专利名称：用于脱去泥浆中的气体和分析泥浆中所含气体的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于脱去泥浆中的气体并分析泥浆中所含气体的系统，系统包括-一个罐，包括用于泥浆的一个第一入口和一个第一出口，-泥浆供给装置，与该罐的第一入口相连，-从该罐中所含的泥浆中提取气体的装置，-注入载气(carrier gas)的装置，与该罐的第二入口相连，-对提取气体进行物理化学分析的装置，与该罐的第二出口相连，为载气和提取气体而设计。
背景技术：
本发明涉及存在于泥浆中的气体的提取和分析，特别应用于检测存在于在进行油田勘探作业时获得的钻井泥浆中的启示气体(revealing gas)，如烃类气体和非烃类气体。对于这些勘探作业，进行钻孔和将钻井泥浆泵送至表面以便清理钻孔并分析钻井泥浆的实践。这些泥浆是密度约1至2kg/l的或多或少的流体非均匀介质，还易于包含气体和岩石的固体碎片。这些气体可以溶解入泥浆中或者俘获于固体的多孔结构中。在这些气体中，范围从含有一个、两个或三个碳原子的轻化合物到含有八个碳原子或更多的重化合物(heavy compound)的烃类气体的存在长期以来被认为是从含油观点出发代表钻孔利益的可靠启示因素。其它非烃类启示气体，例如，氩、H2S和CO2，可以提供钻孔所关心的地质性质的补充信息，但是这些气体通常更难检测。为了能够检测这种气体并准确地测量每单位体积泥浆中的气体含量，首先必须将它们以一种精确的、可靠的和快速的方式从泥浆中提取出来。
俘获于钻井泥浆中的气体的提取可以以几种不同的方式进行。
文献US 4,319,482描述了一种基于真空室的提取方法。然而，由于这种系统易毁坏并且不能经受大的温度变化，因此这种方法不适合于在进行钻井作业时在现场所遇到的艰难条件。
文献US 5,199,509和US 5,648,603描述了一种由马达驱动的具有几个臂的螺旋桨来执行的且作用于含有泥浆的罐的旋转机械搅拌技术。这种方法的缺点在于螺旋桨以非常不均匀的方式搅动罐中的泥浆。位于螺旋桨臂的轨迹上的泥浆得到了较大的搅动，而位于螺旋桨轴线以下的泥浆则没有。因此，这种方法不能使提取率象所希望获得的那样高，特别是对于与某些类型的烃相应的重气体尤其如此。
文献US 4,887,464描述了一个基于空气动力作用和机械作用的结合、并包括一个文丘里效应喷射器和一个转盘的提取系统。这种系统呈现出与上面针对美国专利5,199,509和5,648,603中所描述的方法而指出的那些缺点类似的缺点。
文献US 5,447,052描述的方法在于用微波能量加热钻井泥浆以脱去其气体。该方法存在气体的化学改性或着火的危险。
这些已知的技术存在着仅提取钻井泥浆中所含的轻气体的一部分、并不能提取含有六个、七个或八个或更多碳原子的重气体的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服这些缺点，更具体地说，在于能够以可靠的、准确的、定量的和快速的方式脱去钻井泥浆中的气体、并分析所提取的气体，特别是借助于对轻气体的更好的提取以及对重气体的甚至更好的提取来达到。
根据本发明，该目的通过附加的权利要求而得以实现，并且更特别地，通过下述事实得以实现提取装置包括一个超声波电声换能器，并且将泥浆供应给罐的供给装置包括能够保证罐内的预先设定恒定体积的泥浆、并能使流率调节至预先设定的恒定值的体积和流率调节装置。
通过下面对仅作为非限制性例子并在附图中描绘的本发明特定实施例的描述，其它的优点和特征将变得更加清楚显然，其中图1表示根据本发明的脱气系统的罐和电声换能器的横截面视图；图2表示根据本发明的用来脱去泥浆中的气体、并用来分析泥浆中所含气体的系统的示意图。
具体实施例方式
在图1中，泥浆1通过连接至设置在罐2的侧壁底部的第一入口4的供给管3输入罐2。其通过设置在罐2的侧壁顶部的第一出口5而排出，使得泥浆1的预先设定的恒定体积能够通过溢流而得以保证。泥浆接着在底部局部地填充罐2直到第一出口5的水平。超声波电声换能器6被设计来在包含于罐2中的泥浆1中产生声能场，于是从泥浆中提取气体。载气通过罐的第二入口7注入并携带着提取的气体通过第二出口8排出。第二入口7和第二出口8设置在泥浆的第一出口5的上方，从而载气和提取的气体占据罐2的顶部。
