CN107849916A - 用于使用机电谐振器测量流体性质的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于在地下井处进行井下流体的密度和粘度的原位测量的方法和设备。振荡器电路被部署在井中，其包括放大器、反馈回路和机电谐振器。机电谐振器是振荡器电路的反馈回路中的组件，并且具有确定振荡器电路的频率的谐振模式。机电谐振器也与流体接触，使得流体的密度和粘度影响谐振器的谐振频率和衰减。振荡器的频率由微控制器测量。在一个实施例中，振荡器电路周期性地停止驱动机电谐振器，使得振荡衰减并且衰减率也由微控制器测量。流体的密度和粘度从振荡衰减的频率和速率中确定。与传统测量方法相比，这种测量技术对流体变化提供了更快的响应时间，并且快速响应时间为井下粘度和密度测量开辟了新的应用，包括确定PVT特性、相图和流速。

Description

用于使用机电谐振器测量流体性质的方法和设备
相关申请的交叉引用
本发明要求于2015年8月7日提交的美国专利申请序列号第62/202,512号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明一般涉及石油工程领域，并且更具体地涉及用于获得在地下井处进行井下流体的粘度和密度的原位测量的方法和设备。
背景技术
大量的烃、盐水、其他液体和气体以及超临界流体、浆液、泡沫和乳液从地下井中产生、在地下井中发现、用于构建地下井、或者被注入地下井。这些流体将被统称为井下流体。了解这些流体的物理性质，诸如它们密度和粘度，对于钻井、完成井、操作井和放弃井是至关重要的。这些井可以被用于从地下储层回收烃，将液体注入地下储层以及监测地下储层的条件。
流体包括液态、气态和超临界状态的物质。井下流体包括从地球产生的一种或多种流体，诸如在地下储层中发生的烃、盐水和其它流体，以及可以被注入地下以增加烃的产量或用于处理目的的流体(诸如盐水、二氧化碳和甲烷)。井下流体还包括含有液体和固体组分(如用于井的建造的钻井泥浆和水泥)的浆液。一个或多个井下流体可以同时在地下井中被发现，如在多相流中，并且它们可以相互作用形成乳液和泡沫。井下流体也将被理解为包括在储层温度和压力下为流体的物质，即使它们可能在更接近表面的较冷温度下是固体。
井下流体性质包括各个流体相的粘度和密度以及由多个流体相组成的聚集流体(aggregate fluid)的有效粘度和密度。牛顿流体的特点是具有单一的粘度。在非牛顿流体(诸如浆液)中，粘度可以随着流动条件而变化，例如，随着施加到流体上的压力或剪切速率。非牛顿流体的性质还包括描述速度对流动条件的依赖性的流变参数。
已知井下流体性质随温度和压力而变化，并且这种变化的特征是井下流体的重要性质。这种变化例如通过描述密度如何随着压力和温度而变化或者通过描述粘度如何随着压力和温度而变化的流体的PVT(压力-体积-温度)特性来描述。当流体的压力和温度改变时，流体可能经历状态改变，例如，从气体冷凝成液体(例如，在露点处)、从液体沸腾到气体、或者转变成超临界或非超临界状态。其他类型的井下流体包括结构化流体或分散体，诸如乳液、悬浮液和泡沫体，其可以经历作为压力、温度、浓度或其他化学或热力学变量的函数的结构变化。这些变化可以动态地检测为其粘度和/或密度的变化。例如，一种流体可能溶解在另一种流体中，并且流体变得溶解或不溶解的压力和温度条件(例如，泡点)或固体可能从流体中沉淀的情况是流体的重要性质。这些状态发生变化并发生这种溶解和沉淀的井的深度或位置对于最佳地从井中产出流体或将流体注入井中至关重要。此外，油的密度(或API比重)和粘度是其类型和价值的指示，并且作为深度的函数可以被用于理解储层结构和区室化(compartmentalization)。沥青含量也可以由产生的烃的粘弹性性质推断。理解产生的流体的PVT特性对于优化表面设施设计也很重要，包括决定表面分离器的最佳压力。状态变化、溶解和沉淀通常伴随着流体的粘度和密度的变化，使得作为压力和温度的函数的粘度和密度的测量可以识别出现这些变化发生时的温度和压力。
确定地下储层中流体的粘度和密度为用于优化生产和储层模型提供了重要的数据。通常，产出的流体在表面被采样。然后，在实验室中，对样品施加井下温度和压力条件，并测量其粘度、密度和其它性质。然而，当来自储层的烃液体达到表面温度和压力时(例如，当它们沿井运行时)，溶解的气体被释放并且沥青可能沉淀。这些变化难以在实验室中准确反转，使得即使实验室测量是在储层温度和压力下进行的，实验室中测得的粘度也可能与流体在储层中的粘度不同。此外，在井中采集样本、将其运送到实验室以及在那里进行测量的过程是昂贵和耗时的。此外，将样本运送到实验室以获取流体性质数据的需求阻止了这些数据被实时使用以对井中变化的条件作出响应。因此，需要一种能够在井下或现场条件下在原位测量井下流体粘度和密度的传感器。
通常在实验室中测量井下流体的粘度和PVT特性(或相图)，并且这些测量值被用于推断储层中以及沿着井筒的流体的粘度和密度，以及用于推断诸如状态的改变、泡沫点和露点的重大转变将在哪里发生。然而，由于当它们被带到地表时液体中可能会发生不可逆转的变化，以及恰好在实际井中某些压力和温度的某条件将被满足的确切位置周围的不确定性，这些推断可能是不准确的。参见Freyss、Henri等人于1989年1月1日出版于技术评论油藏工程(RESERVOIR ENGINEERING)第37卷第1号第4-15页的“油藏的PVT分析(PVTAnalysis for Oil Reservoirs)”，其全文以引用的方式并入，以讨论与烃回收有关的井下流体的粘度和PVT特性。因此，需要能够测量沿着生产井的烃粘度和密度的小型、快速和准确的传感器，因为与沿着井的温度、压力和深度/位置相结合的这些数据可以被用来确定发生重大转变的真正位置和条件。
井下流体流动通常是两相或多相流体流动，其由两种或更多种不同的或不混溶的流体组成。流态(例如，段塞流、层流、气泡流)取决于不同相的流速以及相的粘度和密度。流态可以显着影响井下设备(诸如人造举升系统)的有效性和耐久性。在一些流态中，不同相的流速(flow rate)流速可以被耦合，而在其他流态下，流速可以被解除耦合。了解每个相的体积流速对于优化生产和地面设施，以及检测诸如水突破的生产问题都是重要的。最简单的流速监测传感器测量总流速(不区分相相)，并测量不同相的体积百分比。通过将总流速乘以每个相的体积百分比来确定各个相的流速。只有当所有相位以相同的速度移动时，此测量才是准确的。在一些流态下，不同的相位以不同的速度移动，这可能导致不准确的测量。因此，需要一种小的、便宜的传感器，其可以测量其接触的流体的瞬时粘度和密度，以帮助确定流态、每个相的相对丰度、每个相的流动结构的形状和大小、以及流体相之间的速度耦合度。由于井内空间有限，小的设备尺寸也是必要的，特别是在需要永久或无绳传感且同时不显着干扰烃生产的情况下。本发明解决了现有技术中的这些和其他需求。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种方法和装置以在地下井处进行流体性质的原位确定，其中在各种实施例中，在被井穿透的地下储层的深度处或其附近、在井中但在储层深度以上、在井附近的表面处或在通过管道或油管连接到井的表面设施中测量流体特性。该方法通过部署机电谐振器来执行，使得其至少部分地浸没在井下流体中。在一个实施例中，机电谐振器可以被容纳在腔室中，并且在进行测量之前，井下流体被选择性地吸入到腔室中并且任选地被分离和/或制约(conditioned)(化学地或物理地)。
