Способ измерения плотности и вязкости жидкости в скважине и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для исследования скважинной жидкости. Техническим результатом является повышение точности в широком диапазоне измерений. Задача решается тем, что в способе, заключающемся в возбуждении непрерывных механических колебаний вибратора, помещенного в измеряемую среду, с помощью соленоидов, создающих магнитный поток, и считывании изменяющейся частоты колебаний вибратора, возбуждение вибратора производят на низкой частоте 300-1000 Гц, а измерение частоты и амплитуды вибрации производят на более высокой частоте. Для этого создают замкнутый магнитный контур с помощью двух сходящихся ветвей магнитного сердечника с минимальным зазором между ними, обладающий широким диапазоном магнитных токов без насыщения магнитного сердечника, материал которого выбирают с магнитной проницаемостью в пределах 200-125000. В зазоре контура помещают преобразователи с магниторезисторами, обладающие большой полосой пропускания 2-5 МГц и широким динамическим диапазоном свыше 100 дБ. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области промысловой геофизики и предназначено для исследования скважинной жидкости.

Известен метод измерения вязкости, использующий режим непрерывных гармонических колебаний жидкости (Авт. свид. СССР №258719, опубл. Бюл. №1, 1970 г.).

Колебания проходят через возбуждающую катушку, а съем информации происходит через ступень (плечо) разбаланса моста.

При этом следует заметить, что флюиды нефти (буровой раствор) можно обнаружить на частотах от 300 Гц до 1000 Гц, а в известном способе за счет недостатков измерительного контура при возбуждении на низких частотах колебаний вибратора невозможно обеспечить достаточную точность измерений.

Известен способ измерения плотности жидкости, заключающийся в возбуждении непрерывных механических колебаний вибратора, помещенного в измеряемую среду, с помощью соленоидов представляющих собой элементы магнитного контура, и считывание изменяющейся частоты колебаний вибратора (Патент на полезную модель №35570, "Вибрационный плотномер", заявлено 18.08.2003 г., опубл. Бюл. №2, 20.01.2004 г.).

В известном методе постоянная частота колебаний вибратора возбуждается при помощи электромагнитов с катушками, настроенных таким образом, что частота возбуждения, поданная на электрические катушки, должна совпадать с собственной резонансной частотой вибратора. Таким образом, цепь от генератора возбуждения с помощью 2-х электромагнитов с катушками раскачивает диполь в виде круглого стержня, разделенного пополам. При попадании вязкой среды на вибратор она гасит его колебания. В зависимости от плотности среды колебания вибратора будут изменяться в прямой зависимости.

Недостатком метода является то, что здесь используется незамкнутый магнитный поток, образованный при помощи 2-х магнитов с катушками, в некотором удалении от которых помещен магниторезистивный мост. Использование точечных магнитов приводит к рассеиванию магнитного потока, наведению сторонних токов и искажений сигнала. Кроме того, здесь присутствует тот же недостаток, что и в Авт. свид. СССР №258719 - невозможность обеспечить точность и широкий диапазон измерений при использовании низких частот колебаний вибратора.

Целью предлагаемого способа является достижение более широкого диапазона измерений и повышение точности.

Задача решается тем, что в способе, заключающемся в возбуждении непрерывных механических колебаний вибратора, помещенного в измеряемую среду, с помощью соленоидов, создающих магнитный поток, и считывании изменяющейся частоты колебаний вибратора, возбуждение вибратора производят на низкой частоте 300-1000 Гц, а измерение частоты и амплитуды вибрации производят на более высокой частоте 1-5 МГц, для чего создают замкнутый магнитный контур с помощью двух сходящихся ветвей магнитного сердечника с минимальным зазором между ними, обладающий широким диапазоном магнитных токов без насыщения магнитного сердечника, материал которого выбирают с магнитной проницаемостью в пределах 200-125000, например электротехническая сталь, пермаллой, пермендюр, феррит или магнит, а в зазоре контура помещают преобразователи с магниторезисторами, обладающие большой полосой пропускания 2÷5 МГц и широким динамическим диапазоном свыше 100 дБ, и в результате измерение плотности среды производят в прямой зависимости от измерения резонансной частоты колебаний вибратора, зависящей от амплитудно-частотной характеристики электромагнитного импульса возбуждения, действующего на соленоиды, создающие магнитный поток, а измерение вязкости производят по изменению добротности магнитного контура в зависимости, обратно-пропорциональной квадрату коэффициента добротности, который определяется как частное от деления резонансной частоты на ширину полосы пропускания.

