x射线荧光光谱仪，以及与测试室的载物片可操作性耦接的至少一个电机。而且，一种测试液体的方法，所述方法包括通过测试室的注入口将液体注入载物片的样品仓中；将载物片在测试室中横向移动至中间位置；将载物片在测试室中横向移动至测试位置；以及在载物片处于测试位置中时启动x射线荧光光谱仪以便对样品仓中的液体进行取样。

Description

X射线荧光分析器
技术领域
本文公开的实施方案涉及用于测定钻井液性质的x射线荧光分析器。更具体地说，本文公开的实施方案涉及用于实时测定钻井位置处的钻井液性质的x射线荧光分析器。更具体地说，本文公开的实施方案涉及包括自动和远程控制的用于测定钻井液性质的方法和系统。
背景技术
井筒钻井液在石油和天然气的钻井过程中发挥许多功能。主要功能包括控制地下压力、把钻头产生的“切屑”运输至地表，以及在钻头穿透地壳的时候对钻头进行冷却和润滑。大部分切屑在地表通过不同类型的固体去除设备加以去除，但是像粘土和页岩这样的较小地层碎块不可避免地以“低重力”固体形式并入到钻井液中。这些低重力固体通常是不合需要的，因为它们可能造成过高的粘度，并且可能不利地影响钻井液的化学处理，该化学处理可使钻井液满足其它重要功能。低重力固体还与被有意地添加来增加钻井液的密度的高重力固体有区别。
液体密度，或者每单位体积的质量，控制地下压力并且通过增加钻井液施加于井下地层表面上的压力来提高钻孔的稳定性。钻孔中的液体柱施加与钻孔的实际垂直深度和液体的密度成比例的静水压力。因此，通过维持钻井液的适当密度来确保维持适量的静水压力，可使钻孔稳定并且防止地层液体不当流入。
存在控制钻孔液体密度的若干种方法。一种方法将呈盐水溶液形式的溶解盐例如氯化钠和氯化钙添加至钻井液中。另一种方法涉及添加惰性的、高比重的颗粒至钻井液中以便形成密度得以增加的混悬液。这些惰性的高密度颗粒通常被称为“增重剂”并且通常包括重晶石、方解石或赤铁矿的颗粒矿物。
虽然维持钻井液的密度是非常重要的，但是其它因素也影响特定钻井液在某些钻井操作中的有效性。这些其它因素可能包括钻井液的粘度和组成，以及液体冷却和润滑钻头的能力。为了测定对于指定钻井操作的最有效的钻井液，必须测量从井下返回的钻井液的化学和物理性质。
目前，测定钻井液的液体和固体含量的标准方法是进行蒸馏器(retort)分析。在蒸馏器分析中，将钻井液样品在足够的温度下加热以便使包括水、石油或合成物的所含液体蒸发。使液体冷凝，然后可直接在刻度量筒中测量特定体积。石油和合成物具有比水低的比重，并且在测量容器中自然分离。然后可将液体的总体积从起始钻井体积中减去，以便测定总固体含量。然后在钻井液的总组成情况下，应用合适的数学函数来估算高重力和低重力固体的分数。
由于需要加热，当前的蒸馏器惯例已知具有潜在的危险性，并且会发生不准确和不一致的情况。此外，除了通过总比重进行一般分类之外，蒸馏器方法并未提供对不同固体组份进行表征和区分的方法。
因此，存在对于测定钻井液性质的自动化方法的需要。
发明内容
在一方面，本文公开的实施方案涉及用于测量样品液体的性质的x射线荧光仪器，所述仪器包括具有入口和出口的外壳；安置在外壳中的测试室，所述测试室包括与入口流体连通的注入口；安置在测试室中的载物片，所述载物片包括样品仓；和测试口；安置在外壳中的x射线荧光光谱仪，以及与测试室的载物片可操作性耦接的至少一个电机。
在另一方面，本文公开的实施方案涉及测试液体的方法，所述方法包括通过测试室的注入口将液体注入载物片的样品仓中；将载物片在测试室中横向移动至中间位置；将载物片在测试室中横向移动至测试位置；以及在载物片处于测试位置中时启动x射线荧光光谱仪以便对样品仓中的液体进行取样。
本方明的其它方面和优势通过以下描述和附加权利要求书而变得显而易知。
附图说明
图1是根据本公开的实施方案的XRF液体分析器的示意图。
图1A和1B是根据本公开的实施方案的止回阀的横截面视图。
