KR20210023978A - 유체 속성 측정을 위한 소리굽쇠의 용량성 무효화 방법 - Google Patents

Abstract

특성화되지 않은 다운홀 유체의 속성들을 결정하기 위한 장치. 장치는 출력 및 입력을 갖는 증폭기, 증폭기 또는 로직 게이트의 출력과 입력 사이의 피드백 루프를 포함하는 발진 구동기 회로, 공진기가 발진 구동기 회로에 의해 구동되도록 피드백 루프 내에 배치 되는 전기 기계 공진기로서, 공진기의 공진 주파수는 발진기 회로의 발진 주파수를 정의하는, 공진기, 및 발진기 회로가 공진기의 구동을 중지하게 함으로써, 특성화되지 않은 유체 내에서 전기 기계 공진기의 발진의 감쇠율을 관찰할 수 있도록 하는 스위치 디바이스를 포함한다. 전기 기계 공진기는 다운홀 유체의 용량성 효과로부터 공진기를 보호하기 위해 전도층으로 둘러싸인다.

Description

유체 속성 측정을 위한 소리굽쇠의 용량성 무효화 방법

본 발명은 개괄적으로 석유 공학 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 지하 유정에서 다운홀 유체의 점도 및 밀도의 현장 측정치들을 획득하기 위한 전기 기계 디바이스들에서 기생 커패시턴스의 영향을 무효화하기 위한 방법에 관한 것이다.

다양한 탄화수소, 염수, 기타 액체 및 기체 및 초임계 유체, 슬러리, 폼 및 에멀젼이 지하 유정들로부터 생성되거나, 지하 유정들에서 발견되거나, 지하 유정들의 건설에 사용되거나, 지하 유정들에 주입된다. 이러한 유체들을 통칭하여 다운홀 유체들로 알려질 것이다. 이러한 유체들의 밀도 및 점도와 같은 물리적 속성들에 대한 지식은 유정들의 굴착, 완료, 운영 및 폐기에 중요하다. 이러한 유정들은 지하 저장소들에서 탄화수소를 회수하고, 지하 저장소에 유체들을 주입하며, 지하 저장소들의 조건들을 모니터링하는데 사용될 수 있다.

유체들에는 그것의 액상, 기상 및 초임계 상태들의 물질이 포함된다. 다운홀 유체들에는 탄화수소, 염수 및 기타 지하 저장소들에서 발생하는 유체들과 같이 지면으로부터 생성되는 하나 이상의 유체, 뿐만 아니라 탄화수소 생성을 향상시키거나 폐기 목적으로 지하에 주입될 수 있는 염수, 이산화탄소 및 메탄과 같은 유체들이 포함된다. 다운홀 유체들에는 또한 유정들의 건설에 사용되는 굴착 이수 및 시멘트와 같은 액체 및 고체 성분들을 포함하는 슬러리들도 포함된다. 하나 이상의 다운홀 유체는 다상 유동에서와 같이, 지하 유정 내에서 동시에 발견될 수 있고, 그것들이 상호 작용하여 에멀젼들 및 폼들을 형성할 수 있다. 다운홀 유체들은 또한 표면에 더 가까운 더 낮은 온도에서 고체일 수 있더라도 저장소 온도 및 압력에서 유체인 물질들을 포함하는 것으로도 이해될 것이다.

다운홀 유체 속성들에는 개별 유체상들의 점도 및 밀도뿐만 아니라 여러 유체상으로 구성된 응집 유체의 유효 점도 및 밀도도 포함된다. 뉴턴 유체들은 단일 점도에 특색이 있다. 슬러리들과 같은 비뉴턴 유체들에서, 점도는 유동 조건들, 예를 들어 유체에 적용되는 응력 또는 전단 속도에 따라 달라질 수 있다. 비뉴턴 유체들의 속성들에는 유동 조건들 대한 속도의 의존성을 설명하는 유변학 적 파라미터들도 포함된다.

다운홀 유체 속성들은 온도 및 압력에 따라 달라지는 것으로 알려져 있고, 이러한 변화의 특성들은 다운홀 유체의 중요한 속성이다. 이러한 변화는 예를 들어, 밀도가 압력 및 온도에 따라 어떻게 달라지는지를 설명하는 유체의 PVT(압력-체적-온도) 특성들, 또는 압력 및 온도에 따른 점도 변화에 의해 설명된다. 유체의 압력 및 온도가 변함에 따라, 유체는 예를 들어 기체에서 액체로 응축되거나(예를 들어, 이슬점에서), 액체에서 기체로 비등되거나, 초임계 또는 비초임계 상태로 전이되는 상태 변화를 겪을 수 있다. 기타 유형들의 다운홀 유체들에는 압력, 온도, 농도 또는 기타 화학적 또는 열역학적 변수들의 함수로 구조적 변화를 겪을 수 있는 구조화된 유체들 또는 분산액들 이를테면 에멀젼들, 현탁액들 및 폼들이 포함된다. 이러한 변화들은 그것들의 점도 및/또는 밀도의 변화들로서 동적으로 검출될 수 있다. 예를 들어, 하나의 유체가 다른 유체에 용해될 수 있고 유체가 용해되거나 용해를 중단하거나(예를 들어, 끓는점) 유체에서 고체가 침전될 수 있는 압력 및 온도 조건들이 유체의 중요한 속성이다. 이러한 상태 변화들 및 이러한 용해 및 침전이 발생하는 유정에서의 깊이 또는 위치는 유정으로부터 유체들을 최적으로 생성하거나 유정에 유체들을 주입하는데 중요한 정보이다. 또한, 기름의 밀도(또는 API 중력) 및 점도는 그것의 유형 및 값을 나타내고, 깊이의 함수로서, 저장소 구조 및 구획화를 이해하는데 사용될 수 있다. 아스팔텐 함량이 또한 생성된 탄화수소의 점탄성 속성들로부터 추론될 수도 있다. 생산된 유체들의 PVT 특성들을 이해하는 것은 또한 표면 분리기들의 최적 압력 결정을 포함하여 표면 설비 설계를 최적화하는데도 중요하다. 상태 변화, 용해 및 침전은 일반적으로 유체의 점도 및 밀도 변화를 수반하므로 압력 및 온도의 함수로서 점도 및 밀도를 측정하여 이러한 변화가 발생하는 온도 및 압력을 식별할 수 있다.

지하 저장소에서 유체들의 점도 및 밀도를 결정하면 생산 및 저장소 모델들을 최적화하는데 중요한 데이터가 제공된다. 통상적으로, 생성된 유체들은 표면에서 샘플링된다. 그 다음, 실험실에서, 샘플들에 다운홀 온도 및 압력 조건들이 적용되고 그것들의 점도, 밀도 및 기타 속성들이 측정된다. 그러나, 저장소로부터의 탄화수소 액체들이 표면 온도 및 압력에 이르면(예를 들어, 그것들이 유정 위로 올라올 때) 용해된 기체가 방출되고 아스팔텐이 침전될 수 있다. 이러한 변화들은 실험실에서 정확하게 되돌리기 어려울 수 있으므로, 실험실 측정이 저장소 온도 및 압력에서 이루어지더라도, 실험실에서 측정된 점도는 저장소에 있는 유체들의 점도와 상이할 수 있다. 뿐만 아니라, 유정에서 샘플들을 획득하여 그것들을 실험실로 옮기고 측정하는 과정은 비용과 시간이 많이 소요된다. 또한, 유체 속성들의 데이터를 획득하기 위해 샘플들을 실험실로 옮겨야 하는 것은 이러한 데이터가 유정의 변화하는 조건들에 대응하기 위해 실시간으로 사용되지 못하게 한다. 따라서, 다운홀 또는 현장 조건들에서 다운홀 유체 점도 및 밀도를 현장에서 측정할 수 있는 센서가 필요하다.

다운홀 유체들의 점도 및 PVT 특성들(또는 상 도표)은 통상적으로 실험실들에서 측정되고 이러한 측정치들은 저수지에서 그리고 유정을 따라 유체의 점도 및 밀도를 추론하고, 상태 변화들, 끓는점들 및 이슬점들과 같은 중요한 전이가 발생할 곳을 추론하는데 사용된다. 그러나, 유체들이 표면에 이를 때 그것들에 발생할 수 있는 비가역적 변화들 뿐만 아니라 실제 유정에서 특정 압력 및 온도 조건들이 충족될 정확한 위치에 대한 불확실성으로 인해, 이러한 추론은 부정확할 수 있다. Freyss, Henri 외, "PVT Analysis for Oil Reservoirs" RESERVOIR ENGINEERING, The Technical Review, Vol. 37 Number 1, Page 4-15: 1989. 1. 1. 발행 참조, 이는 탄화수소 회수와 관련하여 다운홀 유체들의 점도 및 PVT 특성들에 대한 논의를 위해 전체가 참고로 통합된다. 따라서, 이러한 데이터를 유정을 따라 온도, 압력 및 깊이/위치와 조합하여 중요한 전이들이 발생하는 실제 위치들 및 조건들을 결정하는데 사용할 수 있기 때문에, 생성 유정을 따라 탄화수소 점도 및 밀도를 측정할 수 있는 작고 빠르며 정확한 센서가 필요하다.

