CN102159942A - 探测流体特性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括接受流体试样的张紧试样管，该张紧试样管具有施加于其上的预定张力。振动源和振动探测器联接到该张紧试样管。一种估计流体特性的方法包括将试样管张紧至预定张力。将流体试样接受到该张紧试样管中。振动该张紧试样管。探测该张紧试样管的共振频率。根据探测到的该张紧试样管的共振频率来估计流体特性。

Description

探测流体特性的装置和方法
技术领域
本发明总的涉及用来测量流动流中流体特性的装置和方法，具体来说，涉及测量井眼中流体特性的装置和方法。
背景技术
在处理流动流体的工业过程和控制中存在着许多情形，其中需要精确地确定流体的密度。一个示例的应用就是识别井中流动的储层流体和/或来自井下地层的流体。如这里所使用的，术语“流体”用来意指任何的液体、气体或它们的混合物，包括含有固体的混合物。常常要求确定来自地层的流动流中形成的油量。水经常与气体碳氢化合物和原油共存于某些普通的地质地层中。这样，工作的油井常常生产出水、气体碳氢化合物和液体碳氢化合物的混合物。由线缆或钻管配置成的测井仪可用来在现场确定地层流体的特性，以便确定潜在的碳氢化合物含量以及地层水和气体交界面的位置。
附图说明
若结合以下附图考虑以下对示例实施例的详细描述，就可获得对本发明的更好理解，附图中：
图1示出单管密度计的实例；
图2示出密度计的另一实施例；
图3示出接收器和发送器结构的一个实施例；
图3A是显示接收器结构的一个实施例的电气图；
图4示出示范的测量模块；
图5示出示范的共振峰的曲线图；
图6示出合适的跟踪共振频率的方法；
图7示出测得的作为时间函数的密度的曲线图；
图8示出测量共振峰频率、幅值和宽度的方法；
图9示出双管密度计的实例；
图10A示出张紧管密度计的实施例的实例；
图10B示出图10A的剖视图；
图11A示出张紧管密度计的另一实施例的实例；
图11B示出图11A的张紧管密度计的端视图；
图11C示出张紧管密度计的另一实施例；
图11D示出图11C的张紧管密度计的端视图；
图11E示出张紧管密度计的另一实施例；
图11F示出图11E的张紧管密度计的端视图；
图12是一曲线图，显示无张紧的试样管和张紧的试样管的预示的共振频率对流体密度的曲线；
图13示出包括地层探测工具的系统的实例；
图14是包括张紧管密度计的地层探测工具的示意图；以及
图15是振动管密度计的测量模块的一个实施例的功能图。
尽管本发明易于作出各种修改和替代的形式，但在附图中借助于实例示出了本发明的特殊实施例，并在下文中作详细描述。然而，应该理解到，附图和对其的详细描述并不意图将本发明限制在所揭示的特殊形式，但相反，本发明要涵盖所有落入由附后权利要求书定义的本发明范围之内的修改、等价物和替代物。
具体实施方式
如本文中所使用的，术语“流体”用来意指任何的液体、气体或它们的混合物，包括含有固体的混合物。现参照图1，用来测量流动流体的密度和粘度的装置的一个实施例通常包括刚性外壳102、两个堵头104、流动管108、振动源110、振动探测器112以及测量模块106。刚性外壳102包围和保护流动管108所通过的体积103，并减小对不与流动管108的特殊振动模态相关的振动的响应。堵头104密封该体积并将流动管108固定在该体积内。体积103可包含空气、真空或诸如氮气或氩气之类相对惰性的气体。如果使用气体的话，则在一个实施例中气体可以是装置在室温下的大气压。
刚性外壳102、堵头104和流动管108的构造可用一定的材料制成，该材料在250℃或以上的温度下可承受20,000psi(磅/每平方英寸)的压力。合适的金属材料的两个例子包括但不限于：钛、钛合金，以及高温镍基合金，例如，由海恩斯国际公司(Haynes International，Inc.)制造的Hastaloy-C276牌号的合金。在一个实例中，堵头104和流动管108可用单块材料构造，使堵头104成为流动管108两端上的直径较大的区域。或者，流动管108可焊接到堵头104上，或其它方式附连。流动管108还可用O形环或其它密封技术连接到刚性外壳102。在一个实例中，刚性外壳102、堵头104和流动管108可用同一材料构造，以在系统处于热平衡时减小热诱发的应力。
在一个实施例中，流动管108基本上可以是直线的，由此减小因材料通过流动管108引起的流动管108堵塞和腐蚀。或者，可使用包括U形管在内的各种形状的弯管，来提供更大的测量灵敏度。图1实施例可考虑的尺寸显示在表1中：