通过向振荡器电路供电，机电谐振器以其谐振频率振荡，振荡器电路并入谐振器作为其频率限定元件。然后测量由振荡器电路产生的振荡的频率和振荡的阻尼。通过采用由代码配置为利用以下各项中的至少一个的处理器来将机电谐振器的频率和阻尼与井下流体的粘度和密度相关：(1)将频率和阻尼与流体粘度和密度相关的理论方程；(2)基于具有已知粘度和密度的参考流体中的机电谐振器的谐振频率和阻尼的校准测量的经验曲线拟合。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于确定井下流体、或分散流体-流体(乳液)、固体流体(悬浮液)或气体-流体(泡沫)系统的PVT特性或相图的方法和设备。在一个实施例中，由于设备在井中占据不同的深度，因此可以进行密度和粘度的测量，使得可以在每个深度处遇到的不同的压力和温度处测量井下流体性质。基于在离散压力和温度点处的这些测量，通过内插重建完整的PVT特性或相图。典型地，这种内插是通过从理论PVT特性的家族中选择最接近匹配沿着井测量的性质的一个来实现的。可替换地，PVT特性的家族可以基于在实验室中在类似流体上测量的PVT特性凭经验确定；从该家族中选择最好匹配井中获取的有限数据集的PVT特征，并假设描述该井处的流体。
根据本发明的另一方面，公开了一种用于确定流体的性质的方法和设备。该方法通过将振荡器电路暴露于未表征的流体来执行。所使用的振荡器电路包括以下：(1)具有输出和输入的放大器(或用作放大器的逻辑门)；(2)放大器或逻辑门的输出和输入之间的反馈回路；以及(3)布置在反馈回路内使得音叉的谐振频率确定振荡器电路的振荡频率的机电音叉。然后激活振荡器电路，使得音叉在未表征的流体中达到其谐振频率。振荡器频率被测量。由于机电谐振器上的流体质量负载的影响，振荡器频率是流体的密度的指示—较低频率意味着谐振器处于较密集流体中，而较高频率意味着通过谐振器的流体较不密集。谐振器的阻尼也被测量。在一个实施例中，未表征的流体中音叉的阻尼通过使振荡器电路停止递送用以维持振荡的功率来确定使得振荡随时间衰减。测量衰减振荡的包络、衰减时间或衰减率以确定阻尼。在另一实施例中，反馈电路系统(circuitry)具有自动增益调节，其将振荡保持在恒定幅度。能量耗散或阻尼是基于维持这个幅度所需的供应的增益来确定。基于所测量的阻尼来计算流体的粘度。较小的阻尼意味着谐振器处的流体粘性较小，而更多或更快的阻尼意味着谐振器周围的流体更加粘稠。
在一些实施例中，未表征的流体位于井下。为了在该实施例中确定流体的性质，振荡器电路必须布置在井下。在本发明的再一方面，振荡器电路由能够在井中的多个点进行测量的钢缆工具支撑。振荡器电路还可以由能够在井中的多个点进行测量的无线传感器(untethered sensor)平台支撑。在本发明的再一实施例中，传感器和电路系统被永久部署在井下，典型地作为使用微控制器和电池或其他电源进行测量的智能完成的一部分。
在本发明的再一实施例中，公开了一种用于确定多相流中每个相的体积分数和流速的方法和设备。该方法包括确定流体的组成的步骤，其中流体是多相流。
在再一实施例中，使用诸如芘或氟化物的疏油或疏水涂层来优先地测量多相流中的特定相(盐水或油)。在一个实施例中，将全向性(omniphobic)涂层或超排斥(super-repellant)表面施加到机电谐振器以减少感测烃和盐水之间的流体类型变化的响应时间。
在本发明的再一方面，一种用于确定未表征的流体的性质的装置包括振荡器电路，该振荡器电路包括具有输出和输入的放大器，放大器或逻辑门的输出和输入之间的反馈回路，和布置在反馈回路内使得谐振器的谐振频率限定振荡器电路的频率的机电谐振器。该装置还包括用于测量振荡的周期(或频率)的装置，典型地使用具有稳定(例如，基于晶体振荡器的)时基的微控制器中的定时器。该装置还包括用于确定与机电谐振器正在耗散能量的速率有关的能量损耗参数的装置。
描述了用于确定能量损耗参数的所述装置的两个示例，而不限制本发明的范围。在第一示例中，该装置包括使能和防止振荡器电路驱动机电谐振器的装置和用以当谐振器不被驱动时确定振荡衰减率的装置。衰减率是所需的能量损耗参数，因为它反映了机电谐振器发生能量损耗处的速率。在第二示例中，该装置包括将振荡幅度维持在固定水平的自动增益控制(AGC)电路，和用以测量施加到AGC的增益控制电压的装置。AGC电路典型地具有输入、输出和增益控制电压输入。输出等于输入乘以一定的增益，并且该增益的幅度由增益控制电压输入来确定。增益控制输入电压例如通过包络检测器从振荡的幅度中导出，使得当幅度太低时增益增大并且当振幅太高时增益降低。在固定幅度下持续振荡所需的AGC处的增益控制电压被测量作为能量损耗参数测量，因为这是机电谐振器发生能量损耗处的速率的测量。
在一个实施例中，该装置包括具有代码的微控制器，其布置成将振荡的周期和能量损耗参数直接转换为未表征的流体的密度和粘度，例如，通过将其值与一组在已知密度和粘度的流体上测量周期和能量损耗参数的校准测量进行比较。在另一实施例中，该装置包括具有代码的微控制器，其布置成存储或通信振荡的周期和能量损耗参数而不将它们转换成密度和粘度。如果可以稍后以软件执行转换，并且如果必须基于测量的密度和粘度做出的任何控制决定(诸如如果密度或粘度太高则打开阀门)可以基于周期和能量损耗参数的替代性质做出而不将这些性质明确地转换成密度和粘度，则后者是优选实施例。
附图说明
图1示出了根据第一排布的振荡器电路；
图2示出了记录在第一排布的振荡器内的电波形；
图3示出了根据第二排布的振荡器电路；
图4示出了音叉谐振器；
图5示出了测量的粘度数据的示例；
图6图示了测量的密度数据的示例；
图7示出了用于压电谐振器的Butterworth-Van Dyke模型；
图8示出了其中在反馈回路中模拟和控制可变负电阻以维持恒定振荡幅度的振荡器电路；
图9示出了当谐振器处于液体中或者具有大的阻尼时，使本发明的电路能够振荡所需要的谐振器的并联和串联电阻的添加；
图10A和图10B示出了音叉振荡器的振动模式中的两个，并且图10C和图10D示出了在具有外部压电换能器的面内剪切致动下的音叉响应，其中箭头指向致动方向；
图11A-图C示出了三个电极(INPUT、GROUND、OUTPUT)音叉配置以及用于从感测信号驱动的解耦的响应；
图12A-图C示出了用于从感测信号驱动的解耦的双侧(前和后)三电极(INPUT、GROUND、OUTPUT)音叉配置和响应；和
图13是具有表示具有寄生电容(parasitic capacitance)C1的音叉的机电模型的音叉块的差分电路图。
具体实施方式
根据本发明的广泛方面，本发明人认识到能够测量粘度和密度并且安装在使得其能够在沿着生产井的不同深度处获得测量值的平台上的小型、快速且精确的传感器能够被用来，例如，1)绘制(map)井下流体的PVT特性，并识别露点、泡点和/或其他重要状态变化和流体性质的转变沿井筒发生的位置，2)通过快速测量密度和粘度的变化，绘制分散的流体-流体(乳液)、固体-流体(悬浮液)、气体-流体(泡沫)系统的PVT特性，3)更准确地确定在储层条件处的储层流体的真实粘度和密度，以及4)确定分离的相密度和粘度以及多相流中存在于传感器处的瞬时相的时间序列，从其确定流态，可以更准确地推断每个相的流动结构的形状和大小，以及每个相的体积流速。
根据本发明的一个实施例，该设备包括用于将传感器定位在地下井中的期望深度处的平台；机电谐振器；并入机电谐振器作为其频率限定元件的振荡器电路；以及测量振荡器电路的振荡的频率(或周期)并测量振荡的阻尼的微控制器。这种实施例与现有技术方案的不同之处在于，机电谐振器限定了振荡器电路的谐振频率，与具有与谐振器不同的振荡器电路并且必须调谐直到找到了机电谐振器的谐振频率的常规排布相反。该实施例的不同之处还在于直接测量振荡的阻尼或其他能量损耗参数，以确定由接触谐振器的流体引起的能量损耗或阻尼。
振荡器电路典型地包括具有从放大器的输出到放大器的输入的至少一个反馈路径的放大器。频率限定元件(诸如石英晶体)典型地沿着一个这样的反馈路径以这样的方式被包括，使得在频率限定元件的谐振频率下引起持续的振荡。当围绕包括频率限定元件和放大器的环路的总相移是360度或其倍数，并且围绕包括频率限定元件和放大器的环路的增益不小于1时，产生持续振荡。