다운홀 유체 유동들은 보통 두 개 이상의 별개의 또는 혼합되지 않는 유체들로 구성된 2상 또는 다상 유체 유동들이다. 유동 레짐(예를 들어, 슬러그 유동, 층류 유동, 거품 유동)은 상이한 상들의 유동률뿐만 아니라 상들의 점도 및 밀도에 따른다. 유동 레짐은 인공 리프트 시스템들과 같은 다운홀 장비의 효과 및 내구성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 일부 유동 레짐에서, 상이한 상들의 유량율들은 결합될 수 있는 한편 다른 상들에서는 유량율들이 분리될 수 있다. 각 상의 부피율을 아는 것은 생성 및 표면 설비들을 최적화할 뿐만 아니라, 누수와 같은 생성 문제들을 검출하는데 중요하다. 가장 간단한 유동 모니터링 센서들은 전체 유량율을 측정하고(상들을 구분하지 않고) 상이한 상들의 부피 백분률을 측정한다. 개별 상들의 유량율들은 총 유량에 각 상의 부피 백분율을 곱하여 결정된다. 이러한 측정은 모든 상이 동일한 속도로 이동할 때에만 정확하다. 일부 유동 레짐에서는, 상이한 상들이 상이한 속도들로 이동하여, 부정확한 측정을 초래할 수 있다. 따라서 접촉하는 유체의 순간 점도 및 밀도를 측정하여 유동 레짐, 각 상의 상대적 풍부도, 각 상의 유동 구조들의 형상 및 크기, 및 유체상들 간 속도 결합도를 결정하는데 도움이 될 수 있는 작고 저렴한 센서가 필요하다. 특히 탄화수소 생성을 크게 방해하지 않으면서 영구적인 또는 테더리스 감지가 요구되는 상황에서 유정들 내부의 제한된 공간으로 인해 작은 디바이스 크기도 필요하다. 본 발명은 해당 기술분야의 이러한 그리고 다른 요구들을 다룬다.

본 발명의 실시 예들은 특성화되지 않은 다운홀 유체의 속성들을 결정하기 위한 장치를 제공한다. 상기 장치는 출력 및 입력을 갖는 증폭기, 증폭기 또는 로직 게이트의 상기 출력과 입력 사이의 피드백 루프를 포함하는 발진 구동기 회로, 공진기가 상기 발진 구동기 회로에 의해 구동되도록 상기 피드백 루프 내에 배치 되는 전기 기계 공진기로서, 상기 공진기의 공진 주파수는 상기 발진기 회로의 발진 주파수를 정의하는, 상기 공진기, 및 상기 발진기 회로가 상기 공진기의 구동을 중지하게 함으로써, 상기 특성화되지 않은 유체 내에서 상기 전기 기계 공진기의 상기 발진의 감쇠율을 관찰할 수 있도록 하는 스위치 디바이스를 포함한다. 상기 전기 기계 공진기는 상기 다운홀 유체의 용량성 효과로부터 상기 공진기를 보호하기 위해 전도층으로 둘러싸인다.

특정 실시 예들에서, 상기 특성화되지 않은 유체의 적어도 하나의 속성은 관찰된 상기 전기 기계 공진기의 상기 발진의 감쇠율에 따라 결정될 수 있다. 상기 전기 기계 공진기는 적어도 두 개의 전극 및 상기 적어도 두 개의 전극을 커버하는 유전체층을 갖는 압전 디바이스로서 구현될 수 있으며, 상기 전도 층은 상기 유전체층을 둘러싼다. 상기 전기 기계 공진기는 상기 전도층 위에 부식 방지층을 포함할 수 있다.

본 발명의 추가 양태에서, 다운홀 유체, 또는 분산 유체-유체(에멀젼), 고체-유체(현탁액) 또는 기체-유체(폼) 시스템의 PVT 특성들 또는 상 도표를 결정하기 위한 방법 및 디바이스가 개시된다. 일 실시 예에서, 다운홀 유체 속성들이 각 깊이에서 접하는 상이한 압력 및 온도에서 측정될 수 있도록, 디바이스가 유정에서 상이한 깊이들을 차지함에 따라 밀도 및 점도의 측정치들이 취해진다. 불연속 압력 및 온도 지점들에서의 이러한 측정치들에 기초하여, 보간에 의해 전체 PVT 특성들 또는 상 도표가 재구성된다. 통상적으로 이러한 보간은 이론적 PVT 특성 군에서 유정을 따라 측정된 속성들과 가장 가깝게 일치하는 것을 선택함으로써 실현된다. 대안적으로, PVT 특성 군은 유사한 유체들에 대해 실험실에서 측정된 PVT 특성들에 기초하여 경험적으로 결정될 수 있고; 이러한 군에서 유정에서 획득된 제한된 집합의 데이터와 가장 잘 일치하는 PVT 특성이 선택되고 유정의 유체를 설명하는 것으로 가정된다.

일부 실시 예에서, 장치는 스위치 디바이스에 결합되고 스위치 디바이스의 듀티 사이클 및 이득률을 조정하도록 구성된 마이크로 프로세서를 더 포함한다.

본 발명의 실시 예들은 또한 교류 전압에 의해 구동될 때 특성화되지 않은 다운홀 유체의 속성들을 결정하는데 사용하기 위한 압전 디바이스를 제공한다. 상기 디바이스는 소리굽쇠 형상으로 형성된 적어도 두 개의 압전 전극으로서, 상기 소리굽쇠 부분들은 교류 전압에 의한 전기 여기에 응답하여 특징적인 공진 주파수에서 기계적으로 진동하도록 작동하는 압전 전극들인, 상기 압전 전극, 상기 적어도 두 개의 압전 전극을 커버하는 유전체층, 및 상기 유전체층을 커버하고 상기 다운홀 유체의 용량성 효과로부터 상기 압전 디바이스를 보호하는 전도층을 포함한다.

특정 실시 예들에서, 상기 압전 디바이스는 상기 전도층 위에 위치되는 부식 방지층을 포함한다. 상기 전도층은 얇은 금속 막으로 구성될 수 있다.

본 발명의 추가 실시 예들은 유체의 속성들을 결정하기 위한 방법으로서, a) 특성화되지 않은 유체에 발진기 회로를 노출시키는 단계로서, 상기 발진기 회로는 출력 및 입력을 갖는 증폭기, 증폭기 또는 로직 게이트의 상기 출력과 입력 사이의 피드백 루프, 및 전기 기계 공진기의 공진 주파수가 상기 발진기 회로의 발진을 정의하도록 상기 피드백 루프 내에 배치되는 상기 전기 기계 공진기로서, 상기 전기 기계 공진기는 전도층으로 둘러싸이는, 상기 공진기를 포함하는, 상기 발진기 회로를 노출시키는 단계; b) 상기 전기 기계 공진기가 특성화되지 않은 유체의 공진 주파수에 도달하도록 상기 발진기 회로를 활성화하는 단계; c) 상기 발진기 회로가 지속적으로 활성화될 때 상기 특성화되지 않은 유체에서 상기 전기 기계 공진기의 감쇠비를 결정하는 단계; 및 d) 자동 이득 또는 음의 저항 제어 시스템을 통해 일정한 발진폭을 유지하는데 필요한 이득 또는 음의 저항을 참조하여 상기 특성화되지 않은 유체의 적어도 하나의 속성을 계산하는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.

특정 실시 예들에서, 상기 전도층은 얇은 금속 막으로 구성된다. 상기 전기 기계 공진기는 적어도 두 개의 전극 및 상기 적어도 두 개의 전극을 커버하는 유전체층을 갖는 압전 디바이스를 사용하여 구현될 수 있으며, 상기 전도 층은 상기 유전체층을 둘러싼다. 상기 전기 기계 공진기는 상기 전도층 위에 부식 방지층을 포함할 수 있다.

이러한 그리고 다른 양태들, 특징들 및 이점들이 본 발명의 특정 실시 예들에 대한 이하의 구체적인 내용 및 첨부 도면들 및 청구범위로부터 이해될 것이다.

