專(zhuān)利名稱(chēng)：用于分析鉆井液中所含的至少一種烴的設(shè)備及相關(guān)方法
用于分析鉆井液中所含的至少一種烴的設(shè)備及相關(guān)方法本發(fā)明涉及一種用于分析鉆井液中所含的至少一種烴的設(shè)備，所述設(shè)備包括:-提取器，其用于連續(xù)地提取鉆井液中所含的氣體，所述提取器具有出口，在所述出口處對(duì)氣流取樣，所述氣流含有至少一種待分析的烴和至少一種干擾化合物；-輸送管線(xiàn)，其連接至所述提取器的出口以便輸送所述氣流；-分析器，其包括能夠測(cè)量所述氣流中所述待分析的烴的檢測(cè)器。在油井或另一流出物(特別是氣體、蒸汽、水)的井的鉆探過(guò)程期間，已知的是，對(duì)從所述井出來(lái)的鉆井液(一般稱(chēng)為鉆井泥漿)中所含的氣態(tài)化合物進(jìn)行分析。這種分析使得重建在鉆探操作期間通過(guò)的地質(zhì)序列成為可能，并且在確定是否可以利用在開(kāi)采中所遇到的流體沉積物的可能性方面起一定作用。在鉆探時(shí)，不間斷地進(jìn)行化學(xué)分析并且所述化學(xué)分析包括兩個(gè)主要步驟。第一分析在于提取由鉆井泥漿攜帶的氣體(例如烴、二氧化碳、硫化氫…)，而第二分析在于對(duì)所提取的氣體定性和定量分析。對(duì)于第一步驟，經(jīng)常使用前述類(lèi)型(FR-A-2799790)的機(jī)械攪拌除氣器。從所述鉆井泥漿提取的氣體一其混有引入至外殼中的載氣一通過(guò)經(jīng)由氣體提取管道的抽吸而傳送到分析器，所述分析器允許對(duì)這些提取的氣體定量。為此，所述分析器可以包括:分離柱，其用于將不同的待分析的組分根據(jù)它們?cè)谒鲋械南疵摃r(shí)間進(jìn)行分離；和至少一個(gè)檢測(cè)器，其與適合的計(jì)算相關(guān)聯(lián)以便對(duì)每種待分析的組分定性和/或定量。當(dāng)鉆探油井時(shí)，已知的是例如以這種方式來(lái)對(duì)C1至C5烴分析和定量。在一些情況下，還可能從提取的樣品中測(cè)定任何C6至C8烴的存在。此外，或在一個(gè)變化方案中，還可以測(cè)定一種具體的烴(如甲烷、乙烷或丙烷)的
同位素比率12c/13c。由于干擾所述分析方法的污染化合物的存在，這些分析有時(shí)并不完全令人滿(mǎn)意。這些污染化合物(或干擾組分)可以存在，具體地說(shuō)當(dāng)使用特定鉆井泥漿(如合成油)時(shí)可以存在。確實(shí)，這些鉆井液易于含有干擾化合物，所述干擾化合物的洗脫時(shí)間介于第一種待分析的烴的洗脫時(shí)間與最后一種待分析的烴的洗脫時(shí)間之間。這些干擾化合物天然地存在于所述鉆井泥漿的成分中，或者是所述鉆井泥漿中所含的化合物之間的化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。這類(lèi)反應(yīng)是在所述泥漿暴露于在井底部遇到的高溫和高壓時(shí)發(fā)生。在甲烷的同位素分析的情況下，已知的干擾化合物(如乙烯(C2H4))可能使甲烷的同位素測(cè)量偏差，雖然乙烯不是來(lái)源于地層氣體的化合物，但它是由被稱(chēng)為鉆針變質(zhì)(Drill Bit Metamorphism)的復(fù)雜鉆探方法產(chǎn)生。為了克服這個(gè)問(wèn)題，W02009/090351公開(kāi)了一種分析設(shè)備，其包括具有與干擾化合物發(fā)生化學(xué)和/或物理 相互作用的表面，所述表面能夠選擇性地保留所述干擾化合物而不保留待分析的烴。所述表面例如被界定在放置于輸送管線(xiàn)上的可拆卸料筒中，或被界定在位于所述分析設(shè)備前面的預(yù)切割柱中。在W02009/090351所公開(kāi)的分析方法中，所述干擾化合物因此被提取出含有待分析的烴的氣流并且保留在所述相互作用表面上。因此，所述方法對(duì)于獲得從鉆井泥漿提取的烴類(lèi)氣體的精確分析來(lái)說(shuō)極其有效。然而，一段時(shí)間之后，所述相互作用表面可能完全充滿(mǎn)干擾化合物。這就是所述表面必須被拆除或再生以便保持所述方法的有效性的原因。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種設(shè)備，其允許以非常精確的方式在線(xiàn)分析鉆井液中所含的至少一種或多種烴，所述設(shè)備易于操作，維護(hù)最少。為此，本發(fā)明涉及一種前述類(lèi)型的設(shè)備，其特征為定位在提取器與檢測(cè)器之間并且接收氣流的至少一部分的化學(xué)反應(yīng)器，所述化學(xué)反應(yīng)器能夠進(jìn)行所述氣流中存在的至少一種干擾化合物的選擇性催化反應(yīng)，而至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以包括單獨(dú)地或以任何技術(shù)上可能的一種或多種組合:-所述設(shè)備包括溫度控制單元以便控制所述化學(xué)反應(yīng)器中的所述至少一種干擾化合物的選擇性催化反應(yīng)的溫度；-所述化學(xué)反應(yīng)器包括能夠進(jìn)行所述至少一種干擾化合物的選擇性光氧化的UV光單元；-所述化學(xué)反應(yīng)器含有分散在載體如氧化物上的催化系統(tǒng)，尤其是催化劑，如鉬顆粒;-所述催化劑包含至少一種金屬，有利地包含過(guò)渡金屬，如鉬、銠或鈀；-所述設(shè)備包括分離柱，所述分離柱能夠根據(jù)多種待分析的烴在所述分離柱中的洗脫時(shí)間來(lái)分離所述多種待分析的烴，所述分離柱被放置于所述提取器與所述檢測(cè)器之間，位于所述化學(xué)反應(yīng)器的上游或下游；

