用于巖層評價的裝置和方法

專利名稱：用于巖層評價的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種通過設在穿過地下巖層的井筒中的井下工具來進行地下巖層的巖層評價的技術。更具體地但并非限制性地，本發明涉及一種用于確定流體參數、例如被抽入井下工具中和/或由井下工具來評價的巖層流體的粘度和密度的技術。
背景技術：
鉆出井筒，以定位和生產烴類。將在其一端帶有鉆頭的井下鉆井工具推進至地面下，以形成井筒。當鉆井工具前進時，鉆井泥漿就通過鉆井工具泵入并流出鉆頭，以便冷卻鉆頭和帶出切屑。鉆井泥漿另外形成了襯在井筒內壁上的泥餅。
在鉆井操作中，需要對井筒所穿過的巖層進行各種評價。在某些情形下，鉆井工具可取下，并可將金屬導線工具展開至井筒中以對巖層進行測試和/或采樣。在其它情形下，鉆井工具可設有對周圍的巖層進行測試和/或采樣的裝置，并且鉆井工具可用于進行測試或采樣。這些樣品或測試例如可用于定位有價值的烴類。
巖層評價通常要求將來自巖層的流體抽入井下工具中以進行測試或采樣。各種裝置如探頭從井下工具中伸出以便與井筒周圍的巖層形成流體連通，并將流體抽入井下工具中。典型的探頭是從圓形件，其從井下工具中伸出，并定位成貼靠在井筒的側壁上。探頭一端的橡膠封隔器用于形成與井筒壁的密封。用于形成與井筒的密封的另一裝置稱為雙管封隔器。通過雙管封隔器，兩個彈性體環在工具周圍徑向地張開以便在它們之間隔離一部分井筒。這些環形成了與井筒壁的密封，并且允許流體抽入到井筒的隔離部分中并進入井下工具的入口中。
內襯在井筒上的泥餅通常用于幫助探頭和/或雙管封隔器與井筒壁形成密封。一旦形成了密封，來自巖層的流體就通過降低井下工具中的壓力而通過入口被抽入到井下工具中。用于井下工具的探頭和/雙管封隔器的示例可見美國專利No.6301959、4860581、4936139、6585045、6609568和6719049以及美國專利申請No.2004/0000433。
通常基于抽入至井下工具中的流體來進行巖層的評價。用于進行各種測量的現有技術對進入井下工具的流體進行預先測試和/或樣品收集。然而，已經發現，當巖層流體進入井下工具時，各種污染物如井筒流體和/或鉆井泥漿會隨同巖層流體一起進入工具中。這些污染物會影響測量和/或巖層流體樣品的質量。另外，污染會導致昂貴的井筒操作延遲，因為需要更多的時間來用于測試和/或采樣。此外，這些問題會產生錯誤和/或不可用的不真實結果。
因此，需要進入井下工具的巖層流體足夠“清潔”和“純凈”以用于進行正確的測試。換句話說，巖層流體應幾乎沒有或完全沒有污染。已進行了多種嘗試以試圖去除隨同巖層流體一起進入井下工具的污染物。例如，如美國專利No.4951749所述，在探頭中設置過濾器，以阻擋污染物隨巖層流體一起進入井下工具。另外，如授予Hrametz的美國專利No.6301959所述，探頭設有保護環，以便將受污染流體在進入探頭時與干凈流體分流開。進入井下工具的流體通常通過流管線，并且可捕集于采樣室內或泵入至井筒中。各種閥、量表和其它部件可沿著流管線設置，以便分流、測試和/或捕獲經過井下工具的流體。
可對通過井下工具的流體進行測試，以便確定各種井下參數或性能。烴類儲層流體的熱物理性能如粘度、密度以及儲存狀態下的流體物相表現可用于評價潛在的儲量，確定多孔介質中的流，以及設計完工、分離、處理和計量系統，等等。
已經發展出各種技術來用于測定流體的粘度。例如，還已經提出了一種具有懸掛在扭絲固定點之間的測錘的粘度計，例如如美國專利No.5763766和6070457中所述。粘度計也由振動物體形成。這樣的一種粘度計已用于井下應用中，以用于測量烴類井中的巖層流體或滲出物的粘度、密度和介電常數。例如，國際出版物WO 02/093126公開了一種在管內的音叉諧振器，用以提供實時直接測量和評價烴類井中的巖層流體或滲出物的粘度、密度和介電常數。在試驗室條件下還使用過另一種粘度計，其具有夾在兩個支柱之間的導線，例如見The Viscosity of Pressurized He above Tλ，Physica(1974)177-180；振動導線式粘度計，The Review of Scientific Instruments Vol.35，No.10(1964年10月)，第1345-1348頁。
盡管存在用于測量粘度的技術，但仍然需要提供精確的井下粘度測量，最好與井下傳感器相對于重力場的位置無關。比較理想的是，這種系統能夠檢查精度和/或精確度。另外比較理想的是，這種系統具有簡單的構造，以適用于嚴苛的井筒環境中。

發明內容
在一方面，本發明涉及一種用于可定位在穿透地下巖層的井筒中的井下工具的粘度計-密度計。該井下工具適于將至少一部分巖層中的流體傳輸至粘度計-密度計。該粘度計-密度計包括可設在井下工具內的傳感器單元。該傳感器單元包括至少兩個在空間上設置的連接器、導線以及至少一個磁體。該導線張緊地懸掛在該至少兩個連接器之間，使得當粘度計-密度計設在井下工具中并且井下工具設在地下巖層內且接受來自于地下巖層的流體時，該導線可用于與流體產生相互作用。連接器和導線構造成可提供頻率振蕩器。該至少一個磁體發出與該導線相互作用的磁場。
該連接器和導線可由具有相似熱膨脹系數的材料構成，以提供頻率振蕩器。例如，該連接器和導線可由單一材料構成，以便基本上消除因井下狀態引起的熱變形和彈性變形而導致的諧振頻率變化。粘度計-密度計也可設有流管，其中導線由連接器懸掛起來，在這種情況下，流管、連接器和導線最好由具有相似熱膨脹系數的材料構成，以提供頻率振蕩器。
在另一方面，傳感器單元還設有用于防止導線相對于連接器旋轉的裝置。用于防止導線旋轉的該裝置可包括連接在導線上的凸部(boss)，其中該凸部具有非圓形的截面。
在另一方面，粘度計-密度計還設有可接收來自于導線的反饋的分析電路，用于計算與導線相互作用的流體的至少兩個參數(例如粘度和密度)。
在另一方面，本發明涉及一種可設在井筒內的井下工具，該井筒具有壁并且穿透了地下巖層。該巖層一般具有流體，例如包含在其中的天然氣或油。井下工具設有外殼，流體連通器件，以及粘度計-密度計。該外殼封閉了至少一個評價空腔。流體連通器件可從外殼伸出，以便與井筒的壁密封式相接合。該流體連通器件具有至少一個入口，其與評價空腔相連通，以用于接受來自巖層的流體，并將該流體存放到評價空腔中。粘度計-密度計設有位于評價空腔內的傳感器單元。該傳感器單元設有至少兩個在空間上設置的連接器、導線和磁體。該導線張緊地懸掛在該至少兩個連接器之間，使得導線可與評價空腔內的流體相互作用。連接器和導線構造成可提供頻率振蕩器。該至少一個磁體可發出與導線相互作用的磁場。該粘度計可以是上述任何型號的粘度計。
