BR112013023675B1

BR112013023675B1 - transdutor e instrumento para medir as propriedades de um fluido do poço

Info

Publication number: BR112013023675B1
Application number: BR112013023675-2A
Authority: BR
Inventors: Dwight W. Swett; Holger C. Stibbe
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2021-05-04
Also published as: GB2502466A; GB2562349B; GB201803495D0; GB2562349A; BR112013023675A2; NO20131040A1; NO346079B1; GB2502466B; GB201314190D0

Abstract

TRANSDUTOR E INSTRUMENTO PARA MEDIR AS PROPRIEDADES DE UM FLUIDO DO POÇO. A presente invenção refere-se a um transdutor inclui um adaptador de pré-carga (34) tendo uma porção de luva (36) e uma extremidade e um alojamento (22) incluindo uma porção de assento (24) e uma porção de eixo (23) que se estende a partir da porção de assento (24). O transdutor também inclui um elemento piezelétrico contido pelo menos parcialmente dentro de uma câmara que é pelo menos parcialmente definida pela porção de luva (36) e pela porção de eixo (23) e um diafragma (50) acoplado em um lado externo da extremidade, tal que o movimento do elemento piezelétrico causa o movimento do diafragma (50).

Description

Referência Cruzada com Pedidos Relacionados

[001] Esse pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente U.S. N°. 13/420.190 depositado em 14 de março de 2012, que reivindica prioridade para o Pedido de Patente U.S. N°. 13/411.710 depositado em 5 de março de 2012, que ainda reivindica prioridade sob 35 U.S.C. § 119(e) para o Pedido de Patente Provisório U.S. N°. 61/453.323, depositado em 16 de março de 2011, intitulado PIEZOELECTRIC TRANSDUCER FOR MEASURING FLUID PROPERTIES, todos os quais são, com isso, incorporados por referência nas suas íntegras.

Antecedentes 1. Área da Invenção

[002] A presente invenção refere-se, de forma geral, a instrumen tos para medir propriedades do fluido e, particularmente, a um transdutor piezelétrico para medir as propriedades dos fluidos do poço.

2. Descrição da Técnica Relacionada

[003] Em aplicações de perfuração subterrânea, tais como explo ração e recuperação de petróleo e gás, um poço é perfurado na terra. O processo de perfuração pode incluir fazer medições dos fluidos no poço enquanto o poço está sendo perfurado (perfilagem durante a perfuração (LWD)). Em alguns casos, um cabo de aço é usado para abaixar um instrumento de medição dentro do poço depois que o estágio do processo de perfuração foi completado para medir as propriedades dos fluidos no poço.

[004] As propriedades medidas do fluido podem incluir, por exemplo, a densidade e a viscosidade do fluido. As propriedades podem ser medidas colocando um oscilador mecânico na trajetória de fluxo do fluido. A densidade do fluido é medida primariamente medindo as mudanças na frequência vibratória do oscilador enquanto a viscosidade é determinada primariamente monitorando o tempo de decaimento da ressonância.

[005] Outras propriedades podem ser medidas, direta ou indire tamente, utilizando a velocidade das medições do som obtidas no fluido. Essas medições são tipicamente chamadas como medições da "velocidade do som" e podem ser usadas, por exemplo, para determinar uma razão de gás para petróleo (GOR) do fluido.

[006] Atualmente, existem dispositivos que podem medir duas de três da velocidade do som, densidade e viscosidade. Em particular, existem instrumentos que podem medir densidade e viscosidade ou que podem medir densidade e a velocidade do som. Instrumentos que podem ser usados para medir todos os três não existem.

Breve Sumário

[007] De acordo com uma modalidade, é revelada uma ferramen ta no fundo do poço incluindo uma carcaça que inclui um orifício da amostra através do qual um fluido de amostra pode ser puxado para dentro da ferramenta no fundo do poço e um canal da amostra atravessando a carcaça em comunicação de fluido com o orifício da amostra e através do qual o fluido da amostra percorre. Nessa modalidade, o canal da amostra inclui uma câmara da amostra tendo uma entrada e uma saída localizadas ao longo do canal da amostra, a câmara da amostra incluindo três câmaras cilíndricas incluindo uma cavidade média do ressonador circundada por duas cavidades externas do resso- nador, uma das duas cavidades externas do ressonador incluindo uma entrada do sensor para receber um sensor e permitir que ele contate com fluidez o fluido da amostra quando ele se movimenta através do canal da amostra.

[008] De acordo com outra modalidade, um método de avaliação de um fluido da amostra é revelado. O método inclui:

[009] puxar um fluido de uma localização no fundo do poço para dentro de uma câmara da amostra em uma ferramenta no fundo do poço;

[0010] passar o fluido através de uma câmara da amostra, a câ mara da amostra incluindo uma entrada e uma saída localizadas ao longo do canal da amostra, a câmara da amostra incluindo três câmaras cilíndricas incluindo uma cavidade média do ressonador circundada por duas cavidades externas do ressonador, uma das duas cavidades externas do ressonador incluindo uma entrada do sensor para receber um sensor e permitir que ele contate com fluidez o fluido da amostra quando ele se movimenta através do canal da amostra e avaliar o fluido da amostra com o sensor quando ele passa através da câmara da amostra.

