CN107436310A - 钻井液的x射线分析 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻井液X射线分析。用于对钻井液进行X射线测量的测量头包括具有出口(32)的内管(30)和围绕内管的外管(34)。钻井液被泵送通过出口，来刷新出口处的流体。然后停止泵。然后使用高度传感器(42)来测量在出口(32)处的钻井液的弯液面的高度。然后将包括X射线源(52)和X射线检测器(54)的X射线头(50)移动到出口上方的流体的弯液面上方的可重现位置。高度传感器(42)可以固定到可移动盖(40)、X射线头(50)或测量头的其他部分。

Description

钻井液的X射线分析
技术领域
本发明涉及对于钻井液进行X射线测量的测量头以及使用这种测量头进行的X射线测量的方法。本发明还涉及包括这种测量头的系统。
背景技术
目前越来越需要测量钻井液(也称为钻探泥浆(drilling muds)或钻井泥浆(drill muds))的成分。可能需要测量从钻头返回的流体的含量、携带沉淀物或者替代地测量发送到钻头的流体的含量。
WO 1993/017326中提出了使用X射线荧光分析XRF测量钻井液的方法。然而，该文件并没有提供从钻井液中获得可重现的测量结果的实验细节。
重要的原因是定量X射线荧光分析是一种获得非常高度依赖于X射线源、X射线检测器和样品的准确位置和取向的数据的技术。即使源和样品之间或检测器和样品之间的距离的小的偏差也可能导致X射线荧光信号强度的显着变化。对于固体样品，将源、检测器和样品排列在非常精确得已知和可重现的位置是不太困难的。然而，仍然存在对于实现与流体样品相同的精度的需要。
在US 3,354,308中提出了用于测量浆料(slurry)(或液体)的X射线头。浆料通过内管泵出，内管具有终止于较大的管道中的开口端。膜关闭较大的管道，并且使用X射线源和一对X射线检测器穿过膜进行X射线测量。然而，不能控制浆料的上表面的准确位置，其可以例如随着改变浆料的组成、温度或粘度而变化，并且在一些情况下，膜可能会影响测量结果。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于钻井液的测量头，包括：
具有出口的内管，该出口水平延伸，以允许静止流体在出口处保留的管中用于测量；
围绕内管的外管，用于收集由内管的出口输出的材料；
高度传感器，用于测量在出口处的流体的高度；和
X射线头，包括X射线源和X射线检测器；
其中该X射线头能够在休息位置和测量位置之间移动，其中在测量位置，X射线源和X射线检测器位于出口上方的一高度处，该高度根据由高度传感器测量的在出口处的流体的高度来确定。
对于普通的浆料，如果浆料的流动停止，则浆料的固体颗粒快速地分离。因此，不可能停止浆料的流动并进行测量。然而，本发明人已经认识到，钻井液是通常具有触变(thixotropic)特性的高度粘稠的材料，因此具有与常规浆料不同的特性，使得可以停止钻井液的流动，以进行测量。
当流体停止时，出口处将有一个弯液面。弯液面的高度可以随着钻井液的性质而略有不同。通过提供具有用于测量出口处的流体高度的高度传感器的测量头，可以精确地和可重现地将出口上方的X射线头对准到弯液面上方的精确距离处，以进行精确的测量。
通过使用可移动X射线头，也可以在测量过程中将X射线源和X射线检测器靠近出口，并在流体流动期间将它们移开。
因此，测量头可以提供钻井液的精确X射线测量。
测量头可以包括盖，该盖能够在覆盖出口以将由出口输出的流体引导到外管中的第一位置与至少一个另外的位置之间移动。
通过提供可移动盖，不需要通过封闭外管的X射线可透过膜进行测量。相反，当钻井液流过内管时，可移动盖可以覆盖出口，并且在流动停止之后，可以移除盖以进行测量。应当理解，膜必须薄并且由X射线可透过材料制成，使得使用可移动盖有助于提高可靠性的更坚固的测量头。
在一种方法中，高度传感器可以是安装到盖的激光高度传感器，其中盖可以在所述第一位置、第二位置和第三位置之间移动，在第二位置处，激光高度传感器在出口上方以测量在出口处的材料的高度，在第三位置处，盖和激光高度传感器都不在出口的上方。