在另一方面，井下工具可設有比較腔室，其包含了具有已知性能如粘度和密度的流體。比較腔室內的井下狀態如壓力和溫度類似于(最好等同于)評價空腔內的井下狀態。該井下工具還設有處于比較腔室內的傳感器單元，使得井下工具包括設在評價空腔內的未知參數流體中的一個傳感器單元，以及設在比較腔室內的已知參數流體中的另一個傳感器單元。然后，對代表評價空腔內流體的至少兩個未知參數(例如粘度和密度)的信號進行計算。
在另一方面，本發明涉及一種測量穿過包含流體的巖層的井筒內的未知流體的至少兩個未知參數的方法。在該方法中，井下工具的流體連通器件設置成與井筒的壁密封式相接合。然后，將流體從巖層中抽出，并置入井下工具內的評價空腔中。利用粘度計-密度計對評價空腔內的流體的數據進行采樣，該粘度計-密度計具有設在評價空腔內且懸掛在兩個連接器之間的導線。該導線和連接器構造成可提供頻率振蕩器。
在這方面，評價空腔可以是流線(flow line)或采樣室。通過粘度計-密度計所采樣得到的數據，就可利用在評價空腔內采樣得到的該數據來計算至少兩個參數。該至少兩個參數包括粘度和密度。
在另一方面，該方法還包括對比較腔室內的已知流體進行數據采樣的步驟，該流體具有與評價空腔內的流體的溫度和壓力相關的溫度和壓力。在這種情況下，該方法一般還包括，利用從比較腔室中采集的數據以及從評價空腔內采集的數據，來計算評價空腔內的未知流體的至少兩個參數。
在另一方面，本發明涉及一種計算機可讀的媒體，其可設在或包含在用于計算至少兩個流體參數如粘度和密度的分析電路中。在這種情形下，該計算機可讀的媒體包括邏輯部分，用于(1)接收來自至少兩個傳感器單元的反饋，其中一個傳感器單元設在未知參數的流體中，另一傳感器單元設在已知參數的流體中，以及(2)計算代表其中設有一個傳感器單元的流體的至少兩個未知參數的信號，同時基本上消除處于未知參數流體內的傳感器單元周圍的并筒狀態的變化。這種用于計算信號的邏輯部分例如可包括用于進行來自傳感器單元的數據的聯合反演的邏輯部分。
在本發明的上述每一方面中，優選同時地計算所述至少兩個流體參數。


因此，通過參照附圖中所示的實施例，可以詳細地理解本發明的上述特征和優點，以及如上所概述的本發明的更具體描述。然而，應當注意，附圖僅僅顯示了本發明的典型實施例，因此并不應視為限制了本發明的范圍，因為本發明可允許其它等效實施例。
圖1是具有內部粘度計-密度計的井下金屬導線工具的示意性局部剖視圖，金屬導線工具從鉆塔上懸吊下來。
圖2是具有內部粘度計-密度計的井下鉆具的示意性局部剖視圖，井下鉆具從鉆塔上懸吊下來。
圖3A是圖1所示井下工具的一部分的示意圖，其具有對準在井筒內的側壁上的探頭以及設在井下工具內的評價流線中的粘度計-密度計。
圖3B是圖1所示井下工具的另一型式的示意圖，其具有與雙管封隔器一起使用的凈化流線。
圖4是設在評價空腔內的粘度計-密度計的側視圖。
圖5是圖4所示粘度計-密度計的傳感器單元的剖視圖，顯示了懸掛的導線。
圖6是圖4所示粘度計-密度計的傳感器單元的分解透視圖。
圖7A是邏輯流程圖，顯示了用于同時地計算粘度和密度的方法。
圖7B是邏輯流程圖，顯示了用于同時地計算粘度和密度的另一方法。
圖8是顯示了固定f0超平面所交截的卡方性能面的圖，顯示了在計算密度和粘度時所用的最小值。
圖9是粘度-密度的另一傳感器單元的分解透視圖。
圖10是圖9所示傳感器單元的頂視平面圖。
圖11是另一型式的傳感器單元的側視圖。
圖12是沿著圖11中線12-12剖開的圖11所示傳感器單元的剖視圖。
圖13是另一型式的井下工具的示意性斷開圖，其具有兩個或多個粘度計-密度計，其中一個粘度計-密度計設在未知粘度和密度的流體中，另一粘度計-密度計設在已知粘度和密度的流體中。
圖14A是邏輯流程圖，顯示了一種用于利用圖13所示設置來同時地計算粘度和密度的方法。
圖14B是邏輯流程圖，顯示了另一種用于利用圖13所示設置來同時地計算粘度和密度的方法。
具體實施例方式
下面詳細介紹如以上圖中所示的本發明的當前優選的實施例。在描述這些優選實施例時，類似的或相同的標號用于表示共同的或類似的部件。這些附圖未按比例繪制，為了清楚和簡潔起見，其中一些視圖可能以放大的比例而顯示或者示意性地顯示。
定義某些用語在第一次使用時在本說明書中進行了定義，而其它一些用語在本說明書中如下地定義“環形”意指或涉及到形成環，即形狀為封閉曲線如圓形或橢圓形的線、帶或設置。
“受污染流體”意指對于烴類采樣和/或評價一般是不可接受的流體，例如氣體或液體，因為這種流體包含污染物，例如來自于鉆井筒時所用泥漿的濾液。
“井下工具“意指通過器具如鉆柱、金屬導線、撓性管而設置到井筒中的工具，以用于進行與所關注一個和多個地下巖層的評價、生產和/或管理相關的井下操作。
“操作式地連接”意指直接和間接地連接，以用于傳送或傳導信息、力、能量或物質(包括流體)。
“純凈流體”意指足夠純凈、原始、原生、未受污染或在流體采樣及分析領域中被視為能夠可接受地表征給定巖層以用于正確的烴類采樣和/或評價的地下流體，例如氣體或液體。
“流體”意指“純凈流體”或者“受污染流體”。
“夾鉗”意指設計成可將兩個或多個零部件結合或約束壓緊在一起從而將它們牢固地夾持起來的裝置。
“連接器”意指用于剛性地連接或夾持導線的一部分的任何裝置或組件，例如夾鉗。
“頻率振蕩器”意指真空中張緊導線的諧振頻率(以下稱為“f0”)是可預測的，因此井筒狀態如溫度和壓力的變化對張緊導線的諧振頻率沒有很大的影響，從而在變化的井筒狀態下從張緊導線上獲得的讀數就可接受地代表了與張緊導線相互作用的流體的特性。
詳細描述圖1顯示了根據本發明構成的井下工具10，其從鉆塔12上懸吊下來而進入井筒14中。井下工具10可以是能夠進行巖層評價的任何類型的工具，例如鉆具、撓性管或其它井下工具。圖1所示井下工具10是通過金屬導線纜16從鉆塔12上展開而進入井筒14并且設在巖層F附近的傳統金屬導線工具。井下工具10設有探頭18，其適于密封在井筒14的壁20(以下稱為“壁20”或“井筒壁20”)上，并將來自巖層F的流體如箭頭所示地抽入井下工具10中。支持活塞22和24有助于將井下工具10的探頭18推靠在井筒壁20上。
圖2描述了根據本發明構成的井下工具30的另一示例。圖2所示井下工具30是鉆具，其可隨著一個或多個(或者其本身為)隨鉆測量(MWD)鉆具、隨鉆測井(LWD)鉆具或者本領域技術人員已知的其它鉆具而傳送。井下工具30連接在鉆塔12所驅動的鉆柱32上，以形成井筒14。井下工具30包括探頭18，其適于與井筒14的壁20(以下稱為“壁20”或“井筒壁20”)密封在一起，以便將來自巖層F的流體如箭頭所示地抽入井下工具30中。下述粘度計-密度計或傳感器單元可與井下工具10或井下工具30一起使用。
圖3A是圖1所示井下工具10的一部分的示意圖，顯示了流體流系統34。探頭18優選從井下工具10的外殼35中伸出，以便與井筒壁20相接合。探頭18設有用于密封在井筒壁20上的封隔器36。封隔器36與井筒壁20相接觸，并與襯在井筒14上的泥餅40一起形成了密封。泥餅40滲入井筒壁20中，并圍繞井筒14形成了侵入帶42。該侵入帶42包含有泥漿和其它井筒流體，它們會污染包括巖層F及包含于其中的一部分純凈流體44在內的周圍巖層。
