地層評価のための装置及び方法
【課題】地下層を貫通する井戸坑に配置されたダウンホール工具による地下層の地層評価を実行するための技術を提供する。
【解決手段】地下層を貫通する井戸坑に配置可能なダウンホール工具のための粘度計−密度計。地層は、そこに少なくとも１つの流体を含む。ダウンホール工具は、流体の少なくとも一部分を粘度計−密度計に搬送するようになっている。粘度計−密度計は、センサユニットと少なくとも１つの磁石を含む。センサユニットは、ダウンホール工具内に配置可能であり、少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタと、この少なくとも２つのコネクタ間に緊張状態で吊られ、それにより、粘度計−密度計がダウンホール工具内に配置され、ダウンホール工具が地下層内に配置されて地下層から流体を受け取る時に流体との相互作用に対して利用可能であるワイヤとを含む。コネクタ及びワイヤは、周波数発振器を形成するように構成される。
【解決手段】地下層を貫通する井戸坑に配置可能なダウンホール工具のための粘度計−密度計。地層は、そこに少なくとも１つの流体を含む。ダウンホール工具は、流体の少なくとも一部分を粘度計−密度計に搬送するようになっている。粘度計−密度計は、センサユニットと少なくとも１つの磁石を含む。センサユニットは、ダウンホール工具内に配置可能であり、少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタと、この少なくとも２つのコネクタ間に緊張状態で吊られ、それにより、粘度計−密度計がダウンホール工具内に配置され、ダウンホール工具が地下層内に配置されて地下層から流体を受け取る時に流体との相互作用に対して利用可能であるワイヤとを含む。コネクタ及びワイヤは、周波数発振器を形成するように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下層を貫通する井戸坑に配置されたダウンホール工具による地下層の地層評価を実行するための技術に関する。より具体的には、限定的ではないが、本発明は、ダウンホール工具によって引き込まれた及び／又は評価された地層流体の粘性及び密度のような流体パラメータを判断するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
井戸坑は、炭化水素を探して生成するために掘削される。ビットがその先端に付いたダウンホール掘削工具を地中に前進させて井戸坑を形成する。掘削工具を前進させる時に、掘削工具を通じて掘削泥水を吸い上げて掘削ビットから排出して掘削工具を冷却して掘り屑を取り除く。掘削泥水は、更に、井戸坑の内側を覆うマッドケーキを形成する。
掘削作業中、井戸坑が貫通する地層の様々な評価を行うことが望ましい。場合によっては、掘削工具を除去してワイヤライン工具を井戸坑内に配備し、地層を試験及び／又はサンプリングすることができる。他の場合には、周囲の地層を試験及び／又はサンプリングするための装置を掘削工具に装備することができ、その掘削工具を使用して試験又はサンプリングを行うことができる。例えば、これらのサンプル又は試験を使用して貴重な炭化水素の位置を示すことができる。
【０００３】
地層評価では、多くの場合、試験及び／又はサンプリングのためにダウンホール工具内に地層からの流体を引き込むことが必要である。プローブのような様々な装置をダウンホール工具から延ばして井戸坑を取り囲む地層との流体連通を確立し、流体をダウンホール工具内に引き込む。典型的なプローブは、ダウンホール工具から延ばされて井戸坑の側壁に対して配置された円形要素である。プローブの先端のゴムパッカーを利用して井戸坑の壁とのシールを作り出す。井戸坑とのシールを形成するために使用される別の装置は、二重パッカーと呼ばれている。二重パッカーを用いて、２つのエラストマー性リングが工具の回りに半径方向に広がり、それらの間の井戸坑の一部分を隔離する。リングは、井戸坑壁とのシールを形成し、流体を井戸坑の隔離部分の中に、更にダウンホール工具内の入口の中に引き込ませる。
【０００４】
井戸坑の内側を覆うマッドケーキは、プローブ及び／又は二重パッカーが井戸坑壁に対してシールを作るのを助ける上で有用であることが多い。シールができた状態で、地層からの流体は、ダウンホール工具内の圧力を下げることにより入口を通してダウンホール工具内に引き込まれる。ダウンホール工具に使用されるプローブ及び／又はパッカーの例は、米国特許第６，３０１，９５９号、第４，８６０，５８１号、第４，９３６，１３９号、第６，５８５，０４５号、第６，６０９，５６８号、及び第６，７１９，０４９号、並びに米国特許出願第２００４／００００４３３号で説明されている。
【０００５】
地層評価は、一般的に、ダウンホール工具に引き込まれた流体に関して行われる。現在、ダウンホール工具に入る流体の様々な測定、事前調査、及び／又はサンプル収集を行うための技術が存在する。しかし、地層流体がダウンホール工具内を通る時に、井戸坑流体及び／又は掘削泥水のような様々な汚染物質が地層流体と共に工具に入る場合があることが見出されている。これらの汚染物質は、測定値及び／又は地層流体のサンプルの品質に影響を与えることがある。更に、汚染は、より多くの試験及び／又はサンプリングのための付加的な時間を必要とすることにより、井戸坑作業の遅延による経費をもたらす場合がある。更に、このような問題は、誤差を含む及び／又は使用できない誤った結果を生じるであろう。
【０００６】
従って、ダウンホール工具に入り込む地層流体は、有効な試験を行う上で十分に「清浄」又は「未使用」であることが望ましい。すなわち、地層流体は、汚染がほとんどないか又は全くないものであるべきである。汚染物質が地層流体と共にダウンホール工具に入るのを排除しようという試みが行われてきた。例えば、米国特許第４，９５１，７４９号で示すように、フィルタをプローブ内に設置して汚染物質が地層流体と共にダウンホール工具に入るのを阻止している。更に、Ｈｒａｍｅｔｚに付与された米国特許第６，３０１，９５９号に示すように、プローブには、清浄な流体がプローブに入る時に汚染流体を清浄な流体からそらすための保護リングが設けられている。ダウンホール工具に入る流体は、一般的に流路を通過し、サンプルチャンバに捕捉されるか又は井戸坑内に捨てることができる。様々な弁、ゲージ、及び他の構成要素を流路に沿って組み込み、流体がダウンホール工具を通る時にそれをそらし、試験し、及び／又は捕捉することができる。
【０００７】
ダウンホール工具を通る流体を試験して様々なダウンホールパラメータ又は特性を判断することができる。貯蔵状態での流体の粘性、密度、及び相挙動のような炭化水素貯蔵流体の熱物理学的特性を用いて、潜在的な埋蔵量を評価し、有孔媒体における流量を判断し、とりわけ完成システム、分離システム、処理システム、及び計量システムを設計することができる。
流体の粘性を判断する様々な技術が開発されている。例えば、捩りワイヤのための固定点間に吊り下げられたボブを有する粘度計も、例えば、米国特許第５，７６３，７６６号及び第６，０７０，４５７号に説明されているように提案されている。粘度計はまた、振動する物体で形成されてきた。１つのこのような粘度計は、炭化水素生成井戸において地層流体又は濾液の粘性、密度、及び誘電率を測定することを目的としてダウンホール用途に使用されている。例えば、国際特許公告番号ＷＯ０２／０９３１２６では、炭化水素生成井戸内の地層流体又は濾液の粘性、密度、及び誘電率のリアルタイムの直接測定値及び推定値をもたらすためにパイプ内の音叉共振器が開示されている。２つの柱の間にクランプ留めされたワイヤを有する別の粘度計は、例えば、「Ｔλを超える加圧Ｈｅの粘性」、「Ｐｈｙｓｉｃａ ７６」（１９７４年）、１７７〜１８０頁、及び「振動ワイヤ粘度計」、「Ｔｈｅ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ」、第３５巻、第１０号、（１６９４年１０月）、１３４５〜１３４８頁に説明されているような実験室環境で使用されている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，３０１，９５９号
【特許文献２】米国特許第４，８６０，５８１号
【特許文献３】米国特許第４，９３６，１３９号
【特許文献４】米国特許第６，５８５，０４５号
【特許文献５】米国特許第６，６０９，５６８号
【特許文献６】米国特許第６，７１９，０４９号
【特許文献７】米国特許出願第２００４／００００４３３号
【特許文献８】米国特許第４，９５１，７４９号
【特許文献９】米国特許第５，７６３，７６６号
【特許文献１０】米国特許第６，０７０，４５７号
【特許文献１１】国際特許公告番号ＷＯ０２／０９３１２６
【非特許文献１】「Ｔλを超える加圧Ｈｅの粘性」、「Ｐｈｙｓｉｃａ ７６」（１９７４年）、１７７〜１８０頁
【非特許文献２】「振動ワイヤ粘度計」、「Ｔｈｅ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ」、第３５巻、第１０号、（１６９４年１０月）、１３４５〜１３４８頁
【非特許文献３】Ｒｅｔｓｉｎａ、Ｔ．；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｓ．Ｍ．；Ｗａｋｅｈａｍ、Ｗ．Ａ．著「応用科学研究」、１９８７年、４３、３２５〜３４６頁
【非特許文献４】Ｒｅｔｓｉｎａ、Ｔ．；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｓ．Ｍ．；Ｗａｋｅｈａｍ、Ｗ．Ａ．著、１９８６年、４３、１２７〜１５８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
粘性を測定する技術が存在するにも関わらず、好ましくは重力場に対するダウンホールでのセンサの位置に関係なく、ダウンホールでの正確な粘性測定値を提供する必要性が依然として存在する。このようなシステムは、精度及び／又は正確さの検査を提供することができることが望ましい。このようなシステムは、厳しい井戸坑環境での使用に適応した単純な構成を備えることが更に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
１つの態様では、本発明は、地下層を貫通する井戸坑に配置可能なダウンホール工具のための粘度計−密度計に関する。ダウンホール工具は、地層内の流体の少なくとも一部分を粘度計−密度計に搬送するようになっている。粘度計−密度計は、ダウンホール工具内に配置可能なセンサユニットを含む。センサユニットは、少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ、ワイヤ、及び少なくとも１つの磁石を含む。ワイヤは、粘度計−密度計がダウンホール工具内に配置され、かつダウンホール工具が地下層内に配置されて流体を地下層から受け取る時に流体と相互作用するのに利用可能であるように、少なくとも２つのコネクタ間に張った状態で吊られている。コネクタ及びワイヤは、周波数発振器を形成するように構成される。上述の少なくとも１つの磁石は、ワイヤと相互作用する磁場を発生する。
【００１１】
コネクタとワイヤは、周波数発振器を形成するように類似の熱膨張率を有する材料で構成することができる。例えば、コネクタとワイヤは、単一種類の材料で構成され、ダウンホール条件によって引き起こされる熱及び弾性変形によるワイヤの共振周波数の変動を実質的に排除することができる。粘度計−密度計には、ワイヤがコネクタによって吊り下げられた流管を装備することもでき、この例においては、流管、コネクタ、及びワイヤは、周波数発振器を形成するように類似の熱膨張率を有する材料で構成されることが望ましい。
【００１２】
別の態様では、センサユニットには、コネクタに対するワイヤの回転を防止するための手段が更に装備される。ワイヤの回転を防止するための手段は、ワイヤに接続したボスを含むことができ、ボスは、非円形断面を有している。
更に別の態様では、粘度計−密度計には、ワイヤと相互作用する流体の少なくとも２つのパラメータ（例えば、粘性及び密度）を計算するためのフィードバックをワイヤから受け取る分析回路が更に装備される。
【００１３】
更に別の態様では、本発明は、壁を有して地下層を貫通する井戸坑に配置可能なダウンホール工具に関する。地層は、一般的に、そこに天然ガス及び石油のような流体を有する。ダウンホール工具には、ハウジング、流体連通装置、及び粘度計−密度計が装備される。ハウジングは、少なくとも１つの評価空洞を封入する。流体連通装置は、井戸坑の壁との密封係合のためにハウジングから延長可能である。流体連通装置は、流体を地層から受け取ってこのような流体を評価空洞内に堆積させるために評価空洞と連通した少なくとも１つの入口を有する。粘度計−密度計には、評価空洞内に配置されたセンサユニットが装備される。センサユニットには、少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ、ワイヤ、及び磁石が装備される。ワイヤは、それが評価空洞内の流体との相互作用に利用可能であるように、上述の少なくとも２つのコネクタ間に張った状態で吊られている。コネクタとワイヤは、周波数発振器を形成するように構成される。少なくとも１つの磁石は、ワイヤと相互作用する磁場を発生する。粘度計は、上述のいずれかのバージョンとすることができる。
【００１４】
更に別の態様では、ダウンホール工具には、既知の特性、例えば、粘性及び密度を有する流体を収容する比較チャンバを装備することができる。比較チャンバ内のダウンホール条件、例えば、圧力及び温度は、評価空洞内のダウンホール条件と類似（好ましくは同一）である。ダウンホールが、評価空洞内の未知のパラメータの流体内に配置された一方のセンサユニットと、比較チャンバ内の既知のパラメータの流体と共に配置された他方のセンサユニットとを含むように、ダウンホール工具には、比較チャンバ内のセンサユニットも装備される。評価空洞内の流体の未知のパラメータの少なくとも２つ（例えば、粘性及び密度）を示す信号が次に計算される。
【００１５】
更に別の態様では、本発明は、未知の流体を有する地層を貫通する井戸坑内でその流体の少なくとも２つの未知のパラメータを測定する方法に関する。本方法においては、ダウンホール工具の流体連通装置は、井戸坑の壁と密封係合した状態で設けられる。流体は、次に、地層からダウンホール工具内の評価空洞の中に引き込まれる。評価空洞内の流体のデータは、評価空洞内に配置されて２つのコネクタ間に吊されたワイヤを有する粘度計−密度計でサンプリングされる。ワイヤ及びコネクタは、周波数発振器を形成するように構成される。
この態様では、評価空洞は、流路又はサンプルチャンバとすることができる。粘度計−密度計によってサンプリングされたデータを用いて、評価空洞内でサンプリングされたデータを利用して少なくとも２つのパラメータを計算することができる。この少なくとも２つのパラメータは、粘性及び密度を含む。
【００１６】
更に別の態様では、本方法は、評価空洞内の流体の温度及び圧力に関連した温度及び圧力を有する比較チャンバ内の既知の流体に対してデータをサンプリングする段階を含むことができる。この例においては、本方法は、一般的に、比較チャンバからサンプリングされたデータと評価空洞からサンプリングされたデータとを利用して、評価空洞内の未知の流体の少なくとも２つのパラメータを計算する段階を更に含む。
【００１７】
更に別の態様では、本発明は、流体の粘性及び密度のような少なくとも２つの流体パラメータを計算するための分析回路に供給されるか又はそこに含むことができるコンピュータ可読媒体に関する。この例においては、コンピュータ可読媒体は、（１）一方のセンサユニットが未知のパラメータの流体内に配置され、他方のセンサユニットが既知のパラメータの流体と共に配置された少なくとも２つのセンサユニットからフィードバックを受け取り、（２）この一方のセンサユニットが配置された流体の未知のパラメータの少なくとも２つを示す信号を計算し、同時に未知のパラメータの流体内のセンサユニットを取り囲む井戸坑条件の変動を実質的に排除するための論理を含む。信号を計算するための論理は、例えば、センサユニットから受け取ったデータのジョイント・インバージョンを実行するための論理を含むことができる。
上述の本発明の態様の各々においては、少なくとも２つの流体パラメータは、同時に計算されることが好ましい。
【００１８】
本発明の上述の特徴及び利点を詳細に理解することができるように、先に簡単に要約した本発明のより詳細な説明は、添付図面に示すその実施形態を参照することによって行うことができる。しかし、本発明は他の同等に有効な実施形態を受け入れることができるので、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、従って、その範囲を限定するように解釈されないことに注意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の現時点で好ましい実施形態を上述の図面に示し、以下で詳細に説明する。好ましい実施形態を説明する際に共通又は類似の要素を特定するために同様又は同一の参照番号を使用する。図面は必ずしも縮尺通りではなく、図面中のいくつかの特徴及びいくつかの図は、明瞭さ及び正確さのために縮尺において誇張され又は概略で示す場合がある。
【００２０】
定義
いくつかの用語は、それらが初めて使用される時に本説明を通して定義され、一方、本説明で使用されるいくつかの他の用語は以下のように定義される。
「環状」とは、環、環に関すること、又は環を形成すること、すなわち、円又は楕円のような閉鎖曲線の形状の線、帯、又は構成を意味する。
「汚染流体」とは、流体が井戸坑掘削時に使用された泥水からの濾液のような汚染物質を含むために、炭化水素流体サンプリング及び／又は評価に一般的に許容可能ではない流体、例えば、気体又は液体を意味する。
「ダウンホール工具」とは、関連する１以上の地下層の評価、生成、及び／又は管理に関係したダウンホール作業を行うためのドリルストリング、ワイヤライン、及びコイル配管のような手段により井戸坑内に配備される工具を意味する。
【００２１】
「作動的に接続された」とは、情報、力、エネルギ、又は物質（流体を含む）を伝達するか又は誘導するために直接的又は間接的に接続されたことを意味する。
「未使用流体」とは、十分に純粋、無垢、自然、非汚染、又はそれ以外に流体サンプリング及び分析分野において有効な炭化水素サンプリング及び／又は評価のための所定の地層を満足できる程度に表すと考えられる地下流体、例えば、気体又は液体を意味する。
「流体」とは、「未使用流体」又は「汚染流体」のいずれかを意味する。
【００２２】
「クランプ」とは、２以上の部品をそれらを確実に保持するために互いに結合又は締付け又は圧迫するように設計された装置を意味する。
「コネクタ」とは、ワイヤの一部分を固く接合又は把持するためのクランプのようなあらゆる装置又はアセンブリを意味する。
「周波数発振器」とは、井戸坑条件、例えば、温度及び圧力の変化が、張られたワイヤの共振周波数に実質的な影響を与えず、それによって様々な井戸坑条件における張られたワイヤから得られた読取値が、張られたワイヤと相互作用する流体の特性を満足できる程度に表すように、真空内の張られたワイヤの共振周波数（以下、「ｆ0」と呼ぶ）が予測可能であることを意味する。
【００２３】
詳細説明