-所述分析器包括組成分析單元，所述分析單元包括適合用于對(duì)每種待分析的烴定性和/或定量的計(jì)算裝置；以及-所述分析器包括同位素測(cè)量單元。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種用于分析鉆井液中所含的至少一種烴的方法，所述方法包括以下步驟:-在提取器內(nèi)連續(xù)地提取所述鉆井液中所含的氣體的氣流，-在所述提取器的出口處對(duì)所述氣流取樣，所述氣流中存在至少一種待分析的烴和至少一種干擾化合物；-通過(guò)連接至所述提取器的出口的輸送管線(xiàn)收集并且輸送所述氣流；-在包括檢測(cè)器的分析器中測(cè)量所述氣流中的至少一種待分析的烴；其特征在于所述方法包括:.使所述氣流的至少一部分通過(guò)定位在所述提取器與所述檢測(cè)器之間的化學(xué)反應(yīng)器；.在所述化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行所述至少一種干擾化合物的選擇性催化反應(yīng)，而所述至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的方法可以包括單獨(dú)地或以任何技術(shù)上可能的一種或多種組合采用的一個(gè)或多個(gè)以下特征:-所述選擇性反應(yīng)步驟包括大致上使至少85摩爾百分?jǐn)?shù)的所述干擾化合物反應(yīng)，而大致上不使至少85摩爾百分?jǐn)?shù)的所述待分析的烴反應(yīng)；
-所述選擇性反應(yīng)步驟包括將所述化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制在所述至少一種干擾化合物選擇性地反應(yīng)而所述至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)的溫度范圍中；-所述選擇性反應(yīng)步驟包括在所述化學(xué)反應(yīng)器中選擇性地氧化、尤其是光氧化所述干擾化合物中的至少一種，而大致上不氧化所述至少一種待分析的烴；-所述方法包括以下步驟:使所述氣流傳進(jìn)入連接至所述輸送管線(xiàn)的分離柱中，以便根據(jù)所述多種待分析的烴在所述分離柱中的洗脫時(shí)間來(lái)分離所述多種待分析的烴；-所述分析步驟包括對(duì)每種待分析的烴定性和/或定量；以及-所述分析步驟包括測(cè)定所述至少一種待分析的烴的同位素含量。在閱讀以下描述后將更好地理解本發(fā)明，所述描述僅以舉例的方式給出，并且是參閱附圖來(lái)撰寫(xiě)，在附圖中:
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圖1是鉆井設(shè)施的垂直截面示意圖，所述鉆井設(shè)施配備有根據(jù)本發(fā)明的第一分析設(shè)備；-圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一分析設(shè)備的主要元件的垂直截面示意圖；-圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二分析設(shè)備的與圖2類(lèi)似的視圖；并且-圖4是根據(jù)本發(fā)明的第三分析設(shè)備的與圖2類(lèi)似的視圖。在下文所有內(nèi)容中，術(shù)語(yǔ)“上游”和“下游”應(yīng)相對(duì)于管道中流體的正常流動(dòng)方向來(lái)理解。根據(jù)本發(fā)明的分析設(shè)備用于供例如流體生產(chǎn)井(如烴生產(chǎn)井)用的鉆井設(shè)施11中。如圖1所示,所述設(shè)施11包括鉆出腔14的旋轉(zhuǎn)鉆井工具15、地面設(shè)施17,其中鉆井管道被放置于腔14中；以及根據(jù)本發(fā)明的第一分析設(shè)備19。界定腔14的鉆孔13由旋轉(zhuǎn)鉆井工具15形成在基底21中。在地面22處，具有排放管道25的井口 23封閉鉆孔13。鉆井工具15包括鉆頭27、鉆柱29以及液體注射頭31。鉆頭27包括用于鉆穿基底21的巖石的裝置33。所述裝置安裝在鉆柱29的下部上并且定位于鉆井管道13的底部中。鉆柱29包括一組中空鉆井管道。這些管道界定內(nèi)部空間35，所述內(nèi)部空間使之有可能將鉆井液從地面22送至鉆頭27。為此，液體注射頭31旋擰在鉆柱29的上部上。所述鉆井液具體地說(shuō)是鉆井泥漿，尤其是基于水或基于油的鉆井泥漿。地面設(shè)施17包括用于支撐鉆井工具15并且驅(qū)使其旋轉(zhuǎn)的裝置41、用于注射鉆井液的裝置43以及振動(dòng)篩45。注射裝置43水力連接至注射頭31以便將鉆井液引入鉆柱29的內(nèi)部空間35中并且使所述鉆井液在所述內(nèi)部空間中流動(dòng)。振動(dòng)篩45收集載有鉆井殘?jiān)?碎屑)的鉆井液，所述鉆井液從排放管道25流出。所述振動(dòng)篩配備有允許所述固體鉆井殘?jiān)?碎屑)與所述鉆井泥漿分離的篩。如圖2所示，分析設(shè)備19包括:用于對(duì)泥漿取樣的裝置51，在這個(gè)實(shí)施例中，所述裝置接入排放管道25中；氣體提取器53以及管線(xiàn)54，管線(xiàn)54允許所提取氣體從提取器53輸送至分析設(shè)備55A。分析設(shè)備19進(jìn)一步包括:用于所提取氣體的連接至輸送管線(xiàn)54的分析器55A，和根據(jù)本發(fā)明，用于在分析之前選擇性地處理從所述鉆井液提取的氣體的裝置56。