表1
  流动管   堵头   外壳
  长度   6”   2”   10”
  外直径   0.300”   1.5”   2”
  内直径   0.219”   -   ～1.5”
然而，应该指出的是，其它尺寸也可采用，而不会脱离本发明的范围。
如上所述，附连到流动管108上的是振动源110和振动探测器112。振动源110和振动探测器112可如图1所示并排放置，或者，位于流动管108的相对侧上，如图2和3所示，在两个堵头104之间的中点处。也可考虑源/探测器的其它配置。
现参照图2，图中示出本发明的一个实施例，该实施例包括流动管108、两个连接到外壳102的线圈120、124，以及两个连接到流动管108的铁棒122、126。线圈120、124也可包括铁芯以形成更加有效的电磁铁。一个线圈120通过电线128连接到发送器(未示出)。对线圈120通上交流电就会在铁棒122上作用电磁力，这致使铁棒122线性平移，因此，在流动管108上赋予振动。另一线圈124通过电线130连接到接收器(未示出)。流动管108内的振动使铁棒126在线圈124内移动，由此形成电压，在电线130处产生可被接收器监视到的电压。
现参照图3，图中示出另一振动源132，其包括固定到流动管108的磁铁134，以及固定到外壳102的单个线圈绕组136。线圈136通过电线138连接到发送器(未示出)。线圈136朝向磁铁134的外端安装(为清晰起见，图中作了夸大)。线圈136的精确安装位置可凭经验确定，使赋予流动管108上的振动力为最大就可。对线圈136通上交流电，导致生成使流动管108振动的电磁力。
仍参照图3，图中示出振动探测器的一个实施例，其包括两个固定到振动的流动管108上的磁铁138、140，以及固定到外壳102的双线圈绕组142。双线圈142通过电线144连接到接收器(未示出)。磁铁138、140和双线圈142的对称轴对齐，磁铁138、140布置成使它们的磁场相斥。双线圈142可由两个端对端安装的相同线圈组成，使对称轴对齐并串联地电气连接。双线圈142的电气图显示在图3A中。磁铁138、140的交界面形成的平面146，与双线圈142的相对线圈绕组的相交形成的平面148对齐，如图3所示。将诸线圈连接成这样定相：如果线圈放置在均匀磁场内(这样在振动源附近由电流诱发出电压)，则在电线144内产生最低或没有电压。然而，线圈响应于相对磁铁对的运动。流动管108的振动导致在双线圈142的电线144上产生电压。
振动探测器磁铁138、140的布置可用来减小振动探测器所形成的磁场，以及振动源所形成的磁场的作用。该种布置的纯效应将会减小振动探测器产生的信号中形成的干扰，这使得流动管108振动中的变化可更加精确和可靠地被探测到。
测量模块可包含电子电路和装置，它们可具有温度、压力和随时间变化的变量。密度计结构也可整体上显示这些变量。密度计在装置的寿期内可能暴露于温度和压力极值前，需要进行再标定以虑及如此的变化。为了减少对频率再标定的需求，双管密度计(见图9)可提供减少的标定要求。在此示例实施例中，两个流动管708a、b由堵头704支承在外壳702内。各管可通过振动源710振动，且振动被振动传感器712探测。流动管之一708a当作一具有很好确定的共振频率的“振动标准”，其内具有未知试样的另一流动管708b的共振频率，参照该标准或参照的流动管708a的共振频率测定。试样流动管708b在一端接受密度有待测定的试样流体的流动，而从另一端排出流体流动。
在一个实例中，参照的流动管708a填充水，因为水的特性是众所周知的。或者，参照的流动管可填充密度特性已知的真空、气体或其它物质(例如，参照固体)。为此，如果在室温下且内压小于0.05气压，则参照管可被认为含有真空。参照的流动管内任何的流体可经受试样流体环境的压力和温度。提供温度和压力传感器(未示出)来确定试样和参照流动管708a、b的温度和压力值。
在一个实施例中，测量模块706使用振动源710和振动探测器712，合适地跟踪参照的流动管708a的共振频率。测量模块706然后参照来自于参照流动管708a的共振频率信号，测量来自于试样管708b的振动频率信号。在一个实施例中，测量模块将两个信号求和以获得呈现拍频的信号。拍频等于共振频率与振动信号频率之间的(无正负号之分)差值。差值的符号可用多种方法确定。一种方法是利用位于试样预期密度范围之外(或轻于或重于)的参照流动管708a内的流体。第二不同的参照管(未示出)可用来确定第二拍频。另一方法是从试样管的共振频率中解谐出试样管的频率，并观察测得的频率差值中的变化。例如，如果驱动频率的增加导致频率差值的增加，则试样的共振频率大于参照管的共振频率。或者，可用类似结果来解谐参照管的驱动频率。从带符号的差值中可确定未知流体的密度。确定未知流体密度的方法将在下面进一步给出。