探頭18優選設有評價流線46。用于將流體抽入流線中的流體連通裝置如探頭和雙管封隔器的示例可見美國專利No.4860581和4936139。
評價流線46伸入井下工具10中，并用于使流體如純凈流體44從中通過而進入井下工具10，以便進行檢測和/或采樣。評價流線46延伸至用于采集純凈流體44的樣品的采樣室50。泵52可用于通過流線46抽吸流體。
盡管圖3A顯示了用于從巖層中抽取流體的井下工具的相同構造，然而本領域的普通技術人員可以理解，各種構造的探頭、流線和井下工具都是可用的，并且并非試圖限制本發明的范圍。
例如，圖3B是另一型式的井下工具10的一部分的示意圖，其具有改進的探頭18a以及用于將流體抽入單獨的流線中的流體流系統34a。更具體地說，圖3B所示流體流系統34a類似于圖3A所示流體流系統34，不同之處在于，流體流系統34a包括除了評價流線46以外的凈化流線46a，以及與相應流線46和46a相關聯的泵52a和52b。圖3B所示探頭18a類似于圖3A所示探頭18，不同之處在于，探頭18a具有兩個單獨的空腔56a和56b，其中空腔56a與流線46相連通，空腔56b與流線46a相連通。空腔56b圍繞空腔56a延伸，使得空腔56b可從巖層F中抽取“受污染流體”，從而允許空腔56a可從巖層F中抽取“純凈流體”。受污染流體從凈化流線46a中排出而通過出口57進入井筒14。用于將流體抽入單獨的流線中的流體連通裝置如探頭和雙管封隔器的示例可見美國專利No.6719049和美國專利申請出版號No.20040000433，其轉讓給本發明的受讓人，以及轉讓給Halliburton的美國專利No.6301959。
根據本發明，粘度計-密度計60(a，b，c)與井下工具10內的評價空腔相關聯，例如與評價流線46、凈化流線46a或采樣室50相關聯，以用于測量評價空腔內的流體的粘度。在圖3B所示示例中，為了清楚起見，粘度計-密度計60具有標號60a、60b和60c。粘度計-密度計60在圖4、5和6中更詳細地顯示。
井下工具30還可設有外殼、探頭、流體流系統、封隔器、評價流線、凈化流線、采樣室、泵和粘度計-密度計，其方式類似于圖3A和3B所示的井下工具10。
現在參見圖4-6，下面將針對評價流線46內的評價空腔來詳細描述粘度計-密度計60。然而，應當理解，以下描述同樣適用于凈化流線46a或采樣室50內的評價空腔。還應當理解，盡管粘度計-密度計60將結合井下工具10進行介紹，然而這種介紹同樣適用于井下工具30。另外，盡管圖3A和3B所示粘度計-密度計60沿著流線46a和46b設置，但粘度計-密度計60也可設在用于測量井下參數的井下工具10周圍的不同位置處。
一般而言，粘度計-密度計60具有傳感器單元62、一個或多個磁體64(a，b)、信號處理器66，以及分析電路68。在圖4所示示例中，粘度計-密度計60設有兩個磁體，它們在圖4中由標號64a和64b來表示。傳感器單元62設有至少兩個在空間上設置的連接器72、導線74(圖5)，其懸在至少兩個連接器72之間，使得當粘度計-密度計60設在井下工具10中并且井下工具10設在地下巖層F內且接受來自于巖層F的流體時，該導線74可用于與流體相互作用。磁體64a和64b發出磁場，其與流過導線74的正弦電流相互作用。信號處理器66經由信號通路75a和75b與導線74電連通。信號通路75a和75b可以是導線、電纜或風巷通信線路。信號處理器66提供了用于形成至導線74的正弦電流的驅動電壓，其通常使導線74與提供至其上的信號一致地振動或諧振。通常，從信號處理器66提供至導線74的信號可視為掃掠頻率恒流信號，其中信號頻率以預定方式變化。
分析電路68接收來自于導線74的反饋。正弦電流流過導線74，當頻率接近諧振頻率、即通常為最低階模式時，就產生了可檢測的電動勢(“emf”)。驅動電壓和電動勢emf作為諧振時頻率的函數來測得。通常，分析電路68接收來自于導線74的反饋，其代表導線74的諧振頻率。根據流體的粘度，導線74的諧振頻率以預定方式變化，這就允許測定流體的粘度。由來自于導線74的反饋來測定粘度的方法將在下文中更詳細介紹。分析電路68可以是能夠接收來自導線74的反饋并計算流體粘度的任何類型的電路。通常，分析電路68包括計算機處理器，其用于執行存儲在計算機可讀媒體如存儲盤上的軟件程序以允許分析電路68計算粘度。然而，應當理解，在某些實施例中，分析電路68可利用模擬類型或其它類型的裝置來實施。例如，分析電路68可包括模-數轉換器，其后設有用于計算流體粘度的解碼器。盡管分析電路68和信號處理器66在圖4中單獨地顯示，然而應當理解，分析電路68和信號處理器66也可在單一電路中實現，或者在單獨的電路中實現。此外，圖4所示盡管分析電路68和信號處理器66處于井下工具10內，然而應當理解，信號處理器66和/或分析電路68也可設在井下工具10之外。例如，用于產生掃掠信號的信號處理器66可設在井下工具10內，而分析電路68設在井筒14外側中的監控中心內，該監控中心可靠近井筒14或遠離井筒14。
粘度計-密度計60的傳感器單元62還設有外殼76。外殼76限定了通道78(圖5和圖6)、與通道78連通的入口80，以及與通道78連通的出口82。在圖4所示示例中，流體沿著方向84流過評價流線46。因此，當流體遇到傳感器單元62時，流體就流過入口80，進入通道78，并通過出口82離開外殼76。當外殼76設有小于評價流線46內尺寸的外尺寸時，一定量的流體還將流過外殼76中的通道87(圖4)，該通道87形成于外殼76的外表面88與評價流線46的內表面89之間。
導線74設在通道78內，使得當流體通過外殼76時，流體將與連接器72之間的大致整個導線74相接觸。這就確保流體流過連接器72之間的導線74的整個長度，以便有助于清理流體之間的導線74。導線74由導電材料構成，其可在取決于導線74的張力以及導線74周圍的流體粘度的多個基本模式諧振頻率(或其諧頻)下產生振動。導線74如所需地由較大密度的材料構成，因為導線74的密度與流體密度之差越大，則靈敏度就越大。導線74還需要具有高的楊氏模量以提供穩定的諧振，同時密度通過流體密度與導線密度之比而提供了對其周圍流體的靈敏度。多種材料可用于導線74。例如，導線74可由鎢或鉻鎳合金制成。當導線74用于探測氣體如天然氣時，導線74優選具有比較光滑的外表面。在這種情況下，鉻鎳合金是用于構成導線74的優選材料。
如圖4所示，磁體64優選設在評價流線46的外面，并且安裝在評價流線46的外表面上。磁體64也可結合在外殼76中。作為備選，外殼76可由磁體材料構成。