図１は、リグ１２から井戸坑１４内に吊り下げられる本発明により構成されたダウンホール工具１０を示している。ダウンホール工具１０は、掘削、コイル配管、又は他のダウンホール工具のような、地層評価を行うことができるあらゆる種類の工具とすることができる。図１のダウンホール工具１０は、ワイヤラインケーブル１６を通じてリグ１２から井戸坑１４内に配置され、かつ地層Ｆの近くに配置された従来のワイヤライン工具である。ダウンホール工具１０には、井戸坑１４の壁２０（以下、「壁２０」又は「井戸坑壁２０」と呼ぶ）との密封を行うようになったプローブ１８が装備されており、矢印によって示すように、流体を地層Ｆからダウンホール工具１０内に引き込むものである。バックアップピストン２２及び２４は、ダウンホール工具１０のプローブ１８を井戸坑壁２０に押し当てるのを助けるものである。
【００２４】
図２は、本発明により構成されたダウンホール工具３０の別の例を示している。図２のダウンホール工具３０は、掘削中測定（ＭＷＤ）掘削工具、掘削中ログ（ＬＷＤ）掘削工具、又は当業者に公知である他の掘削工具の１以上（又は、それ自体の場合もある）の間で搬送することができる掘削工具である。ダウンホール工具３０は、井戸坑１４を形成するためにリグ１２によって駆動されるドリルストリング３２に取り付けられる。ダウンホール工具３０は、矢印で示すように、地層Ｆからダウンホール工具３０内に流体を引き込むために井戸坑１４の壁２０との密封を行うようになったプローブ１８を含む。以下で説明する粘度計−密度計又はセンサユニットは、ダウンホール工具１０又はダウンホール工具３０と共に使用することができる。
【００２５】
図３Ａは、流体流れシステム３４を示す図１のダウンホール工具１０の一部分の概略図である。プローブ１８は、井戸坑壁２０との係合のためにダウンホール工具１０のハウジング３５から延長されることが好ましい。プローブ１８には、井戸坑壁２０との密封を行うためのパッカー３６が装備されている。パッカー３６は、井戸坑壁２０に接触して井戸坑１４の内側を覆うマッドケーキ４０によるシールを形成する。マッドケーキ４０は、井戸坑壁２０に溶け出して井戸坑１４回りに侵入区域４２を作り出す。侵入区域４２は、泥水及び地層Ｆ及び地層Ｆ内に含まれた未使用流体４４の一部分を含む周囲の地層を汚す他の井戸坑流体を含む。
【００２６】
プローブ１８には、評価流路４６が設けられることが好ましい。流体を流路に引き込むためのプローブ及び二重パッカーのような流体連通装置の例は、米国特許第４，８６０，５８１号及び第４，９３６，１３９号に示されている。
評価流路４６は、ダウンホール工具１０内に延びており、試験及び／又はサンプリングのために未使用流体４４のような流体をダウンホール工具１０に通すのに使用される。評価流路４６は、未使用流体４４のサンプルを収集するサンプルチャンバ５０まで延びる。ポンプ５２を使用すると、流体を流路４６内に引くことができる。
【００２７】
図３Ａは、流体を地層から引くのに使用されるダウンホール工具のサンプル構成を示すが、プローブ、流路、及びダウンホール工具の様々な構成を用いることができ、本発明の範囲を限定することは意図していないことを当業者は認めるであろう。
例えば、図３Ｂは、別々の流路内に流体を引き込むための修正プローブ１８ａ及び流体流れシステム３４ａを有するダウンホール工具１０の別のバージョンの一部分の概略図である。より具体的には、図３Ｂに示す流体流れシステム３４ａは、流体流れシステム３４ａが評価流路４６並びにそれぞれの流路４６及び４６ａに付随するポンプ５２ａ及び５２ｂに加えて清掃流路４６ａを含む点を除き、図３Ａに示す流体流れシステム３４と類似のものである。図３Ｂに示すプローブ１８ａは、空洞５６ａが流路４６と連通し、空洞５６ｂが流路４６ａと連通する２つの別々の空洞５６ａ及び５６ｂをプローブ１８ａが有する点を除き、図３Ａに示すプローブ１８と類似のものである。空洞５６ｂは、空洞５６ａが「未使用流体」を地層Ｆから引くことを可能にするために、空洞５６ｂが「汚染流体」を地層Ｆから引き込むように、空洞５６ａの回りに延びている。汚染流体は、清掃流路４６ａから吐き出され、出口５７を通じて井戸坑１４内に入る。流体を別々の流路に引き込むために使用されるプローブ及び二重パッカーのような流体連通装置の例は、本発明の出願人に譲渡された米国特許第６，７１９，０４９号及び米国特許公告出願第２００４００００４３３号、及びＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎに譲渡された米国特許第６，３０１，９５９号に示されている。
【００２８】
本発明によれば、粘度計−密度計６０（ａ、ｂ、ｃ）は、評価空洞内流体の粘性を測定する評価流路４６、清掃流路４６ａ、又はサンプルチャンバ５０のようなダウンホール工具１０内の評価空洞に付随するものである。図３Ｂに示す例においては、粘度計−密度計６０は、明瞭さを期すために参照番号６０ａ、６０ｂ、及び６０ｃと説明されている。粘度計−密度計６０は、図４、図５、及び図６により詳細に示されている。
また、ダウンホール工具３０には、ダウンホール工具１０の図３Ａ及び図３Ｂに示すバージョンと類似の方法で、ハウジング、プローブ、流体流れシステム、パッカー、評価流路、清掃流路、サンプルチャンバ、ポンプ、及び粘度計−密度計を装備することができる。
【００２９】
ここで図４から図６を参照して、評価流路４６内にある評価空洞に関して詳細に以下に説明する。しかし、以下の説明は、清掃流路４６ａ又はサンプルチャンバ５０内にある評価空洞にも同等に適用可能であることを理解すべきである。また、粘度計−密度計６０をダウンホール工具１０に関連して説明するが、このような説明は、ダウンホール工具３０に同等に適用可能であることを理解すべきである。更に、粘度計−密度計６０を評価流路４６及び４６ａに沿って配置した図３Ａ及び図３Ｂを示すが、ダウンホールパラメータを測定するダウンホール工具１０回りの様々な場所に粘度計−密度計６０を配置することができる。
【００３０】
一般的に、粘度計−密度計６０は、センサユニット６２、１以上の磁石６４（ａ、ｂ）、信号プロセッサ６６、及び分析回路６８を有する。図４に示す例においては、粘度計−密度計６０には、図４においては参照番号６４ａ及び６４ｂによって指定された２つの磁石が装備されている。センサユニット６２には、少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ７２と、粘度計−密度計６０のセンサユニット６２がダウンホール工具１０内に配置され、かつダウンホール工具１０が地下層Ｆ内に配置されて、流体を地層Ｆから受け取る時にワイヤ７４が流体との相互作用に利用可能であるように少なくとも２つのコネクタ７２間に吊されたワイヤ７４（図５）とが装備される。磁石６４ａ及び６４ｂは、ワイヤ７４内を流れる正弦波電流と相互作用する磁場を発する。信号プロセッサ６６は、信号路７５ａ及び７５ｂを通じてワイヤ７４と電気的に通信する。信号路７５ａ及び７５ｂは、ワイヤ、ケーブル、又は空中通信リンクとすることができる。信号プロセッサ６６は、正弦波電流を形成する駆動電流をワイヤ７４に供給し、一般的に、正弦波電流によってワイヤ７４は、供給される信号に従って振動又は共振する。一般的に、信号プロセッサ６６からワイヤ７４に供給される信号は、信号の周波数が所定の方法で変わる掃引周波数一定電流信号と考えることができる。
【００３１】
分析回路６８は、フィードバックをワイヤ７４から受け取る。正弦波電流は、ワイヤ７４内を流れ、周波数が共振周波数に近い一般的に最低次数モードの時に、検出可能な運動起電力（ｅｍｆ）が発生する。共振時の周波数の関数として測定されるのは、駆動電圧及び運動ｅｍｆである。一般的に、分析回路６８は、ワイヤ７４の共振周波数を示すフィードバックをワイヤ７４から受け取る。流体の粘性により、ワイヤ７４の共振周波数は、所定の方法で変わり、これは、流体の粘性の判断を可能にするものである。ワイヤ７４からのフィードバックから粘性を判断する方法を以下に詳細に説明する。分析回路６８は、フィードバックをワイヤ７４から受け取って流体の粘性を計算することができるあらゆる種類の回路とすることができる。一般的に、分析回路６８は、分析回路６８が粘性を計算することを可能にするメモリ又はディスクのようなコンピュータ可読媒体上に記憶されたソフトウエアプログラムを実行するコンピュータプロセッサを含むことになる。しかし、特定的な実施形態では、アナログ又は他の形式の装置を使用して分析回路６８を実行することができることを理解すべきである。例えば、分析回路６８は、アナログ／デジタル変換器、その次に流体の粘性を計算する復号器を含むことができる。分析回路６８及び信号プロセッサ６６を図４に別々に示すが、分析回路６８及び信号プロセッサ６６は、単一の回路で実行するか又は別々の回路で実行することができることを理解すべきである。更に、分析回路６８及び信号プロセッサ６６は、図４ではダウンホール工具１０内にあると示されているが、信号プロセッサ６６及び／又は分析回路６８は、ダウンホール工具１０の外部に位置することができることを理解すべきである。例えば、掃引信号を発生させる信号プロセッサ６６は、ダウンホール工具１０内に位置することができ、一方、分析回路６８は、井戸坑１４近傍か又は井戸坑１４から遠く離れた場所に位置するモニタリングセンター内で井戸坑１４の外側に位置する。
【００３２】
また、粘度計−密度計６０のセンサユニット６２には、ハウジング７６が装備される。ハウジング７６は、チャンネル７８（図５及び図６）と、チャンネル７８と連通する入口８０と、チャンネル７８と連通する出口８２とを形成する。図４に示す例においては、流体は、評価流路４６内で方向８４に流れている。従って、流体がセンサユニット６２と遭遇した時、流体は、入口８０を通過してチャンネル７８に入ると出口８２を通じてハウジング７６を出る。また、ハウジング７６に評価流路４６の内側寸法よりも小さい外側寸法が設けられた時に、ある一定の量の流体も、ハウジング７６の外面８８と評価流路４６の内面８９の間に形成されたチャンネル８７（図４）内のハウジング７６を通過することになる。
【００３３】
ワイヤ７４は、流体がハウジング７６を通る時に流体がコネクタ７２間の実質的にワイヤ７４全体と接触するようにチャンネル７８に配置される。これによって、流体が確実にコネクタ７２間のワイヤ７４の全長に亘って流れ、流体間にあるワイヤ７４の清掃を容易にする。ワイヤ７４は、ワイヤ７４の張り及びワイヤ７４を取り囲む流体の粘性によって複数の基本モード共振周波数（又は、その高調波）で振動することができる導電材料で構成される。ワイヤ７４は、流体密度とワイヤ７４密度の差が大きいほど感度が大きくなるために、大きな密度を有する材料で構成されることが望ましい。また、流体密度とワイヤ密度の比を通じて密度がワイヤ回りの流体に対して感度を提供する一方、ワイヤ７４は、安定した共振をもたらすために高いヤング率を有することが必要である。様々な材料をワイヤ７４に使用することができる。例えば、ワイヤ７４は、タングステン又はクロメルで構成することができる。ワイヤ７４が天然ガスのような気体を感知するのに使用される時、ワイヤ７４は、相対的に滑らかな外面を有することが好ましい。この例においては、クロメルは、ワイヤ７４を構成する上での好ましい材料である。
【００３４】
図４に示すように、磁石６４は、評価流路４６の外部に配置され、かつ評価流路４６の外面に取り付けられることが好ましい。また、磁石６４は、ハウジング７６に組み込むことができる。代替的に、ハウジング７６は、磁性材料で構成することができる。
図５及び６に示すように、ハウジング７６には、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２を装備することができる。第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、協働してチャンネル７８を構成する。第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、磁石６４によって生成された磁場がハウジング７６からの実質的な干渉なしにワイヤ７４と相互作用することができるように、導電非磁性材料で構成されることが好ましい。例えば、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、Ｋ５００モネル、タングステン、又は別の種類の非磁性材料、例えばステンレス鋼のようなダウンホール適合材料で構成することができる。
【００３５】
また、ハウジング７６には、第１のハウジング部材９０を第２のハウジング部材９２から絶縁するために、第１のハウジング部材９０と第２のハウジング部材９２の間に配置される絶縁層９６（図５）が装備される。ワイヤ７４は、絶縁層９６の両側の間に延びて第１のハウジング部材９０を第２のハウジング部材９２に電気的に接続する。絶縁層９６は、第１の絶縁層９８と第２の絶縁層１００で構成することができる。ワイヤ７４には、第１の端部１０２と第２の端部１０４が装備される。第１の絶縁層９８は、ワイヤ７４の第１の端部１０２の近くに配置され、第２の絶縁層１００は、ワイヤ７４の第１の第２の端部１０４の近くに配置される。ワイヤ７４は、チャンネル７８に掛かり、第１のハウジング部材９０を第２のハウジング部材９２と電気的に接続する役目をする。
【００３６】
図４に示すセンサユニット６２の例においては、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２の各々は、第１の端部１０８、第２の端部１１０、及び第１の端部１０８と第２の端部１１０の間の中間部分１１２を有すると特徴付けることができる。第１の端部１０８及び第２の端部１１０には、中間部分１１２の断面積又は直径よりも小さい断面積又は直径が設けられる。従って、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２の各々は、第１の端部１０８と第２の端部１１０を中間部分１１２から分離する肩部１１４を有する。入口８０及び出口８２は、チャンネル７８がハウジング７６の中間部分１１２を通るように肩部１１４の近くで第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２内に形成される。肩部１１４は、流体を入口８０に導くような形状となっている。
【００３７】
信号路７５ａ及び７５ｂをセンサユニット６２に連結するために、粘度計−密度計６０には、更に、第１のハウジング部材９０に結合された第１の端子１１６と、第２のハウジング部材９２に結合された第２の端子１１８とが装備される。従って、信号プロセッサ６６及び分析回路６８は、信号路７５ａ及び７５ｂを通じて第１及び第２の端子１１６及び１１８に連絡している。信号路７５ａ及び７５ｂは、一般的に、１以上のフィードスルー１２０を通じて評価流路４６を通って延びることに注意すべきである。フィードスルー１２０は、流体が評価流路４６に形成された開口部を通るのを防止すると同時に、信号路７５ａ及び７５ｂが評価流路４６を通って延びることを可能にするための流体密封シールを提供する。
【００３８】
第１の端子１１６及び第２の端子１１８は、構成及び機能が同一とすることができる。第１の端子１１６及び第２の端子１１８を実施するために、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２には、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２の第１の端部１０８及び第２の端部１１０のいずれかに形成されるネジ穴１２４を設けることができる。図５に示す例においては、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２には、第１の端部１０８及び第２の端部１１０の両方に形成されるネジ穴１２４が設けられている。また、図４から図６に示すように、第１の端子１１６及び第２の端子１１８には、信号路７５ａ及び７５ｂの各々を第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２に連結するためにネジ付き留め具１２６が装備されている。
【００３９】
第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、あらゆる適切な機械的又は化学的な種類のアセンブリによって互いに接続される。図６に示すように、粘度計−密度計６０には、第１のハウジング部材９０を第２のハウジング部材９２に固定する複数のネジ付き留め具１３０（図６）が設けられている。ネジ付き留め具１３０は、一般的に、鋼又はアルミニウムのような導電材料で構成されることに注意すべきである。また、ネジ付き留め具１３０が第１のハウジング部材９０と第２のハウジング部材９２の間に電気経路を形成するのを防止するために、粘度計−密度計６０には、ネジ付き留め具１３０の各々を第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２の一方から絶縁させるために、複数の絶縁フィードスルー１３２が装備される。
【００４０】
粘度計−密度計６０のセンサユニット６２は、あらゆる適切なアセンブリによって評価流路４６内に固定することができる。センサユニット６２は、評価流路４６内での長さ方向の移動及び評価流路４６内での回転移動を防止するように固定することができることを理解すべきである。信号路７５ａ及び７５ｂには、評価流路４６内でのセンサユニット６２の長さ方向の移動及び／又は回転移動を防止するのに十分な剛性を与えることが好ましい。また、付加的な固定手段を使用して、評価流路４６内のセンサユニット６２の移動を防止することができる。例えば、評価流路４６内のセンサユニット６２の長さ方向の移動を防止するために、センサユニット６２の下流側で直径を短縮することができる。
【００４１】
当業者によって理解されるように、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、ネジ付き留め具１３０によって互いに固定された時に、協働してコネクタ７２を形成する。ワイヤ７４は、以下のように接続して緊張させる。ワイヤ７４は、一端で接続される。他端は、第２のコネクタ７２に通して供給されるが緊張させない。緩いコネクタ７２から突出する端部から質量（図示せず）が取り付けられる。地球の重力場内でワイヤ７４から吊り下げられた質量のマグニチュードでワイヤ径に対する張力、従って、共振周波数が判断され、約１ｋＨｚの共振周波数は、直径０．１ｍｍのワイヤで吊された５００ｇの質量で得ることができる。ワイヤ７４の直径を変えると測定対象の粘性範囲を変えることができる。約２４時間後、ワイヤ７４は、第２の端部をクランプ締めして質量を取り除く。この手順によってワイヤ７４内の捩れが少なくなる。ワイヤ７４は、次に、各熱サイクル間でかなり安定した共振周波数を有するワイヤをもたらすために加熱されて冷却され、粘度計−密度計６０の場合、ワイヤ７４共振周波数は、６０ｓの程度の共振に亘る周波数の関数として複素電圧を判断するのに必要な時間中は安定している必要がある。
【００４２】
粘性を計算するために、磁場がある場合に正弦波電流がワイヤ７４内に流される。磁場は、ワイヤ７４に垂直であり、正弦波電流が存在する場合には、磁場が原因となってワイヤ７４が移動する。得られる誘導起電力（運動ｅｍｆ）又は複素電圧は、駆動電圧に追加される。運動ｅｍｆは、駆動電圧がオフセットされるか又はゼロにされるロックイン増幅器又はスペクトルアナライザを含む信号プロセッサを有する分析回路６８を通じて検出することができる。電流周波数が基本共振周波数に近いか又はそのものである時、ワイヤ７４は共振する。複素電圧は、通常は共振に亘る周波数で測定され、観察結果が解式、ワイヤ密度、及び半径と組み合わされて既知の密度の流体に対する粘性が判断される。電流のマグニチュードは、流体の粘性に依存し、許容可能なＳＮ比が検出回路で得られるように変更され、３５ｍＡよりも小さい値が一般的に使用され、得られる複素運動ｅｍｆは、数マイクロボルトである。電流のマグニチュードに加えて、ワイヤ７４の直径はまた、上限作動粘性を決め、ワイヤ直径を大きくすると、上限作動粘性が大きくなる。これ以外にもワイヤ運動を励起して検出する方法はあるが、いずれもロックイン増幅器ほど便利ではない。
