NO346079B1 - Piezoelektrisk transduser og borehullsverktøy for måling av fluid egenskaper - Google Patents

Description

BAKGRUNN

1. Oppfinnelsens område

[0001] Denne oppfinnelsen vedrører generelt instrumenter for måling av fluidegenskaper og spesielt, en piezoelektrisk transduser for måling av egenskaper i borehullsfluider.

2. Beskrivelse av tilknyttet teknikk

[0002] US 3,743,869 beskriver en piezoelektrisk transduser som er isolert fra jorden ved hjelp av en stiv metallisk isolator for å forbedre transduserens høyfrekvente respons. Isolatoren har form av en ring eller hylse som er laget av aluminium eller aluminiumlegering og som er belagt med aluminiumoksid. Oksidbelegget er elektrisk isolerende, men hardt og stivt for derved å gi et stivt feste for transduseren, noe som gjør det nyttig ved frekvenser opp like ved dens naturlige resonansfrekvens. US 4,594,584 omhandler en anordning for bestemmelse og/eller overvåking av et forhåndsbestemt fyllingsnivå i en beholder. US 2002/0178805 A1 vedrører en fremgangsmåte og et apparat for nedihullsfluidkarakterisering ved bruk av bøyemekaniske resonatorer. US 5,139,087 lærer en metode for sikring av injektivitet for polymeroppløsninger.

[0003] I underjordiske boreanvendelser, slik som olje- og gassleting og gjenvinning, bores et borehull i jorden. Boreprosessen kan omfatte å ta målinger av fluider i borehullet under boring av borehullet (logging under boring (LWD)). I enkelte tilfeller brukes det en wireline til å senke et måleinstrument ned i borehullet etter at et trinn i boreprosessen er blitt fullført for å måle egenskaper av fluider i borehullet.

[0004] Målte fluidegenskaper kan omfatte, for eksempel, fluidets densitet og viskositet. Egenskapene kan måles ved å plassere en mekanisk oscillator i fluidets fluidbane. Fluiddensitet måles hovedsakelig ved å måle endringer i oscillatorens vibrasjonsfrekvens mens viskositet fastsettes hovedsakelig ved å overvåke resonansens reduksjonstid.

[0005] Andre egenskaper kan måles enten direkte eller indirekte ved å bruke hastigheten til lydmålinger gjort i fluidet. Disse målingene henvises typisk til som målinger av "lydhastighet" og kan brukes, for eksempel, for å fastsette fluidets gass-til-olje-forhold (GOR).

[0006] For tiden finnes det anordninger som kan måle to av disse tre: lydhastighet, densitet og viskositet. Spesielt finnes det instrumenter som kan måle densitet og viskositet eller som kan måle densitet og lydhastighet. Det finnes ikke instrumenter som kan brukes til å måle alle tre.

KORT SAMMENDRAG

[0007] Hovedtrekkene ved den foreliggende oppfinnelse fremgår av de selvstendige krav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav. I samsvar med én utførelsesform, beskrives et borehullsverktøy som omfatter et legeme som omfatter en prøveport som et prøvefluid kan trekkes inn gjennom i borehullsverktøyet og en prøvekanal som går gjennom legemet i fluidkommunikasjon med prøveporten og gjennom hvilken prøvefluidet går. I denne utørelsesformen, omfatter prøvekanalen et prøvekammer som har et inntak og et uttak lokalisert langs prøvekanalen, der prøvekammeret omfatter tre sylindriske kamre som omfatter et midtre resonatorhulrom omgitt av to ytre resonatorhulrom, der ett av de to ytre resonatorhulrommene omfatter et sensorinntak for å motta en sensor og gjøre det mulig for den å berøre på en flytende måte prøvefluidet når det går gjennom prøvekanalen.

[0008] Ifølge en annen utførelsesform, beskrives en framgangsmåte for å evaluere et prøvefluid. Framgangsmåten omfatter: å trekke et fluid fra en borehullslokalitet inn en et prøvekammer i et borehullsverktøy; å la fluidet gå gjennom et prøvekammer, der prøvekammeret omfatter et inntak og et uttak lokalisert langs prøvekanalen, der prøvekammeret omfatter tre sylindriske kamre som omfatter et midtre resonatorhulrom omgitt av to ytre resonatorhulrom, der ett av de to ytre resonatorhulrommene omfatter et sensorinntak for å motta en sensor og gjøre det mulig for den å berøre på en flytende måte prøvefluidet når det går gjennom prøvekanalen; og å evaluere prøvefluidet med sensoren når det går gjennom prøvekammeret.

[0009] Ifølge en annen utførelsesform, beskrives en transduser som omfatter en forspent adapter med en hylsedel og en ende og et hus som omfatter en setedel og en akseldel som strekker seg fra setedelen. I denne utførelsesformen, omfatter transduseren ytterligere et piezoelektrisk element som rommes fullstendig inne i et kammer som defineres av hylsedelen og akseldelen og en membran som er koplet til en ekstern side av enden slik at bevegelsen av det piezoelektriske elementet forårsaker bevegelse av membranen.

