EA032037B1 - Устройство и способ для измерения реологических свойств при постоянной скорости сдвига и колебательным методом - Google Patents

Устройство и способ для измерения реологических свойств при постоянной скорости сдвига и колебательным методом Download PDF

Info

Publication number
EA032037B1
EA032037B1 EA201491177A EA201491177A EA032037B1 EA 032037 B1 EA032037 B1 EA 032037B1 EA 201491177 A EA201491177 A EA 201491177A EA 201491177 A EA201491177 A EA 201491177A EA 032037 B1 EA032037 B1 EA 032037B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
load
rheometer
force
lever
processor
Prior art date
Application number
EA201491177A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201491177A1 (ru
Inventor
Дейл Е. Джемисон
Роберт Дж. Мёрфи
Original Assignee
Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. filed Critical Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк.
Publication of EA201491177A1 publication Critical patent/EA201491177A1/ru
Publication of EA032037B1 publication Critical patent/EA032037B1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/14—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by using rotary bodies, e.g. vane

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Testing Of Engines (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

Реометр, содержащий неподвижную раму, втулку, подвешенную на указанной раме, средства вращения втулки, груз, подвешенный во втулке, шарнир со скрещивающимися пружинами, к которому подвешен груз, проходящий от неподвижной рамы, и систему восстановления баланса сил для углового смещения груза под действием вращающего момента. Система восстановления баланса сил содержит рычаг, прикрепленный к подвижной части шарнира со скрещивающимися пружинами, датчик углового положения, расположенный в непосредственной близости от рычага и предназначенный для измерения поворотного смещения и угловой частоты рычага, и исполнительный орган силового поля, предназначенный для приложения силы к рычагу. Реометр может быть использован для расчета реологических свойств ньютоновских и неньютоновских текучих сред.

