振动弦粘度计 【技术领域】
本发明大体上涉及井下流体的粘度测量， 更具体地， 涉及振动弦粘度计。背景技术 在井下石油和天然气探测领域， 在天然或原地条件下流体特性测量对勘探员了解 地下形成的经济效益来说是一件重要的工具。 在所关注的流体特性之中， 粘度较受关注。 然 而， 已经确定这种流体特性的井下环境会导致用于收集数据的工具产生一些问题。 比如， 井 下环境中热量、 冲击、 压力和振动可以导致工具的性能下降和 / 或测量精度的降低。
发明内容
此处公开了一种振动弦粘度计。在所述的一些实施方式中， 振动弦粘度计壳体包 括穿过壳体的出油管， 以使第一弦露出至井下流体 ； 壳体中的空腔， 以保持磁体并传导从出 油管到信号发生器的一条或多条额外的弦 ； 机械地连接到壳体的第一和第二导电杆， 以在 出油管内保持第一弦处于拉伸状态 ； 以及机械地连接到壳体以通过井下流体阻止到达磁体 的密封件。在一些另外的实施方式中， 振动弦粘度计包括信号发生器以及壳体。示例的壳体 包括第一出油管和与第一出油管流体连接的空腔， 其中可移除传感器块被插入到空腔中。 示例的可移除传感器块包括第二出油管， 当滑块被插入到空腔中时， 第二出油管大体上与 第一出油管对齐， 磁体穿过出油管产生磁场， 第一和第二导电杆将导电线保持在第二出油 管内， 以及第一和第二信号线将第一和第二传导杆中的相应一个电连接到信号发生器上。
另外一些示例的振动弦粘度计包括金属壳体， 该壳体具有空腔和与该空腔流体地 分离的出油管， 第一和第二导电杆与金属壳体电绝缘并从空腔延伸至出油管， 在第一和第 二导电杆之间保持处于拉伸状态以响应于电力信号振动的导电线， 磁体位于空腔内并平行 于导电线延伸， 借助至少空腔来电连接到第一和第二导电杆的分析器， 从而根据导电线的 振动确定粘度， 以及填充空腔的封装材料以从出油管和围绕着金属壳体的井下流体与空腔 流体地分离。
在一些其它的实施方式中， 振动弦粘度计包括具有出油管的壳体， 以使得井下流 体流动通过出油管， 响应于交流电而在出油管内振动的弦， 连接到壳体的罩子， 使线在出油 管内保持拉伸的第一和第二导电杆， 其中第一和第二导电杆在壳体和罩子之间被气密地密 封， 以及电连接到第一和第二导电杆上以测量线上反向电压从而确定井下流体粘度的分析 器。
附图说明 图 1 描绘了从钻井设备上悬挂进入井眼内的钢丝绳工具， 且其采用了此处所述的 示例粘度计。
图 2 描绘了采用了此处所述的示例粘度计的钻井工具。
图 3 为图 1 所述的流体取样系统的井下工具部分的示意图。 图 4 为具有封装密封的示例性振动弦粘度计的剖面图。 图 5 为图 4 中示例性的振动弦粘度计的正视图。 图 6 为具有柔性金属罩密封的示例性的振动弦粘度计的剖面图。 图 7 为具有气密密封杆的示例性的振动弦粘度计的剖面图。 图 8 为图 7 中示例性的振动弦粘度计正视图。 图 9 为具有包括磁体的盖子的示例性的振动弦粘度计的剖面图。 图 10 为图 9 的示例性的振动弦粘度计的正视图。 图 11 为包括可移除传感器块的示例性的振动弦粘度计的剖面图。 图 12 为图 11 中示例性的振动弦粘度计的俯视图。 图 13 为图 11 中示例性的可移除传感器块的等轴视图。 图 14 为两个所示出的弦和杆构形之间弦拉伸和杆伸张关系的曲线图。 图 15 为保持弦拉伸的示例弦和杆构形的示意性视图。 图 16 为保持弦拉伸的示例弦、 杆和出油管构形的示意性视图。 图 17A-17F 示出为弦提供交流电的示例弦、 杆和出油管构形。 图 18 为包括电磁体的示例性的振动弦粘度计构形的示意图。 图 19 为包括可移除出油管的示例性的振动弦粘度计构形的示意图。具体实施方式
一些实施例通过上述附图和下面详细的描述而得以展示。 在所描述的这些实施例 中， 相似或相同的参考数字用于代表相同或相似的元件。为了清楚和 / 或简明， 附图不需要 改变大小， 且附图的一些特征和视图可以放大显示或示意性显示。 因此， 下面描述的示例系 统， 本领域技术人员可轻易地理解这些实施例并非单一的实施该系统的方法。
在此处说明示例振动弦粘度计的不同方面和 / 或特征。很多这些不同方面和 / 或 特征可结合起来实现这些方面和 / 或特征的各自的优点。这是说明的振动弦粘度计的不同 应用和实施方式相对于其它的结合而言可从下述说明的特征的一些结合中得益。
此处说明的示例性振动弦粘度计可用来在地下流体取样过程中和 / 或分析操作 期间测量井下流体的粘度。 在一些应用中， 粘度计至少部分地被浸入井下流体中， 井下流体 可以是腐蚀性的或对一些设备特别是电气装置比如传感器或类似物有害。因此， 此处说明 的一些示例振动弦粘度计包括具有出油管和两个沟槽的金属壳体。 金属壳体和振动弦可以 很小， 以提高井下工具的空间效率。 出油管可使得流体流过示例粘度计， 导电线可安装在出 油管中。 在一些实施例中， 导电线在两个导电杆之间保持拉伸状态， 导电杆在两个沟槽之间 横穿过出油管， 并与金属主体电分离或绝缘。 在一些另外的实施例中， 沟槽可平行于出油管 地保持一个或更多的永磁体和电性拉伸的导电线以产生横向于该线的磁场。 在一些另外的 实施例中， 磁体可采用一个或更多的电磁体来形成。电磁体可以安装在出油管的一侧或两 侧上以产生磁场。
