專利名稱：用于脫去泥漿中的氣體和分析泥漿中所含氣體的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于脫去泥漿中的氣體并分析泥漿中所含氣體的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括-一個罐，包括用于泥漿的一個第一入口和一個第一出口，-泥漿供給裝置，與該罐的第一入口相連，-從該罐中所含的泥漿中提取氣體的裝置，-注入載氣(carrier gas)的裝置，與該罐的第二入口相連，-對提取氣體進行物理化學分析的裝置，與該罐的第二出口相連，為載氣和提取氣體而設計。
背景技術：
本發(fā)明涉及存在于泥漿中的氣體的提取和分析，特別應用于檢測存在于在進行油田勘探作業(yè)時獲得的鉆井泥漿中的啟示氣體(revealing gas)，如烴類氣體和非烴類氣體。對于這些勘探作業(yè)，進行鉆孔和將鉆井泥漿泵送至表面以便清理鉆孔并分析鉆井泥漿的實踐。這些泥漿是密度約1至2kg/l的或多或少的流體非均勻介質(zhì)，還易于包含氣體和巖石的固體碎片。這些氣體可以溶解入泥漿中或者俘獲于固體的多孔結構中。在這些氣體中，范圍從含有一個、兩個或三個碳原子的輕化合物到含有八個碳原子或更多的重化合物(heavy compound)的烴類氣體的存在長期以來被認為是從含油觀點出發(fā)代表鉆孔利益的可靠啟示因素。其它非烴類啟示氣體，例如，氬、H2S和CO2，可以提供鉆孔所關心的地質(zhì)性質(zhì)的補充信息，但是這些氣體通常更難檢測。為了能夠檢測這種氣體并準確地測量每單位體積泥漿中的氣體含量，首先必須將它們以一種精確的、可靠的和快速的方式從泥漿中提取出來。
俘獲于鉆井泥漿中的氣體的提取可以以幾種不同的方式進行。
文獻US 4,319,482描述了一種基于真空室的提取方法。然而，由于這種系統(tǒng)易毀壞并且不能經(jīng)受大的溫度變化，因此這種方法不適合于在進行鉆井作業(yè)時在現(xiàn)場所遇到的艱難條件。
文獻US 5,199,509和US 5,648,603描述了一種由馬達驅(qū)動的具有幾個臂的螺旋槳來執(zhí)行的且作用于含有泥漿的罐的旋轉(zhuǎn)機械攪拌技術。這種方法的缺點在于螺旋槳以非常不均勻的方式攪動罐中的泥漿。位于螺旋槳臂的軌跡上的泥漿得到了較大的攪動，而位于螺旋槳軸線以下的泥漿則沒有。因此，這種方法不能使提取率象所希望獲得的那樣高，特別是對于與某些類型的烴相應的重氣體尤其如此。
文獻US 4,887,464描述了一個基于空氣動力作用和機械作用的結合、并包括一個文丘里效應噴射器和一個轉(zhuǎn)盤的提取系統(tǒng)。這種系統(tǒng)呈現(xiàn)出與上面針對美國專利5,199,509和5,648,603中所描述的方法而指出的那些缺點類似的缺點。
文獻US 5,447,052描述的方法在于用微波能量加熱鉆井泥漿以脫去其氣體。該方法存在氣體的化學改性或著火的危險。
這些已知的技術存在著僅提取鉆井泥漿中所含的輕氣體的一部分、并不能提取含有六個、七個或八個或更多碳原子的重氣體的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服這些缺點，更具體地說，在于能夠以可靠的、準確的、定量的和快速的方式脫去鉆井泥漿中的氣體、并分析所提取的氣體，特別是借助于對輕氣體的更好的提取以及對重氣體的甚至更好的提取來達到。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過附加的權利要求而得以實現(xiàn)，并且更特別地，通過下述事實得以實現(xiàn)提取裝置包括一個超聲波電聲換能器，并且將泥漿供應給罐的供給裝置包括能夠保證罐內(nèi)的預先設定恒定體積的泥漿、并能使流率調(diào)節(jié)至預先設定的恒定值的體積和流率調(diào)節(jié)裝置。