图1C是根据本公开的实施方案的止回阀的分解图。
图2A-C是根据本公开的实施方案的XRF分析器的测试室的横截面视图。
图3A-C是根据本公开的实施方案的XRF分析器的测试室的横截面视图。
图4是根据本公开的实施方案的计算机系统的示意图。
具体实施方式
本文公开的实施方案涉及用于测定钻井液性质的x射线荧光分析器。更具体地说，本文公开的实施方案涉及用于实时测定钻井位置处的钻井液性质的x射线荧光分析器。更具体地说，本文公开的实施方案涉及包括自动和远程控制的用于测定钻井液性质的方法和系统。
本文公开的实施方案还涉及使对基于逆乳化油和基于合成物的液体(即，钻井液和/或完井液)和/或水基液体的性质的测量自动化的方法和仪器。虽然本文中的公开可能涉及钻井液，但是本领域普通技术人员认识到其它类型的液体(例如，完井液)也可以使用本文公开的方法和仪器来测试。
根据本公开的实施方案，可以使用x射线光谱仪来测定样品钻井液的内容物。举例来说，可以通过高能x射线和γ射线来激发样品，从而导致发射二级荧光x射线。然后可以对二级x射线进行分析以便测定样品钻井液的化学组成。测试的结果然后可以被传送到本地存储器或者传送到远程设施以便进行处理。本领域普通技术人员认识到也可以使用其它仪表来进一步分析钻井液样品。
根据本公开的实施方案的x射线光谱仪(“XRF”)可以用来检测具有低至大约26.98的原子量的元素，例如铝。除了铝之外，还可以评估像硅、氯、钾、钙、溴、锶、钡等的元素。XRF测量的结果可随后与存在于钻井液中的元素的浓度线性相关联。因此，XRF分析可以用于替代传统的滴定测试。代替使用通过间接测量进行计算，通过钡分析来进行高重力固体的测量也是可能的。另外，铝和硅浓度的测量也可以用于通过砂石和粘土含量的趋势分析所进行的地层评估。本领域普通技术人员认识到以下描述的XRF和自动化XRF方法通常可用于改善钻井液测量并且提高钻井效率。
参看图1，示出了根据本公开的实施方案的具有XRF 435的液体分析器的示意图。在这个实施方案中，液体流被引导从有源(active)钻井系统流动管线400穿过一个或多个阀门405，例如止回阀、电磁阀或两者，并且进入测试室410。在其它实施方案中，可以单独使用或除了电磁阀和止回阀之外还使用各种控制阀。在测试室410内部，载物片(图2的450)被安置并构造成在一个或多个方向上移动，从而使得可从有源液体系统中获取钻井液样品。一个或多个电机415、420和425可以用于控制载物片或测试室410的方位。如所示出，电机415被构造成在测试室410中横向移动载物片。然而，在其它实施方案中，电机415可以用于在多于一个方向上移动载物片。液体分析器还包括与XRF 435流体连通的氦气储罐430,从而可在分析中使用氦气。为了控制氦气从氦气储罐430到XRF 435的流动,电磁阀440可以通过微处理器445或PLC来加以可操作性地控制。
简要地参看图1A和1B，示出了根据本公开的实施方案的替代性阀门405。在图1A中，示出了止回阀405。止回阀405包括柱塞71、阀体73和包括弹性体材料77的柱塞总成75。在测试的填充阶段(图3A)，在低压条件期间，液体沿着路径A流动，从而将柱塞71移至开放位置并且使液体流入电稳定性仪表。在高压条件期间，例如在回流期间，液体在方向B(图3B)上流动，导致柱塞71关闭和封闭止回阀405。这种单向止回阀可能不太容易由于具有高度粘性或含有颗粒物质的液体或浆液而发生故障。简要地参看图1C，示出了阀门405的分解图。如所示出，止回阀405包括阀体73、具有弹性体材料77的柱塞总成75、和柱塞导管79。弹性体材料77被构造成抵靠在阀体73的密封表面81上进行密封，并且被构造成保持限制于柱塞导管79中。