도 1은 제1 배열에 따른 발진기 회로를 도시한다;
도 2는 제1 배열의 발진기 내에 레코딩되는 전기 파형들을 도시한다;
도 3은 제2 배열에 따른 발진기 회로를 도시한다;
도 4는 소리굽쇠 공진기를 도시한다;
도 5는 측정된 점도 데이터의 일례를 도시한다;
도 6은 측정된 밀도 데이터의 일례를 도시한다;
도 7은 압전 공진기들에 대한 Butterworth-Van Dyke 모델을 도시한다;
도 8은 가변 음의 저항이 피드백 루프로 일정한 발진폭을 유지하도록 시뮬레이션 및 제어되는 발진기 회로를 도시한다;
도 9는 공진기가 액체 상태에 있거나 그 외 큰 감쇠를 가질 때 본 발명의 회로가 발진할 수 있게 하도록 요구될 수 있을 때 공진기에 대한 병렬 및 직렬 전기 임피던스들의 추가를 도시한다;
도 10a 및 도 10b는 소리굽쇠 발진기의 두 진동 모드를 도시하고, 도 10c 및 도 10d는 외부 압전 변환기를 이용한 평면 내 전단 작동 하의 소리굽쇠 응답을 도시하며 화살표들은 작동 방향을 가리킨다.
도 11a 내지 도 11c는 구동을 감지 신호에서 분리하기 위한 세 개의 전극(입력, 접지, 출력) 소리굽쇠 구성 및 응답을 도시한다;
도 12a 내지 도 12c는 구동을 감지 신호에서 분리하기 위한 양면(앞뒤) 세 개의 전극(입력, 접지, 출력) 소리굽쇠 구성 및 응답을 도시한다;
도 13은 기생 커패시턴스 C1으로 소리굽쇠의 전기 기계 모델을 나타내는 소리굽쇠 블록을 갖는 차동 전기 회로도이다.
도 14는 Lt가 공진기의 기계적 관성을 나타내는 유효 인덕턴스인 압전 전기 기계 공진기들에 대한 유사한 공진기 회로를 도시한다.
도 15a 및 도 15b는 추가 커패시턴스들을 고려하지 않을 때 출력 전류의 진폭(도 15a) 및 위상 편이(도 15b)의 관점에서 이상적인 공진을 나타내는 전류 진폭 대 주파수의 그래프들이다.
도 15c 및 도 15d는 기생 커패시턴스들(도 14의 Cp, Cm, Cd)을 낮고 높은 감쇠 사례들(즉, 작고 큰 Rt)에서 나타내는 전류 진폭 대 주파수의 그래프들이다.
도 16a 및 도 16b는 차동 출력의 경우 가변 기생 커패시턴스 및 감쇠를 갖는 공진기의 전류 진폭 대 주파수 응답의 그래프들이다.
도 17은 본 발명에 따른 압전 소리굽쇠 공진기(1700)의 대표적인 실시 예를 도시한다.
도 18은 자동 이득 제어를 제공하는 차동 전기 회로의 다른 실시 예이다.

본 발명의 광범위한 양태에 따르면, 본 발명자들은 점도 및 밀도를 측정할 수 있고 그것이 생성 유정을 따라 다양한 깊이에서 측정치들을 획득할 수 있게 되는 플랫폼에 장착될 수 있는 작고 빠르며 정확한 센서가 예를 들어, 1) 다운홀 유체들의 PVT 특성들을 매핑하고 유정을 따라 이슬점, 끓는점 및/또는 기타 유체 속성들의 중요한 상태 변화들 및 전이들이 발생하는 위치들을 식별하고, 2) 밀도 및 점도 변화들을 신속하게 측정하여 분산 유체-유체(에멀젼), 고체-유체(현탁액), 기체-유체(거품) 시스템의 PVT 특성들을 매핑하고, 3) 저장소 조건들에서 저장소 유체들의 실제 점도 및 밀도를 보다 정확하게 결정하며, 4) 별개의 상 밀도들 및 점도들을 결정하고 다상 유동에서 센서에 존재하는 순간 상의 시계열을 결정하는데 사용되며, 이로부터 유동 레짐, 각 상의 유동 구조들의 형상들 및 크기들, 및 각 단계의 부피 유량율들이 보다 정확하게 추론될 수 있음을 인식했다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 디바이스는 지하 유정에서 원하는 깊이에 센서를 위치시키기 위한 플랫폼, 전기 기계 공진기, 전기 기계 공진기를 주파수 정의 요소로서 통합하는 발진기 회로, 및 발진기 회로의 발진 주파수(또는 주기)를 측정하고 발진 감쇠를 측정하는 마이크로 제어기를 포함한다. 상기한 실시 예는 공진기와 별개인 발진기 회로를 갖고 전기 기계 공진기의 공진 주파수가 찾아질 때까지 동조되어야 하는 종래 장치들과는 대조적으로, 전기 기계 공진기가 발진기 회로의 공진 주파수를 정의한다는 점에서 종래 기술의 접근법들에서 벗어난다. 실시 예는 또한 발진의 감쇠 또는 기타 에너지 손실 파라미터가 공진기와 접촉하는 유체에 의해 야기되는 에너지 손실 또는 감쇠를 결정하기 위해 직접 측정된다는 점에서 상이하다.

발진기 회로는 통상적으로 증폭기의 출력으로부터 증폭기의 입력으로의 적어도 하나의 피드백 경로를 갖는 증폭기를 포함한다. 주파수 정의 요소(이를테면 수정 결정)는 통상적으로 주파수 정의 요소의 공진 주파수에서 지속적인 발진을 유발하는 방식으로 하나의 그러한 피드백 경로를 따라 포함된다. 이러한 지속적인 발진은 주파수 정의 요소 및 증폭기를 포함하는 루프 주변의 총 위상 편이가 360도 또는 그 배수이고 주파수 정의 요소 및 증폭기를 포함하는 루프 주변의 이득이 1 이상일 때 생성된다.

본 발명자들은 발진의 주파수를 결정하는 주 요소로서 발진기 회로 내에 전기 기계 공진기를 포함하는 회로 배열이 첫째, 발진기 회로가 필요한 공진 주파수에서 발진을 시작할 때 공진기의 공진 주파수를 찾기 위해 다수의 주파수를 탐색할 필요가 없다는 것을 포함하여 종래 기술의 방법들에 비해 실질적인 이점들을 제공한다는 것을 인식했다. 이는 본 발명의 방법을 사용하는 측정을 종래의 방법들보다 훨씬 더 빠르게 만든다. 둘째, 측정을 실현하는데 필요한 회로의 총량과 복잡성이 크게 줄어든다. 셋째, 정밀한 주파수 분해능으로 정확하게 제어되는 주파수들을 생성할 수 있는 정밀 발진기가 필요하지 않다; 본 발명의 회로는 단순히 원하는 주파수에서 발진하고, 이러한 주파수는 많은 소형 마이크로 제어기에서 이미 이용 가능한 디바이스인 단순한 결정-기반의 타이머(crystal-based timer)로 측정할 수 있다. 넷째, 공진기를 주파수 정의 요소로서 발진기 회로에 통합하면 상당한 에너지가 공진기에 저장되어 주변 유체로 인한 감쇠를 측정하기 위한 강력한 신호를 제공한다. 그에 반해, 임펄스 또는 스텝 함수로 공진기를 구동하여 그것의 공진 주파수 및 감쇠를 관찰하면 임펄스 또는 스텝 함수의 에너지 중 작은 부분만이 공진기의 공진 주파수 대역 내에 있기 때문에 훨씬 더 작은 신호를 생성한다. 다섯째, 특히, 공진기를 발진기 회로에 있는 증폭기의 피드백 루프에 통합하면 동일한 증폭기를 이용하여 감쇠 측정 동안 센서 신호를 증폭할 수 있는 효율적인 회로 설계 기회를 제공한다.

감쇠가 측정될 수 있는 다양한 방법이 있다. 일 실시 예에서, 감쇠는 발진폭이 감소하고 진폭 감쇠율이 측정될 수 있도록 공진기를 전기적으로 구동하는 것을 잠시 중단함으로써 결정된다. 예를 들어, 이는 도 1에 도시되고 보다 상세하게 후술될 바와 같이, NAND-게이트 기반 발진기 회로를 사용하여 달성될 수 있다. 발진폭을 제공하고 그 다음 이를 디지털화하며 지수 감쇠 곡선에 피팅하여 감쇠 계수를 결정하는데에는 엔벨로프 검출기 회로가 채용될 수 있다. 대안적으로, 두 개의 전압 비교기 및 타이머를 사용하여 두 기준 전압 레벨 사이에서 엔벨로프가 감쇠하는데 걸리는 시간을 결정할 수 있으고 이 시간을 사용하여 감쇠 계수를 결정할 수 있다. 대안적으로, 폐루프에서 전술된 증폭기의 이득을 설정하는 자동 이득 조정 회로를 사용함으로써 일정한 발진폭이 유지될 수 있다. 이러한 대안적인 측정 기술에서는, 감쇠 시간을 측정하기 위해 발진을 멈출 필요가 없다; 대신, 일정한 진폭을 유지하는데 필요한 이득의 양을 사용하여 전기 기계 공진기를 둘러싸는 유체로 인한 감쇠 계수를 결정할 수 있다. 자동 이득 제어 증폭기의 이득은 그것의 이득을 제어하는 이득 조정 신호를 디지털화하고 이득 조정 신호를 증폭기가 생성하는 이득의 양과 관련시키는 사전 캘리브레이션 측정을 사용함으로써 결정될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 센서는 유체와 접촉하고 센서가 유체와 상호 작용할 때, 디바이스의 발진 모션을 시간의 함수로서 구동하고 검출하는 회로의 구성요소인 전자 기계 디바이스를 포함할 수 있다. 전기 기계 디바이스의 모션은 유체의 영향을 받고 유체 점도 및 밀도와 전기 기계 공진기의 공진 주파수 및 감쇠 사이에 직접 정량적 관계가 설정된다. 대안적으로, 유체 점도 및 밀도가 온도 및 압력의 잘 알려져 있는 함수들(예를 들어, 메탄)인 경우, 유체의 온도 및 압력을 이용하여 주파수와 감쇠 사이의 직접적인 관계가 설정되어, 실시간으로 이러한 상태와 관련된 그것의 열역학적 상태 및 기타 속성들(끓는점, 이슬점, GOR 등)을 알 수 있게 한다.

