CN104569111A - 钻井液离子浓度在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井液离子浓度在线测量装置及方法。其技术方案是，以常规离子选择电极法测量法为基础，新增搅拌系统、恒温系统以及改进了电极测量系统的部分元件。新增搅拌系统包括：底座、支架、调节旋钮、电机控制器、密封塞和搅拌棒。新增恒温系统包括：恒温水浴箱、温度控制开关、温度显示仪和温度控制旋钮。电极测量系统包括：带有进口管和出口管同时具有开口的测量容器、测量电极以及新增的密封塞。该装置的使用方法为：打开恒温装置、搅拌系统和数据处理系统，安装好电极，将测量液体从容器的进口管进入容器中与搅拌棒及电机接触，从出口管流出，从数据处理系统中实时获得测量结果。

Description

钻井液离子浓度在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及石油开发过程中，相关液体中离子含量的测量装置及方法，尤其是一种钻井液离子浓度在线测量装置及方法。

背景技术

钻井过程中，钻井液的在线测量能够及时根据液体中离子的变化判断井下复杂情况，具有重要意义。目前，我们在对钻井液进行离子浓度测量时主要是取其滤液，并对其中的离子等主要采用滴定方法测量检测。滴定法属于手工测量法，操作复杂、耗时长且容易受到人为因素影响。同时滴定法检测的频率低，无法对钻井液的性能的维护提供在线测量，也无法有效预防钻井液性能因为离子含量的变化造成的性能恶化。

离子选择电极法测定离子浓度被广泛应用于环境监测和水质分析以及生物、化工、轻工产业中。该方法简单快速，精度较高。在使用该方法进行钻井液中离子浓度测量时，由于钻井液粘度大，固相多，切力大的特点，离子在钻井液中分散不均匀，造成测量数据的不稳定。如果为了得到稳定数据对钻井液进行长时间搅拌，又会导致空气中的离子被带入到钻井液中，导致测量结果的不准确。

相关专利有专利公开号为CN 101294927A的专利、专利公开号为CN 101393221A的专利和专利公开号为CN 101971014A的专利。以上专利都是基于离子选择电极法测量离子浓度的仪器，都没有温度控制和搅拌控制，且不能实现对流动的流体进行实时测量。《合成技术与应用》于2011年9月（26卷第3期）发表的《钻井液离子含量的仪器分析方法展望》一文中首次展望了离子选择电极法在测量钻井液离子浓度中的应用，但并没有改进相关设备和具体针对现场未处理钻井液进行实际在线测量的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提出一种能够快速、准确地测量流动的钻井液中离子浓度变化的钻井液离子浓度在线测量装置及方法。

其技术方案包括

一种钻井液离子浓度在线测量装置，包括电极测量系统、搅拌系统以及数据处理系统，其中电极测量系统包括容器和测量电极；搅拌系统包括电机和搅拌棒；数据处理系统包括数据处理单元和数据显示单元；测量电极和搅拌棒从容器顶部插入容器内部，测量电极与数据处理单元连接，其特征是装置中还包括恒温系统，恒温系统包括恒温水浴箱、温度显示仪和温度控制器；电极测量系统的容器座落在恒温水浴箱内。

上述方案还包括搅拌系统的电机连同搅拌棒通过底座、支架和调节旋钮吊装在容器的一侧，电机连接有调速控制器。

容器带有进口管和出口管，进口管设在出口管的下方。

容器顶部预制有多个与测量电极插接配合的孔，并且每个孔装有密封塞；搅拌棒的外部装有套筒，套筒与容器接合处设有密封塞。

本发明同时给出了依据上述装置的钻井液离子浓度在线测量方法，其方案是：打开恒温系统、搅拌系统和数据处理系统，安装好电极，将测量液体从容器的进口管进入容器中与搅拌棒及电机接触，从出口管流出，从数据处理系统中实时获得测量结果。