在圖1的實(shí)施方案中，處理裝置56在提取器53與分析器55A之間串聯(lián)地安裝在輸送管線(xiàn)54上。取樣裝置51包括連接至排放管道25的液體取樣設(shè)備57、連接管59以及具有可調(diào)節(jié)流速的蠕動(dòng)泵61。在一個(gè)變化方案中，取樣裝置51安裝在用于從排放管道25流出的液體的接收槽中，例如，安裝在振動(dòng)篩45的附近。在另一變化方案中，取樣裝置51定位在直接連接至泥漿注射裝置43的槽中。在圖2所不的實(shí)施例中，提取器53包括外殼63、用于將泥衆(zhòng)供應(yīng)到外殼63中的管道65、用于將泥衆(zhòng)從外殼63排出的管道67、用于將載氣引入外殼63中的入口 69以及用于將所提取氣體從外殼63提取出的出口 71。外殼63包括密閉容器,其具有的內(nèi)部體積例如介于0.4升與3升之間。這個(gè)外殼63包括下部73和上部75，泥漿在下部中流動(dòng)，所述上部不含泥漿。外殼63進(jìn)一步配備有包括攪拌器79的攪拌裝置77，所述攪拌裝置被安裝到外殼63中并且由安裝在外殼63的上部75上的電動(dòng)機(jī)81驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。攪拌器79包括浸入泥漿中的攪拌機(jī)構(gòu)83。泥漿供應(yīng)管道65在蠕動(dòng)泵61的出口與入口孔85之間延伸，所述入口孔形成在外殼63的下部73或上部75中。所述供應(yīng)管道65可 以配備有用于加熱泥漿的裝置(未示出)，以便使泥漿的溫度達(dá)到5°C與150°C之間、優(yōu)選地60°C與90°C之間的值。排出管道67在形成于外殼63的上部75中的溢流通道87與用于接收從設(shè)備53排出的泥漿的貯留槽89之間延伸。在一個(gè)變化方案中，貯留槽89由用于從振動(dòng)篩45提取的液體的接收槽90形成，如圖1所示。在這個(gè)實(shí)施例中，排出管道67連續(xù)地包括:向下傾斜的上游部分91，其與水平面成例如大約45°C的角度；形成虹吸管的成角部分93 ;以及大致上垂直的下游部分95，其朝向槽89布置的下端97在在槽89中所含的液體的水平面以上開(kāi)放。貯留槽89中和槽90中收集的泥漿通過(guò)泥漿循環(huán)管道98循環(huán)至注射裝置43。引入入口 69向外殼63的上部75中開(kāi)放。所述引入入口有利地連接至載氣源(未示出)，如空氣、氮?dú)饣蚝?。在一個(gè)變化方案中，入口 69向定位在外殼63周?chē)拇髿庵虚_(kāi)放。用于排出所提取氣體的出口 71界定在所述外殼的上部中，有利地在攪拌器75附近。所述出口包括用于連接至輸送管線(xiàn)54的接頭101。管線(xiàn)54安裝在接頭101上。管線(xiàn)54能夠連續(xù)地對(duì)來(lái)自外殼63的上部75中的泥漿的所提取氣體的氣流取樣，以便將所述氣流傳送至分析器55A。如以下將看出的，這種氣流主要含有載氣、待分析的烴、水蒸汽、以及污染物(或干擾化合物)。在進(jìn)入處理裝置56之前，上游氣流含有至少一種不同于水的化合物，所述化合物能夠干擾至少一種烴的分析。以下將更確切地定義在此提及的干擾化合物。所分析的烴是例如C1至(；烴，其中η小于或等于10，有利地η小于或等于8。如以下將進(jìn)一步看出的，不同于水的干擾化合物將取決于所使用的鉆井泥漿的性質(zhì)和鉆井條件。所述干擾化合物還可以取決于所使用的分析器設(shè)備的性質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述干擾化合物是不飽和的烴，其干擾氣流中所含的甲烷的測(cè)量。在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述干擾化合物是直鏈、支鏈或環(huán)狀的不飽和烴，其具有少于6個(gè)、有利地少于4個(gè)的碳原子數(shù)。在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述干擾化合物是乙烯。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述干擾化合物包含至少一個(gè)雜原子，尤其是氧、氮或硫原子。具體地說(shuō)，這些干擾化合物進(jìn)一步包括C1至Cltl烴基，尤其是C1至C5烴基，所述烴基可以是直鏈、支鏈或環(huán)狀的，飽和或不飽和的。所述干擾化合物包括例如被一個(gè)或多個(gè)-OH,-NH2,-NH-R1,-NR2R3>-OR4,-SH,-SR5,-R6COO (R7)基團(tuán)取代的 C1 至 Cltl 烷基或烯基或炔基，其中R1至R7彼此獨(dú)立地表示C1至Cltl烷基。所述干擾化合物尤其是醇、醚或酯，其具有少于10個(gè)的碳原子數(shù)、尤其少于5個(gè)的碳原子數(shù)。 在另一個(gè)實(shí)施例中，所述干擾化合物是氨(NH3)。參閱圖2，輸送管線(xiàn)54將布置在井口 23附近的處于爆炸區(qū)中的外殼63連接至分析器55A，所述分析器被定位成進(jìn)一步遠(yuǎn)離井口 23、處于在非爆炸區(qū)域中，例如處于加壓?jiǎn)卧?。在一個(gè)變化方案中，管線(xiàn)54非常短并且分析器55A放置在所述井口附近的爆炸區(qū)域中。輸送管線(xiàn)54優(yōu)選地利用對(duì)從泥漿提取的氣態(tài)化合物為惰性的材料來(lái)制造，所述材料如鋼、聚乙烯(PE)、四氟乙烯(FEP)或PTFE。輸送管線(xiàn)54的長(zhǎng)度例如在IOcm與500m之間變化。