以这种方式，可以利用在第二位置的盖精确地测量出口中的钻井液的弯液面的高度，并且该信息用于精确对准测量头。
特别地，X射线头能够在盖处于第三位置处的状态下沿着垂直方向移动，使得通过使用激光高度传感器的测量结果，X射线头能够移动到出口中的材料上方具有固定高度的位置。
在替代方案中，高度传感器可以安装到X射线头。盖能够在所述第一位置和其中盖与出口间隔开的第二位置之间移动。X射线头能够在盖处于第二位置处的状态下沿着垂直方向移动，使得通过使用激光高度传感器的测量结果，X射线头能够移动到出口中的材料上方具有固定高度的位置
高度传感器可以是具有光源和光检测器的光束遮挡传感器，该光源将光束引导到光检测器上；其中X射线头向下移动直到入射到光检测器上的光束被打断。这种高度传感器相对便宜，但是仍然可以实现在出口中的流体上方的X射线头的高度的非常精确的再现性。
高度传感器还可以包括用于捕获在出口处的流体高度的图像的照相机。
另一方面，本发明还涉及一种测量系统，其具有如上所述的测量头，以及设置成控制X射线头和高度传感器的运动的控制装置。控制装置可以是定制控制器和/或布置成在通用计算机上运行的计算机软件的形式。
另一方面，本发明涉及一种用于钻井液测量头的操作方法，包括：
将钻井液泵送通过内管，通过出口离开并从外管中移除钻井液；
停止泵送，从而在出口处留下钻井液的弯液面；
使用高度传感器来测量弯液面的高度；
使用所测量的高度来对准X射线头；和
使用X射线头来进行X射线测量。。
通过停止泵送，提供钻井液的固定弯液面。然后可以使用高度传感器来相对于静止弯液面非常精确地定位X射线头，以实现精确的X射线测量。
X射线测量可以具体是X射线荧光测量。
该方法还可以包括在泵送钻井液的步骤期间用可移动盖在出口上方覆盖外管；和在使用高度传感器、对准X射线头和进行X射线荧光测量的步骤之前移动可移动盖。以这种方式，可以移除停止钻井液从外管排出的所必需的盖，以使X射线头靠近并在出口处的弯液面的正上方，以进行精确测量。
高度传感器可以是安装到盖的激光高度传感器，其中在泵送钻井液的步骤期间，可移动盖处于第一位置。该方法可以包括：
在测量出口处的材料的高度的步骤期间，将盖移动到第二位置，在第二位置处，激光高度传感器在出口上方；和
在对准X射线头以及进行X射线荧光测量的步骤期间，将盖移动到第三位置，在第三位置处，盖和激光高度传感器都不在出口的上方。
该方法还可以包括在盖处于第三位置的状态下，通过使用来自激光高度传感器的测量结果将X射线头在垂直方向上移动到在出口中的材料上方的固定高度的位置。
高度传感器可以安装到X射线头。使用高度传感器以及对准X射线头的步骤是通过以下方式来同时进行的：通过使用来自激光高度传感器的测量结果沿着垂直方向移动X射线头，直到X射线头到达具有在出口中的材料上方固定高度的位置。
高度传感器可以是具有光源和光检测器的光束遮挡传感器，光源将光束引导到光检测器上。该方法可以包括向下移动X射线头直到入射到光检测器上的光束被打断。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的例子，其中：
图1是测量系统的示意图；
图2是图1的测量系统在泵模式下的测量头的示意图；
图3是图1的测量系统在高度测量模式下的测量头的示意图；
图4是图1的测量系统在XRF测量模式下的测量头的示意图；
图5是处于测量模式下的替代测量头的示意图；
附图是示意性的并且不按比例。
具体实施方式
图1示出了具有用于测量钻井液(也称为钻井泥浆)的测量头(20)和控制系统(22)的测量系统(10)。由控制系统(22)控制的泵(24)被连接，以将钻井流体泵送到测量头。
参考图2至图4，测量头(20)具有用于连接到泵(24)的内管(30)。内管具有出口(32)以提供钻井液的平坦表面，以用于测量。特别地，出口可以是水平出口，使得在使用中，内管中的流体可以取决于在内管中的出口处的水平弯液面，以用于测量。
在出口周围设置外管(34)，该外管提供用于钻探流体的出口。