【００４３】
ワイヤ７４から受け取ったフィードバックから流体の粘性及び密度を計算するために、分析回路６８は、以下のように作動する。ワイヤ７４は、磁場内に置かれ、交流をワイヤ７４に通すことによって定常状態の横振動に駆動される。ワイヤ間で発生する得られる電圧Ｖは、２つの成分から成る。
【００４４】
【００４５】
第１の項Ｖ1は、単に定置ワイヤの電気インピーダンスから生じ、一方、第２のＶ2は、磁場が存在する場合にワイヤの運動から生じる。Ｖ1は、以下で示される。
【００４６】
【００４７】
方程式（２）においては、ｆは、ワイヤ７４が磁場が存在する場合に駆動される周波数であり、一方、ａ、ｂ、ｃは、実験結果を用いた回帰によって決まる調整可能なパラメータである。パラメータａ、ｂ、ｃは、ワイヤの電気インピーダンスを説明し、電圧信号が可能な限り最も感度の高い範囲で検出されることを保証するために、ロックイン増幅器内で使用されるオフセットを吸収するものでもある。Ｖ2の第２の成分は、以下によって計器の解式で与えられる。
【００４８】
【００４９】
方程式（３）においては、Λは振幅、ｆ0は真空状態でのワイヤ共振周波数、Δ0はワイヤの内部減衰、βはワイヤによって変位した流体から生じた付加質量、β’は流体粘性による減衰である。
流体の付加質量β及び粘性抵抗β’を明らかにする振動ワイヤの流体機構は、以下によって表すことができる。
【００５０】
【００５１】
及び
【００５２】
【００５３】
ただし、ｋ及びｋ’は以下で与えられる。
【００５４】
【００５５】
及び
【００５６】
【００５７】
方程式（６）及び（７）において、Ａは、以下で示す複素量である。
【００５８】
【００５９】
ここで、
【００６０】
【００６１】
方程式（８）において、Ｋ0及びＫ1は、修正ベッセル関数であり、Ωは、半径Ｒの円筒形ワイヤ回りの流れを特徴付けるレイノルズ数に関係するものである。方程式（９）において、流体粘性及び密度は、それぞれη及びρで示されている。従って、流体粘性及び密度は、方程式（１）から（９）により予測される同相電圧及び直交電圧が周波数の関数に亘って実験的に求めた値と一致するように値を調整することによって判断することができる。データが収集される周波数範囲は、一般的に約ｆr±５ｇであり、ただし、ｇは共振曲線の半値幅であり、ｆrは基本横共振周波数である。ＳＮ比が大きく、周波数の増加と共に大きくなる電気的クロストークがゼロの電気的に完全な装置においては、帯域幅の選択は重要ではない。しかし、これは、Ｑ｛＝ｆ／（２ｇ）｝が、帯域幅が増加した時に起こる１になる時には極めて重要であり、これは、粘性の増加と、駆動電圧が増加しない限り、対応するＳＮ比の減少と共に起こり、測定が行われる帯域幅を判断することの重要性は、以下で明らかになる。
【００６２】
方程式（４）から（９）は、以下を仮定することによって得られる。（１）ワイヤ７４の半径がワイヤ７４の長さと比較すると小さい、（２）流体の圧縮性が無視できる、（３）流体を含むハウジング７６の半径が、境界効果が無視できるようにワイヤ半径と比較すると大きい、及び（４）振動の振幅が小さい。文献で報告されている振動ワイヤ粘度計においては、共振周波数は、ワイヤの張力及びワイヤを取り囲む流体の密度の両方に敏感であり、この密度に対する感度は、多くの場合、ワイヤを上部でクランプ締めして質量を下端に取り付け、アルキメデスの原理を利用することによって大きくなる。しかし、密度を代替ソース、例えば、状態方程式から求めた場合、共振線幅だけが安定していればよい。
【００６３】
一般的に、粘度計−密度計６０のような振動ワイヤ粘度計は、理論的には較正定数を決める必要がない絶対的な装置である。しかし、実際には、密度及び半径のようなワイヤ７４の一部分の物理特性は、独立した方法では十分な精度まで判断することはできない。従って、それらの特性は、通常は較正によって判断する。これを行うために、測定は、真空及び粘性及び密度が既知である流体の両方において行われる。前者によってΔ0が得られる。ワイヤ半径Ｒは、粘性測定を行うのに必要とされる他の唯一の未知の変数である。較正流体の粘性及び密度が与えられると、単一の測定でワイヤ半径を判断することができる。
【００６４】
１．解式の修正
ワイヤ７４間に発生する複素電圧Ｖは、ワイヤ７４の電気インピーダンスから生じるＶ1と磁場が存在する場合にワイヤ７４の運動から生じるＶ2から成る（方程式１）。電気インピーダンスによる寄与以外に、Ｖ1も、電気的クロストーク又は他の形態の結合のような背景ノイズの原因となる。これらの干渉により、振動ワイヤ７４の共振周波数近くの周波数間隔に亘って相対的に滑らかな背景が生じる。測定複素電圧を周波数の関数として適切に再現するために、付加的な周波数依存パラメータを方程式（２）に含める。すなわち、
【００６５】
【００６６】
方程式（１０）の付加的な周波数依存項を考慮に入れないと、測定複素電圧は、解式に十分には適さないことが多く、その結果、流体密度及び粘性における大きな誤差を招くことになる。これは、特に高粘性流体に当て嵌まる。
【００６７】
２．振動ワイヤからの流体密度及び粘性の判断
流体密度及び粘性を判断するには、振動ワイヤ７４の解式によるデータ当て嵌めが必要である。最小自乗当て嵌めの方法は、１組のデータの最適な特徴付けは、当て嵌めモデル（又は解式）からのデータのずれの自乗の和を最小にするものであるという考えに基づいている。ずれの自乗の和は、以下のカイ自乗（又はχ2）と呼ぶ適合度統計に密接に関係するものである。
【００６８】
【００６９】
ただし、ｆiは周波数指数、Ｄ（ｆi）及びＶ（ｆi）は、それぞれ、記録された複素電圧及び解式であり、νは、Ｎデータ点を当て嵌めるための自由度の数である。流体密度及び粘性を含む未知のパラメータを見つける時に、（１１）で定義されたカイ自乗測度を最小化するために、最小自乗判断基準が以下のように公式化される。
【００７０】
【００７１】
ただし、「ρ」、「η」、「ｆ0」、「Λ」、「ａ」、「ｂ」、「ｃ」、及び「ｄ」は、未知のパラメータである。「Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ」アルゴリズム［１４］によってこの最小化問題を解く非線形回帰手順が与えられる。
【００７２】
全ての未知パラメータのうちでも特に、振動振幅（すなわち、Λ）と定置ワイヤの電気インピーダンス及び他の背景干渉に関係する定数（すなわち、ａ、ｂ、ｃ、及びｄ）とは、最小化手順によって良好に求められる。しかし、密度、粘性、及びｆ0間の基本的な不確定性は、それ自体の当て嵌めによって密度及び粘性の正しい値を選別することを妨げている。この基本的な不確実性を絶つために、密度、粘性、及びｆ0間の付加的な関係を当て嵌め手順における制約条件として使用する。数学的には、これらの変数間の関係は、一般関数の形に書くことができる。
【００７３】
【００７４】
代替的に、この関係はまた、データから導出することができる共振の半値幅（ｇ）及び共振周波数（ｆr）のような付加的な測定結果も含むことができる。
【００７５】
【００７６】
方程式（１３）〜（１４）は、較正手順を通して又はフィールドデータに基づいて実験的に確立することができる。本発明の好ましい実施形態は、方程式（１３）〜（１４）の特別の場合、具体的には、固定ｆ0により定義された超平面である。Ｒｅｔｓｉｎａ他（Ｒｅｔｓｉｎａ、Ｔ．；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｓ．Ｍ．；Ｗａｋｅｈａｍ、Ｗ．Ａ．著「応用科学研究」、１９８７年、４３、３２５〜３４６頁、及び、Ｒｅｔｓｉｎａ、Ｔ．；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｓ．Ｍ．；Ｗａｋｅｈａｍ、Ｗ．Ａ．著、１９８６年、４３、１２７〜１５８頁）で論じされているように、ｆ0は、ワイヤ７４に作用する張力に直接的に関係する真空状態におけるワイヤ７４の共振周波数と指定することができる。ｆ0が既知であるか又は与えられた場合、固定ｆ0によって定められた超平面に関する最小値調査を限定することができる。
【００７７】
図７ａは、上述のように、粘性及び密度を同時に計算する流れ図１３４を示している。最初に、ブロック１３４ａ、ｂ、及びｃで示すように、ワイヤ直径、ワイヤ密度、及び内部減衰係数に対する定数と、流体密度、粘性、及び共振周波数ｆ0に対する初期推定値と、同じく制約条件Ｇ（密度、粘性、及び共振周波数ｆ0）とを計算ブロック１３４ｄに入力する。その後、初期ワイヤ応答をブロック１３４ｄによって表されているように計算する。初期ワイヤ応答は、同相及び直交電圧において計算することができる。
【００７８】
同相及び直交電圧のような周波数の関数としての入力データは、ブロック１３４ｅで示すように受け取られ、その後、ブロック１３４ｆで示すように、データと計算された応答の間の差異に基づいてカイ自乗を計算する。次に、流体密度、粘性、共振周波数、及びラムダの推定値ａ、ｂ、ｃ、及びｄの更新が受け取られる。非線形回帰分析のいずれかを用いると、ブロック１３４ｇで示すように、更新データを得ることができる。その後、分析回路６８は、カイ自乗及び推定値の更新に基づいて収束試験を適用する（ブロック１３４ｈで示すように）。収束試験によって収束が所定の又は許容可能な量以内の収束を示す場合、処理は、段階１３４ｉに分岐し、そこで、流体密度及び粘性が出力される。しかし、収束試験で収束が所定の量を外れる収束を示す場合、処理は段階１３４ｄに戻り、そこで、ワイヤ応答を更新された流体密度、粘性、及び共振周波数に基づいて再計算し、収束試験で収束が所定の量内になるまで段階１３４ｄ、１３４ｅ、１３４ｆ、１３４ｇ、及び１３４ｈを繰り返す。
【００７９】
図７ｂは、以下の事項以外は図７ａに関して上述したものと同一の方法で粘性及び密度を同時に計算する流れ図を示している。図７ａと同一である図７ｂの段階には、明瞭さを目的として同一参照番号でラベル付けされていることに注意すべきである。
図７に表す粘性及び密度を計算する処理においては、センサユニット６２を試験して共振周波数ｆ0を判断する。センサユニット６２を較正するために、既知の流体を有する環境チャンバにセンサユニット６２を入れ、その後、較正データが得られるように温度及び圧力を変える。その後、ブロック１３６ｂで示すように、較正データを分析回路６８に入力し、ブロック１３６ｃで示すように、このような較正データを利用して共振周波数ｆ0を計算する。
【００８０】
図８は、全体的最小値が存在する固定ｆ0超平面によって切り取られたカイ自乗性能表面を示すグラフである。グラフは、軸Ｆ、Ｄ、及びＶを含む。Ｆ軸は、Ｈｚによるｆ0の周波数を表す。Ｄ軸は、ｋｇ／ｍ3によるワイヤ７４を取り囲む流体の密度を表す。Ｖ軸は、ｃｐによるワイヤ７４を取り囲む流体の粘性を表す。濃淡部の意味は、カイ自乗の値であり、暗色は、低カイ自乗値である。最小値１３７の位置によって密度及び粘性推定値が得られる。
【００８１】
ｆ0が安定しており、±１Ｈｚ以内で既知である場合、広範囲の流体に対して３〜４％以内で流体密度を判断することができる。誤差は、高密度流体の方が小さい（１％から２％）。±０．５Ｈｚ以内で既知である場合、密度誤差は、広範囲の流体に対して約１〜２％になる。粘性の誤差は、一般的に、ｆ0が±１Ｈｚである場合は密度誤差（約３％）よりも小さい。同様に、粘性の誤差は、高密度流体の方が小さい。流体密度及び粘性を同時に推定するには、好ましい実施形態では、様々な異なる温度及び圧力において安定して予測可能なｆ0をもたらす周波数発振器を形成するセンサユニットが必要である。ダウンホール環境における一般的な温度及び圧力範囲は、５０から２００℃及び２．０７から１７２．４ＭＰａ（３００から２５０００ｐｓｉ）の範囲である。
【００８２】
粘度計−密度計６０と共に使用されるセンサユニット１５０の別のバージョンを図９に示している。以下でより詳細に説明するように、センサユニット１５０は、センサユニット１５０が平行に延びる絶縁層９６によって分離された導電性の第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２を有するのではなく、ワイヤ１５６を取り囲む絶縁流管１５４によって分離された一対の導電コネクタ１５２が装備される点を除き、上述のセンサユニット６２と構成及び機能が類似のものである。センサユニット１５０に関して、以下でより詳細に説明する。
【００８３】
センサユニット１５０は、センサユニット１５０が浸漬される流体の密度及び粘性のような少なくとも２つの異なるパラメータをセンサユニット１５０によって生成されたデータから同時に計算することができるように、安定して予測可能なｆ0をもたらす周波数発振器を形成する。
コネクタ１５２は、図９においては、明瞭さを目的として参照番号１５２ａ及び１５２ｂによって指定されている。これらのコネクタ１５２は、構成及び機能は同一である。従って、これより以降コネクタ１５２ａのみに対して説明する。コネクタ１５２ａには、クランプ部材１５８、クランプ板１６０、及びクランプ板１６０をクランプ部材１５８に連結するための少なくとも１つの留め具１６２が装備されている。クランプ部材１５８は、いずれかの適切な嵌め会いアセンブリを通じて流管１５４に連結される。例えば、図９に示すように、クランプ部材１５８には、端部支持体１６６が流管１５４によって支持されるように、流管１５４の所定の一部分と嵌合する端部支持体１６６が設けられている。図９に示すバージョンにおいては、流管１５４には、ネックダウン部分１６８が設けられており、端部支持体１６６は、ネックダウン部分１６８を覆うように配置されたカラーを形成する。また、クランプ部材１５８には、端部支持体１６６に連結されてそれから延びるフランジ１７０が設けられている。ワイヤ１５６の中心をフランジ１７０上に置くために、少なくとも１つのレジストレーション・ピン１７４がフランジ１７０上に設けられている。クランプ部材１５８には、ワイヤ１５６が図９に示すようにレジストレーション・ピン１７４間に螺合することができるように、少なくとも２つの離間したレジストレーション・ピン１７４が設けられることが望ましい。
【００８４】
留め具１６２は、ワイヤ１５６を固定するためにクランプ板１６０をクランプ部材１５８に連結するものである。留め具１６２は、クランプ部材１５８をクランプ板１６０に連結することができるあらゆる種類の装置とすることができる。例えば、留め具１６２は、ネジとすることができる。
流管１５４は、ワイヤ１５６と類似の熱膨張率を有する材料で構成されることが好ましい。ワイヤ１５６がタングステンで構成された時、流管１５４は、「Ｓｈａｐａｌ−Ｍ」のようなセラミックで構成することができる。
【００８５】
流体が開口部１８０を通じて流管１５４を出入りすることを可能にするために、少なくとも１つの開口部１８０がクランプ部材１５８に形成されている。図９に示すように、クランプ部材１５８には、各々が半円の形状を有する少なくとも２つの開口部１０８を設けることができる。しかし、開口部１８０の形状は、設計担当者の希望によって変わる可能性があることを理解すべきである。より詳細には、開口部１８０は、非対称形、対称形、又は奇抜な形状を有する可能性があることを理解すべきである。
ワイヤ１５６は、上述のワイヤ７４と類似の方法で構成される。ワイヤ１５６は、ワイヤ７４がハウジング７６内で支持されて張られたのと類似の方法で、流管１５４内で支持されて張られる。信号プロセッサ６６からの信号路７５ａ及び７５ｂと分析回路６８は、ネジ、ボルト、又は端子などのようなあらゆる適切な方法でそれぞれのコネクタに連結される。
【００８６】
上述のように、センサユニット１５０のｆ0、つまり方程式（１）の真空における共振が安定したものである場合、密度及び粘性の両方を共振に亘る周波数の関数として測定された複素電圧から判断することが可能である。センサユニット１５０は、絶縁された材料から形成された流管１５４により分離された２つの金属コネクタ１５２を含む。これらの材料は、異なる弾性特性、及び場合によっては熱特性も有する。コネクタ１５２及び流管１５４は、ワイヤ１５６の張力だけで互いに保持されることが好ましい。
【００８７】
センサユニット１５０は、流体特性及び圧力による影響を受けないｆ0を有することが好ましい。後者は、小さいがワイヤ材料の圧縮性からの計算可能な寄与を有する場合がある。更に、共振器の構成における異なる材料の使用から生じる異なる熱膨張率を含む、温度変動に対するワイヤ１５６の応答は、測定可能か又は計算可能であるべきである。ワイヤ１５６は、垂直磁場が存在する場合に電流をそれに通すことによって張力が掛けられて横運動を開始する。これらの要素は、楕円断面を有するワイヤ１５６から生じるであろうワイヤ１５６の回転移動を排除することによりセンサユニット１５０を改良することができることを示唆しており、センサユニット１５０も、電流がワイヤを通して流れることを可能にするためにワイヤ１５６の各端部を絶縁すべきである。
【００８８】
タングステンは、表面は粗いが、ヤング率Ｅ（≒４１１ＧＰａ）及び密度ρs（≒１９，３００ｋｇ・ｍ-3）が他の材料に対して高いために、液体を伴う測定用のワイヤ１５６には好ましい材料である。ワイヤ１５６に張力を掛けた時に、前者は、安定した共振をもたらす助けをし、一方、後者は、方程式（４）及び（５）の比ρ／ρsを通じてワイヤ１５６回りの流体に感受性をもたらすものである。表面の粗さの影響は、振動振幅が小さくかつレイノルド数が１００よりも小さいことを条件として無視できるものである。密度の測定に関しては、ワイヤ密度は、付加質量の概念から導出されるように、流体の密度に向う傾向があることが望ましい。従って、タングステンを使用することができるが、タングステンよりも低い密度を有する他の材料も測定対象の流体の予想密度によっては許容可能である。
【００８９】
異なる熱膨張の影響を最小限に抑えるために、ワイヤ材料のこの選択は、コネクタ１５２、流管１５４、及び緊張機構に使用する材料を決定する。流管１５４を形成する絶縁材料の機械的特性は、ワイヤ１５６及びコネクタ１５２の両方に使用される材料にできるだけ近いものであることが望ましい。例えば、ワイヤ張力に及ぼす異なる熱膨張の影響は、温度が周囲環境から外れているので、タングステンの熱膨張率と同等の線形の熱膨張率を有する材料を選択することによって小さくすることができるであろう。圧縮強度が１ＧＰａである高い熱膨張率を有する機械加工可能なセラミックである「Ｓｈａｐａｌ−Ｍ」は、Ｔ＝２９８Ｋの時の線形熱膨張率α＝（１／Ｌ）ｄＬ／ｄＴ＝５．２・１０-6Ｋ-1を有し、一方、α（Ｗ、２９８Ｋ）≒４．５・１０-6ｋ-1である。絶縁材料の代替材料としては、窒化アルミニウム又は「Ｍａｃｏｒ」のいずれかを含むことができるであろうが、これらの材料のαはＷと同等ではない。
【００９０】
上述の判断基準は、温度、圧力、及び流体特性から生じるｆ0の変動を小さくするために、図１１及び図１２に示す振動ワイヤ粘度計−密度計６０のセンサユニット２００の別のバージョンを作製するために使用したものである。センサユニット２００は、同じ熱膨張及び弾性特性を有するタングステンのようなほとんど同じ材料でセンサユニット２００を構成すると同時に、ワイヤ１５６の回転も最小限に抑えて流体特性の変動から生じるｆ0に及ぼす影響を小さくすることにより温度及び圧力の影響が低減される点を除き、構成及び機能がセンサユニット１５０と類似のものである。図１１に示すセンサユニット２００は、いずれもタングステンで形成された２つのコネクタ２０４及び２０６とワイヤ２０２が保持されるコネクタ２０４及び２０６との間に配置された流管２０８から成る。ワイヤ２０２は、各コネクタ２０４及び２０６に固く連結される。例えば、図１１及び図１２に示す例においては、ワイヤ２０２は、各コネクタ２０４及び２０６に電子ビーム溶接（ＥＢＷ）される。