在某些所述的实施例中，振动源和振动探测器可靠近它们所要激励和监视的振动模态的反节点(离平衡位置的最大位移的点)安装。可以考虑采用一个以上的振动模态(例如，振动源可在多个频率之间切换，以从较高的共振频率模态中获得信息)。在一个实施例中，振动源和振动探测器可定位在各个所述振动模态的反节点附近。
节点(振动幅值为零的点)和反节点的位置由振动模态的波长以及振动管安装端的条件确定。根据方程v＝fλ，频率f和波长λ与材料中声速v相关。
现参照图4，测量模块的一个实施例可包括数字信号处理器402、电压频率变换器404、电流驱动器406、过滤器/放大器408、幅值探测器410以及只读存储器(ROM)412。只读存储器(ROM)412可以是可编程的只读存储器(PROM)、电子可编程的只读存储器(EPROM)、电子可抹去可编程的只读存储器(EEPROM)，以及闪存存储器，或任何其他合适的基本上非易失的只读存储器。数字信号处理器402可由系统控制器414配置和控制，该系统控制器414响应于用户在用户界面416上的动作而操作。系统控制器414还可从数字信号处理器402中取回测量值，并将测量值提供到用户界面416以向用户显示。
数字信号处理器402可执行一组储存在存储器412内的软件指令。一般地，配置参数由软件编程员提供，以使数字信号处理器操作的某些方面可由用户通过界面416和系统控制器414定制。该组软件指令可根据以下进一步详述的一种或多种方法令数字信号处理器402执行密度测量。数字信号处理器可包括数模(D/A)和模数(A/D)转换电路和装置，以便向芯片外部件提供模拟信号和从其中接受模拟信号。由数字信号处理器进行的大多数芯片上的操作可在数字信号上执行。
数字信号处理器402可对电压频率变换器404提供电压信号。该电压频率变换器404产生频率正比于输入电压的频率信号。电流驱动器406接受该频率信号并放大该信号来驱动振动源110。振动源110致使流动管振动，振动探测器112探测该振动。过滤器/放大器408从振动探测器112中接受探测的信号，并在探测的信号传递到幅值探测器410之前，对探测信号提供某种过滤和放大。过滤器/放大器408用于电气上隔绝振动探测器112与幅值探测器410，以防止幅值探测器410电气上加载到振动探测器112上，并由此不利地影响探测灵敏度。幅值探测器410产生表示探测信号幅值的电压信号。数字信号处理器402测量该电压信号，并由此能够确定所选振动频率的振动幅值。
测量模块使用振动源110和振动探测器112来定位和表征流动管108的共振频率。有若干种不同方法可被使用。在第一种方法中，测量模块可具有储存在其中的编程的指令，这些指令可致使振动源110在关心的范围上频“扫”，并记录下作为频率函数的从振动探测器112中读取的幅值读数。如图5所示，振动幅值对频率的曲线图显示峰值在共振频率f0处。共振频率可转化为密度测量，峰的形状可导出有关试样流体性质的附加信息，例如，粘度和多相信息。
在第二种方法中，测量模块可具有储存在其中的编程的指令，它们使用反馈控制技术合适地跟踪共振频率。该方法的一种实施方式显示在图6中。在方框502中，选择改变频率的初始步长。该步长可以是正或负，相应地增加或降低频率。在方框504中，振动源被致动，测量初始幅值。在方框506中，对振动频率调整由步长确定的量。在方框508中，在新频率处测量幅值，由此可估计出导数值。该导数可估计为幅值的变化除以频率的变化，但该估计可包括某些过滤以减小测量噪音的影响。从该估计的导数可估计出离共振峰值的距离和方向。例如，如果导数是大的且为正，则参照图5，就变得明显，当前频率小于共振频率，但共振频率就在附近。对于小的导数，如果导数符号有规则地变化，则当前频率非常靠近共振频率。对小的且为负的导数，诸迭代之间没有任何符号变化，则当前频率远高于共振频率。参照图6，在方框510中，该信息可用来调整步长，数字信号处理器402返回到方框506。对于响应于改变的流体密度提供快速测量，该方法可以工作得最好。