如圖5和6所示，外殼76可設有第一外殼部件90和第二外殼部件92。第一外殼部件90和第二外殼部件92相互配合以限定通道78。第一外殼部件90和第二外殼部件92優選由導電的非磁性材料構成，使得磁體64所產生的磁場可與導線74相互作用，同時不受到來自外殼76的較大干擾。例如，第一外殼部件90和第二外殼部件92可由井下相容性材料構成，例如K500 Monel、鎢或另一種非磁性材料，例如不銹鋼。
外殼76還設有絕緣層96(圖5)，其設在第一外殼部件90和第二外殼部件92之間，以便將第一外殼部件90與第二外殼部件92電絕緣開。導線74在絕緣層96的相對側之間延伸，以便使第一外殼部件90和第二外殼部件92電相連。絕緣層96可包括第一絕緣件98和第二絕緣件100。導線74設有第一端102、第二端104。第一絕緣件98設置成相鄰于導線74的第一端102，第二絕緣件100設置成相鄰于導線74的第二端104。導線74跨過通道78，并且用于使第一外殼部件90和第二外殼部件92電相連。
在圖4所示傳感器單元62的示例中，第一外殼部件90和第二外殼部件92各自可表征為具有第一端部分108、第二端部分110，以及設在第一端部分108與第二端部分110之間的中間部分112。第一端部分108和第二端部分110的截面積或直徑小于中間部分112的截面積或直徑。因此，第一外殼部件90和第二外殼部件92各自具有臺肩114，其用于將第一端部分108和第二端部分110與中間部分112分開。入口80和出口82限定在第一外殼部件90和第二外殼部件92中且鄰近臺肩114，使得通道78延伸穿過外殼76的中間部分112。臺肩114成形為可將流體引入入口80內。
為了將信號通路75a和75b連接在傳感器單元62上，粘度計-密度計60還設有連接在第一外殼部件90上的第一端子116以及連接在第二外殼部件92上的第二端子118。因此，信號處理器66和分析電路68通過信號通路75a和75b而與第一端子116和第二端子118連通。應當注意，信號通路75a和75b通常經由一個或多個饋通件120而延伸穿過評價流線46。饋通件120提供了流體密封，以允許信號通路75a和75b延伸穿過評價流線46，同時防止流體流過形成于評價流線46中的開口。
第一端子116和第二端子118可具有相同的構造和功能。為了實施第一端子116和第二端子118，第一外殼部件90和第二外殼部件92可設有螺紋孔124，其形成于第一外殼部件90和第二外殼部件92的第一端部分108或第二端部分110中。在圖5所示示例中，第一外殼部件90和第二外殼部件92設有螺紋孔124，其形成于第一外殼部件90和第二外殼部件92的第一端部分108和第二端部分110中。如圖4-6所示，第一端子116和第二端子118還設有螺紋緊固件126，用于將各信號通路75a和75b連接在第一外殼部件90和第二外殼部件92上。
第一外殼部件90和第二外殼部件92通過任何合適的機械或化學類型的組件而連接在一起。如圖6所示，粘度計-密度計60設有多個螺紋緊固件130(圖6)，用于將第一外殼部件90緊固在第二外殼部件92上。應當注意，螺紋緊固件130通常由導電材料如鋼或鋁構成。為了防止螺紋緊固件130在第一外殼部件90和第二外殼部件92之間形成電通路，粘度計-密度計60還設有多個電絕緣式饋通件132，用于使各螺紋緊固件130與第一外殼部件90和第二外殼部件92中的相應一個電絕緣。
粘度計-密度計60的傳感器單元62可通過任何合適的組件而錨固在評價流線46內。應當理解，傳感器單元62應被錨固，以防止評價流線46內的縱向運動和評價流線46內的旋轉運動。信號通路75a和75b優選具有足夠的剛性，以防止傳感器單元62在評價流線46內的縱向運動和/或旋轉運動。更多的錨固裝置也可用于防止傳感器單元62在評價流線46內運動。例如，評價流線46可在傳感器單元62下游出現頸縮，以防止傳感器單元62在評價流線46內的縱向運動。
本領域的技術人員可以理解，第一外殼部件90和第二外殼部件92在通過螺紋緊固件130而固定在一起時相互配合，以形成連接器72。導線74如下所述地連接和張緊。導線74在一端連接。另一端穿過第二連接器72，但未被張緊。質量體(未示出)附接在松弛連接器72上突出的那一端上。處于重力場內的懸吊在導線74上的質量體的大小決定了導線直徑所受的張力，從而決定了諧振頻率；可通過懸吊在直徑為0.1毫米的導線上的500克質量體來獲得大約1kHz的諧振頻率。可以改變導線74的直徑，從而改變待測量的粘度范圍。在經過大約24小時之后，在第二端夾緊導線74，并取下質量體。這一程序減輕了導線74內的扭曲。然后加熱并冷卻導線74，以形成具有在每一次熱循環之間相當穩定的諧振頻率的導線；對于粘度計-密度計60而言，在測定作為大約60秒范圍內的諧振頻率的函數的復電壓所要求的時間內，導線74的諧振頻率必須是穩定的。
為了計算粘度，在存在磁場時，使正弦電流通過導線74。磁場垂直于導線74，并且在存在正弦電流時可導致導線74運動。所得的感應電動勢(運動emf)或復電壓疊加在驅動電壓上。運動emf可通過帶有信號處理器的分析電路68來檢測，信號處理器包括其中驅動電壓可被偏移或置于零的鎖定放大器，或者包括頻譜分析儀。當電流的頻率接近或處在基本諧振頻率時，導線74就產生諧振。復電壓通常在諧振頻率范圍內和觀測值下測得，并與運算式、導線密度和半徑組合在一起，以用于確定已知密度的流體的粘度。電流強度取決于流體的粘度，并且可變化，因此可利用檢波電路來實現可接受的信噪比；通常采用小于35mA的電流值，所得的復電動勢emf為若干微伏。除了電流強度之外，導線74的直徑也確定了上限工作粘度；增大導線直徑則會增大上限工作粘度。也存在激勵和檢測導線電動勢的其它方式，但都沒有鎖定放大器這樣方便。
為了從所接收的來自于導線74的反饋中計算出流體的粘度和密度，分析電路68如下所述地操作。將導線74放在磁場中，并通過通上交變電流來以穩態橫向振蕩的方式而被驅動。所得的分布在導線上的電壓V包括兩個分量V＝V1+V2(1)第一項V1簡單地由固定導線的電阻抗產生，而第二項V2由在存在磁場時導線中的電動勢產生，V1由下式表示V1＝a+i(b+cf)，(2)在方程(2)中，f是在存在磁場時導線驅動時的頻率，而a、b和c是可調參數，通過試驗結果回歸來確定。參數a、b和c說明導線中的電阻，并且還吸收鎖定放大器中所用的偏差，以確保在最靈敏的范圍內檢測電壓信號。第二分量V2由儀器的運算式給出V2=Λf1f02-(1+β)f2+(β′+2Δ0)f2i.---(3)]]>在方程(3)中，Λ是振幅，f0是真空中的導線的諧振頻率，Δ0是導線的內阻尼，β是由導線所移動的流體而產生的增加質量，β’是因流體粘度而引起的阻尼。
揭示流體的增加質量、β粘性阻力β’的振動導線的流體力學可由下式給出β=kρρs,---(4)]]>β′=k′ρρs′,---(5)]]>其中，k和k’由下式給出 在方程(6)和(7)中，A是由下式給出的復量A=i{1+2K1(Ωi)ΩiK0(Ωi)},---(8)]]>其中Ω=ωρR2η.---(9)]]>
