本文介绍了一种新型的密度和粘度传感器，该传感器可以高精度和高分辨率测量地层流体的特性。 动态粘度（ri）与其他流体参数（例如密度（p），声速，折射率，吸收光谱和热导率）结合使用，可以对样品流体进行全面表征。 估计地层渗透率对于预测储层的生产潜力至关重要。 当已知地层流体的精确原位粘度时，使用各种井下采样工具对地层进行的渗透率测量可用于计算地层的渗透率。

样品流体可以是各种分子量的碳氢化合物，盐水，油基或水基泥浆滤液和气体的任意组合。 流体的粘度通常在0.5至4 cP（mPa.s）的范围内，但在重油中则可能高达40 cP。 流体密度范围为0.2至1.5 g / cc。 另外，流体也可以是导电的，并且它们可以具有部分非牛顿性质。

为了使传感器可用于井下地层样品和分析工具中，传感器必须具有较大的动态范围，且精度要优于读数的10％。 它还必须能够在高达175°C的温度和超过25 kpsi的压力下进行测量。

本文介绍了一种可以满足所有这些要求的新型传感器。 它是一种驱动机械谐振器，其谐振频率和阻尼可得出其所浸入的流体的粘度和密度的准确值。 该传感器具有很高的精确度和足够的耐用性，可以承受井下测井中遇到的温度，压力和钻井振动。 对于小于0.1 cP的流体，粘度的测量值应在1 cP范围内；对于大于10 cP的所有粘度，粘度值应在1％的范围内。密度测量值的精确度要优于0.01 g / cc。 该传感器可用于电缆和随钻测井（LWD）工具。

本文介绍了传感器的测量原理以及高温高压鉴定测试。 显示了使用新型传感器进行的实验室粘度和流体密度测量，这些测量值适用于各种校准流体，这些校准流体是由地层采样工具收集的典型的井下流体。

已为电缆和随钻测井地层评估服务实现了各种用于粘度和密度现场测量的传感器。 2008年，贝克·休斯（Baker Hughes）推出了压电音叉[6]，该音叉通过RMSE测量的流体密度在0.01至1.5 g / cc的范围内

粘度低于0.015cP时为±30 g / cc; 对于0.03cP至30cP之间的粘度，RMSE±200 g / cc。 该传感器的粘度测量范围为0.2至30 cP（RMSE±0.1 cP或10％（以较大者为准））和30至200 cP（RMSE±20％）。

该传感器最初是为电缆应用而开发的，但在2010年被改用于随钻测井仪。 同时，贝克休斯（Baker Hughes）与Viscoteers Inc.合作，开始开发一种新的传感器技术，该技术专为苛刻的钻井环境量身定制，可满足并超越其前身的测量能力。

新型传感器是一种高精度的扭转共振器[3]，它可以根据传感器所浸入的流体的密度和粘度来改变其特性-共振频率和阻尼。 （图。 1).

谐振腔通过感应腔外部的电线圈与嵌入谐振腔的尖头中的磁体之间的磁耦合进行无线激励和感应[3]（图。 2）。 该谐振器由高强度，高度耐腐蚀和特征明确的金属制成，其特性在高温和高环境压力下保持稳定。 这种配置避免了到高压流体侧的电穿通，这在需要跨压力屏障进行电连接的传感器中是一个臭名昭著的故障源。 由于谐振腔完全由金属制成，因此该传感器非常坚固，适用于井下钻探条件下的恶劣环境。

图1。 振幅和相位谐振器响应曲线使浸没在具有不同阻尼的两种流体中的传感器的共振频率无处不在。 图片来自Good面包等人，20013。

谐振腔通过感应腔外部的电线圈与嵌入谐振腔的尖头中的磁体之间的磁耦合进行无线激励和感应[3]（图。 2）。 该谐振器由高强度，高度耐腐蚀和特征明确的金属制成，其特性在高温和高环境压力下保持稳定。 这种配置避免了到高压流体侧的电穿通，这在需要跨压力屏障进行电连接的传感器中是一个臭名昭著的故障源。 由于谐振腔完全由金属制成，因此该传感器非常坚固，适用于井下钻探条件下的恶劣环境。

机械振荡器具有较高的Q因子，这是较大的动态范围的阻尼测量的先决条件。

传感器测得的两个值（共振频率和阻尼）通过wekk等数学模型（通过为每个传感器建立的经验校准曲线）与粘度和密度值相关。 两种方法都可提供极其准确和可重复的结果（请参阅传感器规格），但是由于经验校准方法的计算量较小，并且不易受传感器形状变化的影响，因此这是首选方法。

谐振器由交流电流驱动的线圈激励，交流电流的频率随测量需要而变化。 传感器的响应由线圈上的附加绕组感测。 整个粘度和密度的测量大约需要1 s，这是对以前技术的重大改进，因为它可以在泵抽取期间的压力恒定的情况下执行。

图。 2。 粘度传感器耦合了扭转谐振器的概念。 图片来自Goodbread等，20013。

传感器（图3） 不仅可以承受极高的压力和温度（在2000 bar和200°C的实验室进行测试），而且还可以承受高达750 g的冲击和连续30 g的振动而不受损坏。

图。 3。 粘度-密度传感器模块设计

传感器由锁相环控制，该锁相环跟踪并监视其共振频率以测量流体密度。 通过周期性地改变激励和传感器响应之间的相位关系，可以确定谐振器的阻尼，由此可以估算出粘度，如图 图4.

图。 4。 相移法来计算流体的阻尼。 图片来自Goodbread等人，20013.