[0011] De acordo com outra modalidade, é revelado um transdutor que inclui um adaptador de pré-carga tendo uma porção de luva e uma extremidade e um alojamento incluindo uma porção de assento e uma porção de eixo que se estende da porção de assento. Nessa modalidade, o transdutor ainda inclui um elemento piezelétrico contido completamente dentro de uma câmara que é definida pela porção de luva e porção de eixo e um diafragma acoplado em um lado externo da extremidade, tal que o movimento do elemento piezelétrico causa o movimento do diafragma.

[0012] De acordo com outra modalidade, é revelado um instrumen to para medir as propriedades de um fluido do poço que inclui uma carcaça, uma câmara de fluido formada dentro da carcaça e produzindo uma trajetória de fluido pelo menos parcialmente através do instrumento e um transdutor montado na carcaça e tendo um diafragma móvel localizado pelo menos parcialmente dentro da câmara do fluido. O transdutor nessa modalidade inclui um adaptador de pré-carga tendo uma porção de luva e uma extremidade, um alojamento incluindo uma porção de assento e uma porção de eixo que se estende da porção de assento e um elemento piezelétrico contido completamente dentro de uma câmara que é pelo menos parcialmente definida pela porção de luva e porção de eixo. O diafragma nessa modalidade é acoplado em um lado externo da extremidade, tal que o movimento do elemento pi- ezelétrico causa o movimento do diafragma.

[0013] De acordo com ainda outra modalidade, é revelado um transdutor que inclui uma porção de luva tendo uma extremidade, um alojamento incluindo uma porção de assento e uma porção de eixo que se estende da porção de assento e um elemento piezelétrico contido pelo menos parcialmente dentro de uma câmara que é pelo menos parcialmente definida pela porção de luva e a porção de eixo, tal que o elemento piezelétrico não contata um fluido durante uma operação de amostragem. O transdutor dessa modalidade também inclui um diafragma acoplado em um lado externo da extremidade, tal que o movimento do elemento piezelétrico causa o movimento do diafragma.

Breve Descrição dos Desenhos

[0014] As descrições seguintes não devem ser consideradas limi tadoras em qualquer maneira. Com referência aos desenhos acompanhantes, elementos semelhantes são numerados iguais:

[0015] a Figura 1 ilustra um instrumento disposto em um poço;

[0016] a Figura 2 é uma vista em perspectiva de um transdutor de acordo com uma modalidade;

[0017] a Figura 3 é uma vista lateral recortada do transdutor mos trado na Figura 2;

[0018] a Figura 4 mostra uma vista lateral recortada do transdutor mostrado na Figura 2 instalado em um instrumento;

[0019] a Figura 5 é uma vista em perspectiva de um exemplo do diafragma que pode ser utilizado com uma modalidade de um transdu- tor;

[0020] a Figura 6 é uma vista recortada do instrumento mostrando uma modalidade do canal da amostra; e

[0021] a Figura 7 ilustra o canal da amostra da reivindicação 6 tendo um sensor disposto nele.

Descrição Detalhada

[0022] Uma descrição detalhada de uma ou mais modalidades do aparelho e método revelados é apresentada aqui por meio de exemplificação e não limitação com referência às figuras. Em particular, é revelado aqui um transdutor que pode ser utilizado para medir uma ou todas da densidade, viscosidade e velocidade do som de um fluido. Na descrição seguinte, será assumido que o fluido sendo examinado é um fluido existente no interior ou que pode ser extraído de uma parede de um poço penetrando a terra, mas o transdutor revelado aqui poderia ser utilizado em outros fluidos também. Adicionalmente, embora um transdutor seja particularmente descrito, deve ser entendido que modalidades da presente invenção podem se estender a qualquer instrumento que transporte um transdutor como revelado aqui ou seus equivalentes.

[0023] Com referência agora à Figura 1, uma amostragem do flui do no ambiente do poço envolve geralmente dispor um instrumento 10 dentro de um poço 5 através de um cabo de aço 8. Opostamente localizados na porção externa do instrumento 10 estão um orifício da amostra 14 e um recurso de impulsão 12. Quando o orifício da amostra 14 está próximo a uma formação de interesse 6, o recurso de impulsão 12 é estendido contra a superfície interna do poço 5, dessa forma encaixando o orifício da amostra 14 na formação 6. O encaixe do orifício da amostra 14 penetra o diâmetro externo do poço 5 e possibilita a comunicação de fluido entre o fluido na formação 6 e o orifício da amostra 14. O instrumento 10 pode também incluir um canal da amostra 15 através do qual o fluido em contato com o orifício da amostra 14 pode ser puxado por uma bomba ou outro dispositivo em uma maneira tal que ele flui através do canal da amostra 15. As medições das propriedades do fluido podem ser medidas por um ou mais instrumentos de medição dispostos dentro ou ao redor do canal da amostra 15. Como discutido em mais detalhes abaixo, um transdutor de acordo com uma modalidade pode ser disposto com relação ao canal da amostra 15 em uma maneira que permite que ele seja usado para medir uma ou mais da densidade, viscosidade e velocidade do som de um fluido.