[0010] Ifølge en annen utførelsesform, beskrives et instrument for måling av egenskaper til et borehullsfluid som omfatter et legeme, et fluidkammer dannet inne i legemet og som tilveiebringer en fluidbane minst delvis gjennom instrumentet og en transduser som er montert i legemet og som har en bevegelig membran lokalisert minst delvis inne i fluidkammeret. Transduseren i denne utførelsesformen omfatter en forspent adapter som har en hylsedel og en ende, et hus som omfatter en setedel og en akseldel som strekker seg fra setedelen og et piezoelektrisk element som rommes fullstendig inne i et kammer som defineres minst delvis av hylsedelen og akseldelen. Membranen i denne utførelsesformen er koplet til en utvendig side av enden slik at bevegelse av det piezoelektriske elementet forårsaker bevegelse av membranen. [0011] Ifølge enda en annen utførelsesform, beskrives en transduser som omfatter en hylsedel som har en ende, et hus som omfatter en setedel og en akseldel som strekker seg fra setedelen og et piezoelektrisk element rommet minst delvis inne i et kammer som defineres minst delvis av hylsedelen og akseldelen slik at det piezoelektriske elementet ikke berører et fluid i løpet av en samplingsoperasjon. Transduseren i denne utførelsesformen omfatter også en membran som er koplet til en utvendig side av enden slik at bevegelse av det piezoelektriske elementet forårsaker bevegelse av membranen.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0012] Følgende beskrivelser skal ikke anses som begrensende på noe vis. Med henvisning til de vedlagte tegningene, har like elementer like nummer:

[0013] FIG.1 illustrerer et instrument anbrakt i et borehull;

[0014] FIG. 2 er en perspektivtegning av transduseren ifølge én utførelsesform;

[0015] FIG.3 er et tverrsnitt av transduseren vist i FIG.2;

[0016] FIG. 4 viser et sidetverrsnitt av transduseren vist i FIG. 2 installert i et instrument;

[0017] FIG. 5 er en perspektivtegning av et eksempel på en membran som kan brukes med en utførelsesform av en transduser;

[0018] FIG. 6 er et tverrsnitt av instrumentet som viser en utførelsesform av en prøvekanal; og

[0019] FIG. 7 illustrerer prøvekanalen i henhold til krav 6 som har en sensor anbrakt deri.

DETALJERT BESKRIVELSE

[0020] En detaljert beskrivelse av én eller flere utførelsesformer av det beskrevne apparatet og fremstillingsmåten presenteres her ved hjelp av eksemplifisering og ikke begrensning med henvisning til figurene. Spesielt beskrives det her en transduser som kan brukes til å måle én

av eller alle av densitet, viskositet og lydhastighet til et fluid. I den følgende beskrivelsen skal fluidet som undersøkes antas å være et fluid som finnes i eller som kan ekstraheres fra en vegg i borehullet som penetrerer jorden, men transduseren som beskrives her kan brukes på andre fluider også. Dessuten, selv om en transduser er spesielt beskrevet, skal det forstås at utførelsesformer av denne oppfinnelsen kan gjelde for ethvert instrument som bærer en transduser slik det beskrives her eller i ekvivalenter av disse.

[0021] Nå med henvisning til FIG. 1, fluidsampling i borehullsmiljøet innebærer generelt å anbringe et instrument 10 i et borehull 5 via en wireline 8. Plassert motsatt på den ytre delen av instrumentet 10 finnes en prøveport 14 og en presseanordning 12. Når prøveporten 14 er i nærheten av en interesseformasjon 6, strekker presseanordningen 12 seg mot den innvendige overflaten av borehullet 5 ved dermed å tilkople prøveporten 14 til formasjonen 6. Innkoplingen av prøveporten 14 gjennomborer den ytre diameteren til borehullet 5 og muliggjør fluidkommunikasjon mellom fluidet i formasjonen 6 og prøveporten 14. Instrumentet 10 kan også omfatte en prøvekanal 15 som fluidet som berører prøveporten 14 kan trekkes gjennom ved hjelp av en pumpe eller annen anordning på en måte slik at det flyter gjennom prøvekanalen 15. Målinger av fluidegenskapene kan måles av én eller flere måleinstrumenter anbrakt i eller rundt prøvekanalen 15. Slik det omtales mer detaljert under, kan en transduser ifølge en utførelsesform ordnes i forhold til prøvekanalen 15 på en måte som muliggjør at den brukes til å måle én eller flere av densitet, viskositet og lydhastighet til fluidet.

[0022] Det skal forstås at wirelinen 8 kan koples til en borerigg og omfatte et spenningselement og forskjellige ledere for å overføre kommandoer til instrumentet 10, for å motta data fra instrumentet 10 og å tilveiebringe effekt. I den hensikt kan wirelinen 8 koples til en elektronisk modul (f.eks., en dataanordning), og muliggjøre overføring av påkrevde driftskommandoer til instrumentet 10 for dobbeltrettet dataoverføring. Dataene kan registreres på et arkivlagringsmedium av enhver ønsket type for samtidig eller senere behandling. Dataene kan overføres i analog eller digital form. Dataprosessorer slik som en egnet datamaskin kan tilveiebringes for å utføre dataanalyse innen området i sanntid eller de registrerte dataene kan bli sendt til et behandlingssenter eller begge for etterbehandling av dataene.