【００９１】
コネクタ２０４は、ボス２１２と末端部分２１４を含む。ボス２１２は、ワイヤ２０２に連結され、ワイヤ２０２の回転を防止するように設計される。例えば、ボス２１２に非円形の断面、例えば四角形を設けて、ワイヤ２０２の回転を防止することができる。ボス２１２は、末端部分２１４に形成された空洞内に配置される。ボス２１２は、コネクタ２０６とのアラインメントを容易にする形状となっている。ボス２１２は、コネクタ２０６とのアラインメントを容易にするのに適切なあらゆる形状で形成することができる。例えば、ボス２１２は、コネクタ２０６とのアラインメントを容易にするためにテーパ付き又は円錐形端部を含むことができる。ワイヤ２０２をボス２１２に固く固定するあらゆる適切な方法を通じてボス２１２にワイヤ２０２を取り付けることができる。例えば、ワイヤ２０２をボス２１２内に形成されたスロット（図示せず）内に配置し、ボス２１２がワイヤ２０２回りでクランプを形成するように、上述のように電子ビーム溶接することができる。
【００９２】
コネクタ２０６には、端部マウント２１６、ボス２１８、絶縁体２２０、及びボス２１８及び端部マウント２１６との相対的な位置を調節する調節アセンブリ２２２が設けられている。ボス２１８は、ボス２１２がワイヤ２０２に連結されるのと同じ方法でワイヤ２０２に連結される。ボス２１８は、ワイヤの回転を防止するように設計される。例えば、ボス２１８には、ワイヤ２０２の回転を防止するために非円形の断面、例えば四角形を設けることができる。ボス２１８は、端部マウント２１６内に形成された空洞２２４内に配置される。
【００９３】
絶縁体２２０は、端部マウント２１６とボス２１８の間の電気的隔離を行うものである。図１１及び図１２に示す実施形態では、絶縁体２２０は、端部マウント２１６内の空洞２２４を裏打ちし、かつ端部マウント２１６の面２２６に亘って延びるスリーブとして形成される。絶縁体２２０は、ダウンホール環境に耐えることができるあらゆる絶縁材料で形成することができる。例えば、「Ｓｈａｐａｌ−Ｍ」のようなセラミック材料で構成することができる。
【００９４】
調節アセンブリ２２２は、ワイヤ２０２の張力の調節を可能にするためにボス２１２と端部マウント２１６の間の相対的な位置を調節することができるあらゆる装置とすることができる。例えば、調節アセンブリ２２２は、ボス２１２に螺合したワイヤ緊張ナット２３０を含むことができる。勿論、これ以外にもワイヤ２０２の緊張を可能にするためにワイヤ２０２をハウジングにクランプ締めするのに使用することができる構成は数多くある。例えば、図示のように２つのクランプ又はコネクタの間又はバネの使用である。
【００９５】
上述のように、張られた振動ワイヤ７４、１５６、又は２０２は、温度、圧力、及び流体に対して安定した共振周波数を有することが望ましい。安定した共振周波数は、本質的に、一定のワイヤ張力という要件に合ったものになる。安定した発振器を機械的考察だけから構成することはもっともらしいが、相対測定の概念によって別のソリューションが提供される。粘度計−密度計６０の１つ（６０ａと指定）が未知の粘性及び密度の流体内に配置され、粘度計−密度計６０の別のもの（６０ｂと指定）が既知の粘性及び密度の流体内に配置された２以上の粘度計−密度計６０を有する点を除き上述のダウンホール１０と構成及び機能が類似であるダウンホール１０ａの別のバージョンの断片図を図１３に示す。粘度計−密度計６０ａ及び６０ｂには、磁石６４ａ及び６４ｂが装備される。この手法では、２つの類似のセンサユニット２５０ａ及び２５０ｂが使用され、一方は未知の特性、例えば密度及び粘性を有する流体内に浸漬され、他方は、既知の特性を有する流体内に浸漬される。センサユニット２５０ａ及び２５０ｂは、上述のセンサユニット６２、１５０、又は２００に対して上述の方法で構成することができる。
【００９６】
センサユニット２５０ａは、評価流路２５２内に配置され、評価流路２５２は、上述の評価流路４６、清掃流路４６ａ、又はサンプルチャンバ５０とすることができる。ダウンホール工具１０ａにおいては、流路２５２と流体連通しているエルボ又は継手２５４が設けられている。継手２５４は、既知の流体及びセンサユニット２５０ｂが配置された比較チャンバ２５５を形成する。ダウンホール工具１０ａには、流路２５２内の圧力を均等化する圧力均等化アセンブリ２５６が装備されている。一般的に、圧力均等化アセンブリ２５６は、評価流路２５２と比較チャンバ２５５の間の圧力を均等化することができるあらゆる装置とすることができる。例えば、図１３に示すように、圧力均等化アセンブリ２５６は、比較チャンバ２５５に対して移動して圧力を均等化する往復ピストン２５８を含むことができる。
【００９７】
センサユニット２５０ａ及び２５０ｂは、駆動電圧を供給し、かつ上述のように粘性及び密度のような１以上の流体パラメータを判断するための１以上の信号プロセッサ２６０及び分析回路２６２に接続される。信号プロセッサ２６０及び分析回路２６２は、構成及び機能は上述の信号プロセッサ６６及び分析回路６８と類似のものである。
センサユニット２５０ａ及び２５０ｂ間の共振の比率は、例えば、図１４ａ及び図１４ｂにおいて図示するように判断される。図１４ａは、図１３に示す２つの粘度計−密度計６０ａ及び６０ｂを利用して流体の密度及び粘性を計算する処理１７０を示している。処理１７０は、上述の図７ａで利用されたものと類似の段階を有する。明瞭さを目的として、類似の段階は、同じ参照番号１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｄ、１３４ｅ、１３４ｆ、１３４ｇ、１３４ｈ、及び１３４ｉとラベル付けされており、改めて詳細には説明しない。
【００９８】
一般的に、比較チャンバ２５５に入ることになる流体密度及び粘性は、段階１７２及び１７４で示すように、「米国標準技術局（ＮＩＳＴ）」の表を利用するなどの公知の方法によって判断される。分析回路２６２は、段階１７６で示すように、信号をセンサユニット２５０ｂから受け取り、その後、段階１７８で示すように、比較チャンバ２５５内の流体の既知の密度及び粘性に基づいて共振周波数を計算する。その後、分析回路２６２は、図７Ａに対して上述した方法で粘性及び密度を計算する。
【００９９】
流路２５２内の未知の流体の流体密度及び粘性を計算する別の処理を図１４ｂに示している。処理１８０においては、ブロック１８２及び１８３で示すように、流体密度、粘性、及びラムダの初期推定値ａ、ｂ、ｃ、及びｄを分析回路２６２に入力する。ブロック１８４で示すように、ワイヤ直径、ワイヤ密度、及び内部減衰係数のような定数を分析回路２６２に入力する。ブロック１８６で示すように、流路２５２内のセンサユニット２５０ａが露出される温度及び圧力のような他の入力を分析回路２６２に入力する。その後、ブロック１８８及び１９０で表すように、センサユニット２５０ａ及び２５０ｂから同相電圧及び直交電圧のような入力データを読取り、ブロック１８３で示すように、センサ２５０ａ及び２５０ｂからのデータのジョイント・インバージョンを計算する。その後、分析回路２６２は、ブロック１９２で示すように、センサユニット２５０ａを取り囲む流体の流体密度及び粘性を出力する。
粘性及び密度を計算する以上の２つの方法を説明したが、２つのセンサユニット２５０ａ及び２５０ｂによって生成された出力の比率測定のようなあらゆる方法を利用することができると考えられる点を理解すべきである。
【０１００】
センサユニット２５０ａ及び２５０ｂ内のワイヤが類似の構成（好ましくは同一構成）であり、同じ温度及び圧力に露出されることを条件として、これらの変数から生じる不安定性は排除され、安定した発振器であることを示すデータが得られる。両方の概念、すなわち、比較又は比率測定とセンサユニット１５０及び２００に関して上述した安定した幾何学的形状とが組み合わされた場合、共振器は安定であり、かつ密度及び粘性の両方を提供することができることになることはあり得ることである。
【０１０１】
本発明の好ましい及び代替的な実施形態においてその真の精神から逸脱することなく様々な修正及び変更を行うことができることが以上の説明から理解されるであろう。本明細書で含まれる装置は、手動及び／又は自動的に作動して望ましい作業を行うことができる。この作動は、必要に応じて及び／又は生成されたデータ、検出された条件、及び／又はダウンホール作業からの結果の分析に基づいて実行することができる。
【０１０２】
本明細書は、例証のみを意図したものであり、限定する意味に解釈されるべきではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の言語によってのみ判断されるべきである。特許請求の範囲の「含む」という用語は、特許請求の範囲の要素の示された列挙事項が開放グループであるように「少なくとも含む」を意味するものとする。「ａ」、「ａｎ」、及び他の単数形は、特に除外しない限り、その複数形を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】ワイヤライン工具がリグから吊された、内部粘度計−密度計を有するダウンホールワイヤライン工具の概略部分断面図である。
【図２】ダウンホール掘削工具がリグから吊された、内部粘度計−密度計を有するダウンホール掘削工具の概略部分断面図である。
【図３Ａ】井戸坑の側壁に対して見当合わせしたプローブとダウンホール工具内の評価流路内に配置された粘度計−密度計とを有する図１のダウンホール工具の一部分の概略図である。
【図３Ｂ】二重パッカーと組み合わせて利用される清掃流路を有する図１のダウンホール工具の別のバージョンの一部分の概略図である。
【図４】評価空洞内に配置された粘度計−密度計の側面図である。
【図５】吊されたワイヤを示す図４の粘度計−密度計のセンサユニットの断面図である。
【図６】図４に示す粘度計−密度計のセンサユニットの分解斜視図である。
【図７ａ】粘性及び密度を同時に計算する方法を示す論理流れ図である。
【図７ｂ】粘性及び密度を同時に計算する別の方法を示す論理流れ図である。
【図８】粘性及び密度の計算において利用される最小値を示す固定ｆ0超平面によって切り取られたカイ自乗性能表面を示すグラフである。
【図９】粘度計−密度計の別のセンサユニットの分解斜視図である。
【図１０】図９に示すセンサユニットの上面図である。
【図１１】センサユニットの別のバージョンの側面図である。
【図１２】図１１の線１２−１２に沿って切り取られた図１１のセンサユニットの断面図である。
【図１３】粘度計−密度計の１つが未知の粘性及び密度の流体内に配置され、粘度計−密度計の別のものが既知の粘性及び密度の流体内に配置された２以上の粘度計−密度計を有するダウンホール工具の別のバージョンの断片概略図である。
【図１４ａ】図１３に示す構成を利用して粘性及び密度を同時に計算する方法を示す論理流れ図である。
【図１４ｂ】図１３に示す構成を利用して粘性及び密度を同時に計算する別の方法を示す論理流れ図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ ダウンホール工具
１２ リグ
１４ 井戸坑
１８ プローブ
２０ 井戸坑壁
Ｆ 地層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下層を貫通する井戸坑に配置されたダウンホール工具による地下層の地層評価を実行するための技術に関する。より具体的には、限定的ではないが、本発明は、ダウンホール工具によって引き込まれた及び／又は評価された地層流体の粘性及び密度のような流体パラメータを判断するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
井戸坑は、炭化水素を探して生成するために掘削される。ビットがその先端に付いたダウンホール掘削工具を地中に前進させて井戸坑を形成する。掘削工具を前進させる時に、掘削工具を通じて掘削泥水を吸い上げて掘削ビットから排出して掘削工具を冷却して掘り屑を取り除く。掘削泥水は、更に、井戸坑の内側を覆うマッドケーキを形成する。
掘削作業中、井戸坑が貫通する地層の様々な評価を行うことが望ましい。場合によっては、掘削工具を除去してワイヤライン工具を井戸坑内に配備し、地層を試験及び／又はサンプリングすることができる。他の場合には、周囲の地層を試験及び／又はサンプリングするための装置を掘削工具に装備することができ、その掘削工具を使用して試験又はサンプリングを行うことができる。例えば、これらのサンプル又は試験を使用して貴重な炭化水素の位置を示すことができる。
【０００３】
地層評価では、多くの場合、試験及び／又はサンプリングのためにダウンホール工具内に地層からの流体を引き込むことが必要である。プローブのような様々な装置をダウンホール工具から延ばして井戸坑を取り囲む地層との流体連通を確立し、流体をダウンホール工具内に引き込む。典型的なプローブは、ダウンホール工具から延ばされて井戸坑の側壁に対して配置された円形要素である。プローブの先端のゴムパッカーを利用して井戸坑の壁とのシールを作り出す。井戸坑とのシールを形成するために使用される別の装置は、二重パッカーと呼ばれている。二重パッカーを用いて、２つのエラストマー性リングが工具の回りに半径方向に広がり、それらの間の井戸坑の一部分を隔離する。リングは、井戸坑壁とのシールを形成し、流体を井戸坑の隔離部分の中に、更にダウンホール工具内の入口の中に引き込ませる。
【０００４】
井戸坑の内側を覆うマッドケーキは、プローブ及び／又は二重パッカーが井戸坑壁に対してシールを作るのを助ける上で有用であることが多い。シールができた状態で、地層からの流体は、ダウンホール工具内の圧力を下げることにより入口を通してダウンホール工具内に引き込まれる。ダウンホール工具に使用されるプローブ及び／又はパッカーの例は、米国特許第６，３０１，９５９号、第４，８６０，５８１号、第４，９３６，１３９号、第６，５８５，０４５号、第６，６０９，５６８号、及び第６，７１９，０４９号、並びに米国特許出願第２００４／００００４３３号で説明されている。
【０００５】
地層評価は、一般的に、ダウンホール工具に引き込まれた流体に関して行われる。現在、ダウンホール工具に入る流体の様々な測定、事前調査、及び／又はサンプル収集を行うための技術が存在する。しかし、地層流体がダウンホール工具内を通る時に、井戸坑流体及び／又は掘削泥水のような様々な汚染物質が地層流体と共に工具に入る場合があることが見出されている。これらの汚染物質は、測定値及び／又は地層流体のサンプルの品質に影響を与えることがある。更に、汚染は、より多くの試験及び／又はサンプリングのための付加的な時間を必要とすることにより、井戸坑作業の遅延による経費をもたらす場合がある。更に、このような問題は、誤差を含む及び／又は使用できない誤った結果を生じるであろう。
【０００６】
従って、ダウンホール工具に入り込む地層流体は、有効な試験を行う上で十分に「清浄」又は「未使用」であることが望ましい。すなわち、地層流体は、汚染がほとんどないか又は全くないものであるべきである。汚染物質が地層流体と共にダウンホール工具に入るのを排除しようという試みが行われてきた。例えば、米国特許第４，９５１，７４９号で示すように、フィルタをプローブ内に設置して汚染物質が地層流体と共にダウンホール工具に入るのを阻止している。更に、Ｈｒａｍｅｔｚに付与された米国特許第６，３０１，９５９号に示すように、プローブには、清浄な流体がプローブに入る時に汚染流体を清浄な流体からそらすための保護リングが設けられている。ダウンホール工具に入る流体は、一般的に流路を通過し、サンプルチャンバに捕捉されるか又は井戸坑内に捨てることができる。様々な弁、ゲージ、及び他の構成要素を流路に沿って組み込み、流体がダウンホール工具を通る時にそれをそらし、試験し、及び／又は捕捉することができる。
【０００７】
ダウンホール工具を通る流体を試験して様々なダウンホールパラメータ又は特性を判断することができる。貯蔵状態での流体の粘性、密度、及び相挙動のような炭化水素貯蔵流体の熱物理学的特性を用いて、潜在的な埋蔵量を評価し、有孔媒体における流量を判断し、とりわけ完成システム、分離システム、処理システム、及び計量システムを設計することができる。
流体の粘性を判断する様々な技術が開発されている。例えば、捩りワイヤのための固定点間に吊り下げられたボブを有する粘度計も、例えば、米国特許第５，７６３，７６６号及び第６，０７０，４５７号に説明されているように提案されている。粘度計はまた、振動する物体で形成されてきた。１つのこのような粘度計は、炭化水素生成井戸において地層流体又は濾液の粘性、密度、及び誘電率を測定することを目的としてダウンホール用途に使用されている。例えば、国際特許公告番号ＷＯ０２／０９３１２６では、炭化水素生成井戸内の地層流体又は濾液の粘性、密度、及び誘電率のリアルタイムの直接測定値及び推定値をもたらすためにパイプ内の音叉共振器が開示されている。２つの柱の間にクランプ留めされたワイヤを有する別の粘度計は、例えば、「Ｔλを超える加圧Ｈｅの粘性」、「Ｐｈｙｓｉｃａ ７６」（１９７４年）、１７７〜１８０頁、及び「振動ワイヤ粘度計」、「Ｔｈｅ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ」、第３５巻、第１０号、（１６９４年１０月）、１３４５〜１３４８頁に説明されているような実験室環境で使用されている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，３０１，９５９号
【特許文献２】米国特許第４，８６０，５８１号
【特許文献３】米国特許第４，９３６，１３９号
【特許文献４】米国特許第６，５８５，０４５号
【特許文献５】米国特許第６，６０９，５６８号
【特許文献６】米国特許第６，７１９，０４９号
【特許文献７】米国特許出願第２００４／００００４３３号
【特許文献８】米国特許第４，９５１，７４９号
【特許文献９】米国特許第５，７６３，７６６号
【特許文献１０】米国特許第６，０７０，４５７号
【特許文献１１】国際特許公告番号ＷＯ０２／０９３１２６
【非特許文献１】「Ｔλを超える加圧Ｈｅの粘性」、「Ｐｈｙｓｉｃａ ７６」（１９７４年）、１７７〜１８０頁
【非特許文献２】「振動ワイヤ粘度計」、「Ｔｈｅ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ」、第３５巻、第１０号、（１６９４年１０月）、１３４５〜１３４８頁
【非特許文献３】Ｒｅｔｓｉｎａ、Ｔ．；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｓ．Ｍ．；Ｗａｋｅｈａｍ、Ｗ．Ａ．著「応用科学研究」、１９８７年、４３、３２５〜３４６頁
【非特許文献４】Ｒｅｔｓｉｎａ、Ｔ．；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｓ．Ｍ．；Ｗａｋｅｈａｍ、Ｗ．Ａ．著、１９８６年、４３、１２７〜１５８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