Description

При определении реологических свойств текучей среды важно принимать во внимание условия его эксплуатации. При измерении реологических свойств особое значение имеют такие условия эксплуатации как температура и давление, при которых используется данная текучая среда. Например, многие буровые растворы, применяемые в глубоких скважинах, подвергаются действию температуры свыше 400°F и давления свыше 10000 футов/кв.дюйм.
К известным устройствам для измерения вязкости ньютоновских текучих сред относятся устройства, содержащие цилиндрический груз, подвешенный в концентрической трубчатой втулке и погружаемый в испытываемую текучую среду. В результате вращения этой втулки с известной скоростью текучая среда в кольцевом пространстве вокруг груза будет увлекать за собой подвешенный груз. По значению крутящего момента груза можно судить о вязкости текучей среды. Обычно для подвешивания груза и втулки с шариковыми или роликовыми опорами используют неподвижную раму. При эксплуатации в неблагоприятных условиях окружающей среды эти опоры можно корродировать или засоряться, что приводит к снижению точности измерения вязкости и, в конечном итоге, выходу прибора из строя.
Для улучшения надежности опор были использованы гибкие или торсионные опоры. Патентный документ US 4571988 Устройство и способ измерения вязкости раскрывает применение шарнира со скрещивающимися пружинами (CSP, от англ. cross-spring pivot), используемого в качестве гибкой опоры, и включен в настоящий документ посредством ссылки. В стандартной конструкции CSP-шарнира плоские пружины расположены так, что при повороте на малые углы они изгибаются, так что возникает отклонение относительно оси. В некоторых вариантах применения ось CSP-шарнира совпадает с осью груза реометра. Гибкие шарниры имеют множество преимуществ. Их компоненты не подвержены трению скольжения и трению качения, а также не имеют малых зазоров, что обеспечивает надлежащие характеристики вращательного движения. CSP-шарнир со скрещивающимися пружинами, действующий как пружина кручения и опора для груза, может быть использован для измерения электронными средствами углового смещения груза с целью определения напряжения сдвига текучей среды. Хотя устройство, раскрытое в документе US 4571988, характеризуется некоторыми преимуществами по части точности и долговременной надежности при эксплуатации в неблагоприятных условиях окружающей среды, оно не позволяет обеспечить измерение вязкоупругих свойств текучей среды, таких как модуль сдвига. Обеспечение возможности измерения вязкоупругих параметров текучей среды было бы полезно при определении свойств неньютоновских текучих сред.
Краткое описание чертежей
Ниже приведены описание и чертежи конкретных вариантов осуществления устройства и способа, обеспечивающих точное измерение реологических свойств при постоянной скорости сдвига и с колебаниями.
На фиг. 1 показан изометрический вид узла груза реометра с шарниром со скрещивающимися пружинами;
на фиг. 2 схематически показана часть приведенного в качестве примера узла реометра;
на фиг. 3 показана функциональная схема, иллюстрирующая функции определенных компонентов усовершенствованного узла реометра;
на фиг. 4 - функциональная схема, иллюстрирующая функции цифрового сигнального процессора.
Следует понимать, что конкретные варианты осуществления изобретения, приведенные на чертежах и подробно описанные в данном документе, не ограничивают изобретение, а наоборот, отражают общие принципы, на основе которых специалист может выделять альтернативные формы, эквиваленты и модификации, охватываемые этими вариантами осуществления изобретения в объеме прилагаемой формулы изобретения.
Подробное раскрытие изобретения
Раскрытое в настоящем документе обеспечивает устройства и способы измерения вязкоупругих свойств ньютоновских и неньютоновских текучих сред. Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к способам, содержащим определение напряжения сдвига текучей среды с использованием методики восстановления баланса сил для предотвращения углового смещения груза, например, путем противодействия крутящему моменту груза противоположно направленным вращающим моментом, создаваемым электромагнитным полем. В соответствующей конфигурации напряжение сдвига пропорционально току, используемому для создания уравновешивающей силы.
Другие варианты осуществления настоящего изобретения относятся к системе восстановления баланса сил (FRS, от англ. force rebalance system), которая может быть использована для управляемого поворота груза и торсионного узла на малые углы от нормального равновесного положения с целью проведения других измерений. Такие варианты осуществления изобретения можно быть полезными для определения различных свойств гелей, в том числе точки расслоения и соответствующего предельного напряжения сдвига. Устройство может отображать предельное напряжение сдвига и другие характеристики геля.
- 1 032037
В другом варианте осуществления изобретения систему FRS также можно использовать для создания вынужденных колебаний груза с малыми смещениями без поворота наружного цилиндра (втулки) реометра. Измерения вязкоупругих свойств текучей среды в зазоре кольцевого пространства можно проводить по разности фаз приводящей силы и смещения. Устройство позволяет проводить измерения вязкоупругих свойств при постоянной скорости сдвига в соответствии с геометрическими параметрами и методикой, предусмотренными стандартом API. В другом варианте осуществления изобретения грузу также можно сообщить колебания при вращении наружной втулки с постоянной скоростью сдвига, чтобы образец находился под действием сдвигов одновременно обоих типов.
Таким образом, настоящим изобретением обеспечены новые устройство и новый способ, позволяющие решать различные задачи уровня техники и тем самым усовершенствовать расчет вязкоупругих свойств текучих сред.
На фиг. 1 показан изометрический вид узла 300 груза реометра с шарниром со скрещивающимися пружинами. Узел 300 содержит груз 301, подвешенный на валу 302 (коммерческий вариант шарнира со скрещивающимися пружинами поставляется компанией C-Flex Bearing Co., Inc, г. Франкфорт,. НьюЙорк). В другом варианте осуществления изобретения вал 302 груза является неотъемлемой составляющей шарнира 303 со скрещивающимися пружинами. Шарнир 303 со скрещивающимися пружинами имеет неподвижную часть 304 и подвижную часть 305. Неподвижная часть 304 прикреплена к стойке (не показана), а вал 302 груза прикреплен к подвижной части 305, которая может поворачиваться при движении груза 301. В одном варианте осуществления изобретения к подвижной части 305 прикреплен рычаг 306, радиально отходящий от точки на шарнире 303 со скрещивающимися пружинами. При малых угловых смещениях вала 302 груза дальний конец рычага 306 смещается на значительное расстояние. Благодаря большому ходу рычага к датчику положения и силовому исполнительному органу (не показан), расположенному рядом с этим концом рычага, не предъявляются жесткие требования.
На фиг. 2 схематически показана часть приведенного для примера узла 400 реометра. Узел 400 реометра содержит груз 401, подвешенный во втулке 402. Втулку 402 приводит во вращение главный вал 403, установленный на опорах 404 главного вала, при этом груз 401 может оставаться внутри втулки 402 в подвешенном состоянии. Узел втулки поддерживает рама 405. В одном варианте осуществления изобретения к подвижной части 412 шарнира 411 со скрещивающимися пружинами прикреплен рычаг 406, радиально отходящий от точки на шарнире 411 со скрещивающимися пружинами. В некоторых вариантах осуществления изобретения на рычаге 406 установлен первый магнит 408 для измерения положения датчиком 407 Холла. К рычагу 406 рядом с устройством 410 приложения силы также может быть прикреплен второй магнит 409. В показанном варианте осуществления изобретения устройство 410 приложения силы физически не контактирует с рычагом 406. В некоторых других вариантах осуществления изобретения устройство 410 приложения силы физически контактирует с рычагом 406. В некоторых вариантах осуществления изобретения втулка 402 закрыта снизу. В другом варианте осуществления изобретения втулка 402 может быть открыта снизу. Если втулка 402 снизу закрыта, то текучая среда находится во втулке 402, а главный вал 403 может поворачиваться двигателем (не показан), вызывая вращение втулки 402. Если втулка 402 снизу открыта, то груз 401 и втулку 402 можно погружать в текучую среду. При вращении втулки 402 груз 401 крутится и вызывает кручение подвижной части шарнира 411 со скрещивающимися пружинами. Вращательному движению противодействует система восстановления баланса сил, содержащая катушку 410, магнит 409 силового поля, установленный на рычаге 406, магнит 408 измерения положения, установленный на рычаге 406, и датчик 407 положения, находящийся в непосредственной близости от магнита 408 измерения положения. Ниже приведено подробное описание системы восстановления баланса сил.
