CN112304806B - 井下超声粘度测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种井下超声粘度测量装置及其测量方法，属于超声检测领域。井下发射换能器通过两条空心钢柱与仪器集合模块相连，空心钢柱用于固定井下发射换能器和走线，并允许井下发射换能器和井下接收换能器之间的待测液体随着测井仪器在井眼中提升被自动替换为原位液体；井下发射换能器旁边安装感温探头一，井下接收换能器旁边安装感温探头二，两个感温探头分别与温度传感器相连，实时监测温度的变化；仪器集合模块外壳也为钢材质，一端为井下接收换能器，另一端为电缆接口，仪器集合模块内部容置井下温度传感器一、二、信号发生接收器、发射器增压电路、信号处理与存储等电子部件。具有仪器结构简单、可实时在线测量、精度高且不易损坏等优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测领域，特别涉及一种井下超声粘度测量装置及其测量方法，用于在在井下采用超声衰减法测量驱油剂的粘度。
背景技术
流体的粘性是指，当流体发生剪切形变时，将产生粘滞应力。对牛顿流体，该粘滞应力正比于剪切形变的速率(而非大小)。粘性的大小用粘度表示。这一粘度被称为动力粘度或剪切粘度，简称粘度，用符号η表示。它起源于流体分子间的相互作用，是流体的一个重要参数。研究粘度测量系统和研究流体本身一样古老，各种各样的实验室测量系统被发展起来，在石油、化工、医学、冶金、食品、建材等各学科领域有着广泛应用。
聚丙烯酰胺是一类多功能的油田化学处理剂，广泛用于石油开采的钻井、固井、完井、修井、压裂、酸化、注水、堵水调剖、三次采油作业过程中，特别是在钻井、堵水调剖和三次采油领域。聚丙烯酰胺水溶液具有较高的粘度，有较好的增稠、絮凝和流变调节作用，在石油开采中用作驱油剂和钻井泥浆调节剂。在石油开采的中后期，为提高原油采收率，我国目前主要推广聚合物驱油和三元复合驱油技术。通过注入聚丙烯酰胺水溶液，改善油水流速比，使采出物中原油含量提高。在三次采油中加入聚丙烯酰胺，可增加驱油能力，避免击穿油层，提高油床开采收率。聚丙烯酰胺水溶液被作为驱油剂广泛的应用于石油工业中与它拥有较高的粘度密切相关，因此，能够在井下实时在线检测驱油剂的粘度至关重要。
测量粘度的方法有很多，既有传统的毛细管法、落体法、旋转法、振动法，也有近些年来新兴的超声法，根据原理的不同，超声法又可分为超声横波反射式、超声多普勒式、超声阻抗管式、超声时差式、超声衰减式等多种方法。但在这些方法中，毛细管法的残留物料对测量结果的影响较大，每次测完都要彻底清洗和干燥，测量耗时较长，还要注意保养，不适用于低粘流体的测量；落体式粘度计虽然结构简单，操作方便，可快速提供测定数据，但其测量结果会受到小球下落轨迹、试样管均匀程度等因素的影响，因此有着一定的不确定性，测量精度低；旋转式粘度计对电机和机械要求较高，支承部分结构容易损坏，且重复性较差；振动法具有测量方便、样品用量少、控温方便的优点,适合直接安装在工业流程上连续监测和控制粘度的粘度计。但没有公认的理想粘度计算公式。且一般需要激光传感器或电磁传感器测量振动幅度，结构复杂。综上所述，测量粘度的传统方法都不适合井下粘度的测量。
在众多的超声法中，超声横波反射法仅适用于高粘度牛顿流体的粘度测量，有效范围l02～106mPa·s，且测量精度低(实验室中相对误差约10％)。该方法有一个严重的内在问题，就是测量深度浅，仅能测量界面处约几个厚微米流体薄膜的粘度。这样在井下就不适用，因为测量界面处的流体不能被及时替换掉，不能测量原位的粘度；超声多普勒式利用多普勒效应测量流体粘度，该方法需要待测流体完全静止，不能受扰动，不适合井下；超声阻抗管法克服了超声横波反射式穿透深度小的问题，利用声波(纵波)沿流体传播时的衰减测量流体粘度，但测量室结构密闭不适合井下测量；超声时差式方法还没有理论依据，应用上还不成熟，暂时还不能应用于井下。
此外，扩散波光谱法、布里渊线宽测量法、激光瞬态光栅光谱法以及原子应力显微镜悬臂共振法等也在实验室用于粘度测量，然而其设备庞大且昂贵，不适合井下粘度测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种井下超声粘度测量装置及其测量方法，解决了现有的各种粘度测量技术无法在井下进行粘度测量的难题，解决了以往超声衰减法只能测量液体的纵向粘度无法直接测出动力粘度从而导致迟迟没有商业化应用的问题。本发明具有仪器结构简单、可实时在线测量、精度高、不易损坏等优点。本发明采用透射模式，用两只相同的换能器，一只用作发射，一只用作接收，且两只换能器之间的距离是固定的。发射换能器通过两条空心钢柱与电子短接相连，空心钢柱用来固定发射器和走线，并允许发射器和接收器之间的待测液体随着测井仪器在井眼中提升被自动替换为原位液体。在发射和接收换能器旁边各装上一个温度传感器的感温探头，以便实时监测温度的变化。仪器集合模块外壳也为钢材质，一端为接收器，另一端为电缆接口，可与电缆或其他测井仪相连，内部为两个温度传感器以及信号发生器、发射器增压电路、信号接收电路、信号处理与存储等电子部件。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
