CN111065905B - 样品采集系统及其部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从材料流中采集子样品的样品采集系统，该系统包括阀门装置和静态锥形分离器，其中，所述阀门被设置为使得静态锥形分离器能够进行以下操作：在第一和第二操作条件下采集送至所述静态锥形分离器的材料流的无偏样品，所述第一操作条件要求所述材料流处于基本大气压并且以最小功能流量流动，以及第二种操作条件要求材料流被加压到高于大气压，且以高于最小功能流量的流量流动。本发明还涉及一种用于该系统的静态锥形分离器，以及一种用于静态锥形分离器的锥形构件。

Description

样品采集系统及其部件

技术领域

本发明总体上涉及一种用于从材料流中采集样品的样品采集系统。本发明在地质材料样品的采集中有特别的但不是唯一的应用。

背景技术

当在样品间隔内从材料流中采集地质样品时，重要的是样品要真正代表样品间隔，并且不以任何方式(即密度、粒度等)产生偏差。这样，通过以后的测试确定的样品特性可以可靠地与整个间隔相关，从而追回到的实际的原始材料。

由于各种原因，获得材料流的代表性样品可能很困难。例如，粒度和/或密度的变化可能会影响样品采集。此外，上游材料流动力学会影响采样器在采集点实际采集的样品。

迄今已开发了各种不同的样品采集器。这种采集器分为两大类：机械式和静态式。机械取样器包括一个动力机构，该机构周期性地在材料流中移动一个或多个取样孔。该运动可以采用诸如在横流取样器中使用的线性运动，在旋转端口分离器，旋转锥形分离器或Vezin分离器中使用的旋转运动，或振荡运动。相比之下，静态取样器(有时称为固定取样器)有一个静态孔口，该孔口与材料流连续相交。静态取样器的示例包括浅滩分离器、锥形分离器和流槽箱或敛形分离器。

静态分离器通常持续采集一定比例的材料流。但是，由于材料流动特性或混合不良，它们可能受到优先取样或排除具有某些物理特性的材料的影响。因此，静态分离器通常不比机械分离器更受欢迎，后者可以在特定时间间隔内采集材料流的完整横截面。但是，不建议通过机械分离器对悬浮在流动液体中的颗粒材料的材料流进行取样，因为取样机制会干扰流动，从而使样品产生偏差。

在某些情况下，最好连续获取材料流的子样品。当材料在非常短的时间范围内发生的变化是人们关注的特征时(例如，对从连续油管钻探产生的材料进行采样时)可能就是这种情况。然而，同样，该样品不得因取样方法而有偏差。

静态锥形分离器是一种静态分离器，通常用于采集干燥颗粒材料或低浓度液体(即<10％液体)颗粒材料的子样品。但是，近来，在对此类材料进行采样时，更常用旋转锥式分离器和其他变体。

在一般实践中，不建议使用静态锥形分离器对悬浮在流动液体中的液体或颗粒材料(例如，通过连续油管钻井产生的材料流)进行取样。这是由于其内部可能存在扰动或优先流动路径、虹吸、空气夹带，以及它们无法在变化的流速下精确工作。所有这些因素都会使采集的样品产生偏差。

本发明旨在提供一种用于采集材料流的连续子样品的改进的样品采集系统和改进的静态锥形分离器。

本文包括对本发明背景的讨论，以解释本发明的背景。这不应视为承认所提及的任何材料在本申请的优先权日已出版、已知或部分为公知常识。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于从材料流中采集子样品的样品采集系统，所述系统包括阀门装置和静态锥形分离器，其中，所述阀门装置使得所述静态锥形分离器的操作能够在第一和第二操作条件下采集送至所述静态锥形分离器的材料流的无偏样品，所述第一操作条件要求所述材料流处于基本大气压并且以最小功能流量，以及第二种操作条件要求对材料流加压至高于大气压且流量高于最小功能流量。

