CN110243912A - 一种钻井液在线离子传感器及离子浓度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钻井液在线离子传感器，包含：保护外壳；复合电极传感器，设置在保护外壳内，包含固定安装在该复合电极传感器其中一端端部的离子敏感膜电极和参比电极，分别测量并输出各自在钻井液中的电极电动势；变送器，通过第一信号引出线与离子敏感膜电极连接，通过第二信号引出线与参比电极连接，采集并测量得到第一信号引出线与第二信号引出线之间的电压差值。本发明还涉及一种钻井液离子浓度测量方法，采用钻井液在线离子传感器实现。本发明结构简单，性能稳定，安装方便，成本低廉，使用寿命长，实现在钻井现场对上返钻井液中离子浓度的长时间连续在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种可长期稳定工作的钻井液离子在线测量方法，具体是指一种用于钻井现场的钻井液在线离子传感器及离子浓度测量方法。
背景技术
泥浆中离子浓度的变化既可表征泥浆性能，又能反映出地层流体的浸入情况。因此，对泥浆中离子浓度的在线测量可以为现场工程决策、地层评价提供决定性数据。
目前，钻井现场对于泥浆中离子浓度的测量方法，仍然停留在通过泥浆工程师取样后进行氯离子浓度的滴定测量方法，需要人工操作，测量时间较长，无法快速且连续的进行在线测量。
另外，尽管有研究成果已经提出在现场可通过使用离子色谱进行阴、阳离子浓度的测量，但由于离子色谱仪对操作人员的要求很高、设备价格昂贵、耗材费用高、并无法达到环保要求，实际上并不适于钻井现场的使用。
因此，现有技术中，实现钻井现场的在线连续分析泥浆离子浓度，仍然存在较大难度。基于上述，本发明提出一种用于钻井现场的钻井液在线离子传感器及离子浓度测量方法，有效解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种钻井液在线离子传感器及离子浓度测量方法，结构简单，性能稳定，安装方便，成本低廉，使用寿命长，实现在钻井现场对上返钻井液中离子浓度的长时间连续在线测量。
为实现上述目的，本发明提供一种钻井液在线离子传感器，包含：保护外壳；复合电极传感器，设置在保护外壳内，包含固定安装在该复合电极传感器其中一端端部的离子敏感膜电极和参比电极，分别测量并输出各自在钻井液中的电极电动势；变送器，通过第一信号引出线与离子敏感膜电极连接，通过第二信号引出线与参比电极连接，采集并测量得到第一信号引出线与第二信号引出线之间的电压差值。
所述的变送器将测量到的电压差值通过有线或无线方式传输至录井仪。
所述的保护外壳上与复合电极传感器的一端端部靠近的位置处设置有滤网，过滤钻井液中的岩屑颗粒。
所述的参比电极采用铂电极。
所述的离子敏感膜电极采用氯离子选择性电极，通过测量氯离子选择性电极在钻井液中的电极电动势，得到钻井液中的氯离子浓度。
所述的氯离子选择性电极采用氯化银和硫化银材料压制成膜制成。
所述的离子敏感膜电极采用硫离子选择性电极，通过测量硫离子选择性电极在钻井液中的电极电动势，得到钻井液中的硫离子浓度。
所述的硫离子选择性电极采用银-硫化银材料压制成膜制成。
所述的钻井液在线离子传感器设置在位于振动筛之后的钻井液流路中。
本发明还提供一种用于钻井现场的钻井液离子浓度测量方法，采用上述的钻井液在线离子传感器实现，包含以下步骤：
S1、将所述的钻井液在线离子传感器设置在位于振动筛之后的钻井液流路中；
S2、参比电极通过第二信号引出线输出其在钻井液中的电极电动势；其中，该参比电极的电极电动势为已知常量；
S3、离子敏感膜电极通过第一信号引出线输出其在钻井液中的电极电动势；该离子敏感膜电极的电极电动势仅与钻井液中对应的离子浓度相关；
S4、变送器测量第一信号引出线与第二信号引出线之间的电压差值，并传输至录井仪；
S5、录井仪根据测量得到的电压差值计算得到与该离子敏感膜电极相关的钻井液离子浓度。
综上所述，本发明所述的钻井液在线离子传感器及离子浓度测量方法，结构简单，性能稳定，成本低廉，便于安装和维护，适合大范围推广应用；适用于油气勘探现场，通过对传感器安装位置的合理设置，实现长时间在油气勘探现场的钻井液体系中进行在线离子浓度测量，使用寿命得到很大提升，使低成本的钻井液离子浓度的在线监测成为可能。
附图说明
图1为本发明中的钻井液在线离子传感器的结构示意图；
图2为本发明中的钻井液在线离子传感器的测量标定结果值及拟合曲线的示意图；