然后， 示例性导电线可以连接到交流电源上来使导电线在磁场内以共振频率振 动。示例导电线在流体内振动， 这可缓冲导电线的振动， 其缓冲量取决于流体的粘度。然后 分析器线路可以通过确定阻尼值来确定井下流体的粘度。在一些实施例中， 沟槽包括与金属粘度计壳体的另一部分连接的金属连接件。示 例金属壳体可包括信号发生、 测量、 分析、 和 / 或通信装置以传输和接收传向 / 来自金属壳 体外的信号。 在一些实施例中， 沟槽内填充了非导电性封装材料比如环氧树脂、 塑料或橡胶 模制材料。封装材料可密封沟槽和包含在其中的成分免受 ( 各 ) 井下流体的作用。在一些 实施例中， 封装材料可将流体压力传递到出油管来相对于围绕着粘度计的 ( 各 ) 井下流体 来平衡出油管的压力。
在一些其他实施例中， 可进一步通过金属罩相对于井下流体密封沟槽。在这样的 实施例中， 金属罩是柔性的以使得井下流体对沟槽内包含的封装材料施加流体压力， 因而 平衡了出油管的压力。
在一些其它的实施例中， 粘度计壳体设置有由可移除传感器块。一些示例的可移 除传感器块包括与粘度计壳体的出油管对齐的出油管， 一个或多个的磁体， 在出油管内振 动的弦， 在壳体内与电元件电连接的外部电线。在示例的可移除传感器块插入到粘度计壳 体后， 可安装盖子来保护可移除传感器块。
还在另一些实施例中， 壳体包括出油管和在出油管中保持拉伸状态的振动弦。然 后安装示例盖， 盖子包括机械地附接并同时安装到盖上的一个或多个磁体。 在安装时， 磁体 穿过振动弦产生磁场。 仍然在其它一些实施例中， 出油管可被插入到壳体中。出油管和壳体被密封以防 止井下流体进入到壳体中的元件。
图 1 描述了井下工具 10， 其从钻井设备 12 上悬挂在井眼 14 中， 且其采用了此处描 述的示例粘度计。井下工具 10 可以为能够实施的地层评价和由钢丝绳、 钻杆柱、 螺旋管或 光滑管线传送的任何工具。图 1 中井下工具为传统的钢丝线工具， 其通过钢丝绳缆线 16 在 井眼 14 中从钻井设备 12 张开并相邻于地层 F 定位。井下工具 10 设置有取样器 18， 适于相 对于井眼 14 的井壁 20 密封 ( 此后称为 “壁 20” 或 “井眼壁 20” ) 并如箭头所示从地层 F 将 流体引入井下工具 10。备用活塞 22 和 24 辅助推动井下工具 10 的取样器 18 抵靠井壁 20。 另外或可选地， 其它类型的密封装置， 比如双管封隔器， 可用来将地层流体引入到井下工具 10 中， 如美国专利 No.4860581 中所公开的那样。
图 2 描述了根据本发明来构造的另一个井下工具 30。图 2 中的井下工具 30 为钻 井工具， 其可以在一个或多个 ( 或其自身 ) 随钻测量 (MWD) 的钻井工具、 随钻测井 (LWD) 钻 井工具或本领域公知的其它钻井工具之间传送。井下工具 30 附接到通过钻井设备 12 驱动 的钻杆 32 以形成井眼 14。 井下工具 30 包括取样器 18， 适于对井眼 14 的井壁 20 进行密封， 以如箭头所示从地层 F 将流体引入到井下工具 30 中。
图 3 为描述了流体取样系统 34 的图 1 中的井下工具 10 的一部分的示意图。取样 器 18 优选地从井下工具 10 的壳体 35 延伸， 从而与井壁 20 接合。取样器 18 设置有用来密 封井壁 20 的封隔器 36。封隔器 36 接触到井壁 20， 且与内衬于井眼 14 的泥饼封堵 40 形成 密封。泥饼的部分渗入井壁 20 并在井眼 14 周围形成侵入带 42。侵入带 42 包括污染周围 地层的泥和其它井眼流体， 包括地层 F 和其中含有的一部分原始流体 44。
取样器 18 优选地设置有评价出油管 46。流体流通装置的示例， 比如取样器和双 管封隔器， 用于将流体引入到出油管中， 如美国专利 No.4860581 和 No.4936139 所描述的那 样。
评价出油管 46 延伸进入井下工具 10 中， 并用于传输流体， 比如传输原始流体 44 进入井下工具 10 中用来测试和 / 或取样。评价出油管 46 延伸到取样腔 50 中用于收集原 始流体 44 的样本或可重新导向以丢弃样本。泵 52 可用来通过出油管 46 抽吸流体。
虽然图 3 显示了用来从地层抽吸流体的井下工具的示例构形， 本领域技术人员可 清楚可以使用各种构形的取样器、 出油管和井下工具， 且并非有意限定本发明的范围。
根据本发明， 粘度计 60 关联于井下工具 10 内的评价腔， 比如评价出油管 46 用来 测量评价空腔内的流体的粘度。粘度计 60 的示例实施结合附图 4-19 被更详细地示出。
井下工具 30 可以与井下工具 10 一样以类似方式设置有壳体 35、 取样器 18、 流体 流动系统 34、 封隔器 36、 评价出油管 46、 样本腔 50、 ( 各 ) 泵 52 和粘度计 60。
