(57)【要約】  性質不明のダウンホール流体の特性を決定する装置。この装置は、出力部および入力部を有する増幅器、増幅器または論理ゲートの出力部と入力部との間のフィードバックループを含む発振ドライバ回路と、共振器が発振ドライバ回路によって駆動されるようにフィードバックループ内に配置された電気機械共振器であって、共振器の共振周波数が、発振回路の発振周波数を規定する、電気機械共振器と、発振回路に共振器の駆動を停止させ、これにより、性質不明の流体における電気機械共振器の発振の減衰率の観測を可能にするスイッチデバイスと、を含む。電気機械共振器は、ダウンホール流体の容量効果から共振器を保護するために導電層で囲まれている。【選択図】図１
2021529304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
性質不明のダウンホール流体の特性を決定する装置であって、
出力部および入力部を有する増幅器、増幅器または論理ゲートの前記出力部と入力部との間のフィードバックループを含む発振ドライバ回路と、
前記発振ドライバ回路によって駆動されるように、前記フィードバックループ内に配置された電気機械共振器であって、前記共振器の共振周波数が前記発振回路の発振周波数を規定する、電気機械共振器と、
前記発振回路に、前記共振器の駆動を停止させ、これにより、前記性質不明の流体における前記電気機械共振器の発振の減衰率の観測を可能にするスイッチデバイスと、を含み、
前記電気機械共振器は、前記ダウンホール流体の容量効果から前記共振器を保護するために導電層で囲まれている、装置。
【請求項２】
前記性質不明の流体の少なくとも１つの特性は、前記電気機械共振器の前記発振の観測された減衰率に照らして決定され得る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気機械共振器は、少なくとも２つの電極および前記少なくとも２つの電極を覆う誘電体層を有する圧電デバイスであり、前記導電層が前記誘電体層を囲んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記電気機械共振器は、前記導電層の上に耐食層をさらに含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
交流電圧によって駆動されたときに性質不明のダウンホール流体の特性を決定する際に使用するための圧電デバイスであって、
音叉形状に形成された少なくとも２つの圧電電極であって、前記音叉部分圧電電極が、交流電圧による電気的励起に応答して特性共振周波数で機械的に振動するように動作する、少なくとも２つの圧電電極と、
前記少なくとも２つの圧電電極を覆う誘電体層と、
前記誘電体層を覆い、前記ダウンホール流体の容量効果から前記圧電デバイスを保護する導電層と、を含む、圧電デバイス。
【請求項６】
前記導電層の上に位置付けられた耐食層をさらに含む、請求項３に記載の圧電デバイス。
【請求項７】
前記導電層は、金属薄膜でできている、請求項４に記載の圧電デバイス。
【請求項８】
流体の特性を決定する方法であって、
ａ．発振回路を性質不明の流体にさらすステップであって、前記発振回路は、
ｉ．出力部および入力部を有する増幅器、
ｉｉ．増幅器または論理ゲートの前記出力部と入力部との間のフィードバックループ、ならびに
ｉｉｉ．電気機械共振器であって、前記電気機械共振器の共振周波数が前記発振回路の発振を規定するように前記フィードバックループ内に配置され、導電層で囲まれている、電気機械共振器を含む、さらすステップと、
ｂ．前記電気機械共振器が前記性質不明の流体においてある共振周波数に到達するように前記発振回路を作動させるステップと、
ｃ．前記発振回路が継続的に作動しているときに前記性質不明の流体における前記電気機械共振器の減衰比を決定するステップと、
ｄ．自動利得または負性抵抗制御系を介して、一定の発振振幅を保つために必要な利得または負性抵抗を参照することにより、前記性質不明の流体の少なくとも１つの特性を計算するステップと、を含む、方法。
【請求項９】
前記導電層は、金属薄膜でできている、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電気機械共振器は、少なくとも２つの電極および前記少なくとも２つの電極を覆う誘電体層を有する圧電デバイスであって、前記導電層が前記誘電体層を囲んでいる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電気機械共振器は、前記導電層の上に耐食層をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して石油工学の分野に関し、より具体的には、ダウンホール流体の粘度および密度の地下坑井での現場測定値を得る電気機械デバイスにおける寄生容量の影響を打ち消す方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多様な炭化水素、塩水、他の液体およびガス、ならびに超臨界流体、スラリー、フォーム（泡）およびエマルションが、地下坑井から生産され、地下坑井において発見され、地下坑井の建設に使用され、または地下坑井に注入される。これらの流体は、総称してダウンホール流体として知られている。これらの流体の密度および粘度といった物理的特性の知識は、坑井の掘削、完成、運転、および廃坑に不可欠である。これらの坑井は、地下貯留層から炭化水素を回収するため、地下貯留層に流体を注入するため、および地下貯留層の状態を観察するために使用することができる。
【０００３】
流体には、その液体状態、気体状態、および超臨界状態の物質が含まれる。ダウンホール流体には、炭化水素、塩水、および地下貯留層で発生する他の流体といった地中から生成される１つ以上の流体だけでなく、炭化水素の生産を促進するためにまたは除去目的で地下に注入されてよい塩水、二酸化炭素、およびメタンといった流体も含む。ダウンホール流体には、坑井の建設に使用される掘削泥およびセメントのような液体および固体成分を含有するスラリーも含まれる。１つ以上のダウンホール流体が、混相流の場合のように、地下坑井内で同時に発見されることがあり、これらが相互作用してエマルションおよびフォーム（泡）を形成することがある。ダウンホール流体はまた、地表近くのより低い温度では固体であるが、貯留層温度および圧力で流体である物質を含むことも理解されるであろう。
【０００４】
ダウンホール流体の特性には、個々の流体相の粘度および密度だけでなく、複数の流体相からなる集合流体の有効粘度および有効密度も含まれる。ニュートン流体は、単一の粘度で十分に特徴付けられている。スラリーといった非ニュートン流体では、粘度は、流動条件によって、例えば流体に加えられる応力またはせん断速度によって変化することがある。非ニュートン流体の特性には、流動条件に対する速度のこの依存性を説明するレオロジーパラメータも含まれる。
【０００５】
ダウンホール流体の特性は、温度および圧力によって変化することが知られており、この変化の特徴は、ダウンホール流体の重要な特性である。この変化は、例えば密度が圧力および温度によってどのように変化するかを説明する流体のＰＶＴ（圧力−体積−温度）特性によって、または、圧力および温度による粘度の変化によって説明される。流体の圧力および温度が変化すると、流体は、例えば気体から液体に（例えば露点で）凝結したり、液体から気体に沸騰したり、または超臨界若しくは非超臨界状態に遷移したりして、状態変化することがある。他のタイプのダウンホール流体には、例えばエマルション、懸濁液、およびフォーム（泡）といった構造性流体または分散液が含まれ、これらは、圧力、温度、濃度、または他の化学的もしくは熱力学的変数の関数として構造変化することがある。これらの変化は、それらの粘度および／または密度の変化として動的に検出することができる。例えばある流体が別の流体に溶解していてよく、流体が溶解するもしくは溶解しなくなる（例えばバブルポイント）、または固体が流体から沈殿しうる圧力および温度条件は、流体の重要な特性である。これらの状態変化や、この溶解および沈殿が起こる坑井の深度および場所は、坑井から流体を最適に生産する、または流体を坑井に注入したりするための重要な情報である。さらに、石油の密度（またはＡＰＩ比重）および粘度は、そのタイプおよび値を示し、また、深度の関数として、貯留層の構造および区分けを理解するために使用することができる。アスファルテン含有量もまた、生産された炭化水素の粘弾性特性から推測することができる。生産された流体のＰＶＴ特性を理解することは、地表分離装置に最適な圧力を決定することを含む、地表設備の設計を最適化するためにも重要である。状態変化、溶解、および沈殿には通常、流体の粘度および密度の変化が伴うため、圧力および温度の関数としての粘度および密度の測定により、これらの変化が起こる温度および圧力を特定することができる。