粘性を測定する技術が存在するにも関わらず、好ましくは重力場に対するダウンホールでのセンサの位置に関係なく、ダウンホールでの正確な粘性測定値を提供する必要性が依然として存在する。このようなシステムは、精度及び／又は正確さの検査を提供することができることが望ましい。このようなシステムは、厳しい井戸坑環境での使用に適応した単純な構成を備えることが更に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
１つの態様では、本発明は、地下層を貫通する井戸坑に配置可能なダウンホール工具のための粘度計−密度計に関する。ダウンホール工具は、地層内の流体の少なくとも一部分を粘度計−密度計に搬送するようになっている。粘度計−密度計は、ダウンホール工具内に配置可能なセンサユニットを含む。センサユニットは、少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ、ワイヤ、及び少なくとも１つの磁石を含む。ワイヤは、粘度計−密度計がダウンホール工具内に配置され、かつダウンホール工具が地下層内に配置されて流体を地下層から受け取る時に流体と相互作用するのに利用可能であるように、少なくとも２つのコネクタ間に張った状態で吊られている。コネクタ及びワイヤは、周波数発振器を形成するように構成される。上述の少なくとも１つの磁石は、ワイヤと相互作用する磁場を発生する。
【００１１】
コネクタとワイヤは、周波数発振器を形成するように類似の熱膨張率を有する材料で構成することができる。例えば、コネクタとワイヤは、単一種類の材料で構成され、ダウンホール条件によって引き起こされる熱及び弾性変形によるワイヤの共振周波数の変動を実質的に排除することができる。粘度計−密度計には、ワイヤがコネクタによって吊り下げられた流管を装備することもでき、この例においては、流管、コネクタ、及びワイヤは、周波数発振器を形成するように類似の熱膨張率を有する材料で構成されることが望ましい。
【００１２】
別の態様では、センサユニットには、コネクタに対するワイヤの回転を防止するための手段が更に装備される。ワイヤの回転を防止するための手段は、ワイヤに接続したボスを含むことができ、ボスは、非円形断面を有している。
更に別の態様では、粘度計−密度計には、ワイヤと相互作用する流体の少なくとも２つのパラメータ（例えば、粘性及び密度）を計算するためのフィードバックをワイヤから受け取る分析回路が更に装備される。
【００１３】
更に別の態様では、本発明は、壁を有して地下層を貫通する井戸坑に配置可能なダウンホール工具に関する。地層は、一般的に、そこに天然ガス及び石油のような流体を有する。ダウンホール工具には、ハウジング、流体連通装置、及び粘度計−密度計が装備される。ハウジングは、少なくとも１つの評価空洞を封入する。流体連通装置は、井戸坑の壁との密封係合のためにハウジングから延長可能である。流体連通装置は、流体を地層から受け取ってこのような流体を評価空洞内に堆積させるために評価空洞と連通した少なくとも１つの入口を有する。粘度計−密度計には、評価空洞内に配置されたセンサユニットが装備される。センサユニットには、少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ、ワイヤ、及び磁石が装備される。ワイヤは、それが評価空洞内の流体との相互作用に利用可能であるように、上述の少なくとも２つのコネクタ間に張った状態で吊られている。コネクタとワイヤは、周波数発振器を形成するように構成される。少なくとも１つの磁石は、ワイヤと相互作用する磁場を発生する。粘度計は、上述のいずれかのバージョンとすることができる。
【００１４】
更に別の態様では、ダウンホール工具には、既知の特性、例えば、粘性及び密度を有する流体を収容する比較チャンバを装備することができる。比較チャンバ内のダウンホール条件、例えば、圧力及び温度は、評価空洞内のダウンホール条件と類似（好ましくは同一）である。ダウンホールが、評価空洞内の未知のパラメータの流体内に配置された一方のセンサユニットと、比較チャンバ内の既知のパラメータの流体と共に配置された他方のセンサユニットとを含むように、ダウンホール工具には、比較チャンバ内のセンサユニットも装備される。評価空洞内の流体の未知のパラメータの少なくとも２つ（例えば、粘性及び密度）を示す信号が次に計算される。
【００１５】
更に別の態様では、本発明は、未知の流体を有する地層を貫通する井戸坑内でその流体の少なくとも２つの未知のパラメータを測定する方法に関する。本方法においては、ダウンホール工具の流体連通装置は、井戸坑の壁と密封係合した状態で設けられる。流体は、次に、地層からダウンホール工具内の評価空洞の中に引き込まれる。評価空洞内の流体のデータは、評価空洞内に配置されて２つのコネクタ間に吊されたワイヤを有する粘度計−密度計でサンプリングされる。ワイヤ及びコネクタは、周波数発振器を形成するように構成される。
この態様では、評価空洞は、流路又はサンプルチャンバとすることができる。粘度計−密度計によってサンプリングされたデータを用いて、評価空洞内でサンプリングされたデータを利用して少なくとも２つのパラメータを計算することができる。この少なくとも２つのパラメータは、粘性及び密度を含む。
【００１６】
更に別の態様では、本方法は、評価空洞内の流体の温度及び圧力に関連した温度及び圧力を有する比較チャンバ内の既知の流体に対してデータをサンプリングする段階を含むことができる。この例においては、本方法は、一般的に、比較チャンバからサンプリングされたデータと評価空洞からサンプリングされたデータとを利用して、評価空洞内の未知の流体の少なくとも２つのパラメータを計算する段階を更に含む。
【００１７】
更に別の態様では、本発明は、流体の粘性及び密度のような少なくとも２つの流体パラメータを計算するための分析回路に供給されるか又はそこに含むことができるコンピュータ可読媒体に関する。この例においては、コンピュータ可読媒体は、（１）一方のセンサユニットが未知のパラメータの流体内に配置され、他方のセンサユニットが既知のパラメータの流体と共に配置された少なくとも２つのセンサユニットからフィードバックを受け取り、（２）この一方のセンサユニットが配置された流体の未知のパラメータの少なくとも２つを示す信号を計算し、同時に未知のパラメータの流体内のセンサユニットを取り囲む井戸坑条件の変動を実質的に排除するための論理を含む。信号を計算するための論理は、例えば、センサユニットから受け取ったデータのジョイント・インバージョンを実行するための論理を含むことができる。
上述の本発明の態様の各々においては、少なくとも２つの流体パラメータは、同時に計算されることが好ましい。
【００１８】
本発明の上述の特徴及び利点を詳細に理解することができるように、先に簡単に要約した本発明のより詳細な説明は、添付図面に示すその実施形態を参照することによって行うことができる。しかし、本発明は他の同等に有効な実施形態を受け入れることができるので、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、従って、その範囲を限定するように解釈されないことに注意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の現時点で好ましい実施形態を上述の図面に示し、以下で詳細に説明する。好ましい実施形態を説明する際に共通又は類似の要素を特定するために同様又は同一の参照番号を使用する。図面は必ずしも縮尺通りではなく、図面中のいくつかの特徴及びいくつかの図は、明瞭さ及び正確さのために縮尺において誇張され又は概略で示す場合がある。
【００２０】
定義
いくつかの用語は、それらが初めて使用される時に本説明を通して定義され、一方、本説明で使用されるいくつかの他の用語は以下のように定義される。
「環状」とは、環、環に関すること、又は環を形成すること、すなわち、円又は楕円のような閉鎖曲線の形状の線、帯、又は構成を意味する。
「汚染流体」とは、流体が井戸坑掘削時に使用された泥水からの濾液のような汚染物質を含むために、炭化水素流体サンプリング及び／又は評価に一般的に許容可能ではない流体、例えば、気体又は液体を意味する。
「ダウンホール工具」とは、関連する１以上の地下層の評価、生成、及び／又は管理に関係したダウンホール作業を行うためのドリルストリング、ワイヤライン、及びコイル配管のような手段により井戸坑内に配備される工具を意味する。
【００２１】
「作動的に接続された」とは、情報、力、エネルギ、又は物質（流体を含む）を伝達するか又は誘導するために直接的又は間接的に接続されたことを意味する。
「未使用流体」とは、十分に純粋、無垢、自然、非汚染、又はそれ以外に流体サンプリング及び分析分野において有効な炭化水素サンプリング及び／又は評価のための所定の地層を満足できる程度に表すと考えられる地下流体、例えば、気体又は液体を意味する。
「流体」とは、「未使用流体」又は「汚染流体」のいずれかを意味する。
【００２２】
「クランプ」とは、２以上の部品をそれらを確実に保持するために互いに結合又は締付け又は圧迫するように設計された装置を意味する。
「コネクタ」とは、ワイヤの一部分を固く接合又は把持するためのクランプのようなあらゆる装置又はアセンブリを意味する。
「周波数発振器」とは、井戸坑条件、例えば、温度及び圧力の変化が、張られたワイヤの共振周波数に実質的な影響を与えず、それによって様々な井戸坑条件における張られたワイヤから得られた読取値が、張られたワイヤと相互作用する流体の特性を満足できる程度に表すように、真空内の張られたワイヤの共振周波数（以下、「ｆ0」と呼ぶ）が予測可能であることを意味する。
【００２３】
詳細説明
図１は、リグ１２から井戸坑１４内に吊り下げられる本発明により構成されたダウンホール工具１０を示している。ダウンホール工具１０は、掘削、コイル配管、又は他のダウンホール工具のような、地層評価を行うことができるあらゆる種類の工具とすることができる。図１のダウンホール工具１０は、ワイヤラインケーブル１６を通じてリグ１２から井戸坑１４内に配置され、かつ地層Ｆの近くに配置された従来のワイヤライン工具である。ダウンホール工具１０には、井戸坑１４の壁２０（以下、「壁２０」又は「井戸坑壁２０」と呼ぶ）との密封を行うようになったプローブ１８が装備されており、矢印によって示すように、流体を地層Ｆからダウンホール工具１０内に引き込むものである。バックアップピストン２２及び２４は、ダウンホール工具１０のプローブ１８を井戸坑壁２０に押し当てるのを助けるものである。
【００２４】
図２は、本発明により構成されたダウンホール工具３０の別の例を示している。図２のダウンホール工具３０は、掘削中測定（ＭＷＤ）掘削工具、掘削中ログ（ＬＷＤ）掘削工具、又は当業者に公知である他の掘削工具の１以上（又は、それ自体の場合もある）の間で搬送することができる掘削工具である。ダウンホール工具３０は、井戸坑１４を形成するためにリグ１２によって駆動されるドリルストリング３２に取り付けられる。ダウンホール工具３０は、矢印で示すように、地層Ｆからダウンホール工具３０内に流体を引き込むために井戸坑１４の壁２０との密封を行うようになったプローブ１８を含む。以下で説明する粘度計−密度計又はセンサユニットは、ダウンホール工具１０又はダウンホール工具３０と共に使用することができる。
【００２５】
図３Ａは、流体流れシステム３４を示す図１のダウンホール工具１０の一部分の概略図である。プローブ１８は、井戸坑壁２０との係合のためにダウンホール工具１０のハウジング３５から延長されることが好ましい。プローブ１８には、井戸坑壁２０との密封を行うためのパッカー３６が装備されている。パッカー３６は、井戸坑壁２０に接触して井戸坑１４の内側を覆うマッドケーキ４０によるシールを形成する。マッドケーキ４０は、井戸坑壁２０に溶け出して井戸坑１４回りに侵入区域４２を作り出す。侵入区域４２は、泥水及び地層Ｆ及び地層Ｆ内に含まれた未使用流体４４の一部分を含む周囲の地層を汚す他の井戸坑流体を含む。
【００２６】
プローブ１８には、評価流路４６が設けられることが好ましい。流体を流路に引き込むためのプローブ及び二重パッカーのような流体連通装置の例は、米国特許第４，８６０，５８１号及び第４，９３６，１３９号に示されている。
評価流路４６は、ダウンホール工具１０内に延びており、試験及び／又はサンプリングのために未使用流体４４のような流体をダウンホール工具１０に通すのに使用される。評価流路４６は、未使用流体４４のサンプルを収集するサンプルチャンバ５０まで延びる。ポンプ５２を使用すると、流体を流路４６内に引くことができる。
【００２７】
図３Ａは、流体を地層から引くのに使用されるダウンホール工具のサンプル構成を示すが、プローブ、流路、及びダウンホール工具の様々な構成を用いることができ、本発明の範囲を限定することは意図していないことを当業者は認めるであろう。
例えば、図３Ｂは、別々の流路内に流体を引き込むための修正プローブ１８ａ及び流体流れシステム３４ａを有するダウンホール工具１０の別のバージョンの一部分の概略図である。より具体的には、図３Ｂに示す流体流れシステム３４ａは、流体流れシステム３４ａが評価流路４６並びにそれぞれの流路４６及び４６ａに付随するポンプ５２ａ及び５２ｂに加えて清掃流路４６ａを含む点を除き、図３Ａに示す流体流れシステム３４と類似のものである。図３Ｂに示すプローブ１８ａは、空洞５６ａが流路４６と連通し、空洞５６ｂが流路４６ａと連通する２つの別々の空洞５６ａ及び５６ｂをプローブ１８ａが有する点を除き、図３Ａに示すプローブ１８と類似のものである。空洞５６ｂは、空洞５６ａが「未使用流体」を地層Ｆから引くことを可能にするために、空洞５６ｂが「汚染流体」を地層Ｆから引き込むように、空洞５６ａの回りに延びている。汚染流体は、清掃流路４６ａから吐き出され、出口５７を通じて井戸坑１４内に入る。流体を別々の流路に引き込むために使用されるプローブ及び二重パッカーのような流体連通装置の例は、本発明の出願人に譲渡された米国特許第６，７１９，０４９号及び米国特許公告出願第２００４００００４３３号、及びＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎに譲渡された米国特許第６，３０１，９５９号に示されている。
【００２８】
本発明によれば、粘度計−密度計６０（ａ、ｂ、ｃ）は、評価空洞内流体の粘性を測定する評価流路４６、清掃流路４６ａ、又はサンプルチャンバ５０のようなダウンホール工具１０内の評価空洞に付随するものである。図３Ｂに示す例においては、粘度計−密度計６０は、明瞭さを期すために参照番号６０ａ、６０ｂ、及び６０ｃと説明されている。粘度計−密度計６０は、図４、図５、及び図６により詳細に示されている。
また、ダウンホール工具３０には、ダウンホール工具１０の図３Ａ及び図３Ｂに示すバージョンと類似の方法で、ハウジング、プローブ、流体流れシステム、パッカー、評価流路、清掃流路、サンプルチャンバ、ポンプ、及び粘度計−密度計を装備することができる。
【００２９】
ここで図４から図６を参照して、評価流路４６内にある評価空洞に関して詳細に以下に説明する。しかし、以下の説明は、清掃流路４６ａ又はサンプルチャンバ５０内にある評価空洞にも同等に適用可能であることを理解すべきである。また、粘度計−密度計６０をダウンホール工具１０に関連して説明するが、このような説明は、ダウンホール工具３０に同等に適用可能であることを理解すべきである。更に、粘度計−密度計６０を評価流路４６及び４６ａに沿って配置した図３Ａ及び図３Ｂを示すが、ダウンホールパラメータを測定するダウンホール工具１０回りの様々な場所に粘度計−密度計６０を配置することができる。
【００３０】
一般的に、粘度計−密度計６０は、センサユニット６２、１以上の磁石６４（ａ、ｂ）、信号プロセッサ６６、及び分析回路６８を有する。図４に示す例においては、粘度計−密度計６０には、図４においては参照番号６４ａ及び６４ｂによって指定された２つの磁石が装備されている。センサユニット６２には、少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ７２と、粘度計−密度計６０のセンサユニット６２がダウンホール工具１０内に配置され、かつダウンホール工具１０が地下層Ｆ内に配置されて、流体を地層Ｆから受け取る時にワイヤ７４が流体との相互作用に利用可能であるように少なくとも２つのコネクタ７２間に吊されたワイヤ７４（図５）とが装備される。磁石６４ａ及び６４ｂは、ワイヤ７４内を流れる正弦波電流と相互作用する磁場を発する。信号プロセッサ６６は、信号路７５ａ及び７５ｂを通じてワイヤ７４と電気的に通信する。信号路７５ａ及び７５ｂは、ワイヤ、ケーブル、又は空中通信リンクとすることができる。信号プロセッサ６６は、正弦波電流を形成する駆動電流をワイヤ７４に供給し、一般的に、正弦波電流によってワイヤ７４は、供給される信号に従って振動又は共振する。一般的に、信号プロセッサ６６からワイヤ７４に供給される信号は、信号の周波数が所定の方法で変わる掃引周波数一定電流信号と考えることができる。
【００３１】
分析回路６８は、フィードバックをワイヤ７４から受け取る。正弦波電流は、ワイヤ７４内を流れ、周波数が共振周波数に近い一般的に最低次数モードの時に、検出可能な運動起電力（ｅｍｆ）が発生する。共振時の周波数の関数として測定されるのは、駆動電圧及び運動ｅｍｆである。一般的に、分析回路６８は、ワイヤ７４の共振周波数を示すフィードバックをワイヤ７４から受け取る。流体の粘性により、ワイヤ７４の共振周波数は、所定の方法で変わり、これは、流体の粘性の判断を可能にするものである。ワイヤ７４からのフィードバックから粘性を判断する方法を以下に詳細に説明する。分析回路６８は、フィードバックをワイヤ７４から受け取って流体の粘性を計算することができるあらゆる種類の回路とすることができる。一般的に、分析回路６８は、分析回路６８が粘性を計算することを可能にするメモリ又はディスクのようなコンピュータ可読媒体上に記憶されたソフトウエアプログラムを実行するコンピュータプロセッサを含むことになる。しかし、特定的な実施形態では、アナログ又は他の形式の装置を使用して分析回路６８を実行することができることを理解すべきである。例えば、分析回路６８は、アナログ／デジタル変換器、その次に流体の粘性を計算する復号器を含むことができる。分析回路６８及び信号プロセッサ６６を図４に別々に示すが、分析回路６８及び信号プロセッサ６６は、単一の回路で実行するか又は別々の回路で実行することができることを理解すべきである。更に、分析回路６８及び信号プロセッサ６６は、図４ではダウンホール工具１０内にあると示されているが、信号プロセッサ６６及び／又は分析回路６８は、ダウンホール工具１０の外部に位置することができることを理解すべきである。例えば、掃引信号を発生させる信号プロセッサ６６は、ダウンホール工具１０内に位置することができ、一方、分析回路６８は、井戸坑１４近傍か又は井戸坑１４から遠く離れた場所に位置するモニタリングセンター内で井戸坑１４の外側に位置する。
【００３２】
また、粘度計−密度計６０のセンサユニット６２には、ハウジング７６が装備される。ハウジング７６は、チャンネル７８（図５及び図６）と、チャンネル７８と連通する入口８０と、チャンネル７８と連通する出口８２とを形成する。図４に示す例においては、流体は、評価流路４６内で方向８４に流れている。従って、流体がセンサユニット６２と遭遇した時、流体は、入口８０を通過してチャンネル７８に入ると出口８２を通じてハウジング７６を出る。また、ハウジング７６に評価流路４６の内側寸法よりも小さい外側寸法が設けられた時に、ある一定の量の流体も、ハウジング７６の外面８８と評価流路４６の内面８９の間に形成されたチャンネル８７（図４）内のハウジング７６を通過することになる。