图 4 为采用封装密封的示例振动弦粘度计 400 的剖面图。图 5 为图 4 示例振动弦 粘度计 400 的正视图。示例振动弦粘度计 400 可用来实现测量井下液体的粘度的图 3 中描 述的 ( 各 ) 示例粘度计 60。
示例振动弦粘度计 400 包括使线 404 露出至井下流体的壳体 402。示例壳体 402 由金属制成， 比如钢、 铝、 Densiment D176( 钨合金 ) 或另外一些高强度、 相对惰性的金属。 为使线 404 暴露至井下流体， 在比如井下取样和 / 或分析操作过程中， 壳体 402 包括井下流 体流经的出油管 46。 井下流体通过流体地连接到出油管 406 的取样管和 / 或通过至少部分 地浸入井下流体内的壳体 402 来流动于出油管 406。在一些实施例中， 采用钨实现线 404。 示例壳体 402 进一步包括两个空腔或沟槽 408 和 410， 磁体 412 和 414 放置其中。 磁体 412 和 414 产生穿过线 404 的磁场。在一些实施例中， 磁体 412 和 414 为永磁体。在 其它实施例中， 磁体 412 和 414 为以下的附图 18 中示出的采用一个或更多电磁体的磁体。 如图 5 中所示， 磁体 412 和 414 分别位于沟槽 408 和 410 相应一个内， 并在出油管 406 内产 生磁场 ( 即， 穿过线 404)。
为了支撑出油管 406 内的线 404， 示例振动弦粘度计 400 进一步包括两个杆 416 和 418。如图 5 所示， 杆 416 和 418 在沟槽 408 和 410 之间靠近出油管 406 端部定位。示例杆 416 和 418 电连接于线 404 以将交流电传输到线 404。 杆 416 和 418 进一步提供机械支撑以 保持线 404 在井下流体内大体不变地拉伸。线 404 的长度和张力直接影响到共振频率， 并 因此应该保持常态以获得精确的测量。 在所示实施例中， 线 404 通过激光焊接紧固到杆 416 和 418。在出油管 406 内以及沟槽 408 和 410 之间， 杆 416 和 418 机械地连接到壳体 402。 然而， 杆 416 和 418 与壳体 402 电性分离或彼此绝缘以防止线 404 的短路。在一些井下流
体具有高腐蚀性的实施例中， 杆 416 和 418 采用和/或实现。在一些井下流体具有较低腐蚀性的实施例中， 杆 416 和 418 采用 替代实现。
示例壳体 402 还包括安装有电子器件 422 在内的空腔 420。电子器件 422 被构成 为使得线 404 振动 ( 如信号发生器 )， 从而通过线 404( 如分析器 ) 测量井下流体的粘度， 和 / 或沿着钻杆或钢丝绳工具与额外的工具连接 ( 例如通信工具 )。示例空腔 420 借助壳 体 402 保护电子器件 422 不受井下流体和压力的影响。在一些示例的应用中， 振动弦粘度 计 400 被安装在流体取样和 / 或分析工具上并通过钢丝绳、 钻杆、 卷绕管， 和 / 或光滑管线 传输， 这样振动弦粘度计 400 的第一部分 424 露出至井下流体， 而在工具内的第二部分受到 保护。所示出的虚线 428 示出了取样和 / 或分析工具的示例壁， 其中安装了振动弦粘度计 400， 这样第二部分安装在工具中。为了将粘度计 400 的其它电子元件连接到电子器件 422， 示例沟槽 408 和 410 进一 步分别包括密封杆 430 和 432。密封杆 430 和 432 通过相应的电线 434 和 436 以及通道 438 和 440 电连接到电子器件 422 上。此外， 密封杆 430 和 432 每个通过电线 442 和 444 连接到 杆 416 和 418 之一， 以将电子器件 422 电连接到线 404。示例密封杆 430 和 432 由 BeCu( 铍 铜 ) 合金制成。为了相对于沟槽 408 和 410 密封腔 420 和电子器件 422， 密封圈 446 和 448 以及垫圈 447 和 449 可安装在密封杆 430 和 432 以及相应通道 438 和 440 之间。示例密封 圈 446 和 448 采用双层 O 型密封件， 因为一些灌注材料 450 和 452 可以粘接到 O 型密封件的 外部且防止正确的密封。此外， 垫圈 447 和 449 可以采用， 比如， 使杆 430 和 432 与壳体 402 绝缘。
在已经组装示例振动弦粘度计 400 后， 沟槽 408 和 410 内的剩余空间被封装或灌 注材料 450 和 452 填充， 这些材料比如可以是环氧树脂、 橡胶、 塑料或其它任何合适的封装 材料。 在一些实施例中， 环氧树脂可用于实现灌注材料 450 和 452， 且利用塑模 ( 如 ) 来保护灌注材料 450 和 452 不受井下流体的侵害。