井下超声粘度测量装置，井下发射换能器1通过两条空心钢柱与仪器集合模块4相连，空心钢柱用于固定井下发射换能器1和走线，并允许井下发射换能器1和井下接收换能器2之间的待测液体随着测井仪器在井眼中提升被自动替换为原位液体；在井下发射换能器1旁边安装井下感温探头一8，井下接收换能器2旁边安装井下感温探头二7，所述井下感温探头一8与井下温度传感器一5相连，井下感温探头二7与井下温度传感器二6相连，以实时监测温度的变化；所述仪器集合模块4外壳为钢材质，一端为井下接收换能器2，另一端为电缆接口3，与电缆或测井仪相连，仪器集合模块4内部容置井下温度传感器一5、井下温度传感器二6、信号发生接收器12、发射器增压电路、信号处理与存储部件。
本发明的另一目的在于提供一种井下超声粘度测量方法，采用两套参数相同的超声粘度测量装置，其中一套放置在实验室中，实验室内仪器散放在实验台；另一套放置在井下，由于井下条件恶劣，将井下仪器都密封在钢管内；(所述仪器指井下温度传感器一、二、信号发生接收器、发射器增压电路、信号处理与存储部件等)；测量方法包括如下步骤：
步骤(1)采用超声粘度测量装置和旋转式粘度计，在实验室中得到一个数据库；
步骤(2)将与步骤(1)参数相同的超声粘度测量装置放置在井下，测得超声波穿过井下液体后的电压Vobj(mV)，利用实验室测得的超声波穿过参考液体得到的电压Vref(mV)和参考液体的纵向粘度ηlong-ref，以及已知的井下液体的声速cobj和密度ρobj、参考液体的声速cref和密度ρref，计算得到井下液体的纵向粘度ηlong-obj；
步骤(3)通过步骤(2)放置在井下的超声粘度测量装置，测得超声波透过井下液体后的声速v或者接收器记录的第一个波的幅度A，并用自带的温度传感器测得此时井下液体的温度T，通过数据库中不同温度下的A-η曲线或v-η曲线，即可得到此时井下液体的动力粘度η0。
步骤(1)所述的在实验室中得到一个数据库，具体方法如下：
步骤(1.1)在不同的温度下，采用购买的商用旋转式粘度计分别测出不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度，具体方法为先配置出200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L、1600mg/L、1800mg/L和2000mg/L的聚丙烯酰胺水溶液，在配置过程中加入聚丙烯酰胺干粉时应该缓缓加入到水中，不能倾倒，这样会在水中形成坨，不能再溶解，浪费物料的同时也影响实验精度。且在溶解过程中为了防止成坨以及加速溶解应一直用搅拌器搅拌，但搅拌速度不应过快，速度快了，会剪断聚丙烯酰胺的分子链，使动力粘度降低，一般的速度控制在60转/分钟线速度。溶液配制完成后放入恒温箱中，设置恒温箱的温度为25℃，并在该温度下用旋转式粘度计测出动力粘度。由于聚丙烯酰胺水溶液属于非牛顿流体，其动力粘度的值会因旋转式粘度计选用不同的转速和转子而发生变化，因此在测量过程中应搭配不同的转速和转子多测出几组数据最终根据实际情况选择最合适的。在该温度下测量完成后，分别改变恒温箱的温度为26℃、27℃、28℃、29℃、30℃···，一直到80℃，并在这些温度下用旋转式粘度计分别测出以上各个浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度，记录各个温度下不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度数据，并用绘图软件绘出各个温度下动力粘度随浓度的变化曲线并拟合出公式；
步骤(1.2)将实验室发射换能器10、实验室接收换能器11卡在圆管9的两端，其中一端的实验室接收换能器11卡进后用泡沫胶密封防止液体渗漏，测量时该端放在桌面上；从另一端向里面加入聚丙烯酰胺水溶液，加满后盖上实验室发射换能器10，实验室温度传感器14的感温探头15安装在圆管9的侧壁，以确保每次做聚丙烯酰胺水溶液动力粘度随浓度的变化实验时在相同的温度下进行；实验室发射换能器10、实验室接收换能器11分别与信号发生接收器12的发射口和接收口连接，信号发生接收器12与示波器13连接，在示波器13上看到超声波透射过聚丙烯酰胺水溶液后的图像；通过图像算出声波总的衰减率α以及声速v，但由于发射的超声波不是平面波且在不断的反射过程中会有除了粘滞损耗之外的衰减，使计算的α不够准确，所以改为测量声速v和超声波透过聚丙烯酰胺水溶液衰减后第一个波的幅度A；