【００３３】
ワイヤ７４は、流体がハウジング７６を通る時に流体がコネクタ７２間の実質的にワイヤ７４全体と接触するようにチャンネル７８に配置される。これによって、流体が確実にコネクタ７２間のワイヤ７４の全長に亘って流れ、流体間にあるワイヤ７４の清掃を容易にする。ワイヤ７４は、ワイヤ７４の張り及びワイヤ７４を取り囲む流体の粘性によって複数の基本モード共振周波数（又は、その高調波）で振動することができる導電材料で構成される。ワイヤ７４は、流体密度とワイヤ７４密度の差が大きいほど感度が大きくなるために、大きな密度を有する材料で構成されることが望ましい。また、流体密度とワイヤ密度の比を通じて密度がワイヤ回りの流体に対して感度を提供する一方、ワイヤ７４は、安定した共振をもたらすために高いヤング率を有することが必要である。様々な材料をワイヤ７４に使用することができる。例えば、ワイヤ７４は、タングステン又はクロメルで構成することができる。ワイヤ７４が天然ガスのような気体を感知するのに使用される時、ワイヤ７４は、相対的に滑らかな外面を有することが好ましい。この例においては、クロメルは、ワイヤ７４を構成する上での好ましい材料である。
【００３４】
図４に示すように、磁石６４は、評価流路４６の外部に配置され、かつ評価流路４６の外面に取り付けられることが好ましい。また、磁石６４は、ハウジング７６に組み込むことができる。代替的に、ハウジング７６は、磁性材料で構成することができる。
図５及び６に示すように、ハウジング７６には、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２を装備することができる。第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、協働してチャンネル７８を構成する。第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、磁石６４によって生成された磁場がハウジング７６からの実質的な干渉なしにワイヤ７４と相互作用することができるように、導電非磁性材料で構成されることが好ましい。例えば、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、Ｋ５００モネル、タングステン、又は別の種類の非磁性材料、例えばステンレス鋼のようなダウンホール適合材料で構成することができる。
【００３５】
また、ハウジング７６には、第１のハウジング部材９０を第２のハウジング部材９２から絶縁するために、第１のハウジング部材９０と第２のハウジング部材９２の間に配置される絶縁層９６（図５）が装備される。ワイヤ７４は、絶縁層９６の両側の間に延びて第１のハウジング部材９０を第２のハウジング部材９２に電気的に接続する。絶縁層９６は、第１の絶縁層９８と第２の絶縁層１００で構成することができる。ワイヤ７４には、第１の端部１０２と第２の端部１０４が装備される。第１の絶縁層９８は、ワイヤ７４の第１の端部１０２の近くに配置され、第２の絶縁層１００は、ワイヤ７４の第１の第２の端部１０４の近くに配置される。ワイヤ７４は、チャンネル７８に掛かり、第１のハウジング部材９０を第２のハウジング部材９２と電気的に接続する役目をする。
【００３６】
図４に示すセンサユニット６２の例においては、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２の各々は、第１の端部１０８、第２の端部１１０、及び第１の端部１０８と第２の端部１１０の間の中間部分１１２を有すると特徴付けることができる。第１の端部１０８及び第２の端部１１０には、中間部分１１２の断面積又は直径よりも小さい断面積又は直径が設けられる。従って、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２の各々は、第１の端部１０８と第２の端部１１０を中間部分１１２から分離する肩部１１４を有する。入口８０及び出口８２は、チャンネル７８がハウジング７６の中間部分１１２を通るように肩部１１４の近くで第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２内に形成される。肩部１１４は、流体を入口８０に導くような形状となっている。
【００３７】
信号路７５ａ及び７５ｂをセンサユニット６２に連結するために、粘度計−密度計６０には、更に、第１のハウジング部材９０に結合された第１の端子１１６と、第２のハウジング部材９２に結合された第２の端子１１８とが装備される。従って、信号プロセッサ６６及び分析回路６８は、信号路７５ａ及び７５ｂを通じて第１及び第２の端子１１６及び１１８に連絡している。信号路７５ａ及び７５ｂは、一般的に、１以上のフィードスルー１２０を通じて評価流路４６を通って延びることに注意すべきである。フィードスルー１２０は、流体が評価流路４６に形成された開口部を通るのを防止すると同時に、信号路７５ａ及び７５ｂが評価流路４６を通って延びることを可能にするための流体密封シールを提供する。
【００３８】
第１の端子１１６及び第２の端子１１８は、構成及び機能が同一とすることができる。第１の端子１１６及び第２の端子１１８を実施するために、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２には、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２の第１の端部１０８及び第２の端部１１０のいずれかに形成されるネジ穴１２４を設けることができる。図５に示す例においては、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２には、第１の端部１０８及び第２の端部１１０の両方に形成されるネジ穴１２４が設けられている。また、図４から図６に示すように、第１の端子１１６及び第２の端子１１８には、信号路７５ａ及び７５ｂの各々を第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２に連結するためにネジ付き留め具１２６が装備されている。
【００３９】
第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、あらゆる適切な機械的又は化学的な種類のアセンブリによって互いに接続される。図６に示すように、粘度計−密度計６０には、第１のハウジング部材９０を第２のハウジング部材９２に固定する複数のネジ付き留め具１３０（図６）が設けられている。ネジ付き留め具１３０は、一般的に、鋼又はアルミニウムのような導電材料で構成されることに注意すべきである。また、ネジ付き留め具１３０が第１のハウジング部材９０と第２のハウジング部材９２の間に電気経路を形成するのを防止するために、粘度計−密度計６０には、ネジ付き留め具１３０の各々を第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２の一方から絶縁させるために、複数の絶縁フィードスルー１３２が装備される。
【００４０】
粘度計−密度計６０のセンサユニット６２は、あらゆる適切なアセンブリによって評価流路４６内に固定することができる。センサユニット６２は、評価流路４６内での長さ方向の移動及び評価流路４６内での回転移動を防止するように固定することができることを理解すべきである。信号路７５ａ及び７５ｂには、評価流路４６内でのセンサユニット６２の長さ方向の移動及び／又は回転移動を防止するのに十分な剛性を与えることが好ましい。また、付加的な固定手段を使用して、評価流路４６内のセンサユニット６２の移動を防止することができる。例えば、評価流路４６内のセンサユニット６２の長さ方向の移動を防止するために、センサユニット６２の下流側で直径を短縮することができる。
【００４１】
当業者によって理解されるように、第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２は、ネジ付き留め具１３０によって互いに固定された時に、協働してコネクタ７２を形成する。ワイヤ７４は、以下のように接続して緊張させる。ワイヤ７４は、一端で接続される。他端は、第２のコネクタ７２に通して供給されるが緊張させない。緩いコネクタ７２から突出する端部から質量（図示せず）が取り付けられる。地球の重力場内でワイヤ７４から吊り下げられた質量のマグニチュードでワイヤ径に対する張力、従って、共振周波数が判断され、約１ｋＨｚの共振周波数は、直径０．１ｍｍのワイヤで吊された５００ｇの質量で得ることができる。ワイヤ７４の直径を変えると測定対象の粘性範囲を変えることができる。約２４時間後、ワイヤ７４は、第２の端部をクランプ締めして質量を取り除く。この手順によってワイヤ７４内の捩れが少なくなる。ワイヤ７４は、次に、各熱サイクル間でかなり安定した共振周波数を有するワイヤをもたらすために加熱されて冷却され、粘度計−密度計６０の場合、ワイヤ７４共振周波数は、６０ｓの程度の共振に亘る周波数の関数として複素電圧を判断するのに必要な時間中は安定している必要がある。
【００４２】
粘性を計算するために、磁場がある場合に正弦波電流がワイヤ７４内に流される。磁場は、ワイヤ７４に垂直であり、正弦波電流が存在する場合には、磁場が原因となってワイヤ７４が移動する。得られる誘導起電力（運動ｅｍｆ）又は複素電圧は、駆動電圧に追加される。運動ｅｍｆは、駆動電圧がオフセットされるか又はゼロにされるロックイン増幅器又はスペクトルアナライザを含む信号プロセッサを有する分析回路６８を通じて検出することができる。電流周波数が基本共振周波数に近いか又はそのものである時、ワイヤ７４は共振する。複素電圧は、通常は共振に亘る周波数で測定され、観察結果が解式、ワイヤ密度、及び半径と組み合わされて既知の密度の流体に対する粘性が判断される。電流のマグニチュードは、流体の粘性に依存し、許容可能なＳＮ比が検出回路で得られるように変更され、３５ｍＡよりも小さい値が一般的に使用され、得られる複素運動ｅｍｆは、数マイクロボルトである。電流のマグニチュードに加えて、ワイヤ７４の直径はまた、上限作動粘性を決め、ワイヤ直径を大きくすると、上限作動粘性が大きくなる。これ以外にもワイヤ運動を励起して検出する方法はあるが、いずれもロックイン増幅器ほど便利ではない。
【００４３】
ワイヤ７４から受け取ったフィードバックから流体の粘性及び密度を計算するために、分析回路６８は、以下のように作動する。ワイヤ７４は、磁場内に置かれ、交流をワイヤ７４に通すことによって定常状態の横振動に駆動される。ワイヤ間で発生する得られる電圧Ｖは、２つの成分から成る。
【００４４】
【００４５】
第１の項Ｖ1は、単に定置ワイヤの電気インピーダンスから生じ、一方、第２のＶ2は、磁場が存在する場合にワイヤの運動から生じる。Ｖ1は、以下で示される。
【００４６】
【００４７】
方程式（２）においては、ｆは、ワイヤ７４が磁場が存在する場合に駆動される周波数であり、一方、ａ、ｂ、ｃは、実験結果を用いた回帰によって決まる調整可能なパラメータである。パラメータａ、ｂ、ｃは、ワイヤの電気インピーダンスを説明し、電圧信号が可能な限り最も感度の高い範囲で検出されることを保証するために、ロックイン増幅器内で使用されるオフセットを吸収するものでもある。Ｖ2の第２の成分は、以下によって計器の解式で与えられる。
【００４８】
【００４９】
方程式（３）においては、Λは振幅、ｆ0は真空状態でのワイヤ共振周波数、Δ0はワイヤの内部減衰、βはワイヤによって変位した流体から生じた付加質量、β’は流体粘性による減衰である。
流体の付加質量β及び粘性抵抗β’を明らかにする振動ワイヤの流体機構は、以下によって表すことができる。
【００５０】
【００５１】
及び
【００５２】
【００５３】
ただし、ｋ及びｋ’は以下で与えられる。
【００５４】
【００５５】
及び
【００５６】
【００５７】
方程式（６）及び（７）において、Ａは、以下で示す複素量である。
【００５８】
【００５９】
ここで、
【００６０】
【００６１】
方程式（８）において、Ｋ0及びＫ1は、修正ベッセル関数であり、Ωは、半径Ｒの円筒形ワイヤ回りの流れを特徴付けるレイノルズ数に関係するものである。方程式（９）において、流体粘性及び密度は、それぞれη及びρで示されている。従って、流体粘性及び密度は、方程式（１）から（９）により予測される同相電圧及び直交電圧が周波数の関数に亘って実験的に求めた値と一致するように値を調整することによって判断することができる。データが収集される周波数範囲は、一般的に約ｆr±５ｇであり、ただし、ｇは共振曲線の半値幅であり、ｆrは基本横共振周波数である。ＳＮ比が大きく、周波数の増加と共に大きくなる電気的クロストークがゼロの電気的に完全な装置においては、帯域幅の選択は重要ではない。しかし、これは、Ｑ｛＝ｆ／（２ｇ）｝が、帯域幅が増加した時に起こる１になる時には極めて重要であり、これは、粘性の増加と、駆動電圧が増加しない限り、対応するＳＮ比の減少と共に起こり、測定が行われる帯域幅を判断することの重要性は、以下で明らかになる。
【００６２】
方程式（４）から（９）は、以下を仮定することによって得られる。（１）ワイヤ７４の半径がワイヤ７４の長さと比較すると小さい、（２）流体の圧縮性が無視できる、（３）流体を含むハウジング７６の半径が、境界効果が無視できるようにワイヤ半径と比較すると大きい、及び（４）振動の振幅が小さい。文献で報告されている振動ワイヤ粘度計においては、共振周波数は、ワイヤの張力及びワイヤを取り囲む流体の密度の両方に敏感であり、この密度に対する感度は、多くの場合、ワイヤを上部でクランプ締めして質量を下端に取り付け、アルキメデスの原理を利用することによって大きくなる。しかし、密度を代替ソース、例えば、状態方程式から求めた場合、共振線幅だけが安定していればよい。
【００６３】
一般的に、粘度計−密度計６０のような振動ワイヤ粘度計は、理論的には較正定数を決める必要がない絶対的な装置である。しかし、実際には、密度及び半径のようなワイヤ７４の一部分の物理特性は、独立した方法では十分な精度まで判断することはできない。従って、それらの特性は、通常は較正によって判断する。これを行うために、測定は、真空及び粘性及び密度が既知である流体の両方において行われる。前者によってΔ0が得られる。ワイヤ半径Ｒは、粘性測定を行うのに必要とされる他の唯一の未知の変数である。較正流体の粘性及び密度が与えられると、単一の測定でワイヤ半径を判断することができる。
【００６４】
１．解式の修正
ワイヤ７４間に発生する複素電圧Ｖは、ワイヤ７４の電気インピーダンスから生じるＶ1と磁場が存在する場合にワイヤ７４の運動から生じるＶ2から成る（方程式１）。電気インピーダンスによる寄与以外に、Ｖ1も、電気的クロストーク又は他の形態の結合のような背景ノイズの原因となる。これらの干渉により、振動ワイヤ７４の共振周波数近くの周波数間隔に亘って相対的に滑らかな背景が生じる。測定複素電圧を周波数の関数として適切に再現するために、付加的な周波数依存パラメータを方程式（２）に含める。すなわち、
【００６５】
【００６６】
方程式（１０）の付加的な周波数依存項を考慮に入れないと、測定複素電圧は、解式に十分には適さないことが多く、その結果、流体密度及び粘性における大きな誤差を招くことになる。これは、特に高粘性流体に当て嵌まる。
【００６７】
２．振動ワイヤからの流体密度及び粘性の判断
流体密度及び粘性を判断するには、振動ワイヤ７４の解式によるデータ当て嵌めが必要である。最小自乗当て嵌めの方法は、１組のデータの最適な特徴付けは、当て嵌めモデル（又は解式）からのデータのずれの自乗の和を最小にするものであるという考えに基づいている。ずれの自乗の和は、以下のカイ自乗（又はχ2）と呼ぶ適合度統計に密接に関係するものである。
【００６８】
【００６９】
ただし、ｆiは周波数指数、Ｄ（ｆi）及びＶ（ｆi）は、それぞれ、記録された複素電圧及び解式であり、νは、Ｎデータ点を当て嵌めるための自由度の数である。流体密度及び粘性を含む未知のパラメータを見つける時に、（１１）で定義されたカイ自乗測度を最小化するために、最小自乗判断基準が以下のように公式化される。
【００７０】
【００７１】
ただし、「ρ」、「η」、「ｆ0」、「Λ」、「ａ」、「ｂ」、「ｃ」、及び「ｄ」は、未知のパラメータである。「Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ」アルゴリズム［１４］によってこの最小化問題を解く非線形回帰手順が与えられる。
【００７２】
全ての未知パラメータのうちでも特に、振動振幅（すなわち、Λ）と定置ワイヤの電気インピーダンス及び他の背景干渉に関係する定数（すなわち、ａ、ｂ、ｃ、及びｄ）とは、最小化手順によって良好に求められる。しかし、密度、粘性、及びｆ0間の基本的な不確定性は、それ自体の当て嵌めによって密度及び粘性の正しい値を選別することを妨げている。この基本的な不確実性を絶つために、密度、粘性、及びｆ0間の付加的な関係を当て嵌め手順における制約条件として使用する。数学的には、これらの変数間の関係は、一般関数の形に書くことができる。
【００７３】
【００７４】
代替的に、この関係はまた、データから導出することができる共振の半値幅（ｇ）及び共振周波数（ｆr）のような付加的な測定結果も含むことができる。
【００７５】
【００７６】
方程式（１３）〜（１４）は、較正手順を通して又はフィールドデータに基づいて実験的に確立することができる。本発明の好ましい実施形態は、方程式（１３）〜（１４）の特別の場合、具体的には、固定ｆ0により定義された超平面である。Ｒｅｔｓｉｎａ他（Ｒｅｔｓｉｎａ、Ｔ．；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｓ．Ｍ．；Ｗａｋｅｈａｍ、Ｗ．Ａ．著「応用科学研究」、１９８７年、４３、３２５〜３４６頁、及び、Ｒｅｔｓｉｎａ、Ｔ．；Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ、Ｓ．Ｍ．；Ｗａｋｅｈａｍ、Ｗ．Ａ．著、１９８６年、４３、１２７〜１５８頁）で論じされているように、ｆ0は、ワイヤ７４に作用する張力に直接的に関係する真空状態におけるワイヤ７４の共振周波数と指定することができる。ｆ0が既知であるか又は与えられた場合、固定ｆ0によって定められた超平面に関する最小値調査を限定することができる。
【００７７】
図７ａは、上述のように、粘性及び密度を同時に計算する流れ図１３４を示している。最初に、ブロック１３４ａ、ｂ、及びｃで示すように、ワイヤ直径、ワイヤ密度、及び内部減衰係数に対する定数と、流体密度、粘性、及び共振周波数ｆ0に対する初期推定値と、同じく制約条件Ｇ（密度、粘性、及び共振周波数ｆ0）とを計算ブロック１３４ｄに入力する。その後、初期ワイヤ応答をブロック１３４ｄによって表されているように計算する。初期ワイヤ応答は、同相及び直交電圧において計算することができる。
【００７８】
同相及び直交電圧のような周波数の関数としての入力データは、ブロック１３４ｅで示すように受け取られ、その後、ブロック１３４ｆで示すように、データと計算された応答の間の差異に基づいてカイ自乗を計算する。次に、流体密度、粘性、共振周波数、及びラムダの推定値ａ、ｂ、ｃ、及びｄの更新が受け取られる。非線形回帰分析のいずれかを用いると、ブロック１３４ｇで示すように、更新データを得ることができる。その後、分析回路６８は、カイ自乗及び推定値の更新に基づいて収束試験を適用する（ブロック１３４ｈで示すように）。収束試験によって収束が所定の又は許容可能な量以内の収束を示す場合、処理は、段階１３４ｉに分岐し、そこで、流体密度及び粘性が出力される。しかし、収束試験で収束が所定の量を外れる収束を示す場合、処理は段階１３４ｄに戻り、そこで、ワイヤ応答を更新された流体密度、粘性、及び共振周波数に基づいて再計算し、収束試験で収束が所定の量内になるまで段階１３４ｄ、１３４ｅ、１３４ｆ、１３４ｇ、及び１３４ｈを繰り返す。