從圖2的上游至下游看，輸送管線(xiàn)54配備有集水器103、定位在外殼63附近的流速控制器105、意圖傳送所提取氣體的真空泵107、以及用于從泵107的上游連接分析器55A的支連管109。集水器103包括至少一個(gè)冷水冷凝表面，以便大致上通過(guò)冷凝去除所提取氣體中存在的水蒸汽。流速控制器105是例如通過(guò)具有校準(zhǔn)的橫截面收縮的管形成。所述控制器對(duì)于在管線(xiàn)54中流動(dòng)的所提取氣流設(shè)定體積流速。所述流速是例如介于IOOmL每分鐘與2000mL每分鐘之間，并且有利地等于500mL每分鐘。泵107允許通過(guò)抽吸將來(lái)自外殼63的所提取氣體輸送至分析器55A。所述泵放置于分析器55A附近。所述泵具有連接至管線(xiàn)54的與支連管109平行的入口和向大氣中開(kāi)放的排放出口。支連管109在泵107的上游開(kāi)放。所述泵能夠?qū)芫€(xiàn)54中流動(dòng)的所提取氣體的體積流速的最多20%取樣，而通過(guò)泵107流動(dòng)的所提取氣體的剩余流被排出到大氣中。在圖2的實(shí)施例中，分析器55A包括用于待分析的烴的分離柱121、用于在分離柱121中流動(dòng)的每種烴的連續(xù)檢測(cè)的檢測(cè)器123、以及用于對(duì)已經(jīng)由檢測(cè)器123鑒別的烴定性和/或定量的裝置125。分離柱121是氣相色譜分離柱。所述柱是例如利用凝膠形式的固定相來(lái)裝填，從而允許所述烴在所述凝膠中的選擇性溶解，以便選擇性地將它們保留(氣-液色譜法)。在一個(gè)變化方案中，所述柱具有允許與待分析的烴相互作用的固體涂層，以便根據(jù)它們與涂層相的特異親和力來(lái)選擇性地將它們保留(氣-固色譜法)。分離柱121能夠根據(jù)待分析的烴的碳數(shù)(從C1至Cn)將所述烴從在分析器55A的入口處所注射的氣流中相繼地洗脫。待分析的烴以介于IOs與150s之間的不同洗脫時(shí)間從柱121中出來(lái)。在本發(fā)明的上下文中并且在下文的所有內(nèi)容中，“干擾化合物”將具有介于第一種待分析的烴(即C1烴)的洗脫時(shí)間與最后一種待分析的烴(即Cn烴)的洗脫時(shí)間之間的在分離柱121中的洗脫時(shí)間，如果這些干擾化合物已經(jīng)與待分析的烴同時(shí)注射至柱121中。檢測(cè)器123是例如火焰離子化檢測(cè)器(FID)、或替代地是熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)、或替代地是質(zhì)譜儀(MS)，這取決于所要的分析類(lèi)型。定性和/或定量裝置125能夠定性和/或定量所述C1至Cn烴，其中η小于或等于10，有利地η小于或等于8 ;以便可檢測(cè)它們?cè)谒鰵饬髦械拇嬖?，并且?duì)它們的相對(duì)含量
進(jìn)行定量。根據(jù)本發(fā)明，處理裝置56包括化學(xué)反應(yīng)器141、和定位在反應(yīng)器141下游的收集器143，以便進(jìn)行至少一種干擾化合物的選擇性反應(yīng)并且有利地收集由所述干擾化合物參與的反應(yīng)的至少一種產(chǎn)物。“干擾化合物的選擇性反應(yīng)”是指至少一種干擾化合物大致上和獨(dú)立地在化學(xué)反應(yīng)器141中反應(yīng)，而沒(méi)有發(fā)生與至少一種待分析的烴的實(shí)質(zhì)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)器141是由例如管道制成。這種管道——其中含有待分析的烴的未處理氣流必須通過(guò)一可以是含有催化系統(tǒng)147的玻璃管、或陶瓷管或鋼管，以便在反應(yīng)器141中誘導(dǎo)所需的反應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理裝置56進(jìn)一步包括爐145和溫度控制單元149，以便允許調(diào)節(jié)和優(yōu)化所需反應(yīng)的溫度?；瘜W(xué)反應(yīng)器141有利地是管狀固定床反應(yīng)器。在這個(gè)實(shí)施例中，包括化學(xué)反應(yīng)器141、爐145、催化系統(tǒng)147以及其它集水器143的處理裝置56定位在化學(xué)反應(yīng)器141的下游和分離柱121的上游?；瘜W(xué)反應(yīng)器141與支連管109串聯(lián)連接。在一個(gè)變化方案中，處理裝置56定位在分離柱121的下游，介于分離柱121與檢測(cè)器123之間?；瘜W(xué)反應(yīng)器141包括:入口孔151，所述入口孔接收含有待分析的烴和干擾化合物的未處理氣流；和出口孔153，所述出口孔分配大致上不含干擾化合物并大致上含有至少一種待分析的烴的已處理氣流。在化學(xué)反應(yīng)器141內(nèi)部，插入過(guò)濾裝置148以便固定并保持催化系統(tǒng)147。這個(gè)過(guò)濾器148優(yōu)選地是由具有受控孔隙率的玻璃或陶瓷或鋼制成。根據(jù)所述催化系統(tǒng)的尺寸來(lái)選擇多孔網(wǎng)狀物的平均尺寸，因?yàn)樗闹饕康氖潜Ａ羲龌瘜W(xué)反應(yīng)器內(nèi)部的活性相(或催化相)。