上述方法中恒温系统的温控范围在0-100°C之间，测量电极包括阴离子电极和阳离子电极。

所述的测量电极包括钙离子、氯离子、镁离子、碳酸根离子或硫离子选择电极的一种或几种。

发明的效果：本发明以常规离子选择电极法为基础，新增恒温系统并改进搅拌系统和电极测量系统，解决了由于钻井液中离子分散不均匀，温度变化造成的电极电势不稳定问题。另外，针对在线测量，设计了流体流入流出的循环回路，使得该装置能够测量现场不断流动变化的钻井液中的离子浓度。使该装置及方法进行钻井液离子浓度在线测量的结果准确可靠。能够避免因钻井液分散不均匀造成的实验结果不准、搅拌后空气中离子进入钻井液中造成电势不稳、钻井液温度变化造成的读数不稳等问题。将本实验的结果与钻井液离子浓度的常规测量方法（滴定法）进行对比，获得较好的吻合结果。

附图说明

附图1是一种典型实施例的结构示意图。

图中：底座1、支架2、调节旋钮3、电机（或/和电机控制器）4、搅拌棒5、套筒6、密封塞7、测量电极8、出口管9、进口管10、测量容器（简称容器）11、温度控制开关12和温度控制旋钮13（两部分结合构成温度控制器）、温度显示仪14、恒温水浴箱15、数据处理单元16、数据显示单元17。

具体实施方式

参照附图1，本发明通过如下方式实现：

实施例1：

所述装置由搅拌系统、恒温系统、电极测量系统、以及数据处理系统组成。搅拌装置的具体设置如下，电机和电机控制器4下方连接有搅拌棒5，搅拌棒外有一层套筒6，该套筒6与容器11口的密封塞7紧密连接，使容器密封。搅拌棒5在测量容器11的正上方，并伸入测量容器11中与测试溶液接触，在容器11与搅拌棒5的接口处安装有密封塞7。

另外，本发明还包含用于保持所测液体温度恒定的恒温系统，恒温水浴箱15安装在容器11的正下方，而温度控制开关12、温度显示仪14和温度控制旋钮13则可以如图所示安装在恒温水浴箱的箱体上。

此外，本发明还包含用于测量液体中离子浓度的电极测量系统，如图1所示，带有开口的测量容器11安装在恒温水浴箱15里，测量容器11的材料是玻璃。测量电极8安装在容器11的开口处，该实施例中放入的电极为钙离子选择电极，故测量的是液体中钙离子的浓度。测量电极8与所测溶液充分接触，在电极与容器开口的结合处安装密封塞7，密封塞7能够保持测量容器11完全密封，使得搅拌时外界的空气不会进入到容器11中。本发明中的数据处理单元16和数据显示单元17能够对电极所测结果进行处理并显示最终结果，其连接示意图如图1。

该装置的使用方法为：打开搅拌系统、数据处理系统和恒温装置，将温度调节旋钮调节到测量所需温度3°C，安装好电极，将测量液体装入与搅拌棒及电极接触，待温度恒定后，从数据处理系统中实时获得测量结果。

实施例2：

所述装置由搅拌系统、恒温系统、电极测量系统、以及数据处理系统组成。搅拌装置的具体设置如下，支架2安装在底座1的上方，调节旋钮3安装在支架2的结合处，用于调节支架的高度。电机控制器安装在支架2上，其下方连接有搅拌棒5，搅拌棒外有一层套筒6，该套筒与容器口的密封塞紧密连接，使容器密封。搅拌棒5在测量容器11的正上方，并伸入测量容器11中与测试溶液接触，在容器11与搅拌棒的接口处安装有密封塞7。

另外，本发明还包含用于保持所测液体温度恒定的恒温系统，如图1所示：恒温水浴箱15安装在容器11的正下方，而温度控制开关12、温度显示仪14和温度控制旋钮13则可以如图所示安装在恒温水浴箱的箱体上。