步骤(1.3)在每次实验过程中保证包括温度、各仪器参数在内的各个条件相同，只改变聚丙烯酰胺水溶液的浓度，得到在25℃的温度下第一个波的幅度A以及声速v随聚丙烯酰胺水溶液浓度变化的曲线并拟合出公式；通过这个实验得到聚丙烯酰胺水溶液浓度分别为200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L、1600mg/L、1800mg/L和2000mg/L时的声速v和幅度A，结合用旋转式粘度计测出的每个浓度下的动力粘度η，绘出对应的幅度A和声速v随动力粘度η的变化曲线并拟合出公式；然后改变温度为26℃、27℃、28℃、29℃、30℃···，一直到80℃，重复以上步骤；得到在各个温度时的动力粘度η和幅度A的关系曲线和公式以及动力粘度η和声速v的关系曲线和公式，并建立一个数据库，这样只要得到某一温度下超声波透射驱油剂后的第一个波的幅度A或者声速v，便可得到动力粘度η的值。
步骤(2)所述的井下液体的纵向粘度的测量过程如下：
超声波的衰减是由扩散损耗、吸收损耗和散射损耗三部分导致的，对井下的驱油剂粘度进行测量时不考虑散射损耗，吸收损耗忽略不计，只考虑扩散损耗αspr和粘滞吸收损耗αabs对声波衰减的贡献；此外，用固定换能器的透射法计算声波衰减，还需考虑换能器机电转换导致的损耗αeff以及换能器-待测液体界面反射带来的损耗αtra；因此测量到的总的衰减为以上所有损耗总的贡献
αtot＝αspr+αabs+αeff+αtra(dB) (1)
粘滞损耗αabs为衰减率α乘以换能器间距d:
其中ρ为驱油剂密度，c为超声波在驱油剂中的声速，ω为超声波的角频率，ηlong为驱油剂的纵向粘度；
扩散损耗αspr由换能器直径D，声源主频f0，流体中声速c以及换能器间距d共同决定
机电转换导致的损耗αeff是换能器内在的特征；
换能器-待测液体界面损耗αtra则取决于反射系数，而反射系数等于换能器表面材料与待测液体声阻抗之差比它们的声阻抗之和；
可见αspr、αeff和αtra主要由换能器参数和待测液体的声阻抗、声速共同决定，精确计算这些损耗非常困难；一个替代的方法就是，对井下超声衰减法测粘度的装置进行刻度；选取和待测液体声阻抗、声速接近的参考液体，查文献或者测量出其纵向粘度ηlong-ref；用原理样机测量参考液体，设接收器测得电压为Vref(mV)；然后用样机测量待测液体，接收器测得电压为Vobj(mV)；则
其中Vout为初始的输出电压，并不需要知道它的具体值。由于两次测量换能器参数不变，且两种液体的声阻抗、声速接近，认为αspr、αeff和αtra不变；将(4)(5)两式相减得
将(2)式代入(5)式
其中ω＝2πf0,上式可进一步改写为
其中cobj和ρobj分别是井下待测液体的声速和密度，cref和ρref分别是参考液体的声速和密度；
通过超声衰减率只能计算液体的纵向粘度，要得到动力粘度，还需要实验室模拟装置得到的数据库数据的辅助。
步骤(3)所述的井下液体的动力粘度的测量过程如下：
整个装置检查无误后，一端接上电缆后将装置缓缓放入井下；待装置完全浸没到待测液体中时，测量开始，此时温度传感器记录下该时刻的温度，信号发生器产生一串频率为f0的多周期正弦波脉冲，该信号经增压电路放大，激励发射换能器，所激发超声波穿过待测液体，被接收器记录，对同一待测液体，这一过程多次重复，求接收器记录波形的平均值以提高信噪比，根据接收器记录的波形，算出此时的声速v和第一个波的幅度A；
由于井下测量装置所使用的换能器的主频f和两个换能器之间的距离d以及信号发生器、示波器测量时所用的参数与实验室模拟装置得到数据库时使用的换能器主频、换能器间的距离以及信号发生器、示波器的参数都相同，所以在不考虑压力因素的情况下，通过实验室测量装置所建立的关于声速v和第一个波的幅度A与动力粘度η之间关系的数据库也适用于井下的超声粘度装置测出的幅度A和声速v，如此一来，通过实验室模拟装置得到的数据库，便可得出对应的动力粘度值。
本发明的有益效果在于：采用超声衰减法测井下驱油剂的粘度，通过已经在实验室得到的一定温度下关于声速v和幅度A与动力粘度η之间关系的数据库，解决了以往超声衰减法只能测量液体的纵向粘度无法直接测出动力粘度从而导致迟迟没有商业化应用的问题。并且该套测量装置具有仪器结构简单、可实时在线测量、精度高且不易损坏等优点。这些优点可在很大程度上改善现在的井下粘度测量技术，使超声衰减法测粘度这项理论上早已被提出实际应用却很少的技术在新世纪焕发出新的活力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的井下超声粘度测量装置的结构示意图；
图2为本发明的实验室模拟装置的示意图；
图3为本发明的实验室模拟装置测量时得到的波形图示例。
图中：1、井下发射换能器；2、井下接收换能器；3、电缆接口；4、仪器集合模块；5、井下温度传感器一；6、井下温度传感器二；7、井下感温探头二；8、井下感温探头一；9、圆筒；10、实验室发射换能器；11、实验室接收换能器；12、信号发生接收器；13、示波器；14、实验室温度传感器；15、实验室温度传感器感温探头。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