再次参看图1，液体分析器还可以包括与测试室410流体连通的清洗液储罐455。在清洗循环期间，液体，例如基础油、水或含有例如表面活性剂的化学品的其它液体可以从清洗液储罐455被传送到测试室410。清洗液的流动可以通过例如电磁阀460的阀门来控制。除了清洗液外，液体分析器可以包括空气系统465，该空气系统被构造成将空气供应至测试室410或液体分析器的另一个组件。空气的流动也可以通过例如电磁阀470的阀门来控制。在测试完成后，样品液体可以通过废物排水管475从测试室410中被排干，并且返回到有源钻井系统流动管线400中。样品液体排空可以通过使用泵480、来自空气系统465的空气来促进，或者在新的液体被吸入测试室410中时被从测试室410中推出。液体分析器还可以包括各种传感器，例如压力传感器485、温度传感器(未示出)，或者用于测定载物片在测试室410中的位置或者液体性质的各种其它传感器。
为了控制液体分析器，所述系统包括微处理器445和本地记忆存储器490，例如硬盘驱动器、闪速存储器或者在本领域中已知的其它类型的存储器。可以通过本地显示器495来显示数据和控制液体分析器。另外，例如调制解调器497的能够与网络连接的装置可以用于使液体分析器远程传输数据以及接收控制信号。本公开的远程控制方面将在下文中详细解释。
现在参看图2A-C，示出了根据本公开实施方案的分别处于填充、中间和测试位置期间的测试室和XRF 435的横截面视图。在填充位置中(图2A)，载物片450处于使得液体可以通过注入口451注入样品仓452的位置之中。在这个实施方案中，样品仓包括使得液体可以流入仓452中的大约25mm的开口。本领域普通技术人员认识到在其它实施方案中，样品仓452可以包括不同大小和/或形状的开口。一个或多个电机(图1的415、420或425)可以用于控制载物片450在测试室410中的方位。举例来说，电机可以使载物片450在测试室410中横向移动。在中间位置中(图2B)，载物片450将包括测试液体的样品仓452移动以便不再与注入口451流体连通。通过移动样品仓452以便不与注入口451流体连通，可以防止液体从测试室410中溅出。因此，中间位置可以使得对样品仓452中的样品规模进行控制。在测试位置中(图2C)，样品仓452与测试口453对准。因为样品仓452未被封闭(封闭测试仓将不利于准确的XRF分析)，所以应该将载物片450移至测试方位中，以便防止测试液体从样品仓452中溅出。在测试位置中，XRF 435可以用于分析钻井液。在填充位置、中间位置和测试位置的所述工序使得可保持样品仓452中的样品的体积。因为中间位置与系统的其余部分隔绝，从而防止系统的注入侧和测试侧同时开启，所以所述工序也防止了液体从样品仓452中溢出。
因为XRF测试对于所测试的样品的位置敏感，所以电机(图1的415、420和425)可以用于确保样品仓452相对于XRF 435的方位在特定限度内。通过使用XYZ方位分析，液体分析器可以确保液体样品测试不会因为样品阻塞而失真，并且确保样品不会从样品仓452中溢出。再次简要地参看图1，在电机415控制载物片450的实施方案中，载物片450可以在测试室410中横向移动，以便将样品液体从与注入口451流体连通的状态移至与测试口453对准的方位中。在测试期间，电机420和425可以被构造成改变测试室410或XRF 435任一者的方位，从而使得可以进行单一样品的多次测试。因为XRF和样品之间的焦距对于保持一致和可比较的结果是非常重要的，所以电机415、420和425可以一致运作以便确保样品液体和测试口453之间的距离保持相对恒定。在某些实施方案中，XRF与样品之间的间隙可以在0.5mm与1.0mm之间。取决于XRF的规格，可以增大或减小这一间隙，从而使得可对系统进行定制以便分析特定液体。在某些实施方案中，电机可以用于调整XRF的位置，从而可获得多个样品。在这个实施方案中，XRF可以以实质上圆形的路径移动，从而可以测试样品的不同部分。具体地说，XRF可以在样品的表面上横向地移动，同时维持样品上方的相同高度，从而可在样品表面上获得不同的读数。另外，因为可以获得每个样品的多个读数，所以可以避免错误的读数。举例来说，在某些实施方案中，获取多个读数，并且执行统计平均，或者证明不同读数中的异常。