【００７９】
図７ｂは、以下の事項以外は図７ａに関して上述したものと同一の方法で粘性及び密度を同時に計算する流れ図を示している。図７ａと同一である図７ｂの段階には、明瞭さを目的として同一参照番号でラベル付けされていることに注意すべきである。
図７に表す粘性及び密度を計算する処理においては、センサユニット６２を試験して共振周波数ｆ0を判断する。センサユニット６２を較正するために、既知の流体を有する環境チャンバにセンサユニット６２を入れ、その後、較正データが得られるように温度及び圧力を変える。その後、ブロック１３６ｂで示すように、較正データを分析回路６８に入力し、ブロック１３６ｃで示すように、このような較正データを利用して共振周波数ｆ0を計算する。
【００８０】
図８は、全体的最小値が存在する固定ｆ0超平面によって切り取られたカイ自乗性能表面を示すグラフである。グラフは、軸Ｆ、Ｄ、及びＶを含む。Ｆ軸は、Ｈｚによるｆ0の周波数を表す。Ｄ軸は、ｋｇ／ｍ3によるワイヤ７４を取り囲む流体の密度を表す。Ｖ軸は、ｃｐによるワイヤ７４を取り囲む流体の粘性を表す。濃淡部の意味は、カイ自乗の値であり、暗色は、低カイ自乗値である。最小値１３７の位置によって密度及び粘性推定値が得られる。
【００８１】
ｆ0が安定しており、±１Ｈｚ以内で既知である場合、広範囲の流体に対して３〜４％以内で流体密度を判断することができる。誤差は、高密度流体の方が小さい（１％から２％）。±０．５Ｈｚ以内で既知である場合、密度誤差は、広範囲の流体に対して約１〜２％になる。粘性の誤差は、一般的に、ｆ0が±１Ｈｚである場合は密度誤差（約３％）よりも小さい。同様に、粘性の誤差は、高密度流体の方が小さい。流体密度及び粘性を同時に推定するには、好ましい実施形態では、様々な異なる温度及び圧力において安定して予測可能なｆ0をもたらす周波数発振器を形成するセンサユニットが必要である。ダウンホール環境における一般的な温度及び圧力範囲は、５０から２００℃及び２．０７から１７２．４ＭＰａ（３００から２５０００ｐｓｉ）の範囲である。
【００８２】
粘度計−密度計６０と共に使用されるセンサユニット１５０の別のバージョンを図９に示している。以下でより詳細に説明するように、センサユニット１５０は、センサユニット１５０が平行に延びる絶縁層９６によって分離された導電性の第１のハウジング部材９０及び第２のハウジング部材９２を有するのではなく、ワイヤ１５６を取り囲む絶縁流管１５４によって分離された一対の導電コネクタ１５２が装備される点を除き、上述のセンサユニット６２と構成及び機能が類似のものである。センサユニット１５０に関して、以下でより詳細に説明する。
【００８３】
センサユニット１５０は、センサユニット１５０が浸漬される流体の密度及び粘性のような少なくとも２つの異なるパラメータをセンサユニット１５０によって生成されたデータから同時に計算することができるように、安定して予測可能なｆ0をもたらす周波数発振器を形成する。
コネクタ１５２は、図９においては、明瞭さを目的として参照番号１５２ａ及び１５２ｂによって指定されている。これらのコネクタ１５２は、構成及び機能は同一である。従って、これより以降コネクタ１５２ａのみに対して説明する。コネクタ１５２ａには、クランプ部材１５８、クランプ板１６０、及びクランプ板１６０をクランプ部材１５８に連結するための少なくとも１つの留め具１６２が装備されている。クランプ部材１５８は、いずれかの適切な嵌め会いアセンブリを通じて流管１５４に連結される。例えば、図９に示すように、クランプ部材１５８には、端部支持体１６６が流管１５４によって支持されるように、流管１５４の所定の一部分と嵌合する端部支持体１６６が設けられている。図９に示すバージョンにおいては、流管１５４には、ネックダウン部分１６８が設けられており、端部支持体１６６は、ネックダウン部分１６８を覆うように配置されたカラーを形成する。また、クランプ部材１５８には、端部支持体１６６に連結されてそれから延びるフランジ１７０が設けられている。ワイヤ１５６の中心をフランジ１７０上に置くために、少なくとも１つのレジストレーション・ピン１７４がフランジ１７０上に設けられている。クランプ部材１５８には、ワイヤ１５６が図９に示すようにレジストレーション・ピン１７４間に螺合することができるように、少なくとも２つの離間したレジストレーション・ピン１７４が設けられることが望ましい。
【００８４】
留め具１６２は、ワイヤ１５６を固定するためにクランプ板１６０をクランプ部材１５８に連結するものである。留め具１６２は、クランプ部材１５８をクランプ板１６０に連結することができるあらゆる種類の装置とすることができる。例えば、留め具１６２は、ネジとすることができる。
流管１５４は、ワイヤ１５６と類似の熱膨張率を有する材料で構成されることが好ましい。ワイヤ１５６がタングステンで構成された時、流管１５４は、「Ｓｈａｐａｌ−Ｍ」のようなセラミックで構成することができる。
【００８５】
流体が開口部１８０を通じて流管１５４を出入りすることを可能にするために、少なくとも１つの開口部１８０がクランプ部材１５８に形成されている。図９に示すように、クランプ部材１５８には、各々が半円の形状を有する少なくとも２つの開口部１０８を設けることができる。しかし、開口部１８０の形状は、設計担当者の希望によって変わる可能性があることを理解すべきである。より詳細には、開口部１８０は、非対称形、対称形、又は奇抜な形状を有する可能性があることを理解すべきである。
ワイヤ１５６は、上述のワイヤ７４と類似の方法で構成される。ワイヤ１５６は、ワイヤ７４がハウジング７６内で支持されて張られたのと類似の方法で、流管１５４内で支持されて張られる。信号プロセッサ６６からの信号路７５ａ及び７５ｂと分析回路６８は、ネジ、ボルト、又は端子などのようなあらゆる適切な方法でそれぞれのコネクタに連結される。
【００８６】
上述のように、センサユニット１５０のｆ0、つまり方程式（１）の真空における共振が安定したものである場合、密度及び粘性の両方を共振に亘る周波数の関数として測定された複素電圧から判断することが可能である。センサユニット１５０は、絶縁された材料から形成された流管１５４により分離された２つの金属コネクタ１５２を含む。これらの材料は、異なる弾性特性、及び場合によっては熱特性も有する。コネクタ１５２及び流管１５４は、ワイヤ１５６の張力だけで互いに保持されることが好ましい。
【００８７】
センサユニット１５０は、流体特性及び圧力による影響を受けないｆ0を有することが好ましい。後者は、小さいがワイヤ材料の圧縮性からの計算可能な寄与を有する場合がある。更に、共振器の構成における異なる材料の使用から生じる異なる熱膨張率を含む、温度変動に対するワイヤ１５６の応答は、測定可能か又は計算可能であるべきである。ワイヤ１５６は、垂直磁場が存在する場合に電流をそれに通すことによって張力が掛けられて横運動を開始する。これらの要素は、楕円断面を有するワイヤ１５６から生じるであろうワイヤ１５６の回転移動を排除することによりセンサユニット１５０を改良することができることを示唆しており、センサユニット１５０も、電流がワイヤを通して流れることを可能にするためにワイヤ１５６の各端部を絶縁すべきである。
【００８８】
タングステンは、表面は粗いが、ヤング率Ｅ（≒４１１ＧＰａ）及び密度ρs（≒１９，３００ｋｇ・ｍ-3）が他の材料に対して高いために、液体を伴う測定用のワイヤ１５６には好ましい材料である。ワイヤ１５６に張力を掛けた時に、前者は、安定した共振をもたらす助けをし、一方、後者は、方程式（４）及び（５）の比ρ／ρsを通じてワイヤ１５６回りの流体に感受性をもたらすものである。表面の粗さの影響は、振動振幅が小さくかつレイノルド数が１００よりも小さいことを条件として無視できるものである。密度の測定に関しては、ワイヤ密度は、付加質量の概念から導出されるように、流体の密度に向う傾向があることが望ましい。従って、タングステンを使用することができるが、タングステンよりも低い密度を有する他の材料も測定対象の流体の予想密度によっては許容可能である。
【００８９】
異なる熱膨張の影響を最小限に抑えるために、ワイヤ材料のこの選択は、コネクタ１５２、流管１５４、及び緊張機構に使用する材料を決定する。流管１５４を形成する絶縁材料の機械的特性は、ワイヤ１５６及びコネクタ１５２の両方に使用される材料にできるだけ近いものであることが望ましい。例えば、ワイヤ張力に及ぼす異なる熱膨張の影響は、温度が周囲環境から外れているので、タングステンの熱膨張率と同等の線形の熱膨張率を有する材料を選択することによって小さくすることができるであろう。圧縮強度が１ＧＰａである高い熱膨張率を有する機械加工可能なセラミックである「Ｓｈａｐａｌ−Ｍ」は、Ｔ＝２９８Ｋの時の線形熱膨張率α＝（１／Ｌ）ｄＬ／ｄＴ＝５．２・１０-6Ｋ-1を有し、一方、α（Ｗ、２９８Ｋ）≒４．５・１０-6ｋ-1である。絶縁材料の代替材料としては、窒化アルミニウム又は「Ｍａｃｏｒ」のいずれかを含むことができるであろうが、これらの材料のαはＷと同等ではない。
【００９０】
上述の判断基準は、温度、圧力、及び流体特性から生じるｆ0の変動を小さくするために、図１１及び図１２に示す振動ワイヤ粘度計−密度計６０のセンサユニット２００の別のバージョンを作製するために使用したものである。センサユニット２００は、同じ熱膨張及び弾性特性を有するタングステンのようなほとんど同じ材料でセンサユニット２００を構成すると同時に、ワイヤ１５６の回転も最小限に抑えて流体特性の変動から生じるｆ0に及ぼす影響を小さくすることにより温度及び圧力の影響が低減される点を除き、構成及び機能がセンサユニット１５０と類似のものである。図１１に示すセンサユニット２００は、いずれもタングステンで形成された２つのコネクタ２０４及び２０６とワイヤ２０２が保持されるコネクタ２０４及び２０６との間に配置された流管２０８から成る。ワイヤ２０２は、各コネクタ２０４及び２０６に固く連結される。例えば、図１１及び図１２に示す例においては、ワイヤ２０２は、各コネクタ２０４及び２０６に電子ビーム溶接（ＥＢＷ）される。
【００９１】
コネクタ２０４は、ボス２１２と末端部分２１４を含む。ボス２１２は、ワイヤ２０２に連結され、ワイヤ２０２の回転を防止するように設計される。例えば、ボス２１２に非円形の断面、例えば四角形を設けて、ワイヤ２０２の回転を防止することができる。ボス２１２は、末端部分２１４に形成された空洞内に配置される。ボス２１２は、コネクタ２０６とのアラインメントを容易にする形状となっている。ボス２１２は、コネクタ２０６とのアラインメントを容易にするのに適切なあらゆる形状で形成することができる。例えば、ボス２１２は、コネクタ２０６とのアラインメントを容易にするためにテーパ付き又は円錐形端部を含むことができる。ワイヤ２０２をボス２１２に固く固定するあらゆる適切な方法を通じてボス２１２にワイヤ２０２を取り付けることができる。例えば、ワイヤ２０２をボス２１２内に形成されたスロット（図示せず）内に配置し、ボス２１２がワイヤ２０２回りでクランプを形成するように、上述のように電子ビーム溶接することができる。
【００９２】
コネクタ２０６には、端部マウント２１６、ボス２１８、絶縁体２２０、及びボス２１８及び端部マウント２１６との相対的な位置を調節する調節アセンブリ２２２が設けられている。ボス２１８は、ボス２１２がワイヤ２０２に連結されるのと同じ方法でワイヤ２０２に連結される。ボス２１８は、ワイヤの回転を防止するように設計される。例えば、ボス２１８には、ワイヤ２０２の回転を防止するために非円形の断面、例えば四角形を設けることができる。ボス２１８は、端部マウント２１６内に形成された空洞２２４内に配置される。
【００９３】
絶縁体２２０は、端部マウント２１６とボス２１８の間の電気的隔離を行うものである。図１１及び図１２に示す実施形態では、絶縁体２２０は、端部マウント２１６内の空洞２２４を裏打ちし、かつ端部マウント２１６の面２２６に亘って延びるスリーブとして形成される。絶縁体２２０は、ダウンホール環境に耐えることができるあらゆる絶縁材料で形成することができる。例えば、「Ｓｈａｐａｌ−Ｍ」のようなセラミック材料で構成することができる。
【００９４】
調節アセンブリ２２２は、ワイヤ２０２の張力の調節を可能にするためにボス２１２と端部マウント２１６の間の相対的な位置を調節することができるあらゆる装置とすることができる。例えば、調節アセンブリ２２２は、ボス２１２に螺合したワイヤ緊張ナット２３０を含むことができる。勿論、これ以外にもワイヤ２０２の緊張を可能にするためにワイヤ２０２をハウジングにクランプ締めするのに使用することができる構成は数多くある。例えば、図示のように２つのクランプ又はコネクタの間又はバネの使用である。
【００９５】
上述のように、張られた振動ワイヤ７４、１５６、又は２０２は、温度、圧力、及び流体に対して安定した共振周波数を有することが望ましい。安定した共振周波数は、本質的に、一定のワイヤ張力という要件に合ったものになる。安定した発振器を機械的考察だけから構成することはもっともらしいが、相対測定の概念によって別のソリューションが提供される。粘度計−密度計６０の１つ（６０ａと指定）が未知の粘性及び密度の流体内に配置され、粘度計−密度計６０の別のもの（６０ｂと指定）が既知の粘性及び密度の流体内に配置された２以上の粘度計−密度計６０を有する点を除き上述のダウンホール１０と構成及び機能が類似であるダウンホール１０ａの別のバージョンの断片図を図１３に示す。粘度計−密度計６０ａ及び６０ｂには、磁石６４ａ及び６４ｂが装備される。この手法では、２つの類似のセンサユニット２５０ａ及び２５０ｂが使用され、一方は未知の特性、例えば密度及び粘性を有する流体内に浸漬され、他方は、既知の特性を有する流体内に浸漬される。センサユニット２５０ａ及び２５０ｂは、上述のセンサユニット６２、１５０、又は２００に対して上述の方法で構成することができる。
【００９６】
センサユニット２５０ａは、評価流路２５２内に配置され、評価流路２５２は、上述の評価流路４６、清掃流路４６ａ、又はサンプルチャンバ５０とすることができる。ダウンホール工具１０ａにおいては、流路２５２と流体連通しているエルボ又は継手２５４が設けられている。継手２５４は、既知の流体及びセンサユニット２５０ｂが配置された比較チャンバ２５５を形成する。ダウンホール工具１０ａには、流路２５２内の圧力を均等化する圧力均等化アセンブリ２５６が装備されている。一般的に、圧力均等化アセンブリ２５６は、評価流路２５２と比較チャンバ２５５の間の圧力を均等化することができるあらゆる装置とすることができる。例えば、図１３に示すように、圧力均等化アセンブリ２５６は、比較チャンバ２５５に対して移動して圧力を均等化する往復ピストン２５８を含むことができる。
【００９７】
センサユニット２５０ａ及び２５０ｂは、駆動電圧を供給し、かつ上述のように粘性及び密度のような１以上の流体パラメータを判断するための１以上の信号プロセッサ２６０及び分析回路２６２に接続される。信号プロセッサ２６０及び分析回路２６２は、構成及び機能は上述の信号プロセッサ６６及び分析回路６８と類似のものである。
センサユニット２５０ａ及び２５０ｂ間の共振の比率は、例えば、図１４ａ及び図１４ｂにおいて図示するように判断される。図１４ａは、図１３に示す２つの粘度計−密度計６０ａ及び６０ｂを利用して流体の密度及び粘性を計算する処理１７０を示している。処理１７０は、上述の図７ａで利用されたものと類似の段階を有する。明瞭さを目的として、類似の段階は、同じ参照番号１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｄ、１３４ｅ、１３４ｆ、１３４ｇ、１３４ｈ、及び１３４ｉとラベル付けされており、改めて詳細には説明しない。
【００９８】
一般的に、比較チャンバ２５５に入ることになる流体密度及び粘性は、段階１７２及び１７４で示すように、「米国標準技術局（ＮＩＳＴ）」の表を利用するなどの公知の方法によって判断される。分析回路２６２は、段階１７６で示すように、信号をセンサユニット２５０ｂから受け取り、その後、段階１７８で示すように、比較チャンバ２５５内の流体の既知の密度及び粘性に基づいて共振周波数を計算する。その後、分析回路２６２は、図７Ａに対して上述した方法で粘性及び密度を計算する。
【００９９】
流路２５２内の未知の流体の流体密度及び粘性を計算する別の処理を図１４ｂに示している。処理１８０においては、ブロック１８２及び１８３で示すように、流体密度、粘性、及びラムダの初期推定値ａ、ｂ、ｃ、及びｄを分析回路２６２に入力する。ブロック１８４で示すように、ワイヤ直径、ワイヤ密度、及び内部減衰係数のような定数を分析回路２６２に入力する。ブロック１８６で示すように、流路２５２内のセンサユニット２５０ａが露出される温度及び圧力のような他の入力を分析回路２６２に入力する。その後、ブロック１８８及び１９０で表すように、センサユニット２５０ａ及び２５０ｂから同相電圧及び直交電圧のような入力データを読取り、ブロック１８３で示すように、センサ２５０ａ及び２５０ｂからのデータのジョイント・インバージョンを計算する。その後、分析回路２６２は、ブロック１９２で示すように、センサユニット２５０ａを取り囲む流体の流体密度及び粘性を出力する。
粘性及び密度を計算する以上の２つの方法を説明したが、２つのセンサユニット２５０ａ及び２５０ｂによって生成された出力の比率測定のようなあらゆる方法を利用することができると考えられる点を理解すべきである。
【０１００】
センサユニット２５０ａ及び２５０ｂ内のワイヤが類似の構成（好ましくは同一構成）であり、同じ温度及び圧力に露出されることを条件として、これらの変数から生じる不安定性は排除され、安定した発振器であることを示すデータが得られる。両方の概念、すなわち、比較又は比率測定とセンサユニット１５０及び２００に関して上述した安定した幾何学的形状とが組み合わされた場合、共振器は安定であり、かつ密度及び粘性の両方を提供することができることになることはあり得ることである。
【０１０１】
本発明の好ましい及び代替的な実施形態においてその真の精神から逸脱することなく様々な修正及び変更を行うことができることが以上の説明から理解されるであろう。本明細書で含まれる装置は、手動及び／又は自動的に作動して望ましい作業を行うことができる。この作動は、必要に応じて及び／又は生成されたデータ、検出された条件、及び／又はダウンホール作業からの結果の分析に基づいて実行することができる。
【０１０２】
本明細書は、例証のみを意図したものであり、限定する意味に解釈されるべきではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の言語によってのみ判断されるべきである。特許請求の範囲の「含む」という用語は、特許請求の範囲の要素の示された列挙事項が開放グループであるように「少なくとも含む」を意味するものとする。「ａ」、「ａｎ」、及び他の単数形は、特に除外しない限り、その複数形を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】ワイヤライン工具がリグから吊された、内部粘度計−密度計を有するダウンホールワイヤライン工具の概略部分断面図である。
【図２】ダウンホール掘削工具がリグから吊された、内部粘度計−密度計を有するダウンホール掘削工具の概略部分断面図である。
【図３Ａ】井戸坑の側壁に対して見当合わせしたプローブとダウンホール工具内の評価流路内に配置された粘度計−密度計とを有する図１のダウンホール工具の一部分の概略図である。