在第三种方法中，测量模块可具有储存在其中的编程的指令，当频率离散地变化时，该方法使用迭代技术来搜索最大幅值。可使用任何众所周知的搜索算法来求最小值或最大值。现来描述一个说明性的实例，但可以认识到本发明不局限于所描述的细节。本质上，所示范的搜索方法使用了一种前后搜索的方法，其中，测量模块从一个半幅值点横跨峰值到另一半幅值点并又再返回地扫描振动源频率。该方法的一个实施方式显示在图8中。在方框602中，以初始(最小)频率诱发出振动。在方框604中，测量当前振动频率的振动幅值并设定为阈值。在方框606中，将频率增加预定量，在方框608中，测量新频率处的幅值。方框610将测得幅值与阈值比较，如果幅值大的话，则设定阈值等于方框612中的测得幅值。重复方框606-612，直到测得的幅值落到阈值下面为止。此时，阈值指示最大的测得幅值，其发生在共振峰值处。在方框614内，记录幅值和频率。在方框616和618中，继续进行频率增加和幅值测量，方框620将幅值测量值与一半的记录共振频率比较。重复方框616-620直到幅值测量值落到一半共振峰值幅值下面，此时，在方框622内记录半幅值频率。方框624-642复制对应方框602-622的操作，但例外的是，横跨共振峰值的频率扫描发生在相反的方向。对于各个峰值的交越，测量模块记录下共振幅值和频率，然后，记录下其后的半幅值频率。从此信息可确定峰值宽度和非对称性，并可计算流体密度、粘度和多相信息。
如前所述，测量模块可包含电子电路和可具有温度、压力及随时间变化的变量的装置。如此的变化可影响频率测量的分辨率和精度，并在与频率相关的密度确定中引入不理想的不确定性。在某些情形中，可影响到A/D装置的最起码的比特。一种在存有电子变化的测量中提高分辨率和精度的技术是，增加由A/D装置可供的比特数的数量。例如适用于井下应用中的A/D装置的可应用性是有限的。使用较高分辨率的A/D来提高分辨率的做法可能是不可行的。另一种在存有电子变化的频率测量中提高分辨率和精度的技术是，提高振动管的共振频率，并对不同流体密度分离共振频率。
参照图10A和10B，张紧密度计900的一个实例具有管908，该管具有首先施加在其上的纵向预定张紧力S。如文中使用的，术语“张紧管”和“预张紧管”可互换地使用，它们是指纵向拉伸的管子，使得初始正向张力施加在其上，与未张紧管相比，未张紧管没有施加到管子上的初始拉伸或张力。在一个实施例中，管908可由金属材料形成。合适的金属材料的实例包括但不限于钛、钛合金，以及高温镍基合金，例如，由海恩斯国际公司制造的Hastaloy-C276牌号的合金。在一个实施例中，堵头904在一端附连到张紧管908，抵靠外壳902的台肩920将张力S反作用在张紧管908上。为了保持张紧管908上的张力，在一个实例中，可将锥形的锚固构件905压入到外壳902的锥形腔内。在一个实施例中，螺纹的固定螺母907可啮合外壳902上的螺纹，并强制锥形锚固构件抵靠在外壳902的内腔的螺纹表面922上。如此的作用迫使锥形的锚固构件905围绕管子908变形并在预定张力S下将管子908保持在固定位置。张紧管908和外壳902可用同样材料制成，就如前面所述的那些材料，以减小零件热膨胀的差异，减小或消除由于热膨胀差异作用在张紧管908上的载荷。图10B是图10A的剖视图，示出多个锚固构件905，当它们楔入锥形表面922内时，由此迫使锚固构件905牢固地啮合到张紧管908。在一个实施例中，锚固构件905可以呈筒夹指形物形式。
参照图11A、11B和图15，张紧管密度计900’包括开裂夹具935，该夹具具有第一构件930和匹配的第二构件931，它们可围绕张紧管908组装而夹住和固定地啮合，将张紧管908固定在某一位置上，其保持在张紧管908上的张力S。第一构件930和第二构件931例如可通过螺纹紧固件950固定在操作位置内。或者，第一构件930和第二构件931可沿着表面932、933、932’和933’焊接在一起。开裂夹具935可附连到外壳902’。
在还有另一个替代实施例中，见图11C-D，张紧管密度计1900包括开裂夹具935，其将张紧管1908夹紧在外壳构件1902a-b的任一端上。
在还有另一个替代实施例中，见图11E-F，张紧管密度计包括具有外壳构件2902a和2902b的开裂外壳2902。各个外壳构件2902a、b分别具有形成在其各端上的开口2903。开口2903a、b的尺寸做成：当外壳构件2902a、b通过螺纹紧固件2950紧固在一起时，使外壳构件2902a、b围绕管子1908固定地夹紧。