在方程(8)中，K0和K1是修改后的貝塞耳函數，Ω涉及到雷諾數，其可表征圓柱形導線或半徑R周圍的流體。在方程(9)中，流體粘度和密度分別由η和ρ表示。因此，可通過調節這些數值，使得從方程(1)至(9)中預測的同相電壓和正交電壓與通過作為頻率之函數而試驗測得的數值相一致，來確定流體的粘度和密度。在頻率范圍內收集的數據通常為大約fr±5g，其中g是諧振曲線半寬，fr是橫向諧振基本頻率。在理想電裝置中，其中信噪比較大并且隨頻率增大而增加的電串音為零，此時，帶寬的選擇并不重要。然而，重要的是，當Q{＝f/(2g)}傾向于出現帶寬增加時的統一時(隨頻率增加而增加)，除非驅動電流增加，否則相應的信噪比就下降；確定在其上進行測量的帶寬的重要性從下文中可以清楚。
方程(4)至(9)通過以下假設來得到(1)導線74的半徑與導線74的長度相比而言較小，(2)流體的可壓縮性可被忽略，(3)包含流體的外殼76的半徑大于導線的半徑，使得邊界效應可被忽略；以及(4)振蕩的幅度較小。在文獻中報道過的振動導線式的粘度計中，諧振頻率對導線的張力以及其周圍流體的密度比較敏感；通常通過在頂部夾緊導線并在下端安裝上質量體以便由此而引起阿基米德定律的效應，來增加這種對密度的敏感性。然而，如果密度由備選源如狀態方程來測得，則只需要諧振線寬度是穩定的。
一般而言，振動導線式的粘度計，例如粘度計-密度計60是絕對的器件，即在理論上不需要測得校準常量。然而，在實踐中，導線74的某些物理性能如密度和半徑無法通過單獨的方法來足夠精確地測定，因此，這些性能通常通過校準來進行測定。為此，在真空中以及在其中粘度和密度已知的流體中進行測量。在真空中產生了Δ0。導線半徑R是進行粘度測量所需的唯一一個其它未知變量。導線半徑可在給定校準流體的粘度和密度的前提下在一次測量中確定。
1.運算式的修改在導線74上出現的復電壓V包括由來源于導線74的電阻的V1產生以及在存在磁場時由導線中的電動勢產生的V2(方程1)。除了來自于電阻的貢獻之外，V1還由背景噪音如電串音或其它形式的耦合所引起。這些干擾導致在振動導線74的諧振頻率附近的頻率間隔上的比較平滑的背景。為了充分地復制作為頻率之函數的所測得復電壓，在方程(2)中包含另外的與頻率相關的參數，即V1＝a+bf+i(c+df). (10)在方程(10)中不考慮另外的頻率相關的項的前提下，所測得復電壓通常不會與運算式較好地擬合，因此就會導致流體密度和粘度的較大誤差。這在高粘性的流體的情形下尤其如此。
2.由振動的導線來確定流體密度和粘度流體密度和粘度的確定要求與振動導線74的運算式擬合的數據。最小二乘方擬合基于這樣的概念，即，一組數據的最佳表征可使來自擬合模型(或運算式)的數據的偏差的平方之和最小。偏差的平方之和與稱為卡方(或x2)的擬合優度統計密切相關。
χ2=Σi=1N|D(fi)-V(fi)|2v,---(11)]]>其中，fi是頻率指數，D(fi)和V(fi)分別是記錄的復電壓合運算式，v是用于擬合N個數據點的自由度數量。卡方標準以公式表達為測定未知參數，包括流體密度和粘度，以便使方程(11)中限定的卡方測量值最小，即minρ,η,f0,Λ,a,b,c,dχ2,---(12)]]>其中，“ρ”、“η”“f0”、“Λ”、“a”、“b”、“c”和“d”是未知參數。Levenberg-Marquardt算法[14]提供了非線性回歸程序，以便解決這一極小化問題。
在所有未知參數中，振蕩的振幅(即Λ)、以及與固定導線的電阻以及其它背景干擾(即a、b、c和d)相關的常量可通過極小化程序來很好地確定。然而，在密度、粘度和f0中的基本不確定性阻止了擬合本身挑選出正確的密度和粘度。為了消除這種基本不確定性，密度、粘度和f0中的另外關系用作擬合程序中的約束條件。在數學上，在這些變量之間的關系可以以下通式來表達。
G(ρ，η，f0)＝0.(13)或者，該關系也可包括另外的測量值，例如諧振(g)的半寬以及可從數據中得出的諧振頻率(fr)。
H(ρ，η，f0，g，fr)＝0.(14)方程(13)-(14)可通過校準程序來試驗性地建立，或者基于現場數據憑經驗來建立。這里的優選實施例是方程(13)-(14)的特定情形；具體而言，超平面由固定f0來限定。具體描述見Restina等人(Restina，T.；Richardson，S.M.；Wakeham，W.A.；Applied Scientific Research，1987，43，325-346；和Restina，T.；Richardson，S.M.；Wakeham，W.A.，1986，43，127-158)，f0可指定為真空中的導線74的諧振頻率，其直接與施加在導線74上的張力相關。如果f0是已知的或給定的，則就將最小值研究限于固定f0所限定的超平面上。
圖7A顯示了用于如上所述地同時計算粘度和密度的流程圖134。首先，如塊134a、134b和134c所示，將常量如導線直徑、導線密度以及內阻尼因子；流體密度、粘度和諧振頻率f0的初始估計值；以及約束條件G(密度、粘度和諧振頻率f0)輸入到計算塊134d中。然后計算塊134d所表示的初始導線響應。該初始導線響應可在同相電壓和正交電壓中計算。
然后接收輸入數據，例如作為頻率之函數的同相電壓和正交電壓，如塊134e所示，然后根據該數據與塊134f所示的所算出響應之差來計算卡方。然后，接收流體密度、粘度和諧振頻率，λ、a、b、c和d的估計值的更新。可采用任何非線性回歸分析來提供塊134g所示的更新。分析電路68然后基于卡方和估計值的更新而應用收斂試驗(如塊134h)表示。如果收斂試驗顯示預定的或可接受量的收斂，則程序分支到步驟134i，在這里輸出流體密度和粘度。然而，如果收斂試驗表示收斂超出了預定的量，則程序回到步驟134d，在這里，基于更新的流體密度、粘度和諧振頻率來重新計算導線響應，并且重復步驟134d、134e、134f、134g和134h，直到收斂試驗顯示收斂處于預定的量內。
圖7B顯示了用于同時計算粘度和密度的流程圖136，其方式與上述圖7A中的方式基本相同，不同之處如下。應當注意，為了清楚起見，圖7B中的等同于圖7A所示的步驟具有相同的標號。
在圖7B所示用于計算粘度和密度的過程中，測試傳感器單元62，以便確定諧振頻率f0。為了校準傳感器單元62，將傳感器單元62放入具有已知流體的環境室內，然后改變溫度和壓力以獲得校準數據。然后將這些校準數據輸入塊136b所示的分析電路68中，并利用這些校準數據來計算塊136c所示的諧振頻率f0。
圖8是顯示了固定的f0超平面所交截的卡方性能面的圖，其中具有全局極小值。該圖包括軸線F、D和V。F軸線表示頻率f0(Hz)。D軸線表示導線74周圍的流體密度(千克/立方米)。V軸線表示導線74周圍的流體粘度(cp)。陰影的意思是指卡方的值，黑色表示較小的卡方值。極小值137的位置提供了密度和粘度的估計值。