此外，本发明还包含用于测量液体中离子浓度的电极测量系统，如图1所示，带有开口的测量容器11安装在恒温水浴箱15里，测量容器11的材料是陶瓷。测量时，溶液从进口管10进入、从出口管9流出，进口管10在出口管9的下方。测量电极8安装在容器11的开口处，该实施例中，测量容器有三个开口，分别放入搅拌棒、氯离子选择电极和镁离子选择电极，故测量的是液体中氯离子和镁离子的浓度。测量电极8与所测溶液充分接触，在电极与容器开口的结合处安装密封塞7，密封塞7能够保持测量容器11完全密封，使得搅拌时外界的空气不会进入到容器11中。本发明中的数据处理单元16和数据显示单元17能够对电极所测结果进行处理并显示最终结果，其连接示意图如图1。

该装置的使用方法为：打开搅拌系统、数据处理系统和恒温装置，将温度调节旋钮调节到测量所需温度90°C，安装好电极，将测量液体从容器的进口管进入容器中与搅拌棒及电极接触，从出口管流出，待温度恒定后，从数据处理系统中实时获得测量结果。

实施例3：

所述装置由搅拌系统、恒温系统、电极测量系统、以及数据处理系统组成。搅拌装置的具体设置如下，支架2安装在底座1的上方，调节旋钮3安装在支架2的结合处，用于调节支架的高度。电机控制器安装在支架2上，其下方连接有搅拌棒5，搅拌棒外有一层套筒6，该套筒与容器口的密封塞紧密连接，使容器密封。搅拌棒5在测量容器11的正上方，并伸入测量容器11中与测试溶液接触，在容器11与搅拌棒的接口处安装有密封塞7。

另外，本发明还包含用于保持所测液体温度恒定的恒温系统，如图1所示：恒温水浴箱15安装在容器11的正下方，而温度控制开关12、温度显示仪14和温度控制旋钮13则可以如图所示安装在恒温水浴箱的箱体上。

此外，本发明还包含用于测量液体中离子浓度的电极测量系统，如图1所示，带有开口的测量容器11安装在恒温水浴箱15里，测量容器11的材料是塑料。测量时，溶液从进口管10进入、从出口管9流出，进口管10在出口管9的下方。测量电极8安装在容器11的开口处，该实施例中，测量容器有四个开口，分别放入搅拌棒、氯离子选择电极、镁离子选择电极和钙离子选择电极，故测量的是液体中氯离子、镁离子、钙离子的浓度。测量电极8与所测溶液充分接触，在电极与容器开口的结合处安装密封塞7，密封塞7能够保持测量容器11完全密封，使得搅拌时外界的空气不会进入到容器11中。本发明中的数据处理单元16和数据显示单元17能够对电极所测结果进行处理并显示最终结果，其连接示意图如图1。

该装置的使用方法为：打开搅拌系统、数据处理系统和恒温装置，将温度调节旋钮调节到测量所需温度50°C，安装好电极，将测量液体从容器的进口管进入容器中与搅拌棒及电极接触，从出口管流出，待温度恒定后，从数据处理系统中实时获得测量结果。

实施例4：

所述装置由搅拌系统、恒温系统、电极测量系统、以及数据处理系统组成。搅拌装置的具体设置如下，支架2安装在底座1的上方，调节旋钮3安装在支架2的结合处，用于调节支架的高度。电机控制器安装在支架2上，其下方连接有搅拌棒5，搅拌棒外有一层套筒6，该套筒与容器口的密封塞紧密连接，使容器密封。搅拌棒5在测量容器11的正上方，并伸入测量容器11中与测试溶液接触，在容器11与搅拌棒的接口处安装有密封塞7。

另外，本发明还包含本发明还包含用于保持所测液体温度恒定的恒温系统，如图1所示：恒温水浴箱15安装在容器11的正下方，而温度控制开关12、温度显示仪14和温度控制旋钮13是单独安放在水浴箱附近的。