[0024] Deve ser entendido que o cabo de aço 8 pode ser conecta do em uma sonda e inclui um elemento de tensão e vários condutores para transmitir os comandos para o instrumento 10, para receber dados do instrumento 10, bem como proporcionar força. O cabo de aço 8, como tal, pode ser acoplado em um módulo eletrônico (por exemplo, um dispositivo de computação) e permitir a transmissão de comandos de operação necessários para o instrumento 10 para transferência de dados bidirecional. Os dados podem ser gravados em um meio de armazenamento de arquivo de qualquer tipo desejado para processamento simultâneo ou posterior. Os dados podem ser transmitidos na forma analógica ou digital. Processadores de dados, tal como um computador adequado, podem ser fornecidos para executar a análise dos dados no campo em tempo real ou os dados gravados podem ser enviados para um centro de processamento ou ambos para processamento posterior dos dados.

[0025] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um transdutor 20 de acordo com uma modalidade. O transdutor 20 pode ser disposto dentro ou sobre o instrumento 10 mostrado na Figura 1, tal que ele pode executar medições no fluido atravessando o canal da amostra 15. Em uma modalidade, o transdutor 20 é um transdutor piezelétrico como descrito em mais detalhes abaixo. De forma geral, um transdutor piezelétrico é um transdutor que inclui um ou mais elementos piezelé- tricos.

[0026] O transdutor 20 ilustrado na Figura 2 inclui um alojamento 22. Como ilustrado, o alojamento 22 inclui uma porção de eixo 23 acoplada em uma porção de assento 24. A porção de eixo 23 se estende para longe de uma superfície de união 25 da porção de assento 24. A porção de eixo 23 pode ser cilíndrica como ilustrado na Figura 2 ou de qualquer outra forma. A porção de eixo 23 circunda pelo menos uma porção de um elemento piezelétrico em uma modalidade. Como ilustrado, a porção de eixo 23 tem um diâmetro externo que é menor do que o diâmetro da porção de assento 24. Dessa maneira, a porção de eixo 23 pode se estender para dentro de um furo em um instrumento de medição enquanto a porção de assento 24 (e particularmente, a porção superior 25) é presa com rotação com relação a uma superfície que circunda o furo. Em uma modalidade, a porção de assento 24 inclui um ou mais furos de fixação 30 através dos quais uma cavilha (preferivelmente não rosqueada) ou outro elemento rígido pode passar para impedir a rotação do alojamento 22 em relação à superfície que circunda o furo. O furo para dentro do qual a porção de eixo 23 se estende pode prover acesso, por exemplo, a um fluido atravessando um canal da amostra 15 (FIG. 1).

[0027] A porção de eixo 23 inclui um ou mais furos de acesso 27 através dos quais um cabo ou outro condutor pode passar a fim de transportar a tensão ou corrente para o elemento piezelétrico dentro do alojamento 22. Em uma modalidade, os furos de acesso 27 também permitem que um cabo ou outro condutor transporte a tensão ou a corrente para longe do elemento piezelétrico. Naturalmente, o número de furos 27 na porção de eixo 23 pode ser variado desse mostrado na Figura 2 dependendo da execução particular e pode ser omitido em alguns casos. Em uma modalidade, os furos 27 podem ser movidos para outra localização no alojamento 22. A porção de eixo 23 pode incluir opcionalmente uma ranhura de vedação 32 para dentro da qual um anel o de vedação ou outro mecanismo de vedação pode ser inserido.

[0028] O transdutor 20 também inclui um adaptador de pré-carga 34. O adaptador de pré-carga 34 provê um mecanismo pelo qual o elemento piezelétrico dentro da porção de eixo 23 pode ser carregado em compressão. Para esse fim, o adaptador de pré-carga 34 pode ser rosqueado ou de outra forma unido na porção de eixo 23 a fim de conceder uma força compressiva de pré-carga no elemento piezelétrico dentro do alojamento 22. O adaptador de pré-carga 34 inclui uma face de união 35 configurada para se unir com uma projeção interna no furo para dentro do qual a porção de eixo 23 é inserida.

[0029] O transdutor 20 também inclui um dispositivo de retenção do sensor 40. O dispositivo de retenção do sensor inclui recursos de união ilustrados como roscas 42 que permitem que ele force o alojamento 22 em direção ao adaptador de pré-carga 34.

[0030] O transdutor ainda inclui um diafragma 50. Em operação, o diafragma 50 fica exposto a um fluido no canal da amostra 15 (FIG. 1). O diafragma 50 serve para transladar a oscilação criada pelo elemento piezelétrico em um fluido no canal da amostra 15 (FIG. 1) sem o elemento piezelétrico ser exposto a ou de outra forma ficar em contato com o fluido. Além disso, em uma modalidade, o diafragma 50 pode ser utilizado para sentir a resistência (impedância) do fluido à oscilação do elemento piezelétrico. Detalhes adicionais do diafragma 50 são discutidos abaixo.