如果f0是穩定的并且已知其±1Hz的誤差范圍內，則流體密度對于較寬范圍的流體可測得在3-4％的誤差范圍內。對于高粘性的流體而言，誤差小于1-2％。如果f0已知在±0.5Hz的誤差范圍內，則密度誤差對于較寬范圍的流體而言就可降低至大約1-2％。如果f0在±1Hz的誤差范圍內，則粘度誤差通常小于密度誤差(大約3％)。同樣，粘度誤差對于高粘性流體而言也較小。為了同時地評價流體密度和粘度，優選實施例要求傳感器單元形成頻率振蕩器，用于在較寬范圍的溫度和壓力下提供穩定的和可預測的f0。井下環境中的典型溫度和壓力為大約50至200攝氏度以及2.07至172.4MPa(300至25000psi)。
在圖9中顯示了用于粘度計-密度計60的另一型式的傳感器單元150。如下更詳細地所述，傳感器單元150在構造和功能上類似于上述傳感器單元62，不同之處在于，傳感器單元150設有一對通過導線156周圍的絕緣流管154分開的導電連接器152，而非具有通過平行延伸的絕緣層96分開的導電的第一外殼部件90和第二外殼部件92。傳感器單元150將在下文中更詳細地介紹。
傳感器單元150形成了用于提供穩定的和可預測的f0的頻率振蕩器，使得至少兩個不同參數，例如傳感器單元150浸入其中的流體的密度和粘度，可從傳感器單元150生成的數據中同時地計算出。
為了清楚起見，連接器152在圖9中通過標號152a和152b來表示。連接器152在構造和功能上是相同的。因此，在下文中只介紹傳感器152a。傳感器152a設有夾鉗件158、夾板160，以及用于將夾板160緊固在夾鉗件158上的至少一個緊固件162。夾鉗件158通過任何合適的相配組件而連接在流管154上。例如，如圖9所示，夾鉗件158設有端部支撐件166，其與流管154的預定部分相配，使得端部支撐件166由流管154支撐。在圖9所示的型式中，流管154設有頸縮部分168，端部支撐件166限定了位于頸縮部分168上的軸環。夾鉗件158還設有法蘭170，其連接在端部支撐件166上并從中延伸出。為了將導線156在法蘭170上對中，在法蘭170上設有至少一個定位銷174。根據需要，夾鉗件158設有至少兩個間隔開的定位銷174，使得導線156可如圖9所示地擰緊在定位銷174之間。
緊固件162將夾板160連接在夾鉗件158上，以便將導線156夾緊在其上。緊固件162可以為任何類型的能夠將夾鉗件158連接在夾板160上的器具。例如，緊固件162可以是螺釘。
流管154優選由具有與導線156相類似的熱膨脹系數的材料構成。當導線156由鎢構成時，流管154可由陶瓷如Shapal-M構成。
在夾鉗件158中形成了至少一個開180，以便允許流體通過開口180而出入流管154。如圖9所示，夾鉗件158可設有至少兩個開口180，其中每一開口180具有半圓形的形狀。然而，應當理解，開口180的形狀可根據設計者的需要來變化。更具體而言，應當理解，開口180可具有不對稱的、對稱的或構思出來的形狀。
導線156以與上述導線74相類似的方式來構成。導線156在流管154內受支撐和張緊，其方式類似于導線74在外殼76內受支撐和張緊。源于信號處理器66和分析電路68的信號通路75a和75b以任何合適的方式連接在相應的連接器152上，例如螺釘、螺栓、端子，等等。
如上所述，如果傳感器單元150在方程(1)的真空狀態下的諧振頻率f0是穩定的，那么就可以從所測得的作為諧振頻率之函數的復電壓中確定密度和粘度。由于傳感器單元150包括兩個金屬連接器152，其通過電絕緣材料形成的流管154而隔開；因此，這些材料具有不同的彈性，在某些情況下，還具有不同的熱性能。連接器152和流管154優選單獨地通過導線156的張力而保持在一起。
傳感器單元150優選具有不受流體性能和壓力影響的f0。壓力可具有來自于導線材料可壓縮性的較小但可計算出的一部分貢獻。此外，導線156對溫度變化的響應應當是可測的或可計算的，溫度變化包含了因采用了構成諧振器的不同材料所引起的不同熱膨脹。在存在垂直磁場時通過使電流通過導線，而使導線156張緊并處于橫向運動下。這些因素意味著傳感器單元150可通過消除導線156的旋轉運動來得以改進，這種旋轉運動可能來源于具有橢圓形橫截面的導線156，并且傳感器單元150還必須與導線156的每一端電絕緣，以允許電流流過它。
盡管具有一定的表面粗糙度，但鎢仍然是用于對涉及到液體進行測量的導線156所用的優選材料，因為鎢的楊氏模量E(大約為411GPa)和密度ρs(大約為19300千克/立方米)相對于其它材料而言是比較高的。當導線156張緊時，楊氏模量有助于提供穩定的諧振，而密度提供了對其周圍流體的靈敏度，這是通過方程(4)和(5)中的比例ρ/ρs來實現的。如果振幅較小并且雷諾數小于100，則表面粗糙度的影響可忽略。對于測量密度而言，需要導線密度趨向于流體的密度；這來源于增加的質量的原理。因此，可以使用鎢，但根據待測量流體的預期密度，較低密度的其它材料也是可接受的。
為了降低熱膨脹差異的影響，對導線材料的選擇指定了用于連接器152、流管154和張緊機構的材料。比較理想的是，形成流管154的電絕緣材料的機械性能盡可能接近用于導線156和連接器152的材料的機械性能。例如，可通過選擇線性熱膨脹系數與鎢相同的材料，來使在溫度偏離環境溫度時熱膨脹差異對導線張緊的影響減小；例如Shapal-M，它是具有1GPa抗壓強度的高熱導率可機加工的陶瓷，并且其線性熱膨脹系數α＝(1/L)dL/dT＝5.2·10-6K-1(在T＝298K時)，而α(W，298K)＝4.5·10-6K-1。用于絕緣材料的備選材料可包括氮化鋁或者Macor，然而，這些材料的α并不等于鎢(W)的α。
以上段落中所述的標準用于確定另一型式的用于圖11和圖12所示振動導線式粘度計-密度計60的傳感器單元200，用于減小因溫度、壓力和流體性能引起的f0的變化。傳感器單元200在構造上和功能上類似于傳感器單元150，不同之處在于，通過主要由具有相同熱膨脹和彈性的同一材料如鎢來構成傳感器單元200，來減小溫度和壓力的影響，這也減小了導線156的旋轉，以減小因流體性能變化而導致的對f0的影響。圖11所示傳感器單元200包括兩個均由鎢形成的連接器204和206，以及設在連接器204和206之間的用于在其中保持導線202的流管208。導線202剛性地連接在各連接器204和206上。例如，在圖11和圖12所示的示例中，導線202電子束焊(EBW)在各連接器204和206上。