【０００６】
地下貯留層内の流体の粘度および密度を決定すると、生産および貯留層モデルを最適化するための重要なデータが得られる。通常、生産された流体は地表でサンプリングされる。次に、実験室にて、ダウンホール温度および圧力条件がサンプルに適用され、その粘度、密度、および他の特性が測定される。しかし、貯留層からの炭化水素液が地表温度および圧力に達すると（例えばそれらが坑井を上昇すると）、溶解ガスが放出され、アスファルテンが沈殿する可能性がある。これらの変化は、実験室で正確に元に戻すことが難しい場合があるため、実験室での測定が貯留層温度および圧力で行われたとしても、実験室で測定された粘度は、貯留層内で流体が有した粘度と異なる場合がある。さらに、坑井でサンプルを採取し、これらを実験室まで運び、そこで測定を行うプロセスは、費用および時間がかかる。さらに、流体特性データを取得するためにサンプルを実験室に運ばなければならないことにより、これらのデータをリアルタイムで使用して、坑井での変化する条件に対応することができない。したがって、ダウンホールまたは現場条件でダウンホール流体の粘度および密度の現場測定を行うことができるセンサーが必要である。
【０００７】
ダウンホール流体の粘度およびＰＶＴ特性（または相図）は通常、実験室で測定され、これらの測定値を使用して、貯留層内および裸孔に沿った流体の粘度および密度が推測され、状態変化、バブルポイント、および露点といった重要な遷移がどこで起こるのかが推測される。しかし、流体が地表に持ってこられたときに流体に発生する可能性のある不可逆的な変化だけでなく、実際の坑井内で特定の圧力および温度条件が満たされる正確な場所についての不確実性にも起因して、これらの推測は不正確になる場合がある。炭化水素の回収に関連するダウンホール流体の粘度およびＰＶＴ特性の説明について、Ｆｒｅｙｓｓ、Ｈｅｎｒｉ他の「ＰＶＴ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｆｏｒ  Ｏｉｌ  Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ」（ＲＥＳＥＲＶＯＩＲ  ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ、Ｔｈｅ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ、第３７巻第１号、ページ４〜１５、発行日：１９８９年１月１日）を参照されたい。これは、参照によりその全体が組み込まれる。したがって、生産井に沿って炭化水素の粘度および密度を測定することができる小型で高速かつ正確なセンサーが必要である。これらのデータを坑井に沿った温度、圧力、および深度／場所と組み合わせて使用することにより、重要な遷移が起こる実際の場所および条件を決定することができるからである。
【０００８】
ダウンホール流体の流れは、２つ以上の異なる流体または不混和流体からなる２相または多相の流体の流れであることが多い。流動様式（例えばスラグ流、層流、気泡流）は、異なる相の流量だけでなく、相の粘度および密度に依存する。流動様式は、人工採油システムといったダウンホール機器の有効性および耐久性に大きな影響を与える可能性がある。異なる相の流量を結合することができる流動様式もあれば、流量は分離することができる流動様式もある。各相の容積流量を知ることは、生産および地表設備を最適化するだけでなく、水破過といった生産上の問題を検出するためにも重要である。最も単純な流量モニタリングセンサーは、（相を区別することなく）全流量を測定し、異なる相の容積百分率を測定する。個々の相の流量は、全流に各相の容積百分率を掛けることによって決定される。この測定は、すべての相が同じ速度で移動する場合にのみ正確である。いくつかの流動様式では、異なる相が異なる速度で移動するため、測定が不正確になる可能性がある。したがって、接触する流体の粘度および密度を瞬時に測定して、流動様式、各相の相対的な存在量、各相の流動構造の形状およびサイズならびに流体相間の速度結合度の決定に役立つことのできる小型で安価なセンサーが必要である。坑井内のスペースが限られているため、特に、炭化水素の生産を著しく妨げないようにしながら、永続的な、または、テザーレスのセンシングが望まれる状況において、小さなデバイスサイズもまた、必要である。本発明は、当技術分野におけるこれらおよび他の必要性に取り組む。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の実施形態は、性質不明のダウンホール流体の特性を決定する装置を提供する。この装置は、出力部および入力部を有する増幅器、増幅器または論理ゲートの出力部と入力部との間のフィードバックループ、発振ドライバ回路によって駆動されるように、フィードバックループ内に配置された電気機械共振器であって、共振器の共振周波数が発振回路の発振周波数を規定する、電気機械共振器、および、発振回路に共振器の駆動を停止させ、これにより、性質不明の流体における電気機械共振器の発振の減衰率の観測を可能にするスイッチデバイスを含む発振ドライバ回路を含む。電気機械共振器は、ダウンホール流体の容量効果から共振器を保護するために導電層で囲まれている。
【００１０】
特定の実施形態では、性質不明の流体の少なくとも１つの特性を、電気機械共振器の発振の観測された減衰率に照らして決定することができる。電気機械共振器は、少なくとも２つの電極および少なくとも２つの電極を覆う誘電体層を有する圧電デバイスとして実装することができ、導電層は、誘電体層を囲んでいる。電気機械共振器は、導電層の上に耐食層を含むことができる。
【００１１】
本発明のさらなる態様では、ダウンホール流体、または分散した液体−液体（エマルション）、固体−液体（懸濁液）、または気体−液体（フォーム（泡））系のＰＶＴ特性または相図を決定する方法およびデバイスが開示される。一実施形態では、デバイスが坑井内の異なる深度を占めるときに密度および粘度の測定が行われるため、ダウンホール流体特性を、各深度で遭遇する異なる圧力および温度で測定することができる。個別の圧力および温度点でのこれらの測定値に基づいて、完全なＰＶＴ特性または相図が補間によって再構成される。通常、この補間は、理論上のＰＶＴ特性のファミリーから、坑井に沿って測定された特性に最もほぼ一致するものを選択することによって達成される。あるいは、ＰＶＴ特性のファミリーは、実験室で同様の流体で測定されたＰＶＴ特性に基づいて経験的に決定することができ、坑井内で取得されたデータの限られたセットに最も一致するＰＶＴ特性がこのファミリーから選択され、坑井における流体を記述すると想定される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、装置は、スイッチデバイスに結合され、スイッチデバイスのデューティサイクルおよび利得率を調整するように適合されたマイクロプロセッサをさらに含む。
【００１３】
本発明の実施形態はまた、性質不明のダウンホール流体の特性を決定する際に使用する、交流電圧によって駆動されたときの圧電デバイスを提供する。デバイスは、音叉形状に形成された少なくとも２つの圧電電極であって、音叉部分圧電電極が、交流電圧による電気的励起に応答して特性共振周波数で機械的に振動するように動作する、少なくとも２つの圧電電極と、少なくとも２つの圧電電極を覆う誘電体層と、誘電体層を覆い、ダウンホール流体の容量効果から圧電デバイスを保護する導電層とを含む。
