一种用于井下岩屑粒度在线分析的激光粒度仪

摘要

本发明公开了一种用于井下岩屑粒度在线分析的激光粒度仪，包括设置在钻柱内的两组激光粒度分析系统，钻柱内部设有与外部钻井液连通的样品池，每组激光粒度分析系统均包括有用于发射激光的激光器，激光器发射的激光光路照射穿过样品池，并且每组激光器的后端按照激光光路的前进方向依次设有扩束镜、滤波器、傅里叶透镜以及光电探测器阵列，光电探测器阵列和同组的其他部件分别位于样品池的两侧，并在靠近光电探测器阵列和激光器的样品池两侧分别设有透光的样品窗。本发明显著解决了光束单镜头存在的量程范围较小的问题，彻底解决了由于地表录井存在的迟到时间所导致岩屑位置不准确以及不同深度岩屑的混杂等因素带来的岩屑粒度分析结果失真的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光粒度仪，具体涉及一种用于井下岩屑粒度在线分析的激光粒度仪，属于激光技术在石油地质领域的应用。

背景技术

碎屑岩的岩屑粒度分析是判断其岩性、岩相以及沉积环境的基础材料之一，也是研究石油地质、合理勘探开发油气田必不可少的资料。在油田地质研究中起到了非常重要的作用。目前，碎屑岩的岩屑粒度分析主要依据井口录井肉眼观察描述，由于随钻井泥浆携带上返回来的岩屑十分细小，特别是PDC钻头的大范围使用后，所钻岩屑更为细碎，泥岩岩屑呈极细的粉末状，砂岩岩屑一般呈颗粒散砂状，且数量少，给传统的岩屑录井带来了很大困难。

随着激光粒度分析仪引入到油气田勘探与开发工作中，为油田的勘探开发提供了准确可靠的基础资料，但是，在实际应用中仍然无法解决以下几方面的问题：(1)地表录井方法普遍存在着迟到时间所带来的岩屑位置不准确的问题，即地下的岩屑上到地表后，而随着持续钻进，地下的钻进位置已发生变化，不能够准确地分析不同钻进地底深度的岩屑粒度情况。(2)不同深度位置的不同粒径岩屑混杂造成真假岩屑的判别困难。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的激光粒度分析仪存在的不足之处，提供一种用于井下岩屑粒度在线分析的激光粒度仪，实现在井下钻进过程中，进行随钻岩屑粒度分析，彻底解决由于迟到时间所带来的岩屑位置不准确以及不同深度岩屑的混杂等因素带来的岩屑粒度分析结果失真的问题。

本发明采用如下技术方案实现：

一种用于井下岩屑粒度在线分析的激光粒度仪，包括设置在钻柱内的两组激光粒度分析系统，所述钻柱内部设有与外部钻井液连通的样品池，每组所述激光粒度分析系统均包括有用于发射激光的激光器，所述激光器发射的激光光路照射穿过样品池，并且每组所述激光器的后端按照激光光路的前进方向依次设有扩束镜、滤波器、傅里叶透镜以及光电探测器阵列，所述光电探测器阵列和同组的其他部件分别位于样品池的两侧，并在靠近光电探测器阵列和激光器的样品池两侧分别设有透光的样品窗。

进一步的，所述扩束镜、滤波器、傅里叶透镜、样品窗以及光电探测器阵列与同组激光器发出的激光光路垂直正交设置。

进一步的，所述两组激光粒度分析系统沿钻柱的轴线方向布置在样品池的两侧，并且位于样品池同一侧的所有部件均封装在同一激光盒内。

进一步的，所述激光盒对称固定在样品池两侧的钻柱内部。

在本发明中，两组激光器分别为主激光源和辅助激光源，其发射的激光波长分别为560～660nm和890～990nm，其对应的光电探测器阵列分别接收对应波长的激光光束。