[0023] FIG. 2 er en perspektivtegning av en transduser 20 ifølge én utførelsesform. Transduseren 20 kan tilveiebringes inne i eller på instrumentet 10 vist i FIG. 1 slik at den kan

utføre målinger på fluidet som går gjennom prøvekanalen 15. I én utførelsesform, er transduseren 20 en piezoelektrisk transduser slik det beskrives mer detaljert under. Generelt er en piezoelektrisk transduser en transduser som omfatter én eller flere piezoelektriske elementer.

[0024] Transduseren 20 illustrert i FIG. 2 omfatter et hus 22. Slik det illustreres, omfatter huset 22 en akseldel 23 som er koplet til en setedel 24. Akseldelen 23 strekker seg vekk fra en tilpasningsoverflate 25 på setedelen 24. Akseldelen 23 kan være sylindrisk slik det illustreres i FIG. 2 eller ha enhver annen form. Akseldelen 23 omgir minst én del av et piezoelektrisk element i én utførelsesform. Slik det illustreres, har akseldelen 23 en ytre diameter som er mindre enn diameteren til setedelen 24. På denne måten kan akseldelen 23 strekke seg inn i hullet i et måleinsrument mens setedelen 24 (og spesielt den øvre overflaten 25) sikres roterende i forhold til en overflate som omgir hullet. I én utførelsesform, omfatter setedelen 24 én eller flere festehull 30 som en bolt (fortrinnsvis uten gjenger) eller et annet rigid element kan gå gjennom for å hindre rotasjon av huset 22 i forhold til overflaten som omgir hullet. Hullet som akseldelen 23 strekker seg inn i kan tilveiebringe tilgang, for eksempel, til et fluid som går gjennom en prøvekanal 15 (FIG.1).

[0025] Akseldelen 23 omfatter ett eller flere tilgangshull 27 som en kabel eller andre ledere kan gå gjennom for å bære en spenning eller strøm til det piezoelektriske elementet inne i huset 22. I én utførelsesform muliggjør også tilgangshullene 27 at en kabel eller annen leder bærer en spenning eller strøm vekk fra det piezoelektriske elementet. Naturligvis kan antallet hull 27 i akseldelen 23 variere fra det som vises i FIG. 2 avhengig av den spesielle iverksettingen og kan utelates i enkelte situasjoner. I én utførelsesform, kan hullene 27 flyttes til en annen plassering i huset 22. Akseldelen 23 kan alternativt omfatte en forseglingsrille 32 hvorpå en forseglende o-ring eller annen forseglingsmekanisme kan føres inn.

[0026] Transduseren 20 omfatter også en forspent adapter 34. Den forspente adapteren 34 tilveiebringer en mekanisme gjennom hvilken det piezoelektriske elementet inne i akseldelen 23 kan lastes i kompresjon. Til denne enden, kan den forspente adapteren 34 være gjenget eller tilpasset ellers til akseldelen 23 for å tildele en forspent trykkraft på det piezoelektriske elementet inne i huset 22. Den forspente adapteren 34 omfatter en tilpasningsoverflate 35 som er konfigurert til å avpasses etter en indre skulder i hullet hvor akseldelen 23 er ført inn.

[0027] Transduseren 20 omfatter også en sensorreguleringsanordning 40. Sensorreguleringsanordning omfatter tilpasningsfunksjoner vist som gjenger 42 som gjør det mulig for den å tvinge huset 22 mot den forspente adapteren 34.

[0028] Transduseren omfatter ytterligere en membran 50. I drift, utsettes membranen 50 for et fluid i prøvekanalen 15 (FIG. 1). Membranen 50 tjener til å overføre en oscillering dannet av det piezoelektriske elementet inne i et fluid i prøvekanalen 15 (FIG. 1) uten at det piezoelektriske elementet blir utsatt for eller ellers er i kontakt med fluidet. Dessuten, i én utførelsesform, kan membranen 50 brukes til å føle fluidets motstand (impedans) mot oscilleringen av det piezoelektriske elementet. Ytterligere detaljer om membranen 50 omtales under.

[0029] FIG. 3 er et sidetverrsnitt av transduseren 20 vist i FIG. 2. I den illustrerte utførelsesformen, er et piezoelektrisk element 60 anbrakt med et kammer 62 dannet inne i den forspente adapteren 34 og akseldelen 23. Det piezoelektriske elementet 60 er fullstendig innelukket inne i kammeret 62 i én utførelsesform.

[0030] Slik det illustreres, omfatter den forspente adapteren 34 en indre hylsedel 36 som er konfigurert til å strekke seg inn i en indre diameter av hylsedelen 23. Dybden hvor den indre hylsedelen 36 strekkes inn i akseldelen 23 kan variere avhengig av anvendelsen. Den indre hylsedelen 36 er fast installert på hylsedelen 23 for å tildele det forspente trykket til det piezoelektriske elementet 60. I én utførelsesform, har den indre akseldelen 36 en ytre diameter som er mindre enn diameteren til hylsedelen 23. Det skal likevel forstås at den forspente adapteren 34 vil kunne omgi en del av hylsedelen 23. I et slikt tilfelle, vil den indre diameteren av den indre hylsedelen 36 kunne være større enn den ytre diameteren av hylsedelen 23.