Настоящее изобретение обеспечивает систему восстановления баланса сил для измерения сил и приложения силы к рычагу системы восстановления баланса. На фиг. 3 показана функциональная схема примера системы восстановления баланса сил. Втулку реометра приводят во вращение двигателем 504. Двигателем 504 управляют посредством контроллера 502 двигателя, представляющего собой интегральную схему. Контроллер 502 двигателя можно запрограммировать на заданную скорость двигателя. Эту скорость можно устанавливать вручную или при помощи процессора 518 (например, если требуется задание различных скоростей в некотором диапазоне). Скорость двигателя можно регулировать путем изменения скважности управляющего сигнала 506. Скорость двигателя 504 измеряют по сигналу 508 датчика скорости, на основании которого контроллер двигателя может при необходимости изменять управляющий сигнал для обеспечения совпадения фактической скорости с запрограммированной.
Груз реометра подвешен на шарнире 510 со скрещивающимися пружинами. При кручении груза вместе с ним крутится измерительный рычаг 512. Для определения положения груза используют измерительный магнит 514. Для измерения положения измерительного магнита 514 используют датчик 516 Холла. Управление действиями системы восстановления баланса сил производится встроенными программными средствами цифрового сигнального процессора (ЦСП) 518. Ток, протекающий через управляющую катушку 520, создает магнитное поле, которое сердечник 522 распространяет вокруг магнита 524 силового поля. Магнит 524 силового поля используют для противодействия движению измерительного рычага 512. Когда ЦСП 518 обнаруживает движение магнита 514 измерения положения, он изменя- 2 032037 ет ток, протекающий через управляющую катушку так, чтобы измерительный рычаг 512 вернулся в положение покоя. Значение необходимого для этого тока указывает на величину увлекающей силы, действующей на груз, на основе чего ЦСП определяет соответствующие параметры текучей среды и выдает соответствующий цифровой сигнал. Для отображения цифрового сигнала, выдаваемого ЦСП 518, используют дисплей 526.
На фиг. 4 показана функциональная схема, иллюстрирующая функции, которые можно быть реализованы ЦСП 518. Генератор 542 контрольного сигнала выдает сигнал синусоидальной формы требуемой амплитуды и частоты для проведения измерений колебательным методом (описание которого приведено ниже). При проведении стандартных измерений на выходе генератора 542 контрольного сигнала устанавливают ноль. Сигнал разности между контрольным сигналом 542 и сигналом, поступающим от датчика 516 положения, передают на вход адаптивного фильтра 544, на выходе которого получают сигнал, который должен минимизировать указанную разность. Преобразование этого выходного сигнала в управляющий ток катушки 520 осуществляют при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). При проведении стандартных измерений (при нулевом контрольном сигнале) амплитуду выходного сигнала усредняют и при необходимости преобразуют единицы измерения посредством блока 546 получения параметров. С учетом скорости двигателя указанный выходной сигнал выражает вязкость. При проведении измерений колебательным методом блок 546 получения параметров измеряет амплитуду сигнала и разность фаз между контрольным сигналом и выходным сигналом.
Стандартные испытания.
Стандартное измерение вязкости проводят путем перемещения одной поверхности с заданной скоростью V относительно второй параллельной ей поверхности. С учетом расстояния d между этими параллельными поверхностями на текучую среду в пространстве между этими поверхностями действует скорость сдвига V/d. При сдвиге текучая среда воздействует на указанные поверхности с силой F. Эта сила, поделенная на площадь А одной из поверхностей, является напряжением F/A сдвига. Динамическая вязкость текучей среды представляет собой отношение напряжения сдвига к скорости сдвига
F/A =---V/d
При необходимости исследования свойств текучих сред нефтяных месторождений действуют согласно Рекомендованной процедуре испытаний в условиях эксплуатации бурового раствора на водной основе (Recommended Practice for Field Testing Water-based Drilling Fluids) стандарта API RP-13B-1, полное содержание действующей версии которой включено в настоящий документ посредством ссылки. При стандартном испытании, направленном на определение вязкости текучей среды, текучую среду помещают в кольцевое пространство между грузом и втулкой. Втулку вращают с постоянной скоростью. Вращающаяся в текучей среде втулка сообщает крутящий момент грузу и рычагу, соединенному с шарниром со скрещивающимися пружинами. Система восстановления баланса сил рассчитывает значение силы, необходимой для возврата рычага в положение покоя. Эта сила пропорциональна вязкости текучей среды.
При измерении предельного статического напряжения сдвига по методике, регламентированной стандартом API RP-13B-1, исходное статическое напряжение сдвига соответствует максимальным показаниям измерительного прибора, достигаемым после начала вращения втулки на медленном ходу, т.е. на скорости 3 об/мин. Эта величина напряжения сдвига соответствует силе, при которой начинается расслоение геля.
В другом варианте определения предельного статического напряжения сдвига, предлагаемого настоящим изобретением, вместо вращения втулки с постоянной скоростью осуществляют поворот груза на малый угол. Система восстановления баланса сил поворачивает рычаг на малый угол от его исходного положения. Поворот должен быть достаточным для увеличения напряжения сдвига с темпом, эквивалентным достигаемому при применении вышеупомянутой методики стандарта API при вращения втулки на скорости 3 об/мин. Расслоение геля регистрируют датчиком углового смещения, а предельное напряжение сдвига измеряют при помощи системы восстановления баланса сил.
Измерение вязкоупругих свойств.
Для определения вязкоупругих свойств текучей среды можно применять колебательные методы испытаний. Вместо вращения втулки с постоянной скоростью вокруг груза при измерениях колебательным методом груз поворачивают относительно втулки или втулку относительно груза на небольшой угол то в прямом, то в обратном направлениях. Если принять максимальную амплитуду смещения одной поверхности относительно другой за X, то колебательная сдвиговая деформация выражается следующим образом:
/(t) = ^cos(cot) (2)
Для малых смещений эта колебательная сдвиговая деформация создает колебательное напряжение сдвига
T(f) = ^cos(iyf+J) (3)
- 3 032037 где δ - разность фаз между траекторией движения втулки (или груза) и силой, действующей на груз.
Комплексный модуль сдвига G* имеет действительную часть, выражающую взаимосвязь синфазных составляющих колебательной деформации и колебательного напряжения, и мнимую часть, выражающую взаимосвязь сдвинутых по фазе на 90° составляющих этих величин * F / A F / А
G = G'+/G = -7i^cos(^+/-7iASin(J) (4)
X/d X/d (5)
Для абсолютно упругих материалов разность фаз δ=0, а для абсолютно вязких материалов δ=90°. Комплексная вязкость может быть получена из G*
7* = G* / ίω причем действительная часть равна η=Ό4ω (6)
Комплексный модуль сдвига G* учитывает динамический модуль упругости, выраженный как G', и модуль потерь, выраженный как G. G' характеризует упругие свойства текучей среды, a G - вязкие. Коэффициент потерь выражен как tan^) и определяется следующим образом:
tan(<5) = G'7 G'. (7)