【００１４】
特定の実施形態では、圧電デバイスは、導電層の上に位置付けられた耐食層を含む。導電層は、金属薄膜でできていてよい。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態は、ａ）発振回路を性質不明の流体にさらすステップであって、発振回路は、出力部および入力部を有する増幅器、増幅器または論理ゲートの出力部と入力部との間のフィードバックループ、および電気機械共振器の共振周波数が発振回路の発振を規定するようにフィードバックループ内に配置され、導電層で囲まれている、電気機械共振器を含む、さらすステップと、ｂ）電気機械共振器が性質不明の流体においてある共振周波数に到達するように発振回路を作動させるステップと、ｃ）発振回路が継続的に作動しているときに性質不明の流体における電気機械共振器の減衰比を決定するステップと、ｄ）自動利得または負性抵抗制御系を介して、一定の発振振幅を保つために必要な利得または負性抵抗を参照して、性質不明の流体の少なくとも１つの特性を計算するステップと、を含む、流体の特性を決定する方法を提供する。
【００１６】
特定の実施形態では、導電層は、金属薄膜でできている。電気機械共振器は、少なくとも２つの電極および少なくとも２つの電極を覆う誘電体層を有する圧電デバイスを使用して実装することができ、導電層は誘電体層を囲んでいる。電気機械共振器は、導電層の上に耐食層を含むことができる。
【００１７】
これらおよび他の態様、特徴、および利点は、本発明の特定の実施形態の以下の説明、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の配置による発振回路を示す図である。
【図２】第１の配置の発振器内で記録された電気波形を示す図である。
【図３】第２の配置による発振回路を示す図である。
【図４】音叉共振器を示す図である。
【図５】測定された粘度データの一例を示す図である。
【図６】測定された密度データの一例を示す図である。
【図７】圧電共振器のバターワース・バン・ダイクモデルを示す図である。
【図８】可変負性抵抗がフィードバックループにおいてシミュレートおよび制御されて一定の発振振幅が維持される発振回路を示す図である。
【図９】共振器が液体中にあるか、または大きな減衰があるときに、本発明の回路を発振可能にするために必要となり得る共振器への並列および直列の電気インピーダンスの追加を示す図である。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、音叉発振器の振動モードのうちの２つを示す図であり、図１０Ｃおよび図１０Ｄは、外部圧電変換器による面内せん断作動下の音叉応答を示す図であり、矢印は作動方向を指し示している。
【図１１】図１１Ａ〜図１１Ｃは、３電極（入力、接地、出力）音叉の構造と、感知信号からの駆動の切り離しに対する応答とを示す図である。
【図１２】図１２Ａ〜図１２Ｃは、両面（背面および正面）の３電極（入力、接地、出力）音叉の構成と、感知信号からの駆動の切り離しに対する応答を示す図である。
【図１３】音叉ブロックが寄生容量Ｃ１を有する音叉の電気機械モデルを表している差動電気回路図である。
【図１４】Ｌｔが共振器の機械的慣性を表す実効インダクタンスである圧電電気機械共振器の等価共振回路図である。
【図１５】図１５Ａおよび図１５Ｂは、追加の静電容量が考慮されないときの出力電流の振幅（図１５Ａ）および位相シフト（図１５Ｂ）に関して理想共振を示す電流振幅対周波数のグラフであり、図１５Ｃおよび図１５Ｄは、減衰が低いおよび高い（すなわち、Ｒｔが小さいおよび大きい）場合の寄生容量（図１４のＣｐ、Ｃｍ、Ｃｄ）を示す電流振幅対周波数のグラフである。
【図１６】図１６Ａおよび図１６Ｂは、差動出力の場合の可変の寄生容量および減衰に対する共振器の電流振幅対周波数応答のグラフである。
【図１７】本発明による圧電音叉共振器１７００の例示的な実施形態を示す図である。
【図１８】自動利得制御を提供する差動電気回路の別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の広範な態様によれば、発明者らは、粘度および密度を測定可能であって、生産井に沿ってさまざまな深度で測定値を得ることを可能にするプラットフォームに取り付けられた小型で高速かつ精密なセンサーを使用することにより、例えば１）ダウンホール流体のＰＶＴ特性をマッピングし、露点、バブルポイント、および／または他の重要な状態変化および流体特性の遷移が裸孔に沿って起こる場所を特定し、２）密度および粘度の変化の高速測定を通じて、分散した液体−液体（エマルション）、固体−液体（懸濁液）、気体−液体（フォーム（泡））系のＰＶＴ特性をマッピングし、３）貯留層条件での貯留層流体の実際の粘度および密度をより正確に決定し、４）混相流中のセンサーに存在する個別の相の密度および粘度、ならびに瞬間的な相の時系列を決定し、そこから、各相の流動様式、流動構造の形状およびサイズと、各相の体積流量率をより正確に推測することができることを認識した。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、デバイスは、地下坑井内の所望の深度にセンサーを位置付けるためのプラットフォームと、電気機械共振器と、電気機械共振器がその周波数規定素子として組み込まれた発振回路と、発振回路の発振周波数（または周期）を測定し、発振の減衰を測定するマイクロコントローラとを含む。このような実施形態は、電気機械共振器が発振回路の共振周波数を規定する点で、先行技術のアプローチと一線を画し、共振器と異なる発振回路を有し、電気機械共振器の共振周波数が見つかるまでチューニングされなければならない従来の配置とは対照的である。本実施形態はまた、発振の減衰または他のエネルギー損失パラメーターが直接測定されて、共振器に接触している流体によって引き起こされたエネルギー損失または減衰を決定するという点でも異なる。
【００２１】
発振回路は通常、増幅器を含み、増幅器の出力部から増幅器の入力部への少なくとも１つのフィードバック経路を有する。（石英水晶といった）周波数規定素子が通常、周波数規定素子の共振周波数で持続的発振を引き起こすように、１つのそのようなフィードバック経路に沿って含まれる。この持続的発振は、周波数規定素子と増幅器とを含むループの周りの合計位相シフトが３６０度またはその倍数であり、周波数規定素子と増幅器とを含むループの周りの利得が１以上のときに生成される。
【００２２】
発明者らは、発振の周波数を決定する主要要素として、発振回路内に電気機械共振器を含むの回路配置が、第一に、発振回路が必要な共振周波数で発振を開始するので共振器の共振周波数を見つけるために複数の周波数を検索する必要がないことを含む、先行技術方法に対して実質的に有利利な点を提供することを認識した。これにより、本発明の方法を使用した測定は、従来の方法よりもはるかに速くなる。第二に、測定を実行するために必要な回路の総量および複雑さが大幅に削減される。第三に、細かい周波数分解能を有する正確に制御された周波数を生成可能な精密発振器が不要である。本発明の回路は、所望の周波数で容易に発振し、この周波数は、多くの小型マイクロコントローラですでに利用可能となっているデバイスである簡単な水晶系タイマーで測定することができる。第四に、共振器を周波数規定素子として発振回路に組み込むことは、多くのエネルギーが共振器に蓄積されることを意味し、これにより、周囲の流体に起因する減衰を測定するための強力な信号が提供される。対照的に、インパルスまたは階段関数で共振器を駆動して、その共振周波数および減衰を観測すると、インパルスまたは階段関数のエネルギーのごく一部のみが共振器の共振周波数帯域内にあるため、はるかに小さな信号が生成される。第五に、他の利点の中でも特に、共振器を発振回路内の増幅器のフィードバックループに組み込むことは、効率的な回路設計により、同じ増幅器を利用して減衰測定中にセンサー信号を増幅する機会が得られる。