测量流体粘度的方法虽多，但是井下粘度测量要求测量装置尺寸小可放到井下，可以实时在线测量，结构坚固简单不易损坏，测量室开放可随井深自动替换原位驱油剂，测量精度能满足生产需求，成本要尽量低等要求。经过以上粘度测量技术现状的调研，只有超声衰减法有望满足以上所有要求。
超声衰减法的原理是超声波在粘性流体中传播时将发生衰减。幅度为A0的平面波传播距离d之后幅度变为
A(d)＝A0e-αd (1)
早在1845年，Stokes就推导出流体中纵波传播时由于粘滞吸收导致的衰减为
该式就是著名的Stokes声衰减定律，其中ω为超声波的角频率，ρ和c为流体中的声速和密度，η为流体动力粘度(剪切粘度)；ηb为体积粘度，也称为膨胀粘度、第二粘度系数。一些文献引入了纵向粘度(longitudinal viscosity)ηlong，
引入纵向粘度ηlong是因为该粘度决定了流体中纵波的衰减率。因此通过超声纵波衰减，只能得到纵向粘度。
利用超声波衰减测量动力粘度，必须排除其中体积粘度的贡献。然而，尽管体积粘度这一概念很早就提出了，关于它的理论和实验报道却很少，体积粘度仍然是一个较模糊的概念。
Temkin给出了动力粘度和体积粘度的物理解释，流体分子具有平动、旋转和振动三种自由度，动力粘度只和分子的平动有关，而体积粘度与分子的旋转和振动有关。
参见图1至图3所示，本发明的井下超声粘度测量装置，井下发射换能器1通过两条空心钢柱与仪器集合模块4相连，空心钢柱用于固定井下发射换能器1和走线，并允许井下发射换能器1和井下接收换能器2之间的待测液体随着测井仪器在井眼中提升被自动替换为原位液体；在井下发射换能器1旁边安装井下井下感温探头一8，井下接收换能器2旁边安装井下井下感温探头二7，所述井下感温探头一8与井下温度传感器一5相连，井下感温探头二7与井下温度传感器二6相连，以便实时监测温度的变化；所述仪器集合模块4一端为井下接收换能器2，另一端为电缆接口3，可与电缆或其他测井仪相连，仪器集合模块4内部容置井下温度传感器一5、井下温度传感器二6、信号发生接收器12、发射器增压电路、信号处理与存储等电子部件。换能器主频f、间距d与实验室模拟装置建立数据库时所用的换能器主频和换能器间的距离相同。
测量过程为，在一定温度下信号发生器产生一串频率为f0的多周期正弦波脉冲，该信号经增压电路放大，激励井下发射换能器1，所激发超声波穿过待测液体，被井下接收换能器2记录。对同一待测液体，这一过程多次重复，求接收器记录波形的平均值以提高信噪比。
超声波的衰减可由扩散损耗、吸收损耗和散射损耗三部分引起。只有当液体中悬浮颗粒直径与超声波长相当时，才发生散射损耗，对井下驱油剂粘度测量，可不考虑散射损耗。吸收损耗除了粘滞损耗外，还有热传导损耗，对于粘性流体，热传导吸收损耗比粘滞吸收损耗小得多，可忽略不计。这里可只考虑扩散损耗αspr和粘滞吸收损耗αabs对声波衰减的贡献。此外，用固定换能器的透射法计算声波衰减，还需考虑换能器机电转换导致的损耗αeff以及换能器-待测液体界面反射带来的损耗αtra。因此测量到的总的衰减为以上所有损耗总的贡献
αtot＝αspr+αabs+αeff+αtra(dB) (4)
粘滞损耗αabs既是(2)中的衰减，只是单位不同。由于声学中习惯用dB表示衰减，而Np并不常用。根据dB的定义可得1Np＝20log10e dB。首先将(2)式中的衰减用dB/m表示
则αabs为衰减率乘以换能器间距d:
其中ρ为驱油剂密度，c为超声波在驱油剂中的声速，ω为超声波的角频率，ηlong为驱油剂的纵向粘度。
扩散损耗αspr由换能器直径D,声源主频f,流体中声速c以及换能器间距d共同决定
机电转换导致的损耗αeff是换能器内在的特征，可能受到温度、压力等外界环境的影响。
换能器-待测液体界面损耗αtra则取决于反射系数，而反射系数等于换能器表面材料与待测液体声阻抗之差比它们的声阻抗之和。
可见αspr、αeff和αtra主要由换能器参数和待测液体的声阻抗、声速共同决定。精确计算这些损耗非常困难。一个替代的方法就是，对井下超声衰减法测粘度的装置进行刻度。选取和待测液体声阻抗、声速接近的参考液体测量其纵向粘度ηlong-ref。用原理样机测量参考液体，设接收器测得电压为Vref(mV)。然后用样机测量待测液体，接收器测得电压为Vobj(mV).则
其中V_out为初始的输出电压，并不需要知道它的具体值。由于两次测量换能器参数不变，且两种液体的声阻抗、声速接近，可认为αspr、αeff和αtra不变。将(8)(9)两式相减得
将(6)式代入(9)式
其中ω＝2πf0,上式可进一步改写为
其中cobj和ρobj分别是井下待测液体的声速和密度，cref和ρref分别是参考液体的声速和密度。
通过超声衰减率只能计算液体的纵向粘度，要得到动力粘度，还需要实验室模拟装置得到的数据库的辅助，先通过接收器记录的波形测出第一个波的幅度A和声速v，并重复多次以提高实验精度。
为了得到动力粘度，我们需要先在实验室中得到一个数据库，下面对得到数据库的方法进行介绍。