进一步的，所述主激光源对应的傅里叶透镜的等效焦距为1000～1400mm，所述辅助激光源对应的傅里叶透镜的等效焦距为50～100mm。

进一步的，所述样品窗为钢化平面玻璃。

进一步的，所述钻柱上设有若干对连通外部钻井液和样品池的钻井液流入孔和钻井液流出孔，每对所述钻井液流入孔和钻进流出孔共轴线设置，并相对于钻柱的轴线倾斜设置。

进一步的，所述钻井液流入孔和钻井液流出孔与钻柱轴线之间的倾斜夹角为20～45°。

进一步的，所述样品池连通的钻井液流入孔和钻井液流出孔为2～6对，并且每对钻井液流入孔和钻井液流出孔均匀分布于钻柱的四周。

本发明针对目前录井过程中靠人工肉眼描述岩屑或者通过激光粒度仪在地表对岩屑粒度分析的现状，采用一种结构简单、量程较宽、精度较高的双光束双镜头激光粒度仪，形成两套激光粒度分析系统对井下岩屑粒度在线分析，扩展了粒度分析的量程，并实现随钻在井下对岩屑粒度进行在线分析。

本发明提供的激光粒度仪与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明采用双光束双镜头测量钻井液中岩屑的颗粒大小，通过两个不同量程的激光源，显著解决了光束单镜头存在的量程范围较小的问题，有效提高了微米至微米粒度段颗粒粒度分布测量的精度。同时，实现了井下在线分析岩屑粒度，彻底解决了由于迟到时间所带来的岩屑位置不准确以及不同深度岩屑的混杂等因素带来的岩屑粒度分析结果失真的问题。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的激光粒度仪的结构示意图。

图2为实施例中的激光粒度仪在钻柱上的安装示意图。

图中标号：

1-第一激光盒，11-第一激光器，12-第一扩束镜，13-第一滤波器，14-第一傅里叶透镜，15-第一光电探测器阵列，

2-第二激光盒，21-第二激光器，22-第二扩束镜，23-第二滤波器，24-第二傅里叶透镜，25-第二光电探测器阵列，

3-样品池，31-第一样品窗，32-第二样品窗，33-第一钻井液流入孔，34-第二钻井液流入孔，35-第一钻井液流出孔，36-第二钻井液流出孔，

4-钻柱，5-外部钻井液。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，图示中的激光粒度仪为本发明的优选方案，其可安装在钻杆底部的钻柱4内部，随钻进过程实时检测钻井内的井下岩屑粒度，随着钻进会产生大量的携带岩屑颗粒的钻井液，该钻井液即是用于检测岩屑粒度的实验样本，在钻柱4内部设置有连通外部钻井液与样品池3的流体通道，同时采用两组激光粒度分析系统对样品池内的钻井液进行粒度分析，形成双镜头激光粒度仪。

如图1中所示，样品池3为设置在钻柱4内部的一空腔，该空腔与外部钻井液通过钻井液流入孔和钻井液流出孔连通，即夹杂岩屑的外部钻井液会随着钻进的过程进入到样品池3内，通过两组设置在样品池两侧的激光粒度分析系统对样品池3内进行不同波长的激光照射分析，对钻井液中的岩屑粒度进行在线分析，在样品池3的两侧为平面，并分别设置供激光光路穿过的样品窗。

在图1中，本实施例的样品池3左侧设置的激光粒度分析系统包括第一激光器11、第一扩束镜12、第一滤波器13、第一傅里叶透镜14、第一光电探测器阵列15，其中第一激光器11从左向右发射激光光路照射样品池3，第一扩束镜12、第一滤波器13和第一傅里叶透镜14依次布置在第一激光器11的激光管路前进方向上，并且镜片均相对于激光光路正交垂直设置，第一光电探测器阵列15则设置在样品池3的右侧，第一激光器11发出的激光光路穿过样品池3被第一光电探测器阵列15接收。

第一激光器11为主激光源，发射的激光波长为560～660nm，如优选波长为512nm，通过第一扩束镜12后形成单色发散光束，再经过第一滤波器13进一步滤波处理，实现杂散光过滤，经过第一傅里叶透镜14，第一傅里叶透镜14为长焦透镜，其等效焦距为1000～1400mm，优选1200mm，穿过第一傅里叶透镜的激光光路形成会聚光路，会聚光路穿过设置在样品池3左侧的第一样品窗31，经过样品池3内不同粒度大小的岩屑散射后，再穿过样品池3右侧的第二样品窗32抵达第一光电探测器阵列15，第一光电探测器阵列15接受到经过散射后的激光信号后转化为电信号，由于信号电缆传回地表进行处理。