특히, 압전 소리굽쇠가 전기 기계 발진 디바이스로서 사용될 수 있다. 적합한 압전 소리굽쇠의 일례는 Bennett 등의 미국 특허 번호 7,562,557에 설명되어 있으며, 이는 그 전체가 여기에 참고로 통합된다. 그러나, 본 발명은 발진기 자체의 일부로서 발진기 회로에 통합될 수 있는 한 특정 공진기 요소로 제한되지 않는다. 2 단자 디바이스인 소리굽쇠의 기계적 속성들은 Butterworth-Van Dyke 모델(도 7에 도시됨)에 의해 각각 디바이스의 기계적 감쇠, 질량 및 컴플라이언스를 나타내는 직렬 저항(R), 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C) 회로(RLC 회로)로서 설명될 수 있으며 디바이스의 전기적 커패시턴스를 나타내는 병렬 커패시턴스(C0)가 디바이스를 둘러싸는 유전체 매질로 인한 커패시턴스와 전기적 리드들 사이의 임의의 표유 커패시턴스를 포함하여, 디바이스의 전극들 사이의 커패시턴스를 포함한다. 이러한 모델은 공진 시스템을 나타내고 압전 작용을 통해 기계적와 전기적 도메인 사이의 직접적인 관계를 설정한다. C0가 C보다 훨씬 더 클 때, 고감쇠 공진기(이를테면 점성 액체 상태의 공진기)를 발진시키기는 어려워진다. 따라서, 바람직한 공진기 설계는 C0를 C에 비해 최소화하는 압전 재료, 형상 및 치수들의 선택을 이용한다. 또한 바람직한 공진기는 액체 상태에 있을 때, 예를 들어, 액체와의 접촉 면적을 감소시킴으로써 공진의 높은 Q 인자(품질 인자)를 유지한다. 또한, 인덕터(또는 인덕터의 동작을 시뮬레이션하는 회로)를 공진기와 병렬 또는 직렬로 배치하여 공진 주파수 부근에서 C0의 동작을 무효화할 수 있으며, 그에 따라 소리굽쇠가 고점성 액체 상태에 있을 때 발진기 회로가 공진하기 더 쉽게 한다. 대안적으로, 압전 발진기의 기생 커패시턴스와 동일하거나 매우 유사한 커패시턴스를 갖는 기준 커패시터를 차동 측정 방식에 사용할 수 있다(도 13). 이러한 기술에서 동일한 입력 신호들이 압전 공진기 및 기준 커패시터에 공급되고, 그것들의 출력들은 기생 커패시턴스 기여를 상쇄하기 위해 서로에서 감산된다. 전기 기계 응답 신호가 기생 신호에 비해 매우 작을 때에도, 감산 및 증폭은 고감쇠 환경에서도 발진을 가능하게 할 수 있다. 감산에는 차동 증폭기가 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 기준 커패시터는 소리굽쇠들이 에폭시에 의해 클램핑 또는 홀딩되는 제2 소리굽쇠일 수 있다. 이를 통해 관심 주파수들 주변의 기준 커패시터의 압전(전기 기계) 응답이 크게 기여하지 않고 기생 커패시턴스만 크게 기여할 수 있다. 소리굽쇠 형상을 갖지 않고; 그에 따라, 소리굽쇠의 공진 주파수 주변에 어떠한 공진 주파수도 없는 전기 기계 공진기와 동일한 기하학적 구조로 동일한 유형의 압전 기판상에 전극들을 패터닝함으로써 거의 동일한 커패시터를 만들 수 있다.

다른 실시 예에서, 전기 기계 공진기의 구동 및 감지 기능들은 분리될 수 있다. 이는 전기적, 자기적, 기계적 및 광학적 도메인들 사이의 다양한 변환 조합을 사용하는 것과 같이 구동 및 감지를 위한 다양한 물리적 효과를 사용하여 이루어질 수 있다. 또는, 구동 및 감지에 동일한 변환 방법을 사용하는 경우, 구동 및 감지 영역들을 공간적으로 분리함으로써 분리가 이루어질 수도 있다. 사용된 변환에 따라 필요한 분리 길이는 상이할 수 있다. 압전 소리굽쇠의 구체 예에서, 그것은 여러 수단에 의해 그것의 공진 상태로 구동될 수 있고 그 결과 피에조 재료의 기계적 변형이 패터닝된 전극들을 통해 출력되는 전압으로서 감지될 수 있다. 이러한 방법은 기생 커패시턴스 및 입력 신호의 출력과의 직접 전기 신호 결합을 최소화한다. 가장 간단한 형태로, 소리굽쇠는 전단 피에조 변환기와 같은 기계식 쉐이커에 견고하게 장착될 수 있다. 소리굽쇠의 공진 주파수에서 전단 피에조에 전기 신호를 인가하면, 전단 피에조의 모션이 소리굽쇠에 기계적으로 결합되고 소리굽쇠의 공진 모드가 여기될 수 있다. 소리굽쇠가 변형될 때, 그것은 소리굽쇠상에 패터닝된 전극들 사이의 전압 차이로서 알게 될 수 있는 그것의 압전 결정을 따라 공간 전하 분포를 생성한다. 원하는 공진 주파수에 대한 초기 모션의 결합 효율은 전단 피에조의 모션 방향과 두 바디 사이의 접합 강성에 대한 소리굽쇠의 방향에 따른다. 예를 들어, 전체 소리굽쇠 바디의 기본 캔틸레버 모드를 여기하지 않고 소리굽쇠의 시저링 모드를 여기하려면, 전단 모션 방향이 도 10a 내지 도 10d에 도시된 바와 같이 시저링 모션 방향과 직교해야 한다. 대안적으로, 전극들은 도 11a 내지 도 11c에서와 같이 멀리 있는 전극들에 의해 구동 및 감지가 수행될 수 있도록 소리굽쇠상에 패터닝될 수 있다. 이러한 세 개의 전극 방식에서, 입력과 출력 포트들 사이의 기생커패시턴스는 유사한 기하학적 구조를 갖는 2 단자 디바이스의 기생 커패시턴스보다 몇 자릿수 더 작을 수 있다. 제조 복잡성을 포함함으로써, 제2 전극 집합이 소리굽쇠의 후면상에 패터닝될 수 있다. 전면 전극들은 구동에 사용될 수 있고 후면 전극들은 감지에 사용될 수 있다. 이 경우, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이 전기 기계 변환 효율들이 더 증가될 수 있다.

그러한 회로의 동작의 일 양태에 따르면, 공진기는 발진기 회로에 통합되며, 그 다음 켜진다. 발진기 회로는 도 1 및 도 3의 회로들을 포함할 수 있으며, 이에 대해서는 보다 상세하게 후술된다. 회로로부터의 지속적인 피드백 메커니즘을 통해, 소리굽쇠는 환경으로부터의 감쇠를 극복하고 최대 진폭에 도달할 때까지 성장하는 그것의 모션의 작은 변동들로부터 그것의 발진을 시작한다. 이 시점에서, 피드백 메커니즘이 꺼지고 환경 감쇠로 인해 공진기의 발진이 감쇠된다. 이러한 과정은 지속적으로 반복되고 각 스위칭 사이클에서 발진의 주파수 및 감쇠 시간이 획득된다.

발진 감쇠를 설명하는 모델은 감쇠되는 비구동 고조파 발진기의 모델이며, 이의 발진 속도(압전 효과에 의해 생성되는 전류에 비례)에 대한 솔루션이 다음과 같이 제공된다:

,

여기서 φ는 발진의 위상이고, 감쇠 시간 상수 τ는 유체에 의한 감쇠와 관련되며 주파수 ω는 공진기에 의해 끌어 당겨지는 추가된 유체 질량을 포함하는 공진기의 유효 질량과 관련된다. 이러한 양들은 다음에 의해 발진기의 품질 인자 Q와 관련된다

그리고

,

액체 환경에서, Q는 10 정도와 같이 매우 작아진다. 상기한 방정식을 사용하여 추정되는 고유 주파수 ω₀(수십 킬로헤르츠 단위, 즉 3 x 10⁴ KHz)에 대해, 약 1 밀리초의 시간 상수가 획득되어, 유체의 속성들에 대한 매우 빠른 측정 및 "실시간" 정보가 계산되고 생성 유정 내 그러한 회로로부터 수신되는 유체 특성 데이터를 처리하도록 해당 기계들을 구성하기 위한 코드를 실행하거나 그 외 구현하는 하드웨어-프로세서 기반 기계들과 같은 하류 시스템들에 보고될 수 있게 한다.