【００２３】
減衰を測定することができるさまざまな方法がある。一実施形態では、減衰は、共振器の電気的な駆動を一時的に停止させることで発振の振幅が減衰し、振幅減衰率を測定することができるようにすることによって決定される。例えば、これは、図１に示され、以下でより詳細に説明されるように、ＮＡＮＤゲートに基づく発振回路を使用して達成することができる。包絡線検出回路を使用して発振振幅を提供することができ、これを次にデジタル化して、指数関数的減衰曲線に当てはめることで減衰係数を決定することができる。あるいは、２つの電圧比較器および１つのタイマーを使用して、２つの基準電圧レベル間で包絡線が減衰するのにかかる時間を決定することができ、この時間を使用して減衰係数を決定することができる。あるいは、閉ループ内の前述の増幅器の利得を設定する自動利得調整回路を使用することによって、一定の発振振幅を維持することができる。この代替測定手法では、減衰時間を測定するために発振を止める必要がない。代わりに、一定の振幅を維持するために必要な利得量を使用して、電気機械共振器を囲んでいる流体による減衰係数を決定することができる。自動利得制御増幅器の利得は、その利得を制御する利得調整信号をデジタル化し、利得調整信号を増幅器が生成する利得量に関連付ける事前の較正測定を使用することによって決定することができる。
【００２４】
一実施形態によれば、センサーは電気機械デバイスを含むことができ、これは、流体と接触し、また、センサーが流体と相互作用すると、時間の関数としてデバイスの発振運動を駆動および検出する回路の構成要素である。電気機械デバイスの運動は、流体の影響を受け、流体の粘度および密度と、電気機械共振器の共振周波数および減衰との間に定量的な関係が直接確立されている。あるいは、（例えばメタンのように）流体の粘度および密度が温度および圧力のよく知られた関数である場合、周波数と減衰との直接的な関係を、流体の温度および圧力に対して確立することができ、その熱力学的状態とこの状態に関連する他の特性（バブルポイント、露点、ＧＯＲなど）をリアルタイムに知ることを可能にする。
【００２５】
具体的には、圧電音叉を電気機械発振デバイスとして使用することができる。適切な圧電音叉の一例が、Ｂｅｎｎｅｔｔらへの米国特許第７，５６２，５５７号に説明されており、これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。しかし、発振器自体の一部として発振回路に組み込むことができれば、本発明は、特定の共振器要素に限定されない。２端子デバイスである音叉の機械的特性は、（図７に示す）バターワース・バン・ダイク（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ−Ｖａｎ  Ｄｙｋｅ）モデルによって、導線間の浮遊容量を含むデバイスの電極間の静電容量およびデバイスを囲んでいる誘電体媒体に起因する静電容量を含むデバイスの電気容量を表す並列静電容量（Ｃ０）を有する、デバイスの機械的な減衰、質量、およびコンプライアンスをそれぞれ表す抵抗（Ｒ）、インダクタンス（Ｌ）、および静電容量（Ｃ）の直列回路（ＲＬＣ回路）として記述することができる。このモデルは、共振システムを表し、圧電作用を通じて機械的領域と電気的領域との間に直接的な関係を確立する。Ｃ０がＣよりもはるかに大きいとき、減衰率の高い共振器（粘性液体中の共振器など）を発振させることが困難になる。したがって、好適な共振器の設計では、圧電材料、形状、および寸法の選択を利用して、Ｃに対するＣ０を最小化する。好適な共振器はまた、例えば液体との接触面積が縮小されることによって、液体中にあるときの共振のＱ値（品質係数）を高く維持する。さらに、インダクタ（またはインダクタの動作をシミュレートする回路）を共振器と並列または直列に配置して、共振周波数付近のＣ０の動作を打ち消すことができるため、音叉が高粘性液体中にあるときに発振回路が共振しやすくなる。あるいは、圧電発振器の寄生容量と同一または非常に類似した静電容量を持つ基準コンデンサを、差動測定方式（図１３）に使用することができる。この手法では、同一の入力信号が圧電共振器と基準コンデンサとに供給され、それらの出力が互いから差し引かれることで寄生容量寄与が打ち消される。電気機械応答信号が寄生信号と比較して非常に小さいときでも、減算および増幅により、高減衰環境でも発振が可能になる。減算に差動増幅器を使用することができる。一実施形態では、基準コンデンサは、音叉部分がエポキシ樹脂によって固定または保持された第２の音叉とすることができる。これにより、関心の周波数の周辺で基準コンデンサの圧電（電気機械）応答からの大きな寄与がなく、寄生容量からしか寄与がないことが確実となる。音叉形状を持たない電気機械共振器と同じ形状を有する同じタイプの圧電基板上に電極をパターニングすることによって、ほぼ同一のコンデンサを作成することができる。したがって、音叉の共振周波数の周辺に如何なる共振周波数もない。
【００２６】
別の実施形態では、電気機械共振器の駆動機能と感知機能とを切り離すことができる。これは、電気的、磁気的、機械的、および光学的な分野間で変換のさまざまな組み合わせを使用するなど、駆動および感知に異なる物理的効果を使用して行うことができる。または、駆動および感知に同じ変換方法を使用する場合は、駆動領域と感知領域とを空間的に離すことによって切り離しを行うこともできる。使用する変換に応じて、必要な分離長は異なる。圧電音叉の具体例では、いくつかの手段によってそれをその共振まで駆動することができ、圧電材料に結果として生じる機械的変形を、パターニングされた電極を介して電圧出力として感知することができる。この方法は、寄生容量と、出力への入力信号の直接的な電気信号結合とを最小限に抑える。最も簡単な形態では、音叉をせん断ピエゾ変換器といった機械的振動機にしっかりと取り付けることができる。音叉の共振周波数で電気信号をせん断ピエゾに印加すると、せん断ピエゾの動きを音叉に機械的に結合することができ、音叉の共振モードを励起することができる。音叉が変形すると、その圧電結晶に沿って空間電荷分布が生成され、これは、音叉上のパターニングされた電極間の電圧差としてピックアップすることができる。所望の共振周波数に対する初期運動の結合効率は、せん断ピエゾの運動方向に対する音叉の向きと、２つの物体間の結合の剛性とに依存する。例えば音叉本体全体の基本のカンチレバーモードを励起することなく音叉のシザリングモードを励起するには、図１０Ａ〜図１０Ｄに示すように、せん断運動方向がシザリング運動方向と直交している必要がある。あるいは、図１１Ａ〜図１１Ｃにあるように、遠位の電極で駆動および感知を行うことができるように、電極を音叉上でパターニングすることもできる。この３電極方式では、入力ポートと出力ポートとの間の寄生容量を、同様の形状の２端子デバイスの寄生容量よりも数桁小さくすることができる。製造の複雑さを備えることにより、第２の電極セットを音叉の背面にパターニングすることができる。正面電極を駆動に使用することができ、背面電極を感知に使用することができる。この場合、図１２Ａ〜Ｃに示すように、電気機械変換効率をさらに高めることができる。
【００２７】
このような回路の動作の一態様によれば、共振器は発振回路に組み込まれ、その後、発振回路がオンにされる。発振回路は、図１および３の回路を含むことができ、これらを以下でより詳細に説明する。回路からの継続的なフィードバック機構を通じて、音叉は、その発振を、環境からの減衰を克服し、最大振幅に達するまで成長するその運動における小さな変動から開始する。この時点で、フィードバック機構はオフになり、共振器の発振は環境の減衰に起因して減衰する。このプロセスは継続的に繰り返され、発振の周波数および減衰時間はスイッチングサイクル毎に取得される。
【００２８】
発振減衰を記述するモデルは、減衰された非駆動調和発振器のものであって、（圧電効果によって生成された電流に比例する）発振速度についてのその解は、次式によって与えられる。
【００２９】
【数１】