图3为本发明中的使用钻井液在线离子传感器进行钻井液离子测量的方法示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图3，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，为本发明提供的用于钻井现场的钻井液在线离子传感器，包含：保护外壳13；复合电极传感器11，设置在保护外壳13内，包含固定安装在该复合电极传感器11其中一端端部的离子敏感膜电极111和参比电极112，分别测量并输出各自在钻井液中的电极电动势；变送器(图中未示)，通过第一信号引出线14与离子敏感膜电极111连接，通过第二信号引出线15与参比电极112连接，采集并测量得到第一信号引出线14与第二信号引出线15之间的电压差值。
在本发明的优选实施例中，所述的变送器将测量到的电压差值通过有线或无线方式传输至录井仪，作为钻井液离子浓度的在线监测指标。
在本发明的优选实施例中，所述的保护外壳13上与复合电极传感器11的一端端部靠近的位置处设置有滤网131，可有效过滤钻井液中的岩屑颗粒，避免复合电极传感器11受到钻井液中大颗粒物质的直接冲刷腐蚀，从而提高其使用寿命。
在本发明的优选实施例中，所述的变送器采用防爆变送器，以符合钻井现场的安全要求。
在本发明的优选实施例中，所述的参比电极112采用在钻井液环境中性质和电位稳定的电极，优选的，该参比电极112采用铂电极。
在本发明的优选实施例中，所述的离子敏感膜电极111采用氯离子选择性电极，通过测量氯离子选择性电极在钻井液中的电极电动势，最终得到钻井液中的氯离子浓度。
进一步，所述的氯离子选择性电极采用氯化银和硫化银材料压制成膜制成。
当然，在本发明的其他优选实施例中，可通过采用其他离子选择性电极作为离子敏感膜电极111，从而测量得到钻井液中的其他离子浓度。例如，本发明中可通过采用Ag-Ag2S材料压制成膜制成的硫离子选择性电极作为离子敏感膜电极111，从而测量得到钻井液中的硫离子浓度。
在本发明的优选实施例中，所述的第一信号引出线14通过焊接与离子敏感膜电极111连接，且由复合电极传感器11的另一端穿出并连接至变送器；同样的，所述的第二信号引出线15通过焊接与参比电极112连接，且由复合电极传感器11的另一端穿出并连接至变送器。
在本发明的优选实施例中，所述的钻井液在线离子传感器还包含引出线保护外壳12，设置在位于复合电极传感器11和变送器之间的第一信号引出线14以及第二信号引出线15的外部，以防止线路遭损坏断路。
一般情况下，在录井过程中，通常考虑将各类测量装置(包括钻井液在线离子传感器)设置在钻井液返出高架槽4之后的缓冲罐或缓冲槽3内(如图3所示)，这样有助于得到钻井过程中上返钻井液的第一手相关信息资料，特别是钻井液中所携带的地层气体样品。但是由于上返钻井液中会夹带大量地层破碎的岩屑颗粒，从而会严重影响各类测量装置(包括钻井液在线离子传感器)的使用寿命，一般不会超过1天。
基于此，如图3所示，本发明中将钻井液在线离子传感器1设置在位于振动筛2之后的钻井液流路中。由于钻井液中的离子成分与其所携带的气体并不相同，其不容易受外界环境的影响，当钻井液经过振动筛2过滤除砂之后，其中的离子浓度并不会发生变化。因此，将钻井液在线离子传感器1设置在位于振动筛2之后的钻井液流路中，能够有效避免钻井液中混杂的岩屑颗粒、泥砂等对钻井液在线离子传感器1的冲刷腐蚀，保证其正常使用，且极大延长其使用寿命。
本发明还提供一种用于钻井现场的钻井液离子浓度测量方法，采用上述的钻井液在线离子传感器实现，包含以下步骤：
S1、将所述的钻井液在线离子传感器设置在位于振动筛2之后的钻井液流路中；
S2、参比电极112通过第二信号引出线15输出其在钻井液中的电极电动势；
其中，所述的参比电极112为在钻井液环境中性质和电位稳定的电极，即该参比电极112的电极电动势为已知常量，其值由具体所采用的参比电极种类决定；
S3、离子敏感膜电极111通过第一信号引出线14输出其在钻井液中的电极电动势；
其中，所述的离子敏感膜电极111的电极电动势仅与钻井液中对应的离子浓度相关；
S4、变送器测量第一信号引出线14与第二信号引出线15之间的电压差值，并传输至录井仪；
S5、录井仪根据测量得到的电压差值计算得到与该离子敏感膜电极111相关的钻井液离子浓度。
以下，通过利用本发明中的钻井液在线离子传感器测量氯离子浓度的具体实施例，进一步说明本发明的技术方案和技术效果。
在本实施例中，所述的离子敏感膜电极111采用氯离子选择性电极，由氯化银和硫化银材料压制成膜制成。所述的参比电极112采用铂电极。最终需要通过测量并计算得到的是其中氯离子的浓度。
根据氯离子的电极电动势公式，具体为：