先在实验室对井下超声衰减法测粘度的装置进行模拟，考虑到井下温度和压力的变化，若能在实验模拟井下的温度和压力条件，测量驱油剂动力粘度随温度和压力的变化，则将提高该仪器现场测量的准确度。但由于模拟井下压力的恒压装置成本过高，故驱油剂粘度随压力变化的实验研究暂无条件完成，只能先研究温度的影响。
首先，在不同的温度条件下，用购买的商用旋转式粘度计分别测出不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度，具体方法为先配置出200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L、1600mg/L、1800mg/L和2000mg/L的聚丙烯酰胺水溶液，在配置过程中加入聚丙烯酰胺干粉时应该缓缓加入到水中，不能倾倒，这样会在水中形成坨，不能再溶解，浪费物料的同时也影响实验精度。且在溶解过程中为了防止成坨以及加速溶解应一直用搅拌器搅拌，但搅拌速度不应过快，速度快了，会剪断聚丙烯酰胺的分子链，使动力粘度降低，一般的速度控制在60转/分钟线速度。溶液配制完成后放入恒温箱中，设置恒温箱的温度为25℃，并在该温度下用旋转式粘度计测出动力粘度。由于聚丙烯酰胺水溶液属于非牛顿流体，其动力粘度的值会因旋转式粘度计选用不同的转速和转子而发生变化，因此在测量过程中应搭配不同的转速和转子多测出几组数据最终根据实际情况选择最合适的。在该温度下测量完成后，分别改变恒温箱的温度为26℃、27℃、28℃、29℃、30℃···，一直到80℃，并在这些温度下用旋转式粘度计分别测出以上各个浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度，记录各个温度下不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度数据，并用绘图软件绘出各个温度下动力粘度随浓度的变化曲线并拟合出公式；
此外设计一根长10cm，内径4.45cm，厚0.5cm的亚克力材质的圆管9，之所以内径是4.45cm，是因为实验室所用的一对主频0.5MHz的超声换能器(即探头，一个做实验室发射换能器10，一个做实验室接收换能器11)表面凸起部分的直径也是4.45cm，正好可以卡在圆管的两端(因为所用超声换能器接口部分不防水，不能浸没在水中)，其中一端实验室接收换能器11卡进后用泡沫胶密封防止液体渗漏，测量时该端放在桌面上，另一端可以向里面加入聚丙烯酰胺水溶液，加满后盖上另一个超声换能器(实验室发射换能器10)，该过程中注意不要产生气泡否则会影响实验精度。且在圆管9侧壁上开一个小孔，孔中可以插入实验室温度传感器14的感温探头15以确保每次做聚丙烯酰胺水溶液动力粘度随浓度的变化实验时在相同的温度下进行。两个超声换能器分别与信号发生接收器7的发射口和接收口连接，信号发生接收器又与示波器13连接，这样当整个装置工作时便可以在示波器上看到超声波透射过聚丙烯酰胺水溶液后的图像。通过图像可以算出声波总的衰减率α以及声速v，但由于发射的超声波不是平面波且在不断的反射过程中会有除了粘滞损耗之外的衰减，使计算的α不够准确，所以改为测量声速v和超声波透过聚丙烯酰胺水溶液衰减后第一个波的幅度A。
在每次实验过程中保证包括温度、各仪器参数在内的各个条件相同，只改变聚丙烯酰胺水溶液的浓度，得到在25℃的温度下第一个波的幅度A以及声速v随聚丙烯酰胺水溶液浓度变化的曲线并拟合出公式；通过这个实验得到聚丙烯酰胺水溶液浓度分别为200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L、1600mg/L、1800mg/L和2000mg/L时的声速v和幅度A，结合用旋转式粘度计测出的每个浓度下的动力粘度η，绘出对应的幅度A和声速v随动力粘度η的变化曲线并拟合出公式；然后改变温度为26℃、27℃、28℃、29℃、30℃···，一直到80℃，重复以上步骤；得到在各个温度时的动力粘度η和幅度A的关系曲线和公式以及动力粘度η和声速v的关系曲线和公式，并建立一个数据库，这样只要得到某一温度下超声波透射驱油剂后的第一个波的幅度A或者声速v，便可得到动力粘度η的值。
上面所述为得到数据库的方法，在实际应用中，由于聚丙烯酰胺水溶液是非牛顿流体，用旋转式粘度计测量其动力粘度时动力粘度的值会因旋转式粘度计旋转速率的不同而不同。而超声波穿过待测液体后第一个波的幅度A也会因换能器主频f和换能器间的距离d以及信号发生器和示波器等仪器规格和参数的设置不同而发生较大变化，使用不同规格的仪器及测量时设置的参数不同也会使得到的声速v发生误差。总而言之，由于不同工作者可能采用不同的换能器主频f和不同的换能器间距离d，以及测量时所使用的仪器规格和设置的参数也可能不同，所以得到的数据库数据也可能不同。但一定要确保得到数据库的装置所使用的换能器主频f和换能器间的距离d，以及所用仪器的规格和测量时的参数，与井下超声衰减法测驱油剂粘度的装置所使用的换能器主频f和换能器间的距离d以及所用仪器的规格和测量时的参数完全相同。