规格已根据制造的传感器的测试特性进行了验证。 该传感器能够测量各种分子量的碳氢化合物，盐水，油基或水基泥浆滤液和气体的任意组合的样品液。

通过将传感器的规格与标准工业流体密度和粘度测量系统的规格进行比较，可以了解传感器的巨大动态范围。

表1。 密度粘度传感器规格

使用几种选定的流体在各种压力和温度下对传感器进行了测试，以覆盖井下遇到的流体的粘度和密度范围。

测试结果验证了在所需流体范围内的测量精度和精确度。 使用的流体是：

• 盐水中每升水的浓度为2摩尔的氯化钠，
• 正十二烷
• 粘度标准油Cannon®S-20，N-2，N-10，N-35，N-75，S-6。

选择这些流体是因为：

1. 提供了有关其属性的准确参考值
2. 它们的粘度和密度范围涵盖了传感器的范围
3. 它们的物理性质提供了井下遇到的流体的代表性样品（即，水和油基，导电和非导电流体）

图。 5 显示了传感器针对不同流体实现的密度测量范围和精度。

图。 5。 盐水（2mol / l），N-十二烷，Cannon S-6，N-2，N-10，N-3，N-75和氯仿的测量密度。 黑色和红色实线表示传感器规格规定的最大和最小允许值。

图。 6 和 7 显示了传感器的粘度测量范围和精度，涵盖了大多数规格范围。

图。 6。 在盐水（2mol / l），N-十二烷，Cannon S-6，N-2，N-10，N-35和N-75的上限范围内测得的粘度。 黑色和红色实线表示传感器规格规定的最大和最小允许值。

图。 7。 在较低范围的盐水（2mol / l），N-十二烷，Cannon S-6，N-2，N-10，N-35和N-75中测得的粘度。 黑色和红色实线表示传感器规格规定的最大和最小允许值。

选择N-十二烷进行详细测试是因为可获得在高压（1900 bar）和高温（200°C）下的准确参考。

图。 8 和 9 表示相对于压力变化（1至1500 bar）的粘度测量行为。 该值遵循参考粘度，误差低于读数的5％。 在每个压力温度条件下，进行50个测量点，（图。 9).

图。 9 提供了绝对误差（距0线的距离）和精度（每次温度-压力测量的点云变化）的图形显示，优于读数的0.5％。

图。 8。 在50°C下1至1,500 bar之间的正十二烷粘度。 参考值来自Caudwell等人，2008年。

无花果 9. N-十二烷在50°C下在1至1,500 bar之间测得的粘度误差（与参考有关）。 参考值来自Caudwell等人，2008年。

图。 10 和 11 显示了相对于压力变化（1至1,500 bar）的密度测量行为。 测得的密度的精度优于+/- 0.003 g / cc。

图。 10。 50°C下1至1,500 bar之间的正十二烷密度。 参考值来自Caudwell等人，2008年。

图。 11。 在50°C下1至1,500 bar之间，正十二烷密度测量的误差（相对于参考值）。 参考值来自Caudwell等人，2008年。

从最后两个图形计算出的最小精度优于读数的0.1％。

新型密度和粘度传感器专为苛刻的随钻测井环境而设计，在实验室测试中表现优于目标规格。 本文介绍的三种流体获得的结果证明：

• 随着压力和压力的变化，传感器没有显示任何测量偏差。
• 本文中介绍的所有流体传感器的精度，其密度均优于+/- 0.001 g / cc，粘度则优于+/- 1％。
• 在所有执行的测试中，传感器的密度精度均优于0.01 g / cc。 对于大于10 mPa.s的粘度，粘度精度优于读数的1％；对于小于0.1 mPa.s的粘度，粘度精度优于1mPa.s。
• 经过规范的冲击和振动测试后，传感器没有任何损坏或测量行为的变化。
• 在所有温度和压力循环期间以及之后，传感器都会产生稳定的测量结果
• 在所有测试之后，没有证据表明对所有传感器进行机械或腐蚀损坏。
• 新的传感器足够坚固，可以承受随钻测井和有线服务的恶劣环境条件，为井下地层评估分析工具提供所需的粘度和密度，以及精确度和精确度。
• 传感器在导电（盐水）或非导电流体中的性能良好，在导电流体中进行测试时没有影响的迹象。

1. Caudwell Derek R.，Trusler JP Martin，Vesovic Velisa，Wakeham William A.，2004年，正十二烷和正十八烷在最高200MPa的压力和最高473 K的温度下的粘度和密度。国际热物理学期刊08 / 2004。
2. Galvan Sanchez Francisco，贝克休斯（Baker Hughes），2013年，《在电缆无法到达的地方进行取样：案例研究说明了在具有挑战性的井眼环境中进行电缆质量测量》，SPE-164293。
3. Goodbread Joe，Vuelteers Inc，Juerg Dual，2013年，耦合扭转共振粘度计，EP2596328 A2。
4. Kestin Joseph，Khalifa Ezzat H.和Correia Robert J.，1981年，NaCl水溶液在20-150°C和1-35 MPa压力范围内的动态和运动粘度表。 化学 参考 数据，卷 10年1月1981日。
5. Lundstrum Robbi，Goodwin Antony RH，Hsu Kai，Frels Michael，Caudwell Derek R.，Trusler JP Martin和Marsh Kenneth N.，2005，两种标称粘度在T = 298 K时的粘度和密度的测量在（0.1-16）K之间的温度和低于29MPa的压力下，p = 298 MPa（393和55）mPa.s（2005和50）mPa.s。 。 数据1377、1388、XNUMX – XNUMX。
6. Rocco DiFoggio，Arnold Walkow，Paul Bergren，贝克休斯公司，2007年，使用挠性机械谐振器进行井下流体表征的方法和装置，美国专利7,162,918 B2。
7. Rogers PSZ和Pitzer Kenneth S.，1982年，《氯化钠水溶液的体积性质》，《物理学报》。 化学 参考 数据，卷 11年第1号，第1982号。

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