通過下面對僅作為非限制性例子并在附圖中描繪的本發(fā)明特定實施例的描述，其它的優(yōu)點和特征將變得更加清楚顯然，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的脫氣系統(tǒng)的罐和電聲換能器的橫截面視圖；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的用來脫去泥漿中的氣體、并用來分析泥漿中所含氣體的系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
在圖1中，泥漿1通過連接至設置在罐2的側壁底部的第一入口4的供給管3輸入罐2。其通過設置在罐2的側壁頂部的第一出口5而排出，使得泥漿1的預先設定的恒定體積能夠通過溢流而得以保證。泥漿接著在底部局部地填充罐2直到第一出口5的水平。超聲波電聲換能器6被設計來在包含于罐2中的泥漿1中產(chǎn)生聲能場，于是從泥漿中提取氣體。載氣通過罐的第二入口7注入并攜帶著提取的氣體通過第二出口8排出。第二入口7和第二出口8設置在泥漿的第一出口5的上方，從而載氣和提取的氣體占據(jù)罐2的頂部。
如圖2所示，第二出口8連接至用來對提取的氣體進行物理化學分析的裝置9。把泥漿供應給罐的供給管3連接至能夠使注入罐2的泥漿1的流率調(diào)節(jié)成預先設定的恒定值的泵10。該泵利用吸入單元11從罐12(例如含有例如來自于石油勘探鉆井的泥漿的儲罐或給料斗)來抽吸泥漿，在這種情況下將要提取的氣體是石油啟示氣體。
盡管文獻US 3,284,991在1966年公開了利用超聲波脫去液體(特別是氫氧化鈉)中的氣體，然而所描述的設備僅被設計來除去存在于液體中的氣泡。其無論如何不能對從液體中提取的氣體進行分析。
在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，聲能的產(chǎn)生使得從石油鉆井泥漿中提取的輕氣體的量可以達到已知系統(tǒng)的兩倍，提取的重氣體的量可以達到已知系統(tǒng)的四倍。調(diào)節(jié)泥漿的體積和流量可使每單位體積泥漿的氣體量得以準確地和標定地測量，并通過根據(jù)泥漿的類型和狀況將流率調(diào)節(jié)至在例如1和3l/min之間的恒定值而進行定量分析和比較分析。于是，對于重氣體，分析的靈敏度可以達到比已知系統(tǒng)高四倍。該系統(tǒng)可以對來自于在不同時間取得的不同泥漿的氣體的測量進行比較。
電聲換能器6優(yōu)選地包括一個與泥漿1接觸的振動部件13。電聲換能器6優(yōu)選為集成了一個壓電轉(zhuǎn)換器14的一個超聲波壓電換能器6。該轉(zhuǎn)換器將輸入的電壓Vin轉(zhuǎn)換成振動機械能。轉(zhuǎn)換器14典型地是工作在共振的朗之萬型壓電轉(zhuǎn)換器(LangeVin type piezoelectric converter)，但也可使用其他類型的轉(zhuǎn)換器，如電磁轉(zhuǎn)換器、磁致伸縮轉(zhuǎn)換器或電致伸縮轉(zhuǎn)換器。振動部件13受轉(zhuǎn)換器14作用開始機械振動，并將這些振動轉(zhuǎn)換成泥漿1中的聲能場。振動部件13優(yōu)選為超聲波焊機用加工工具(sonotrode)，其另外使由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的機械振動放大。其可以是例如圓筒狀的并提供一個凸出部15。轉(zhuǎn)換器14的共振頻率與振動部件13的振動頻率相同。換能器的工作頻率接近于或者大于20kHz，這使得實現(xiàn)人聽不見的運行。其甚至可以高于40kHz，從而動物也聽不見。