[0031] Den forspente adapteren 34 omfatter en tilpasningsoverflate 65. En ekstern side 67 av tilpasningsoverflaten 65 er koplet til membranen 50. I én utførelsesform, kan den eksterne siden 67 omfatte et nav 66 eller annet tilbehør som strekker seg fra den og som membranen 50 kan festes til. Naturligvis kan navet 66 utelates og membranen 50 kan koples direkte til den eksterne siden 67 av tilpasningsoverflaten 65. Naturligvis kan tilpasningsoverflaten 65 ha forskjellig tykkelse på tvers av dets diameter for å tilpasse målingsnøyaktighet samtidig som strukturintegriteten opprettholdes.

[0032] Tilpasningsoverflaten 65 til den forspente adapteren 34 omfatter også en innvendig side 68 som kan brukes til enten direkte eller indirekte å påføre trykk til det piezoelektriske elementet 60. Akseldelen 23 omfatter også et innvendig akselelement 64. I én utførelsesform rommes det piezoelektriske elementet 60 mellom det indre avsastselementet 64 og den indre siden 68 av tilpasningsoverflaten 65 på den forspente adapteren 34.

[0033] Naturligvis kan den nøyaktige konfigurasjonen av akseldelen 23 og den forspente adapteren 34 være forskjellig fra den som vises i FIG. 3. Uten hensyn til den nøyaktige konfigurasjonen, samvirker huset 22 og den forspente adapteren 34 for å tildele en trykkraft på det piezoelektriske elementet 60.

[0034] En forspent fjær 70 er forskjøvet mellom reguleringsmekanismen 40 og huset 22. Rotasjonsbevegelse av reguleringsmekanismen 40 vil forårsake at huset 22 går mot den indre avsatsen grunnet gjenger 42. Denne bevegelseskomprimerende forspente fjæren 70 trykker huset 22 i retningen angitt av pil C. Dette forårsaker at det dannes en forspenning mellom overflaten 35 og den indre avsatsen.

[0035] Enhver type piezoelektrisk element 60 kan brukes. Generelt, karakteriseres piezoelektrisitet ved evnen som enkelte krystaller har til å utvikle en elektrisk ladning når den utsettes for mekanisk belastning. Atferden betegnes som den direkte piezoelektriske effekten. I det motsatte tilfelle gjennomgår disse krystallene en deformasjon når de utsettes for et elektrisk spenningsfelt. Atferden betegnes som den omvendte piezoelektriske effekten. Den piezoelektriske effekten framvises ved visse keramiske materialer som tilhører den ferroelektriske gruppen (f.eks., bly-zirconat-titanat (PbZT) som består av blandede krystaller av PbZrO3 og PbTiO3). Det piezoelektriske elementet 60 kan dannes av alle krystaller eller krystallkombinasjoner som framviser den piezoelektriske effekten så lenge den resulterende strukturen kan konvertere mekaniske størrelser, slik som spenning og formendring, i elektrisk spenning og motsatt omdanne elektriske spenninger til mekaniske krefter og forskyvninger.

[0036] I én utførelsesform, kan den motsatte piezoelektriske effekten dannes ved å kople en spenningsforsyning 71 til det piezoelektriske elementet 60. Likeledes kan en strømmåler 72 brukes til å måle strømmen produsert grunnet kompresjon/ekspansjon av det piezoelektriske elementet 60 grunnet den piezoelektriske effekten. I drift, og slik det beskrives kort over, er det piezoelektriske elementet 60 forspent. Størrelsesordenen og frekvensen til spenningen tilveiebrakt av spenningsforsyningen 71 til det piezoelektriske elementet 60 styrer bevegelsesavstanden og frekvensen som membranen 50 beveger seg med i fluidet. Strømmåleren 72 kan måle

strømmen som flyter (I) fra det piezoelektriske elementet 60. Den relative forskyvningen av endene på det piezoelektriske elementet 60 følger den mottatte ladningen (Q) med god linearitet og, som en følge er den flytende strømmen (I = dQ/dt) proporsjonal til den relative hastigheten til endene (76, 77) på det piezoelektriske elementet 60 (v = ds/dt). Følgelig, er steilheten (endringshastighet) til fluktuasjonene i strømmen (dI/dt) proporsjonale til den relative akselerasjonen (a = dv/dt) til endene 76, 77.

[0037] I drift, når den er drevet av spenningsforskyvningen 71, er den resulterende forskyvningsresponsen til det piezoelektriske elementet 60 en kompleks funksjon av den påførte spenningen og den koplede interaksjonen til grenseflatereaksjonskrefter. Grenseflatereaksjonskreftene er basert, i alle fall delvis, på én eller flere av densitet, viskositet og lydhastighet til en væske som membranen 50 utsettes for. Mer detaljert, utvikler grenseflatereaksjonskreftene en motvirkende formendring som endrer den relative forskyvningen av endene 76, 77 fra den forventede tomgangs- (direkte piezoelektrisk effekt) responsen. Endringen i relativ forskyvning av endene 76, 77 til det piezoelektriske elementet 60 grunnet kombinasjonen av påført spenning og reaksjonskraft beveger seg i forhold til reaksjonskraften fra tomgangsbetingelsen. Slik kan spenningen tilveiebrakt av spenningskilden 60 og strømmen avlest av strømmåleren 72 brukes til å analysere én eller flere av densitet, viskositet og lydhastighet til et fluid.

