JP6423048B1 - 掘削流体のｘ線分析 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削流体のＸ線分析を提供する。
【解決手段】掘削流体に対するＸ線測定を行うための測定ヘッドは、出口（３２）を有する内側パイプ（３０）と、内側パイプのまわりの外側パイプ（３４）とを有する。掘削流体は出口を通してポンプで送られ、流体は出口においてリフレッシュされる。次いで、ポンプは停止される。次いで、高さセンサ（４２）を使用して、出口（３２）における掘削流体のメニスカスの高さが測定される。次いで、Ｘ線源（５２）とＸ線検出器（５４）とを含むＸ線ヘッド（５０）が、出口の上の流体のメニスカスの上方の再現可能な位置に移動される。高さセンサ（４２）は、移動可能なカバー（４０）に、Ｘ線ヘッド（５０）に、または測定ヘッドの何か他の部分に固定され得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、掘削流体に対するＸ線測定を行うための測定ヘッドと、そのような測定ヘッドを使用してＸ線測定を行う方法とに関する。本発明は、さらに、そのような測定ヘッドを含むシステムに関する。

掘削泥水またはドリル泥水としても知られている掘削流体の内容を測定することへの継続した必要性がある。ドリル・ヘッドから戻り、沈殿物を搬送する流体の内容を測定するか、または、代替として、ドリル・ヘッドに送られる流体の内容を測定する必要性があり得る。

Ｘ線蛍光ＸＲＦを使用して掘削流体を測定する方法が、ＷＯ１９９３／０１７３２６に提案されている。しかしながら、この文書は、掘削流体から再現可能な測定値を得る実験的な詳細に関して言及していない。

これが重要である理由は、定量的Ｘ線蛍光が、Ｘ線源、Ｘ線検出器、およびサンプルの正確な位置および方位に極めて高く依存するデータを得る技法であることである。線源とサンプルとの間または検出器とサンプルとの間の距離のわずかなずれでさえ、Ｘ線蛍光信号の強度にかなり大きい変化をもたらすことがある。固体試料では、線源、検出器、およびサンプルを非常に精密に既知で再現可能な位置にあるように配置することはそれほど困難ではない。しかしながら、流体サンプルで同じ確度を達成する必要性が残っている。

スラリ（または液体）を測定するのに使用されるＸ線ヘッドは、米国特許第３，３５４，３０８号に提案されている。スラリは、より大きいパイプ中で終端している、開放端をもつ内側パイプによってポンプで送られる。メンブレンがより大きいパイプを閉め切り、Ｘ線測定が、Ｘ線源および１対のＸ線検出器を使用してメンブレンを通して行われる。しかしながら、例えばスラリの組成、温度、または粘性の変化により変化することがあるスラリの上面の正確な位置の制御がなく、さらに、メンブレンが、場合によっては、測定結果に影響を及ぼすことがある。

ＷＯ１９９３／０１７３２６ 米国特許第３，３５４，３０８号

本発明の第１の態様によれば、掘削流体のための測定ヘッドが提供され、掘削ヘッドは、
出口を有する内側パイプであり、出口は、静止流体が測定のために出口においてパイプにとどまることができるように水平に延びる、内側パイプと、
内側パイプの出口によって外に出された材料を集めるための内側パイプのまわりの外側パイプと、
出口における流体の高さを測定するための高さセンサと、
Ｘ線源とＸ線検出器とを含むＸ線ヘッドと
を含み、
Ｘ線ヘッドが、休止位置と測定位置との間で移動可能であり、測定位置において、Ｘ線源およびＸ線検出器は、出口の上方において、高さセンサによって測定された出口における流体の高さによって決定される高さに位置付けられる。

通常のスラリでは、スラリの流れが停止される場合、スラリの固体粒子が迅速に分離する。したがって、スラリの流れを停止し、測定を行うことは可能ではない。しかしながら、掘削流体は、しばしばチキソトロープの性質をもつ高い粘性の材料であり、そのため、従来のスラリと異なる性質を有し、その結果、測定を行うために掘削流体の流れを停止することが可能であることに発明者等は気付いた。

流体が停止した状態では、出口にメニスカスがあることになる。メニスカスの高さは、掘削流体の性質によりわずかに変わり得る。出口における流体の高さを測定するための高さセンサを測定ヘッドに設けることによって、的確な測定のために、出口の上方でメニスカスの上の精密な距離にＸ線ヘッドを精密に再現性良く位置合わせすることが可能である。