2021529304.tif 000003
【００３０】
ここで、φは、発振の位相であり、減衰時定数τは、流体による減衰に関連し、周波数ωは、共振器によって引き込まれた流体の付加質量を含む共振器の有効質量に関連する。これらの量は、次式によって発振器の品質係数Ｑに関連している。
【００３１】
【数２】
2021529304.tif 000004
【００３２】
および
【００３３】
【数３】
2021529304.tif 000005
【００３４】
液体環境では、Ｑは、例えば１０のオーダーで非常に小さくなる。上記式を使用し、また、数十キロヘルツ、例えば３×１０４ＫＨｚの推定固有周波数ω０について、約１ミリ秒の時定数が得られることがわかり、流体の特性の非常に高速な測定および「リアルタイム」情報が計算されて、生産井内の回路から受信された流体特性データを処理するように機械を設定するためのコードを実行するかまたは実装するハードウェアベースの機械といった下流システムに報告される。
【００３５】
さまざまな発振回路を、電気機械共振器センサーと連動するように適応させることができる。発振回路は、測定値が取得されるべきすべての環境で発振できなければならない。液体環境では、共振器のＱ（つまり、品質係数）は小さく（例えば１０程度）、一部の発振回路は、発振を維持するのに十分な増幅を提供しない場合がある。このような場合、追加の増幅を用いることができる。例えばアンバッファ論理ゲートが、損失の多い環境で発振を維持するのに十分な増幅を提供することができない場合、これをバッファ付き論理ゲートまたは直列の複数の論理ゲートと置換して、発振に必要な追加の増幅を提供することができる。場合によっては、粘性流体内にあることにより共振器のＱ係数が小さいと、発振回路を発振させるのに十分な位相シフトが生成されないことがある。この場合、リアクタンスといった追加のインピーダンスを共振器と並列および／または直列に追加して、追加の位相シフトを提供することができる。図９に示すように、インピーダンスＺｐが、共振器Ｘと並列に追加され、インピーダンスＺｓが、共振器Ｘと直列に追加される。図１および図３に結晶回路図記号によって示されている「センサー」は、電気機械共振器と、関心の流体において回路を発振させるために共振器に追加する必要がある並列および／または直列インピーダンスとの両方を含むことが理解されるであろう。当業者であれば、インピーダンスを、１つまたは複数の抵抗器、コンデンサ、およびインダクタのネットワークとして、または、これらのネットワークの電流−電圧関係をエミュレートする能動回路として追加できることを認識するであろう。能動回路は、「負性抵抗器」といった受動部品では作成することができない電流−電圧関係を作成することができるため、一定の利点がある。小さな能動回路はまた、大きなインダクタをエミュレートするときなど、対応する受動部品がはるかに大きくなる関係をエミュレートすることもできる。一実施形態では、図１に示す回路において、「センサー」は、回路が、粘度がより高い流体の中で動作することを可能にするために、共振器と直列のインダクタからなる。
【００３６】
一実施形態では、本発明に関連して使用するのに適した発振回路は、電気機械共振器の駆動を停止させて発振の減衰を観測することができるようにする手段を含む。例えば電気機械デバイスを含むフィードバックループを開くか、または、発振回路内の他の回路部品を開く、短絡する、若しくは別の方法で変更したりして、共振器を駆動状態から非駆動状態に変更することができる。発振回路の回路、または別個の回路は、発振の周波数を測定する手段と、発振の減衰率を測定する手段とを含むことができる。２つのこのような実施形態を以下に説明する。
【００３７】
図１を参照すると、回路１００は、以下に説明するように、増幅器として構成されたＮＡＮＤ論理ゲート１０２と、抵抗器１０４および１０６と、回路の発振を規定するために両方とも発振回路の一部を形成する電気機械共振器を含み、測定される流体に直接接触するように構成されることで、流体の共振器の挙動への影響を測定して流体の特性を決定することができる「センサー」１１２の周辺に接続されたコンデンサ１０８および１１０とを含む。発振回路１００における利得は、ＮＡＮＤ論理ゲート（Ｕ１）１０２によって提供され、つまり、ＮＡＮＤ／論理ゲートは、回路の増幅器として機能する。発振器は、オン／オフ＊入力の論理ローレベルによって無効にされ、オン／オフ＊入力の論理ハイレベルによって有効にされる。この入力は、例えば発振回路が駆動モードにあるかまたは非駆動モードにあるかを制御するために、マイクロコントローラからのデジタル出力によって供給されてよい。発振後、非駆動モードは、上記の式および減衰データから恩恵を受ける他の方程式を使用するなどして、減衰データを収集して、流体特性を決定するのに適している。回路の「タイマーへ」出力は、発振の周波数で方形波を有する。この出力を、例えばマイクロコントローラのタイマー入力部に提供することで、発振の周波数をマイクロコントローラのタイマーシステムによって正確に測定することができる。必要に応じて、回路の「ＡＤＣへ」出力をアナログ−デジタル変換器に提供して、減衰する発振をサンプリングし、減衰を決定することができる。
【００３８】
図２は、回路１００からの２つの波形２０２および２０４を含む出力グラフ２００を示す。オン／オフ＊入力がハイ２０６であるとき、発振が始まり、最終的には波形２０２に見られるように安定した振幅に達する。次に、オン／オフ＊入力が（図２の図表の時間＝０秒において）ロー２０８になるとき、ＮＡＮＤゲートは無効にされ、波形２０４に示すように発振は減衰する。「ＡＤＣへ」出力における波形を２０２、２０４に示す。図２に示すこれらのデータは、真空中のセンサーを用いて測定したものである。発振を開始する時間および減衰時間は、センサーが液体中にあるときはるかに速くなる。いずれにしても、基準液体の中、また、所定の温度および圧力における電気機械デバイスの減衰率を、例えば所与のセンサー１１２を較正するためなど、ベンチマーク目的で得ることができる。
【００３９】
図３は、回路３００が提供される別の実施形態を示す。回路３００は、アナログスイッチ３０２と、演算増幅器３０４と、抵抗器３０６、３０８、および３１０と、ダイオード３１２および３１４とを含む。この場合も先と同様に、回路３００は、顕著な部分において、回路の発振周波数を規定するために両方とも発振回路の一部を形成する電気機械共振器を含み、測定される流体に直接接触するように構成されることで、流体の共振器の挙動への影響を測定して流体の特性を決定することができる「センサー」３１６を含む。発振回路３００における利得は、演算増幅器（オペアンプ）（Ｕ２）３０４によって提供される。オン／オフ＊入力に論理ローレベルがあるとき、アナログスイッチＵ３  ３０２が開放され、発振は駆動されない（すなわち、減衰する）。このモードでは、オペアンプ３０４は、電流−電圧変換器として機能し、センサーからの減衰する電流発振に比例する電圧を「ＡＤＣへ」出力に提供する。オン／オフ＊入力に論理ハイレベルがあるとき、アナログスイッチＵ３  ３０２が閉鎖され、センサーの共振周波数で持続的発振を引き起こす正フィードバックが可能になる。オン／オフ＊入力は、マイクロコントローラからのデジタル出力によって供給することができる。回路の「ＴＯ  ＡＤＣ」出力を、持続的および減衰発振をサンプリングし、プロセッサが発振の周波数と減衰時間とを決定することを可能にするアナログ−デジタル変換器に提供することができる。ダイオード３１２および３１４（Ｄ１およびＤ２）は、オペアンプ出力が飽和状態になることを防ぐ。これらのダイオードがないと、オペアンプが飽和状態から抜け出すのにかかる時間に起因して発振周波数が低下する。
【００４０】