[0038] I tidligere patentsøknader, har piezoelektriske sensorer blitt brukt til å fastsette et fluids fysiske egenskaper. For eksempel er det blitt utviklet akustiske bølgesensorer basert på mekanisk resonans, inkludert tykkelse-skjærkraft-modus (TSM) -resonatorer eller akustisk overflatebølge (SAW) -resonatorer. Alle disse resonatorene var i kontakt med fluidet som var samplet. I motsetning til dette, ifølge én eller flere utførelsesformer av denne oppfinnelsen, berører ikke det piezoelektriske elementet fluidet som samles. Dette kan være fordelaktig fordi impedansresponsen til en piezoelektrisk resonator påvirkes sterkt av fluidkonduktiviteten når dets elektroder er plassert på overflaten av gaffelen og gaffelen er nedsenket i det konduktive fluidet. Dette skjer fordi det konduktive fluidet koples til den piezoelektriske resonatoren som en lavimpedans parallellkomponent i en krets. Impedansresponsen påvirkes fremdeles selv når elektrodene er belagt med et tynt (et titalls til et hundretalls mikroner) lag av dielektriske materialer. Følgelig er de kun kapasitivt koplet til fluidet. I slike tilfeller er det nesten umulig å måle nøyaktig densitetene og viskositetene til konduktive eller ioniske fluider. Ved å atskille det

piezoelektriske elementet fra det fluidet som samples, kan unøyaktighetene forårsaket av kontakt mellom elementet og fluidet reduseres eller elimineres.

[0039] FIG. 4 viser et sidetverrsnitt av en transduser 20 som har dens membran 50 framvist inne i et fluidkammer 15 på et instrument 10. Slik det illustreres, omfatter instrumentet en indre avsats 100 som er i kontakt med tilpasningsflaten 35. Slik det beskrives over, omfatter reguleringsmekanismen 40 tilpasningsfunksjoner 42 som er avpasset etter instrumentet 10 og som lar det trykke huset 22 mot inneravsatsen 100 og dermed plassere en trykkraft på overflate 35 som er avpasset etter skulder 100. Påføring av en spenning til det piezoelektriske elementet 60 forårsaker at membranen 50 oscillerer i fluidkammeret 15. Naturligvis vil fluidet i kammeret stå imot slike svingninger. Motstanden vil resultere i en strømendring som kan måles slik det beskrives over. I én utførelsesform, er den øvre overflaten 25 ikke i kontakt med en overflate 75 som omgir et hull 76 som transduseren 20 er ført inn i.

[0040] FIG. 5 er en perspektivtegning av en utførelsesform av en membran 50. Slik det beskrives generelt over, tildeler magnetisering av et piezoelektrisk element 60 (FIG. 3-4) lineær bevegelse på membranen 50 når den koples til den forspente adapteren 34 og et fluid som undersøkes motstår denne bevegelsen. Mengden som den lineære bevegelsen motstås med kan, i enkelte situasjoner, måles og brukes til å fastsette viskositet, densitet og lydhastighet for væsken i flytkammeret. Ved viskositetsmålinger, er membranen 50 fortrinnsvis formet slik at den tildeler en skjærkraft på fluidet samtidig som den minimaliserer den turbulensen den tildeler ettersom turbulens kan danne uønskede effekter på membranens lineære bevegelse. I én utførelsesform, kan dette gjennomføres hvis Reynolds tall for grenselagsflyten over membranen 50 kan opprettholdes ved en tilstrekkelig lav verdi over rekken med fluiddensitets- og viskositetsverdier som skal måles. Dette gjennomføres hvis produktet av skjæroverflatens tverrgående karakteristiske lengde og fluidviskositet er under terskelverdien. I praksis kan dette gjennomføres ved å tilveiebringe et fordypningsområde 102 og dobbeltsidig skjærings-forstyrrelser 110 dannet inne i membranen 50. For å fremme fluidstrømning og få minst mulig obstruksjon grunnet sedimentering gjennom membranen 50 kan den omfatte hull 104 dannet i dens side 108. Men tilstrekkelig viskøs funksjon i fluidet må utvikles for å etablere høy korrelert tilbakekopling i målingen av fluidviskositet. I denne enden kan det fordypede området 102 omfatte én eller flere forstyrrelser 110 dannet på dets overflate og som strekker seg gjennom membranen 50 slik det angis i FIG. 4.

Forstyrrelsenes 110 form kan variere, og i enkelte tilfeller kan de være på linje med hullene 104. Slik det illustreres, er forstyrrelsene 110 i en cellekonfigurasjon med flerfingret resonantor. Uten hensyn til formen, i én utførelsesform, er forstyrrelsene 110 dannet slik at det maksimale Reynolds tall holdes under 100 for det ytterste verdier forventet for fluidprøveparametrer (f.eks., densitet = 300 - 1500 kg/m<3>, viskositet =0,1 - 100 centipoise). I én utførelsesform, går forstyrrelsene 110 helt gjennom membranen 50.

