用超声分子束快速分析钻井液组分的方法 技术领域 本申请涉及一种快速分析钻井液组分的方法, 尤其涉及一种用超声分子束分析钻 井液组分种类和浓度的方法。
背景技术 石油地质勘探现场对钻井液的测定包括测定钻井液中气态组分 ( 挥发性烃、 非 烃 ) 液态组分 ( 重烃、 油 )、 和固态组分 ( 矿物质 ) 的种类和浓度。通过组分分析结果获得 地层信息, 及时发现油气显示、 预报工程事故 ;
目前组分分析多采用气相色谱法, 该方法成本低廉、 对同类化学组分 ( 如烃类 ) 有 较好的区别能力, 但是它分析速度慢、 外设复杂、 维护难度大、 需要载气, 而且还需要定期标 定, 对未知组分缺乏鉴别能力, 无法实现多态同测。
虽然常规光谱方法可以弥补气相色谱法的不足, 但是它对同类化学组分的鉴别能 力较差, 烃类的光谱有部分或严重重叠。轻烃 C1-C5 的分辨需要有经验的专业人员使用复 杂的化学计量分析方法预先建立好一整套模型后才能实现 ; 至于 C6 以上的重烃, 难度成级 数增加, 组分分析的准确度从而大大降低。 另外采用光谱的方法, 如果采集的光信号为透射 光信号, 则无法直接测量不透明的钻井液 ; 如果采集的光信号为散射或反射光, 则测量的灵 敏度因为是单点测量而降低。
发明内容 本申请的目的是使用现有的测量技术更好地实现钻井液组分的分析, 简化样品的 预处理, 提高组分分析准确度、 精度和灵敏度, 扩大可分辨组分的种类, 增加组分分析能力 ; 进而提高石油地质勘探过程中地质解释评价能力和事故预测预防能力。
本申请的核心是采用超声分子束的方法突出或放大钻井液中各组分的特征观测 值, 进而提高组分分析精确度, 即分子束中的物质在分子束形成过程中被冷却, 从而简化了 物质的物理和化学量在测量表象中的复杂性, 使不同的物质的特征量在测量表象中得到放 大或突出。同时, 超声分子束的方法也为钻井液的气、 液、 固三态同测提供了一种方案。
本申请采用了一种用超声分子束分析钻井液组分种类和浓度的方法, 其特征在 于, 该方法包含以下步骤 :
步骤一, 获得被测钻井液中的组分, 然后由高压腔经喷嘴进入低压腔形成超声分 子束 ;
步骤二, 测量所述超声分子束得到若干测量值 ;
步骤三, 对若干测量值进行分析, 获得被测钻井液各组分的化学成分及其浓度。
比较好的是, 所述步骤一之前进一步包括预处理, 所述预处理包括 :
如果只需要检测钻井液中携带的气体, 则将被测钻井液经过脱气处理, 获得气态 组分 ; 如果需要同时检测气态、 液态或固态组分, 则将被测钻井液去除大颗粒杂质。
比较好的是, 所述去除了大颗粒杂质的组份还要经过雾化处理形成气溶胶形态。
比较好的是, 所述超声分子束的平移速度分布的半宽小于最高平移速度的 10%。
比较好的是, 所述步骤一中, 所述喷嘴进一步包括针孔喷嘴或狭缝喷嘴。
比较好的是, 所述步骤二中, 所述测量是采用光谱、 x- 射线谱、 微波谱、 太赫兹谱、 电子自旋谱、 核磁共振谱、 飞行时间质谱中的一种或多种方法进行测量。
比较好的是, 所述步骤二中, 所述测量是对超声分子束的下游部分进行测量, 所述 下游部分与喷嘴的距离大于 10 倍喷嘴孔径。
本申请使得测量装置可以直接对钻井液中的所有成分进行测量, 根据对测量结果 的分析进而确定钻井液中各组分的种类和浓度, 其优点在于 :
a) 钻井液中各组分的特征测量值被突出或放大, 从而提高组分种类分析和浓度测 定的准确度、 精度和灵敏度 ;
b) 钻井液只需简单的预处理, 其中的气态、 液态和固态组分可以被同时测量 ;
c) 与现有技术相比, 可同时测量的组分数目多, 各个组分间测量值的相互干扰 小;
d) 与常规光谱技术相比, 只需要使用最简单的化学计量方法, 建模简单、 周期短 ;
e) 可实现非接触测量, 减小对测量仪器的污染。 附图说明 下面, 参照附图, 对于熟悉本技术领域的人员而言, 从对本申请的详细描述中, 本 申请的上述和其他目的、 特征和优点将显而易见。
图 1 为本申请方法的工作流程图。
图 2 为本申请方法的超声分子束工作示意图。
图 3 为超声分子束吸收谱测量示意图。
图 4 为超声分子束拉曼位移测量示意图。
图 5 中 a) 为轻烃 (C2-C5) 等比混合气的常规红外光谱, 测量分辨率为 4cm-1。
图 5 中 b) 为轻烃 (C2-C5) 等比混合气的超声分子束红外光谱, 测量分辨率为 -1 4cm 。
具体实施方式
参照图 1, 本申请的具体实施步骤如下 :
a) 预先处理 :
步骤 101, 根据现场需求, 判定是否只需要检测钻井液中携带的气体 ;