在术语方面，整个说明书中将使用“材料流”。“材料流”一词用于指运输颗粒材料的液体流。此外，术语“最小功能流量”是需要代表性子样品的系统运行期间预期的最低流量，在该最低流量以下不能保证代表性子样品。术语“最大功能流量”是需要代表性子样品的系统的最大期望流量，，并且在该最大期望流量以上不能保证代表性子样品。

根据本发明此方面的一个实施例，阀门装置是一个被动组件，其根据材料流的流量自动操作。阀门装置优选地包括空气阀，其在材料流的最小功能流量下保持打开，使空气能够进入阀门装置，以使材料流能够在基本大气压下无限制地流动。在第一种操作条件下，系统中不会产生真空，从而防止空气通过静态锥形分离器的样品出口管或废料出口管反向流入系统。如果出现这种真空，通过系统的材料流反向流动将导致样品出口管和废料出口管之间的不平衡，从而导致材料流通过静态锥形分离器的不均匀流动，从而采集有偏的样品。

在较高的流量(即流量高于最小功能流量)下，空气阀的装置能够使空气从系统中排出，直到系统充满材料流，此时空气阀关闭。一旦关闭，该系统作为一个加压系统在较高的流量下运行，而不会夹带空气。当作为加压系统运行时，材料流被推动通过静态锥形分离器，并保持加压，直至通过锥形分离器的锥形构件的点。锥形构件包括将材料流分成子流的开口。在该点之后，材料流被分解成子流，子流包括在大气压下流动的至少一个废料流和至少一个样品流。废料流和样品流在重力作用下自由流过各自的废料流和样品出口管。这使得系统能够保持废料出口和样品出口管之间的压力平衡，从而保持锥形构件的开口之间的平衡。这将导致材料流平衡且无偏地拆分为不同的子流。

根据本发明的一个实施例，材料流被设置成在进入静态锥形分离器之前流入腔室。阀门装置连接在所述腔室远离锥形分离器的一端。锥形分离器基本上垂直地位于腔室下方，并通过基本垂直的腔室出口管与之连接。

垂直腔室出口管连接至静态锥形分离器的入口管。入口管的横截面积由系统的最小功能流量定义，其大小使得通过入口管的材料流的重力无限制流量基本上等于或小于系统的最小功能流量，而不过度限制系统流量。这样，在使用样品采集系统时，入口管将保持充满材料流，流量等于或大于最小功能流量。

本发明实施例的样品采集系统优选地配置成以大于约60升/分钟且小于约150升/分钟的流量接收材料流。然而，应当理解，可以改变采集系统的规模及其各种组件，以适应其他流量下的材料流。

在第二方面，本发明提供了一种静态锥形分离器，包括上壳体、锥形构件和下壳体，锥形构件包括斜面和至少两个叶片，所述至少两个叶片至少部分地限定了具有相等流动面积的第一和第二开口，所述第一开口是子样品开口和第二开口是废料开口，其中锥形分离器的配置使得：在使用中，进入上壳体的材料流被引导到与斜面接触，然后接触斜面后的材料流的一部分被引导通过子样品开口，并被设置为通过样品出口管从锥形分离器中排出，剩余的材料流形成废料流，该废料流被引导通过废料开口；并且各部分材料流在进入开口时在倾斜表面附近的流动阻力基本相等。

根据本发明第二方面的一个实施例，斜面由锥形部件确立或形成在锥形部件上。锥形部件优选地位于锥形构件的中心。

优选地，所述上壳体包括入口管，所述材料流被设置成通过所述入口管。入口管的纵向中心轴优选地与锥形构件的纵向中心轴中心对齐，以便进入上壳体的整个材料流被引导与斜面接触。

优选地，所述入口管具有直径小于所述斜面的基部直径的圆形横截面结构。因此，当斜表面由锥形部件确立时，锥形部件的基部直径将大于入口管的横截面直径。因此，通过入口管进入锥形分离器的全部材料流将与锥形构件的倾斜表面的一部分接触。

优选地，入口管的横截面积的大小使得通过入口管的材料流的无限制重力流基本上等于或小于进料系统的最小功能流量。这样，在使用过程中，入口管将保持充满材料流，确保材料流与具有基本圆形横截面轮廓的锥形构件的斜面接触。