为了测量出油管 406 内井下流体的粘度， 电子器件 422( 如， 信号发生器 ) 以预定 频率产生正弦信号或其它信号。信号从电子器件 422 向线 434 和 442 传送。线 442 与杆 416 电连接， 从而将信号传导到线 404 和另一个杆 418。杆 418 电连接到电线 444， 其进一步 通过电线 436 连接到电子器件 422 上。因此， 电子器件 422 对线 404 施加交流电。以特别 的频率， 取决于线 404 的长度和张力， 线 404 在由磁体 412 和 414 提供的磁场内以共振频率 振动。 取决于围绕着线 404 的井下流体的粘度， 线 404 的振动会被缓冲和 / 或需要额外 动力以使线 404 以共振频率继续振动。( 各 ) 磁体越靠近振动线 404， 磁场强度和线 404 的 振动幅度越大。作为振动线 404 和磁场 ( 如反电动力 (emf)) 的结果， 产生出反向电压。反 向电压通过电子器件 422( 如分析器 ) 测量， 以确定井下流体的粘度。使用振动弦以确定流 体粘度的方法的进一步说明可在美国专利 7222671 中找到。
图 6 为具有柔性金属罩密封 602 的示例振动弦粘度计 600 的剖面图。示例振动弦 粘度计 600 包括部件 402-422 以及 428-448， 其与图 4 中所描述的示例振动弦粘度计 400 中 相类似或相同。此外， 示例沟槽 408 和 410 填充有封装或灌注材料 450 和 452。
与图 4 中振动弦粘度计 400 相反， 封装材料 450 和 452 不露出至围绕着壳体 402 的 井下流体。作为替代， 振动弦粘度计 600 包括紧固到壳体 402 上的柔性金属罩 602。罩 602 防止井下流体和封装材料 450 和 452 之间发生气体吸收和 / 或其它反应。此外， 示例金属 罩 602 为柔性的， 以使得井下流体对封装材料 450 和 452 施加流体压力。施加到封装材料 450 和 452 上的流体压力进一步施加到附图 4 内描述的出油管 406 上， 以平衡由出油管 406 流出的井下流体施加的流体压力。金属罩 602 可采用比如 718， 在这个情况下附 图标记 718 表示在该 Inconel 商标下可商业地采用的特定材料， 而并不会成为附图的任何 部分。
为了将罩 602 紧固到壳体 402 上， 罩 602 可通过焊接、 铜焊、 和 / 或采用任何其它 方式来使罩 602 和壳体 402 连接和密封。罩 602 可设置有填充孔 604 和 606， 由此沟槽 408 和 410 可填充上封装材料 450 和 452。当沟槽 408 和 410 被填充时， 孔 604 和 606 可被填充 或密封， 以防止井下流体通道封装材料 450 和 452 上。
图 7 为具有气密密封的柱 708 和 710 的示例振动弦粘度计 700 的剖面图。图 8 为 示例振动弦粘度计 700 的正视图。 示例振动弦粘度计 700 包括金属壳体 702， 金属壳体包括 出油管 704。 出油管 704 使得井下流体流入， 比如， 在井下流体取样和 / 或分析操作中， 以确 定井下流体的粘度。为了确定粘度， 振动弦粘度计 700 进一步包括位于两个导电杆 708 和 710 之间保持在拉伸状态的线 706。
杆 708 和 710 在壳体 702 和罩 712 之间采用非传导性气密密封 714， 716， 718 和 720 机械地连接或紧固。 气密封接 714-720 可采用， 比如玻璃、 陶瓷、 和 / 或任何其它非传导 性材料以防止杆 708 和 710 与壳体 702 和 / 或罩 710 发生电接触。
然后， 杆 708 和 710 可以与电子器件 422 电连接。电子器件 422 可包括信号发生 器、 分析器、 通信装置、 和 / 或其它电子元件以确定井下流体的粘度和 / 或与井下工具的其 它部分通信。示例电子器件 422 通过在壳体 702 中的通道 728 和 730 运作的电线 724 和 726 与杆 708 和 710 电连接。通道 728 和 730 通过气密封接 716 和 720 隔离井下流体。结 果， 杆 708 和 710 比图 4-6 中的示例杆 416 和 418 更易于安装和连接到电子器件 422。
示例振动弦粘度计 700 可进一步包括温度传感器 732， 以确定井下流体的温度。 温 度传感器 732 通过气密封接 734 机械地连接到壳体 702 上， 并通过在通道 738 内延伸的电 线 736 电连接到电子元件 422 上。通道 738 通过气密封接 734 与井下流体隔离。
振动弦粘度计 700 进一步包括磁体 740 和 742。在图 7 所示的视图中， 磁体 742 被 磁体 740 挡住， 没有被示出。磁体 740 和 742 都显示在图 8 所示的正视图中。
在示出的图 8 的视图中， 示例气密封接 716 和 720 分别被气密封接 714 和 718 挡 住。如图 8 所示， 出油管 704 使得井下流体流经壳体 702。线 706 和柱 708 和 710 优选地不 妨碍井下流体流。