现参照图10A-11F和15，振动源1118和振动接收器1112附连到张紧管908、1908，并可结合测量模块1106使用，以确定张紧管908、1908的共振频率。在一个实例中，振动源1118包括附连到张紧管908、1908上的磁铁和靠近磁铁放置并由外壳902、902’、1902、2902支承的单个线圈。振动接收器1112包括附连到张紧管908、1908的磁铁和靠近磁铁放置的由外壳902、902’、1902、2902支承的开裂线圈。该开裂线圈可以是两个彼此相对缠绕或绕线的线圈。使管振动的磁铁运动在线圈中诱发出电压。
测量模块1106包括构造在反馈回路内的振荡驱动器1120，该反馈回路使用接收到的信号作为反馈源。在类似于晶体振荡器的振荡回路中，该构造使用张紧管908、1908作为工作构件，用管来替代晶体。在一个实施例中，振动器驱动器1120以管908、1908的至少一个要求振动模态的共振频率驱动张紧管908、1908，如下文中所描述的。对如此驱动电路的合适地选择部件都在本技术领域内技术人员的能力范围之内，无需不适当的实验。频率计数器1125监视管的振荡频率并将其代表值传送到处理器1130。处理器1130可以与存储器1131进行数据连通。可布置至少一个温度传感器1140来指示试样流体的温度。在一个实例中，多个温度传感器1140可布置在密度计900、900’、1900、2900的不同位置处，以指示张紧管密度计900、900’、1900、2900内的温度变化。至少一个压力传感器可探测流体的压力。温度和压力的读数可用来减轻其对系统的影响。在一个实施例中，处理器1130可根据储存在存储器1131内的指令工作，以就地计算流体的特性。流体特性可储存在存储器1131内，和/或通过遥测信道1150传送到第二处理器(未示出)作进一步分析。或者，处理器1130可将原始数据传送到第二处理器(未示出)，用来确定流体的特性。本技术领域内的技术人员将会认识到，参照图15描述的技术同样可适用于未张紧管的密度计。
在另一实施例中，振动源1118、振动接收器1112和测量模块1106基本上可以与参照文中图1-8所述的对应装置基本相同的方式进行操作。
尽管以上参照单个张紧管密度计进行描述，但本技术领域内技术人员将会认识到，同样的预定张紧技术可适用于参照图9所描述的双管密度计。还可明白的是，文中参照图6和图8所述的操作方法同样适用于文中所述的张紧管密度计。
张紧管密度计的计算模型
本技术领域内的技术人员将会认识到，纵向张紧管的共振频率fn是管上张力、管内流体密度和管材料特性的函数。在一个实例中，可使用有限元分析(FEA)技术来模拟管子。对于一个示例的管特性组，如此分析的结果概括在下面图11中。FEA分析模拟具有如下尺寸的钛管：长度6英寸(152.4mm)，外直径0.300英寸(7.62mm)，内直径0.21875英寸(5.56mm)。模拟的流体密度(kg/m3)包括：空气1.168；戊烯605.7；水993；以及甲酸铯2170.6。
模拟结果列于表2中，并图示在图11中，其中，曲线1105显示没有张力的模型管的共振频率，其为密度的函数。曲线1110显示将预加载张力700lbf(3114N)施加到管子上时的结果。
表2
  流体   密度(kg/m3)   0lb张力   700lb张力
  空气   1.168   1453.797   1549.249
  戊烯   605.69   1386.015   1476.885
  水   993.08   1346.903   1435.086
  甲酸铯   2170.61   1244.676   1325.738
从计算的模拟中可以看到，从未张紧管到张紧管，各流体的共振频率增加约6.5％。此外，对于恒定张力，从未张紧管到张紧管，频率范围对关心的密度范围增加约6.8％。这些增加是相当的百分比，例如，其考虑到，10比特的A/D装置具有0.098％的分辨率，12比特的A/D装置具有0.024％的分辨率。对于给定的分辨率，可选择管子的张力。此外，可选择张力将测量的共振频率范围置于未被生产和/或钻杆柱统噪音相当污染过的频带内。所述张紧管的第一振动模态的合适共振频率估计在1300Hz至2500Hz范围内。也可采用其它的振动模态。其它的张力、管材、长度和壁厚可影响管子要求的振动模态的共振频率。本技术领域内的技术人员将会认识到，达到该频率范围的张力取决于材料和几何形状。要在其它条件下确定达到张紧管要求的共振频率的施加力，都在本技术领域内技术人员的能力之内，无需不合适的实验。