锥形构件的锥形部件和上壳体的内壁在锥形构件的叶片上方形成一个腔室。因此，腔室采用环形形状。

优选地，界定腔室的上壳体的内壁在基本上平行于倾斜表面的相对点的平面的任何点处延伸。这样，腔室的宽度，即上部壳体的内壁和锥形构件的直接相对的倾斜表面之间的宽度，在流经锥形分离器的方向上是恒定的(即从流动方向看腔室的平面横截面结构)。这种结构确保了材料流的任何部分不会意外地被夹带到腔室中。

优选地，所述废料流被设置成经由所述下壳体中的出口从所述锥形分离器排出。出口优选地连接到单个出口管。

优选地，锥形构件的叶片从锥形部件的纵向中心轴径向向外延伸。每个叶片优选地被配置成基本上垂直地与材料流的流动相交。叶片围绕锥形部件隔开，以便它们之间的开口具有相等的流动面积。最优选地，开口在流动方向上具有基本相同的平面横截面配置(即具有相同的形状和尺寸)。这确保了材料流在进入至少部分由叶片建立的开口中时在倾斜表面附近的流动阻力基本相等。这有助于对进入锥形分离器的材料流进行无偏采样。为此，每个刀片的尺寸和形状优选地相同。

优选地，开口的尺寸使得最小开口尺寸至少是材料流中预期的最大粒径的最大尺寸的三倍。这样的设置是为了防止开口堵塞。

本发明的实施例可以包括两个或多个叶片，叶片的数量改变通过锥形构件的每个开口的材料流的百分比。在一个实施例中，提供八个叶片，以便将材料流分成八个大小相等的部分或子流，因此12.5％的材料流将通过每个开口。根据这种设置，通过样品出口管采集的子样品代表12.5％的材料流。优选地，锥形分离器将包括两个样品出口，以便可以从材料流中分别采集两个子样品。两个子样品优选地从径向相对的开口采集。根据这样的优选实施例，两个样品出口优选地各自具有横截面积，使得由于重力引起的无限制流量大于进料系统的最大功能流量的12.5％。这样的配置是有利的，因为它可以防止由于样品出口和废料流通过的出口管之间的压力不相等而引起的虹吸。

废料出口优选地具有横截面积，使得由于重力引起的无限制流量大于样品流最大功能流量的75％，以防止由于样品出口和废料流通过的出口管之间的压力不相等而导致虹吸。

在第三方面，本发明提供了一种用于从材料流中采集子样品的静态锥形分离器的锥形构件，所述锥形分离器包括上壳体和下壳体，所述锥形构件包括倾斜表面和至少两个叶片，所述至少两个叶片至少部分地限定相等流动面积的第一和第二开口，第一开口是子样品开口，第二开口是废料开口，其中，锥形构件构造成使得：在锥形分离器使用中进入上壳体的材料流被引导与锥形部件的倾斜表面接触，然后接触斜面后的材料流的一部分被引导通过子样品开口并且被设置为经由样品出口管从锥形分离器中排出，剩余的材料流形成被引导通过所述废料开口的废料流；以及各部分材料流在进入所述开口时在所述斜面附近的流动阻力基本相等。

本发明的第四方面提供了使用根据本发明第一方面的样品采集系统从材料流采集子样品的方法。

附图说明

现在仅以示例的方式，参照附图描述本发明的实施例，附图中：

图1是根据本发明一个方面的实施例的静态锥形分离器的主视图；

图2是图1所示的锥形分离器的斜切视图；

图3是图1所示的锥形分离器的前剖视图；

图4是图1所示的锥形分离器的侧面剖视图；

图5是图1所示的锥形分离器的装配图；

图6是图5所示的锥形分离器的锥形构件的放大等距视图；

图7是图6所示锥形构件的放大平面图；以及

图8示出了根据本发明另一方面的实施例的样品采集系统。

具体实施方式

如图所示，根据本发明实施例的静态锥形分离器10包括上壳体20、锥形构件30和下壳体40。组装上壳体20、锥形构件30和下壳体40，以便在使用锥形分离器10时，材料流经由上壳体20的入口22进入锥形分离器10。如图所示，入口22具有圆形截面配置，但是可以设想其他构造。