다양한 발진기 회로는 전기 기계 공진기 센서와 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 발진기 회로는 측정치들이 획득되어야 하는 모든 환경에 대해 발진할 수 있어야 한다. 액체 환경들에 대해서는, 공진기의 Q(즉, 품질 인자)가 작고(예를 들어, 10 정도) 일부 발진기 회로는 발진을 지속하기에 충분한 증폭을 제공하지 않을 수 있다. 그러한 경우들에서, 추가 증폭이 채용될 수 있다. 예를 들어, 버퍼링되지 않는 로직 게이트가 손실 환경들에서 발진을 지속하기에 충분한 증폭을 제공할 수 없는 경우, 버퍼링되는 로직 게이트 또는 직렬로 연결된 다수의 로직 게이트로 대체하여 발진에 필요한 추가 증폭을 제공할 수 있다. 일부 경우에서, 점성이 있는 유체로 인해 공진기의 Q 인자가 작을 때, 그것은 발진기 회로가 발진하기에 충분한 위상 편이를 생성하지 못할 수 있다. 이 경우, 리액턴스와 같은 추가 임피던스를 공진기와 병렬 및/또는 직렬로 추가하여 추가 위상 편이를 제공할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 임피던스 Zp는 공진기 X와 병렬로 추가되고, 임피던스 Zs는 공진기 X와 직렬로 추가된다. 도 1 및 도 3에 결선도 기호로 도시된"센서"는 회로가 관심 유체에서 발진하게 하기 위해 공진기에 추가되어야 하는 전기 기계 공진기 및 병렬 및/또는 직렬 임피던스 양자를 포함하는 것으로 이해될 것이다. 통상의 기술자들은 임피던스가 하나 이상의 저항기, 커패시터 및 인덕터의 네트워크들로서 또는 이러한 네트워크들의 전류-전압 관계들을 에뮬레이션하는 능동 회로들로서 추가될 수 있음을 인식할 것이다. 능동 회로들은 "음의 저항기"와 같은 수동 구성요소들로는 생성될 수 없는 전류-전압 관계들을 생성할 수 있으므로 특정 이점들을 갖는다. 작은 능동 회로들은 또한 큰 인덕터를 에뮬레이션할 때와 같이, 대응하는 수동 구성요소가 훨씬 더 큰 관계들을 에뮬레이션할 수 있다. 일 실시 예에서, 도 1에 도시된 회로에서, "센서"는 회로가 더 높은 점도들을 갖는 유체에서 작동할 수 있도록 공진기와 직렬로 연결되는 인덕터로 구성된다.

일 실시 예에서, 본 발명과 관련하여 사용하기에 적합한 발진기 회로는 발진의 감쇠를 관찰할 수 있도록 전기 기계 공진기의 구동을 중지시키는 수단을 포함한다. 예를 들어, 전기 기계 디바이스를 포함하는 피드백 루프가 개방되거나 발진기 회로의 기타 회로 구성요소들이 개방, 단락되거나 또는 그 외 변경되어 공진기가 구동 상태에서 비구동 상태로 변경될 수 있다. 발진기 회로의 회로 또는 별도의 회로는 발진 주파수를 측정하는 수단 및 발진의 감쇠율을 측정하는 수단을 포함할 수 있다. 그러한 두 개의 실시 예가 후술된다.

도 1을 참조하면, 회로(100)는 후술될 바와 같이 증폭기로서 구성되는 NAND 로직 게이트(102), 저항기들(104 및 106), 및 양자 모두 회로의 발진을 정의하기 위해 발진기 회로의 일부를 형성하고 유체와 직접 접촉하도록 구성되는 전기 기계 공진기를 포함하는 "센서"(112) 주위에 연결되는 캐패시터들(108 및 110)을 포함하여, 공진기 거동에 미치는 유체의 영향이 측정되어 유체의 특성들을 결정할 수 있게 된다. 발진기 회로(100)의 이득은 NAND 로직 게이트(U1)(102)에 의해 제공된다, 즉, NAND/로직 게이트는 회로를 위한 증폭기로서 기능한다. 발진기는 온/오프* 입력에서 논리적 로우 레벨에 의해 비활성화되고 온/오프* 입력에서 논리적 하이 레벨에 의해 활성화된다. 이러한 입력은 예를 들어, 발진기 회로가 구동 모드인지 또는 비구동 모드인지를 제어하기 위해, 마이크로 제어기의 디지털 출력에 의해 공급될 수 있다. 진동 이후, 비구동 모드는 감쇠 데이터를 수집하고 이를테면 위에서 언급된 공식들 또는 감쇠 데이터로부터 이익을 얻는 다른 방정식들을 사용하여 유체 특성들을 결정하는데 적합하다. 회로의 "타이머로" 출력은 발진 주파수의 구형파를 갖는다. 이러한 출력은 예를 들어, 마이크로 제어기의 타이머 입력에 제공될 수 있어 발진 주파수가 마이크로 제어기의 타이머 시스템에 의해 정확하게 측정될 수 있게 한다. 회로의 "ADC로" 출력은 요구되는 경우, 감쇠 발진을 샘플링하고 감쇠를 결정하기 위해 아날로그-디지털 컨버터에 제공될 수 있다.

도 2는 회로(100)로부터의 두 개의 파형(202 및 204)을 포함하는 출력 그래프(200)를 도시한다. 온/오프* 입력이 하이일 때(206), 발진이 시작되어, 종내에는 파형(202)에서 볼 수 있는 바와 같이 안정된 진폭에 도달한다. 그 다음 온/오프* 입력이 로우로 갈 때(208)(도 2의 도표에서 시간 = 0초), NAND 게이트가 비활성화되고, 파형(204)에 도시된 바와 같이 진동이 감쇠한다. ADC로 출력에서의 파형은 202, 204에 도시된다. 도 2에 도시된 이러한 데이터는 진공 상태에서 센서로 측정하였다. 발진을 시작하는 시간과 감쇠 시간은 센서가 액체 상태에 있을 때 훨씬 빠르다. 어떤 경우든, 기준 액체 및 미리 규정된 온도 및 압력에서 전자 기계 디바이스의 감쇠율이 주어진 센서(112)를 캘리브레이션하는 것과 같은 벤치마킹 목적들로 획득될 수 있다.

도 3은 회로(300)가 제공되는 다른 실시 예를 도시한다. 회로(300)는 아날로그 스위치(302), 연산 증폭기(304), 저항기들(306, 308 및 310) 및 다이오드들(312 및 314)을 포함한다. 다시, 핵심적인 부분으로, 회로(300)는 양자 모두 회로의 발진 주파수를 정의하기 위해 발진기 회로의 일부를 형성하고 유체와 직접 접촉하도록 구성되는 전기 기계 공진기를 포함하는 "센서"(316)를 포함하여, 공진기 거동에 미치는 유체의 영향이 측정되어 유체의 특성들을 결정할 수 있게 된다. 발진기 회로(300)의 이득은 연산 증폭기(op amp)(U2)(304)에 의해 제공된다. 온/오프* 입력이 논리적 로우 레벨에 있을 때, 아날로그 스위치(U3)(302)가 개방되고 발진이 구동되지 않는다(즉, 감쇠한다). 이러한 모드에서, op amp(304)는 전류-전압 컨버터로 기능하여, 센서로부터의 감쇠 전류 진동에 비례하는 전압을 ADC로 출력에 제공한다. 온/오프* 입력이 논리적 하이 레벨에 있을 때, 아날로그 스위치(U3)(302)는 폐쇄되고 양의 피드백이 센서의 공진 주파수에서 지속적인 발진을 일으킬 수 있게 한다. 온/오프* 입력은 마이크로 제어기의 디지털 출력에 의해 공급될 수 있다. 회로의 "ADC로" 출력은 지속적인 감쇠 발진을 샘플링하고 프로세서가 발진 주파수 및 감쇠 시간을 결정할 수 있게 하는 아날로그-디지털 컨버터에 제공될 수 있다. 다이오드들(312 및 314)(D1 및 D2)은 op amp 출력이 포화 상태로 구동되는 것을 방지한다. 이러한 다이오드들이 없으면, op amp가 포화 상태를 벗어나는데 걸리는 시간으로 인해 발진 주파수가 감소할 것이다.