步骤 102, 如果只需要检测钻井液中携带的气体, 则将钻井液经过脱气器或恒温脱 气器 111 脱附, 获得气态组分 ;
步骤 103, 如果现场需要同时检测气态、 液态或固态组分, 则将钻井液首先经过大 孔隙过滤器 112 除去钻井液中大颗粒杂质,
b) 形成超声分子束 :
步骤 104, 经脱附后的气体组份直接进入高压腔 121, 经过喷嘴 122 喷射进入低压 腔 124 形成超声分子束 123 ; 或者, 去除了大颗粒杂质的组份经过声波或超声波雾化器 125 雾化, 雾化后的钻井液以气溶胶的形态进入高压腔 121、 经过喷嘴 122 喷射进入低压腔 124形成超声分子束 123。高压腔 121 是相对于低压腔 124 而言, 它们之间存在压力差 ; 超声分 子束 123 由原子、 离子、 分子、 分子簇或者气溶胶构成, 超声分子束 123 具有很好方向性, 平 移速度分布的半宽小于最高平移速度的 10%。
c) 测量步骤 :
步骤 105, 使用测量装置 130 对超声分子束进行测量, 调整测量点相对于喷嘴 122 的位置和角度, 使得预期测量值最大, 从而实现不同组分的特征观测值通过超声分子束方 法被突出或者放大 ; 其中, 测量装置可以是 x- 射线谱仪、 光谱仪、 微波谱仪、 太赫兹谱仪、 电 子自旋谱仪、 核磁共振谱仪、 飞行时间质谱仪等可以直接或间接测量分子束中各组分化学、 物理性质的装置。
d) 分析测量结果 :
步骤 106, 将测量结果送入分析系统 140, 根据预先建立的数据库、 模型和方法进 行查找、 分析和计算, 确定各组分的化学成分以及它们的浓度。
下面以两个实施实例的方式对本申请作进一步描述, 本申请不局限于如下实例。
实例一, 参照图 2, 用超声分子束红外吸收测量气态组分
a) 对钻井液中的挥发性轻烃进行脱附处理, 将脱出的气体引入超声分子束系统。 , 气体经过狭缝喷嘴 122 形成平面超声分子束 123。这里之所以采用狭缝喷嘴是为了增加超 声分子束的有效吸收光程。
b) 使用可调谐激光光谱仪或者傅立叶红外光谱仪 210 测量平面超声分子束 123 的 吸收光谱。准直的光线从光谱仪 210 的光源窗口 211 发射出来, 进入由高反镜 221 和高反 镜组 222 构成的多光程系统, 光线多次与平面超声分子束 123 发生相互作用后返回光谱仪 210 的观测窗口 212。为了使平面超声分子束 123 中各组分的特征谱峰被突出和放大, 光线 与平面超声分子束 123 发生相互作用的位置距狭缝喷嘴应该大于 10 倍喷嘴的狭缝宽度 ; 另 外光线应尽可能平行于狭缝喷嘴 122, 从而确保最大有效吸收光程。如图 5 所示, 与常规红 外光谱 ( 图 5a) 相比, 超声分子束红外光谱 ( 图 5b) 中各组分的特征谱峰凸显出来了。
c) 对光谱数据进行分析处理, 获得各组分的特征峰的吸收强度, 并根据朗伯 - 比 尔定律直接计算出各组分的浓度。由于各组分的特征谱峰被突出和放大, 组分分析省去了 复杂的化学计量方法和建模, 并提高了组分分析的准确度和灵敏度。
实例二, 参照图 3, 用超声分子束散射测量气态组分
a) 对钻井液中的挥发性轻烃进行脱附处理, 将脱出的气体引入超声分子束系统。 气体经过针孔喷嘴 122 形成分子束 123。
b) 使用激光诱导荧光法或者激光拉曼光谱法测量超声分子束 123 的荧光光谱或 拉曼光谱。激光光源 311 的准直激光经过凸透镜 312 聚焦到超声分子束 123 内, 凸透镜 313 从垂直于激光的方向收集荧光散射或者斯托克斯散射, 被收集的光线进入光栅光谱仪 314 从而产生荧光光谱或者拉曼光谱。为了使超声分子束 123 中各组分的特征谱峰被突出和放 大, 激光与超声分子束 123 发生相互作用的位置距喷嘴应该大于 10 倍喷嘴孔径。
c) 其他步骤同实例一。
需要说明的是, 本方法中的测量和分析过程均可以采用本技术领域所公知使用的 技术来实现, 并不限制于本实施例所给出的情况。
综上所述, 利用本方法分析钻井液中油气组分, 简化了样品的预处理, 提高了组分分析准确度、 精度和灵敏度, 扩大了可分辨组分的种类。
前面提供了对较佳实施例的描述, 以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本 申请。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的, 可把这里所述的总 的原理应用到其他实施例而不使用创造性。 因而, 本申请将不限于这里所示的实施例, 而应 依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。