對(duì)于已處理氣體而言，“大致上無(wú)干擾化合物”或“干擾化合物大致上反應(yīng)”是指在催化系統(tǒng)147的存在下，每種干擾化合物在所述化學(xué)反應(yīng)器中有效地反應(yīng)，以使得相對(duì)于在入口孔151處的入口流中的干擾化合物的含量來(lái)說(shuō)，O至15摩爾百分比的干擾化合物剩余在出口孔153處的出口已處理氣態(tài)流中。對(duì)于已處理氣體而 言，“大致上至少一種待分析的烴”或“大致上沒(méi)有與至少一種待分析的烴的反應(yīng)”是指入口孔151處的入口未處理氣流中可獲得的至少一種待分析的烴的多于85摩爾百分比仍然存在于在出口孔153處的出口已處理氣流中。所述入口未處理氣流和所述出口已處理氣流都是大致上呈氣相，S卩，含有多于90體積百分比的氣體。如以上所指示，催化系統(tǒng)147安裝在化學(xué)反應(yīng)器141中以便允許與在特定溫度下流動(dòng)的氣流相接觸。催化系統(tǒng)147通常包括催化劑載體和催化相。所述催化載體是例如微粒固體表面，催化顆粒沉積在所述表面上。所述催化載體可以是所有類(lèi)型的陶瓷、氧化物或金屬合金。作為氧化物的一個(gè)實(shí)例，所述催化劑載體可以是石英、鋁氧化物、鋯氧化物、鈰氧化物或所有類(lèi)型的離子導(dǎo)體，如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯或所有類(lèi)型的混合導(dǎo)體。所述催化載體可以是呈以下形式:粉末、蜂窩狀結(jié)構(gòu)、巨孔固體、微孔固體或中等孔固體、巨孔粒狀固體、多孔材料、纖維非織造或織造材料、泡沫材料、單孔球粒(simpleporous pellet)或能夠含有催化相的所有類(lèi)型的多孔材料。催化材料可以沉積在適當(dāng)材料上的薄膜或涂層形式存在。所述催化相有利地由催化顆粒制成。所述催化相包含例如:過(guò)渡金屬，如鈀、銠、銥、鉬、釕、金、銀、銅、錫；任何金屬合金，如Pt-Ru ;或金屬顆粒的締合物(association),如Pt/Rh ；或至少一種金屬與氧化物的締合物，如鈦氧化物、銀氧化物、錳氧化物、釩氧化物、銅氧化物、鍶氧化物、鑭氧化物；或氧化物的任何締合物。在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述催化系統(tǒng)包括具有化學(xué)式Al2O3的氧化鋁載體。所述載體有利地固持由貴金屬(如鉬顆粒)的分散體形成的催化劑。有利地，所述催化 系統(tǒng)允許進(jìn)行在界定的溫度范圍下操作的選擇性氧化反應(yīng)，以便選擇性地氧化至少一種干擾化合物而至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)。所述氧化反應(yīng)是利用所述未處理氣流中可獲得的氧來(lái)進(jìn)行，并且被稱(chēng)為選擇性催化反應(yīng)(SCR)。所述反應(yīng)的產(chǎn)物是二氧化碳和水。溫度控制單元149定位在爐145的周?chē)?。所述溫度控制單元能夠控制在化學(xué)反應(yīng)器141內(nèi)部流動(dòng)的氣流的溫度，以便將反應(yīng)溫度保持在界定的范圍下，在所述界定的范圍中，至少一種干擾化合物大致上反應(yīng)，而至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)。所述反應(yīng)產(chǎn)物被收集在收集器143中，所述收集器定位在化學(xué)反應(yīng)器141的下游。在所述具體實(shí)施例中，作為反應(yīng)所得到的產(chǎn)物之一的水被捕集在收集器143中。因此，在反應(yīng)器141中，所述干擾化合物化學(xué)地轉(zhuǎn)化成另一種化學(xué)物質(zhì)，所述化學(xué)物質(zhì)被收集在收集器143中或不會(huì)干擾在分析器55A中進(jìn)行的至少一種待分析的烴的分析。作為一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)待分析的烴是甲烷(CH4)時(shí)并且當(dāng)干擾化合物是乙烯(C2H4)時(shí)，用于乙烯的選擇性催化氧化而大致上不氧化甲烷的預(yù)定溫度范圍是介于50°C與450°C之間，尤其是介于100°C與280°C之間。在這個(gè)溫度下，所述乙烯大致上與所述氣流中存在的氧反應(yīng)以便形成二氧化碳(CO2)和水(H2O),而所述甲烷大致上不會(huì)與氧反應(yīng)并且保持不受影響。現(xiàn)在參閱圖1，以一個(gè)實(shí)施例來(lái)描述在鉆井操作期間進(jìn)行的根據(jù)本發(fā)明的分析方法。
為了進(jìn)行鉆井操作，通過(guò)地面設(shè)施41驅(qū)使鉆井工具15旋轉(zhuǎn)。通過(guò)注射裝置43將鉆井液(有利地是一種液體)引入到鉆柱29的內(nèi)部空間35中。流體向下移動(dòng)直到鉆頭27，并且通過(guò)鉆頭27進(jìn)入到鉆孔中。液體冷卻并且潤(rùn)滑鉆柱29，并且尤其用來(lái)將鉆井過(guò)程期間產(chǎn)生的碎屑從底部排出至地面。確實(shí),所述液體收集由鉆井操作產(chǎn)生的固體碎屑并且通過(guò)鉆柱29與鉆孔13之間界定的環(huán)狀空間向上回移。載有固體(尤其是碎屑或鉆巖)的液體隨后通過(guò)排放管道25排出。然后所述液體形成載有待分析的氣體的鉆井泥漿。然后提取并且分析這些氣體。參閱圖2，啟動(dòng)蠕動(dòng)泵61以便連續(xù)地對(duì)管道25中流動(dòng)的鉆井泥漿的給定部分取樣。這個(gè)泥漿部分經(jīng)由供應(yīng)管道65傳送至外殼63，并且引入所述外殼中。