锥形构件30包括建立在中心锥形部件32(以下称为锥体32)上的斜面、八个叶片34和法兰36。八个叶片34至少部分地限定了八个不同的开口38。

根据本发明的图示实施例，材料流进入锥形分离器10，然后被分成六个废料流和两个子样品流。六股废料流在通过各自的开口后在锥形构件30下方汇合，并通过出口管42离开锥形分离器。每个子样品流经由各自的样品出口管44、46流出。如图1所示，样品出口管44位于出口管42的左侧，样品出口管46位于出口管42的右侧。样品出口管44、46围绕出口管42对称地设置，以建立对称配置。

样品出口管44具有上开口44a和下开口44b。样品出口管46具有上开口46a和下开口46b。每个样品出口管44、46的上开口44a、46a的形状最好如图5所示。

在使用锥形分离器10时，下壳体40的出口管42可连接至适当的管道，以使废料流得到适当处理。或者，出口管42可以将废料流分配到地面、容器或其他容器。类似地，下壳体40的第一和第二样品出口管44、46可以连接到适当的管道，以便能够采集相应的子样品流。或者，每个样品出口管44、46可以将子样品流分配到容器或其他样品采集装置。

当上壳体20、锥形构件30和下壳体40组装在一起时，锥形构件30的法兰36位于上壳体20的法兰24和下壳体40的法兰48之间。螺栓(未显示)穿过各法兰24、36、48中的各对齐孔50，用于将组装好的零件固定在一起。

在使用中，锥形构件30被定向成使得锥体32的顶点或尖端32a在进气管22的方向上向上定位。顶点或尖端32a可以是尖的或以小半径(例如1.5mm半径)倒圆的。锥体32的纵向中心轴也与上壳体20的进气管22的纵向中心轴一致。

锥形构件30的锥体32和上壳体20的内壁20a在叶片34上方建立腔室C。图3和图4最好地说明了该腔室C，并且该腔室呈环形。如图所示，界定腔室C的内壁20a在锥体32的倾斜表面附近的任何点处基本平行于锥体32的倾斜表面延伸。这种结构确保了材料流的任何部分不会无意中夹带在腔室C中。

锥体32的基部直径大于上壳体20的入口22的直径，使得通过入口22流入锥形分离器10内部的所有材料流将被引导到锥体32的斜面的某些部分上并与之接触。

优选地将锥体32的锥角设置得尽可能高，以降低锥形分离器10的腔室C内的背压。

如图7所示，八个叶片34沿锥形32的纵向中心轴径向延伸。叶片34在锥形体32周围等距分布，并且成一定角度，以便基本上垂直地与材料流的流动相交。此垂直相交如图3所示。

在接触锥体32的斜面的一部分后，材料流的流动被重定向，然后通过位于锥形构件30的相邻叶片34之间的开口38。因此，叶片34将材料流分成八个大小相等的部分或子流，因此12.5％的材料流将通过每个开口38。

如图所示，每个开口38由相关的相邻叶片34、锥体32底部的部分32b和法兰36的部分36a限定。从上面看，开口38的平面形状如图7最佳所示。如图所示，每个开口的形状和大小是相同的。

从图5中应注意，第一和第二样品出口管44、46的上开口44a、46a模仿开口38的平面形状。此外，当锥形构件30的法兰36位于下壳体40的法兰48上时，样品出口管44、46的上开口44a、46a被定位以便与锥形构件30的开口38中的相应开口对准。因此，这些特定开口38在下文中称为子样品开口。因此，在使用所示的锥形分离器10期间，通过子样品开口的样品流的任何部分被转移到相应的对准的样品出口管44、46以进行采集。

本领域技术人员将理解，所公开的装置确保在进入开口38处，围绕锥形构件30的斜面的材料流部分的流动阻力基本相等。因此，通过开口38的入口处的材料流的流动特性基本相同，因此总材料流的无偏样品将经由子样品开口流入样品出口管44、46中以供采集。