다른 실시 예에서, 감쇠는 발진을 일정한 진폭으로 유지하기 위해 공진기와 직렬 또는 병렬로 추가되어야 하는 음의 저항의 양에 기초하여 결정된다(예를 들어,도 3의 회로가 이러한 동작을 실현하도록 변형될 수 있으며, 여기서 저항기(308) -- 음의 저항을 정의하는 -- 는 N-채널 향상 모드 MOSFET과 같은 가변 저항 디바이스로 대체되고, MOSFET의 게이트 전압(동작의 선형 영역에서 드레인-소스 저항을 결정)이 증폭기 출력의 진폭을 일정하게 유지하도록 조정된다. 도 3은 그에 따라 연산 증폭기를 사용하는 발진기의 회로를 도시한다. MOSFET이 공급하고 있는 저항, 그리고 그에 따라 발진폭을 일정하게 유지하는데 필요한 음의 저항은 MOSFET의 게이트 전압을 샘플링함으로써 결정할 수 있다). 다른 실시 예에서, 감쇠는 발진을 일정한 진폭으로 유지하기 위해 공진기에 추가되어야 하는 전력의 양에 기초하여 결정된다. 다른 실시 예에서, 감쇠는 발진을 일정한 진폭으로 유지하기 위해 발진기 회로 내에 공진기를 포함하는 피드백 루프에 적용되어야 하는 이득의 양에 기초하여 결정된다.

센서를 생성 유정의 원하는 위치 또는 위치 집합으로 전달할 수 있는 적합한 플랫폼들에는 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 알려져 있는 바와 같은 유선 도구들, 2016년 4월 29일에 출원된 METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING MEASUREMENTS OF DOWNHOLE PROPERTIES IN A SUBTERRANEAN WELL이라는 명칭의 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 15/143,128(이는 여기에 전체가 명시된 것처럼 참고로 통합된다)에 설명된 바와 같은 언테더드 센서들(untethered sensors), 또는 유정 내에 영구적으로 배치된 센서들의 네트워크의 상이한 깊이들의 네트워크 노드들이 포함된다. 디바이스의 구조는 디바이스가 작은 패키지에 맞도록 만들어질 수 있고(예를 들어, 공진기 및 회로가 1cc 미만의 부피에 맞을 수 있다), 적은 전력(예를 들어, 측정마다 대략 1 마이크로 줄)을 소비할 수 있음에 따라 특히 원격의 다운홀 동작들에 유용하하게 만든다.

일 실시 예에서, 도 3의 회로는 자동 이득 제어를 구현하기 위해 도 8에 도시된 바와 같이 변형된다. 연산 증폭기의 비반전 입력에서 볼 수 있는 음의 저항을 설정하는 저항기(도 3의 308)는 MOSFET에 공급되는 게이트 전압이 이득 제어 전압 이고 연산 증폭기 출력의 발진에 적용되는 엔벨로프 검출기의 출력인 N-형 향상 모드 MOSFET으로 대체될 수 있다. 그에 따라, MOSFET 게이트는 발진폭에 따르는 전압을 얻는다. 발진폭이 감소하면, 게이트 전압이 감소할 것이다. 이는 MOSFET의 드레인-소스 저항을 증가시켜 공진기에 추가되는 음의 저항을 증가시키고 발진폭을 증가시킬 것이다. 발진폭이 증가하면, 게이트 전압은 증가할 것이다. 이는 MOSFET의 드레인-소스 저항을 감소시켜, 공진기에 추가되는 음의 저항을 감소시키고 발진폭을 감소시킬 것이다. 그에 따라, 진동의 진폭은 그러한 배열의 회로를 사용하여 일정한 레벨로 유지될 것이다. 일정한 진폭의 발진을 유지하는데 필요한 음의 저항은 MOSFET의 드레인-소스 저항을 게이트 전압의 함수로서 제공하는 캘리브레이션 곡선과 조합되어 MOSFET에 적용되는 게이트 전압을 측정함으로써 결정될 수 있다. 이와 관련하여, 하드웨어 프로세서는 측정된 게이트 전압에 기초하여 캘리브레이션 곡선(또는 캘리브레이션 곡선을 나타내는 함수)으로부터 저항을 식별하기 위해 그 안에서 코드를 실행하거나 그 외 구현할 수 있다.

일 실시 예에서, 회로는 대안적으로 발진이 초기에 설정되고 적어도 잠시 유지되도록 공진기를 구동한 다음, 감쇠 측정이 이루어지거나 또는 다른 방법으로 완료될 수 있도록 발진이 감쇠할 수 있게 되도록 공진기 구동을 중단하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 도 1의 회로를 사용하여) . 다른 실시 예에서는, 회로의 이득이 일정한 발진폭을 유지하도록 조정되고 필요한 이득의 양은 감쇠량의 지표로서 측정된다. 이는 감쇠가 클수록 일정한 발진을 유지하는데 더 큰 이득이 필요하기 때문이다. 다른 실시 예에서, 회로는 공진기에 연결된 "음의 저항기"를 시뮬레이션하도록 구성된다. 음의 저항의 양은 일정한 진폭의 발진을 유지하도록 자동으로 조정되고, 필요한 음의 저항의 양은 감쇠의 지표로서 측정된다. 이는 공진기 내부의 (양의) 저항으로서 생각될 수 있는 더 큰 감쇠 에너지 손실을 상쇄하기 위해 더 큰 음의 저항이 필요하기 때문에 채용될 수 있다.

일 실시 예에서, 가변 저항기 회로는 도 8에 도시된 바와 같을 수 있으며, 여기서 조정 가능한 저항기는 실제로 MOSFET의 드레인-소스 저항(R_DS, drain-source resistance)이며, 이는 MOSFET의 게이트 전압에 의해 조정된다. MOSFET의 게이트 전압은 이러한 실시 예에서 증폭기 출력의 엔벨로프 검출기에 의해 생성되어, 진폭 출력이 클수록 게이트-소스 전압이 커지고 그에 따라 R_DS는 작아 져 R_DS가 공진기의 감쇠를 상쇄하는데 적격이 될 때까지 발진폭이 감소한다. R_DS의 값 그리고 그에 따라 공진기의 감쇠량과 관련될 수 있는 게이트 전압은 마이크로 제어기의 A/D 컨버터에 의해 샘플링된다(예를 들어, 방금 설명된 값들을 관련시키는 마이크로 제어기 내에서 실행되는 코드를 사용하여). 발진 주파수 또한 마이크로 제어기로 측정될 수 있다. 이러한 측정치 및 R_DS의 값으로부터, 비구동 감쇠 발진이 갖는 주파수가 계산될 수 있다.

일 실시 예에서, 유정 보어를 따라 다수의 위치에 존재하는 모든 유체의 밀도 및 점도에 더하여 온도 및 압력을 또한 측정할 수 있는 시스템 및 방법이 제공된다. 온도 및 압력 측정은 시판되는 온도(예를 들어, RTD) 센서들 및 압력 변환기들을 포함하여 구현된다. 그것들의 판독치들은 온도 및 압력 데이터가 밀도 및 점도와 함께 레코딩 또는 송신될 수 있도록 디바이스의 마이크로 제어기와 인터페이싱하는 아날로그-디지털 컨버터에 의해 측정된다.

점도는 PVT 도표들에 그려지지 않았지만, 특정 상태 변화, 끓는점, 이슬점 등이 발생한 때의 지표로서 사용될 수 있다. 언테더드 센서 볼(이를테면 예를 들어, 상술된 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 15/143,128에 설명된 것과 같은 것)은 표면과 임의의 주어지는 저장소 깊이 사이의 모든 압력 및 온도에서 유체 속성들을 측정하기위한 저렴한 솔루션을 제공한다. 본 발명의 디바이스, 방법들 및 시스템은 표면으로부터 선택된 저장소 깊이까지 유정 아래로 내려가면서 접하는 모든 유체상의 온도, 압력 및 밀도 및 점도를 측정함으로써, 가장 중요한 압력 - 온도 궤적을 따라 생성되는, 즉, 유정에서 발견되는 유체들에 대한 점도 및 위상 도표 정보를 재구성할 수 있다.

각 상의 점도 및 밀도를 아는 것은 유동 레짐을 결정하고 상 유량율들의 정확도를 개선하는데 도움이 될 수 있는 것으로 인식된다. 빠른 샘플링율로 점도 및 밀도를 측정할 수 있는 기능은 다상 유동에 어느 상이 존재하는지를 순간적으로 보여주어, 센서 위치에서 상의 시계열을 제공한다. 이러한 시계열은 각 상계의 풍부도뿐만 아니라 각 상의 유동 구조들의 크기 및 형상 그리고 그에 따라 유동 레짐을 결정하는데 사용될 수 있다. 첫 번째 시계열 하류 쪽의 두 번째 시계열은 첫 번째 시계열과 상관되어 개별 유체 패키지가 센서들 사이를 이동하는데 걸린 시간을 결정하여, 상 유량율들을 보다 정확하게 측정할 수 있다.