如图2所示，第二出口8连接至用来对提取的气体进行物理化学分析的装置9。把泥浆供应给罐的供给管3连接至能够使注入罐2的泥浆1的流率调节成预先设定的恒定值的泵10。该泵利用吸入单元11从罐12(例如含有例如来自于石油勘探钻井的泥浆的储罐或给料斗)来抽吸泥浆，在这种情况下将要提取的气体是石油启示气体。
尽管文献US 3,284,991在1966年公开了利用超声波脱去液体(特别是氢氧化钠)中的气体，然而所描述的设备仅被设计来除去存在于液体中的气泡。其无论如何不能对从液体中提取的气体进行分析。
在根据本发明的系统中，声能的产生使得从石油钻井泥浆中提取的轻气体的量可以达到已知系统的两倍，提取的重气体的量可以达到已知系统的四倍。调节泥浆的体积和流量可使每单位体积泥浆的气体量得以准确地和标定地测量，并通过根据泥浆的类型和状况将流率调节至在例如1和3l/min之间的恒定值而进行定量分析和比较分析。于是，对于重气体，分析的灵敏度可以达到比已知系统高四倍。该系统可以对来自于在不同时间取得的不同泥浆的气体的测量进行比较。
电声换能器6优选地包括一个与泥浆1接触的振动部件13。电声换能器6优选为集成了一个压电转换器14的一个超声波压电换能器6。该转换器将输入的电压Vin转换成振动机械能。转换器14典型地是工作在共振的朗之万型压电转换器(LangeVin type piezoelectric converter)，但也可使用其他类型的转换器，如电磁转换器、磁致伸缩转换器或电致伸缩转换器。振动部件13受转换器14作用开始机械振动，并将这些振动转换成泥浆1中的声能场。振动部件13优选为超声波焊机用加工工具(sonotrode)，其另外使由转换器产生的机械振动放大。其可以是例如圆筒状的并提供一个凸出部15。转换器14的共振频率与振动部件13的振动频率相同。换能器的工作频率接近于或者大于20kHz，这使得实现人听不见的运行。其甚至可以高于40kHz，从而动物也听不见。
一方面，部件13的顶端与罐2的装料高度之间的距离，另一方面，部件13的壁与罐2的内壁之间的距离，优选地在泥浆中超声波的四分之一波长到四倍波长之间。
振动部件13的振动以声压的形式传递给泥浆1。优选地，强振幅的超声波振动被用来产生高强度的声场，并用来引起泥浆中的气蚀现象。该现象的强脉冲能量对于从泥浆和俘获气体的固体颗粒的多孔结构中提取气体特别有效，因为能够使这些颗粒破碎。提取的气体结合在气泡中，并自然上升至罐2的顶部。
换能器6优选地包括一个与罐2的基底17的界面16，以便实现罐2的特定的密封性。界面16优选位于换能器6的振动节点处，以便不会干扰或阻抑振动部件13的振动。界面16举例来说可以包括弹性密封(未示出)，以便得到密封性。
如图1和2所示，第一入口4和第一出口5优选放置在罐2的相对点处，从而泥浆1的流动沿着振动部件13的最大可能表面而行进。
通过第二入口7注入的载气与在分析中要找寻的气体不同。在寻找钻井泥浆中的启示气体的场合，载气可以相当简单地是过滤后的干燥空气。在需要更准确分析提取的气体的情况下，载气可以是氢气、氦气或氮气。载气不被玷污，并与使用的分析装置9相适合。第二入口7和第二出口8优选位于罐2顶部的相对点处，并在泥浆水平面之上，以便带走最大量的从泥浆1中提取的气体。
参照图2，泵10优选地是一个能使注入罐2的泥浆1的流率被准确控制的蠕动泵。泵10可以由一个可控速度的旋转的、电动或液压马达18来驱动。只要其根据泥浆1的类型能够轻易地改变泵10的旋转速度及改进流率，以便调节其至所需恒定值，这种类型的马达就具有灵活性。为了保护泵10并防止过大尺寸的固体进入罐2内，可以将过滤器19放置于泵10的上游，并置于泵10与吸入单元11之间。尽管如此，注入罐内的泥浆可以含有毫米级或亚毫米级尺寸的颗粒。过滤器19优选可自行净化，例如利用由马达驱动的钢丝刷来进行。过滤器也可以是线性气动振动器型的，例如，每分钟振动2000次，这呈现出紧凑、可靠和供风的优点，消除了在易爆炸(由此是炸药)的环境中的电力设备的高成本。