以上所示的预示结果是针对基本上室温和压力的流体。为了计及变化的环境温度和压力，例如，在井下应用中遇到的温度和压力，对于变化的条件，可对文中所述的任何密度计示例装置进行标定。如此的标定可使用行内公知的技术来确定。如此的标定信息可储存在与密度计相连的地面或井下的储存器内。
图13示出根据本发明实施例的用于钻井操作的示例系统1200。该系统1200包括位于钻井地面1204的钻井台架1202。钻井台架1202对钻杆柱1208提供支承。钻杆柱1208穿过旋转台1210，以便通过地下地层1214钻出一钻孔1212来。钻杆柱1208包括凯氏钻杆(kelly)1216(在上部)、钻管1218，以及底部孔组件1220(位于钻管1218的下部)。底部孔组件1220可包括钻铤1222、井下工具1224以及钻头1226。井下工具1224可以是多种不同类型工具中的任何一种，不同工具包括边钻井边测量工具(“MWD”)、边钻井边记录的工具(“LWD”)等。钻杆柱1208可包括钢丝的和未用钢丝的钻管，以及钢丝的和未用钢丝的盘形管。
在钻进操作过程中，钻杆柱1208(包括凯氏钻杆1216、钻管1218，以及底部孔组件1220)可通过旋转台1210转动。附加或替代如此的转动，底部孔组件1220还可通过井下的马达(未示出)来转动。钻铤1222可用于对钻头1226添加重量。钻铤1222还可加固底部孔组件1220，使底部孔组件1220将重量传递到钻头1226。因此，由钻铤1222提供的该重量还有助于钻头1226穿透地面1204和地下地层1214。
在钻进操作中，泥浆泵1232从泥浆坑1234中通过软管1236将钻进流体(称之为“钻进泥浆”)泵送到钻管1218内，向下送到钻头1226。钻进流体可从钻头1226中流出并通过钻管1218和钻孔1212侧边之间的环形区域1240返回到地面。软管或管子1237将钻进流体返回到泥浆坑1234，那里，如此的流体被过滤。因此，钻进流体可冷却钻头1226，并在钻进操作过程中对钻头1226提供润滑。因此，钻进流体带走由钻头1226产生的地下地层1214的钻切物。
在各种实施例中，井下工具1224可包括一个或多个不同的井下传感器1235，它们监视不同的井下参数并产生数据，数据储存在井下工具1224内的一种或多种不同的存储介质内。井下工具1224的类型和其上传感器1245的类型，取决于要测量的井下参数的类型。如此参数可包括井下温度和压力、地下地层的各种特性(诸如阻力、散热、密度和多孔性)、钻孔的特性(例如，大小、形状和其它尺寸)等。井下工具1224还可包括电源1249，诸如电池或发电机。发电机的动力可取自流体动力或钻杆柱的转动动力。井下工具1224还可包括地层测试工具1250。在一实施例中，地层测试工具1250安装在钻铤1222上。在一个实例中，地层测试工具1250接合钻孔1212的壁1213，并连续地抽取邻近地层内流体试样。地层流体可通过和/或绕过地层测试工具1250内的传感器模块，来确定地层流体的各种特性。
图13还示出线缆系统1270的实施例，线缆系统1270包括通过记录缆绳1274连接到地面单元1276的井下工具体1271。记录缆绳1274可包括电线(多个电力和通讯线)、单缆绳(单导体)以及光线(没有用于电力或通讯的导体)。基部1276定位在地面上，并可包括支承装置、通讯装置和计算装置。工具体1271容纳地层测试工具1250，其从地层中获取流体试样。工具体1271还可包括附加的记录传感器1272。在操作中，线缆系统1270在完成一部分钻进之后通常送到井下。具体来说，钻杆柱1208形成钻孔1212。移出钻杆柱，线缆系统1270可插入到钻孔1212内。
图14示出已经传送到纵向构件1252上的钻孔1212内的地层测试工具1250的示意图，该地层测试工具1250位于地下地层1214附近。纵向构件1252可包括钻杆柱1208和/或记录电缆1274。探头1315可通过地层测试工具1250的活塞1320从工具体1251伸出，并接触井孔1212的壁1213。在一个实施例中，泵1330的抽吸侧通过流动通道1325与地层1214流体地连通，该流动通道1325延伸通过活塞1320和探头1315。致动泵1330可从地层1214中抽取流体试样1310。流体试样1310可以是液体、气体或液体和气体的组合。流体试样1310可强制通过传感器和仪器，例如，位于地层测试工具1250内的张紧管密度计900。在一个实例中，张紧管密度计900的测量模块106与地层测试工具1250的控制器1335数据连通。控制器1335可包含电路和带有存储器的处理器，以控制地层测试工具1250的操作。在一个实施例中，控制器1335横跨数据线1336从张紧管密度计将数据传输到地面。