由于设计的井下超声衰减法测驱油剂粘度的工程样机所采用仪器的规格和工作时选择的参数和实验室得到数据库的模拟装置所用仪器的规格和实验时设定的参数相同，发射和接收换能器的主频f以及两个换能器之间的距离d与实验室得到数据库的模拟装置也相同，所以在不考虑压力因素的情况下，井下超声衰减法测粘度装置工作时所测得第一个波的幅度A和声速v可看作包含在实验室模拟装置所得到的数据库中，再通过温度传感器测出此时井下驱油剂的温度，通过数据库中不同温度下的A-η曲线或v-η曲线，即可得到此时井下驱油剂的动力粘度。
实施例：
参见图1至图3所示，本发明的井下超声衰减法测粘度装置，包括井下发射换能器1、井下接收换能器2、电缆接口3、仪器集合模块4以及两个温度传感器一、二及它们的感温探头一、二。井下发射换能器1通过两条空心钢柱与仪器集合模块4相连，空心钢柱用来固定发射器和走线，并允许井下发射换能器1和井下接收换能器2之间的待测液体随着测井仪器在井眼中提升被自动替换为原位液体。在井下发射换能器1和井下接收换能器2旁边各装上一个井下温度传感器一5和井下温度传感器二6的井下感温探头一8和井下感温探头二7，以便实时监测温度的变化。仪器集合模块4的外壳也为钢材质，一端为井下接收换能器2，另一端为电缆接口3，可与电缆或其他测井仪相连，内部为温度传感器、信号发生器、发射器增压电路、信号接收电路、信号处理与存储等电子部件。换能器主频f、间距d与实验室得到数据库的模拟装置所用的换能器主频和换能器间的距离相同。
所述的井下超声法测粘度装置的测量方法包括以下步骤：
1)在一定温度下信号发生器产生一串频率为f0的多周期正弦波脉冲；
2)该信号经增压电路放大，激励井下发射换能器1；
3)所激发超声波穿过待测液体，被井下接收换能器2记录；
4)对同一待测液体，这一过程多次重复，求接收器记录波形的平均值以提高信噪比。
所述的井下超声衰减法测粘度装置纵向粘度的计算过程如下：
超声波的衰减是由扩散损耗、吸收损耗和散射损耗三部分导致的。其中散射损耗只有当液体中悬浮颗粒直径与超声波长相当时才会发生，所以对井下的驱油剂粘度进行测量时可以不用考虑散射损耗。此外，吸收损耗除了粘滞损耗外，还有热传导损耗，对于粘性流体，热传导吸收损耗比粘滞吸收损耗小得多，可忽略不计。所以这里可只考虑扩散损耗αspr和粘滞吸收损耗αabs对声波衰减的贡献。此外，用固定换能器的透射法计算声波衰减，还需考虑换能器机电转换导致的损耗αeff以及换能器-待测液体界面反射带来的损耗αtra。因此测量到的总的衰减为以上所有损耗总的贡献
αtot＝αspr+αabs+αeff+αtra(dB) (4)
粘滞损耗αabs既是(2)中的衰减，只是单位不同。由于声学中习惯用dB表示衰减，而Np并不常用。根据dB的定义可得1Np＝20log10e dB。首先将(2)式中的衰减用dB/m表示
则αabs为衰减率乘以换能器间距d:
其中ρ为驱油剂密度，c为超声波在驱油剂中的声速，ω为超声波的角频率，ηlong为驱油剂的纵向粘度。
扩散损耗αspr由换能器直径D,声源主频f,流体中声速c以及换能器间距d共同决定
机电转换导致的损耗αeff是换能器内在的特征，可能受到温度、压力等外界环境的影响。
换能器-待测液体界面损耗αtra则取决于反射系数，而反射系数等于换能器表面材料与待测液体声阻抗之差比它们的声阻抗之和。
可见αspr、αeff和αtra主要由换能器参数和待测液体的声阻抗、声速共同决定。精确计算这些损耗非常困难。一个替代的方法就是，对井下超声衰减法测粘度的装置进行刻度。选取和待测液体声阻抗、声速接近的参考液体测量其纵向粘度ηlong-ref。用原理样机测量参考液体，设接收器测得电压为Vref(mV)。然后用样机测量待测液体，接收器测得电压为Vobj(mV).则
其中V_out为初始的输出电压，并不需要知道它的具体值。由于两次测量换能器参数不变，且两种液体的声阻抗、声速接近，可认为αspr、αeff和αtra不变。将(8)(9)两式相减得
将(6)式代入(9)式
其中ω＝2πf0,上式可进一步改写为
其中cobj和ρobj分别是井下待测液体的声速和密度，cref和ρref分别是参考液体的声速和密度。
过超声衰减率只能计算液体的纵向粘度，要得到动力粘度，还需要实验室模拟装置得到的数据库的辅助，先通过接收器记录的波形测出第一个波的幅度A和声速v，并重复多次以提高实验精度。
所述的井下超声衰减法测粘度装置动力粘度的计算过程如下：
1)通过接收器记录的波形计算出超声波透过待测液体时的声速v和第一个波的幅度A以及此时待测液体的温度T；
2)在设计该装置之前我们已经通过实验室模拟装置得到了在不同的温度条件下，超声波透过待测液体时的声速v和第一个波的幅度A与动力粘度η之间关系的数据库；