連接器204包括凸部212和尾端件214。凸部212連接在導線202上，并且設計成可阻止導線202旋轉。例如，凸部212可具有非圓形的截面，例如方形截面，以阻止導線202旋轉。凸部212設在形成于尾端件214中的空腔內。凸部212成形為有助于與連接器206的對準。凸部212可形成任何合適的形狀，以用于幫助與連接器206的對準。例如，凸部212可包括錐形和圓錐形的端部，以便有助于與連接器206對準。導線202可通過任何合適的手段而連接在凸部212上，這種手段可將導線202剛性地固定在凸部212上。例如，導線202可設在形成于凸部212中的狹縫(未示出)中并且如上所述地進行電子束焊，使得凸部212形成了圍繞導線202的夾鉗。
連接器206設有端部安裝部216、凸部218、絕緣件220和調節組件222，用于調節凸部218和端部安裝部216的相對位置。凸部218以與凸部212連接在導線202上的方式相同的方式而連接在導線202上。凸部218設計成可阻止導線的旋轉。例如，凸部218可設有非圓形的截面，例如方形截面，以阻止導線202旋轉。凸部218設在形成于尾端件216中的空腔224內。
絕緣件220提供了尾端件216與凸部218之間的電絕緣。在圖11和圖12所示的實施例中，絕緣件220形成為套筒，其襯在尾端件216內的空腔224上，并且延伸過尾端件216的面226。絕緣件220可由能夠耐受井下環境的任何絕緣材料形成。例如，絕緣件220可由陶瓷材料如Shapal-M構成。
調節組件222可以是能夠調節凸部212與尾端件216之間的相對位置的任何器件，以便允許調節導線202中的張力。例如，調節組件222可包括導線張緊螺母230，其旋擰在凸部212上。當然，許多其它的設置也可用于將導線202夾緊在外殼上以允許導線202的張緊。例如，將導線夾在所示的兩個夾鉗件或連接器之間，或者使用彈簧。
如上所述，張緊的振動導線74、156或202需要具有相對于溫度、壓力和流體比較穩定的諧振頻率。穩定的諧振頻率基本上減小了對恒定導線張緊的要求。盡管單純地從機械角度來考慮的話可以構造穩定的諧振器，但也可以通過相對測量的構思來提供另一解決方案。圖13顯示了另一型式的底部井眼10a的斷開圖，其在構造上和功能上類似于上述底部井眼10，不同之處在于，井下工具10a具有兩個或多個粘度計-密度計60，其中一個粘度計-密度計60(稱為60a)設在未知粘度和密度的流體內，而另一粘度計-密度計60(稱為60b)設在已知粘度和密度的流體內。各粘度計-密度計60a和60b均設有磁體64a，64b。在這種方式中，使用了兩個類似的傳感器單元250a和250b，其中一個傳感器單元浸入未知性能如密度和粘度的流體內，而另一傳感器單元進入已知性能的流體內。傳感器單元250a和250b可以通過針對上述傳感器單元60、150或200所述的方式來構成。
傳感器單元250a設在評價流線252內，評價流線252可以是上述評價流線46、凈化流線46a或采樣室50。在井下工具10a中，提供了彎管或接頭254，其與流線252流體連通。接頭254限定了其中放置已知流體和傳感器單元250b的比較腔室255。井下工具10a設有壓力均衡組件256，用于平衡評價流線252內的壓力。一般來說，壓力均衡組件256可以是任何能夠平衡評價流線252與比較腔室255之間的壓力的器件。例如，如圖13所示，壓力均衡組件256可包括往復活塞258，其可相對于比較腔室255運動，以便平衡壓力。
傳感器單元250a和250b連接在一個或多個信號處理器260和分析電路262上，用于提供驅動電壓以及用于確定一個或多個流體參數，例如粘度和密度，如上所述。信號處理器260和分析電路262在配置上和功能上類似于上述信號處理器66和分析電路68。
傳感器單元250a和250b之間的諧振比率例如如圖14A和14B所示地來確定。圖14A顯示了處理170，用于利用圖13所示粘度計-密度計60a和60b來計算流體的密度和粘度。處理170具有與上述圖7A相類似的步驟。為了清楚起見，類似的步驟就標上相同的標號134a、134b、134d、134e、134f、134g、134h和134I，并且不再重復介紹。
一般來說，比較腔室255內的流體的密度和粘度通過已知方法來確定，例如利用來自于美國國家標準技術研究所(NIST)的表來確定，如步驟172和174所示。分析電路262接收來自傳感器單元250b的信號(步驟176)，然后基于比較腔室255內的流體的已知密度和粘度來計算諧振頻率(步驟178)。分析電路262然后通過圖7A所示的方式來計算粘度和密度。
圖14B中顯示了用于計算流線252內的未知流體的流體密度和粘度的另一種處理180。在處理180中，將流體密度、粘度以及λ、a、b、c和d的初始估計值輸入分析電路262中，如塊182和183所示。將常量如導線直徑、導線密度和內阻尼因子輸入分析電路262中，如塊184所示。將其它輸入值，例如所暴露的處于流線252內的傳感器單元250a的溫度和壓力輸入分析電路262中，如塊186所示。然后從傳感器單元250a和250b中讀取輸入數據、例如同相數據和正交數據(塊188和190)，并計算來自于傳感器250a和250b的數據的聯合反演，如塊183所示。分析電路262然后輸出傳感器單元250a周圍的流體的流體密度和粘度，如塊192所示。
盡管用于計算粘度和密度的以上兩種方法如上所述，然而應當理解，可以采樣任何方式，例如對兩個傳感器單元250a和250b所產生的輸出進行比率測量。
如果傳感器單元250a和250b的內的導線具有類似的構造(優選為相同的構造)，并且暴露于相同的溫度和壓力下，就消除了來源于這些變量的任何不穩定性，從而得到了代表穩定振蕩器的數據。如果將這兩種構思組合起來，即如上所述針對傳感器單元250a和250b的比較或比率測量以及穩定的幾何形狀，那么諧振器就可以是穩定的，并且能夠同時提供密度和粘度。
從以上描述中可以理解，在不脫離本發明真實精神的前提下，可以對本發明的優選實施例和備選實施例進行各種修改和變化。可以人工地和/或自動地啟動本文所包括的器件，以便進行所需的操作。這種啟動可根據需要和/或基于所產生的數據、所檢測的狀態和/或來源于井下操作的分析結構來進行。
本文的描述只是出于說明性的目的，不應視為具有限制意義。本發明的范圍應當只通過所附權利要求的語言來限定。權利要求中的用語“包括”意指“至少包括”，因此權利要求中所引用的部件是開放性的組。“一”、“一個”和其它單數的用語旨在包括其復數形式，除非有特定的排除。
權利要求
1.一種用于可定位在穿透地下巖層的井筒中的井下工具的粘度計-密度計，所述井下工具適于將至少一部分所述巖層中的流體傳輸至所述粘度計-密度計，所述粘度計-密度計包括可設在所述井下工具內的傳感器單元，所述傳感器單元包括至少兩個在空間上設置的連接器；導線，所述導線張緊地懸掛在所述至少兩個連接器之間，使得當所述粘度計-密度計設在所述井下工具中并且所述井下工具設在所述地下巖層內且接受來自于所述地下巖層的流體時，所述導線可用于與所述流體相互作用，所述連接器和導線構造成可提供頻率振蕩器；和至少一個磁體，所述至少一個磁體發出與所述導線相互作用的磁場。