[0031] A Figura 3 é uma vista lateral recortada do transdutor 20 ilustrado na Figura 2. Na modalidade ilustrada, um elemento piezelétri- co 60 é disposto com uma câmara 62 formada dentro do adaptador de pré-carga 34 e da porção de eixo 23. O elemento piezelétrico 60 fica completamente envolvido dentro da câmara 62 em uma modalidade.

[0032] Como ilustrado, o adaptador de pré-carga 34 inclui uma porção de luva interna 36 configurada para se estender para um diâmetro interno da porção de luva 23. A profundidade que a porção de luva interna 36 se estende para dentro da porção de eixo 23 pode variar dependendo da aplicação. A porção de luva interna 36 é presa fixamente na porção de luva 23 para causar a compressão de pré-carga no elemento piezelétrico 60. Em uma modalidade, a porção de luva interna 36 tem um diâmetro externo que é menor do que o diâmetro interno da porção de luva 23. Deve ser entendido, entretanto, que o adaptador de pré-carga 34 poderia circundar uma porção da porção de luva 23. Em tal caso, o diâmetro interno da porção de luva interna 36 poderia ser maior do que o diâmetro externo da porção de luva 23.

[0033] O adaptador de pré-carga 34 inclui uma superfície de união 65. O lado externo 67 da superfície de união 65 é acoplado no diafragma 50. Em uma modalidade, o lado externo 67 pode incluir um ressalto 66 ou outro acessório estendido dele no qual o diafragma 50 pode ser preso. Naturalmente, o ressalto 66 pode ser omitido e o diafragma 50 pode ser conectado diretamente no lado externo 67 da superfície de união 65. Naturalmente, a superfície de união 65 pode ter espessura variada através do seu diâmetro para acomodar a precisão da medição enquanto mantendo a integridade estrutural.

[0034] A superfície de união 65 do adaptador de pré-carga 34 também inclui um lado interno 68 que pode ser utilizado para aplicar pressão, direta ou indiretamente, no elemento piezelétrico 60. A porção de eixo 23 também inclui um elemento de camada interna 64. Em uma modalidade, o elemento piezelétrico 60 fica contido entre o elemento de camada interna 64 e o lado interno 68 da superfície de união 65 do adaptador de pré-carga 34.

[0035] Naturalmente, a configuração exata da porção de eixo 23 e do adaptador de pré-carga 34 pode ser variada dessa mostrada na Figura 3. A despeito da configuração exata, o alojamento 22 e o adaptador de pré-carga 34 cooperam para aplicar uma força compressiva no elemento piezelétrico 60.

[0036] Uma mola de pré-carga 70 é deslocada entre o mecanismo de retenção 40 e o alojamento 22. O movimento rotacional do mecanismo de retenção 40 fará com que o alojamento 22 se movimente para a camada interna devido às roscas 42. Esse movimento comprimindo a mola de pré-carga 70 impele o alojamento 22 na direção indicada pela seta C. Na realidade, isso faz com que uma pré-carga seja criada entre a superfície 35 e a camada interna.

[0037] Qualquer tipo de elemento piezelétrico 60 pode ser utiliza do. Em geral, a piezoeletricidade é caracterizada pela capacidade de certos cristais desenvolverem uma carga elétrica quando submetidos à tensão mecânica. Esse comportamento é designado como o efeito pi- ezelétrico direto. Inversamente, esses cristais sofrem uma deformação quando submetidos a um campo potencial elétrico. Esse comportamento é designado como o efeito piezelétrico inverso. O efeito piezelé- trico é exibido por certos materiais cerâmicos pertencentes ao grupo ferroelétrico (por exemplo, titanato zirconato de chumbo (PbZT) consistindo de cristais misturados de PbZrO3 e PbTiO3). O elemento pie- zelétrico 60 pode ser formado de quaisquer cristais ou combinação de cristais que exibem o efeito piezelétrico, contanto que a estrutura resultante possa converter as quantidades mecânicas, tais como tensão e esforço, em tensão elétrica e, inversamente, transformar as tensões elétricas em forças mecânicas e deslocamentos.

[0038] Em uma modalidade, o efeito piezelétrico inverso pode ser criado pelo acoplamento de um abastecimento de tensão 71 no elemento piezelétrico 60. Similarmente, um medidor de corrente 72 pode ser utilizado para medir a corrente produzida devido à compres- são/expansão do elemento piezelétrico 60 devido ao efeito piezelétri- co. Em operação, e como descrito brevemente acima, o elemento pie- zelétrico 60 é pré-carregado. A magnitude e a frequência da tensão provida pelo abastecimento de tensão 71 para o elemento piezelétrico 60 controlam a distância de percurso e a frequência com a qual o diafragma 50 se move no fluido. O medidor de corrente 72 pode medir a corrente fluindo (I) do elemento piezelétrico 60. O deslocamento relativo das extremidades do elemento piezelétrico 60 segue a carga (Q) recebida com boa linearidade e, como uma consequência, a corrente fluente (I = dQ/dt) é proporcional à velocidade relativa das extremidades (76, 77) do elemento piezelétrico 60 (v = ds/dt). Dessa forma, a declividade (taxa de salto) das flutuações na corrente (dI/dt) é proporcional à aceleração relativa (a = dv/dt) das extremidades 76, 77.