移動可能なＸ線ヘッドを使用することによって、測定の間Ｘ線源およびＸ線検出器を出口の近くに持って行き、そして流体の流れの間それらを遠ざけることも可能である。

したがって、測定ヘッドは、掘削流体の精密なＸ線測定を実行することができる。

測定ヘッドは、出口によって外に出される流体を外側パイプ中に導くために出口を覆う第１の位置と、少なくとも１つのさらなる位置との間で移動可能なカバーを含むことができる。

移動可能なカバーを設けることによって、外側パイプを閉鎖するＸ線透析メンブレンを通して測定を行う必要はない。代わりに、掘削流体が内側パイプを通って流れている間移動可能なカバーは出口を覆うことができ、カバーは、流れが止まった後、測定のために取り除かれ得る。メンブレンは、薄く、Ｘ線透過性材料で製作されなければならず、それゆえ、移動可能なカバーの使用により、信頼性を改善するより頑強な測定ヘッドが生み出されることが理解されよう。

１つの手法では、高さセンサは、カバーに装着されたレーザ高さセンサとすることができ、カバーは、第１の位置と、出口における材料の高さを測定するためにレーザ高さセンサが出口の上方にある第２の位置と、カバーもレーザ高さセンサも出口の上方にはない第３の位置との間で移動可能である。

このようにして、カバーが第２の位置にある状態で、出口における掘削流体のメニスカスの高さが的確に測定され得、この情報が測定ヘッドを的確に位置合わせするために使用される。

特に、Ｘ線ヘッドは、Ｘ線ヘッドが、レーザ高さセンサからの測定値を使用して出口における材料の上方の的確に再現可能な高さの位置に移動され得るように、カバーが第３の位置にある状態で、垂直方向に移動可能とすることができる。

代替の配置では、高さセンサはＸ線ヘッドに取り付けられ得る。カバーは、第１の位置と、カバーが出口から離間された第２の位置との間で移動可能とすることができる。Ｘ線ヘッドは、Ｘ線ヘッドが、レーザ高さセンサからの測定値を使用して出口における材料の上方の一定の高さの位置に移動され得るようにカバーが第２の位置にある状態で、垂直方向に移動可能とすることができる。

高さセンサは、光源と光検出器とを有する光ビーム遮蔽センサとすることができ、光源は光ビームを光検出器上に導き、Ｘ線ヘッドは、光検出器に入射する光ビームが絶たれるまで下向きに移動される。そのような高さセンサは、比較的安価であるが、それにもかかわらず、出口における流体の上方のＸ線ヘッドの高さの極めて的確な再現性を達成することができる。

高さセンサは、出口における流体の高さの画像を捕捉するためのカメラをさらに含むことができる。

別の態様では、本発明は、さらに、上述で論じたような測定ヘッドと、Ｘ線ヘッドおよび高さセンサの運動を制御するように構成された制御手段とを有する測定システムに関する。制御手段は、特注コントローラ、および／または汎用コンピュータで動作するように準備されたコンピュータ・ソフトウェアの形態とすることができる。

別の態様では、本発明は、掘削流体のための測定ヘッドを動作させる方法に関し、この方法は、
掘削流体を内側パイプを通してポンプで送り、出口を通して外に出し、掘削流体を外側パイプから取り除くステップと、
ポンプで送るステップを停止し、出口に掘削流体のメニスカスを残すステップと、
メニスカスの高さを測定するために高さセンサを使用するステップと、
測定された高さを使用してＸ線ヘッドを位置合わせするステップと、
Ｘ線ヘッドを使用してＸ線測定を行うステップと
を含む。

ポンプで送るステップを停止することによって、掘削流体の静止メニスカスが用意される。次いで、高さセンサを使用して、静止メニスカスに対してＸ線ヘッドを極めて的確に位置づけ、それによって、的確なＸ線測定を達成することができる。

Ｘ線測定は、特に、Ｘ線蛍光測定とすることができる。

この方法は、掘削流体をポンプで送るステップの間、出口の上の外側パイプを移動可能なカバーで覆うステップと、高さセンサを使用するステップの間に移動可能なカバーを移動し、Ｘ線ヘッドを位置合わせし、Ｘ線蛍光測定を行うステップとをさらに含むことができる。このようにして、掘削流体が外側パイプから逃げるのを止めるために必要であるカバーを取り除いて、的確な測定のためにＸ線ヘッドを出口におけるメニスカスの近くにおよび直上に持って行くことが可能である。