可移动盖(40)具有多个位置。在图1至图4所示的实施例中，盖具有三个位置，即，泵位置(图2)、高度测量位置(图3)和X射线荧光分析XRF测量位置(图4)。激光高度传感器(42)固定到盖子上：在高度测量位置(图3)中，激光高度传感器(42)在出口(32)正上方。
X射线头(50)包括X射线源(52)和X射线传感器(54)。X射线头(50)具有两个位置，即，缩回位置(图2和图3)和盖完全缩回且X射线头(50)在出口(32)的正上方的XRF测量位置(图4)。
在使用中，在泵模式(图2)中，钻井液被连续泵送通过内管(30)并从出口(32)离开。钻井液撞击盖(40)并落回到外管(34)。然后，钻井液被馈送回钻井过程中。在该模式中，系统不进行任何测量，而是简单地连续刷新测量系统(10)内的钻井液。
为了进行测量，在高度测量模式(图3)中，泵停止。保留在内管中的材料在出口(32)处形成弯液面。盖(40)移动，使得激光高度传感器(42)在出口的正上方。激光高度传感器测量弯液面的准确高度，并将信息反馈回控制系统(22)。
然后，盖子完全缩回以进入XRF测量模式(图4)。控制系统(22)将X射线头(50)降低到具有在弯液面的测量高度上方的准确已知距离的位置。X射线源产生入射在出口(32)内的钻井液样品上的X射线，并检测钻井液中材料所产生的荧光特性。
以这种方式，可以将X射线头与弯液面的顶部在固定的短距离处精确地对准。精确对准对于XRF测量的可重现性非常重要——即使在不同测量结果之间X射线头与弯液面之间的距离上的小偏差也可能导致严重的测量误差，从而使定量的XRF变得不可能。
通常，X射线头将被对准在弯液面上方约1毫米处，例如0.2毫米至3毫米处，但如果需要，可以选择不同的准确高度。重要的一点是高度是准确地可重现的，用于精确的和可重现的XRF测量。
发明人已经意识到钻井液的性质使得该方法成为可能。对于典型的浆料，需要在浆料运动的同时进行XRF测量，因为浆料开始非常快速地分离。这又使得难以将测量头与浆料精确地对准，因为浆料正在运动的事实意味着浆料的准确位置将必然不固定。相比之下，与测量弯液面高度并进行XRF测量的时间相比，钻井液可以缓慢地分离，因此可以在显着小于钻井液分离的时间内停止泵、测量静止弯液面的高度、定位X射线头并进行XRF测量。
在图5所示的替代实施例中，采用不同的激光高度测量系统。在这种情况下，激光高度测量系统被固定到X射线头(50)而不是盖(40)。激光高度测量系统包括发射指向光电管检测器(62)的激光束(64)的激光源(60)。通常，来自激光源(60)的光束(64)入射到光电管检测器(62)上，但是会检测到材料中断光束的情况。传感器(60、62)、盖(40)和附加部件连接到控制器(22)——为了清楚，这些连接(通常是电的)在图5中未示出。
在使用中，泵模式如上述图2的实施例中那样工作。在高度测量模式中，盖(40)完全缩回，然后控制系统(22)使X射线头(50)向下朝向出口(32)上的弯液面降低，直到弯液面(或出口)中断由光电池检测器(54)检测的激光束。X射线头的运动立即停止，使X射线头位于弯液面上方的精确且可重现的位置。
此时，XRF测量模式开始，X射线头用于进行测量。
替换地或另外地，可以提供照相机(70)以捕获出口上的弯液面的图像。在图5的实施例中，这是附加的照相机，但是在替代布置中，照相机(70)可以单独用作高度传感器，其中处理器(22)布置有高度计算软件，以从图像计算弯液面的高度。照相机位置可以适于允许这样的测量，例如通过将照相机以以下方向固定在X射线头：该方向使得在X射线头处于测量位置的状态下，相机被定位成从侧面拍摄弯液面的图像。
本领域技术人员将认识到可替代实现方式是可能的。
虽然上述描述集中于XRF测量，但是该系统也可以应用于X射线衍射分析。这在钻井液中存在小的结晶颗粒时特别有用。
虽然以上描述集中于钻井液，但是该设备和方法也可以用于具有相似特性的其它流体材料，特别是液体-固体混合物，例如，在长分离时间使停止流体泵送来进行测量变为可能的情况下的浆料。
可以使用各种不同类型的高度传感器，其可以被按照方便固定到盖子、X射线头或者替换地相对于外部管道固定。