像图 4-6 中所示的磁体 412 和 414 一样， 磁体 740 和 742 被插入壳体 702 内的沟 槽或腔 744 和 746 中。然而， 腔 744 和 746 可小于图 4-6 中的示例空腔 408 和 410， 因为密 封杆 430 和 432 不需要将线 724 和 726 连接到电子器件 422 上。事实上， 示例空腔 744 和 746 可制成精确地符合磁体 740 和 742。在一些实施例中， 剩下的空腔 744 和 746 可填充封 装材料， 比如在图 4-6 中描述的封装材料 450 和 452。如上所描述， 封装材料可结合柔性罩 712 使用， 以平衡出油管 704 内施加到壳体 702 上的流体压力。
为了将示例线 706 和杆 708 和 710 安装到出油管 704 内， 罩 712 开始时可不连接 到壳体 702 上。此外， 开始时可以不采用气密封接 714-720。参考图 7， 杆 708 和 710 可插 入壳体 702 上的相应杆孔 748 和 750 中。然后， 杆 708 和 710 通过通道 728 和 730 与电线 724 和 726 电连接。当杆 708 和 710 与线 724 和 726 电连接时， 杆 708 和 710 通过气密密封 716 和 720 与壳体 702 机械连接或紧固。例如， 熔融玻璃或熔融陶瓷材料可应用至杆 708 和 710。然后， 熔融玻璃或陶瓷冷却和硬化， 以形成气密封接 716 和 720。
在其它一些实施例中， 杆 708 和 710 在将杆 708 和 710 电连接到电线 724 和 726 之前， 密封定位。在这样的一个实施方式中， 杆 708 和 710 延伸穿过气密封接 716 和 720 以 允许电连接至线 724 和 726。
然后， 磁体 742 和 744 可插入相应沟槽 744 和 746。可选地， 磁体 742 和 744 可以 在安装罩 712 之前的任何其它时间插入。空腔 744 和 746 同样也可在将磁体 742 和 744 插 入或安装罩 712 之后填充封装材料。在磁体 742 和 744 以及 708 和 710 插入之后， 罩 712 可固定到壳体 702。如果罩 712 为金属材料， 罩 712 可焊接和 / 或铜焊到壳体 702。当罩 712 进行固定时， 杆 708 和 710 至少部分地位于罩 712 的孔内。结果， 当气密封接材料施加到包含了杆 708 和 710 的孔中 时， 气密封接 714 和 718 可机械地连接杆 708 和 710 到罩 712 上。
线 706 可在杆 708 和 710 已经安装到壳体 702 之后的任何时间连接到杆 708 和 710。然而， 如果在杆 708 和 710 已被连接到罩 712 上后， 线 706 被连接到杆 708 和 710 上， 那么由于杆 708 和 710 之间的线 706 的拉伸， 杆 708 和 710 可以更多地不进行移动。
图 9 为具有包括磁体 904 和 906 的盖 902 的示例振动弦粘度计 900 的剖面图。示 例振动弦粘度计 900 可用来实施图 3 中描述的示例粘度计 60。如所示， 盖 902 机械地连接 到磁体 904 和 906。通过将磁体 904 和 906 插入互补形状的空腔 910， 示例盖 902 以及磁体 904 和 906 同时插入壳体 908 中。然后盖 902 通过将盖 902 焊接或铜焊至壳体 908 而被紧 固到壳体 908 上。焊接或铜焊密封住空腔 910 和磁极 904 和 906 不露出至可能损坏磁体 904 和 906 的井下流体。
壳体 908 进一步包括出油管 912， 其使振动弦 914 暴露至井下流体。示例出油管 912 平行于磁极 904 和 906 延伸， 并因此， 磁体 904 和 906 在出油管 912 内穿过振动弦 914 产生磁场。线 914 通过两杆 916 和 918 被保持在出油管 912 中。图 9 描述的视图中， 杆 918 的视图被杆 916 挡住。每个示例杆 916 和 918 借由相应的电线 920 和 922 电连接到电气器 件 422。 图 10 为图 9 中的示例振动弦粘度计的正视图。图 10 所示的视图显示了杆 916 和 918 以及线 920 和 922 之间的示例定位和连接。示例电线 920 和 922 可采用穿过壳体 908 从电子元件 422 到达相应杆 916 和 918 的任何 ( 各 ) 路径。
图 11 为包括可移除传感器块 1102 的示例振动弦粘度计 1100 的剖面图。图 12 为 图 11 中示例振动弦粘度计 1100 的正视图。示例振动弦粘度计 1100 可以用做图 3 中描述 的粘度计 60。壳体 1104 包括可将移除传感器块 1102 插入其中的沟槽或空腔 1106。插入 可移除传感器块 1102 之后， 罩或盖 1102 可固定到壳体 1104 上。