Это отношение позволяет определить точку золь-гель перехода или точку гелеобразования текучей среды. Точка гелеобразования достигается, когда tan^) = 1. Если tan^) > 1, то присутствует жидкое состояние, если tan^) < 1, то гелеобразное состояние.
Реологические свойства, измеренные реометром в соответствии с принципами настоящего изобретения, охватывают (но не ограничиваются таковыми): комплексный модуль G* сдвига, динамический модуль G' упругости, модуль G потерь, комплексную вязкость η*, действительную часть вязкости η', мнимую часть вязкости η'', угол δ фазового сдвига и коэффициент потерь tan^).
Динамические испытания.
При проведении испытаний колебательным методом выделяют два основных режима испытания. В первом режиме испытания осуществляют контролируемую деформацию сдвига. В этом режиме образец подвергают деформации y(t), поворачивая шарнир со скрещивающимися пружинами на угол отклонения φ(1) под действием силы, прикладываемой к рычагу системы восстановления баланса сил. Угол отклонения φ(1) выражается следующим уравнением:
с(0 = Сд cos(®0- (8) где φΑ - это амплитуда. Измеряют вращающий момент M(t), требуемый для поворота на угол отклонения, и результирующий угол фазового сдвига δ. Вращающий момент M(t) выражается следующим уравнением:
М(0=/ИдсозИ + А). (9)
Вращающий момент M(t) пропорционален напряжению сдвига x(t), a комплексный модуль G* сдвига можно рассчитывать по уравнению (4).
Во втором режиме испытания создают контролируемое напряжение сдвига. В этом режиме образец подвергают напряжению сдвига т(1) путем сообщения вращающего момента M(t) рычагу системы восстановления баланса сил с последующим измерением результирующего угла отклонения и фазового сдвига. Затем по уравнению (4) рассчитывают комплексный модуль сдвига G*.
Ниже приведено подробное описание измерительных методов со ссылками на фиг. 1-4. В первом примере определяют вязкость ньютоновской жидкости путем погружения в нее груза 401. На выходе генератора 542 контрольного сигнала устанавливают ноль. Контроллер 502 двигателя по управляющему сигналу 506 переводят в режим вращения двигателя 504 (и втулки 402) с заданной скоростью. При вращении втулки 402 груз 401 поворачивается на небольшой угол, что приводит к повороту рычага 406. Датчик 516 углового положения определяет положение магнита 514 измерения положения. Процессор 518 преобразует сигнал в цифровую форму, на вход адаптивного фильтра 544 поступает разность между сигналами, выдаваемыми генератором 542 контрольного сигнала и датчиком 516 углового положения. На выходе адаптивного фильтра 544 получают сигнал, который должен минимизировать указанную разность, т.е. вернуть рычаг 406 в положение покоя. Посредством катушки 520 данный выходной сигнал преобразуют в магнитное поле. Сердечник 522 распространяет магнитное поле, создаваемое катушкой 520, вокруг магнита 524 силового поля, что приводит к возврату рычага 406 в положение покоя. Амплитуда выходного сигнала пропорциональна вязкости, это значение можно отображать на дисплее 526. Преимущество данной системы состоит в том, что она позволяет получить точное цифровое значение вязкости отчасти благодаря использованию рычага 406, проходящего дополнительное расстояние, вместо использования датчика, установленного на подвижной части 412 шарнира 411 со скрещивающимися пружинами.
В другом примере определяют вязкоупругие свойства неньютоновской жидкости путем погружения в нее груза 401 и проведения измерений колебательным методом. Для проведения измерений колебательным методом на выходе генератора 542 контрольного сигнала устанавливают сигнал синусоидаль- 4 032037 ной формы заданной амплитуды и частоты. Контроллер 502 двигателя переводят в режим останова двигателя 504. Так как двигатель 504 не вращается, втулка 402 находится в состоянии покоя. Датчик 516 углового положения регистрирует положение магнита 514 измерения положения. Изначально магнит 514 измерения положения не двигается и находится в состоянии покоя. Процессор 518 преобразует сигнал в цифровую форму, на вход адаптивного фильтра 544 поступает разность между сигналами, выдаваемыми генератором 542 контрольного сигнала и датчиком 516 углового положения. На выходе адаптивного фильтра 544 получают сигнал, который должен минимизировать указанную разность, т.е. поворачивать рычаг 406 по колебательному закону в соответствии с выходным сигналом генератора 542 контрольного сигнала. Посредством катушки 520 данный выходной сигнал преобразуют в магнитное поле. Сердечник 522 распространяет магнитное поле, создаваемое катушкой 520, вокруг магнита 524 силового поля, что приводит к повороту рычага 406 по колебательному закону. Блок 546 получения параметров измеряет относительную амплитуду и относительную разность фаз между контрольным сигналом и выходным сигналом. Эти значения можно отображать на дисплее 526 и использовать для расчета реологических свойств, таких как комплексный модуль сдвига G*, комплексная вязкость η* и коэффициент потерь tan(5).
Если текучая среда представляет собой гель, то вращение цилиндрического груза осуществляют таким образом, чтобы достичь напряжения сдвига в геле, при котором происходит его расслоение. В частности, амплитуду колебаний можно постепенно увеличить, контролируя силы, действующие на груз, для определения максимума выходного сигнала, соответствующего точке расслоения геля, также известной как исходное статическое напряжение сдвига. Исходное статическое напряжение сдвига можно отображать на дисплее 526. Преимущество данной системы состоит в том, что смещение рычага является в большей степени контролируемым процессом, нежели процессы, протекающие при обычной процедуре измерения предельного статического напряжения сдвига по методике, регламентированной стандартом API, в соответствии с которой втулку вращают на медленном ходу с постоянной скоростью 3 об/мин. Кроме того, отчасти благодаря использованию рычага 406, проходящего дополнительное расстояние, вместо использования датчика, установленного на подвижной части 412 шарнира 411 со скрещивающимися пружинами, имеется возможность получить более точное цифровое значение предельного напряжения сдвига.
Еще в одном примере вязкоупругие свойства неньютоновской жидкости определяют при помощи обоих методов - при постоянной скорости сдвига и колебательным методом. Груз 401 погружают в текучую среду и проводят измерения колебательным методом во взаимосвязи со смещающей скоростью сдвига, создаваемого вращающейся втулкой. Для создания сдвига контроллер 502 двигателя по управляющему сигналу 506 переводят в режим вращения двигателя 504 с заданной скоростью. При вращении втулки 402 груз 401 поворачивается на небольшой угол, что приводит к повороту рычага 406. Для создания колебательного сдвига и проведения измерений колебательным методом на выходе генератора 542 контрольного сигнала устанавливают сигнал синусоидальной формы заданной амплитуды и частоты. Датчик 516 углового положения регистрирует положение магнита 514 измерения положения.
Изначально магнит 514 измерения положения не двигается и находится в состоянии покоя. Процессор 518 преобразует сигнал в цифровую форму, на вход адаптивного фильтра 544 поступает разность между сигналами, выдаваемыми генератором 542 контрольного сигнала и датчиком 516 углового положения. На выходе адаптивного фильтра 544 получают сигнал, который должен минимизировать указанную разность, т.е. поворачивать рычаг 406 по колебательному закону в соответствии с выходным сигналом генератора 542 контрольного сигнала. Посредством катушки 520 данный выходной сигнал преобразуют в магнитное поле. Сердечник 522 распространяет магнитное поле, создаваемое катушкой 520, вокруг магнита 524 силового поля, что приводит к повороту рычага 406 по колебательному закону. Блок 546 получения параметров измеряет относительную амплитуду и относительную разность фаз между контрольным сигналом и выходным сигналом. Эти значения можно отображать на дисплее 526 и использовать для расчета реологических свойств.
После ознакомления с вышеприведенным описанием изобретения специалисту будут понятны его различные модификации, эквиваленты и альтернативы. Нижеприведенная формула изобретения, где применимо, охватывает все такие модификации, эквиваленты и альтернативы.