На фиг.1 изображена магнитная модель магнитного поля в замкнутом контуре, образованном 2-мя ветвями магнитного сердечника с зазором, в котором помещен датчик. Замкнутый контур представляет собой концентратор магнитного поля. Концентраторы магнитного поля используются с целью увеличения чувствительности преобразователей магнитного поля. Коэффициент концентрации определяется длиной концентратора к длине магнитного датчика (МД). Применение подобных концентраторов в МД позволяет увеличить чувствительность МД в 5-100 раз при значительном улучшении разрешающей способности. При минимальном зазоре, примерно равном толщине МД, достигается увеличение чувствительности в 100-1000 раз в зависимости от конструкции концентратора.

Как видно из чертежа магнитное поле от тока захватывается в сердечнике и пересекает датчик по зазору, при этом сердечник защищает датчик от внешних магнитных полей (т.е. полей Земли или рассеивающих полей от других токов, наводок с колонны, от сквозных проводов питания скважинного прибора, проходящих через весь прибор и т.д.), поскольку внешние полевые линии скорее останутся в сердечнике, обходя сзади пластины, чем перескочат через зазор к датчику. Зазор обладает гораздо более высоким магнитным сопротивлением. Пластину или сердечник можно представить как прямоугольную баранку с небольшим зазором для датчика. Горизонтальные линии - от рассеивающего магнитного поля. Сердечники и пластины хорошо срабатывают, измеряя дифференциальный ток между 2-мя линиями, в нашем случае 2-мя соленоидами, где поток от каждого провода будет почти полностью захватываться высокопроницаемым материалом.

Существует несколько преимуществ работы в замкнутом контуре:

- допускается более широкий диапазон токов без насыщения датчика;

- выход в высокой степени линейный;

- замкнутый контур позволяет получить повышенную точность;

- системы замкнутого контура обычно обладают повышенными полосами пропускания;

- динамический диапазон устройства гораздо шире.

Практическая реализация способа измерения параметров жидкости в скважине с применением замкнутого магнитного контура может осуществляться устройством, представленным на фиг.2.

При измерении плотности и вязкости жидкости в скважине возбуждают непрерывные механические колебания вибратора 3, помещенного в измеряемую среду, с помощью соленоидов (магнитных сердечников 5 и 6 с электрокатушками 8 и 9, подключенных к генератору "Г").

Для случая измерения плотности и вязкости скважинной жидкости используются вибраторы, работающие на достаточно низкой частоте ≈300-1000 Гц. Это связано с тем, что природа состава среды, обычно буровой раствор, вязкий нефтяной флюид наиболее активно резонирует именно на этих частотах. Следовательно, необходимо использовать магнитный сердечник, наиболее чувствительный в диапазоне низких частот.

При попадании вязкой среды на вибратор она уменьшает частоту его колебаний. Демпфирование колебаний вибратора пропорционально вязкости жидкости. Строго говоря, вязкость обратно пропорциональна квадрату коэффициента добротности (который определяется как частное от деления резонансной частоты на ширину полосы).

При изменении плотности среды колебания вибратора будут изменяться в прямой зависимости, плотность жидкости определяется путем измерения резонансной частоты. При изменении плотности продукта происходит изменение колебательной массы, которая в свою очередь определяется по изменению резонансной частоты. Колебания с собственной частотой могут поддерживаться путем приложения возбуждающей силы, которая компенсирует влияние демпфирования.

При измерении вязкости учитывают фазные изгибные колебания вибратора. Величина вязкости оценивается по величине затухания свободных колебаний (добротности), т.е. по ширине резонансного пика колебательной системы или отношению резонансной частоты к полосе пропускания.

Измерение частоты и амплитуды вибрации производят, для нашего случая, на более высокой частоте (около 1-5 МГц), чем частота возбуждения вибрации, что достигается применением замкнутого магнитного контура (концентратора) и работы ВЧ генераторов с поднесущей частотой вибратора.

При этом широкий диапазон измерения обеспечивается применением материалов, из которых выполнен магнитный сердечник, обладающих широким диапазоном магнитных токов без насыщения магнитного сердечника.

Для того чтобы вся измерительно-информационная система обладала достаточной точностью и шириной диапазона измерения, магниторезисторы датчиков выбираем с соответствующими характеристиками, а именно обладающими большой полосой пропускания - 2-5 МГц и широким динамическим диапазоном - свыше 100 дБ.

Известно, что в информационно- измерительных системах их полная техническая характеристика определяется произведением элементов этой системы, где элементы этой системы оптимальным образом подобраны.