一个经调节的载气流率泵20可以放置于罐2的第二入口7的上游。物理化学气体分析装置9典型地是质谱仪或色谱仪，例如是利用火焰电离检测(flame ionization detection，“FID”)的类型。在FID色谱仪的情况下，使用的载气是可燃气体，而如果使用质谱仪，该气体优选为中性的。
分析装置9与罐2隔开的距离可以是约一百米。超过这个距离，则载气和提取的气体会冷却并可能沿着将第二气体出口8连接到分析装置9的管道21而凝结，这会降低分析的灵敏度和准确性。为了防止气体的冷却，载气和提取的气体的加热装置22可以安装在罐2的第二出口8的下游。例如，可以将一根电缆缠绕在管道21周围，以便利用焦耳效应来加热管道。
如果需要的话，泥浆1的加热装置23(例如电感应系统)可以安装在罐2的第一入口4的上游，特别可用以改善冷泥浆的脱气。来自深水钻井的泥浆实际上具有5℃的温度，大大低于通常在50℃至70℃之间的陆地钻井泥浆的温度。在一个可选实施例中，罐2可以用电感应来加热，或者借助于缠绕在罐2周围的电缆利用焦耳效应来加热。
将控制电路24设计成通过控制泵10、泵20和分析装置9来执行泥浆1和气体的流动与气体的分析之间的同步。同步可以适合于两种分析模式，连续的或者批量的分析模式。在连续分析的场合，载气流速优选等于或接近于泥流的流速。
在另一个未示出的实施例中，放置于气体和泥浆1的入口和出口管道上的阀用来打开和关闭泥浆和气体管道。于是，有可能从连续分析模式切换到批量分析模式。这些阀优选为受控制电路24以适合于选定分析模式的方式而电动控制的电动阀。
批量分析可使系统被标定，例如，可以获知含在泥浆中的气体总量，在连续分析中，不必有效地进行气体的完全提取。例如，利用泥浆出口管置于泥浆入口管上方的事实来充填该罐，以便使得过量的泥浆可以溢流，接着泵停止了或者关闭泥浆入口阀。从包含于罐中代表一个样本的该泥浆的固定体积，进行超声波脱气以提取气体来测量与时间相对的提取的气体的量。这使得在大约10分钟的总提取时间之后，有可能确定含在该样本中的气体的总量，并由此确定在一个比总提取时间短的时间之后提取的气体的分数。提取气体的总量与连续运行中提取的气体量的比较可使作为流率函数的提取气体分数被确定。对于从第二样本中提取气体来说，泥浆入口阀在足够长的时间期间内打开以便在先的泥浆样本被新泥浆完全代替，优选地通过泵送大于罐容积几倍的泥浆量来进行，同时关掉超声波换能器6。对于从第二个样本中提取气体来说，使罐2的第二出口8下游的气体管道21中没有在对前一个样本进行提取时提取气体的残留物也很必要。当系统包括在罐下游的两个不同的气体管线时，则有可能从一个管线切换到另一个管线。接着关闭泥浆入口阀，并接通超声波换能器6，以便从第二样本提取气体。
标定可以获知给定脱气时间时每升泥浆提取的气体量与所含气体总量之间的比例。当切换回连续处理时，该标定结果可以直接适用于获知泥浆流率，以便不必将气体全部提取出来就可获知所含气体的总量。这个过程与没有标定的过程相比允许更高的流率，并能导致节省时间。
本发明不限于所示的实施例。特别地，换能器6可以布置在罐2的顶部。其也可以固定于罐2的底部上，其振动并且在与泥浆1接触时起到振动部件13的作用。
在一个可选实施例中，供给罐2泥浆1的泵10可以与压力调节器相联，并与伺服控制比例阀(未示出)相联。伺服控制可以借助于流率传感器或阀门开度位置传感器来进行。
并且，根据本发明的除气系统可被用来分析任何泥浆。在由污水处理厂产生的淤泥中，根据本发明的系统可使含在淤泥中的沼气的量和性质被有效地检测出来，并且如果它们的回收证明是人们所感兴趣的，则可使这些淤泥的能源潜力被检验来回收沼气。
权利要求