图7示出用所公开的张紧管密度计制成的密度测量的实例，根据所揭示的方法该测量是时间的函数。首先，用油填充试样流动管，密度测量快速地集中到比重0.80。当易混合的气体注入流动流中时，试样管接受多相的流动流，密度测量显现很大的测量变化。当流动流大部分变成气体时，油在管子壁上形成渐渐减薄的涂层，密度测量平滑地汇聚到0.33。应该指出的是，在多相流体流区域中，密度测量显现出变化，该变化可用来探测多相流的存在。
存在于流动流体中的空气或气体影响密度计的测量。很好地混合或夹带在液体中的气体可简单地需要略微大一些的驱动力来保持管子振动。在液体中形成气隙的流出的气体，由于振动管的阻尼作用，会减小振动幅值。由于系统密度中的局部变化，以及流体中功率的耗散，小的气隙部分会造成信号变化。其结果是可变的信号，该信号的包络对应于个别相的密度。在能量限制的系统中，较大气隙部分可造成管子停止振动，同时流体吸收的能量超过可供的能量。然而，在许多情形中，流量计的电子器件可探测出缓慢流的状态，因为他们表明自身是测量特性的定期变化，诸如驱动力、测得密度，或幅值。因为有探测气泡的能力，所公开的密度计可用来确定起泡点的压力。当试样流体上压力变化时，气泡将在起泡点压力处形成，并将被所揭示的装置探测到。
如果试样在井下采样过程中连续地流过管子，则流体将从钻孔泥浆变为泥浆滤出物和泥块，大部分为滤出物，然后变为储层流体(气体、油或水)。当截然不同的多相流过管子时，传感器输出将在由个别相密度所界定的范围内振荡。如果系统精细地均质化，则所报告的密度将接近流体的体积密度。为了提高对流体体积密度的探测，所公开的测量装置可构造成使用较高的流量通过管子，以达到更加满意的试样密度。因此，通过装置的试样流量可进行调节，以提高对多相的探测(通过减小流量)或提高体积密度的确定(通过增加流量)。如果操纵流动的状态来让相位平静下来和凝结起来(间断流或带有缓慢流量的滑流)，则振动管系统可构造成在各种压力和温度下精确地探测多相。流体试样可在试样腔内保持停滞不动，或可流过试样腔。
频谱中的峰形状可提供探测气泡、油/水混合物和泥浆滤出物颗粒的标志。这些标志可使用神经网络“模板匹配”技术来识别，或可使用参数曲线拟合技术。使用这些技术，可从这些峰形状中确定水成分。峰形状还可导出诸如可压缩性和粘度之类的其它流体特性。维持振动所需的功率也可用作某些流体特性的指示。
此外，共振频率(或频率差)可与振动信号测得的幅值相组合，以计算试样流体粘度。密度和第二流体特性(例如，粘度)也可从共振频率和一个或两个半幅值频率中计算得到。最后，试样管的振动频率可改变以确定试样管频率响应的峰形状，该峰形状用来确定试样流体的特性。
所公开的密度计可构造用来探测流体类型(例如，流体的特征可用密度表示)、多相、相变和诸如粘度和可压缩性之类附加的流体特性。管子可构造成对试样密度和相态有高的灵敏度。例如，流动管可形成为各种弯曲构造中的任何一种，其提供较大的位移和频率灵敏度。也可使用其它的激励源。不是使用可变频率的振动源，管子可被敲击或激振而造成脉冲振动。衰减振动的频率和包络将导出类似的流体信息，并可提供相对于当前描述的可变频率振动源的附加信息。
所公开的装置可快速地和精确地提供井下的密度和压力梯度的测量值。梯度信息在确定远离钻孔直接附近的部位处的储层状态时有望很有价值。尤其是，梯度信息可识别包含在储层内的流体和流体接触的部位。
本技术领域内的技术人员一旦完全地认识了以上揭示的发明，就会更加明白各种变化和修改。本发明意欲使以下的权利要求书被诠释为包括所有如此的变化和修改。

Claims (26)

1.一种装置，包括：
-接受流体试样的张紧的试样管，所述张紧的试样管具有施加在其上的张力；以及
-振动源和振动探测器，所述振动源和所述振动探测器联接到所述张紧的试样管。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括测量模块，所述测量模块驱动振动源并探测所述张紧的试样管的共振频率，并将所述张紧的试样管的共振频率关联到其中流体的特性上。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括支承所述张紧的试样管的外壳。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括与所述外壳和所述张紧的试样管配合的锚固构件。