根据所示的实施例，可以同时采集两个子样品，每个子样品代表总材料流的12.5％，剩余的75％最终被分配到出口管42。然而，将理解不同的配置是可能的。例如，仅可提供单个样品出口管和/或可改变锥形构件的叶片数量以相应地改变锥形分离器的样品出口管或每个样品出口管实际采集的子样品流量的百分比。

图8示出了根据本发明实施例的样品采集系统100。样品采集系统100包括用于材料流流过的管道105、装有粗孔筛115的腔室110、阀门装置120、腔室出口管125和静态锥形分离器10。本实施例的静态锥形分离器10采用先前结合图1至图7所述的形式。

如图8所示，腔室110通过腔室出口管125连接到静态锥形分离器10的入口管22。腔室110基本上垂直地位于静态锥形分离器10的上方，并且其直径大于出口管125的直径。腔室110被设置成在材料流流入锥形分离器10之前采集材料流。

腔室110包括粗孔筛115，该粗孔筛115能够筛出材料流中包含的过大材料，否则该材料流会阻塞流经锥形分离器10的流体。筛115将可移除以进行清洁。也可以使用其他装置从材料流中筛选出超大材料。此外，也可以不使用这种筛选装置。

腔室110有一个底座102，底座102采用锥形，以防止颗粒材料在其上积聚。也可以使用其他底座配置。

阀门装置120位于腔室100的顶部104处，并且远离锥形分离器10。阀门装置120被配置成能够破坏在系统100内建立的任何真空，并且在通过系统100的流量太高而无法被腔室110处理的情况下为多余的材料流提供排放点。根据本发明的一个实施例，阀门装置120包括空气阀。

样品采集系统100优选地设置成以大于约60升/分钟且高达约150升/分钟的工作流量接收材料流。根据本发明所述实施例的系统的流量上限通常限制为钻孔和设备上的背压小于约1bar时的流量。

腔室110和出口管125的相对直径以及腔室100顶部的阀门装置120的位置使材料流能够流过腔室110并进入锥形分离器10，任何真空都被破坏，并且没有多余的空气被吸入腔室110。这是因为通过阀门装置120流动的空气不与材料流直接接触。

从腔室110出来的出口管125的长度方向基本上垂直延伸，并将材料流导入静态锥形分离器10的入口管22。出口管125是长度约为300毫米的短垂直管。这与直径约为200毫米、高度约为300毫米的腔室110相比。

在系统100的操作期间，来自钻井操作的材料流经由管道105被送入腔室110。腔室110通常垂直地位于锥形分离器10的上壳体20的进口22的上方和中央。优选地，材料流以大于约60升/分钟的流量供应。这确保了当材料流进入锥形分离器20的入口22时，液体和钻屑在材料流中始终具有基本恒定和均匀的分布。

本发明的实施例是有利的，因为它们能够采集材料流的无偏样品。此外，系统不包括任何活动部件，因此系统不太可能发生故障。此外，系统无需外部电源来运行。如果静态锥形分离器10的锥体32损坏，则锥形构件30可以方便快速地更换，因此系统的停机时间很短。

本发明的实施例能够采集较小的样品尺寸(即，较小的总材料流百分比)，并且不依赖于流量。此外，本发明的实施例使得能够可靠地对液体含量大于90％的材料流(例如在连续油管钻井中生成的材料流)进行取样。

仅以示例的方式描述了实施例，并且可设想在本发明的精神和范围内的修改。

Claims (22)

1.一种用于从材料流中采集子样品的样品采集系统，所述系统包括阀门装置和静态锥形分离器，其中，所述阀门装置设置成使得所述静态锥形分离器能够进行以下操作：在第一和第二操作条件下采集送至所述静态锥形分离器的材料流的无偏样品，所述第一操作条件要求所述材料流处于大气压并且以最小功能流量流动，以及第二种操作条件要求对材料流加压至高于大气压且流量高于最小功能流量；其中所述阀门装置包括空气阀，其在材料流的最小功能流量下保持打开，使空气能够进入阀门装置，以使材料流能够在大气压下无限制地流动，并且其中在高于最小功能流量的流量下，空气阀被设置成使空气能够从系统中排出，直到系统充满材料流，此时空气阀关闭。