[0039] Em operação, quando incitada pelo abastecimento de ten são 71, a resposta do deslocamento resultante do elemento piezelétri- co 60 é uma função complexa da tensão aplicada e da interação acoplada das forças de reação limiares. As forças de reação limiares são baseadas, pelo menos em parte, em uma ou mais da densidade, viscosidade e velocidade do som de um líquido ao qual o diafragma 50 é exposto. Em mais detalhes, as forças de reação limiares desenvolvem um esforço neutralizador que modifica o deslocamento relativo das extremidades 76, 77 da resposta sem carga esperada (efeito piezelétrico direto). A modificação no deslocamento relativo das extremidades 76, 77 do elemento piezelétrico 60 devido à combinação da tensão aplicada e força de reação geralmente tende em uma relação com a força de reação da condição sem carga. Dessa maneira, a tensão provida pela fonte de tensão 60 e as correntes lidas pelo medidor de corrente 72 podem ser usadas para analisar uma ou mais da densidade, viscosidade e velocidade do som de um fluido.

[0040] Nas aplicações anteriores, sensores piezelétricos foram usados para determinar as propriedades físicas do fluido. Por exemplo, sensores de onda acústica foram desenvolvidos com base na ressonância mecânica, incluindo ressonadores do modo de corte de espessura (TSM) ou ressonadores de onda acústica de superfície (SAW). Todos esses ressonadores tinham o contato com o fluido sendo amostrado. Em contraste, de acordo com uma ou mais modalidades da presente invenção, o elemento piezelétrico não contata o fluido sendo amostrado. Isso pode ser vantajoso porque a resposta da impe- dância de um ressonador piezelétrico é fortemente afetada pela con- dutividade do fluido quando os seus eletrodos estão localizados na superfície do garfo e o garfo está imerso em um fluido condutor. Isso é porque o fluido condutor está ligado ao ressonador piezelétrico como um componente paralelo de baixa impedância em um circuito. A resposta da impedância é ainda afetada mesmo quando os eletrodos são revestidos por uma camada fina (dezenas a centenas de mícrons) de materiais dielétricos. Consequentemente, eles são somente ligados de modo capacitivo ao fluido. Em tais casos, é quase impossível medir precisamente as densidades e as viscosidades dos fluidos condutores ou iônicos. Pela separação do elemento piezelétrico do fluido sendo amostrado, as imprecisões causadas pelo contato entre o elemento e o fluido podem ser reduzidas ou eliminadas.

[0041] A Figura 4 mostra uma vista lateral recortada de um trans dutor 20 tendo seu diafragma 50 apresentado em uma câmara de fluido 15 de um instrumento 10. Como ilustrado, o instrumento inclui uma camada interna 100 que contata a face de união 35. Como descrito acima, o mecanismo de retenção 40 inclui recursos de união 42 que se unem com o instrumento 10 e permitem que ele impulsione o alojamento 22 em direção à camada interna 100 e, dessa forma, aplique uma força compressiva na superfície 35 se unindo com a projeção 100. A aplicação de uma tensão no elemento piezelétrico 60 faz com que o diafragma 50 oscile na câmara do fluido 15. Naturalmente, o fluido da câmara se oporá a tais oscilações. Essa oposição resultará em uma modificação da corrente que pode ser medida como descrito acima. Em uma modalidade, a superfície superior 25 não contata a superfície 75 que circunda o furo 76 para dentro do qual o transdutor 20 é inserido.

[0042] A Figura 5 é uma vista em perspectiva de uma modalidade de um diafragma 50. Como descrito de forma geral acima, a excitação de um elemento piezelétrico 60 (Figuras 3-4) concede um movimento linear ao diafragma 50 quando ele é unido no adaptador de pré-carga 34 e um fluido sendo examinado se opõe a esse movimento. A quantidade de oposição ao movimento linear pode ser, em alguns casos, medida e utilizada para determinar a viscosidade, a densidade e a velocidade do som do líquido na câmara de fluxo. Para medições de viscosidade, o diafragma 50 é preferivelmente formado tal que ele concede uma força de cisalhamento ao fluido enquanto minimizando a turbulência que ele concede porque a turbulência pode criar efeitos indese- jados no movimento linear do diafragma. Em uma modalidade, isso pode ser realizado se o número Reynolds para o fluxo da camada limiar sobre o diafragma 50 pode ser mantido em um valor suficientemente baixo sobre a faixa de valores de densidade e viscosidade do fluido a serem medidos. Isso é realizado se o produto do comprimento carac-terístico transversal da superfície de cisalhamento e da velocidade do fluido está abaixo de algum valor limiar. Praticamente, isso pode ser realizado provendo uma área rebaixada 102 e perturbações de corte direto 110 formadas dentro do diafragma 50. Para estimular o fluxo do fluido e para minimizar a obstrução devido à sedimentação através do diafragma 50, ele pode incluir furos 104 formados no seu lado 108. Entretanto, um trabalho viscoso suficiente no fluido precisa ser desenvol- vido para estabelecer uma realimentação altamente correlacionada na medição da viscosidade do fluido. Para esse fim, a área rebaixada 102 pode incluir uma ou mais perturbações 110 formadas na sua superfície e estendidas através do diafragma 50 como mostrado na Figura 4. A forma das perturbações 110 pode variar e, em alguns casos, elas podem ser alinhadas com os furos 104. Como ilustrado, as perturbações 110 são em uma configuração de célula do ressonador de múltiplas pontas. A despeito da forma, em uma modalidade, as perturbações 110 são formadas, tal que o número Reynolds máximo é mantido abaixo de 100 para o extremo em valores esperados para os parâmetros da amostra do fluido (por exemplo, densidade = 300 - 1500 kg/m3, viscosidade = 0,1 - 100 centipoise). Em uma modalidade, as perturbações 110 passam inteiramente através do diafragma 50.