发明人认识到，包括振荡器电路内的机电谐振器作为确定振荡的频率的主要元件的电路排布提供了相对于现有技术方法的实质性益处，包括：首先，不需要搜索多个频率来寻找谐振器的谐振频率，因为振荡器电路在所需谐振频率处开始振荡。这使得使用本发明方法的测量比使用传统方法快得多。其次，完成测量所需的电路系统的总量和复杂度大大降低。第三，不需要能够产生具有精细频率分辨率的准确控制的频率的精确的振荡器；本发明的电路简单地以期望的频率振荡，并且该频率可以用简单的基于晶体的定时器来测量，该定时器是已经可用在许多小型微控制器上的设备。第四，将谐振器并入振荡器电路作为频率限定元件意味着相当大的能量(significant energy)变得被存储在谐振器中，这提供了用于测量由于周围流体引起的阻尼的强信号。相比之下，以脉冲或阶跃函数驱动谐振器来观察其谐振频率和阻尼会产生小得多的信号，因为脉冲或阶跃函数中的仅一小部分能量将在谐振器的谐振频带内。第五，除了其他益处之外，将谐振器并入振荡器电路中的放大器的反馈回路中提供了有效的电路设计的机会，以利用相同的放大器在衰减测量期间提供对传感器信号的放大。
有多种方法可以测量阻尼。在一个实施例中，通过短暂地停止电驱动谐振器来确定阻尼，使得振荡的幅度衰减，并且可以测量振幅衰减的速率。例如，这可以使用基于与非门的振荡器电路来实现，如图1中所示，并在下面更详细地描述。可以采用包络检测器电路系统来提供振荡幅度，然后其可以被数字化并且拟合到指数衰减曲线以确定阻尼系数。可替换地，也可以使用两个电压比较器和定时器来确定包络衰减到参考电压水平之间所花费的时间，并且这个时间可以用来确定阻尼系数。可替换地，可以通过使用自动增益调节电路系统来维持恒定的振荡幅度，该自动增益调节电路系统将前述放大器的增益设置在闭环中。在这种可替代的测量技术中，不需要停止振荡来测量衰减时间；相反，持续恒定幅度所需的增益量可以被用于确定由于机电谐振器周围的流体引起的阻尼系数。自动增益控制放大器的增益可以通过数字化控制其增益的增益调节信号并使用将增益调节信号与放大器产生的增益量相关的在先校准测量来确定。
根据一个实施例，传感器可以包括机电设备，该机电设备与流体接触，并且该机电设备是当传感器与流体相互作用时驱动和检测作为时间的函数的、设备的振荡运动的电路的组件。机电设备的运动受流体的影响，并且直接建立流体粘度和密度以及机电谐振器的谐振频率和阻尼之间的定量关系。可替换地，如果流体粘度和密度是公知的温度和压力函数(例如，甲烷)，频率和阻尼之间的直接关系可以用流体的温度和压力来建立，允许实时了解热力学状态和与此状态有关的其他性质(泡点、露点、GOR等)。
特别地，压电音叉可以被用作机电振荡设备。授予Bennett等人的专利第7,562,557号的美国专利中描述了合适的压电音叉的一个示例，该专利在此通过引用整体并入。然而，本发明不限于特定的谐振器元件，只要其可以被集成到振荡器电路中作为振荡器本身的一部分即可。作为两终端设备的叉(fork)的机械性质可以用Butterworth-Van Dyke模型(如图7中所示)描述为串联电阻(R)、电感(L)和电容(C)电路(resistance(R),inductance(L)and capacitance(C)circuit，RLC电路)，该电路分别表示设备的机械阻尼、质量(mass)和柔软度(compliance)，该电路具有并联电容(C0)，该电容表示设备的电容包括设备的电极之间的电容、包括电引线之间的任何杂散电容(stray capacitance)和由于围绕设备的电介质而引起的电容。这个模型代表了谐振系统，并通过压电作用建立了机械和电学领域之间的直接关系。当C0远大于C时，变得难以使高阻尼的谐振器(诸如粘性液体中的谐振器)振荡。因此，优选的谐振器设计利用压电材料、形状和尺寸(dimensions)的选择以使C0相对于C最小化。当在液体中时，优选的谐振器还维持高的Q因子(品质因子)，例如，通过已经减小与液体接触的区域。另外，可以将电感器(或模拟电感器的动作的电路)放置为与谐振器并联或串联以消除谐振频率附近的C0的作用，从而使得当叉在高度粘稠的液体中时振荡器电路更容易谐振。可替换地，可以在差分测量方案中使用具有与压电振荡器的寄生电容相同或非常相似的电容的参考电容器(图13)。在这种技术中，相同的输入信号被馈送到压电谐振器和参考电容器，并且它们的输出被相互减去以抵消寄生电容的贡献。即使当机电响应信号与寄生信号相比非常小时，即使在高阻尼环境下，减去和放大也能够实现振荡。差分放大器可用于减法。在一个实施例中，参考电容器可以是第二音叉，其叉由环氧树脂夹紧或夹持。这确保了没有来自在感兴趣的频率周围的参考电容器的压电(机电)响应的主要贡献，而是仅来自寄生电容。几乎相同的电容器可以通过在具有与不具有音叉形状的机电谐振器相同几何形状的相同类型的压电基板上图案化电极来制造；因此，它在音叉的谐振频率周围不具有任何谐振频率。
在另一实施例中，机电谐振器的驱动和感测功能可以被解耦。这可以使用用于驱动和感测的不同的物理效果来完成，诸如使用电、磁、机械和光学领域之间的各种转导(transduction)组合。或者，如果相同的转导方法被用于驱动和感测，则也可以通过空间分离驱动和感测的区域来完成解耦。取决于所使用的转导，必要的分离长度可能不同。在压电音叉的具体示例中，其可以通过多种手段被驱动至其谐振，并且可以感测压电材料上的产生的机械变形作为经由图案化的电极的电压输出。该方法使输入信号到输出的寄生电容和直接电信号耦合最小化。在最简单的形式中，音叉可以刚性地安装在机械振动器上，诸如剪切压电换能器。在音叉的谐振频率下向剪切压电元件(shearing piezo)施加电信号，剪切压电元件的运动可以机械地耦合到音叉，并且可以激发音叉的谐振模式。当音叉变形时，它沿着它的压电晶体产生空间电荷分布，该压电晶体可以被拾取为音叉上的图案化的电极之间的电压差。初始运动与期望的谐振频率的耦合效率取决于音叉相对于剪切压电元件的运动方向的取向以及两个物体之间的键合的刚度。例如，为了激发音叉的剪裁模式(scissoring mode)，而不激发整个音叉体的基本悬臂模式，剪切运动方向应该与如图10A-图D中所示的剪裁运动方向正交。可替换地，可以在音叉上图案化电极，使得驱动和感测可以由如图11A-图C中所示的远电极来执行。在这三种电极方案中，输入和输出端口之间的寄生电容可以比具有相似几何形状的两终端设备的寄生电容小几个数量级。通过包括制造复杂性，第二组电极可以在音叉的后侧被图案化。正面电极可以被用于驱动，而后侧电极可以被用于感测。在这种情况下，机电转换效率可以进一步提高，如图12A-图C中所示。
根据这种电路的操作的一个方面，谐振器被并入振荡器电路中，然后该振荡器电路被导通。振荡器电路可以包括下面更详细描述的图1和图3的电路。通过来自电路的连续反馈机制，音叉从其运动的小波动开始其振荡，克服来自环境的衰减，并增长直至达到最大振幅。此时，反馈机制被关闭，并且谐振器的振荡由于环境阻尼而衰减。该过程连续重复，并在每个开关周期获得振荡的频率和衰减时间。
描述振荡衰减的模型是阻尼的非驱动谐振荡器(harmonic oscillator)的模型，其振荡速度的解(与由压电效应产生的电流成比例)由下式给出：
其中是振荡的相，衰减时间常数τ与流体的阻尼有关，并且频率ω与包括由谐振器拖动的流体的增加的质量的谐振器的有效质量有关。这些数量通过下式与振荡器的品质因数Q有关：
以及
在液体环境中，Q变得非常小，比如说，10阶。使用上面的等式，并且对于估计的固有频率ω0，以几十千赫兹，比如说，3×104KHz，可以理解的是获得大约一毫秒的时间常数，从而允许非常快速的测量和流体的性质的“实时”信息被计算并报告给下游系统，诸如基于硬件处理器的机器，其运行或者以其他方式实施代码以配置这些机器以处理从生产井内的这样的电路接收的流体特性数据。