高さセンサは、カバーに装着されたレーザ高さセンサとすることができ、移動可能なカバーは、掘削流体をポンプで送るステップの間第１の位置にある。この方法は、
出口における材料の高さを測定するステップの間レーザ高さセンサが出口の上方にある第２の位置にカバーを移動させるステップと、
Ｘ線ヘッドを位置合わせし、Ｘ線蛍光測定を行うステップの間、カバーもレーザ高さセンサも出口の上方にはない第３の位置にカバーを移動させるステップと
を含むことができる。

この方法は、カバーが第３の位置にある状態で、レーザ高さセンサからの測定値を使用して出口における材料の上方の一定の高さの位置にＸ線ヘッドを垂直方向に移動させるステップをさらに含むことができる。

高さセンサはＸ線ヘッドに装着されてもよい。高さセンサを使用し、Ｘ線ヘッドを位置合わせするステップは、Ｘ線ヘッドがレーザ高さセンサからの測定値を使用して出口における材料の上方の一定の高さの位置に達するまで、Ｘ線ヘッドを垂直方向に移動させることによって同時に行われる。

高さセンサは、光源と光検出器とを有する光ビーム遮蔽センサとすることができ、光源は光ビームを光検出器上に導く。この方法は、光検出器に入射する光ビームが絶たれるまでＸ線ヘッドを下向きに移動させるステップを含むことができる。

次に、本発明の一例が、添付図を参照して説明される。

測定システムの概略図である。 ポンプ・モードにおける図１の測定システムの測定ヘッドの概略図である。 高さ測定モードにおける図１の測定システムの測定ヘッドの概略図である。 ＸＲＦ測定モードにおける図１の測定システムの測定ヘッドの概略図である。 一測定モードにおける代替の測定ヘッドの概略図である。

図は概略であり、原寸に比例していない。

図１は、掘削泥水としても知られている掘削流体を測定するように意図された測定ヘッド（２０）と、制御システム（２２）とを有する測定システム（１０）を示す。制御システム（２２）によって制御されるポンプ（２４）は、測定ヘッドに掘削流体をポンプで送るために接続される。

図２から図４を参照すると、測定ヘッド（２０）は、ポンプ（２４）への接続のための内側パイプ（３０）を有する。内側パイプは、測定のために掘削流体の平坦表面を用意するための出口（３２）を有する。特に、出口は、使用時には、内側パイプの流体が、測定のために内側パイプの出口において水平メニスカスで休止できるように、水平な出口とすることができる。

外側パイプ（３４）が出口のまわりに設けられ、それは、掘削流体に出口を与える。

移動可能なカバー（４０）は、多数の位置を有する。図１から図４に示された実施形態では、カバーは、３つの位置、すなわち、ポンプ位置（図２）、高さ測定位置（図３）、およびＸ線蛍光ＸＲＦ測定位置（図４）を有する。レーザ高さセンサ（４２）がカバーに固定され、高さ測定位置（図３）では、レーザ高さセンサ（４２）は出口（３２）の真上にある。

Ｘ線ヘッド（５０）は、Ｘ線源（５２）とＸ線センサ（５４）とを含む。Ｘ線ヘッド（５０）は、２つの位置、すなわち、引っ込み位置（図２および図３）と、カバーが完全に引っ込められ、Ｘ線ヘッド（５０）が出口（３２）の真上にあるＸＲＦ測定位置（図４）とを有する。

使用時に、ポンプ・モード（図２）では、掘削流体は、内側パイプ（３０）を通して、出口（３２）から外に連続的にポンプで送られる。掘削流体は、カバー（４０）に当たり、外側パイプ（３４）へと逆に下に落ちる。次いで、掘削流体は掘削プロセスにフィードバックされる。このモードでは、システムは、測定を行っているのではなく、測定システム（１０）内の掘削流体を単に連続的にリフレッシュしている。

測定を実行するために、高さ測定モード（図３）では、ポンプは停止される。内側パイプに残っている材料は出口（３２）にメニスカスを形成する。カバー（４０）は、レーザ高さセンサ（４２）が出口の真上となるように移動する。レーザ高さセンサは、メニスカスの正確な高さを測定し、情報を制御システム（２２）にフィードバックする。