經(jīng)由供應(yīng)管道65引入外殼63中的泥漿通過(guò)經(jīng)由溢流通道87溢流到排出管道67中而排出。此外,排出的泥 漿的一部分暫時(shí)地停留在排出管道67的虹吸管93中，這樣防止任何氣體通過(guò)排出管道67的下端97而進(jìn)入外殼63的上部75。因此，將氣體引入外殼63中僅僅通過(guò)弓I入入口來(lái)進(jìn)行。由電動(dòng)機(jī)81來(lái)驅(qū)使攪拌器79旋轉(zhuǎn)，并且在外殼63的下部73中攪拌泥漿，以便進(jìn)行所述泥漿中所含氣體的連續(xù)提取。填滿(mǎn)上部75的從所述泥漿提取的泥漿氣體與通過(guò)注射通道69引入的載氣混合。如之前所指明，在由泵107引起的抽吸作用下，連續(xù)地對(duì)出口 71處的所提取氣體的未處理氣流取樣。如以上所指明，所提取氣體的未處理流在通過(guò)注射口 69引入的載氣中被稀釋。所述氣流含有不同量的組分，通常是待在分析器55A中分析的C1至(；烴、水蒸汽，以及干擾化合物，如乙烯或醇、醚、酯、酮、或胺。這些干擾化合物的存在是因?yàn)樗鼈兪嵌ㄎ辉谧⑸溲b置43中的泥漿的組合物的一部分，或者因?yàn)樗鼈兪怯伤瞿酀{在井的底部流動(dòng)時(shí)構(gòu)成泥漿的組合物之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。未處理氣流然后通過(guò)集水器103傳送以便通過(guò)冷凝去除存在的水蒸汽。所述氣流然后流過(guò)流速控制器105。在管線(xiàn)54中流動(dòng)的氣流的受控流速是例如介于100mL/min與2000mL/min 之間。然后，可以通過(guò)支連管109對(duì)所述氣流的大約小于20%體積取樣，而剩余氣流通過(guò)所述泵輸送至大氣。然后，支連管109中存在的未處理氣流流動(dòng)通過(guò)化學(xué)處理裝置56。參閱圖2，未處理氣流被引入化學(xué)反應(yīng)器141的入口孔151中。溫度控制單元149設(shè)定在界定的溫度下，所述界定的溫度足以進(jìn)行至少一種干擾化合物的實(shí)質(zhì)反應(yīng)，而至少一種待分析的烴無(wú)實(shí)質(zhì)反應(yīng)。未處理氣流流入化學(xué)反應(yīng)器141中并且接觸催化系統(tǒng)147，尤其是催化相。在反應(yīng)器141中，所述干擾化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以便被轉(zhuǎn)化成不會(huì)干擾至少一種待分析的烴的測(cè)量的產(chǎn)物。不經(jīng)取樣直接對(duì)從所述提取器流至所述分析器的氣流在線(xiàn)地(on-line)進(jìn)行所述反應(yīng)。
例如，當(dāng)所述干擾化合物是如乙烯的不飽和的烴時(shí)，所述化合物與所述氣流中可獲得的氧反應(yīng)，以便在所述化學(xué)反應(yīng)器的溫度保持在低于400°C并且有利地高于100°C的溫度下時(shí)產(chǎn)生二氧化碳和水。在這個(gè)溫度范圍下，所述干擾化合物在化學(xué)反應(yīng)器141中完全地并且理想地轉(zhuǎn)化。然后，已處理氣流和由所述干擾化合物的反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物通過(guò)出口孔153排出。已處理氣流隨后流至收集所述反應(yīng)的產(chǎn)物的收集器143。在這個(gè)實(shí)施例中，收集器143是集水器，其收集由化學(xué)反應(yīng)器141中的選擇性催化氧化產(chǎn)生的水。因此，在處理裝置56的出口孔153處連續(xù)地流動(dòng)的已處理氣流含有待分析的C1至Cn烴，但是不含在分離柱121中具有介于第一種待分析的烴的洗脫時(shí)間與最后一種待分析的烴的洗脫時(shí)間之間的洗脫時(shí)間的至少一種干擾化合物。然后，將已處理氣流引入分離柱121中，所述分離柱允許根據(jù)C1至Cn烴在柱121中的洗脫時(shí)間而將它們選擇性地分離。通過(guò)檢測(cè)器123檢測(cè)這些烴的相繼存在。第一檢測(cè)峰對(duì)應(yīng)于C1烴；第二峰對(duì)應(yīng)于C2烴，第三峰對(duì)應(yīng)于C3烴，第四峰對(duì)應(yīng)于iC4烴，第五峰對(duì)應(yīng)于nC4烴，第六峰對(duì)應(yīng)于iC5烴并且第七峰對(duì)應(yīng)于冗5烴。通過(guò)對(duì)比，當(dāng)支連管109中存在于處理裝置56上游的未處理氣流被直接注射至柱121中而不通過(guò)處理裝置56時(shí)，未處理氣流中存在的具有介于第一種待分析的烴(即C1烴)的洗脫時(shí)間與 最后一種待分析的烴(即&5烴)的洗脫時(shí)間之間的洗脫時(shí)間的干擾化合物產(chǎn)生干擾峰。這些峰掩蓋、扭曲或擾亂對(duì)應(yīng)于某些待分析的烴的正常峰。因此，實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法使之有可能在提取器的出口處在線(xiàn)地測(cè)量從所述泥漿提取的氣流中C1至Cn烴的存在并且精確地對(duì)至少C1至C5烴進(jìn)行定量，而不存在由于如乙烯或醇、醚或酯類(lèi)型的干擾化合物的存在而導(dǎo)致的測(cè)量偏差。設(shè)備19和所對(duì)應(yīng)的方法因此易于操作，特別是易于在鉆井設(shè)施中操作。