各种振荡器电路可以被适用于与机电谐振器传感器一起工作。振荡器电路必须能够在要获得测量的所有环境中振荡。对于液体环境，谐振器的Q(即品质因数)很小(例如，在10的阶上)，并且一些振荡器电路可能不能提供足够的放大(amplification)来维持振荡。在这种情况下，可以采用额外的放大。例如，如果无缓冲的逻辑门不能提供足够的放大以在有损环境中维持振荡，则可以用缓冲的逻辑门或用串联的多个逻辑门来替换，以提供振荡所需的额外的放大。在一些情况下，当谐振器的Q因子由于处于粘性流体而很小时，它可能不会产生足够的相移来使得振荡器电路振荡。在这种情况下，可以与谐振器并联和/或串联来添加诸如电抗的额外阻抗，以提供额外的相移。如图9中所示，阻抗Zp与谐振器X并联，并且增加与谐振器X串联的阻抗Zs。可以理解的是，图1和图3中由晶体示意符号所示的“传感器”包括机电谐振器和必须添加到谐振器以使电路在感兴趣的流体中振荡的并联和/或串联阻抗。本领域技术人员将认识到，可以将阻抗添加为一个或多个电阻器、电容器和电感器的网络，或者作为仿真这些网络的电流-电压关系的有源电路。有源电路具有一定的优势，因为它们可以创建诸如“负电阻”的无源元件所不能产生的电流-电压关系。小型有源电路也可以仿真诸如当仿真大型电感器时对应的无源组件将会大得多的关系。在一个实施例中，在图1中所示的电路中，“传感器”由与谐振器串联的电感器组成，以使电路能够在具有更高粘度的流体中操作。
在一个实施例中，适合结合本发明使用的振荡器电路包括使其停止驱动机电谐振器从而可观察到振荡的衰减的装置。例如，可以打开包含机电设备的反馈回路，或者被打开、被短路或以其他方式改变的振荡器电路中的其他电路部件，使得谐振器从驱动状态改变为非驱动状态。振荡器电路的电路系统或单独地电路系统可以包括测量振荡的频率的装置和测量振荡的衰减率的装置。下面讨论两个这样的实施例。
参考图1，电路100包括与非(NAND)逻辑门102(其被配置为(如下所述)放大器)、电阻器104和106、以及围绕“传感器”112连接的电容器108和110，该“传感器”112包括两者形成振荡器电路的一部分的机电谐振器，以便限定电路的振荡并且该“传感器”112被配置为与要被测量的流体直接接触，使得流体对谐振器的行为的影响可以被测量以确定流体的特性。振荡器电路100中的增益由NAND逻辑门(U1)102提供，即用作用于电路的放大器的NAND/逻辑门。振荡器由开启/关闭*(ON/OFF*)输入上的逻辑低电平禁用，并由ON/OFF*输入上的逻辑高电平使能。输入可以由来自微控制器的数字输出来供应，例如，以控制振荡器电路是处于驱动模式还是非驱动模式。在振荡之后，非驱动模式适合于收集阻尼数据和确定流体特性，诸如使用上面提到的公式或从阻尼数据中受益的其他等式。电路的“到定时器(TOTIMER)”输出在振荡的频率处具有一个方波。这个输出例如可以提供给微控制器的定时器输入，从而可以通过微控制器的定时器系统准确地测量振荡的频率。如果需要的话，可以将电路的“到模数转换器(TO ADC)”输出提供给模数转换器以采样衰减振荡并确定阻尼。
图2示出了包括来自电路100的两个波形202和204的输出图形200。当ON/OFF*输入为高206时，振荡开始，最终达到如在波形202中可见的稳定振幅。然后，当ON/OFF*输入变低208(在图2的图形中的时间＝0秒时)，NAND门被禁用，并且振荡衰减，如波形204中所示。TOADC输出处的波形如202、204处所示。图2中所示的这些数据是在真空中用传感器测量的。当传感器处于液体中时，开始振荡的时间和衰减时间要快得多。在任何情况下，机电设备在参考液体中以及在规定的温度和压力下的阻尼率可以用于基准测试(benchmarking)的目的而获得，诸如校准给定的传感器112。
图3示出了提供了电路300的另一实施例。电路300包括模拟开关302、运算放大器304、电阻器306、308和310、以及二极管312和314。同样，在突出(salient)部分中，电路300包括“传感器”316，该“传感器”316包括两者形成振荡器电路的一部分的机电谐振器，以便限定电路的振荡频率并且该“传感器”316被配置为与要被测量的流体直接接触，使得流体对谐振器的行为的影响可以被测量以确定流体的特性。振荡器电路300中的增益由运算放大器(operational amplifier，op amp)(U2)304提供。当ON/OFF*输入处存在逻辑低电平时，模拟开关U3 302打开并且振荡不被驱动(即它衰减)。在这种模式下，op amp 304用作电流到电压的转换器，在TO ADC输出上提供与来自传感器的衰减电流振荡成比例的电压。当ON/OFF*输入上存在逻辑高电平时，模拟开关U3 302闭合，允许正反馈，这导致在传感器的谐振频率处的持续振荡。ON/OFF*输入可以由来自微控制器的数字输出来提供。电路的“TOADC”输出可以提供给模数转换器，该模数转换器对持续和衰减的振荡进行采样，并使处理器能够确定振荡的频率和衰减时间。二极管312和314(D1和D2)防止运算放大器输出被驱动到饱和。在没有这些二极管的情况下，将由于op amp从饱和中出来所花费的时间会减少振荡频率。
在另一实施例中，阻尼是基于必须与谐振器串联或并联添加的负电阻的量来确定的，以维持振荡处于恒定的振幅(例如，可以修改图3的电路以完成这一操作，其中限定负电阻的电阻器(308)被诸如N沟道增强型MOSFET的可变电阻器件代替，并且MOSFET的栅极电压(其确定漏极-源极电阻在操作的线性区域中)被调整以保持放大器输出的幅度恒定。因此图3示出了使用运算放大器的振荡器的电路。MOSFET正提供的电阻以及因此保持振荡幅度恒定所需的负电阻，可以通过对MOSFET上的栅极电压进行采样来确定)。在另一实施例中，阻尼基于必须被添加到谐振器以维持振荡处于恒定幅度的功率量来确定。在另一实施例中，阻尼基于必须施加到在包含振荡器电路内的谐振器的反馈回路中以维持振荡处于恒定幅度的增益量来确定。
可以将传感器递送到生产井中的期望位置或位置的集合的合适平台包括如本领域技术人员公知的钢缆(wireline)工具、如在于2016年4月29日提交的名称为“用于获得地下井井下性质的测量方法和设备(METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING MEASUREMENTS OFDOWNHOLE PROPERTIES IN A SUBTERRANEAN WELL)”的共同未决的美国专利申请第15/143,128号(该美国专利申请就如同是在它的整体中阐述的一样通过引用并入本文)中所描述的无线传感器、或者布置在井内的永久性部署的传感器网络中处于不同深度的网络节点上的无线传感器。该设备的结构使其对远程井下操作特别有用，因为该设备可以被制成适合于小型封装(例如，谐振器和电路可以适合小于1cc体积)，并且消耗很小的功率(例如，大约每次测量1微焦耳)。
在一个实施例中，图3的电路如图8中所示被修改以实施自动增益控制。设置在运算放大器的非反相输入处可见的负电阻的电阻器(图3中的308)可以由N型增强型MOSFET代替，其中供应给MOSFET的栅极电压是增益控制电压并且是在运算放大器输出处施加到振荡的包络检波器的输出。因此，MOSFET栅极得到取决于振荡的幅度的电压。如果振荡的幅度减小，则栅极电压将降低。这将增加MOSFET的漏极到源极电阻，进而增加添加到谐振器的负电阻并且增加振荡的幅度。如果振荡的幅度增加，则栅极电压将增加。这将减小MOSFET的漏极到源极电阻，从而减小添加到谐振器的负电阻并减小振荡的幅度。因此，使用这种排布的电路，振荡的幅度将保持在恒定的水平。保持恒定幅度振荡所需的负电阻可以通过测量施加到MOSFET的栅极电压结合给出MOSFET的漏极-源极电阻作为其栅极电压的函数的校准曲线来确定。就这一点而言，硬件处理器可以执行或以其他方式实施其中的代码，以基于测量的栅极电压从校准曲线(或代表校准曲线的函数)识别电阻。