別の実施形態では、減衰は、発振を一定の振幅で維持するために共振器と直列または並列に追加する必要がある負性抵抗の量に基づいて決定される（例えばこの動作を実現するために図３の回路を変更することができ、ここで、負性抵抗を規定する抵抗器（３０８）は、ＮチャネルエンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴといった可変抵抗デバイスで置換され、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧（動作の線形領域におけるドレイン−ソース抵抗を決定する）は、増幅器出力の振幅を一定に保つように調整される。したがって、図３は、演算増幅器を使用した発振器の回路を示す。ＭＯＳＦＥＴが供給している抵抗、したがって、発振振幅を一定に保つために必要な負性抵抗は、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をサンプリングすることによって決定することができる。）別の実施形態では、減衰は、発振を一定の振幅に維持するために共振器に追加する必要がある電力量に基づいて決定される。別の実施形態では、減衰は、発振を一定の振幅に維持するために、発振回路内の共振器を含むフィードバックループに適用する必要のある利得の量に基づいて決定される。
【００４１】
センサーを生産井内の所望の位置または一連の位置に送達することができる適切なプラットフォームには、当業者に知られている有線ツール、参照によりその全体が本明細書に記載されているものとして本明細書に組み込まれている、２０１６年４月２９日に出願され、「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥ  ＦＯＲ  ＯＢＴＡＩＮＩＮＧ  ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ  ＯＦ  ＤＯＷＮＨＯＬＥ  ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ  ＩＮ  Ａ  ＳＵＢＴＥＲＲＡＮＥＡＮ  ＷＥＬＬ」なる名称の同時係属中の米国特許出願第１５／１４３，１２８号に説明されている非接続センサー、または生産井内に配置されたセンサーの永久的に配備されたネットワーク内のさまざま深度にあるネットワークノード上を含む。デバイスは、小さなパッケージに収まることができ（例えば共振器および回路は１ｃｃ未満の容積に収まることができる）、電力をほとんど消費しない（例えば１回の測定あたり約１マイクロジュール）ため、デバイスの構造が遠隔のダウンホール作業に特に有用になる。
【００４２】
一実施形態では、図３の回路を図８に示すように変更して、自動利得制御を実施する。演算増幅器の非反転入力部で見られる負性抵抗を設定する抵抗器（図３の３０８）は、Ｎ型エンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴで置換することができ、ＭＯＳＦＥＴに供給されるゲート電圧は利得制御電圧であり、また、演算増幅器出力での発振に印加される包絡線検出器の出力である。したがって、ＭＯＳＦＥＴゲートは、発振の振幅に依存する電圧を得る。発振の振幅が小さくなると、ゲート電圧が低下する。これにより、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース抵抗が増加し、共振器に追加される負性抵抗が増加し、発振の振幅が大きくなる。発振の振幅が大きくなると、ゲート電圧が上昇する。これにより、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース抵抗が減少し、共振器に追加される負性抵抗が減少し、発振の振幅が小さくなる。したがって、このような配置の回路を使用して、発振の振幅が一定レベルに維持される。一定振幅の発振を維持するために必要な負性抵抗は、ＭＯＳＦＥＴに印加されるゲート電圧を、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース抵抗をゲート電圧の関数として与える較正曲線と組み合わせて測定することで決定することができる。これに関して、ハードウェアプロセッサが、その中でコードを実行するか、または実装して、測定されたゲート電圧に基づいて、較正曲線（または較正曲線を表す関数）から抵抗を特定することができる。
【００４３】
一実施形態では、あるいは、発振が最初に確立され、少なくとも短時間の間持続するように共振器を駆動し、次に、（例えば図１の回路を使用するなどして）発振が減衰することで減衰測定を行うか、または完了することができるように共振器を駆動するのをやめるように回路を構成することができる。別の実施形態では、回路の利得を調整して発振の一定の振幅が維持され、必要な利得の量は、減衰の量の指標として測定される。これは、より大きな減衰は、一定の発振を維持するにはより大きな利得が必要となるからである。別の実施形態では、回路は、共振器に接続された「負性抵抗器」をシミュレートするように構成される。負性抵抗の量は自動的に調整されて、一定振幅の発振が維持され、必要な負性抵抗の量は、減衰の指標として測定される。共振器内部の（正の）抵抗器と考えることができるより大きな減衰エネルギー損失を相殺するためには、より大きな負性抵抗が必要となるため、これを採用することができる。
【００４４】
一実施形態では、可変抵抗器回路を、図８に示すようにすることができ、ここでは、調整可能な抵抗器は、実際には、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧によって調整されるＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース抵抗ＲＤＳである。この実施形態におけるＭＯＳＦＥＴのゲート電圧は、増幅器出力の包絡線検波器によって生成されるので、より大きい振幅出力はより大きいゲート−ソース電圧、したがって、より小さいＲＤＳをもたらし、これは、ＲＤＳが共振器内の減衰を相殺するのに正確に正しくなるまで発振振幅を減少させる。ゲート電圧は、マイクロコントローラのＡ／Ｄ変換器によってサンプリングされ、例えば上記値に関連するマイクロコントローラ内で実行されるコードを使用してＲＤＳの値、したがって、共振器内の減衰の量に関連付けることができる。発振の周波数もまたマイクロコントローラで測定することができる。この測定値およびＲＤＳの値から、駆動されない減衰発振が有する周波数を計算することができる。
【００４５】
一実施形態では、裸孔に沿った多数の場所に存在するあらゆる流体の密度および粘度に加えて、温度および圧力も測定することができるシステムおよび方法が提供される。温度および圧力の測定は、市販の温度（例えばＲＴＤ）センサーおよび圧力変換器を含めることによって実施される。それらの測定値は、デバイス内のマイクロコントローラに接続するアナログ−デジタル変換器によって測定され、これにより、温度および圧力のデータを密度および粘度とともに記録または送信することができる。
【００４６】
粘度は、ＰＶＴ図にプロットされないが、特定の状態変化、バブルポイント、露点などが生じたときの指標として使用することができる。非接続センサーボール（例えば上で参照された同時係属中の米国特許出願第１５／１４３，１２８号に説明されているものなど）は、地表と任意の所与の貯留層深度との間であらゆる圧力および温度における流体特性を測定する安価なソリューションを提供する。本発明のデバイス、方法、およびシステムは、地表から選択された貯留層深度まで坑井を下に移動する間に遭遇するあらゆる流体相の温度、圧力、ならびに密度および粘度を測定することにより、最も重要な圧力−温度軌跡に沿った、つまり、裸孔内にある生産流体の粘度および相図の情報を再構成することができる。
【００４７】
各相の粘度および密度を知ることは、流動様式を決定し、相流量の精度を向上させるのに役立つ可能性があることが認識されている。高速サンプリング速度で粘度および密度を測定することができることにより、混相流にどの相が存在するかが瞬時にわかり、センサーの位置で時系列の相が提供される。この時系列を使用して、各相の存在量だけでなく、各相の流動構造のサイズおよび形状、したがって流動様式も決定することができる。第１の時系列の下流の第２の時系列を、第１の時系列と相関させて個々の流体パッケージがセンサー間を移動するのにかかった時間が決定され、相流量のより正確な測定値を提供することができる。