3)由于实验室得到数据库的测量装置与设计的井下超声法测粘度的装置采用相同规格的仪器并在测量时采用相同的参数，实验室所用的换能器和井下所用的换能器主频f0和换能器之间的距离d也相同，所以通过实验室模拟装置所建立的关于声速v和第一个波的幅度A与动力粘度η之间关系的数据库也适用于井下的超声粘度装置测出的幅度A和声速v，如此一来，通过实验室模拟装置得到的数据库，便可得出对应的动力粘度值。
基于超声衰减法测粘度的井下驱油剂测量装置的具体实施步骤如下：
1)先进行测量前的准备工作：由于井下环境复杂，对设备的性能及可靠性要求较高，所以在开始测量前应该对整个测量装置进行详细的检查，确保测量装置内部电路接线正常，整个电路可正常工作。焊接部分较为牢固，无松动现象。
2)井下超声衰减法测粘度的过程及方法：
整个装置检查无误后，一端接上电缆后将装置缓缓放入井下。待装置完全浸没到待测液体中时，测量开始，此时温度传感器记录下该时刻的温度T。信号发生器产生一串频率为f0的多周期正弦波脉冲，该信号经增压电路放大，激励发射换能器，所激发超声波穿过待测液体，被接收器记录。对同一待测液体，这一过程多次重复，求接收器记录波形的平均值以提高信噪比。根据接收器记录的波形，算出此时的声速v和第一个波的幅度A。
由于井下测量装置所使用的换能器的主频f0和两个换能器之间的距离d以及信号发生器、示波器等仪器测量时所用的参数与实验室模拟该装置得到数据库时使用的换能器主频、换能器间的距离以及信号发生器、示波器的参数等都相同，所以在不考虑压力因素的情况下，通过实验室测量装置所建立的关于声速v和第一个波的幅度A与动力粘度η之间关系的数据库也适用于井下的超声粘度装置测出的幅度A和声速v，如此一来，通过实验室模拟装置得到的数据库，便可得出对应的动力粘度值。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种井下超声粘度测量方法，其特征在于：采用两套参数相同的超声粘度测量装置，其中一套放置在实验室中，实验室内仪器散放在实验台；另一套放置在井下，由于井下条件恶劣，将井下仪器都密封在钢管内；所述超声粘度测量装置是：井下发射换能器(1)通过两条空心钢柱与仪器集合模块(4)相连，空心钢柱用于固定井下发射换能器(1)和走线，并允许井下发射换能器(1)和井下接收换能器(2)之间的待测液体随着测井仪器在井眼中提升被自动替换为原位液体；在井下发射换能器(1)旁边安装井下感温探头一(8)，井下接收换能器(2)旁边安装井下感温探头二(7)，所述井下感温探头一(8)与井下温度传感器一(5)相连，井下感温探头二(7)与井下温度传感器二(6)相连，以实时监测温度的变化；所述仪器集合模块(4)外壳为钢材质，一端为井下接收换能器(2)，另一端为电缆接口(3)，与电缆或测井仪相连，仪器集合模块(4)内部容置井下温度传感器一(5)、井下温度传感器二(6)、信号发生接收器(12)、发射器增压电路、信号处理与存储部件；
测量方法包括如下步骤：
步骤(1)采用超声粘度测量装置和旋转式粘度计，在实验室中得到一个数据库；
步骤(2)将与步骤(1)参数相同的超声粘度测量装置放置在井下，测得超声波穿过井下液体后的电压Vobj(mV)，利用实验室测得的超声波穿过参考液体得到的电压Vref(mV)和参考液体的纵向粘度ηlong-ref，以及已知的井下液体的声速cobj和密度ρobj、参考液体的声速cref和密度ρref，计算得到井下液体的纵向粘度ηlong-obj；
步骤(3)采用步骤(2)放置在井下的超声粘度测量装置，测得超声波透过井下液体后的声速v或者接收器记录的第一个波的幅度A，并用自带的温度传感器测得此时井下液体的温度T，通过数据库中不同温度下的A-η曲线或v-η曲线，即得到此时井下液体的动力粘度η0。
2.根据权利要求1所述的井下超声粘度测量方法，其特征在于：步骤(1)所述的在实验室中得到一个数据库，具体方法如下：
步骤(1.1)在不同的温度下，采用旋转式粘度计分别测出不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度，具体方法为先配置出200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L、1600mg/L、1800mg/L和2000mg/L的聚丙烯酰胺水溶液，放入恒温箱中，设置恒温箱的温度为25℃，并在该温度下用旋转式粘度计测出动力粘度；分别改变恒温箱的温度为26℃、27℃、28℃、29℃、30℃···，一直到80℃，并在这些温度下用旋转式粘度计分别测出以上各个浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度，记录各个温度下不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液的动力粘度数据，并用绘图软件绘出各个温度下动力粘度随浓度的变化曲线并拟合出公式；