此外，本发明还包含用于测量液体中离子浓度的电极测量系统，如图1所示，带有开口的测量容器11安装在恒温水浴箱15里，测量容器11的材料是不锈钢。测量时，溶液从进口管10进入、从出口管9流出，进口管10在出口管9的下方。测量电极8安装在容器11的开口处，该实施例中，测量容器有五个开口，分别放入搅拌棒、氯离子选择电极、镁离子选择电极、硫离子选择电极和钙离子选择电极，故测量的是液体中氯离子、镁离子、硫离子、钙离子的浓度。测量电极8与所测溶液充分接触，在电极与容器开口的结合处安装密封塞7，密封塞7能够保持测量容器11完全密封，使得搅拌时外界的空气不会进入到容器11中。本发明中的数据处理单元16和数据显示单元17能够对电极所测结果进行处理并显示最终结果，其连接示意图如图1。

该装置的使用方法为：打开搅拌系统、数据处理系统和恒温装置，将温度调节旋钮调节到测量所需温度75°C，安装好电极，将测量液体从容器的进口管进入容器中与搅拌棒及电极接触，从出口管流出，待温度恒定后，从数据处理系统中实时获得测量结果。

实施例5：

所述装置由搅拌系统、恒温系统、电极测量系统、以及数据处理系统组成。搅拌装置的具体设置如下，支架2安装在底座1的上方，调节旋钮3安装在支架2的结合处，用于调节支架的高度。电机控制器安装在支架2上，其下方连接有搅拌棒5，搅拌棒外有一层套筒6，该套筒与容器口的密封塞紧密连接，使容器密封。搅拌棒5在测量容器11的正上方，并伸入测量容器11中与测试溶液接触，在容器11与搅拌棒的接口处安装有密封塞7。

另外，本发明还包含本发明还包含用于保持所测液体温度恒定的恒温系统，如图1所示：恒温水浴箱15安装在容器11的正下方，而温度控制开关12、温度显示仪14和温度控制旋钮13是单独安放在水浴箱附近的。

此外，本发明还包含用于测量液体中离子浓度的电极测量系统，如图1所示，带有开口的测量容器11安装在恒温水浴箱15里，测量容器11的材料是金属。测量时，溶液从进口管10进入、从出口管9流出，进口管10在出口管9的下方。测量电极8安装在容器11的开口处，容器共有6个开口，可同时放入四个电极和一个搅拌棒，该实施例中放入的电极为氯离子选择电极、镁离子选择电极、钙离子选择电极、碳酸根离子选择电极、硫离子选择电极，故可以同时测量液体中的氯离子、镁离子、钙离子、碳酸根离子、硫离子的浓度。测量电极8与所测溶液充分接触，在电极与容器开口的结合处安装密封塞7，密封塞7能够保持测量容器11完全密封，使得搅拌时外界的空气不会进入到容器11中。本发明中的数据处理单元16和数据显示单元17能够对电极所测结果进行处理并显示最终结果，其连接示意图如图1。

该装置的使用方法为：打开搅拌系统、数据处理系统和恒温装置，将温度调节旋钮调节到测量所需温度25°C，安装好电极，将测量液体从容器的进口管进入容器中与搅拌棒及电极接触，从出口管流出，待温度恒定后，从数据处理系统中实时获得测量结果。

实施例6：

所述装置由搅拌系统、恒温系统、电极测量系统、以及数据处理系统组成。搅拌装置的具体设置如下，支架2安装在底座1的上方，调节旋钮3安装在支架2的结合处，用于调节支架的高度。电机控制器安装在支架2上，其下方连接有搅拌棒5，搅拌棒外有一层套筒6，该套筒与容器口的密封塞紧密连接，使容器密封。搅拌棒5在测量容器11的正上方，并伸入测量容器11中与测试溶液接触，在容器11与搅拌棒的接口处安装有密封塞7。