可以使用任何方便的X射线源和检测器——准确的选择可以取决于应用。

Claims (15)

1.一种用于钻井液的测量头，包括：
具有出口的内管，该出口水平延伸，以允许静止流体在出口处保留的管中用于测量；
围绕内管的外管，用于收集由内管的出口输出的材料；
高度传感器，用于测量在出口处的流体的高度；和
X射线头，包括X射线源和X射线检测器；
其中该X射线头能够在休息位置和测量位置之间移动，其中在测量位置，X射线源和X射线检测器位于出口上方的一高度处，该高度根据由高度传感器测量的在出口处的流体的高度来确定。
2.根据权利要求1所述的测量头，
还包括盖，该盖能够在覆盖出口以将由出口输出的流体引导到外管中的第一位置与至少一个另外的位置之间移动。
3.根据权利要求2所述的测量头，其中高度传感器是安装到盖的激光高度传感器，
其中盖可以在所述第一位置、第二位置和第三位置之间移动，
在第二位置处，激光高度传感器在出口上方以测量在出口处的材料的高度，
在第三位置处，盖和激光高度传感器都不在出口的上方。
4.根据权利要求3所述的测量头，其中X射线头能够在盖处于第三位置处的状态下沿着垂直方向移动，使得通过使用激光高度传感器的测量结果，X射线头能够移动到出口中的材料上方具有固定高度的位置。
5.根据权利要求1或2所述的测量头，其中高度传感器安装到X射线头；
其中盖能够在所述第一位置和其中盖与出口间隔开的第二位置之间移动；和
X射线头能够在盖处于第二位置处的状态下沿着垂直方向移动，使得通过使用激光高度传感器的测量结果，X射线头能够移动到出口中的材料上方具有固定高度的位置。
6.根据权利要求5所述的测量头，其中高度传感器是具有光源和光检测器的光束遮挡传感器，该光源将光束引导到光检测器上；
其中X射线头被布置成向下移动直到入射到光检测器上的光束被打断。
7.根据权利要求1或2所述的测量头，其中高度传感器包括用于捕获在水平输出处的流体的高度的图像的照相机。
8.一种测量系统，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的测量头；和
设置成控制X射线头和高度传感器的运动的控制装置。
9.一种用于钻井液的测量头的操作方法，包括：
将钻井液泵送通过内管，通过出口离开并从外管中移除钻井液；
停止泵送，从而在出口处留下钻井液的弯液面；
使用高度传感器来测量弯液面的高度；
使用所测量的高度来对准X射线头；和
使用X射线头来进行X射线测量。
10.根据权利要求9所述的操作方法，还包括：
在泵送钻井液的步骤期间用可移动盖在出口上方覆盖外管；和
在使用高度传感器、对准X射线头和进行X射线荧光测量的步骤之前移动可移动盖。
11.根据权利要求10所述的操作方法，其中高度传感器是安装到盖的激光高度传感器，其中可移动盖在泵送钻井液的步骤期间处于第一位置，所述方法还包括：
在测量出口处的材料的高度的步骤期间，将盖移动到第二位置，在第二位置处，激光高度传感器在出口上方；和
在对准X射线头和进行X射线荧光测量的步骤期间，将盖移动到第三位置，在第三位置处，盖和激光高度传感器都不在出口的上方。
12.根据权利要求11所述的操作方法，还包括在盖处于第三位置的状态下，通过使用来自激光高度传感器的测量结果将X射线头在垂直方向上移动到在出口中的材料上方的固定高度的位置。
13.根据权利要求10所述的操作方法，其中高度传感器被安装到X射线头；
其中使用高度传感器以及对准X射线头的步骤是通过以下方式来同时进行的：通过使用来自激光高度传感器的测量结果沿着垂直方向移动X射线头，直到X射线头到达具有在出口中的材料上方固定高度的位置。
14.根据权利要求13所述的操作方法，其中高度传感器是具有光源和光检测器的光束遮挡传感器，该光源将光束引导到光检测器上；
该方法包括向下移动X射线头直到入射到光检测器上的光束被打断。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的操作方法，其中X射线测量是X射线荧光测量。
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