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，预定张力导致所述张紧的试样管的共振频率在约1300Hz至约2500Hz范围内。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳配合所述张紧的试样管，以保持所述张紧的试样管上的张力。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述张紧的试样管是振荡驱动器的工作元件。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述张紧的试样管焊接到所述外壳。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述张紧的试样管包括金属材料。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述张紧的试样管包括钛材料。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，流体特性包括流体密度。
12.一种确定流体特性的方法，包括：
-张紧试样管；
-将流体试样接受到所述张紧的试样管内；
-振动所述张紧的试样管；
-探测所述张紧的试样管的共振频率；以及
-根据探测到的所述张紧的试样管的共振频率来估计所述流体特性。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，张紧所述试样管包括：在外壳内支承所述张紧的试样管，并以预定的张力将所述张紧的试样管锚固在所述外壳内。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述张紧的试样管锚固在所述外壳内包括：将所述张紧的试样管夹紧在所述外壳的第一部分和所述外壳的第二部分之间。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述试样管张紧到预定的张力，导致所述张紧的试样管的共振频率在约1300Hz至约2500Hz范围内。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述流体特性包括流体密度。
17.一种确定井下流体特性的装置，包括：
-井下工具，所述井下工具在靠近地下地层的井孔内延伸；
-张紧的试样管，所述张紧的试样管设置在所述井下工具内；
-地层流体的试样，所述地层流体的试样设置在所述张紧的试样管内；以及
-振动源和振动探测器，所述振动源和所述振动探测器联接到所述张紧的试样管。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括测量模块，所述测量模块驱动振动源并探测所述张紧的试样管的共振频率，并将所述张紧的试样管的共振频率关联到其中地层流体的特性上。
19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括支承所述张紧的试样管的外壳。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述外壳配合所述张紧的试样管，以保持所述张紧的试样管上的张力。
21.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述张紧的试样管是振荡器回路的工作元件。
22.如权利要求17所述的装置，其特征在于，预定张力导致共振频率在约1300Hz至约2500Hz范围内。
23.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述流体特性包括流体密度。
24.一种确定井下流体特性的方法，包括：
-将井下工具延伸到靠近地下地层的井孔内；
-从所述地下地层中抽取流体试样；
-迫使所述流体试样通过所述井下工具中的张紧的试样管；
-振动所述张紧的试样管；
-探测所述张紧的试样管的共振频率；以及
-根据探测到的所述张紧的试样管的共振频率来估计所述井下流体的特性。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述井下工具是地层测试工具。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述特性包括所述井下流体的密度。
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