상술된 바와 같이, 발진기 회로는 공진기의 공진 주파수가 발진기 회로의 발진 주파수를 정의하도록 회로의 피드백 루프 내에 배치되는 전기 기계 공진기를 통합한다. 공진기는 회로의 발진 주파수를 정의하는 것 외에, 또한 측정될 유체와 접촉한다. 이러한 배열은 공진기가 그것을 구동하는 발진기 회로와 별개인 다른 시스템들에 비해 공진 주파수를 훨씬 더 빠르게 결정할 수 있게 한다. 그에 따라, 여기에 개시된 배열은 측정 속도를 증가시킬 수 있다. 측정 속도 증가는 여러 측면에서 유익하다. 예를 들어, 생성 유정에는 보통 여러 유체가 유정으로 유입된다. 측정 속도가 증가하면 측정 횟수가 증가하여 생성 유정에서 다수의 유체 유형을 구별하고 각 유체 유형에 대한 정확한 점도를 결정할 수 있다. 그에 반해, 측정 속도가 느린 시스템들은 측정 시간 동안 센서가 둘 이상의 유체 유형에 있을 수 있으므로 덜 정확한 결과들을 제공한다.

또한, 여기에 설명된 시스템 및 방법의 속도 증가는 생성 유정의 다상 유동에서 개별 유체들이 분리될 수 있게 한다. 그에 반해, 느린 센서들은 측정 시간 동안 접하는 다양한 유체에 대해 유체 속성들을 모호하게 만들 것이다. 감지 속도가 증가하면 다상 유동의 조성 및 구조를 결정할 수 있다. 다시, 센서의 속도 증가는 다운홀 유체에서 별개의 유체상들을 감지하고 인식할 수 있는 측정을 다수 빠르게 하는 한편 다른 센서들은 데이터를 별개의 유체상들을 인식하는데 필요한 만큼 세분화하기에 충분히 빠르게 반응하지 못한다. 생성 유정에서, 센서는 오일, 기체 및 염수 기포를 빠르게 지나면서 수 밀리초마다 상이한 유체 유형이 될 수 있다.

비제한적인 일례에 따르면, 일 실시 예는 실험실 조건들에서 테스트하였다. 도 4를 참조하면, 시스템은 전기 기계 공진기(즉, 유선 소리굽쇠 발진기)로서 소리굽쇠(400)를 포함한다. 소리굽쇠의 전체 특성화는 시뮬레이션된 다운홀 압력 및 온도하에서 수행하였다. 상기 디바이스는 임피던스의 직접 주파수 응답 측정뿐만 아니라 락인 증폭 기술을사용하여 압전 작동 및 감지되었다. 공진 피크들을 획득하고 피크 폭, 진폭 및 공진 주파수를 피팅 파라미터들로서 피팅하였다. 피크 폭 및 주파수는 감쇠를 추출하고 유체에 발진기의 질량을 추가할 수 있다. 테스트 유체의 점도 및 밀도로 공진 응답을 캘리브레이션하기 위한 유체 역학 모델을 개발하였다. 이를 위해, 센서를 상이한 유체들(공기, 물, 미네랄 오일, 유압 오일)에서 활성화하였고 캘리브레이션 파라미터들을 획득하였다. 이후 상기 디바이스는 다운홀 조건들을 시뮬레이션하기 위해 상이한 압력 및 온도 조건들에서 테스트하였다(도 5 및 도면 6 참조). 보다 구체적으로, 도 5는 고압 및 고온에서 ISO 15 유압 오일의 측정된 점도에 대한 결과들을 도시하고, 도 6은 고압 및 고온에서 ISO 15 유압 오일의 측정된 밀도에 대한 결과들을 도시한다.

상기 디바이스는 관심 범위들(50 cP까지)에서 점도를 측정하는데 적합한 것으로 확인되었다.

압전 전기 기계 공진기들의 한 가지 문제는 기계적 응답에서 전기적 응답을 분리하는 것이다. 피에조 재료에 증착된 두 전극 사이에 전위가 가해질 때, 재료는 전기장으로 인해 기계적 변화를 겪는다. 공진기의 역학은 RLC 회로와 유사하게 보여질 수 있다. 도 14는 Lt가 공진기의 기계적 관성을 나타내는 유효 인덕턴스이고, Ct는 기계적 스프링 상수를 나타내는 유효 커패시턴스이며, Rt는 기계적 감쇠감쇠를 나타내는 유효 저항인 유사한 공진기 회로를 도시한다. 그러나, 공진기의 두 전극도 전기적 커패시터를 형성하므로, 유사한 공진기 회로가 공진기를 정확하게 모델링하기 위해 전기적 결합도 고려해야 한다. 예를 들어, Cp는 이 배열에서 기생 커패시턴스이며, 이는 압전 결정을 통한 유효 커패시턴스이다. Cd는 유전체 코팅을 통한 커패시턴스이고, Cm은 공진기가 사용될 것으로 의도되는 유체 매질을 통한 커패시턴스이다. 또한, Rd 및 Rm은 각각 유전체 및 매질의 유효 저항들이다.

도 15a 및 도 15b는 추가 커패시턴스들을 고려하지 않을 때 출력 전류의 진폭(도 15a) 및 위상 편이(도 15b)의 관점에서 이상적인 공진을 나타낸다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 공진시, 위상 편이는 제로이다, 즉, 어떠한 위상 편이 지연도 관찰되지 않는다. 그러나, 기생 및 기타 커패시턴스들을 고려할 때, 공진시 90도 위상 편이가 발생하고, 출력 전류는 기계 시스템 및 기생 커패시턴스로 인한 전류들의 합이다. 특히 기계적 감쇠가 클 때(즉, 액체 상태에 있을 때), 기생 커패시터를 통과하는 전류가 지배적이고 공진 거동은 구별할 수 없게 된다.

도 15c 및 도 15d는 기생 커패시턴스들(도 14의 Cp, Cm, Cd)의 효과를 낮고 높은 감쇠 사례들(즉, 작고 큰 Rt)에서 도시한다. 특히 폐루프 시스템이 사용될 때, 위상차가 제로인 분명한 공진 피크를 획득하는 것이 중요하다. 도 15c 및 도 15d에 도시된 바와 같이, 기생 커패시턴스 및 높은 감쇠가 지배적일 때, 공진 거동이 사라지고 위상 영교차가 발생하지 않는다.

차동 회로는 도 13에 도시된 바와 같이 기생 커패시턴스의 효과를 제거하는데 도움이 될 수 있다. 차동 회로(1300)는 소리굽쇠 공진기(1302) 및 기준 커패시터(1304)를 포함한다. 공진기(1302)의 전기 출력은 차동 증폭기(1306)의 제1 입력으로 공급되고, 기준 커패시터의 전기 출력은 차동 증폭기(1306)의 제2 입력으로 공급된다. 그에 따라 차동 증폭기의 출력은 공진기(1302)의 출력과 기준 커패시터(1304) 사이의 차이에 비례한다. 차동 회로(1300)로부터의 큰 출력은 공진기와 기준 커패시터 사이의 큰 출력 차이를 의미한다. 그 다음 이러한 신호는 공진기(1302)와 기준 커패시터(1306) 사이의 커패시턴스들의 차이들을 결정하고 보상하는데 사용될 수 있다.

그러나, 차동 회로 방법은 기생 커패시턴스에 대한 총 기여도가 유체 매질의 유전율에 따르는 응용 분야들에는 적합하지 않다. 도 16a 및 도 16b는 차동 출력의 경우 가변 기생 커패시턴스 및 감쇠를 갖는 공진기의 예시적인 주파수 응답을 도시한다. Cm2는 기준의 기생 매질 커패시턴스를 나타낸다. 공진기의 기생 매질 커패시턴스는 5pF로서 정의된다. 도시된 바와 같이, 공진기 커패시턴스가 매질 커패시턴스(5pF)와 상이할 때, 결과 전류 출력은 공진 주파수에서 피크를 나타내지 않거나 공진 주파수에서 위상 편이가 제로가 되지 않는다. 공진기 커패시턴스가 5pF와 같을 때, 공진 피크 및 제로 위상 편이가 발생한다.

따라서, 차동 방법에서 최적의 결과들을 얻으려면, 매질의 각 변화에 따라 기준 커패시터를 조정해야 하고 폐루프 시스템에서 피드백 신호와 전기 기계 응답 사이의 제로 위상차를 일관되게 유지하기가 어렵다.