Claims (22)

1. Ротационный реометр, содержащий внешний полый цилиндр, ограничивающий цилиндрическую полость;
цилиндрический груз, расположенный внутри указанной полости, ограничивающий кольцевое пространство, поддерживаемый крестообразным пружинным шарниром, обеспечивающим возможность поворота указанного груза, и выполненный с возможностью поворота, когда текучая среда в кольцевом пространстве между цилиндрическим грузом и внешним цилиндром подвергается напряжению сдвига;
систему восстановления баланса сил, выполненную с возможностью реагирования на вращение указанного груза и приложения противодействующей силы для противодействия какому-либо отклоне- 5 032037 нию груза от контрольного положения, причем система восстановления баланса сил содержит рычаг, прикрепленный к подвижной части крестообразного пружинного шарнира;
датчик положения, выполненный с возможностью измерения смещения рычага; и исполнительный орган, выполненный с возможностью приложения силы, противодействующей смещению рычага из контрольного положения;
процессор, выполненный с возможностью генерирования контрольного сигнала, задающего для системы восстановления баланса сил контрольное положение, и вычисления по меньшей мере одного вязкоупругого параметра текучей среды в кольцевом пространстве на основании значения противодействующей силы.
2. Реометр по п.1, в котором процессор выполнен с возможностью изменения контрольного сигнала по синусоидальному закону, причем процессор выполнен также с возможностью измерять относительную амплитуду и относительную фазу противодействующей силы для вычисления по меньшей мере одного вязкоупругого параметра.
3. Реометр по п.2, в котором процессор выполнен с возможностью приема вводимых пользователем данных для изменения по меньшей мере одного из амплитуды и угловой частоты синусоидальных изменений контрольного сигнала.
4. Реометр по п.2, в котором по меньшей мере один вязкоупругий параметр включает в себя по меньшей мере один параметр из группы, в которую входят динамический модуль G' упругости, модуль G потерь, действительная часть η' вязкости, мнимая часть η вязкости и угол δ фазового сдвига.
5. Реометр по п.4, в котором по меньшей мере один вязкоупругий параметр дополнительно включает в себя по меньшей мере одно из следующего: комплексный модуль G* сдвига, комплексная вязкость η* и коэффициент потерь tan(<5).
6. Реометр по п.1, в котором процессор выполнен с возможностью поддержания контрольного сигнала неизменным при вращении внешнего цилиндра.
7. Реометр по п.6, в котором предусмотрена возможность подачи процессором команды на вращение внешнего цилиндра с постоянной скоростью в течение периода измерения.
8. Реометр по п.6, в котором процессор выполнен с возможностью вычисления по меньшей мере одного вязкоупругого параметра на основании противодействующей силы и скорости вращения внешнего цилиндра.
9. Реометр по п.6, в котором предусмотрена возможность подачи процессором команды на вращение внешнего цилиндра, так чтобы угол его поворота изменялся по синусоидальному закону.
10. Реометр по п.1, в котором исполнительный орган содержит управляющую катушку, выполненную с возможностью прикладывать противодействующую силу на указанный рычаг посредством магнитного поля.
11. Реометр по п.1, дополнительно содержащий дисплей, связанный с процессором, для отображения цифрового значения по меньшей мере одного вязкоупругого параметра.
12. Способ измерения реологических свойств, осуществляемый при помощи реометра по п.1, включающий в себя следующее:
создание в текучей среде в кольцевом пространстве между цилиндрическим грузом и внешним полым цилиндром деформации сдвига;
генерирование контрольного сигнала, задающего контрольное положение груза; вращение указанного груза с выполнением измерения его углового положения; приложение силы, противодействующей любому отклонению цилиндрического груза от контрольного положения; и вычисление по меньшей мере одного вязкоупругого параметра текучей среды на основании значения противодействующей силы.
13. Способ по п.12, в котором указанное подвергание осуществляют посредством груза, поворачивающегося в результате изменения контрольного сигнала по синусоидальному закону, причем способ дополнительно содержит измерение относительной амплитуды и относительной фазы противодействующей силы, причем указанное вычисление основано, по меньшей мере, на относительной амплитуде и относительной фазе.
14. Способ по п.13, дополнительно содержащий изменение по меньшей мере одного из амплитуды и угловой частоты синусоидальных изменений контрольного сигнала.
15. Способ по п.13, в котором по меньшей мере один вязкоупругий параметр включает в себя по меньшей мере один параметр из группы, в которую входят динамический модуль G' упругости, модуль G потерь, действительная часть η' вязкости, мнимая часть η вязкости и угол δ фазового сдвига.
16. Способ по п.15, в котором по меньшей мере один вязкоупругий параметр дополнительно содержит один параметр из группы, в которую входят: комплексный модуль G* сдвига, комплексная вязкость η* и коэффициент потерь tan(6).
17. Способ по п.12, в котором при вращении внешнего цилиндра контрольный сигнал является неизменным.
- 6 032037
18. Способ по п.17, в котором в период измерения внешний цилиндр вращают с постоянной скоростью.
19. Способ по п.17, в котором внешний цилиндр совершает вращение таким образом, что угол его поворота изменяется по синусоидальному закону.
20. Способ по п.12, в котором противодействующую силу прикладывают посредством магнитного поля.
21. Способ по п.12, в котором текучая среда представляет собой гель, а вращение цилиндрического груза осуществляют таким образом, чтобы достичь напряжения сдвига в геле, при котором происходит его расслоение.
22. Способ по п.21, в котором вязкоупругим параметром является величина напряжения, при которой происходит расслоение геля.
EA201491177A 2012-02-23 2013-01-25 Устройство и способ для измерения реологических свойств при постоянной скорости сдвига и колебательным методом EA032037B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/403,701 US9274038B2 (en) 2012-02-23 2012-02-23 Apparatus and method for constant shear rate and oscillatory rheology measurements
PCT/US2013/023065 WO2013126179A1 (en) 2012-02-23 2013-01-25 Apparatus and method for constant shear rate and oscillatory rheology measurements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201491177A1 EA201491177A1 (ru) 2015-01-30
EA032037B1 true EA032037B1 (ru) 2019-03-29