[0043] Na descrição acima, foi feito referência ao canal da amostra 15 contido no instrumento 10 que recebe o fluido de um poço via um orifício da amostra 14 (FIG. 1). O transdutor 20 mostrado acima é disposto tal que o seu diafragma 50 fica disposto dentro do mesmo canal 15, de modo que ele pode fazer medições. Nesse sentido, o transdutor 20 pode também ser citado como um sensor aqui porque ele proporciona uma saída que inclui informação sobre uma ou mais propriedades do fluido que atravessa o canal da amostra 15.

[0044] Foi verificado que em alguns casos a forma do canal da amostra 15 na região dentro da qual o diafragma 50 do sensor 20 é instalado pode melhorar a capacidade de medição do sensor 20. Com referência agora à Figura 6, um recorte de uma porção 200 do instrumento 10 é mostrado. A porção 200 inclui um pouco ou todo o canal da amostra 15 mostrado na Figura 1. Em particular, a porção 100 inclui uma cavidade da amostra 202 através da qual um fluido da amostra pode fluir e para dentro da qual uma porção de um sensor pode ser inserida. Em uma modalidade, o sensor é o sensor 20 descrito acima. Naturalmente, outros sensores poderiam ser fornecidos dentro ou de outra forma em comunicação de fluido com a cavidade da amostra 202 sem se afastar do escopo da presente invenção.

[0045] A cavidade da amostra 202 ilustrada inclui três cavidades do ressonador 204, 206 e 208, todas em comunicação de fluido uma com a outra. Em uma modalidade, cada cavidade do ressonador 204, 206, 208 define um volume substancialmente cilíndrico tendo um raio r104, r106, r108 respectivo. Em mais detalhes, a cavidade média do ressonador 206 é circundada por duas cavidades externas do resso- nador 204, 208 que podem, de tempos em tempos aqui, ser chamadas como primeira e segunda cavidades do ressonador, respectivamente. Em uma modalidade, o raio r106 da cavidade média do ressonador 206 é maior do que os raios (r104, r108) de uma ou ambas as cavidades externas do ressonador 204, 208. Em uma modalidade, r104 é aproximadamente igual a r108.

[0046] Como ilustrado, as cavidades do ressonador 204, 206, 208 são concêntricas ao redor de uma linha central vertical Y. Cada cavidade do ressonador 204, 206, 208 também tem uma altura h204, h206, h208 respectiva. Em uma modalidade, a altura h206 da cavidade média do ressonador 206 é maior do que a altura (h204, h208) de uma ou de ambas as cavidades externas do ressonador 204, 208. Em uma modalidade, h204 é aproximadamente igual a h208.

[0047] A cavidade da amostra 202 inclui uma entrada 220 através da qual o fluido entra na cavidade da amostra 202 e uma saída 222 através da qual o fluido sai da cavidade da amostra 202. A entrada 220 é acoplada em um tubo de entrada 224 e a saída 222 é acoplada em um tubo de saída 226. Como ilustrado, ambas a entrada 220 e a saída 222 são formadas na cavidade média do ressonador 206. Em uma modalidade, a entrada 220 e a saída 222 são deslocadas em lados opostos de uma linha central X da cavidade média do ressonador 206. Naturalmente, a localização exata da entrada 220 e da saída 222 pode ser variada. Em uma modalidade, a entrada 220 e a saída 222 são deslocadas uma da outra, tal que o fluido que entra na cavidade da amostra 202 via o tubo de entrada 224 precisa mudar a direção antes de entrar no tubo de saída 226.

[0048] Uma das cavidades externas do ressonador 204, 208 tam bém inclui uma entrada do sensor 230 para dentro da qual um pouco ou todo o sensor pode ser inserido na cavidade da amostra 202, tal que ele pode interagir com o fluido percorrendo através da cavidade da amostra 202. Na modalidade ilustrada, a entrada do sensor 230 é formada na segunda cavidade do ressonador 208, mas poderia ser formada, alternativamente, na primeira cavidade do ressonador 204.

[0049] Com referência agora à Figura 7, a cavidade da amostra 202 mostrada na Figura 6 é ilustrada incluindo um sensor 240 que inclui um diafragma 242 inserido na cavidade da amostra 220 via a entrada do sensor 230. Em uma modalidade, a entrada do sensor 230 define a camada interna 100 (FIG. 4) descrita acima.