示例可移除传感器块 1102 包括出油管 1110， 磁体 1112 和 1114， 传导杆 1116 和 1118， 以及线 1120。传导杆 1116 和 1118 在出油管内将弦 1120 保持在拉伸状态， 以将线 1110 浸入井下流体中。当通过弦 1120 传导交流电时， 弦 1120 可在由磁体 1112 和 1114 产 生的磁场内振动。为了将交流电提供到传导杆 1116 和 1118 以及弦 1120， 可移除传感器块 1102 进一步包括与传导杆 1116 和 1118 其中的相应一个电连接的线 1122 和 1124。示例电 线 1122 和 1124 与相应的杆 1126 和 1128 电连接和机械连接。杆 1126 和 1128 通过相应的 线 1130 和 1132 电连接到电子器件 422。
示例壳体 1104 还包括图 12 所示的出油管 1134 和 1136。当可移除传感器块 1102 插入到沟槽 1106 中时， 出油管 1134 和 1136 和出油管 1110 对齐。当出油管 1134， 1136 和 1110 对齐时， 井下流体可自由地在线 1120 以及传导杆 1116 和 1118 周围流动。
示例振动弦粘度计 1100 允许传感器块 1102 容易移除和 / 或替换。比如， 可移除 传感器块 1102 可以配置为在弦 1120 上具有特定的拉伸以在特定的共振频率范围内振动。 在线 1120 上的拉伸对于所希望的井下流体粘度的范围是理想的， 但可能不适于高于或低 于希望的范围之外的粘度。因此， 另一个可移除传感器块还包括可配置来比线 1120 具有更
高或更低的线张力。为了快速改变振动弦粘度计 1100 中线的张力， 传感器块 1102 通过从 杆 1126 和 1128 分开线 1122 和 1124 并从沟槽 1106 中移走传感器块 1102 而被移除。然后， 将另一个可移除传感器块插入沟槽 1106 中， 并将相应的电线紧固到杆 1126 和 1128。 然后， 盖 1108 可被连接到或再次连接到壳体 1104。
图 13 为图 11 中示例可移除传感器块 1102 的等轴视图。如上所述， 可移除传感器 块 1102 包括将相应传导杆 1116 和 1118 电连接到电子器件 422 的线 1122 和 1124。线 1122 和 1124 还可包括将线 1122 和 1124 机械地连接到杆 126 和 1128 的连接器 1302 和 1304。
出油管 1110 沿着可移除传感器块 1102 的长度延伸。然而， 示例磁极 1112 和 1114 可借由， 如不沿可移除传感器块 1102 的整个长度延伸的沟槽或空腔 1306 和 1308， 插入到可 移除传感器块 1102 中。在其它一些实施例中， 空腔 1306 和 1308 沿可移除传感器块 1102 的整个长度延伸以利于插入和移除磁极 1112 和 1114。在一些实施例中， 空腔 1306 和 1308 中的一个或两个端部被堵住， 以防止磁极 1112 和 1114 掉出去。
图 14 为显示了两个已经描述过的线和杆构形 1402 和 1404 之间的线张力和线拉 伸关系的图表 1400。如上所述， 振动弦粘度计的线部分的张力影响到振动的共振频率。如 果张力太小， 频率可能会很低。类似地， 如果张力太大， 频率可能会过高。通常建立所需的 频率范围以优化或调整信号强度来匹配信号分析器的频率响应能力。 图 14 中示例图表 1400 描述了两个线张力和线拉伸关系或曲线 1406 和 1408。示 例曲线 1406 描述了示例线和杆构形 1402 的线张力及线拉伸关系。示例曲线 1408 示出示 例线和杆构形 1404 的线张力及线拉伸关系。
线和杆构形 1402 包括机械地连接到出油管 1414 上的两个杆 1410 和 1412。 杆 1410 和 1412 使弦 1416 保持在拉伸状态。杆 1410 和 1412 紧紧地紧固到出油管 1414 的侧面。因 此， 杆 1410 和 1412 之间的任何拉伸都几乎完全由弦 1416 的拉伸引起。相反， 弦和杆构形 1404 包括两个机械地连接到出油管 1422 上的杆 1418 和 1420。杆 1418 和 1420 将线 1424 保持为拉伸。不同于杆 1410 和 1412， 杆 1418 和 1420 可响应于施加到线 1424 上的拉伸而 弯曲以增加或减少支撑点之间的拉伸。 杆 1418 和 1420 的弯曲可通过改变杆 1418 和 142 的 厚度 ( 如直径 ) 和 / 或采用不同的材料来调整。在一些实施例中， 如图 17E 和 17F 所示， 杆 1418 和 / 或 1420 可以是悬臂式杆以响应于施加到线 1424 上的拉伸而弯曲。线 1424 以及 杆 1418 和 1420 上的支撑点之间的每个额外拉伸单元在线 1424 上引起的伸张比在弦 1416 上引起的拉伸要小， 且施加在线 1424 上的所需张力范围由于拉伸的范围很大而更易获得。 当出油管 1422 以及杆 1418 和 1420 由于井下温度和压力的条件下发生膨胀时尤为重要。
线 1406 和 1408 的相应斜度分别取决于杆 1410、 1412、 1418 和 1420 的柔韧性。杆 1410、 1412、 1418 和 1420 可以制造得更为或者不那么柔软， 以容纳不同长度的线和 / 或不同 尺寸的振动弦粘度计工具。更小的工具可使用更为刚硬的杆， 比如杆 1410 和 1412。相反 的， 具有更多伸展空间的工具可以使用杆 1418 和 1420 以更容易地获得所需的拉伸范围。