Family

ID=47710329

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201491177A EA032037B1 (ru) 2012-02-23 2013-01-25 Устройство и способ для измерения реологических свойств при постоянной скорости сдвига и колебательным методом

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9274038B2 (ru)
EP (1) EP2817608B1 (ru)
AU (1) AU2013222825B2 (ru)
BR (1) BR112014017470A8 (ru)
CA (1) CA2861487C (ru)
EA (1) EA032037B1 (ru)
MX (1) MX2014008548A (ru)
WO (1) WO2013126179A1 (ru)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9274038B2 (en) 2012-02-23 2016-03-01 Halliburton Energy Services, Inc. Apparatus and method for constant shear rate and oscillatory rheology measurements
US9851286B2 (en) * 2012-03-13 2017-12-26 Vibrac, Llc Viscosity testing system and method of using the same
US9506850B2 (en) * 2013-05-06 2016-11-29 Westech Engineering, Inc. Apparatus and method for determining one or more characteristics of a viscous material
AU2013399666B2 (en) 2013-09-04 2017-05-25 Halliburton Energy Services, Inc. Nano-carbohydrate composites as a lost circulation materials - LCM origami and other drilling fluid applications
WO2016113279A1 (de) * 2015-01-16 2016-07-21 Wintershall Holding GmbH Druckzelle für rheologische experimente in oszillatorischer scherung unter druck
AU2017407953B2 (en) * 2017-03-31 2022-07-07 Halliburton Energy Services, Inc. Active sensor for torque measurement in a viscometer
CN110573854B (zh) * 2017-06-15 2022-03-18 哈利伯顿能源服务公司 使用十字弹簧枢轴的凝胶剪切强度测量
US11815639B2 (en) * 2019-10-31 2023-11-14 Halliburton Energy Services, Inc. Borehole fluid gel strength measurement

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2703006A (en) * 1953-04-10 1955-03-01 Socony Vacuum Oil Co Inc Rotational viscometer
US3285057A (en) * 1963-08-19 1966-11-15 Zurik Corp De Apparatus for obtaining torque measurements
US3455145A (en) * 1965-11-03 1969-07-15 Kaelle Regulatorer Ab Viscosity or consistency meter
US4062225A (en) * 1976-08-23 1977-12-13 Nl Industries, Inc. Rotational viscometer and plastometer
US4148215A (en) * 1978-06-19 1979-04-10 General Signal Corporation Apparatus for making rheological measurements
US4571988A (en) * 1984-07-16 1986-02-25 Nl Industries, Inc. Apparatus and method for measuring viscosity
US6571609B1 (en) * 2001-05-09 2003-06-03 Hongfeng Bi Digital viscometer with arm and force sensor to measure torque