另外，可以控制测试室410和样品的温度，从而维持液体的恒定体积，并且使得样品与XRF 435之间的距离在不同测试之间保持一致。可以通过将液体导管(未示出)与样品仓452相邻地安置于测试室410中来控制温度。可以使具有已知和受控温度的液体(例如水)穿过液体导管，从而可控制样品液体的温度。控制样品液体可以有助于确保XRF测试在多个样品之间是准确的。通过控制样品相对于XRF 435的位置并且控制温度，测试结果可能更加准确并且提供多个测试结果之间的更好的可比性。
参看图3A-B，示出了根据本公开的实施方案的分别处于填充和测试位置的测试室的横截面视图。在测试过程中，载物片450开始处于填充位置中(图3A)，并且液体电磁阀(未示出)和空气电磁阀(未示出)打开，从而使得液体样品可以从有源钻井液系统注入样品仓452中。当样品仓452具有所需体积的液体时，空气和液体电磁阀关闭，从而停止液体流入测试室410中。然后将载物片450移至测试位置中(图3B)，以使得样品仓452与测试口453对准，并且被构造成使XRF(未示出)运行测试程序。在测试程序之后，将泵(未示出)启动并且打开空气电磁阀，从而冲洗样品仓452中的样品液体。在冲洗样品仓452时，将泵停止，并且将载物片450移回到填充位置。在填充位置与测试位置之间，样品可保持于中间位置中(图3C)。在中间位置中，可以临时地保存样品以便使液体稳定，从而防止溢出。取决于液体的性质，保存时间可以有所不同，举例来说，在某些实施方案中，样品在中间位置保存5秒与10分钟之间，并且在具体实施方案中，样品在测试位置保存大约30秒。
一旦在填充位置中(图3A)，可以通过打开基础电磁阀(未示出)来将基础油清洗剂注入测试室410和样品仓452中。然后将泵重新启动，从而将任何残余的液体和颗粒物质从测试室410中冲洗掉。然后可将载物片451移回至测试位置中(图3B)，并且通过打开空气电磁阀来启动泵以便进一步将残余的液体和/或颗粒物质从测试室410中去除。此时，可以执行随后的液体测试。本领域普通技术人员认识到取决于所测试的液体的类型，填充和测试位置的顺序可以有所不同。举例来说，在某些操作中，可能只需要单一冲洗循环，而在其它操作中，可能需要三个或更多个冲洗循环以便充分地将残余的液体和颗粒物质从测试室410中冲洗掉。
可以在样品仓452上包括额外的组件，例如阀门(未示出)，该阀门可在测试液体时关闭。当此阀门处于关闭位置时，将不允许液体对样品仓452进行排空，从而确保样品体积保持恒定。阀门打开可允许将液体从样品仓452中去除，例如在清洗循环期间。其它组件可包括清洗装置。可用于本公开的实施方案的清洗装置的实例是安置在测试室410上或附近的刮水器(未示出)。刮水器可以用于清洗注入口451、样品仓452或系统的其它部分。在某些实施方案中，刮水器可以安置在载物片450上，从而使得可清洗测试室410的内部和外部组件。另外，例如气动泵的泵(未示出)可以与样品仓452流体连通。该泵可以用于在填充和清洗循环中将液体吸入样品仓452中或从样品仓452中吸出。
在XRF测试期间，可以将单一样品测试多次。举例来说，一旦处于测试位置中，可以通过启动一个或多个电机来将XRF 435相对于测试室410进行移动，从而使XRF的焦点相对于样品仓452移位。因为所测试的样品液体的部分相对于通过样品仓452所暴露的样品的总表面积来说较小，所以可以执行不包括重叠样品部分的多个测试。在其它实施方案中，XRF 435可以保持于恒定位置中，并且测试室410可以相对于XRF 435移动，从而提供执行多个测试的另一种方式。在其它实施方案中，可以使用一个或多个电机，以便将载物片450相对于测试室410和/或XRF 435进行移动。在这个实施方案中，测试室410和XRF可以保持稳定，而只有移动载物片410可以移动。