[0041] I beskrivelsen over ble det henvist til prøvekanalen 15 rommet i et instrument 10 som mottar fluid fra et borehull via en prøveport 14 (FIG. 1). Transduseren 20 vist over er montert slik at membranen 50 er anbrakt inne i den samme kanalen 15 slik at den kan gjøre målinger. I denne betydningen kan transduseren 20 også her henvises til som en sensor fordi den tilveiebringer utdata som omfatter informasjon om én eller flere egenskaper ved fluidet som går gjennom prøvekanalen 15.

[0042] Det er blitt oppdaget at i enkelte situasjoner, kan formen til prøvekanalen 15 i regionen hvorpå membranen 50 på sensoren 20 er montert, forbedre sensorens 20 målekapasitet. Nå med henvisning til FIG.6 hvor et tverrsnitt av en del 200 av instrumentet 10 vises. Delen 200 omfatter noen eller alle prøvekanalene 15 vist i FIG. 1. Spesielt omfatter delen 100 et prøvehulrom 202 som prøvefluidet kan strømme gjennom og som en del av en sensor kan føres inn i. I én utførelsesform, er sensoren den sensoren 20 som beskrives over. Naturligvis kan andre sensorer tilveiebringes inn i eller ellers i fluidkommunikasjon med prøvehulrommet 202 uten å avvike fra denne oppfinnelsens område.

[0043] Det illustrerte prøvehulrommet 202 omfatter tre resonatorhulrom 204, 206 og 208 som alle er i fluidkommunikasjon med hverandre. I én utførelsesform, definerer hvert resonatorhulrom 204, 206, 208 et vesentlig sylindrisk volum som har en respektiv radius r104, r106, r108. Mer detaljert, er det midtre resonatorhulrommet 206 omgitt av to ytre resonatorhulrom 204, 208 som det noen ganger vil bli henvist til som første og andre resonatorhulrom, respektivt. I én utførelsesform, er radiusen r106 til det midtre resonatorhulrommet 206 større enn the radiene (r104, r108) for ett eller begge de ytre resonatorhulrommene 204, 208. I én utførelsesform, er r104 omtrent lik r108.

[0044] Slik det er illustrert, er resonatorhulrommene 204, 206, 208 konsentriske rundt en vertikal midtlinje Y. Hvert resonatorhulrom 204, 206, 208 har også en respektiv høyde h204, h206,

h208. I én utførelsesform, er høyden h206 til det midtre resonatorhulrommet 206 større enn høyden (h204, h208) til ett eller begge ytre resonatorhulrom 204, 208. I én utførelsesform, er h204 omtrent lik h208.

[0045] Prøvehulrommet 202 omfatter et inntak 220 hvor fluidet kommer inn i prøvehulrommet 202 og et uttak 222 hvor fluidet går ut av prøvehulrommet 202. Inntaket 220 er koplet tl et inntaksrør 224 og uttaket 222 er koplet til et uttaksrør 226. Slik det illustreres, dannes både inntaket 220 og uttaket 222 i det midtre resonatorhulrommet 206. I én utførelsesform, er inntaket 220 og uttaket 222 forskjøvet på de motsatte sidene av en midtlinje X til det midtre resonatorhulrommet 206. Naturligvis kan den nøyaktige plasseringen av inntaket 220 og uttaket 222 være forskjellig. I én utførelsesform, er inntaket 220 og uttaket 222 forskjøvet fra hverandre slik at fluidet som kommer inn i prøvehulrommet 202 gjennom inntaksrøret 224 må endre retning før det går inn i uttaksrøret 226.

[0046] Ett av de ytre resonatorhulrommene 204, 208 omfatter også et sensorinntak 230 hvor noen eller alle sensorene kan føres inn i prøvehulrommet 202 slik at det kan samvirke med et fluid som går gjennom prøvehulrommet 202. I den illustrerte utførelsesformen, er sensorinntaket 230 dannet i det andre resonatorhulrommet 208 men vil alternativt kunne dannes i det første resonatorhulrommet 204.

[0047] Nå med henvisning til FIG. 7, der prøvehulrommet 202 illustrert i FIG. 6 er illustrert omfattende en sensor 240 som omfatter en membran 242 ført inn i prøvehulrommet 220 gjennom sensorinntaket 230. I én utførelsesform, definerer sensorinntaket 230 den indre avsatsen 100 (FIG. 4) beskrevet over.

[0048] Den illustrerte sensoren 240 kan være den samme eller liknende én av sensorene/transduserne beskrevet her eller kan være enhver annen sensortype. Området inne i det andre resonatorhulrommet 208 som ikke er fylt med sensoren 240 generelt, og membranen 242 især, skal henvises til her som ledeplateåpningen og angis generelt med henvisningstallet 244. I én utførelsesform, er membranen 242 tilpasset og montert inne i prøvehulrommet 202 slik at den er innelukket i volumet definert av både det midtre 206 og det andre resonatorhulrommet 208.