【図３Ｂ】二重パッカーと組み合わせて利用される清掃流路を有する図１のダウンホール工具の別のバージョンの一部分の概略図である。
【図４】評価空洞内に配置された粘度計−密度計の側面図である。
【図５】吊されたワイヤを示す図４の粘度計−密度計のセンサユニットの断面図である。
【図６】図４に示す粘度計−密度計のセンサユニットの分解斜視図である。
【図７ａ】粘性及び密度を同時に計算する方法を示す論理流れ図である。
【図７ｂ】粘性及び密度を同時に計算する別の方法を示す論理流れ図である。
【図８】粘性及び密度の計算において利用される最小値を示す固定ｆ0超平面によって切り取られたカイ自乗性能表面を示すグラフである。
【図９】粘度計−密度計の別のセンサユニットの分解斜視図である。
【図１０】図９に示すセンサユニットの上面図である。
【図１１】センサユニットの別のバージョンの側面図である。
【図１２】図１１の線１２−１２に沿って切り取られた図１１のセンサユニットの断面図である。
【図１３】粘度計−密度計の１つが未知の粘性及び密度の流体内に配置され、粘度計−密度計の別のものが既知の粘性及び密度の流体内に配置された２以上の粘度計−密度計を有するダウンホール工具の別のバージョンの断片概略図である。
【図１４ａ】図１３に示す構成を利用して粘性及び密度を同時に計算する方法を示す論理流れ図である。
【図１４ｂ】図１３に示す構成を利用して粘性及び密度を同時に計算する別の方法を示す論理流れ図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ ダウンホール工具
１２ リグ
１４ 井戸坑
１８ プローブ
２０ 井戸坑壁
Ｆ 地層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下層を貫通する井戸坑に配置可能なダウンホール工具のための粘度計−密度計であって、該ダウンホール工具が該地層の流体の少なくとも一部分を該粘度計−密度計に搬送するようになっており、
少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ、及び
前記少なくとも２つのコネクタ間に緊張状態で吊られ、それにより、粘度計−密度計がダウンホール工具内に配置され、該ダウンホール工具が地下層内に配置されて該地下層から流体を受け取る時に該流体との相互作用に対して利用可能であるワイヤ、
を含み、前記コネクタ及び前記ワイヤが周波数発振器を形成するように構成された、前記ダウンホール工具内に配置可能なセンサユニットと、
前記ワイヤと相互作用する磁場を発生する少なくとも１つの磁石と、
を含むことを特徴とする粘度計−密度計。
【請求項２】
前記コネクタ及び前記ワイヤは、単一種類の材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項３】
前記コネクタに対する前記ワイヤの回転を防止するための手段を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項４】
前記ワイヤの回転を防止するための手段は、該ワイヤに接続した非円形断面を有するボスを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の粘度計−密度計。
【請求項５】
前記ワイヤと相互作用する流体の少なくとも２つのパラメータを計算するためのフィードバックを該ワイヤから受け取る分析回路を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項６】
前記２つのパラメータは、粘性及び密度であることを特徴とする請求項５に記載の粘度計−密度計。
【請求項７】
前記コネクタ及び前記ワイヤは、前記周波数発振器を形成するために類似の熱膨張率を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項８】
前記ワイヤが前記コネクタによって吊られた流管を更に含み、
前記流管、前記コネクタ、及び前記ワイヤは、前記周波数発振器を形成するために類似の熱膨張率を有する材料で構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項９】
一方のセンサユニットが未知のパラメータの流体内に配置され、他方のセンサユニットが既知のパラメータの流体と共に配置された少なくとも２つのセンサユニットからのフィードバックを受け取り、かつ、該一方のセンサユニットが配置された該流体の該未知のパラメータの少なくとも２つを示す信号を計算する一方で、該未知のパラメータの流体内の該センサユニットを取り囲む井戸坑条件の変動を実質的に排除するための論理を含むことを特徴とするコンピュータ可読媒体。
【請求項１０】
前記信号を計算するための論理は、前記センサユニットから受け取ったデータのジョイント・インバージョンを実行するための論理を含むことを特徴とする請求項９に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１１】
前記２つの未知のパラメータは、粘性及び密度であることを特徴とする請求項９に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１２】
壁を有する井戸坑に配置可能であり、流体を有する地下層を貫通するダウンホール工具であって、
少なくとも１つの評価空洞を封入したハウジングと、
井戸坑の壁との密封係合のために前記ハウジングから延長可能であり、かつ、地層から流体を受け取ってこのような流体を前記評価空洞内に堆積させるための該評価空洞と連通した少なくとも１つの入口を有する流体連通装置と、
粘度計−密度計と、
を含み、
前記粘度計−密度計は、
少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ、及び
前記少なくとも２つのコネクタ間に緊張状態で吊られ、それによって前記評価空洞内の前記流体との相互作用に対して利用可能であるワイヤ、
を含み、前記コネクタ及び前記ワイヤが周波数発振器を形成するように構成された、該評価空洞内に配置されたセンサユニットと、
前記ワイヤと相互作用する磁場を発生する少なくとも１つの磁石と、
を含む、
ことを特徴とする工具。
【請求項１３】
前記コネクタ及び前記ワイヤは、単一種類の材料で構成されることを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項１４】
前記コネクタに対して前記ワイヤの回転を防止するための手段を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項１５】
前記ワイヤの回転を防止するための手段は、該ワイヤに接続した非円形断面を有するボスを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載のダウンホール工具。
【請求項１６】
前記ワイヤと相互作用する流体の少なくとも２つのパラメータを計算するためのフィードバックを該ワイヤから受け取る分析回路を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項１７】
前記２つのパラメータは、粘性及び密度であることを特徴とする請求項１６に記載のダウンホール工具。
【請求項１８】
前記コネクタ及び前記ワイヤは、前記周波数発振器を形成するために類似の熱膨張率を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項１９】
前記ワイヤが前記コネクタによって吊られた流管を更に含み、
前記流管、前記コネクタ、及び前記ワイヤは、前記周波数発振器を形成するために類似の熱膨張率を有する材料で構成される、
ことを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項２０】
チャンバ内のダウンホール条件が前記評価空洞内のダウンホール条件と類似である、既知の特性の流体を収容する比較チャンバを更に含み、
また、前記比較チャンバ内のセンサユニットが設けられ、それにより、前記評価空洞内の未知のパラメータの流体内に配置された一方のセンサユニットと、該比較チャンバ内の既知のパラメータの流体と共に配置された他方のセンサユニットとを含む、
ことを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項２１】
未知の流体を有する地層を貫通する井戸坑内の該流体の少なくとも２つの未知のパラメータを測定する方法であって、
ダウンホール工具の流体連通装置を井戸坑の壁と密封係合させて配置する段階と、
地層から前記ダウンホール工具内の評価空洞の中に流体を引き込む段階と、
前記評価空洞内に配置されて２つのコネクタ間に吊されたワイヤを有し、該ワイヤ及び該コネクタが周波数発振器を形成するように構成された粘度計−密度計を用いて該評価空洞内の前記流体のデータをサンプリングする段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記評価空洞は、流路であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記評価空洞は、サンプルチャンバであることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記評価空洞内でサンプリングされたデータを利用して少なくとも２つのパラメータを計算する段階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも２つのパラメータは、粘性及び密度を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記評価空洞内の前記流体の温度及び圧力に関連した温度及び圧力を有する比較チャンバ内の既知の流体に対してデータをサンプリングする段階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記比較チャンバからサンプリングしたデータと前記評価空洞からサンプリングしたデータとを利用して、該評価空洞内の前記未知の流体の少なくとも２つのパラメータを計算する段階を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項１】
地下層を貫通する井戸坑に配置可能なダウンホール工具のための粘度計−密度計であって、該ダウンホール工具が該地層の流体の少なくとも一部分を該粘度計−密度計に搬送するようになっており、
少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ、及び
前記少なくとも２つのコネクタ間に緊張状態で吊られ、それにより、粘度計−密度計がダウンホール工具内に配置され、該ダウンホール工具が地下層内に配置されて該地下層から流体を受け取る時に該流体との相互作用に対して利用可能であるワイヤ、
を含み、前記コネクタ及び前記ワイヤが周波数発振器を形成するように構成された、前記ダウンホール工具内に配置可能なセンサユニットと、
前記ワイヤと相互作用する磁場を発生する少なくとも１つの磁石と、
を含むことを特徴とする粘度計−密度計。
【請求項２】
前記コネクタ及び前記ワイヤは、単一種類の材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項３】
前記コネクタに対する前記ワイヤの回転を防止するための手段を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項４】
前記ワイヤの回転を防止するための手段は、該ワイヤに接続した非円形断面を有するボスを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の粘度計−密度計。
【請求項５】
前記ワイヤと相互作用する流体の少なくとも２つのパラメータを計算するためのフィードバックを該ワイヤから受け取る分析回路を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項６】
前記２つのパラメータは、粘性及び密度であることを特徴とする請求項５に記載の粘度計−密度計。
【請求項７】
前記コネクタ及び前記ワイヤは、前記周波数発振器を形成するために類似の熱膨張率を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項８】
前記ワイヤが前記コネクタによって吊られた流管を更に含み、
前記流管、前記コネクタ、及び前記ワイヤは、前記周波数発振器を形成するために類似の熱膨張率を有する材料で構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の粘度計−密度計。
【請求項９】
一方のセンサユニットが未知のパラメータの流体内に配置され、他方のセンサユニットが既知のパラメータの流体と共に配置された少なくとも２つのセンサユニットからのフィードバックを受け取り、かつ、該一方のセンサユニットが配置された該流体の該未知のパラメータの少なくとも２つを示す信号を計算する一方で、該未知のパラメータの流体内の該センサユニットを取り囲む井戸坑条件の変動を実質的に排除するための論理を含むことを特徴とするコンピュータ可読媒体。
【請求項１０】
前記信号を計算するための論理は、前記センサユニットから受け取ったデータのジョイント・インバージョンを実行するための論理を含むことを特徴とする請求項９に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１１】
前記２つの未知のパラメータは、粘性及び密度であることを特徴とする請求項９に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１２】
壁を有する井戸坑に配置可能であり、流体を有する地下層を貫通するダウンホール工具であって、
少なくとも１つの評価空洞を封入したハウジングと、
井戸坑の壁との密封係合のために前記ハウジングから延長可能であり、かつ、地層から流体を受け取ってこのような流体を前記評価空洞内に堆積させるための該評価空洞と連通した少なくとも１つの入口を有する流体連通装置と、
粘度計−密度計と、
を含み、
前記粘度計−密度計は、
少なくとも２つの空間的に配置されたコネクタ、及び
前記少なくとも２つのコネクタ間に緊張状態で吊られ、それによって前記評価空洞内の前記流体との相互作用に対して利用可能であるワイヤ、
を含み、前記コネクタ及び前記ワイヤが周波数発振器を形成するように構成された、該評価空洞内に配置されたセンサユニットと、
前記ワイヤと相互作用する磁場を発生する少なくとも１つの磁石と、
を含む、
ことを特徴とする工具。
【請求項１３】
前記コネクタ及び前記ワイヤは、単一種類の材料で構成されることを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項１４】
前記コネクタに対して前記ワイヤの回転を防止するための手段を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項１５】
前記ワイヤの回転を防止するための手段は、該ワイヤに接続した非円形断面を有するボスを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載のダウンホール工具。
【請求項１６】
前記ワイヤと相互作用する流体の少なくとも２つのパラメータを計算するためのフィードバックを該ワイヤから受け取る分析回路を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項１７】
前記２つのパラメータは、粘性及び密度であることを特徴とする請求項１６に記載のダウンホール工具。
【請求項１８】
前記コネクタ及び前記ワイヤは、前記周波数発振器を形成するために類似の熱膨張率を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項１９】
前記ワイヤが前記コネクタによって吊られた流管を更に含み、
前記流管、前記コネクタ、及び前記ワイヤは、前記周波数発振器を形成するために類似の熱膨張率を有する材料で構成される、
ことを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項２０】
チャンバ内のダウンホール条件が前記評価空洞内のダウンホール条件と類似である、既知の特性の流体を収容する比較チャンバを更に含み、
また、前記比較チャンバ内のセンサユニットが設けられ、それにより、前記評価空洞内の未知のパラメータの流体内に配置された一方のセンサユニットと、該比較チャンバ内の既知のパラメータの流体と共に配置された他方のセンサユニットとを含む、
ことを特徴とする請求項１２に記載のダウンホール工具。
【請求項２１】
未知の流体を有する地層を貫通する井戸坑内の該流体の少なくとも２つの未知のパラメータを測定する方法であって、
ダウンホール工具の流体連通装置を井戸坑の壁と密封係合させて配置する段階と、
地層から前記ダウンホール工具内の評価空洞の中に流体を引き込む段階と、
前記評価空洞内に配置されて２つのコネクタ間に吊されたワイヤを有し、該ワイヤ及び該コネクタが周波数発振器を形成するように構成された粘度計−密度計を用いて該評価空洞内の前記流体のデータをサンプリングする段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記評価空洞は、流路であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記評価空洞は、サンプルチャンバであることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記評価空洞内でサンプリングされたデータを利用して少なくとも２つのパラメータを計算する段階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも２つのパラメータは、粘性及び密度を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記評価空洞内の前記流体の温度及び圧力に関連した温度及び圧力を有する比較チャンバ内の既知の流体に対してデータをサンプリングする段階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記比較チャンバからサンプリングしたデータと前記評価空洞からサンプリングしたデータとを利用して、該評価空洞内の前記未知の流体の少なくとも２つのパラメータを計算する段階を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【公開番号】特開２００６−１７７１４９（Ｐ２００６−１７７１４９Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６９２４４（Ｐ２００５−３６９２４４）
【出願日】平成１７年１２月２２日（２００５．１２．２２）
【出願人】（５０２２１０２０８）シュラムバーガー テクノロジー ベスローテン フェンノートシャップ (3)
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２２日（２００５．１２．２２）
【出願人】（５０２２１０２０８）シュラムバーガー テクノロジー ベスローテン フェンノートシャップ (3)
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