2.根据权利要求1所述的一种样品采集系统，其中所述阀门装置是根据材料流的流量自动地操作的被动组件。

3.根据权利要求1所述的样品采集系统，进一步包括腔室，其中所述材料流被设置成在进入静态锥形分离器之前流入腔室。

4.根据权利要求3所述的一种样品采集系统，其中所述阀门装置连接在所述腔室远离锥形分离器的一端。

5.根据权利要求4所述的样品采集系统，其中锥形分离器垂直地位于腔室下方，并通过垂直的腔室出口管与腔室连接。

6.根据权利要求5所述的样品采集系统，其中垂直腔室出口管连接至静态锥形分离器的入口管。

7.根据权利要求6所述的样品采集系统，其中入口管的横截流动面积的大小使得通过入口管的材料流的重力引起的无限制流动等于或小于系统的最小功能流量。

8.根据权利要求7所述的样品采集系统，其被配置为以大于60升/分钟的流量接收所述材料流。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的样品采集系统，其中静态锥形分离器包括上壳体、锥形构件和下壳体，锥形构件包括斜面和至少两个叶片，所述至少两个叶片至少部分地限定了至少具有相等流动面积的第一和第二开口，所述第一开口为子样品开口，所述第二开口为废料开口，其中，锥形分离器构造为使得：在使用中，进入上壳体的材料流被引导与斜面接触，然后接触斜面后的材料流的一部分被引导通过子样品开口并且被设置为经由样品出口管从锥形分离器中排出，剩余的材料流形成被引导通过所述废料开口的废料流；以及各部分材料流在进入所述开口时在所述斜面附近的流动阻力相等。

10.根据权利要求9所述的样品采集系统，其中所述斜面由锥形部件确立或形成在锥形部件上。

11.根据权利要求10所述的样品采集系统，其中所述锥形部件位于所述锥形构件的中心。

12.根据权利要求10或11所述的样品采集系统，其中，所述上壳体包括入口管，所述材料流通过所述入口管，所述入口管的纵向中心轴与所述锥形构件的纵向中心轴中心对准，使得进入所述上壳体的整个材料流直接都被引导与倾斜表面接触。

13.根据权利要求12所述的样品采集系统，其中所述入口管具有圆形横截面构造，所述圆形横截面构造的直径小于所述倾斜表面的基部直径。

14.根据权利要求13所述的样品采集系统，其中所述锥形构件的叶片从所述锥形部件的纵向中心轴线径向向外延伸，并且每个叶片被构造成与所述材料流的流动垂直相交。

15.根据权利要求14所述的样品采集系统，其中叶片围绕锥形部件隔开，使得其之间的开口具有相等的流动面积。

16.根据权利要求15所述的样品采集系统，其中所述开口在流动方向上具有相同的平面横截面构造。

17.根据权利要求13至16中任一权利要求所述的样品采集系统，其中每个叶片的尺寸和形状相同。

18.根据权利要求13至16中任一权利要求所述的样品采集系统，其中所述开口的尺寸被确定为使得最小开口尺寸至少是材料流中所预期的最大粒径的最大尺寸的三倍。

19.根据权利要求13至16中任一权利要求所述的样品采集系统，其中设置八个叶片，以便将材料流分成八个大小相等的子流，每个子流包含12.5%的材料流。

20.根据权利要求13至16中任一权利要求所述的样品采集系统，包括两个均用于采集单个子样品的样品出口。

21.根据权利要求13至16中任一权利要求所述的样品采集系统，包括具有一定横截面积的废料出口，使得由于重力而通过废料出口的无限制流量大于样品流最小功能流量的75%。

22.一种从材料流中采集子样品的方法，所述方法包括使材料流流过根据权利要求1至21中任一项所述的样品采集系统。

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