[0050] O sensor ilustrado 240 pode ser o mesmo ou similar a qualquer um dos sensores/transdutores revelados aqui ou poderia ser qualquer outro tipo de sensor. A área dentro da segunda cavidade do ressonador 208 não ocupada pelo sensor 240 em geral, e o diafragma 242 em particular, deve ser chamada aqui como o vão do defletor e é geralmente indicada pelo numeral de referência 244. Em uma modalidade, o diafragma 242 é dimensionado e disposto dentro da cavidade da amostra 202, então ele fica envolvido dentro do volume definido por ambas as cavidades média 206 e segunda 208 do ressonador.

[0051] Foi verificado que certas geometrias das cavidades do res- sonador 204, 206, 208 podem ser variadas para permitir uma equiparação de impedância entre o diafragma 242 do sensor 240 e o fluido na cavidade da amostra 202. Com referência agora a ambas as Figu- ras 6 e 7, foi verificado que os diâmetros relativos, alturas e localizações das cavidades do ressonador podem melhorar as medições feitas pelo sensor 242. O tamanho do vão do defletor 244 pode também ser útil na equiparação da impedância do diafragma 242 e do fluido na cavidade 202. Em particular, o tamanho do vão do defletor 244 pode controlar o faseamento das reflexões anteriores do defletor (por exemplo, entre o fundo 243 do diafragma 242 e a porção externa 245 da câmara da amostra 202) que podem contaminar as reflexões da superfície exterior. Em uma modalidade, o tamanho do vão do defletor 244 pode ser baseado na altura relativa do vão entre o fundo 243 do diafragma 242 e a porção externa 245 comparada com as alturas do ressonador h204, h206, h208 e o diâmetro do diafragma 242.

[0052] Em mais detalhes, em operação, padrões de ondas imóveis podem ser formados no fluido na câmara da amostra 202 devido ao movimento do diafragma 242 por causa da aplicação de uma tensão em um elemento piezelétrico dentro do sensor 240, como descrito acima. O padrão de onda imóvel na amostra do fluido interage com o diafragma 242 para criar a realimentação da impedância na forma de perturbações na resposta da frequência da admitância elétrica. As características da admitância elétrica tendem a mudar em uma maneira altamente estruturada com a densidade do fluido, a viscosidade e as variações da velocidade do som.

[0053] A velocidade dos padrões da onda acústica υ é governada pela física básica associada com a equação não linear de Navier- Stokes mostrada na equação 1 abaixo:

[0054] e a conservação da relação de massa para a pressão P ,temperatura τ, e velocidade do padrão υ:

onde: γ= razão dos aquecimentos específicos do fluido (pressão constante, volume constante) α = coeficiente da expansão térmica

co = velocidade principal do som do fluido ω = frequência angular no estado estável da função de força ρo = densidade principal de massa do fluido

μ = coeficiente da viscosidade de cisalhamento η= coeficiente principal da viscosidade

[0055] Foi observado que essas tendências do padrão seguem de perto as funções das soluções de tipo harmônico cilíndrico e respostas de decaimento exponencial simples (funções de Bessel e logaritmos naturais).

[0056] Os elementos das modalidades foram apresentados com os artigos "um" ou "uma". Os artigos são planejados para significar que existe um ou mais dos elementos. Os termos "incluindo" e "tendo" são planejados para serem inclusivos, tal que podem existir elementos adicionais diferentes dos elementos listados. A conjunção "ou" quando usada com uma lista de pelo menos dois termos é planejada para significar qualquer termo ou combinação de termos. Os termos "primeiro", "segundo" e "terceiro" são usados para distinguir os elementos e não são usados para representar uma ordem particular.

[0057] Será reconhecido que os vários componentes ou tecnologi as podem proporcionar certa funcionalidade ou aspectos necessários ou benéficos. Dessa forma, essas funções e aspectos como possam ser necessários em defesa das reivindicações anexas e suas variações são reconhecidos como sendo incluídos inerentemente como uma parte dos ensinamentos aqui e uma parte da invenção revelada.

[0058] Embora a invenção tenha sido descrita com referência às modalidades exemplares, será entendido que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por seus elementos sem se afastar do escopo da invenção. Além disso, muitas modificações serão verificadas para adaptar um instrumento particular, situação ou material aos ensinamentos da invenção sem se afastar do seu escopo essencial. Portanto, é planejado que a invenção não seja limitada à modalidade particular revelada como o melhor modo considerado para execução dessa invenção, mas que a invenção inclua todas as modalidades que se situam dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Transdutor (20) caracterizado por compreender: um adaptador de pré-carga (34) que tem uma porção de luva (36) e uma extremidade; um alojamento (22) que inclui uma porção de assento (24) e uma porção de eixo (23) que se estende a partir da porção de assento (24), um elemento piezelétrico (60) completamente contido dentro de uma câmara (62) que é definida pela porção de luva (36) e a porção de eixo (23); e um diafragma (50) acoplado a um lado externo da extremidade, de modo que o movimento do elemento piezelétrico (60) cause o movimento do diafragma (50).

2. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado por compreender ainda: um mecanismo de retenção (40) sobre um lado oposto da porção de assento (24) a partir da porção de eixo (23); e uma mola de pré-carga (70) localizada entre o mecanismo de retenção (40) e a porção de assento (24).

3. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que o mecanismo de retenção (40) inclui elementos de acoplamento configurados para acoplar com elementos de acoplamento correspondentes em um instrumento.

4. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que o adaptador de pré-carga (34) e o alojamento (22) são posicionados e configurados para aplicar uma força compressiva sobre o elemento piezelétrico (60).

5. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 4, carac-terizado pelo fato de que o alojamento (22) inclui uma saliência interna formada dentro da porção de luva (36) que define uma primeira extre- midade da câmara (62) e em que a extremidade do adaptador de pré- carga (34) define uma segunda extremidade da câmara (62) e em que variação de uma distância entre a primeira extremidade e a segunda extremidade faz com que a força compressiva seja aplicada.

6. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser combinado com uma fonte de tensão configurada para fornecer uma tensão ao elemento piezelétrico (60).

7. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser combinado com um medidor de corrente (72) configurado para medir uma corrente produzida pelo elemento piezelétrico (60).

8. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diafragma (50) inclui uma área rebaixada (102) formada no mesmo.

9. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a área rebaixada (102) inclui uma ou mais perturbações de corte (110) que passam a partir de uma superfície da área rebaixada (102) para um exterior do diafragma (50).

10. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diafragma (50) inclui um ou mais furos (104) formados em uma parede lateral (108) do mesmo.

11. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o diafragma (50) inclui uma área rebaixada (102) que inclui uma ou mais perturbações de corte (110) formadas sobre uma superfície (102) da mesma e em que pelo menos uma das perturbações de corte (110) é formada sobre um dos furos (104).

12. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extremidade do adaptador de pré-carga (34) tem pelo menos duas espessuras diferentes.

13. Instrumento para medir as propriedades de um fluido de poço, o instrumento caracterizado por compreender: um corpo; uma câmara (62) de fluido formada dentro do corpo e que constitui uma trajetória de fluido pelo menos parcialmente através do instrumento; e um transdutor (20) montado no corpo e que tem um diafragma móvel (50) localizado pelo menos parcialmente dentro da câmara de fluido (62), o transdutor (20) incluindo: um adaptador de pré-carga (34) que tem uma porção de luva (36) e uma extremidade; um alojamento (22) que inclui uma porção de assento (24) e uma porção de eixo (23) que se estende a partir da porção de assento (24); e um elemento piezelétrico (60) completamente contido dentro de uma câmara (62) que é pelo menos parcialmente definida pela porção de luva (36) e a porção de eixo (23); em que o diafragma (50) é acoplado a um lado externo da extremidade, de modo que o movimento do elemento piezelétrico (60) cause o movimento do diafragma (50).

14. Instrumento, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o corpo inclui uma saliência interna que contata o adaptador de pré-carga (34).

15. Instrumento, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o transdutor (20) inclui ainda: um mecanismo de retenção (40) sobre um lado oposto da porção de assento (24) a partir da porção de eixo (23) e que inclui elementos de acoplamento configurados para acoplar com o corpo; e uma mola de pré-carga (70) localizada entre o mecanismo de retenção (40) e a porção de assento (24); em que o acoplamento do mecanismo de retenção (40) com o corpo faz com que a mola de pré-carga (70) force o adaptador de pré-carga (34) em direção à saliência interna e crie uma força compressiva entre eles.

16. Instrumento, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender ainda: uma fonte de tensão acoplada ao elemento piezelétrico (60).

17. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extremidade do adaptador de pré-carga (34) tem pelo menos duas espessuras diferentes.

18. Transdutor (20) caracterizado por compreender: uma porção de luva (36) que tem uma extremidade; um alojamento (22) que inclui uma porção de assento (24) e uma porção de eixo (23) que se estende a partir da porção de assento (24); um elemento piezelétrico (60) contido pelo menos parcialmente dentro de uma câmara (62) que é pelo menos parcialmente definida pela porção de luva (36) e a porção de eixo (23), de modo que o elemento piezelétrico (60) não contate um fluido que está sendo coletado durante uma operação de amostragem; e um diafragma (50) acoplado a um lado externo da extremidade, de modo que o movimento do elemento piezelétrico (60) cause o movimento do diafragma (50).

19. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 18, ca-racterizado pelo fato de que a porção de luva (36) é parte de um adaptador de pré-carga (34), o adaptador de pré-carga (34) e o alojamento (22) estando posicionados e configurados para aplicar uma força compressiva ao elemento piezelétrico (60).

20. Transdutor (20), de acordo com a reivindicação 18, ca-racterizado por compreender ainda: um mecanismo de retenção (40) sobre um lado oposto da porção de assento (24) a partir da porção de eixo (23) e que inclui elementos de acoplamento configurados para acoplar a um instrumento; e uma mola de pré-carga (70) localizada entre o mecanismo de retenção (40) e a porção de assento (24); em que o acoplamento do mecanismo de retenção (40) com o instrumento faz com que a mola de pré-carga (70) force o adaptador de pré-carga (34) em direção a uma saliência interna dentro do instrumento e crie uma força compressiva entre eles.