Family Cites Families (65)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3343405A (en) * 1965-01-27 1967-09-26 Jr Philip J Gilinson Viscometer
US3803903A (en) 1972-03-23 1974-04-16 Du Pont Apparatus and method for measuring the rheological properties of a fluid
US3864961A (en) 1973-07-30 1975-02-11 Hercules Inc Micro-parallel plate plastometer and viscometry method
US4005599A (en) 1975-08-05 1977-02-01 International Telephone And Telegraph Corporation Fluid property detection system
US3986388A (en) 1975-09-05 1976-10-19 International Telephone And Telegraph Corporation Fluid property detection system
US4045999A (en) 1976-11-05 1977-09-06 Sydney Hospital Rotational viscometers
US4092849A (en) 1977-05-27 1978-06-06 Bryce Maxwell Method and apparatus for measuring melt elasticity of polymers
US4226798A (en) 1978-10-06 1980-10-07 The B. F. Goodrich Company Method of selecting operation of a fluid-bed reactor and apparatus for doing so
US4299119A (en) 1980-03-13 1981-11-10 National Metal And Refining Company, Ltd. Incremental rotary viscometer
US4468953A (en) 1982-07-22 1984-09-04 Rheometrics, Inc. Viscosity and elasticity of a fluid
DE3426139A1 (de) 1984-06-12 1985-12-12 Werner Dipl.-Phys. 5000 Köln Heinz Betriebs-schwingungsviskosimeter
US4612800A (en) 1985-04-08 1986-09-23 Shell Mining Company Slurry viscometer
US4570478A (en) 1985-04-08 1986-02-18 The Regents Of The University Of California Concentric-cylinder rheometer
US4799378A (en) 1985-10-21 1989-01-24 Alcor, Inc. Piezoelectric viscometer
US4779627A (en) 1986-04-04 1988-10-25 The Academy Of Applied Sciences, Inc. Process and apparatus for determining female ovulation time by measurement of saliva viscoelasticity
US4949045A (en) 1987-10-30 1990-08-14 Schlumberger Technology Corporation Well logging apparatus having a cylindrical housing with antennas formed in recesses and covered with a waterproof rubber layer
US4864849A (en) * 1988-06-07 1989-09-12 Cambridge Applied Systems, Inc. Viscometer
US5056358A (en) 1988-08-26 1991-10-15 University Of British Columbia Apparatus for the determination of rheological properties of sedimenting suspensions
EP0399634A3 (en) 1989-05-22 1991-03-20 PLINT &amp; PARTNERS LIMITED Viscometer
US5327778A (en) 1992-02-10 1994-07-12 Park Noh A Apparatus and method for viscosity measurements using a controlled needle viscometer
SE501809C2 (sv) 1992-10-05 1995-05-22 Lund Medicinsk Reologi Ab Sätt att mäta reologiska egenskaper och reometer för genomförande av sättet
US5708197A (en) 1996-05-07 1998-01-13 Polymer Processing Institute Helical barrel rheometer
FR2771817B1 (fr) 1997-11-28 1999-12-31 Schlumberger Ind Sa Dispositif de mesure de la viscosite d'un fluide
US6684952B2 (en) 1998-11-19 2004-02-03 Schlumberger Technology Corp. Inductively coupled method and apparatus of communicating with wellbore equipment
US6257051B1 (en) 1999-03-11 2001-07-10 The Lubrizol Corporation On-board rotational viscometers
US6231646B1 (en) 1999-03-11 2001-05-15 Chemco Manufacturing Company, Inc. Paint overspray exhaust air filter
US6727827B1 (en) 1999-08-30 2004-04-27 Schlumberger Technology Corporation Measurement while drilling electromagnetic telemetry system using a fixed downhole receiver
US6311549B1 (en) 1999-09-23 2001-11-06 U T Battelle Llc Micromechanical transient sensor for measuring viscosity and density of a fluid
US6302203B1 (en) 2000-03-17 2001-10-16 Schlumberger Technology Corporation Apparatus and method for communicating with devices positioned outside a liner in a wellbore
GB0007719D0 (en) 2000-03-31 2000-05-17 Central Research Lab Ltd Method and apparatus for viscosity measurement
WO2001094912A2 (en) * 2000-06-06 2001-12-13 Mts Systems Corporation Dynamic tensile tester
GB0028441D0 (en) 2000-11-22 2001-01-10 Prescott Instr Mfg Ltd Rheometer
WO2003029806A2 (en) 2001-10-02 2003-04-10 Viasense Consulting, Inc. A real-time system for detecting foreign bodies in food containers using ultrasound
US6629451B1 (en) * 2002-04-16 2003-10-07 Halliburton Energy Services, Inc. Method for determining the rheology of a gelled fluid
US6584833B1 (en) * 2002-05-30 2003-07-01 Halliburton Energy Services, Inc. Apparatus and method for analyzing well fluid sag
US6964737B2 (en) 2002-06-14 2005-11-15 Duke University Systems for water and wastewater sludge treatment using floc or network strength
US6874353B2 (en) 2003-01-30 2005-04-05 Halliburton Energy Services, Inc. Yield point adaptation for rotating viscometers
US6951127B1 (en) 2003-03-31 2005-10-04 Hongfeng Bi Digital viscometer with non contact distance sensor
US6776028B1 (en) 2003-04-29 2004-08-17 Ofi Testing Equipment, Inc. Induction sensor viscometer
US7128157B2 (en) 2003-07-09 2006-10-31 Weatherford/Lamb, Inc. Method and apparatus for treating a well
US6990850B2 (en) 2003-09-15 2006-01-31 Taylor John A Curtain coater rheology management
FR2861176B1 (fr) 2003-10-21 2006-01-20 Centre Nat Rech Scient Procede et dispositif de caracterisation d'un fluide
US6997045B2 (en) 2003-12-19 2006-02-14 W.R. Grace & Co.-Conn. Rheomixer device
US7007546B2 (en) 2003-12-22 2006-03-07 Biode Inc. Measurement, compensation and control of equivalent shear rate in acoustic wave sensors
US7603897B2 (en) 2004-05-21 2009-10-20 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole probe assembly
US6971262B1 (en) 2004-06-25 2005-12-06 Waters Investment Limited System and method for rheological characterization of granular materials
GB0419152D0 (en) 2004-08-27 2004-09-29 Kernow Instr Technology Ltd A contactless magnetic rotary bearing and a rheometer incorporating such bearing
GB0507981D0 (en) * 2005-04-20 2005-05-25 Uws Ventures Ltd Method of determining the point at which coagulating blood forms a clot
US7721594B2 (en) 2005-07-29 2010-05-25 M-I L.L.C. Apparatus and method to monitor slurries for waste re-injection
US7908905B2 (en) 2005-08-31 2011-03-22 The University Of Akron Rheometer allowing direct visualization of continuous simple shear in non-newtonian fluid
US7526946B2 (en) 2005-10-14 2009-05-05 The University Of Akron Constant-force rheometer
JP4815591B2 (ja) * 2006-02-28 2011-11-16 国立大学法人長岡技術科学大学 流体解析方法及び流体解析装置
US20080110246A1 (en) 2006-10-19 2008-05-15 Barry Ward Old Capillary rheometer with instrumented cleaning and packing device
US7614285B2 (en) * 2007-03-27 2009-11-10 Cambridge Viscosity, Inc. Dynamic reciprocating-bob rheometry
US7926326B2 (en) 2007-09-05 2011-04-19 Waters Technologies Corporation System and method for interfacial rheometry
US7701229B2 (en) 2007-10-15 2010-04-20 Halliburton Energy Services, Inc. Methods and systems for measurement of fluid electrical stability
US20090211343A1 (en) 2008-01-17 2009-08-27 David Zumbrunnen In-situ structuring rheometer based on chaotic advection
US7581436B2 (en) 2008-01-25 2009-09-01 Schlumberger Technology Corporation Method for operating a couette device to create and study emulsions
US8024962B2 (en) 2008-07-28 2011-09-27 Halliburton Energy Services Inc. Flow-through apparatus for testing particle laden fluids and methods of making and using same
US7830161B2 (en) 2008-08-15 2010-11-09 Halliburton Energy Services Inc. Methods for measurement of fluid electrical stability
GB0900348D0 (en) 2009-01-09 2009-02-11 Sensor Developments As Pressure management system for well casing annuli
GB0900446D0 (en) 2009-01-12 2009-02-11 Sensor Developments As Method and apparatus for in-situ wellbore measurements
US8091726B2 (en) 2009-07-15 2012-01-10 Halliburton Energy Services Inc. Pressure vessels with safety closures and associated methods and systems
GB2475910A (en) 2009-12-04 2011-06-08 Sensor Developments As Wellbore measurement and control with inductive connectivity
US9274038B2 (en) 2012-02-23 2016-03-01 Halliburton Energy Services, Inc. Apparatus and method for constant shear rate and oscillatory rheology measurements