次いで、カバーは、ＸＲＦ測定モード（図４）では完全に引っ込まれる。制御システム（２２）は、メニスカスの測定された高さの上方の正確で既知の距離の位置にＸ線ヘッド（５０）を降ろす。Ｘ線源は、出口（３２）内の掘削流体サンプルに入射するＸ線を発生し、掘削流体の材料の発生された蛍光特性を検出する。

このようにして、Ｘ線ヘッドをメニスカスの頂上に、一定の短い距離で、的確に位置合わせすることが可能である。的確な位置合わせは、ＸＲＦ測定の再現性にとって非常に重要であり、異なる測定間のＸ線ヘッドとメニスカスとの間の距離のわずかなずれでさえ、厳しい測定誤差を引き起こし、定量的なＸＲＦを不可能にすることがある。

典型的には、Ｘ線ヘッドは、メニスカスの上方約１ｍｍに、例えば、０．２ｍｍから３ｍｍに位置合わせされることになるが、正確な高さは必要ならば違うように選択されてもよい。重要な点は、的確で再現可能なＸＲＦ測定のために高さが正確に再現可能であることである。

発明者等は、掘削流体の性質がこの手法を可能にすることに気付いた。典型的なスラリでは、スラリは非常に速く分離し始めるのでスラリが動いている間にＸＲＦ測定を行うことが必要である。その結果として、これは、測定ヘッドをスラリに的確に位置合わせすることを困難にするが、その理由は、スラリが動いているということが、スラリの正確な位置が必然的に固定されないことになることを意味するからである。対照的に、掘削流体は、メニスカス高さを測定し、ＸＲＦ測定を実行する時間と比較して、ゆっくり分離し、そのため、ポンプを停止し、静止メニスカスの高さを測定し、Ｘ線ヘッドを位置付け、掘削流体が分離する時間よりも著しく短い時間の間にＸＲＦ測定を行うことが可能である。

図５に示された代替の実施形態では、異なるレーザ高さ測定システムが採用されている。この場合、レーザ高さ測定システムは、カバー（４０）ではなくＸ線ヘッド（５０）に固定される。レーザ高さ測定システムは、フォトセル検出器（６２）に向けられたレーザ・ビーム（６４）を放出するレーザ源（６０）を含む。通常は、レーザ源（６０）からのビーム（６４）はフォトセル検出器（６２）に入射するが、材料が光ビームを遮る場合には、これは検出される。センサ（６０、６２）、カバー（４０）、および追加の構成要素は、コントローラ（２２）に接続され、見やすいように、これらの接続（典型的には電気的である）は図５には示されていない。

使用時に、ポンプ・モードが、上述の図２の実施形態と同様に動作する。高さ測定モードでは、カバー（４０）は完全に引っ込められ、次いで、制御システム（２２）は、メニスカス（または出口）がレーザ・ビームを遮り、それがフォトセル検出器（６２）によって検出されるまで、出口（３２）のメニスカスの方にＸ線ヘッド（５０）を下方に降ろす。Ｘ線ヘッドの運動は直ちに停止され、それにより、Ｘ線ヘッドはメニスカスの上方の精密で反復可能な位置に残される。

この時点で、ＸＲＦ測定モードが始まり、Ｘ線ヘッドを使用して測定が行われる。

代替としてまたは追加として、カメラ（７０）が、出口のメニスカスの画像を捕捉するために設けられてもよい。図５の実施形態では、これは追加のカメラであるが、代替の配置では、カメラ（７０）は、画像からメニスカスの高さを計算するための高さ計算ソフトウェアが配置されたプロセッサ（２２）をもつ高さセンサとして単体で使用されてもよい。カメラ位置は、例えば、Ｘ線ヘッドが測定位置にある状態で、カメラが側面からメニスカスの画像を撮るように位置付けられるような方位でカメラをＸ線ヘッドに固定することによって、そのような測定を可能にするように構成することができる。

当業者は、代替の実施態様が可能であることを理解するであろう。

上述の説明はＸＲＦ測定に焦点を当てているが、システムは、Ｘ線回折分析に適用することもできる。これは、小さい結晶性粒子が掘削流体に存在する場合に特に有用であり得る。

上述の説明は掘削流体に焦点を当てているが、装置および方法は、さらに、長い分離時間のおかげで、測定を行うために流体をポンプで送るのを停止できる場合には、同様の性質をもつ他の液体材料、特に、スラリなどの液体−固体混合物で使用されてもよい。