1.用来脱去泥浆(1)中的气体并用来分析含在所述泥浆(1)中的气体的系统，所述系统包括-一罐(2)，包括用于泥浆的一第一入口(4)和一第一出口(5)，-泥浆(1)的供给装置，连接至所述罐(2)的所述第一入口(4)，-用来从包含于所述罐(2)中的所述泥浆(1)中提取气体的装置，-用来注入载气的装置(20)，连接至所述罐(2)的一第二入口(7)，-用来物理化学分析所述提取的气体的装置(9)，连接至所述罐(2)的一第二出口(8)，为所述载气和所述提取的气体而设计，该系统的特征在于所述提取装置包括一超声波电声换能器(6)，并且用来将泥浆(1)供应给所述罐(2)的所述供给装置包括使得能够确保在所述罐(2)中的预先设定的恒定体积的泥浆(1)并使所述流率被调节到一个预先设定的恒定值的体积和流率调节装置(10)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述泥浆(1)是能够含有毫米级尺寸的固体颗粒的石油钻井泥浆，并且所述将要提取的气体是石油启示气体。
3.如权利要求1和2中的一项所述的系统，其特征在于所述超声波电声换能器(6)是压电换能器。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述换能器(6)包括一至少部分地设置于所述罐(2)的内部的超声波焊机用加工工具。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述泥浆(1)的所述第一入口(4)和所述第一出口(5)如此设置，从而所述泥浆(1)沿所述超声波焊机用加工工具通过。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的系统，其特征在于所述调节装置(10)包括一蠕动泵。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述调节装置(10)包括在所述蠕动泵的上游的一吸入单元(11)和过滤装置(19)。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的系统，其特征在于其包括在所述载气入口(7)的上游的一调节气体泵(20)。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的系统，其特征在于其包括用来加热所述泥浆(1)的加热装置(23)。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于用来加热所述泥浆(1)的所述加热装置(23)设置于所述罐(2)的所述第一入口(4)的上游。
11.如权利要求1至10中任意一项所述的系统，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、用来加热所述载气和所述提取的气体的加热装置(22)。
12.如权利要求1至11中任意一项所述的系统，其特征在于其包括所述调节装置(10)、载气注入装置(20)以及物理化学分析装置(9)的同步装置(24)。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于其包括调节装置(10)、载气注入装置(20)以及物理化学分析装置(9)的控制装置(24)，以便能够连续地分析。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于其包括调节装置(10)、载气注入装置(20)以及物理化学分析装置(9)的控制装置(24)，以便能够批量地分析。
全文摘要
本发明公开一种用于脱去泥浆中的气体并分析泥浆中所含气体的系统，通过一第一入口(4)供给罐(2)泥浆，并且该泥浆通过一第一出口(5)而排出。一超声波电声换能器(6)在包含于罐(2)中的泥浆中产生声能场，从而从泥浆中提取气体。载气通过罐(2)的第二入口(7)注入，并且提取的气体的物理化学分析装置(9)连接至为所述载气和提取的气体而设计的罐(2)的第二出口(8)。供应给罐(2)的泥浆的流率被调节成恒定值，并且罐(2)中的泥浆的体积恒定。泥浆可以由石油勘探钻井泥浆构成，于是将要提取的气体是石油启示气体。可使泥浆的供给和载气的注入同步，从而能够连续分析或批量分析。
文档编号E21B21/00GK1576848SQ20041005980
公开日2005年2月9日 申请日期2004年6月22日 优先权日2003年6月27日
发明者约瑟夫·克赫夫, 尼古拉斯·勒梅特 申请人:乔洛格公司