一方面，部件13的頂端與罐2的裝料高度之間的距離，另一方面，部件13的壁與罐2的內(nèi)壁之間的距離，優(yōu)選地在泥漿中超聲波的四分之一波長到四倍波長之間。
振動部件13的振動以聲壓的形式傳遞給泥漿1。優(yōu)選地，強振幅的超聲波振動被用來產(chǎn)生高強度的聲場，并用來引起泥漿中的氣蝕現(xiàn)象。該現(xiàn)象的強脈沖能量對于從泥漿和俘獲氣體的固體顆粒的多孔結構中提取氣體特別有效，因為能夠使這些顆粒破碎。提取的氣體結合在氣泡中，并自然上升至罐2的頂部。
換能器6優(yōu)選地包括一個與罐2的基底17的界面16，以便實現(xiàn)罐2的特定的密封性。界面16優(yōu)選位于換能器6的振動節(jié)點處，以便不會干擾或阻抑振動部件13的振動。界面16舉例來說可以包括彈性密封(未示出)，以便得到密封性。
如圖1和2所示，第一入口4和第一出口5優(yōu)選放置在罐2的相對點處，從而泥漿1的流動沿著振動部件13的最大可能表面而行進。
通過第二入口7注入的載氣與在分析中要找尋的氣體不同。在尋找鉆井泥漿中的啟示氣體的場合，載氣可以相當簡單地是過濾后的干燥空氣。在需要更準確分析提取的氣體的情況下，載氣可以是氫氣、氦氣或氮氣。載氣不被玷污，并與使用的分析裝置9相適合。第二入口7和第二出口8優(yōu)選位于罐2頂部的相對點處，并在泥漿水平面之上，以便帶走最大量的從泥漿1中提取的氣體。
參照圖2，泵10優(yōu)選地是一個能使注入罐2的泥漿1的流率被準確控制的蠕動泵。泵10可以由一個可控速度的旋轉(zhuǎn)的、電動或液壓馬達18來驅(qū)動。只要其根據(jù)泥漿1的類型能夠輕易地改變泵10的旋轉(zhuǎn)速度及改進流率，以便調(diào)節(jié)其至所需恒定值，這種類型的馬達就具有靈活性。為了保護泵10并防止過大尺寸的固體進入罐2內(nèi)，可以將過濾器19放置于泵10的上游，并置于泵10與吸入單元11之間。盡管如此，注入罐內(nèi)的泥漿可以含有毫米級或亞毫米級尺寸的顆粒。過濾器19優(yōu)選可自行凈化，例如利用由馬達驅(qū)動的鋼絲刷來進行。過濾器也可以是線性氣動振動器型的，例如，每分鐘振動2000次，這呈現(xiàn)出緊湊、可靠和供風的優(yōu)點，消除了在易爆炸(由此是炸藥)的環(huán)境中的電力設備的高成本。
一個經(jīng)調(diào)節(jié)的載氣流率泵20可以放置于罐2的第二入口7的上游。物理化學氣體分析裝置9典型地是質(zhì)譜儀或色譜儀，例如是利用火焰電離檢測(flame ionization detection，“FID”)的類型。在FID色譜儀的情況下，使用的載氣是可燃氣體，而如果使用質(zhì)譜儀，該氣體優(yōu)選為中性的。
分析裝置9與罐2隔開的距離可以是約一百米。超過這個距離，則載氣和提取的氣體會冷卻并可能沿著將第二氣體出口8連接到分析裝置9的管道21而凝結，這會降低分析的靈敏度和準確性。為了防止氣體的冷卻，載氣和提取的氣體的加熱裝置22可以安裝在罐2的第二出口8的下游。例如，可以將一根電纜纏繞在管道21周圍，以便利用焦耳效應來加熱管道。
如果需要的話，泥漿1的加熱裝置23(例如電感應系統(tǒng))可以安裝在罐2的第一入口4的上游，特別可用以改善冷泥漿的脫氣。來自深水鉆井的泥漿實際上具有5℃的溫度，大大低于通常在50℃至70℃之間的陸地鉆井泥漿的溫度。在一個可選實施例中，罐2可以用電感應來加熱，或者借助于纏繞在罐2周圍的電纜利用焦耳效應來加熱。
將控制電路24設計成通過控制泵10、泵20和分析裝置9來執(zhí)行泥漿1和氣體的流動與氣體的分析之間的同步。同步可以適合于兩種分析模式，連續(xù)的或者批量的分析模式。在連續(xù)分析的場合，載氣流速優(yōu)選等于或接近于泥流的流速。
在另一個未示出的實施例中，放置于氣體和泥漿1的入口和出口管道上的閥用來打開和關閉泥漿和氣體管道。于是，有可能從連續(xù)分析模式切換到批量分析模式。這些閥優(yōu)選為受控制電路24以適合于選定分析模式的方式而電動控制的電動閥。