様々な異なるタイプの高さセンサが使用されてもよく、カバー、Ｘ線ヘッドに都合のよいように固定されるか、または代替として外側パイプに対して固定されてもよい。

任意の都合のよいＸ線源および検出器が使用されてもよく、正確な選択は用途に依存し得る。

１０ 測定システム
２０ 測定ヘッド
２２ 制御システム、コントローラ、プロセッサ
２４ ポンプ
３０ 内側パイプ
３２ 出口
３４ 外側パイプ
４０ カバー
４２ レーザ高さセンサ
５０ Ｘ線ヘッド
５２ Ｘ線源
５４ Ｘ線センサ、Ｘ線検出器
６０ レーザ源
６２ フォトセル検出器
６４ レーザ・ビーム
７０ カメラ

Claims (5)

1. 掘削流体のための測定ヘッドであって、
   出口を有する内側パイプであり、前記出口は、静止流体が測定のために前記出口において前記内側パイプにとどまることができるように水平に延びる、内側パイプと、
   前記内側パイプの前記出口によって外に出された材料を集めるための、前記内側パイプのまわりの外側パイプと、
   前記出口における流体の高さを測定するための高さセンサと、
   Ｘ線源およびＸ線検出器を含むＸ線ヘッドと、
   カバーと、を含み、
   前記Ｘ線ヘッドが、休止位置と測定位置との間で移動可能であり、前記測定位置において、前記Ｘ線源および前記Ｘ線検出器は、前記出口の上方において、前記高さセンサによって測定された前記出口における前記流体の高さによって決定される高さに位置付けられ、
   前記カバーは、前記出口によって外に出された流体を前記外側パイプ中に導くために前記出口を覆う第１の位置と、前記カバーが前記出口から離間された第２の位置との間で移動可能であり、
   前記高さセンサが前記Ｘ線ヘッドに装着され、
   前記高さセンサが、光源および光検出器を有する光ビーム遮蔽センサであり、前記光源が光ビームを前記光検出器上に導き、
   前記Ｘ線ヘッドは、当該Ｘ線ヘッドが、前記高さセンサからの測定値を使用して前記出口における材料の上方の一定の高さの位置に移動され得るように、前記カバーが前記第２の位置にある状態で、垂直方向に移動可能であり、
   前記Ｘ線ヘッドは、前記光検出器に入射する前記光ビームが絶たれるまで下向きに移動されるように構成されている、測定ヘッド。
2. 前記高さセンサが、水平出力部における前記流体の高さの画像を捕捉するためのカメラを含む、請求項１に記載の測定ヘッド。
3. 請求項１または２に記載の測定ヘッドと、
   前記Ｘ線ヘッドおよび前記高さセンサの運動を制御するように構成された制御手段と、 を含む測定システム。
4. 掘削流体のための測定ヘッドの動作方法であって、
   内側パイプを通して掘削流体をポンプで送り、出口を通して外に出し、前記掘削流体を外側パイプから取り除くステップであって、前記掘削流体をポンプで送るステップの間、前記出口の上の前記外側パイプを移動可能なカバーで覆うことを含む、ステップと、
   前記ポンプで送るステップを停止し、前記出口に掘削流体のメニスカスを残すステップと、
   前記メニスカスの高さを測定するために高さセンサを使用するステップと、
   前記測定された高さを使用してＸ線ヘッドを位置合わせするステップと、
   前記Ｘ線ヘッドを使用してＸ線測定を行うステップと、
   を含み、
   前記高さセンサを使用するステップの前に前記移動可能なカバーを移動し、前記Ｘ線ヘッドを位置合わせし、Ｘ線蛍光測定を行うステップをさらに含み、
   前記高さセンサが前記Ｘ線ヘッドに装着され、
   前記高さセンサを使用し、前記Ｘ線ヘッドを位置合わせするステップは、前記Ｘ線ヘッドが前記高さセンサからの測定値を使用して前記出口における材料の上方の一定の高さの位置に達するまで、前記Ｘ線ヘッドを垂直方向に移動させることによって同時に行われ、
   前記高さセンサが、光源および光検出器を有する光ビーム遮蔽センサであり、前記光源が光ビームを前記光検出器上に導き、
   前記動作方法が、前記光検出器に入射する前記光ビームが絶たれるまで前記Ｘ線ヘッドを下向きに移動させるステップを含む、動作方法。
5. 前記Ｘ線測定がＸ線蛍光測定である、請求項４に記載の動作方法。