在一个实施例中，电路可替换地可以被配置为驱动谐振器，使得初始建立振荡并且至少短暂地持续，然后停止驱动谐振器，使得振荡被允许衰减(例如，使用例如图1的电路)，从而可以进行衰减测量或以其他方式完成。在另一实施例中，调节电路的增益以保持恒定的振荡幅度，并且测量所需的增益量作为阻尼量的指示。这是因为更大的阻尼需要更大的增益来持续恒定的振荡。在另一实施例中，电路被配置为模拟连接到谐振器的“负电阻器”。负电阻的量被自动调整，以维持恒幅振荡，并将所需的负电阻的量被测量作为阻尼的指标。这可以被采用，因为需要更大的负电阻来抵消更大的阻尼能量损耗，该阻尼能量损耗可以被认为是谐振器内部的(正)电阻器。
在一个实施例中，可变电阻器电路可以如图8中所示，其中可调电阻器实际上是由MOSFET的栅极电压调整的、MOSFET的漏极-源极电阻RDS。本实施例中的MOSFET的栅极电压由放大器输出上的包络检测器产生，使得较大的幅度输出导致较大的栅极-源极电压并因此导致较小的RDS(这导致振荡幅度减小)，直到RDS变为恰好抵消了谐振器中的阻尼。通过微控制器中的A/D转换器对栅极电压进行采样，这可以与RDS的值以及因此在谐振器中的阻尼量相关，例如，使用在微控制器内执行的与上述值相关的代码。振荡的频率也可以由微控制器测量。根据这个测量值和RDS值，非驱动衰减振荡具有的频率可以被计算。
在一个实施例中，提供了一种系统和方法，除了存在于沿井筒的多个位置中的所有流体的密度和粘度之外，其还可以测量温度和压力。温度和压力测量通过包括市售的温度(例如RTD)传感器和压力换能器来实施。它们的读数是通过模数转换器来测量的，该转换器与设备中的微控制器接口，使得温度和压力数据可以随着密度和粘度被记录或传输。
尽管粘度没有绘制在PVT图中，但它可以用作当特定状态、泡点、露点等改变已经发生时的指示。无线传感器球(例如，诸如在上面引用的共同未决的美国专利申请第15/143,128号中描述的一个)提供了一种便宜的解决方案，用于测量在表面和任何给定的储层深度之间的所有压力和温度处的流体性质。通过测量温度、压力以及在井下从表面行进至选定的储层深度时所遇到的所有流体相的密度和粘度，本发明的设备、方法和系统可以重建用于沿着最重要的压力-温度轨迹所产生的流体(即在井筒中发现的流体)的粘度和相图信息。
认识到知道每个相的粘度和密度可以帮助确定流态并提高相流速的准确度。快速采样速率测量粘度和密度的能力瞬间揭示出多相流中存在哪一相，从而在传感器位置处提供相的时间序列。这个时间序列可以被用来确定每个相的丰度以及每个相的流动结构的大小和形状，从而确定流态。第一个时间序列的下游的第二个这样的时间序列下游可以与第一时间序列下游相关联，以确定单个流体包在传感器之间移动需要多长时间，从而提供更精确的相流速的测量。
如上所述，振荡器电路并入布置在电路的反馈回路内的机电谐振器，使得谐振器的谐振频率限定振荡器电路的振荡频率。除了限定电路的振荡频率之外，谐振器还接触待测流体。与其中谐振器与驱动谐振器的振荡器电路分离且不同的其他系统相比，这种排布允许确定谐振频率快得多。因此，本文公开的排布允许提高的测量速度。提高的测量速度在很多方面都是有益的。例如，在生产井中通常有多种流体进入井中。提高的测量速度导致增加的测量的数量，增加的测量的数量允许区分生产井中的多种流体类型，并确定对于每种流体类型的正确粘度。相比之下，具有较慢测量的系统提供更不精确的结果，因为在测量期间传感器可以处于多余一种流体类型中。
此外，本文所述的系统和方法的提高的速度允许解决生产井中的多相流中的分离的流体。相比之下，更慢的传感器会模糊在测量期间遇到的各种流体上的流体特性。感测的提高的速度允许确定多相流的组成和结构。再者，传感器的提高的速度允许多个、快速的测量，使得允许感测和感知井下流体中的分离的流体相，而其他传感器不能足够快地响应以提供感知分离的流体相的数据中的必要粒度。在生产井中，传感器可以在每几毫秒处于不同的流体类型，因为石油、天然气和盐水的气泡冲过。
根据一个非限制性示例，一个实施例在实验室条件下进行测试。参考图4，该系统包括作为机电谐振器(即有线音叉振荡器)的音叉400。音叉的完整表征在模拟的井下压力和温度条件下进行。使用锁定放大技术以及其阻抗的直接的频率响应测量对设备进行电气地致动和感测压电。获得谐振峰，并与作为拟合参数的峰宽、幅度和谐振频率拟合。峰宽和频率允许提取流体中阻尼和振荡器的增加的质量。开发了流体动力学模型来校准谐振响应与测试流体的粘度和密度。为此，传感器在不同的流体(空气、水、矿物油、液压油)中被激活并且获得校准参数。该设备后来在不同的压力和温度条件下进行测试，以模拟井下条件(参见图5和图6)。更具体地，图5显示了ISO 15液压油在高压和高温下的测量的粘度的结果，并且图6显示了在高压和高温下ISO 15液压油的测量的密度结果。
发现该设备适于测量所感兴趣的范围内的粘度(高达50cP)。
基于上述内容，应该理解的是，本发明可以通过多种方式以不同的特异性水平来实现，如从以下几点可以得出的那样。
根据一点，提供了一种用于在感兴趣位置进行流体性质的原位确定的方法，其包括以下步骤：
a.在地下井处部署机电谐振器，使得机电谐振器至少部分地浸没在感兴趣位置处的井下流体中；
b.通过向并入谐振器作为其频率限定元件的振荡器电路供电，使机电谐振器以其谐振频率振荡；
c.测量由振荡器电路产生的振荡的频率；
d.测量由振荡器电路产生的振荡的阻尼；以及
e.将频率和阻尼与井下流体的粘度和密度通过以下中的至少一个相关：将频率和阻尼与流体粘度和密度相关的理论方程、基于曲线拟合以校准已知粘度和密度的流体中的频率和阻尼的测量的经验关系。
根据另一点，提供了一种用于确定井下流体的PVT特性或相图的方法。
根据另一点，提供了一种用于确定流体性质的方法，其包括以下步骤：
a.将振荡器电路中的机电谐振器暴露于未表征的流体，该振荡器电路包括：
i.具有输出和输入的放大器；
ii.放大器或逻辑门的输出和输入之间的反馈回路；以及
iii.布置在反馈回路内的机电谐振器，其使得谐振器的谐振频率限定振荡器电路的振荡；
b.激活振荡器电路，使得谐振器在未表征的流体中达到其谐振频率；
c.当振荡器电路未被激活时，确定未表征的流体中的谐振器的阻尼；和
d.通过参考阻尼来计算未表征的流体的至少一个性质。
根据另一点，未表征的流体位于井下，并且还包括将振荡器电路设置在井下的步骤。
根据另一点，音叉与反馈回路串联布置。
根据另一点，提供了一种用于确定多相流中的每个相的流速的方法。
根据另一点，流体的粘度通过在流体被带到表面之前将音叉暴露于储层深度处的流体来确定。
根据另一点，振荡器电路由能够在井中的多个点处进行测量的钢缆工具支撑。
根据另一点，振荡器电路由能够在井中的多个点处进行测量的无线传感器平台支撑。
根据另一点，振荡器电路由电池支撑并永久地放置在井筒中。
根据另一点，该方法包括确定流体的组成的步骤，其中流体是多相流。
上述主题仅作为说明的方式提供，并且不应被解释为限制。在不遵循示出和描述的示例性实施例和应用(包括，例如，附图中示出的特定电路值)并且不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对本文描述的主题做出各种修改和改变。

Claims (20)

1.一种用于在地下井处进行井下流体性质的原位测量的方法，包括以下步骤：
a.在地下井处部署机电谐振器，使得机电谐振器至少部分地浸没在井下流体中；
b.通过向振荡器电路供电而使所述机电谐振器以谐振频率振荡，其中所述机电谐振器被并入作为所述振荡器电路的频率限定元件；
c.测量由所述振荡器电路产生的振荡的谐振频率；
d.测量由所述振荡器电路产生的振荡的阻尼；以及
e.通过采用由代码配置为利用以下各项中的至少一个的处理器来将频率和阻尼与所述井下流体的粘度和密度相关：
i.将频率和阻尼与流体粘度和密度相关的理论方程；以及
ii.基于曲线拟合以校准参考流体中的谐振频率和阻尼的测量的经验关系，其中这种流体的粘度和密度是已知的。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