2.根據權利要求1所述的粘度計-密度計，其特征在于，所述連接器和導線由一種類型的材料構成。
3.根據權利要求1所述的粘度計-密度計，其特征在于，所述粘度計-密度計還包括用于防止所述導線相對于所述連接器旋轉的裝置。
4.根據權利要求3所述的粘度計-密度計，其特征在于，所述用于防止所述導線旋轉的裝置還包括連接在所述導線上的凸部，所述凸部具有非圓形的截面。
5.根據權利要求1所述的粘度計-密度計，其特征在于，所述粘度計-密度計還包括用于接收來自于所述導線的反饋的分析電路，用于計算與所述導線相互作用的流體的至少兩個參數。
6.根據權利要求5所述的粘度計-密度計，其特征在于，所述兩個參數為粘度和密度。
7.根據權利要求1所述的粘度計-密度計，其特征在于，所述連接器和導線可由具有相似熱膨脹系數的材料構成，以提供頻率振蕩器。
8.根據權利要求1所述的粘度計-密度計，其特征在于，所述粘度計-密度計還包括其中所述導線由所述連接器懸掛起來的流管；其中，所述流管、連接器和導線由具有相似熱膨脹系數的材料構成，以提供頻率振蕩器。
9.一種計算機可讀的媒體，其包括用于接收來自至少兩個傳感器單元的反饋的邏輯部分，其中一個傳感器單元設在未知參數的流體中，另一傳感器單元設在已知參數的流體中，而且，所述邏輯部分計算代表其中設有所述一個傳感器單元的流體的至少兩個未知參數的信號，同時基本上消除處于所述未知參數的流體內的傳感器單元周圍的井筒狀態的變化。
10.根據權利要求9所述的計算機可讀的媒體，其特征在于，用于計算所述信號的所述邏輯部分包括用于進行來自所述傳感器單元的數據的聯合反演的邏輯部分。
11.根據權利要求9所述的計算機可讀的媒體，其特征在于，所述兩個未知參數為粘度和密度。
12.一種可設在井筒內的井下工具，所述井筒具有壁并且穿透了地下巖層，所述巖層具有包含于其中的流體，所述井下工具包括外殼，其封閉了至少一個評價空腔；流體連通器件，所述流體連通器件可從所述外殼伸出，以便與所述井筒的壁密封式相接合，所述流體連通器件具有至少一個入口，其與所述評價空腔相連通，以用于接受來自所述巖層的流體，并將所述流體存放到所述評價空腔中；和粘度計-密度計，包括設在所述評價空腔內的傳感器單元，所述傳感器單元包括至少兩個在空間上設置的連接器；導線，所述導線張緊地懸掛在所述至少兩個連接器之間，使得所述導線可用于與所述評價空腔內的流體相互作用，所述連接器和導線構造成可提供頻率振蕩器；和至少一個磁體，所述至少一個磁體發出與所述導線相互作用的磁場。
13.根據權利要求12所述的井下工具，其特征在于，所述連接器和導線由一種類型的材料構成。
14.根據權利要求12所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具還包括用于防止所述導線相對于所述連接器旋轉的裝置。
15.根據權利要求14所述的井下工具，其特征在于，所述用于防止所述導線旋轉的裝置還包括連接在所述導線上的凸部，所述凸部具有非圓形的截面。
16.根據權利要求12所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具還包括用于接收來自于所述導線的反饋的分析電路，用于計算與所述導線相互作用的流體的至少兩個參數。
17.根據權利要求16所述的井下工具，其特征在于，所述兩個參數是粘度和密度。
18.根據權利要求12所述的井下工具，其特征在于，所述連接器和導線由具有相似熱膨脹系數的材料構成，以提供頻率振蕩器。
19.根據權利要求12所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具還包括其中所述導線由所述連接器懸掛起來的流管；其中，所述流管、連接器和導線由具有相似熱膨脹系數的材料構成，以提供頻率振蕩器。
20.根據權利要求12所述的井下工具，其特征在于，所述井下工具還包括比較腔室，其包含了已知性能的流體，其中所述比較腔室內的井下狀態類似于所述評價空腔內的井下狀態；其中，所述井下工具還設有處于所述比較腔室內的傳感器單元，使得所述井下工具包括設在所述評價空腔內的未知參數流體中的一個傳感器單元，以及設在所述比較腔室內的已知參數流體中的另一個傳感器單元。
21.一種用于測量穿過其中具有流體的巖層的井筒內的未知流體的至少兩個未知參數的方法，包括以下步驟將所述井下工具的流體連通器件設置成與所述井筒的壁密封式相接合；將流體從所述巖層中抽出，并置入所述井下工具內的評價空腔中；和利用粘度計-密度計對所述評價空腔內的流體的數據進行數據采樣，所述粘度計-密度計具有設在所述評價空腔內且懸掛在兩個連接器之間的導線，所述導線和所述連接器構造成可提供頻率振蕩器。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述評價空腔是流線。
23.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述評價空腔是采樣室。
24.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法還包括利用在所述評價空腔內采樣得到的數據來計算至少兩個參數的步驟。
25.根據權利要求24所述的方法，其特征在于，所述至少兩個參數包括粘度和密度。
26.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法還包括針對比較腔室內的已知流體進行數據采樣的步驟，所述對比較腔室內的已知流體具有與所述評價空腔內的流體的溫度和壓力相關的溫度和壓力。
27.根據權利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法還包括利用從所述比較腔室中所采集的數據以及從所述評價空腔內所采集的數據，來計算所述評價空腔內的未知流體的至少兩個參數的步驟。
全文摘要
介紹了一種可定位在穿透地下巖層的井筒中的井下工具所用的粘度計－密度計。該巖層在其中包含至少一種流體。該井下工具適于將至少一部分巖層中的流體傳輸至粘度計－密度計。該粘度計－密度計包括傳感器單元以及至少一個磁體。該傳感器單元可設在井下工具內，并包括至少兩個在空間上設置的連接器，以及張緊地懸掛在這至少兩個連接器之間的導線，使得當粘度計－密度計設在井下工具中并且井下工具設在地下巖層內且接受來自于地下巖層的流體時，該導線可用于與流體相互作用。連接器和導線構造成可提供頻率振蕩器。
文檔編號G01N11/16GK1800578SQ20051000354
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月23日 優先權日2004年12月23日
發明者A·R·H·古德溫, K·蘇, M·W·弗雷爾斯 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司