图 15 为保持线张力的示例线和杆配置方式 1500 的示意图。示例配置方式 1500 可用于上面图 4-12 所示和描述的任何的示例振动弦粘度计上。示例线和杆配置方式 1500 包括杆 1502、 1504 和 1506。杆 1502-1506 机械地连接到出油管 1508， 通过这样井下流体可 在取样操作中流动以浸入振动线 1510。 示例杆 1504 和 1506 是传导性的并可以将交流电输 送到线 1510 以在磁场存在的情况以所需频率引起线 1510 振动。
线 1510 进一步通过弹簧 1512 连接到杆 1502。示例杆 1502 可以是非传导性的， 以 防止杂散电流或短路出现。弹簧 1512 使线 1510 处于大体上不变的拉伸以将共振频率保持 在所需范围内。弹簧 1512 可构形为使线 1510 处于拉伸情况并保持该线抵住杆 1504。然后 线 1504 在杆 1504 和 1506 之间振动但不会使弹簧 1512 振动。
图 16 为保持所需线张力的示例线、 杆、 出油管构形 1600 的示意图。示例配置方式 1600， 就像图 15 中所描述的配置方式 1500， 可用在图 4-12 所示出和描述的任何示例振动弦 粘度计中。
示例线、 杆、 出油管配置方式 1600 包括两个出油管管道 1602 和 1604。弹簧 1606 推动出油管到 1602 和 1604 分开。第一杆 1608 机械地连接到第一出油管管道 1602， 第二杆 1610 机械地连接到第二出油管管道 1604。杆 1608 和 1610 之一或全部还分别连接到相应 管道 1602 和 / 或 1604。杆 1608 和 1610 将线 1612 保持为拉伸， 并穿过线 1612 引导交流电 以在磁场存在的情况下发生使线 1612 振动。
弹簧 1606 使得出油管管道 1602 和 1604 分开， 而线 1612 以及杆 1608 和 1610 将 管道 1602 和 1604 保持在一起。因此， 由弹簧 1606 施加到管道 1602 和 1604 上的力受到施 加到线 1612 上的拉伸力的阻抗。因此弹簧 1606 可用来控制线 1612 的张力且将振动频率 保持其在所需频率范围内。具有较高弹簧弹力或弹性常数的弹簧 1606 可以使线 1612 保持 较大的张力。相反， 配置弹簧 1606 以使其具有较低的弹簧弹力或弹性常数， 这可允许在线 1612 上具有较小的张力。 图 17A-17F 示出了示例线、 杆、 和出油管配置方式 1702、 1704、 1706、 1708、 1742 和 1744 以使得振动弦和支撑柱与出油管电性分开。示例配置方式 1702、 1704、 1706、 1708、 1742 和 1744 可实施图 4-12 中所示和描述的任何示例振动弦粘度计。
图 17A 示出利用非导电杆 1710 和 1712 的示例构形 1702。非传导杆 1710 和 1712 可直接地连接到传导性出油管 1714。然后， 振动线 1716 可被紧固在非传导杆 1710 和 1712 之间。为了将线 1716 耦合到信号发生器 1717 以接收交流电， 导线 1718 和 1720 可连接到 振动线 1716。在一些实施例中， 导线 1718 和 1720 从位于出油管 1714 外的振动线 1716 延 伸穿过非传导杆 1710 和 1712。
图 17B 示出了另一个示例配置方式 1704， 利用通过非传导性连接器 1726、 1728、 1730 和 1732 而与导电出油管 1714 电分离或绝缘的导电杆 1722 和 1724。线 1716 被紧固 到传导杆 1722 和 1724 上， 其通过电线 1718 和 1720 与信号发生器 1717 电连接以将交流电 传输到线 1716 上。
图 17C 示出了又一个利用了机械地连接的分开传导管道 1734 和 1736 的示例配置 方式 1706。管道 1734 和 1736 也是通过非传导性物质 1738 使得相互之间电分离或绝缘， 非 传导性物质可应用于管道 1734 和 1736 否则会发生机械和 / 或电接触的任何区域。然后， 导电杆 1722 和 1724 与管道 1734 和 1736 的相应一个机械地连接和电连接。线 1716 拉伸 着紧固到杆 1722 和 1724 上。然后交流电可通过杆 1722 和 1724 和 / 或管道 1734 和 1736 传到线 1716 上， 以使得线 1716 在存在磁场的情况下以共振频率振动。为了传导交流电， 杆 1722 和 1724 和 / 或管道 1734 和 1736 可通过线 1718 和 1720 与信号发生器电连接。
图 17D 示出了包括机械地连接到导电管道 1734 和 1736 的非导电性管道 1740 的 另一个配置方式 1708。导电管道 1734 和 1736 以及非导电管道 1740 可配合起来， 提供一条