a.重复权利要求1的方法以在所述地下井处的至少两个位置中获得测量值；
b.确定在密度和粘度被确定的位置处的温度和压力；以及
c.搜索类似流体的家族，其中密度和粘度已经针对一系列压力和温度值被测量，以识别具有与针对在地下井处进行测量的压力和温度而在地下井处所测量的密度和粘度值最相似的密度和粘度值的流体或流体的组合。
3.一种用于确定井下流体的性质的方法，包括以下步骤：
a.将作为振荡器电路的一部分的机电谐振器暴露于未表征的井下流体，所述振荡器电路包括：
i.具有输出和输入的放大器；
ii.放大器的输出和输入之间的反馈回路；以及
iii.机电谐振器，其被布置在反馈回路内使得所述机电谐振器的谐振频率限定所述振荡器电路的振荡频率；
b.激活振荡器电路，使得所述机电谐振器在未表征的流体中达到谐振频率；
c.测量所述机电谐振器的振荡的周期；
d.确定未表征的流体中的机电谐振器的能量损耗参数；以及
e.通过参考所述能量损耗参数和所述振荡器电路的周期来计算未表征的流体的至少一个性质。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述机电谐振器几何形状是以下之一：悬臂、音叉、振动线路和振荡板。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述机电谐振器能够被致动为从以下各项选择的至少一个振动模式：面内、面外、扭转、剪裁、枢转和更高阶模式。
6.根据权利要求3所述的方法，其中通过使用参考电容器和信号减法电路来消除所述机电谐振器的寄生电容。
7.根据权利要求3所述的方法，其中驱动和感测功能被解耦。
8.根据权利要求7所述的方法，其中驱动和感测功能通过依赖从以下各项选择的不同物理效应来解耦：电、磁、机械和光学领域。
9.根据权利要求7所述的方法，其中驱动和感测功能通过驱动和感测位置的物理分离来解耦。
10.根据权利要求3所述的方法，其中所述未表征的流体位于井下，并且还包括将所述振荡器电路布置在井下的步骤。
11.根据权利要求3所述的方法，还包括确定多相流中的每个相的流速的步骤。
12.根据权利要求3所述的方法，其中通过在流体被带到表面之前将所述机电谐振器暴露于井内深度处的流体来确定流体的粘度。
13.根据权利要求3所述的方法，其中所述设备被容纳在腔室中，并且流体被选择性地吸入所述腔室中，并被分离和/或制约(化学地或物理地)以执行测量。
14.根据权利要求3所述的方法，其中流体、或流体-流体、或固体-流体、或气体-流体系统的相图的性质从粘度和密度变化以及它们对诸如压力、温度、体积或分散相的浓度的热力学变量的依赖性推断出。
15.根据权利要求3所述的方法，其中所述机电谐振器被选择性地涂覆以改变其对流体或化学品的亲和性。
16.根据权利要求3所述的方法，其中所述振荡器电路由能够在井中的多个点处进行测量的钢缆工具来支撑。
17.根据权利要求3所述的方法，其中所述振荡器电路由能够在井中的多个点处进行测量的无线传感器平台来支撑。
18.根据权利要求3所述的方法，还包括确定流体的组成的步骤，其中所述流体是多相流。
19.一种用于确定未表征的井下流体的性质的装置，包括：
a.振荡器电路，其包括：具有输出和输入的放大器、放大器或逻辑门的输出和输入之间的反馈回路、以及布置在所述反馈回路内使得谐振器的谐振频率限定所述振荡电路的振荡的机电谐振器；
b.用于使所述振荡器电路停止驱动所述谐振器的装置，由此使得能够观察未表征的流体内的振荡的衰减率；
c.用于测量所述振荡的衰减率的装置；以及
d.用于通过参考包括所测量的衰减率的阻尼来计算未表征的流体的至少一个性质的装置。
20.一种用于确定流体的性质的方法，包括以下步骤：
f.将振荡器电路暴露于未表征的流体，所述振荡器电路包括：
iv.具有输出和输入的放大器；
v.放大器或逻辑门的输出和输入之间的反馈回路；以及
vi.机电谐振器，其被布置在所述反馈回路内使得所述机电谐振器的谐振频率限定所述振荡器电路的振荡；
g.激活所述振荡器电路，使得所述机电谐振器在未表征的流体中达到谐振频率；
h.当所述振荡器电路被连续激活时，确定未表征流体中的所述机电谐振器的阻尼比；并且
i.通过参考通过自动增益或负电阻抗控制系统保持恒定的振荡幅度所需的增益或负电阻来计算未表征的流体的至少一个性质。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113405947A (zh) * 2021-06-21 2021-09-17 电子科技大学 一种基于qcm的液体粘度检测仪
CN117347571A (zh) * 2023-12-04 2024-01-05 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 一种混合气体测量装置的多参数自校准方法、装置及系统

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10018613B2 (en) * 2006-11-16 2018-07-10 General Electric Company Sensing system and method for analyzing a fluid at an industrial site
SG10201906231SA (en) * 2015-08-07 2019-08-27 Saudi Arabian Oil Co Method and device for measuring fluid properties using an electromechanical resonator
JP6862731B2 (ja) * 2016-03-01 2021-04-21 ヤマハ株式会社 制振装置
US11333015B2 (en) 2016-08-04 2022-05-17 Saudi Arabian Oil Company Method for capacitive cancellation of tuning fork for fluid property measurements
DE102016120326A1 (de) * 2016-10-25 2018-04-26 Endress+Hauser SE+Co. KG Verfahren zur Zustandsüberwachung eines elektromechanischen Resonators
US11187636B1 (en) * 2018-01-26 2021-11-30 Kelvin Innovations LLC Dielectrostriction measurement with electrical excitation frequency sweep method and rheo-dielectric coefficient for process monitoring, quality examination, and material characterization
SG11202011832WA (en) * 2018-06-20 2021-01-28 Saudi Arabian Oil Co Method for capacitive cancellation of tuning fork for fluid property measurements
US11643898B2 (en) * 2018-10-17 2023-05-09 Schlumberger Technology Corporation Systems and methods for monitoring and/or predicting sagging tendencies of fluids
US20220011209A1 (en) * 2018-12-12 2022-01-13 Micro Motion, Inc. Planar vibratory densitometer, densitometer member, and related method