為了以有效的方式操作設(shè)備19進(jìn)行的設(shè)備維護(hù)最少，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)器141可以連續(xù)地操作持續(xù)一段延長(zhǎng)的時(shí)間。在圖3中示出根據(jù)本發(fā)明的第二設(shè)備219。圖3中所示的設(shè)備與圖2中所示的設(shè)備19類(lèi)似。作為與設(shè)備19的不同之處，分析器55B包括同位素測(cè)量單元221，所述單元能夠?qū)δ撤N組分的一個(gè)具體同位素與同一組分的第二同位素的相對(duì)比率進(jìn)行定量。具體地說(shuō)，同位素測(cè)量單元221能夠?qū)χ辽僖环N烴(尤其是甲烷)的12C/13C同位素比率進(jìn)行定量。同位素測(cè)量單元221例如包括分離柱,所述分離柱包括于例如氣相色譜儀中，其有利地與柱121類(lèi)似并與由質(zhì)譜儀構(gòu)成的檢測(cè)器聯(lián)接。作為一個(gè)變化方案，所述同位素測(cè)量設(shè)備包括光學(xué)測(cè)量檢測(cè)器，如在本申請(qǐng)人的專(zhuān)利申請(qǐng)W02009/037517和W02008/017949中公開(kāi)的光學(xué)測(cè)量檢測(cè)器，其帶有或沒(méi)有分離柱。當(dāng)所述干擾化合物是乙烯時(shí)，待分析的氣態(tài)流中乙烯的存在使得甲烷的同位素比
率12C/13C的測(cè)量值偏差。
當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的第二設(shè)備219時(shí)，乙烯的選擇性催化氧化通過(guò)化學(xué)處理裝置56在化學(xué)反應(yīng)器141中連續(xù)地并大致上進(jìn)行，從而產(chǎn)生水和二氧化碳。所述水被捕集在收集器143中并且甲烷同位素比率的測(cè)量值沒(méi)有偏差。在圖3中以虛線(xiàn)示出的一個(gè)變化方案中，與圖2中所示的分析器相同的組成分析器55A還可以與同位素分析器55B并聯(lián)地添加以便延展所述化學(xué)分析。在收集器143的出口處獲得的已處理出口氣流被分成兩個(gè)氣態(tài)流。第一個(gè)流流至組成分析器55A，而第二個(gè)流流至同位素分析器55B。在圖4中所示的第三設(shè)備231中，組成分析器55A和同位素分析器55B串聯(lián)安裝。分析器55A的位置在如圖4中所示的設(shè)備55B的上游，但取決于所要的測(cè)量類(lèi)型，所述位置還可以是相反的。在所有情況下，已處理氣體相繼地進(jìn)入到兩個(gè)分析器55A和55B中。在兩個(gè)分析器之間，可以放置與處理裝置56類(lèi)似的另外的處理裝置56B以便在分析之前增加和擴(kuò)展所述氣體的化學(xué)處理。另外的處理裝置56B用于大致上進(jìn)行與至少一種干擾化合物的反應(yīng)，而界定在處理裝置56上方的相同比例的至少一種待分析的烴沒(méi)有實(shí)質(zhì)反應(yīng)。在一個(gè)變化方案中，提取器53由中空管道形成，所述中空管道浸入所述泥漿中并且具有形成用于所述泥漿中所含的氣體的提取膜的多孔壁。所述中空管道通過(guò)另一個(gè)短長(zhǎng)度的管道連接至分析器55A、55B。之前描述的處理裝置56放置在所述提取膜與分析器55A、55B的檢測(cè)器之間。

在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，處理裝置56可以通過(guò)適配UV光系統(tǒng)而在室溫下工作?？梢允∪t145。例如，可以在具有光-催化系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)器141中進(jìn)行選擇性催化反應(yīng)。在這種情況下，所述反應(yīng)是光氧化。所述化學(xué)反應(yīng)器則與溫度控制單元或/和UV光控制單元相關(guān)聯(lián)，這取決于所要的選擇性催化反應(yīng)的類(lèi)型。因此，根據(jù)所使用的設(shè)備來(lái)適配催化系統(tǒng)147。例如，為了進(jìn)行光氧化，所述催化相優(yōu)選氧化鈦。
權(quán)利要求
1.用于分析鉆井液中所含的至少一種烴的設(shè)備(19；219 ;231)，所述設(shè)備包括: -提取器(53)，其用于連續(xù)地提取所述鉆井液中所含的氣體，所述提取器(53)具有出口(71)，在所述出口處對(duì)氣流取樣，所述氣流含有至少一種待分析的烴和至少一種干擾化合物； -輸送管線(xiàn)(54)，其連接至所述提取器(53)的所述出口(71)以便輸送所述氣流； -分析器(55A ;55B)，其包括能夠測(cè)量所述氣流中所述待分析的烴的檢測(cè)器；其特征為: -化學(xué)反應(yīng)器(141)，其定位在所述提取器(53)與所述檢測(cè)器之間并且接收所述氣流的至少一部分，所述化學(xué)反應(yīng)器能夠進(jìn)行所述氣流中存在的至少一種干擾化合物的選擇性催化反應(yīng)，而至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(19;219;231)，其特征在于所述設(shè)備包括溫度控制單元(149)以便控制所述化學(xué)反應(yīng)器(141)中所述至少一種干擾化合物的所述選擇性催化反應(yīng)的溫度。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述化學(xué)反應(yīng)器(141)包括能夠進(jìn)行所述至少一種干擾化合物的選擇性光氧化的UV光單元。