批量分析可使系統(tǒng)被標定，例如，可以獲知含在泥漿中的氣體總量，在連續(xù)分析中，不必有效地進行氣體的完全提取。例如，利用泥漿出口管置于泥漿入口管上方的事實來充填該罐，以便使得過量的泥漿可以溢流，接著泵停止了或者關閉泥漿入口閥。從包含于罐中代表一個樣本的該泥漿的固定體積，進行超聲波脫氣以提取氣體來測量與時間相對的提取的氣體的量。這使得在大約10分鐘的總提取時間之后，有可能確定含在該樣本中的氣體的總量，并由此確定在一個比總提取時間短的時間之后提取的氣體的分數(shù)。提取氣體的總量與連續(xù)運行中提取的氣體量的比較可使作為流率函數(shù)的提取氣體分數(shù)被確定。對于從第二樣本中提取氣體來說，泥漿入口閥在足夠長的時間期間內(nèi)打開以便在先的泥漿樣本被新泥漿完全代替，優(yōu)選地通過泵送大于罐容積幾倍的泥漿量來進行，同時關掉超聲波換能器6。對于從第二個樣本中提取氣體來說，使罐2的第二出口8下游的氣體管道21中沒有在對前一個樣本進行提取時提取氣體的殘留物也很必要。當系統(tǒng)包括在罐下游的兩個不同的氣體管線時，則有可能從一個管線切換到另一個管線。接著關閉泥漿入口閥，并接通超聲波換能器6，以便從第二樣本提取氣體。
標定可以獲知給定脫氣時間時每升泥漿提取的氣體量與所含氣體總量之間的比例。當切換回連續(xù)處理時，該標定結果可以直接適用于獲知泥漿流率，以便不必將氣體全部提取出來就可獲知所含氣體的總量。這個過程與沒有標定的過程相比允許更高的流率，并能導致節(jié)省時間。
本發(fā)明不限于所示的實施例。特別地，換能器6可以布置在罐2的頂部。其也可以固定于罐2的底部上，其振動并且在與泥漿1接觸時起到振動部件13的作用。
在一個可選實施例中，供給罐2泥漿1的泵10可以與壓力調(diào)節(jié)器相聯(lián)，并與伺服控制比例閥(未示出)相聯(lián)。伺服控制可以借助于流率傳感器或閥門開度位置傳感器來進行。
并且，根據(jù)本發(fā)明的除氣系統(tǒng)可被用來分析任何泥漿。在由污水處理廠產(chǎn)生的淤泥中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可使含在淤泥中的沼氣的量和性質(zhì)被有效地檢測出來，并且如果它們的回收證明是人們所感興趣的，則可使這些淤泥的能源潛力被檢驗來回收沼氣。
權利要求
1.用來脫去泥漿(1)中的氣體并用來分析含在所述泥漿(1)中的氣體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括-一罐(2)，包括用于泥漿的一第一入口(4)和一第一出口(5)，-泥漿(1)的供給裝置，連接至所述罐(2)的所述第一入口(4)，-用來從包含于所述罐(2)中的所述泥漿(1)中提取氣體的裝置，-用來注入載氣的裝置(20)，連接至所述罐(2)的一第二入口(7)，-用來物理化學分析所述提取的氣體的裝置(9)，連接至所述罐(2)的一第二出口(8)，為所述載氣和所述提取的氣體而設計，該系統(tǒng)的特征在于所述提取裝置包括一超聲波電聲換能器(6)，并且用來將泥漿(1)供應給所述罐(2)的所述供給裝置包括使得能夠確保在所述罐(2)中的預先設定的恒定體積的泥漿(1)并使所述流率被調(diào)節(jié)到一個預先設定的恒定值的體積和流率調(diào)節(jié)裝置(10)。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述泥漿(1)是能夠含有毫米級尺寸的固體顆粒的石油鉆井泥漿，并且所述將要提取的氣體是石油啟示氣體。