GB2591638B (en) * 2018-12-28 2023-01-04 Landmark Graphics Corp Managing gas bubble migration in a downhole liquid
US11428100B2 (en) 2018-12-31 2022-08-30 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Systems and methods for obtaining downhole fluid properties
GB2610149B (en) * 2018-12-31 2023-07-26 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Systems and methods for obtaining downhole fluid properties
US11066930B2 (en) 2018-12-31 2021-07-20 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Systems and method for analyzing downhole fluid properties using co-located multi-modal sensors
US11285476B2 (en) 2019-01-08 2022-03-29 Interface Fluidics Ltd. Microfluidic devices and systems, and methods for operating microfluidic devices and systems
GB2581352A (en) 2019-02-13 2020-08-19 Rosemount Measurement Ltd Improvements in or relating to vibrating fork level switches
US11549345B2 (en) * 2019-12-31 2023-01-10 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Control of fluid production using resonant sensors
KR102302562B1 (ko) * 2020-03-19 2021-09-16 엠케이에스 인베스트먼츠 다운홀 음향 원격 측정 방법 및 장치
CN116249593A (zh) * 2020-10-14 2023-06-09 希尔舍博士有限公司 用于将机械振动传递至可流动介质的装置
US11714039B2 (en) * 2020-11-06 2023-08-01 Saudi Arabian Oil Company Device and method to obtain the viscosity of polymer fluids used for enhanced oil recovery
US11860077B2 (en) 2021-12-14 2024-01-02 Saudi Arabian Oil Company Fluid flow sensor using driver and reference electromechanical resonators
US11899034B2 (en) 2022-01-19 2024-02-13 Saudi Arabian Oil Company Method and device for measuring fluid density
US11828641B2 (en) * 2022-03-21 2023-11-28 Rosemount Inc. Vibrating fork liquid level switch with verification

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6269686B1 (en) * 1998-02-04 2001-08-07 Robert Bosch Gmbh Sensor, in particular for measuring the viscosity and density of a medium
CN1800578A (zh) * 2004-12-23 2006-07-12 普拉德研究及开发股份有限公司 用于岩层评价的装置和方法
CN2809215Y (zh) * 2005-07-03 2006-08-23 中国石油大学(华东) 微波谐振法生产油井产液剖面测井仪
CN1930573A (zh) * 2004-03-16 2007-03-14 贝克休斯公司 用于根据机械谐振器数据进行流体的密度、粘度、介电常数和电阻率的化学计量估计的方法和设备
EP2650668A1 (en) * 2012-04-12 2013-10-16 Openfield Density and viscosity sensor and measuring method
US20150096385A1 (en) * 2012-05-24 2015-04-09 Air Products And Chemicals, Inc. Method of, and apparatus for, measuring the physical properties of two-phase fluids

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05500417A (ja) * 1989-08-17 1993-01-28 マイクロバイオロジカル・リサーチ・オーソリティー 密度計
US5317908A (en) * 1992-04-28 1994-06-07 National Metal Refining Company, Inc. High viscosity transducer for vibratory viscometer
US5837885A (en) * 1994-03-07 1998-11-17 Goodbread; Joseph Method and device for measuring the characteristics of an oscillating system
US6494079B1 (en) 2001-03-07 2002-12-17 Symyx Technologies, Inc. Method and apparatus for characterizing materials by using a mechanical resonator
US6311549B1 (en) 1999-09-23 2001-11-06 U T Battelle Llc Micromechanical transient sensor for measuring viscosity and density of a fluid
US6688176B2 (en) 2000-01-13 2004-02-10 Halliburton Energy Services, Inc. Single tube densitometer
EP1322951A2 (en) 2000-09-20 2003-07-02 Molecular Reflections Microfabricated ultrasound array for use as resonant sensors
GB2369887B (en) 2000-12-08 2005-03-09 Sondex Ltd Densitometer