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備(19;219;231)，其特征在于所述化學(xué)反應(yīng)器含有分散在載體如氧化物上的催化系統(tǒng)(147)，尤其是催化劑，如鉬顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備(19;219;231)，其特征在于所述催化系統(tǒng)包含至少一種金屬，最好包含過(guò)渡金屬，如鉬、銠或鈀。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備(19;219;231)，其特征在于所述設(shè)備包括分離柱(121)，其能夠根據(jù)多種待分析的烴在所述分離柱(121)中的洗脫時(shí)間來(lái)分離所述多種待分析的烴，所述分離柱(121)放置在所述提取器(53)與所述檢測(cè)器之間，位于所述化學(xué)反應(yīng)器(141)的上游或下游。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備(19;219;231)，其特征在于所述分析器(55A)包括成分分析單元，所述單元包括適合用于對(duì)每種待分析的烴定性和/或定量的計(jì)算裝置。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備(19;219;231)，其特征在于所述分析器(55B)包括同位素測(cè)量單元。
9.用于分析鉆井液中所含的至少一種烴的方法，所述方法包括以下步驟: -在提取器(53)內(nèi)連續(xù)地提取所述鉆井液中所含的氣體的氣流， -在所述提取器(53)的出口(71)處對(duì)所述氣流取樣，所述氣流中存在至少一種待分析的烴和至少一種干擾化合物； -通過(guò)連接至所述提取器(53)的所述出口(71)的輸送管線(xiàn)(54)收集并且輸送所述氣流； -在包括檢測(cè)器的分析器(55A;55B)中測(cè)量所述氣流中的所述至少一種待分析的烴； 所述方法的特征包括: 使所述氣流的至少一部分通過(guò)定位在所述提取器(53)與所述檢測(cè)器之間的化學(xué)反應(yīng)器(141)；` 在所述化學(xué)反應(yīng)器(141)中進(jìn)行所述至少一種干擾化合物的選擇性催化反應(yīng)，而所述至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述選擇性反應(yīng)步驟包括大致上反應(yīng)至少85摩爾百分?jǐn)?shù)的所述干擾化合物，而大致上不使至少85摩爾百分?jǐn)?shù)的所述待分析的烴反應(yīng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于所述選擇性反應(yīng)步驟包括將所述化學(xué)反應(yīng)器(141)的溫度控制在使所述至少一種干擾化合物選擇性地反應(yīng)而所述至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)的溫度范圍中。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述選擇性反應(yīng)步驟包括在所述化學(xué)反應(yīng)器(141)中選擇性地氧化、尤其是光氧化所述至少一種干擾化合物，而大致上不氧化所述至少一種待分析的烴。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟:使所述氣流傳進(jìn)入連接至所述輸送管線(xiàn)(54)的分離柱(121)中，以便根據(jù)所述多種待分析的烴在所述分離柱(121)中的洗脫時(shí)間來(lái)分離所述多種待分析的烴。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述分析步驟包括對(duì)每種待分析的烴定性和/或定量分析。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述分析步驟包括確定所述至少一種待分析的烴的同位素含 量。
全文摘要
設(shè)備包括提取器(53)，所述提取器具有出口(71)，在所述出口處對(duì)氣流取樣。所述氣流包含至少一種待分析的烴和至少一種干擾化合物。輸送管線(xiàn)(54)連接至所述提取器(53)的所述出口(71)以便將所述氣流輸送至分析器(55A)，所述分析器包括能夠測(cè)量這種氣流中所含的所述至少一種待分析的烴的檢測(cè)器。所述設(shè)備包括定位在所述提取器(53)與所述檢測(cè)器之間的化學(xué)反應(yīng)器(141)。所提取氣體的至少一部分被輸送通過(guò)所述化學(xué)反應(yīng)器(141)，在所述化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行至少一種干擾化合物的選擇性催化反應(yīng)，而所述至少一種待分析的烴沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)反應(yīng)。
文檔編號(hào)C10G70/00GK103229051SQ201180056912
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者R·卡勞姆, J·布雷維埃, P·賓尼克 申請(qǐng)人:地質(zhì)服務(wù)設(shè)備公司