【００４８】
上述したように、発振回路には、回路のフィードバックループ内に配置された電気機械共振器が組み込まれ、これにより、共振器の共振周波数が発振回路の発振周波数を規定する。回路の発振周波数を規定することに加えて、共振器はまた、測定される流体に接触する。この配置により、共振器がそれを駆動する発振回路から分離されて区別される他のシステムと比較して、共振周波数をはるかに速く決定することができる。したがって、本明細書に開示される配置は、測定速度の増加を可能にする。測定速度の増加は、多くの点で有益である。例えば生産井では、しばしば複数の流体が坑井に入れられる。測定速度の増加は、測定回数の増加をもたらし、これにより、生産井内の複数の流体タイプを区別し、各流体タイプの正しい粘度を決定することが可能になる。対照的に、測定速度が遅いシステムでは、測定時にセンサーが２つ以上の流体タイプ内にある可能性があるため、結果の精度が高くない。
【００４９】
さらに、本明細書に説明されるシステムおよび方法の速度の増加により、生産井内の混相流中の別々の流体を分解することが可能になる。対照的に、低速のセンサーは、測定時間中に遭遇するさまざまな流体にわたって流体特性を区別しにくくする。感知速度の増加により、混相流の組成および構造の決定が可能になる。この場合もはやり、センサーの速度の増加により、ダウンホール流体における個別の流体相を感知して認識することを可能にする複数の高速測定が可能になるが、他のセンサーは、個々の流体相を認識するためにデータに必要な粒度を提供するのに十分な速さで応答しない。生産井では、センサーは、オイルの泡、ガスおよび塩水が激しく通り過ぎる際に、数ミリ秒ごとに異なる流体タイプの中にあることができる。
【００５０】
非限定的な一例によれば、一実施形態が実験室条件下で試験された。図４を参照すると、システムは、電気機械共振器（つまり、有線音叉発振器）としての音叉４００を含む。圧力および温度のシミュレートされたダウンホール条件で、音叉の完全な特性評価を行った。デバイスは、ロックイン増幅手法だけでなく、そのインピーダンスの直接的な周波数応答測定も使用して、圧電的に作動および感知された。共鳴ピークが得られ、フィッティングパラメーターとしてピーク幅、振幅、および共鳴周波数に当てはめられた。ピーク幅および周波数によって、流体において発振器の減衰および付加質量を抽出することができる。試験流体の粘度および密度との共振応答を較正するために、流体力学的モデルが開発された。この目的のために、センサーをさまざまな流体（空気、水、鉱油、作動油）内で作動させて、較正パラメーターが得られた。デバイスは、後に、ダウンホール条件をシミュレートするために圧力および温度の様々な条件で試験された（図５および図６を参照）。より具体的には、図５は、高圧および高温で測定されたＩＳＯ１５作動油の粘度の結果を示し、図６は、高圧および高温で測定されたＩＳＯ１５作動油の密度の結果を示す。
【００５１】
デバイスは、関心の範囲（最大５０ｃＰ）の粘度を測定するのに適していることがわかった。
【００５２】
圧電電気機械共振器の１つの問題は、機械的応答からの電気的応答の切り離しである。圧電材料に被着した２つの電極間に電位が印加されると、材料は、電界に起因する機械的変化を受ける。共振器の構造は、ＲＬＣ回路に類似するものとして示すことができる。図１４は、Ｌｔが共振器の機械的慣性を表す実効インダクタンスであり、Ｃｔが機械的ばね定数を表す実効キャパシタンスであり、Ｒｔが機械的減衰を表す実効抵抗である等価共振回路を示す。しかし、共振器の２つの電極もまた電気コンデンサを形成するため、等価共振回路は、共振器を正確にモデル化するためには、電気的結合も考慮する必要がある。例えばＣｐは、この配置での寄生容量であり、これは圧電性結晶の実効キャパシタンスである。Ｃｄは、誘電体コーティングの静電容量であり、Ｃｍは、共振器がその中で使用される流体媒体の静電容量である。さらに、ＲｄおよびＲｍは、それぞれ誘電体および媒体の実効抵抗である。
【００５３】
図１５Ａおよび１５Ｂは、追加の静電容量が考慮されないときの出力電流の振幅（図１５Ａ）および位相シフト（図１５Ｂ）に関して理想共振を示す。図１５Ｂに示すように、共振時は、位相シフトはゼロであり、すなわち、位相シフト遅延は観測されない。しかし、寄生および他の静電容量を考慮すると、共振時に９０度の位相シフトが生じ、出力電流は、機械系および寄生容量に起因する電流の合計になる。特に、機械的減衰が大きい（つまり、液体中の）とき、寄生コンデンサを通過する電流が優勢になり、共振挙動が区別できなくなる。
【００５４】
図１５Ｃおよび図１５Ｄは、減衰が低いおよび高い（すなわち、Ｒｔが小さいおよび大きい）場合の寄生容量（図１４のＣｐ、Ｃｍ、Ｃｄ）の影響を示す。特に閉ループ系が使用されるときは、位相差がゼロの明確な共振ピークを得ることが重要である。図１５Ｃおよび図１５Ｄに示すように、寄生容量と高い減衰とが優勢であるとき、共振挙動は弱まり、ゼロ位相交差は発生しない。
【００５５】
図１３に示すような差動回路が、寄生容量の影響を取り除くのに役立つことができる。差動回路１３００は、音叉共振器１３０２および基準コンデンサ１３０４を含む。共振器１３０２の電気出力は、差動増幅器１３０６の第１の入力部に供給され、基準コンデンサの電気出力は、差動増幅器１３０６の第２の入力部に供給される。したがって、差動増幅器の出力は、共振器１３０２の出力と基準コンデンサ１３０４との間の差に比例する。差動回路１３００からの大きな出力は、共振器と基準コンデンサとの出力の差が大きいことを意味する。次に、この信号を使用して、共振器１３０２と基準コンデンサ１３０６との静電容量の差を決定および補償することができる。
【００５６】
しかし、差動回路方式は、寄生容量への寄与全体が流体媒体の誘電率に依存する応用にはあまり適していない。図１６Ａおよび図１６Ｂは、差動出力の場合の可変の寄生容量および減衰に対する共振器の周波数応答の例を示す。Ｃｍ２は、基準の寄生媒体容量である。共振器の寄生媒体容量は、５ｐＦと規定されている。示されているように、共振器の静電容量が媒体の静電容量（５ｐＦ）と異なるとき、結果として得られる電流出力は、共振周波数でのピークまたは共振周波数でのゼロ位相シフトを示さない。共振器の静電容量が５ｐＦに等しいとき、共振ピークおよびゼロ位相シフトが生じる。
【００５７】
したがって、差動法から最適な結果を得るには、媒体の変化ごとに基準コンデンサを調整する必要があり、これにより、閉ループ系においてフィードバック信号と電気機械応答とのゼロ位相差を一貫して維持することが困難になる。
【００５８】
図１８に示す閉ループ差動回路の別の実施形態では、自動利得制御が実装されて、駆動信号をオフに切り替えることなく減衰を測定することができるようになる。この回路１８００では、利得は、マイクロプロセッサ（μＣ）１８３０によって制御されるそれぞれの演算増幅器１８１５、１８２０のフィードバック抵抗器としてデジタル可変抵抗器１８０５、１８１０を使用して調整される。アナログノード（すなわち、電気機械発振器の入力部または出力部）における正弦波電圧振幅は、既知の基準値（Ｖｒｅｆ）がアナログノードの所望の定電圧レベルよりも小さい状態で、ＡＣ結合発振信号を比較器１８４０に供給することによって得ることができる。回路が作動されると、マイクロプロセッサ１８３０は、比較器が、発振電圧振幅が基準電圧よりも大きいことを示すパルス列を出力するまで、利得を増加させる。次に、マイクロプロセッサは、タイミングが正確に捕捉された立ち上がりおよび立ち下がりイベントによってパルス列のパルス幅および周波数を決定し、デューティサイクルを正確に測定することができるようになる。正弦波発振では、発振の振幅は、分析的にデューティサイクルおよび選択された電圧基準に関連している。既知の関係によれば、マイクロプロセッサによって実装される制御アルゴリズム（例えば比例積分微分制御）は、フィードバック利得を調整することによって、一定のデューティサイクルを維持することができる。利得値は減衰の尺度として使用することができる。
【００５９】