另外，本发明还包含本发明还包含用于保持所测液体温度恒定的恒温系统，如图1所示：恒温水浴箱15安装在容器11的正下方，而温度控制开关12、温度显示仪14和温度控制旋钮13是单独安放在水浴箱附近的。

此外，本发明还包含用于测量液体中离子浓度的电极测量系统，如图1所示，带有开口的测量容器11安装在恒温水浴箱15里，测量容器11的材料是玻璃。测量时，溶液从进口管10进入、从出口管9流出，进口管10在出口管9的下方。测量电极8安装在容器11的开口处，该实施例中放入的电极为氯离子选择电极，故测量的是液体中氯离子的浓度。测量电极8与所测溶液充分接触，在电极与容器开口的结合处安装密封塞7，密封塞7能够保持测量容器11完全密封，使得搅拌时外界的空气不会进入到容器11中。本发明中的数据处理单元16和数据显示单元17能够对电极所测结果进行处理并显示最终结果，其连接示意图如图1。

该装置的使用方法为：打开搅拌系统、数据处理系统和恒温装置，将温度调节旋钮调节到测量所需温度20°C，安装好电极，将测量液体从容器的进口管进入容器中与搅拌棒及电极接触，从出口管流出，待温度恒定后，从数据处理系统中实时获得测量结果。

表1常规离子选择电极装置所测量钻井液中氯离子浓度的结果

表2本发明所测量钻井液中氯离子浓度的结果

表1为用常规氯离子选择电极装置所测量的钻井液中氯离子浓度结果，从表中可以看出，由电位计得到电势的数值很不稳定，电势值变化很大，使得计算得出的钻井液氯离子浓度值也变化较大，与真实值相比得不到准确的结果。

表2为用改进的实验装置和氯离子电极进行钻井液中氯离子浓度的测量结果，从中可以看出，电位计的电势值稳定，且得到的钻井液中氯离子浓度与真实值相比，数据是准确可靠的。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种钻井液离子浓度在线测量装置，包括电极测量系统、搅拌系统以及数据处理系统，其中电极测量系统包括容器和测量电极；搅拌系统包括电机和搅拌棒；数据处理系统包括数据处理单元和数据显示单元；测量电极和搅拌棒从容器顶部插入容器内部，测量电极与数据处理单元连接，其特征是装置中还包括恒温系统，恒温系统包括恒温水浴箱、温度显示仪和温度控制器；电极测量系统的容器座落在恒温水浴箱内。

2.根据权利要求1所述的钻井液离子浓度在线测量装置，其特征是：搅拌系统的电机连同搅拌棒通过底座、支架和调节旋钮吊装在容器的一侧，电机连接有调速控制器。

3.根据权利要求2所述的钻井液离子浓度在线测量装置，其特征是：容器带有进口管和出口管，进口管设在出口管的下方。

4.根据权利要求3所述的钻井液离子浓度在线测量装置，其特征是：容器顶部预制有多个与测量电极插接配合的孔，并且每个孔装有密封塞；搅拌棒的外部套装有套筒，套筒与容器接合处设有密封塞。

5.按照权利要求3或4所述的钻井液离子浓度在线测量装置的钻井液离子浓度在线测量方法，其特征是：打开恒温系统、搅拌系统和数据处理系统，安装好电极，将测量液体从容器的进口管进入容器中与搅拌棒及电机接触，从出口管流出，从数据处理系统中实时获得测量结果。

6.根据权利要求5所述的钻井液离子浓度在线测量方法，其特征是：恒温系统的温控范围在0-100°C之间，测量电极包括阴离子电极和阳离子电极。

7.根据权利要求6所述的钻井液离子浓度在线测量方法，其特征是：所述的测量电极包括钙离子、氯离子、镁离子、碳酸根离子或硫离子选择电极的一种或几种。