Известно устройство для измерения вязкости жидкости, которое можно использовать также и для измерения ее плотности, так как между ними существует прямая зависимость.

Вискозиметр, работающий в режиме непрерывных гармонических колебаний, содержит зонд с обратимым электромеханическим преобразователем, квазиуравновешенный мост, схему самовозбуждения и измерительное устройство, причем к диагонали моста, в одно из плеч которого включен обратимый электромеханический преобразователь, подключены вход и выход схемы самовозбуждения, к входу которой подключено измерительное устройство (Авт. свид. СССР №258719, Опубл. Бюл. №1, 1970 г.).

Основным недостатком устройства является очень большое удаление датчика от преобразователя (до нескольких километров), при этом измеряемая величина - комплексное сопротивление (емкость-индуктивность) датчика значительно меньше паразитных емкостно-индуктивных связей, компенсировать которую в динамике практически невозможно, это в особенности касается геофизического кабеля, где оплетка геофизического кабеля одновременно является "землей" измерительного моста, что является существенным недостатком. "Земля" измерительного моста является "плавающей" и очень сильно будет зависеть от многих технических параметров: питание прибора и преобразователя, длины измерительной линии, температуры и т.д.

Вторым главным недостатком является то, что измерительно-информационная система является интегрированной, то есть измерительный мост является общим и обязательным звеном для следующих частей целой системы: датчика вискозиметра, схемы самовозбуждения (генератора), измерительного устройства, блока питания, что значительно снижает точность измерения и надежность.

Известен вибрационный плотномер, в котором для повышения точности и надежности измерений параметров жидкости в скважинах, использована дифференцированная информационно-измерительная система, см. Патент на полезную модель №35570.

В вибрационном плотномере, содержащем корпус, устройство возбуждения, резонатор (вибратор), работающий в режиме непрерывных механических автоколебаний и измерительную схему, устройство возбуждения выполнено в виде генератора гармонических колебаний и параллельно соединенных с ним электрокатушек с магнитными сердечниками, резонатор (вибратор) выполнен в виде стержня, имеющего механическую резонансную частоту, совпадающую с резонансной частотой генератора, и разделен на две половины, корпус также разделен на две части при помощи герметичной перегородки, приваренной к корпусу, при этом одна часть корпуса с размещенной в нем половиной стержня сообщается с измеряемой средой, в другой герметичной части корпуса конец второй половины стержня расположен между двумя магнитами устройства возбуждения, а измерительная схема содержит магниторезистивный мост, выход которого связан с преобразователем разностного сигнала, причем магниторезистивный мост установлен в зоне действия магнитного потока электрокатушек таким образом, что силовые магнитные поля электрокатушек совпадают с направлением максимальной чувствительности данного моста.

Таким образом, в известной системе связь осуществляется только через магнитный поток и гальванически полностью разделена. Кроме того, информационно-измерительная система является строго дифференцированной и независимой по паразитным параметрам (через источник питания), что важно для точностных характеристик (температура и т.д.).

Недостаток устройства заключается в том, что здесь существует большое рассеивание магнитного потока и большое магнитное сопротивление, что влияет на чувствительность преобразователя, и, в конечном счете, сужается диапазон измерения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности прибора и достижение одновременного независимого измерения двух параметров: частоты, пропорциональной изменению плотности и добротности, обратно пропорциональной вязкости.

Задача решается тем, что в устройстве, содержащем корпус, механизм возбуждения, выполненный в виде генератора гармонических колебаний и параллельно соединенных с ним электрокатушек с магнитными сердечниками, вибратор, выполненный в виде дипольного стержня, имеющего механическую резонансную частоту, совпадающую с резонансной частотой генератора, и разделенного на две части при помощи герметичной перегородки, приваренной к корпусу, где одна часть корпуса с размещенной в нем половиной дипольного стержня сообщается с измеряемой средой, а в другой герметичной части корпуса конец второй половины дипольного стержня расположен между двумя магнитами устройства возбуждения, измерительную схему, содержащую магниторезисторы, связанные с преобразователями, при этом в измерительной схеме использованы частотный и амплитудный преобразователи в виде радиочастотных RC-автогенераторов, в фазосдвигающую цепочку которых включены два магниторезистора (MR), чувствительные к магнитному потоку, при этом первый MR включен в фазосдвигающую цепочку частотного преобразователя, второй MR параллельно подключен к сопротивлению R, радиочастотного RC-автогенератора, образующего амплитудно-частотный преобразователь, а магнитные сердечники, между которыми помещен дипольный стержень, с противоположной стороны образуют разомкнутый контур, в разрыве которого установлены указанные магниторезисторы.