同一の共振器のペア（そのうちの１つは固定化されて基準として使用される）を使用すると、非常に近い寄生容量を取得するのにも役立つことができる。しかし、パッケージングのばらつきおよびコンデンサの媒体特性のわずかな違いが、このような系を容易に妨害する可能性がある。したがって、可変の誘電率を有する流体においてセンサーを使用する場合は、共振器の寄生容量を最小限に抑えると、最適なデバイス動作結果が達成される。誘電率変動の低減は、ａ）最初に電極上に誘電体材料を被覆し、次にｂ）誘電体材料上に金属薄膜を被覆することによって得られる。これにより、共振器内で発生する電界が媒体内に及ぶのを防ぐ。再び図１４を参照すると、導電性金属コーティングを使用すると、Ｃｍが除去され、Ｒｍが減少し、流体媒体に起因する寄生容量の依存性が取り除かれる。共振器デバイスの静電容量を固定することで、ここでも、金属コーティングを有する固定化された同一の共振器を基準として使用したり、またはよく調整された固定のコンデンサを基準として使用したりすることができる。
【００６０】
図１７は、本発明による圧電音叉共振器１７００の例示的な実施形態を示す。図１７の切取内部図に示すように、共振器はいくつかの材料層を含む。底部には電極１７０２があり、これは、共振器を動作させるための制御回路（図示せず）に結合された導電性材料でできている。電極上には非導電性誘電体層１７０４が位置付けられ、導電性コーティング１７０６が誘電体層１７０４上に位置付けられる。誘電体層１７０４および導電性コーティング１７０６は、例えばスパッタリング、物理的蒸着、化学的蒸着を含むさまざまな堆積手法を使用して電極１７０２上に被覆することができるか、または電気めっきを使用することができる。誘電体層１７０４および導電層１７０６の材料（例えば金属薄膜）は、層間の接着を確実にするように相互に選択される。チタンまたはクロムといった薄い接着促進膜を層間に堆積させることができる。誘電体層１７０４は均一であることが好適であり、これは化学的蒸着法または原子層堆積法を使用して達成することができる。誘電体材料は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、または窒化ケイ素であってよいが、これらに限定されない。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、金、アルミニウムは、導電層の潜在的な候補である。
【００６１】
導電層１７０６は、流体媒体との電気的相互作用を遮断するように機能し、これにより、変化する環境、特に導電性媒体におけるセンサーの信頼性および堅牢性を向上させる。いくつかの実施形態では、導電層の材料は、耐食性も有するように選択される。あるいは、他の実施形態では、過酷な環境での誘電体および導電性材料の腐食、摩耗、および侵食を防ぐために、導電層および誘電体層１７０６の共形カプセル化に追加の保護コーティングを使用することができる。例えば炭化ケイ素は、導電層をカプセル化するために使用することができる材料のグループの１つである。
【００６２】
上述の主題は、単に例示として提供されており、限定されるものと解釈されるべきではない。例示され、説明された例示的な実施形態および用途（例えば添付図面に示される特定の回路値を含む）に従うことなく、かつ、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更を本明細書に説明された主題に対して行ってよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月18日(2020.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
性質不明のダウンホール流体の特性を決定する装置であって、
出力部および入力部を有する増幅器（３０４）、増幅器または論理ゲートの前記出力部と入力部との間のフィードバックループを含む発振ドライバ回路（３００）、
前記発振ドライバ回路（３００）によって駆動されるように前記フィードバックループ内に配置された圧電デバイス（４００）、を含み、前記圧電デバイス（４００）の共振周波数が前記発振回路の発振周波数を規定し、交流電圧によって駆動されたときに性質不明のダウンホール流体の特性を決定する際に使用する前記圧電デバイス（４００）は、
音叉形状に形成された少なくとも２つの圧電電極であって、前記音叉部分圧電電極が、交流電圧による電気的励起に応答して特性共振周波数で機械的に振動するように動作する、少なくとも２つの圧電電極と、
前記少なくとも２つの圧電電極上に被覆された誘電体材料と、
前記誘電体材料上に被覆され、前記誘電体材料を囲み、前記ダウンホール流体の容量効果から前記圧電デバイスを保護する金属薄膜と、を含み、
これにより、前記圧電デバイス内で発生する電界が前記ダウンホール流体に及ぶのを防ぎ、前記ダウンホール流体を通る静電容量を除去し、前記ダウンホール流体の実効抵抗を減少させ、前記ダウンホール流体に起因する寄生容量の依存性を取り除く、装置。
【請求項２】
前記導電層の上に位置付けられた耐食層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記性質不明の流体の少なくとも１つの特性が、前記圧電デバイス（４００）の発振の観測された減衰率に照らして決定される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記圧電デバイス（４００）は、カンチレバーモードおよびシザリングモードからなる群から選択される少なくとも１つの振動モードとなるように作動される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記発振ドライバ回路は、第１のダイオード（３１２）および第２のダイオード（３１４）をさらに含み、前記第１および第２のダイオード（３１２、３１４）は、前記増幅器（３０４）の前記出力部が飽和状態になることを防ぐように接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置を使用してダウンホール流体の特性を決定する方法であって、
ａ．前記発振ドライバ回路（３００）を性質不明の流体にさらすステップと、
ｂ．前記電気機械共振器が前記性質不明の流体においてある共振周波数に到達するように前記発振ドライバ回路（３００）を作動させるステップと、
ｃ．前記発振ドライバ回路（３００）が継続的に作動しているときに前記性質不明の流体における前記電気機械共振器の減衰比を決定するステップと、
ｄ．自動利得または負性抵抗制御系を介して、一定の発振振幅を保つために必要な前記利得または負性抵抗を参照することにより、前記性質不明の流体の少なくとも１つの特性を計算するステップと、を含む、方法。
【請求項７】
前記電気機械共振器は、前記導電層の上に耐食層をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記性質不明の流体はダウンホールにあり、前記発振ドライバ回路（３００）をダウンホールに配置するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記流体は混相流であり、前記方法は、前記混相流中の各相の流量を決定するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記流体が地表に運ばれる前に、前記圧電デバイス（４００）を坑井内のある深度の性質不明の流体にさらすことによって、前記性質不明の流体の粘度を決定するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記圧電デバイス（４００）を、カンチレバーモードおよびシザリングモードからなる群から選択される少なくとも１つの振動モードになるように作動させるステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【国際調査報告】
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