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2703006A (en) * 1953-04-10 1955-03-01 Socony Vacuum Oil Co Inc Rotational viscometer
US3285057A (en) * 1963-08-19 1966-11-15 Zurik Corp De Apparatus for obtaining torque measurements
US3455145A (en) * 1965-11-03 1969-07-15 Kaelle Regulatorer Ab Viscosity or consistency meter
US4062225A (en) * 1976-08-23 1977-12-13 Nl Industries, Inc. Rotational viscometer and plastometer
US4148215A (en) * 1978-06-19 1979-04-10 General Signal Corporation Apparatus for making rheological measurements
US4571988A (en) * 1984-07-16 1986-02-25 Nl Industries, Inc. Apparatus and method for measuring viscosity
US6571609B1 (en) * 2001-05-09 2003-06-03 Hongfeng Bi Digital viscometer with arm and force sensor to measure torque

Also Published As

Publication number Publication date
EP2817608B1 (en) 2020-09-09
BR112014017470A2 (pt) 2017-06-13
BR112014017470A8 (pt) 2017-07-04
EP2817608A1 (en) 2014-12-31
CA2861487A1 (en) 2013-08-29
CA2861487C (en) 2017-01-03
AU2013222825B2 (en) 2015-04-16
US9274038B2 (en) 2016-03-01
MX2014008548A (es) 2014-10-24
AU2013222825A1 (en) 2014-07-10
EA201491177A1 (ru) 2015-01-30
WO2013126179A1 (en) 2013-08-29
US20130226473A1 (en) 2013-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA032037B1 (ru) Устройство и способ для измерения реологических свойств при постоянной скорости сдвига и колебательным методом
Vermant et al. Orthogonal superposition measurements using a rheometer equipped with a force rebalanced transducer
JP2002202244A (ja) 微細摩擦摩滅実験装置
US10180382B2 (en) Viscoelasticity measurement method and viscoelasticity measurement device
JPH0660870B2 (ja) 粘弾性測定装置及び測定方法
WO2007007333A2 (en) System and method for active detection of asymmetry in rotating structures
CN107121117B (zh) 微扭矩测量装置及方法
JPH07504032A (ja) 液体の粘弾性特性判定装置およびその使用法
RU2444000C1 (ru) Способ экспериментального определения динамического коэффициента внешнего трения
KR101761696B1 (ko) 모델수차 토크 측정시스템의 민감도 시험용 축 추력 인가 장치
Bakhtieva et al. Modulation of damping in the rotor vibratory gyroscopes
EP1381842A1 (en) Fluid properties evaluation
CN106872309A (zh) 一种微型滑块面接触润滑油粘度的测量方法
Yogaraju et al. Feasibility and performance studies of a semi active journal bearing
Jimenez et al. A novel computerized viscometer/rheometer
RU2730369C1 (ru) Способ проверки дефекта опор гироузла в поплавковом гироскопическом датчике угловой скорости (варианты)
US10088338B2 (en) Optical shaft twist angle measurement methods and systems
JP2002071532A (ja) 機械要素の反力測定装置
Kuenzi et al. Contactless rotational concentric microviscometer
Van Den Brule et al. A simple constant-stress rheometer
Wang et al. A novel measurement of dynamic friction
Lei et al. A new inverted torsion pendulum-based mechanical spectrometer to study soft matter
RU2648679C2 (ru) Способ определения критических скоростей ротора, работающего в зарезонансной области
Xu et al. A dynamic U-tube rheometer of novel design for the study of weak gels and foams
Raghunathan et al. Measurement techniques and instruments for measurement of dynamic characteristics of gear pump

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): RU