Устройство состоит из корпуса 1 с окнами 2, через которые поступает скважинная жидкость на вибратор 3, выполненный в виде круглого дипольного стержня, укрепленного перегородкой 4 в корпусе 1 (заварена по кругу). Свободный конец дипольного стержня 3 помещен между двумя магнитами 5 и 6, замкнутыми в контур 7 с электрокатушками 8 и 9, выходы которых подключены параллельно (фиг.2) генератору (Г).

В зазоре контура 7 установлены магниторезисторы (MR) 10, 11 - для съема частоты и амплитуды. MR укреплены на печатной плате и включены в фазосдвигающую цепочку 2-х радиочастотных RC-автогенераторов. При этом полумост 10 включен в цепочку RC-автогенератора, входящего в амплитудный преобразователь ПР₁, а полумост 11 включен в цепочку RC-автогенератора, входящего в частотный преобразователь ПР₂, которые связаны с телесистемой (ТС), связанной кабелем с наземным пультом управления (НП).

Магниторезисторы (MR), RC-автогенераторы, радиочастотные преобразователи (ПР) образуют измерительную схему, связанную с телесистемой (ТС), и наземным пультом управления (НП).

Устройство работает следующим образом. Для измерения плотности (вязкости) скважинной жидкости устройство помещают в скважину, которая также может быть горизонтальной и наклонной. Контролируемая среда, например скважинная жидкость, поступает в корпус 1 через окна 2 и контактирует с вибратором 3, находящимся в режиме непрерывных механических колебаний, вызываемых катушками 8 и 9 с магнитами 5 и 6 при помощи генератора Г.

Постоянная частота колебаний вибратора 3 возбуждается при помощи электромагнитов 5 и 6, настроенных таким образом, что частота возбуждения генератором Г, поданная на электрические катушки 8 и 9, должна совпадать с собственной резонансной частотой вибратора 3. Таким образом, цепь от генератора с помощью 2-х электромагнитов с катушками раскачивает диполный стержень, разделенный перегородкой пополам, имеющего характеристику поля с механическими колебаниями.

Использование вибратора в виде дипольного стержня для измерения плотности жидкости основано на том, что при колебаниях плеч дипольного стержня вибратора вместе с ним колеблется и жидкость, занимающая все пространство вокруг одного из плеч дипольного стержня (там, где флюид (жидкость) или буровой раствор. Влияние жидкости сводится к добавлению к массе плеча дипольного стержня, так называемой присоединенной или соколеблющейся массы жидкости. Величина присоединенной массы зависит от формы дипольного стержня и пропорциональна плотности жидкости. Присоединенная масса уменьшает резонансную частоту вибратора, что позволяет определить плотность жидкости. Чувствительность вибратора зависит от материала перегородки и зазора между катушками.

Для определения плотности жидкости задействована цепь: магниторезисторы - 10, помещенные в разрыв контура 7, и которые включены в фазирующие ячейки радиочастотного RC-автогенератора частотного преобразователя ПР₁. Изменение резонансной частоты вибратора 3 влечет за собой изменение магнитного потока, которое происходит по закону изменения частоты диполя.

Допустим, дипольный стержень колеблется в среде с плотностью ρ₁, тогда вибратор будет вибрировать с механической резонансной частотой f₁, следовательно, и магнитный поток Ф₁ (Ф=BHCosα, где Ф - магнитный поток, В - плотность магнитного потока, Н - напряженность магнитного потока, α - угол между направлением вектора В и направлением плоскости, через который проходит вектор В) будет изменяться по закону изменения частоты f₁, следовательно, частота f₁ является "поднесущей" частотой для модулирования магнитного потока Ф₁. При попадании в среду с плотностью ρ₂, вибратор будет вибрировать с частотой f₂, следовательно, магнитный поток станет Ф₂. Изменение магнитного потока Ф₁-Ф₂ в контуре меняет магнитное сопротивление в зазоре, в котором расположен магниторезистор (MR), и в котором изменяется его сопротивление, см. Фиг.3.

Таким образом, при воздействии электромагнитного импульса на соленоид, возникает магнитный импульс, который вызывает изменение сопротивления магниторезистора и приводит к сдвигу частоты. Функции соленоида выполняют магнитная катушка с магнитом внутри и плечо дипольного стержня.