GB2392980B (en) 2001-05-15 2005-06-15 Baker Hughes Inc Method and apparatus for downhole fluid characterization using flxural mechanical resonators
WO2004082363A2 (en) 2003-03-17 2004-09-30 Michael Nerenberg Sensor assembly and methods of making and using same
WO2005103645A2 (en) 2004-04-21 2005-11-03 Symyx Technologies, Inc. Flexural resonator sensing device and method
JP2007200610A (ja) * 2006-01-24 2007-08-09 Koito Mfg Co Ltd 車両用灯具の点灯制御装置
SI2246688T1 (sl) 2009-04-29 2011-12-30 Nest Int Nv Naprava za merjenje gostote tekoäśine
US8307698B2 (en) * 2009-08-07 2012-11-13 Schlumberger Technology Corporation Vibrating wire viscometers
US20110036151A1 (en) * 2009-08-12 2011-02-17 Delaware Capital Formation, Inc. Instrumentation of Acoustic Wave Devices
US8166812B2 (en) 2009-10-14 2012-05-01 Schlumberger Technology Corporation Vibrating wire viscometers
WO2012012508A2 (en) 2010-07-21 2012-01-26 Sayir, Mahir Coupled torsional resonators viscometer
US9470084B2 (en) * 2010-08-12 2016-10-18 Rosemount Inc. Method and apparatus for measuring fluid process variable in a well
JP5771775B2 (ja) * 2010-12-21 2015-09-02 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 点灯装置および、これを用いた灯具，車両
EA201490346A1 (ru) * 2011-07-27 2015-02-27 Фасткэп Системз Корпорейшн Электропитание для скважинных инструментов
WO2013050989A1 (en) * 2011-10-06 2013-04-11 Schlumberger Technology B.V. Testing while fracturing while drilling
US9151153B2 (en) * 2011-11-30 2015-10-06 Baker Hughes Incorporated Crystal sensor made by ion implantation for sensing a property of interest within a borehole in the earth
JP5831904B2 (ja) * 2012-01-27 2015-12-09 国立研究開発法人産業技術総合研究所 粘弾性測定方法及び粘弾性測定装置
US8910514B2 (en) * 2012-02-24 2014-12-16 Schlumberger Technology Corporation Systems and methods of determining fluid properties
US9779280B2 (en) * 2014-12-24 2017-10-03 Idex Asa Fingerprint sensor employing an integrated noise rejection structure
GB2549681B (en) * 2015-03-11 2019-06-12 Halliburton Energy Services Inc Determining characteristics of a fluid in a wellbore
JP6518342B2 (ja) 2015-04-30 2019-05-22 サウジ アラビアン オイル カンパニー 地下坑井におけるダウンホール特性の測定値を得るための方法および装置
SG10201906231SA (en) 2015-08-07 2019-08-27 Saudi Arabian Oil Co Method and device for measuring fluid properties using an electromechanical resonator

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6269686B1 (en) * 1998-02-04 2001-08-07 Robert Bosch Gmbh Sensor, in particular for measuring the viscosity and density of a medium
CN1930573A (zh) * 2004-03-16 2007-03-14 贝克休斯公司 用于根据机械谐振器数据进行流体的密度、粘度、介电常数和电阻率的化学计量估计的方法和设备
CN1800578A (zh) * 2004-12-23 2006-07-12 普拉德研究及开发股份有限公司 用于岩层评价的装置和方法
CN2809215Y (zh) * 2005-07-03 2006-08-23 中国石油大学(华东) 微波谐振法生产油井产液剖面测井仪
EP2650668A1 (en) * 2012-04-12 2013-10-16 Openfield Density and viscosity sensor and measuring method
US20150096385A1 (en) * 2012-05-24 2015-04-09 Air Products And Chemicals, Inc. Method of, and apparatus for, measuring the physical properties of two-phase fluids

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113405947A (zh) * 2021-06-21 2021-09-17 电子科技大学 一种基于qcm的液体粘度检测仪
CN117347571A (zh) * 2023-12-04 2024-01-05 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 一种混合气体测量装置的多参数自校准方法、装置及系统
CN117347571B (zh) * 2023-12-04 2024-03-12 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 一种混合气体测量装置的多参数自校准方法、装置及系统

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