XRF分析器可以与以上描述的各种其它测试仪器组合，从而使得单一液体分析器具有粘度计、电稳定性监测器和XRF监测器。在这种构造中，XRF可以安置于粘度计或电稳定性监测器之前或之后，以及处于可同时进行独立测试的构造中。
本公开的实施方案实际上可以在任何类型的计算机上实施，不管使用哪一种平台。举例来说，如图4中所示出，计算机系统700包括一个或多个处理器701、相关的存储器702(例如随机存取存储器(RAM)、高速缓冲存储器、闪速存储器等)、存储装置703(例如硬盘、如致密盘驱动器或数字视频光盘(DVD)驱动器的光盘驱动器、闪速存储棒等)，和当今计算机所特有的许多其它元件和功能件(未示出)。在本公开的一个或多个实施方案中，处理器701是硬件。举例来说，处理器可以是集成电路。计算机系统700还可以包括输入构件，例如键盘704、鼠标705或麦克风(未示出)。另外，计算机系统700可以包括输出构件，例如监视器706(例如液晶显示器(LCD)、等离子体显示器或者阴极射线管(CRT)监视器)。计算机系统700可以通过网络接口连接(未示出)而连接至网络708(例如局域网(LAN)、如互联网的广域网(WAN)或者任何其它类型的网络)。本领域技术人员认识到存在许多不同类型的计算机系统，并且上述输入和输出部件可以采用其它形式。一般来说，计算机系统700至少包括用于实施本公开的实施方案所必需的最低限度的处理、输入和/或输出构件。
另外，本领域技术人员认识到上述计算机系统700的一个或多个部件可以位于远程位置上并且通过网络连接至其它部件。另外，本公开的实施方案可以在具有多个节点的分布式系统上实施，其中本公开的各个部分(例如钻机位置处的本地装置或者远程控制设施)可以位于分布式系统内的不同节点上。在本发明的一个实施方案中，节点对应于计算机系统。或者，节点可以对应于具有相关联的物理存储器的处理器。或者，节点可以对应于具有共享存储器和/或资源的处理器或者处理器的微芯片。另外，呈用于执行本发明的实施方案的计算机可读程序代码形式的软件指令可以临时或永久地存储在计算机可读介质上，例如致密盘(CD)、磁盘、磁带、存储器或者任何其它计算机可读存储装置。
所述计算装置包括用于执行被配置成实行各种功能的应用程序和软件指令的处理器701，和用于存储软件指令和应用数据的存储器702。用于执行本发明实施方案的软件指令可以存储在任何有形的计算机可读介质上，例如致密盘(CD)、磁盘、磁带、如跳跃驱动器或闪速存储器驱动器的存储棒，或者可以通过计算装置的处理器701读取和执行的任何其它计算机或机器可读存储装置。存储器702可以是闪速存储器、硬盘驱动器(HDD)、永久存储器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、任何其它类型的合适存储空间或者其任何组合。
计算机系统700通常与使用计算机系统700的使用者/操作者相关联。举例来说，使用者可以是个体、公司、组织、个体群体或者另一个计算装置。在本发明的一个或多个实施方案中，使用者是钻井工程师，他/她使用计算机系统700来远程访问位于钻井机具处的液体分析器。
有利地，本公开的实施方案可以在钻井操作期间提供钻井液的XRF分析。因为所述系统可以连接至计算机网络，所以XRF分析的更新结果可以以实时或者近实时的方式提供给钻井工程师。同样有利地，本公开的实施方案可以提供XRF分析器，该分析器对一个液体样品进行多次测试，从而为钻井工程师提供钻井液性质的更准确的评估。另外，本文公开的方法和系统可以提供完全自动化钻井液分析系统，该系统可在钻井期间对液体进行连续取样，从而可按需要对液体进行调整。