3.如權利要求1和2中的一項所述的系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波電聲換能器(6)是壓電換能器。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述換能器(6)包括一至少部分地設置于所述罐(2)的內(nèi)部的超聲波焊機用加工工具。
5.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述泥漿(1)的所述第一入口(4)和所述第一出口(5)如此設置，從而所述泥漿(1)沿所述超聲波焊機用加工工具通過。
6.如權利要求1至5中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)節(jié)裝置(10)包括一蠕動泵。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)節(jié)裝置(10)包括在所述蠕動泵的上游的一吸入單元(11)和過濾裝置(19)。
8.如權利要求1至7中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于其包括在所述載氣入口(7)的上游的一調(diào)節(jié)氣體泵(20)。
9.如權利要求1至8中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于其包括用來加熱所述泥漿(1)的加熱裝置(23)。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于用來加熱所述泥漿(1)的所述加熱裝置(23)設置于所述罐(2)的所述第一入口(4)的上游。
11.如權利要求1至10中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于其包括在所述罐(2)的所述第二出口(8)的下游的、用來加熱所述載氣和所述提取的氣體的加熱裝置(22)。
12.如權利要求1至11中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于其包括所述調(diào)節(jié)裝置(10)、載氣注入裝置(20)以及物理化學分析裝置(9)的同步裝置(24)。
13.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于其包括調(diào)節(jié)裝置(10)、載氣注入裝置(20)以及物理化學分析裝置(9)的控制裝置(24)，以便能夠連續(xù)地分析。
14.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于其包括調(diào)節(jié)裝置(10)、載氣注入裝置(20)以及物理化學分析裝置(9)的控制裝置(24)，以便能夠批量地分析。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于脫去泥漿中的氣體并分析泥漿中所含氣體的系統(tǒng)，通過一第一入口(4)供給罐(2)泥漿，并且該泥漿通過一第一出口(5)而排出。一超聲波電聲換能器(6)在包含于罐(2)中的泥漿中產(chǎn)生聲能場，從而從泥漿中提取氣體。載氣通過罐(2)的第二入口(7)注入，并且提取的氣體的物理化學分析裝置(9)連接至為所述載氣和提取的氣體而設計的罐(2)的第二出口(8)。供應給罐(2)的泥漿的流率被調(diào)節(jié)成恒定值，并且罐(2)中的泥漿的體積恒定。泥漿可以由石油勘探鉆井泥漿構成，于是將要提取的氣體是石油啟示氣體?？墒鼓酀{的供給和載氣的注入同步，從而能夠連續(xù)分析或批量分析。
文檔編號E21B21/00GK1576848SQ20041005980
公開日2005年2月9日 申請日期2004年6月22日 優(yōu)先權日2003年6月27日
發(fā)明者約瑟夫·克赫夫, 尼古拉斯·勒梅特 申請人:喬洛格公司