出油管。导电杆 1722 和 1724 机械地且电力地连接到相应传导管道 1734 和 1736 以保持线 1726 在杆 1722 和 1724 之间处于拉伸状态。然后， 交流电可通过杆 1722 和 1724 以及 / 或 管道 1734 和 1736 传到线 1716， 以在磁场存在的情况下使线 1716 以共振频率振动。信号发 生器 1717 可通过线 1718 和 1720 将交流电传到线 1716， 其与杆 1722 和 1724 以及 / 或导电 管道 1734 和 1736 电连接。非导电管 1740 通过经由导电杆 1734 和 1736 绕过线 1716 而防 止发生短路。
图 17E 示出了包括导电悬臂式杆 1746 和 1748 的另一个示例配置方式 1742。悬臂 式杆 1746 和 1748 通过导电密封圈 1726 和 1730 而每个都分别连接到出油管 1714 上的相 应点。振动线 1716 在杆 1746 和 1748 之间保持拉伸。通过在一个位置点上连接每个悬臂 式杆 1746 和 1748 而不是在多个位置点上连接， 就像图 14 所描述的， 杆 1746 和 1748 更为 柔软且振动线 1716 上保持更为持续的拉伸。示例杆 1746 和 1748 通过线 1718 和 1720 与 信号发生器 1717 电连接以将电流传到振动线 1716。此外， 示例杆 1746 和 1748 机械地连接 至出油管 1714 的同一侧， 且因此线 1718 和 1720 可从一条沟槽通过而不是两条沟槽 ( 如图 4 中沟槽 408 和 410)。
图 17F 也示出了包括导电悬臂杆 1746 和 1748 的示例配置方式 1744。不同于图 17E 中示例配置方式 1742， 图 17F 中悬臂杆 1746 和 1748 机械地连接到出油管 1714 的相对 侧。然后， 电线 1718 和 1720 可穿过两条沟槽 ( 如图 4 中沟槽 408 和 410) 而不是同一条沟 槽。
图 18 为包括电磁体 1802 和 1804 的示例振动弦粘度计 1800 的示意图。示例电磁 体 1802 和 1804 在出油管 1808 内产生穿过振动弦 1806 的磁场。示例电磁极 1802 采用围 绕高磁导率磁芯 1812 的线 1810 而实现。类似地， 电磁体 1804 采用围绕高磁导性磁芯 1816 卷绕的线 1814 而实现。磁芯 1812 和 1816 可采用， 比如铁氧体材料。
示例线 1810 和 1814 以相同的方向缠绕相应的芯 1812 和 1816， 以产生具有相同方 向的磁场。为了产生磁场， 交流电通过发生器 1818 传到线 1810 和 1814。线 1810 通过线 1820 和 1822 电连接到信号发生器 1818。类似地， 线 1814 通过线 1824 和 1826 电连接到信 号发生器 1818。线 1820-1826 将交流电从信号发生器 1818 传到线 1810 和 1824。
当施加交流电时， 电磁体 1802 和 1804 垂直于线 1808 产生电磁场。当电流施加到 线 1808 时， 线 1808 便振动。振动的幅值与磁场的强度以及流经线 1808 的电流成比例。通 过增加电磁体 1802 和 1804 的电流， 磁场强度增加并使得振动的幅值增加。结果， 电磁体 1802 和 1804 对于精确测量不同种类流体的粘度很有用。
图 19 为包括可移除出油管 1902 的示例振动弦粘度计的示意图。示例粘度计配置 方式 1900 可用于实现图 3 中所示的粘度计 60。示例出油管 1902 可采用图 17A-17F 中示 出的示例的出油管构形 1702、 1704、 1706、 1708、 1742 和 / 或 1744 而实现。出油管 1902 被 插入壳体 1904 中， 并应用密封件 1906 和 1908。密封件 1906 和 1908 防止井下流体接触壳 体 1904 中的部件。密封圈 1906 和 1908 可采用， 比如， 焊接、 铜焊、 和 / 或弹性密封而实现。 通过将分离出油管 1902 插入到壳体 1904 中， 粘度计构架 1900 可被快速组装， 不同出油管 1902 可以快速更换以提高取样和测试的速度。出油管 1902 可在材料、 结构 ( 如传导性线 路 )， 和 / 或尺寸上不同。
壳体 1904 进一步包括一个或多个沟槽或腔 1910。示例沟槽 1910 可保持， 比如磁体、 电磁体、 线路， 和 / 或其它元件， 以实现此处描述的振动弦粘度计。此外， 示例沟槽 ( 一 条或多条 )1910 可填充封装材料， 比如上面图 4-6 所描述过的材料。封装材料保护 ( 各 ) 沟槽 1910 中的元件。
虽然制造的示例方法、 设备以及物件已在此处描述， 但本专利所覆盖的范围不限 于此。相反， 本专利覆盖所制造的每个设备、 方法和用品在字义上或在等同原则下， 均落入 附随的权利要求请求保护的范围内。