同样有利地，与传统测试相比，根据本公开的方法可以对更大数量的数据执行并且分析，从而可以改善测试数据的质量和准确性。通过从单点分析改变为通过使用多个数据点所进行的趋势分析，可以进一步增加所产生的数据的准确性。另外，根据本公开的方法可以有利地对钻井液组份进行定性和定量测定，从而可对所产生的数据进行改善，并且使钻井变得更加具有效率。
虽然已经参照有限数量的实施方案对本发明进行了描述，但是本领域技术人员鉴于本公开将认识到可以设计出其它实施方案而不背离本文所公开的本发明的范围。因此，本发明的范围应该仅由附加权利要求书来限制。

Claims (21)

1.一种用于测量样品液体的性质的x射线荧光仪器，所述仪器包括：
具有入口和出口的外壳；
安置在所述外壳中的测试室，所述测试室包括：
与所述入口流体连通的注入口；
安置在所述测试室中的载物片，所述载物片包括样品仓；和
测试口；
安置在所述外壳中的x射线荧光光谱仪，以及
与所述测试室的载物片可操作性耦接的至少一个电机。
2.如权利要求1所述的仪器，其中所述至少一个电机被构造成将所述载物片在所述测试室中横向地移动。
3.如权利要求1所述的仪器，其进一步包括：
至少一个第二电机，所述第二电机被构造成移动所述测试室和所述x射线荧光光谱仪中的至少一个。
4.如权利要求3所述的仪器，其进一步包括：
至少一个第三电机，所述第三电机被构造成移动所述测试室和所述x射线荧光光谱仪中的至少一个。
5.如权利要求1所述的仪器，其进一步包括与所述测试室流体连通的清洗液储罐。
6.如权利要求1所述的仪器，其进一步包括与所述测试室流体连通的空气源。
7.如权利要求1所述的仪器，其中所述测试室进一步包括：
安置在所述测试室中的液体导管。
8.如权利要求1所述的仪器，其进一步包括与所述样品仓流体连通的泵。
9.如权利要求1所述的仪器，其进一步包括安置在所述测试室上并且被构造成接触所述注入口的刮水器。
10.如权利要求1所述的仪器，其进一步包括与所述x射线荧光光谱仪和所述至少一个电机可操作性耦接的微处理器。
11.如权利要求1所述的仪器，其进一步包括至少一个控制阀和至少一个止回阀。
12.一种测试液体的方法，所述方法包括：
将液体通过测试室的注入口注入载物片的样品仓中；
将所述载物片在所述测试室中横向地移动至中间位置；
将所述载物片在所述测试室中横向地移动至测试位置；以及
在所述载物片处于所述测试位置中时启动x射线荧光光谱仪以便对所述样品仓中的所述液体进行取样。
13.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
将所述液体从所述样品仓中去除。
14.如权利要求13所述的方法，其进一步包括：
将所述载物片从所述测试位置横向地移动至所述填充位置。
15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括：
将基础液体通过所述注入口注入所述样品仓中。
16.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
将所述测试室相对于所述x射线荧光光谱仪移动。
17.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
将所述x射线荧光光谱仪相对于所述测试室移动。
18.如权利要求17所述的方法，其进一步包括：
将所述测试室相对于所述x射线荧光光谱仪移动。
19.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
调节所述样品仓中的所述液体的温度。
20.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
用刮水器清洗所述注入口。
21.如权利要求12所述的方法，其中所述启动x射线荧光光谱仪以便对所述液体进行取样包括多次测试。
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