步骤(1.2)将实验室发射换能器(10)、实验室接收换能器(11)卡在圆筒(9)的两端，其中一端的实验室接收换能器(11)卡进后用泡沫胶密封防止液体渗漏，测量时该端放在桌面上；从另一端向里面加入聚丙烯酰胺水溶液，加满后盖上实验室发射换能器(10)，实验室温度传感器(14)的感温探头(15)安装在圆筒(9)的侧壁，以确保每次做聚丙烯酰胺水溶液动力粘度随浓度的变化实验时在相同的温度下进行；实验室发射换能器(10)、实验室接收换能器(11)分别与信号发生接收器(12)的发射口和接收口连接，信号发生接收器(12)与示波器(13)连接，在示波器(13)上看到超声波透射过聚丙烯酰胺水溶液后的图像；通过图像算出声波总的衰减率α以及声速v，但由于发射的超声波不是平面波且在不断的反射过程中会有除了粘滞损耗之外的衰减，使计算的α不够准确，所以改为测量声速v和超声波透过聚丙烯酰胺水溶液衰减后第一个波的幅度A；
步骤(1.3)在每次实验过程中保证包括温度、各仪器参数在内的各个条件相同，只改变聚丙烯酰胺水溶液的浓度，得到在25℃的温度下第一个波的幅度A以及声速v随聚丙烯酰胺水溶液浓度变化的曲线并拟合出公式；通过这个实验得到聚丙烯酰胺水溶液浓度分别为200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L、1600mg/L、1800mg/L和2000mg/L时的声速v和幅度A，结合用旋转式粘度计测出的每个浓度下的动力粘度η，绘出对应的幅度A和声速v随动力粘度η的变化曲线并拟合出公式；然后改变温度为26℃、27℃、28℃、29℃、30℃···，一直到80℃，重复以上步骤；得到在各个温度时的动力粘度η和幅度A的关系曲线和公式以及动力粘度η和声速v的关系曲线和公式，并建立一个数据库，这样只要得到某一温度下超声波透射驱油剂后的第一个波的幅度A或者声速v，便得到动力粘度η的值。
3.根据权利要求1所述的井下超声粘度测量方法，其特征在于：步骤(2)所述的井下液体的纵向粘度的测量过程如下：
超声波的衰减是由扩散损耗、吸收损耗和散射损耗三部分导致的，对井下的驱油剂粘度进行测量时不考虑散射损耗，吸收损耗忽略不计，只考虑扩散损耗αspr和粘滞吸收损耗αabs对声波衰减的贡献；此外，用固定换能器的透射法计算声波衰减，还需考虑换能器机电转换导致的损耗αeff以及换能器-待测液体界面反射带来的损耗αtra；因此测量到的总的衰减为以上所有损耗总的贡献
αtot＝αspr+αabs+αeff+αtra(dB) (1)
粘滞损耗αabs为衰减率α乘以换能器间距d:
其中ρ为驱油剂密度，c为超声波在驱油剂中的声速，ω为超声波的角频率，ηlong为驱油剂的纵向粘度；
扩散损耗αspr由换能器直径D，声源主频f0，流体中声速c以及换能器间距d共同决定
机电转换导致的损耗αeff是换能器内在的特征；
换能器-待测液体界面损耗αtra则取决于反射系数，而反射系数等于换能器表面材料与待测液体声阻抗之差比它们的声阻抗之和；
αspr、αeff和αtra主要由换能器参数和待测液体的声阻抗、声速共同决定，对井下超声衰减法测粘度的装置进行刻度；选取和待测液体声阻抗、声速接近的参考液体，查文献或者测量出其纵向粘度ηlong-ref；用原理样机测量参考液体，设接收器测得电压为Vref(mV)；然后用样机测量待测液体，接收器测得电压为Vobj(mV)；则
其中Vout为初始的输出电压，由于两次测量换能器参数不变，且两种液体的声阻抗、声速接近，认为αspr、αeff和αtra不变；将(4)(5)两式相减得
将(2)式代入(5)式
其中ω＝2πf0，上式进一步改写为
其中cobj和ρobj分别是井下待测液体的声速和密度，cref和ρref分别是参考液体的声速和密度，ηlong-ref是参考液体的纵向粘度，ω是超声波的角频率，f0是声源主频；
通过超声衰减率计算液体的纵向粘度，要得到动力粘度，还需要实验室模拟装置得到的数据库数据的辅助。
4.根据权利要求1所述的井下超声粘度测量方法，其特征在于：步骤(3)所述的井下液体的动力粘度的测量过程如下：
整个装置检查无误后，一端接上电缆后将装置缓缓放入井下；待装置完全浸没到待测液体中时，测量开始，此时温度传感器记录下该时刻的温度，信号发生器产生一串频率为f0的多周期正弦波脉冲，该信号经增压电路放大，激励发射换能器，所激发超声波穿过待测液体，被接收器记录，对同一待测液体，这一过程多次重复，求接收器记录波形的平均值以提高信噪比，根据接收器记录的波形，算出此时的声速v和第一个波的幅度A；
由于井下测量装置所使用的换能器的主频f和两个换能器之间的距离d以及信号发生器、示波器测量时所用的参数与实验室模拟装置得到数据库时使用的换能器主频、换能器间的距离以及信号发生器、示波器的参数都相同，所以在不考虑压力因素的情况下，通过实验室测量装置所建立的关于声速v和第一个波的幅度A与动力粘度η之间关系的数据库也适用于井下的超声粘度装置测出的幅度A和声速v，如此一来，通过实验室模拟装置得到的数据库，得出对应的动力粘度值。
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