С изменением сопротивления MR₁ меняется сопротивление частотного преобразователя ПР₁, связанного с телесистемой ТС. Одновременно с измерением плотности вибрационный метод позволяет определить и вязкость жидкости. Для этого достаточно измерить добротность колебаний вибратора и пересчитать ее в вязкость (по калибровочной кривой, полученной на известной жидкости) (Научно-технический вестник "Каротажник", вып.№108, стр.122-139) (Фиг.5).

Предполагаем, что у нас среда с вязкостью ν₁ она изменяет плотность магнитного потока B₁, которая в свою очередь изменяет амплитуду магнитных токов в магнитном контуре 7. Это изменение приводит к изменению сопротивления другого магниторезистивного полумоста ПР₂, включенного в фазосдвигающую цепочку RC-автогенератора амплитудного преобразователя ПР₂, в котором магниторезистор MR₂ параллельно подключен к сопротивлению R₁ (где RC составляет контур автогенератора и питается током этого контура). Таким образом, учитывая, что RC является постоянной, плечо магниторезистора MR₂ меняет добротность этого контура, см. Фиг.4.

Как варианты исполнения устройства, в фазосдвигающую цепочку включают или датчик Холла, или магнитодиод, или магнитотранзистор, или датчик магнитоиндуктивный, или датчик феррозондовый, которые работают на эффекте Гаусса.

1. Способ измерения плотности и вязкости жидкости в скважине, заключающийся в возбуждении непрерывных механических колебаний вибратора, помещенного в измеряемую среду, с помощью соленоидов, создающих магнитный поток и считывании изменяющейся частоты колебаний вибратора, отличающийся тем, что возбуждение вибратора производят на низкой частоте 300-1000 Гц, а измерение частоты и амплитуды вибрации производят на более высокой частоте 1-5 МГц, для чего создают замкнутый магнитный контур с помощью двух сходящихся ветвей магнитного сердечника с минимальным зазором между ними, обладающий широким диапазоном магнитных токов без насыщения магнитного сердечника, материал которого выбирают с магнитной проницаемостью в пределах 200-125000, например электротехническая сталь, пермендюр, пермаллой или феррит, а в зазоре контура помещают преобразователи с магниторезисторами, обладающие большой полосой пропускания 2-5 МГц и широким динамическим диапазоном свыше 100 дБ, и в результате измерение плотности среды производят в прямой зависимости от измерения резонансной частоты колебаний вибратора, зависящей от амплитудно-частотной характеристики электромагнитного импульса возбуждения, действующего на соленоиды, создающие магнитный поток, а измерение вязкости производят по изменению добротности магнитного контура в зависимости, обратно пропорциональной квадрату коэффициента добротности, который определяется как частное от деления резонансной частоты на ширину полосы пропускания.

2. Устройство для измерения плотности и вязкости жидкости в скважине, содержащее корпус, устройство возбуждения, выполненное в виде генератора гармонических колебаний и параллельно соединенных с ним электрокатушек с магнитными сердечниками, вибратор, выполненный в виде дипольного стержня, имеющего механическую резонансную частоту, совпадающую с резонансной частотой генератора, и разделенного на две части при помощи герметичной перегородки, приваренной к корпусу, при этом одна часть корпуса с размещенной в нем половиной дипольного стержня сообщается с измеряемой средой, а в другой герметичной части корпуса конец второй половины дипольного стержня расположен между двумя магнитами устройства возбуждения, измерительную схему, содержащую магниторезисторы, связанные с преобразователями, отличающееся тем, что в измерительной схеме использованы частотный и амплитудный преобразователи в виде RC-автогенераторов, в фазосдвигающую цепочку которых включены два магниторезистора, чувствительные к магнитному потоку, причем первый магниторезистор включен в фазосдвигающую цепочку частотного преобразователя, а второй магниторезистор параллельно подключен к контуру радиочастотного RC-автогенератора, и образуют амплитудный преобразователь с изменяющейся добротностью, а магнитные сердечники, между которыми помещен вибратор, с противоположной стороны образуют разомкнутый контур, в разрыве которого установлены указанные магниторезисторы.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в фазосдвигающую цепочку частотного преобразователя включен датчик Холла.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в фазосдвигающую цепочку частотного преобразователя включен магнитодиод.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в фазосдвигающую цепочку частотного преобразователя включен магнитотранзистор.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в фазосдвигающую цепочку частотного преобразователя включен датчик магнитоиндуктивный.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в фазосдвигающую цепочку частотного преобразователя включен датчик феррозондовый.