[0049] Det er blitt oppdaget at visse geometrier for resonatorhulrommene 204, 206, 208 kan varieres for å tillate en impedans som overenstemmer mellom membranen 242 på sensoren 240 og fluidet i prøvehulrommet 202. Nå med henvisning til begge FIGURENE 6 og 7, det har

blitt oppdaget at de relative diametre, høyder og lokaliseringer av resonatorhulrommene kan forbedre mållinger gjort av sensoren 242. Ledeplatens 244 størrelse kan også bidra til å tilpasse membranens 242 impedans til fluidet i hulrommet 202. Især kan ledeplatens 244 størrelse kontrollere fasereguleringen av fremre ledeplaterefleksjoner (f.eks., mellom bunnen 243 av membranen 242 og den ytre delen 245 av prøvekammeret 202) som kan kontaminere utvendige overflaterefleksjoner. I én utførelsesform, kan ledeplatens 244 størrelse baseres på relativ høyde til åpningen mellom bunnen 243 på membranen 242 og den ytre delen 245 sammenlignet med resonatorhøydene h204, h206, h208 og membranens 242 diameter.

[0050] Mer detaljert, i drift, kan stående bølgemønstre dannes i fluidet i prøvekammeret 202 grunnet bevegelse av membranen 242 grunnet påføring av spenning til et piezoelektrisk element inne i sensoren 240 slik det beskrives over. Det stående bølgemønsteret i fluidprøven samvirker med membranen 242 for å opprette impedanstilbakekopling i form av forstyrrelser i den elektriske admittans-frekvensresponsen. Den elektriske admittansens egenskaper er tilbøyelige til å endres på en svært strukturert måte med variasjoner innen densitet, viskositet og lydhastighet.

[0051] Den akustiske bølgemønstervelositeten υ reguleres av den underliggende fysikk tilknyttet den ikke-lineære Navier-Stokes-ligningen vist i ligning 1 under:

og konstansen av masseforhold for trykk P, temperatur τ, og mønsterhastighet υ :

der:

γ = varmefyldeforhold for fluidet (konstant trykk, konstant volum)

α= varmeutvidelseskoeffisient

c0 = bulkfluid-lydhastighet

ω = Likevekts vinkelfrekvens av påvirkningsfunksjon

ρ0 = bulkfluid-massetetthet

μ = skjærviskositetskoeffisient

η = bulkviskositetskoeffisient

[0052] Disse mønstertrendene har blitt observert for nært å følge funksjoner for løsninger av sylindrisk harmonisk type og enkle eksponentielle reduksjonsresponser (Bessel-funksjoner, og naturlige logaritmer).

[0053] Elementer i utførelsesformene er blitt introdusert med enten artikkelen "en" eller "et." Artiklene er ment å skulle bety at det finnes ett eller flere elementer. Ordlydene "som omfatter" og "som har" er ment å skulle være inklusive slik at det kan være andre tilleggselementer enn de som er oppført. Bindeordet "eller" når det brukes med en liste på minst to ordlyder er ment å bety enhver ordlyd eller kombinasjoner av ordlyder. Ordene "første," "andre," og "tredje" er brukt til å skjelne elementer og er ikke brukt til å betegne en spesiell rekkefølge.

[0054] Det vil være klart at de forskjellige komponentene eller teknologiene kan tilveiebringe visse nødvendige eller nyttige funksjonaliteter eller funksjoner. Følgelig, vil disse funksjonene og karakteristikkene, slik det kan påkreves til støtte for de vedlagte patentkravene, forstås som naturlig inkludert som en del av læren heri og en del av den beskrevne oppfinnelsen definert av de vedlagte patentkravene.

[0055] Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet med henvisning til eksempelvise utførelsesformer, vil det bli forstått at forskjellige endringer kan bli utført og ekvivalenter kan bli erstattet med elementer herav uten å avvike fra oppfinnelsens omfang definert av de vedlagte patentkravene. Dessuten vil mange endringer forstås for å tilpasse et spesielt instrument, situasjon eller materiale til oppfinnelsens lære uten å avvike fra omfanget definert av de vedlagte

patentkravene. Derfor er det ment at oppfinnelsen ikke skal begrenses til den særlige beskrevne utførelsesformen som den beste fremgangsmåten som er overveid for å iverksette denne oppfinnelsen, men at oppfinnelsen skal omfatte alle utførelsesformer som er definert av de vedlagte patentkravene.

Claims (19)

PATENTKRAV

1. Piezoelektrisk transduser (20) som omfatter:

en forspent adapter (34) med en hylsedel (36) og en ende;

et hus (22) som omfatter en setedel (24) og en akseldel (23) som strekker seg fra setedelen (24);

et piezoelektrisk element (60) som rommes fullstendig i et kammer (62) som er definert av hylsedelen (36) og akseldelen (23); og

en membran (50) koplet til en utvendig side av enden, slik at bevegelse av det piezoelektriske elementet (60) forårsaker bevegelse av membranen (50),

hvor den piezoelektriske transduseren (20) videre omfatter:

en reguleringsmekanisme (40) på en motsatt side av setedelen (24) fra akseldelen (23); og en forspent fjær (70) anbrakt mellom reguleringsmekanismen (40) og setedelen (24).

2. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 1, der reguleringsmekanismen (40) omfatter tilpassingsfunksjoner (42) som er konfigurert til å avpasses etter samsvarende tilpassingsfunksjoner i et instrument (10).

3. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 1, der den forspente adapteren (34) og huset (22) er ordnet og konfigurert til å påføre en trykkraft på det piezoelektriske elementet (60).

4. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 3, der huset (22) omfatter en indre avsats dannet inne i hylsedelen (36) som definerer en første ende av kammeret (62), og hvor enden av den forspente adapteren (34) definerer en andre ende av kammeret (62), og der variasjon av en avstand mellom den første enden og den andre enden forårsaker at trykkraften påføres.

5. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 1, i kombinasjon med en spenningsforsyning (71) konfigurert til å tilveiebringe en spenning til det piezoelektriske elementet (60).

6. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 1, i kombinasjon med en strømmåler (72) konfigurert til å måle en strøm produsert av det piezoelektriske elementet (60).

7. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 1, der membranen (50) omfatter et fordypet område (102) som er dannet deri.

8. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 7, der det fordypede området (102) omfatter én eller flere perturbasjoner (110) som går fra en overflate av det fordypede området (102) til en ekstern side av membranen (50).

9. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 1, der membranen (50) omfatter ett eller flere hull (104) dannet i en sidevegg (108) av denne.

10. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 9, der membranen (50) omfatter et fordypet område (102) som omfatter én eller flere perturbasjoner (110) dannet på en overflate av denne, og der minst én av perturbasjonene (110) er dannet over ett av hullene (104).

11. Piezoelektrisk transduser (20) i henhold til krav 1, der enden til den forspente adapteren (34) har minst to forskjellige tykkelser.

12. Instrument (10) for å måle egenskaper til et borehullsfluid fra en nedihullslokalitet i en grunnformasjon (6) som er penetrert av et borehull (5), der instrumentet (10) omfatter:

et legeme;

et fluidkammer (15) som er dannet inne i legemet og som tilveiebringer en fluidbane minst delvis gjennom instrumentet (10); og

en piezoelektrisk transduser (20) som er montert på legemet og som har en bevegelig membran (50) lokalisert minst delvis inne i fluidkammeret (15), der den piezoelektriske transduseren (20) omfatter:

en forspent adapter (34) med en hylsedel (36) og en ende;

et hus (22) som omfatter en setedel (24) og en akseldel (23) som strekker seg fra setedelen (24); og

et piezoelektrisk element (60) som rommes fullstendig i et kammer (62) som er i det minste delvis definert av hylsedelen (36) og akseldelen (23);

der en membran (50) er koplet til en utvendig side av enden, slik at bevegelse av det piezoelektriske elementet (60) forårsaker bevegelse av membranen (50).

13. Instrument i henhold til krav 12, der legemet omfatter en indre avsats (100) som berører den forspente adapteren (34).

14. Instrument i henhold til krav 13, der den piezoelektriske transduseren (20) ytterligere omfatter:

en reguleringsmekanisme (40) på en motsatt side av setedelen (24) fra akseldelen (23) og som omfatter tilpassingsfunksjoner (42) konfigurert til å avpasses etter legemet; og

en forspent fjær (70) anbrakt mellom reguleringsmekanismen (40) og setedelen (24); der tilpassing av reguleringsmekanismen (40) med legemet forårsaker at den forspente fjæren (70) presser den forspente adapteren (34) mot den indre avsatsen (100) for å danne en trykkraft mellom dem.

15. Instrument i henhold til krav 12, som videre omfatter:

en spenningsforsyning (71) koplet til det piezoelektriske elementet (60).

16. Instrument i henhold til krav 12, der enden til den forspente adapteren (34) har minst to forskjellige tykkelser.

17. Instrument i henhold til krav 12, der legemet omfatter:

en hylsedel (36) som har en ende;

et hus (22) som omfatter en setedel (24) og en akseldel (23) som strekker seg fra setedelen (24);

et piezoelektrisk element (60) som rommes minst delvis inne i et kammer (62) som defineres minst delvis av hylsedelen (36) og akseldelen (23), slik at det piezoelektriske elementet (60) ikke berører et fluid som er samplet i løpet av en samplingsoperasjon; og

en membran (50) koplet til en utvendig side av enden, slik at bevegelse av det piezoelektriske elementet (60) forårsaker bevegelse av membranen (50).

18. Instrument i henhold til krav 17, der hylsedelen (36) er en del av den forspente adapteren (34), og huset (22) er ordnet og konfigurert til å påføre en trykkraft på det piezoelektriske elementet (60).

19. Instrument i henhold til krav 17, som videre omfatter:

en reguleringsmekanisme (40) på en motsatt side av setedelen (24) fra akseldelen (23) og som omfatter tilpassingsfunksjoner (42) konfigurert til å avpasses etter instrumentet (10); og en forspent fjær (70) anbrakt mellom reguleringsmekanismen (40) og setedelen (24); der tilpassing av reguleringsmekanismen (40) med instrumentet (10) forårsaker at den forspente fjæren (70) presser den forspente adapteren (34) mot en indre avsats (100) inne i instrumentet (10) og danner en trykkraft mellom dem.