其中，E表示第一信号引出线14与第二信号引出线15之间的电压差值，即钻井液在线离子传感器的测量输出值；
φPt表示铂电极的电极电动势，因其在钻井液环境中性质和电位相对稳定，可认为φPt为常量；
表示氯离子选择性电极的电极电动势，其中：
表示Ag+/Ag(银离子)的标准电极电动势，其为常量；
R表示摩尔气体常数；T表示温度(标准温标)；n表示摩尔系数；F表示法拉第常数；表示氯离子活度系数；Kap表示溶度积；该些参数均为可查常量；
表示钻井液中的氯离子浓度，为最终需要通过测量计算得到的参数；
由于的计算值非常小，约为-0.002，因此，氯离子选择性电极的电极电动势可近似表示为且其中的参数R、T、n、F均为常量，因此，氯离子选择性电极的电极电动势仅与氯离子浓度相关；
根据上述，氯离子的电极电动势公式可近似为：
其中，根据上述，其中，φPt、R、T、n、F均为常量，因此，根据本发明中钻井液在线离子传感器的输出值E(氯离子选择性电极与参比电极之间的电压差值)，即可计算得到钻井液中的氯离子浓度
如图2所示，为本发明中的钻井液在线离子传感器的测量标定结果值及拟合曲线的示意图。其中，拟合曲线y＝a-b×ln(x+c)中的y等于上述公式中的E，x等于上述公式中的a等于上述公式中的其为常量-157.6559，b等于上述公式中的在300K时为常量-20.02484，c值为0。
根据上述，在本发明的其他优选实施例中，显而易见也可以对钻井液中的其他离子浓度进行测量计算，仅需采用对应的离子敏感膜电极即可。
综上所述，本发明所述的钻井液在线离子传感器及离子浓度测量方法，结构简单，性能稳定，成本低廉，便于安装和维护，适合大范围推广应用；适用于油气勘探现场，通过对传感器安装位置的合理设置，实现长时间在油气勘探现场的钻井液体系中进行在线离子浓度测量，使用寿命得到很大提升，使低成本的钻井液离子浓度的在线监测成为可能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种钻井液在线离子传感器，其特征在于，用于钻井现场，包含：
保护外壳；
复合电极传感器，设置在保护外壳内，包含固定安装在该复合电极传感器其中一端端部的离子敏感膜电极和参比电极，分别测量并输出各自在钻井液中的电极电动势；
变送器，通过第一信号引出线与离子敏感膜电极连接，通过第二信号引出线与参比电极连接，采集并测量得到第一信号引出线与第二信号引出线之间的电压差值。
2.如权利要求1所述的钻井液在线离子传感器，其特征在于，所述的变送器将测量到的电压差值通过有线或无线方式传输至录井仪。
3.如权利要求1所述的钻井液在线离子传感器，其特征在于，所述的保护外壳上与复合电极传感器的一端端部靠近的位置处设置有滤网，过滤钻井液中的岩屑颗粒。
4.如权利要求1所述的钻井液在线离子传感器，其特征在于，所述的参比电极采用铂电极。
5.如权利要求1所述的钻井液在线离子传感器，其特征在于，所述的离子敏感膜电极采用氯离子选择性电极，通过测量氯离子选择性电极在钻井液中的电极电动势，得到钻井液中的氯离子浓度。
6.如权利要求5所述的钻井液在线离子传感器，其特征在于，所述的氯离子选择性电极采用氯化银和硫化银材料压制成膜制成。
7.如权利要求1所述的钻井液在线离子传感器，其特征在于，所述的离子敏感膜电极采用硫离子选择性电极，通过测量硫离子选择性电极在钻井液中的电极电动势，得到钻井液中的硫离子浓度。
8.如权利要求7所述的钻井液在线离子传感器，其特征在于，所述的硫离子选择性电极采用银-硫化银材料压制成膜制成。
9.如权利要求1所述的钻井液在线离子传感器，其特征在于，该钻井液在线离子传感器设置在位于振动筛之后的钻井液流路中。
10.一种钻井液离子浓度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～9中任一项所述的钻井液在线离子传感器实现，包含以下步骤：
S1、将所述的钻井液在线离子传感器设置在位于振动筛之后的钻井液流路中；
S2、参比电极通过第二信号引出线输出其在钻井液中的电极电动势；其中，该参比电极的电极电动势为已知常量；
S3、离子敏感膜电极通过第一信号引出线输出其在钻井液中的电极电动势；该离子敏感膜电极的电极电动势仅与钻井液中对应的离子浓度相关；
S4、变送器测量第一信号引出线与第二信号引出线之间的电压差值，并传输至录井仪；
S5、录井仪根据测量得到的电压差值计算得到与该离子敏感膜电极相关的钻井液离子浓度。
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