도 18에 도시된 폐루프 차동 회로의 다른 실시 예에서, 자동 이득 제어가 구현되어 구동 신호를 끄지 않고도 감쇠를 측정할 수 있다. 이러한 회로(1800)에서, 이득은 마이크로 프로세서(uC)(1830)에 의해 제어되는 각각의 연산 증폭기들(1815, 1820)의 피드백 저항기들로서 디지털 가변 저항기들(1805, 1810)을 사용하여 조정된다. 아날로그 노드(즉, 전기 기계 발진기의 입력 또는 출력)에서 정현파 전압 진폭은 AC 결합 발진 신호를 아날로그 노드상의 원하는 정전압 레벨보다 작은 알려진 기준 값(Vref)을 비교기(1840)에 공급함으로써 획득될 수 있다. 회로가 활성화될 때, 마이크로 프로세서(1830)는 비교기가 발진 전압 진폭이 기준 전압보다 크다는 것을 나타내는 펄스 트레인을 출력할 때까지 이득을 증가시킨다. 그 다음 마이크로 프로세서는 캡처된 상승 및 하강 이벤트들의 시간을 정확하게 맞춰, 듀티 사이클을 정확하게 측정함으로써 펄스 트레인의 펄스 폭 및 주파수를 결정한다. 정현파 발진의 경우, 발진폭은 듀티 사이클 및 선택된 전압 기준과 분석적으로 관련된다. 알려져 있는 관계에 따르면, 마이크로 프로세서에 의해 구현된 제어 알고리즘(예를 들어, 비례-적분-미분 제어)은 피드백 이득을 조정함으로써 일정한 듀티 사이클을 유지할 수 있다. 이득 값은 감쇠의 척도로서 사용될 수 있다.

동일한 공진기 쌍(이 중 하나가 고정되어 기준으로서 사용됨)을 사용하면, 또한 매우 가까운 기생 커패시턴스들을 획득하는데 도움이 될 수 있다. 그러나, 패키징의 변화들 및 커패시터들의 매질 속성들의 약간의 차이들은 그러한 시스템을 쉽게 방해할 수 있다. 결과적으로, 다양한 유전율을 갖는 유체들의 센서들에 사용하기 위해, 공진기의 기생 커패시턴스를 최소화하면 최상의 디바이스 작동 결과들을 얻을 수 있다. 유전율 변화들의 감소는 a) 먼저 전극들상에 유전체 재료를 코팅한 다음, b) 유전체 재료상에 얇은 금속 막을 코팅함으로써 획든된다. 이는 공진기에서 발생하는 전기장이 매질로 확장되는 것을 방지한다. 다시 도 14를 참조하면, 전도성 금속 코팅을 사용하면 Cm이 제거되고 Rm이 감소하며 유체 매질로 인한 기생 정전 용량의 의존성이 제거된다. 공진기 디바이스의 커패시턴스를 고정함으로써, 금속 코팅을 갖는 고정된 동일한 공진기를 기준으로서 사용하거나, 잘 조정된 고정 커패시터를 기준으로서 사용할 수 있다.

도 17은 본 발명에 따른 압전 소리굽쇠 공진기(1700)의 대표적인 실시 예를 도시한다. 도 17의 절개도에 도시된 바와 같이, 공진기는 여러 재료 층을 포함한다. 저부에는 공진기(도시되지 않음)를 작동시키기 위한 제어 회로에 결합된 전도성 재료로 만들어진 전극(1702)이 있다. 전극 위에는 비전도성 유전체층(1704)이 위치되고, 유전층(1704) 위에 전도성 코팅(1706)이 위치된다. 유전체층(1704) 및 전도성 코팅(1706)은 예를 들어, 사용될 수 있는 스퍼터링, 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착 또는 전기 도금을 포함하여 다양한 증착 기술에 의해 전극(1702) 상에 코팅될 수 있다. 유전체층(1704) 및 전도층(1706)(예를 들어, 얇은 금속 막)의 재료들은 층들 사이의 접착을 보장하도록 상호 선택된다. 티타늄 또는 크롬과 같은 얇은 접착 촉진 막들이 층들 사이에 증착될 수 있다. 유전층(1704)은 균일한 것이 바람직하며, 이는 화학적 증기 또는 원자층 증착 방법들을 사용하여 달성될 수 있다. 유전체 재료는 이산화 규소, 산화 알루미늄 또는 질화 규소일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 인듐 주석 산화물(ITO, Indium tin oxide), 금, 알루미늄은 전도층의 잠재적 후보들이다.

전도층(1706)은 유체 매질과의 전기적 상호 작용을 차단하는 기능을 함으로써 다양한 환경, 특히 전도성 매질에서 센서 신뢰성 및 견고성을 개선한다. 일부 실시 예에서, 전도층의 재료는 또한 내식성을 갖도록 선택된다. 대안적으로, 다른 실시 예들에서, 가혹한 환경에서 유전체 및 전도성 재료들의 부식, 마모 및 침식을 방지하기 위해 전도 및 유전체층들(1706)의 등각 봉지를 위한 추가적인 보호 코팅이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전도층을 봉지하는데 사용될 수 있는 재료들의 군 중 하나는 탄화 규소이다.

상술된 기술 요지는 단지 예시로서 제공된 것이고 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 예시되고 설명된 대표적인 실시 예들 및 적용 예들(예를 들어, 첨부 도면들에 예시된 특정 회로 값들을 포함)을 따르지 않고, 본 발명의 진정한 사상 및 범위에서 벗어남이 없이 여기에 설명된 기술 요지에 대해 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (11)

1. 특성화되지 않은 다운홀 유체의 속성들을 결정하기 위한 장치로서,
   출력 및 입력을 갖는 증폭기, 증폭기 또는 로직 게이트의 상기 출력과 입력 사이의 피드백 루프를 포함하는 발진 구동기 회로;
   공진기가 상기 발진 구동기 회로에 의해 구동되도록 상기 피드백 루프 내에 배치 되는 전기 기계 공진기로서, 상기 공진기의 공진 주파수는 상기 발진기 회로의 발진 주파수를 정의하는, 상기 공진기; 및
   상기 발진기 회로가 상기 공진기의 구동을 중지하게 함으로써, 상기 특성화되지 않은 유체 내에서 상기 전기 기계 공진기의 상기 발진의 감쇠율을 관찰할 수 있도록 하는 스위치 디바이스를 포함하며,
   상기 전기 기계 공진기는 상기 다운홀 유체의 용량성 효과로부터 상기 공진기를 보호하기 위해 전도층으로 둘러싸이는, 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 특성화되지 않은 유체의 적어도 하나의 속성은 관찰된 상기 전기 기계 공진기의 상기 발진의 감쇠율에 따라 결정될 수 있는, 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 기계 공진기는 적어도 두 개의 전극 및 상기 적어도 두 개의 전극을 커버하는 유전체층을 갖는 압전 디바이스이며, 상기 전도 층은 상기 유전체층을 둘러싸는, 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 전기 기계 공진기는 상기 전도층 위에 부식 방지층을 더 포함하는, 장치.
5. 교류 전압에 의해 구동될 때 특성화되지 않은 다운홀 유체의 속성들을 결정하는데 사용하기 위한 압전 디바이스로서,
   소리굽쇠 형상으로 형성된 적어도 두 개의 압전 전극으로서, 상기 소리굽쇠 부분들은 교류 전압에 의한 전기 여기에 응답하여 특징적인 공진 주파수에서 기계적으로 진동하도록 작동하는 압전 전극들인, 상기 압전 전극;
   상기 적어도 두 개의 압전 전극을 커버하는 유전체층; 및
   상기 유전체층을 커버하고 상기 다운홀 유체의 용량성 효과로부터 상기 압전 디바이스를 보호하는 전도층을 포함하는, 압전 디바이스.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 전도층 위에 위치되는 부식 방지층을 더 포함하는, 압전 디바이스.
7. 청구항 4에 있어서, 상기 전도층은 얇은 금속 막으로 구성되는, 압전 디바이스.
8. 유체의 속성들을 결정하기 위한 방법으로서,
   a. 특성화되지 않은 유체에 발진기 회로를 노출시키는 단계로서, 상기 발진기 회로는:
   ⅰ. 출력 및 입력을 갖는 증폭기;
   ⅱ. 증폭기 또는 로직 게이트의 상기 출력과 입력 사이의 피드백 루프; 및
   ⅲ. 전기 기계 공진기의 공진 주파수가 상기 발진기 회로의 발진을 정의하도록 상기 피드백 루프 내에 배치되는 상기 전기 기계 공진기로서, 상기 전기 기계 공진기는 전도층으로 둘러싸이는, 상기 공진기를 포함하는, 상기 발진기 회로를 노출시키는 단계;
   b. 상기 전기 기계 공진기가 특성화되지 않은 유체의 공진 주파수에 도달하도록 상기 발진기 회로를 활성화하는 단계;
   c. 상기 발진기 회로가 지속적으로 활성화될 때 상기 특성화되지 않은 유체에서 상기 전기 기계 공진기의 감쇠비를 결정하는 단계; 및
   d. 자동 이득 또는 음의 저항 제어 시스템을 통해 일정한 발진폭을 유지하는데 필요한 이득 또는 음의 저항을 참조하여 상기 특성화되지 않은 유체의 적어도 하나의 속성을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 전도층은 얇은 금속 막으로 구성되는, 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 전기 기계 공진기는 적어도 두 개의 전극 및 상기 적어도 두 개의 전극을 커버하는 유전체층을 갖는 압전 디바이스이며, 상기 전도 층은 상기 유전체층을 둘러싸는, 방법.
11. 청구항 9에 있어서, 상기 전기 기계 공진기는 상기 전도층 위에 부식 방지층을 더 포함하는, 방법.

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