本实施例的样品池3右侧设置的激光粒度分析系统包括第二激光器21、第二扩束镜22、第二滤波器23、第二傅里叶透镜24、第二光电探测器阵列25，其中第一激光器21从右向左发射激光光路照射样品池3，第二扩束镜22、第二滤波器23和第二傅里叶透镜24依次布置在第二激光器21的激光管路前进方向上，并且镜片均相对于激光光路正交垂直设置，第二光电探测器阵列25则设置在样品池3的左侧，第二激光器21发出的激光光路穿过样品池3被第二光电探测器阵列25接收。

第二激光器21为辅助激光源，发射的激光波长为890～990nm，优选波长为940nm，通过第二扩束镜22后形成单色发散光束，再经过第二滤波器23进一步滤波处理，实现杂散光过滤，经过第二傅里叶透镜24，第二傅里叶透镜24的等效焦距为50～100mm，优选80mm，穿过第二傅里叶透镜的激光管路形成会聚光路，会聚光路穿过设置在样品池3右侧的第二样品窗32，经过样品池3不同粒度大小的岩屑散射后，再穿过样品窗4左侧的第一样品窗31抵达第二光电探测器阵列25，第二光电探测器阵列25接受到经过散射后的激光信号后转化为电信号，由于信号电缆传回地表进行处理。

第一激光器11发出的主激光光束波长针对粒径较大的岩屑颗粒，第二激光器21发出的辅助激光光束波长针对粒径较小的岩屑颗粒，采用双光束双镜头，形成双激光粒度分析系统，扩大了仪器测量范围，可测得的散射谱覆盖0.1微米至数毫米的范围，实现了泥岩到砂砾岩的粒径的全覆盖。关于如何处理光电探测器阵列的电信号并转换为粒径信号为普通激光粒度仪的常用技术，本实施例在此不做赘述。

由于第一激光器11和第二激光器21发射的激光波长不同，对应的光电探测器阵列吸收对应波长的激光，因此位于另外一组激光粒度分析系统的激光光路上的光电探测器阵列不会对该组激光粒度分析系统造成影响。

如图2中所示，本实施例在钻柱4内部设置一内腔作为样品池3，两组激光粒度分析系统沿钻柱4的轴线方向布置在样品池3的两侧，在样品池的内腔两侧分别设置容置两组激光粒度分析系统的通道，并将样品池3的两侧和激光粒度分析系统所在的通道之间通过样品窗密封隔离，样品窗采用耐高温高压的平面钢化玻璃。位于样品池3同一侧的所有部件均封装在同一激光盒内，如本实施中的第一激光器11、第一扩束镜12、第一滤波器13、第一傅里叶透镜14和第二光电探测器阵列25均封装在样品池3左侧的第一激光盒1内，第二激光器21、第二扩束镜22、第二滤波器23、第二傅里叶透镜24和第一光电探测器阵列15均封装在样品池3右侧的第二激光盒2内，第一激光盒1和第二激光盒2则对称固定在样品池两侧的钻柱内部安装通道内。

如图1中所示，在钻柱4上设有两对连通样品池3和外部钻井液5的流体通道，即钻井液流入孔和钻井液流出孔，其中第一钻井液流入孔33和第一钻井液流出孔35共轴线设置，第二钻井液流入孔34和第二钻井液流出孔36共轴线布置，两对钻进液流入孔和钻进液流出孔的轴线相对于钻柱的轴线倾斜设置，倾斜夹角优选20～45°。

钻井液流入孔位于钻进方向后方，钻井液流出孔位于钻进方向前方。在钻进过程中，钻头打碎的岩屑随着钻井液向井口返回，携带大量岩屑颗粒的钻井液在回返经过钻柱4时，部分钻井液由第一钻井液流入孔33和第二钻井液流入孔34进入到样品池3中，再经过第一钻井液流出孔35和第二钻井液流出孔36流出，在钻井液流进流出样品池的过程中即完成了激光粒度仪对钻井液内部岩屑的粒度检测。在实际应用中，可在钻柱4上设置2～6对钻井液流入孔和钻井液流出孔，提高钻井液在样品池内流通的流畅性，所有的钻井液流入孔和钻井液流出孔均匀分布于钻柱的四周

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。