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Vorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeitsproben aus Tiefbohrlöchern
Die vorliegende Erfindung betrifft im besonderen einen Dichtungsschuh, der an der Seitenwand eines Bohrloches zur Anlage kommt und insbe- sondere in Verbindung mit einer Einrichtung verwendet wird, mit der Proben von Flüssigkeit aus der Seitenwand einer Erdformation entnommen werden.
Die Vorrichtungen zur Entnahme von Flüssig- keitsproben aus Erdformationen, die bisher verwendet wurden, sind mit einem Dichtungsschuh versehen, der in der Tiefe eines Bohrloches, aus der eine Probe entnommen werden soll, in Anlage mit der Seitenwand des Bohrloches gebracht wird. Der Schuh schliesst einen Teil der Formation gegen die das Bohrloch gewöhnlich füllende Bohrflüssigkeit ab, so. dass die Flüssigkeit aus der betreffenden Formation n s'lbst durch ehie Eintritts- öffnung in dem Dichtungsschuh in diesen eintreten und dort zu einem, die Probe aufnehmenden Raum gelangen kann.
Wenn eine gewünschte Menge der Flüssigkeit aufgenommen ist, wird der erwähnte Raum geschlossen, der Schuh zurückgezogen und die Vorrichtung aus dem Bohrloch entfernt, so dass die Probe gemessen und analysiert werden kann.
Derartige Vorrichtungen zur Entnahme einer Probe aus der Formation arbeiten im allgemeinen zufriedenstellend ; in gewissen Fällen ist jedoch die Seitenwand des Bohrloches so unregelmässig, dass kein guter Abschluss erreicht werden kann. Infolgedessen kann die Flüssigkeitsprobe in unerwünschter Weise mit Bohrflüssigkeit verunreinigt werden. Es ist nun Zweck der Erfindung, einen Dichtungsschuh der erwähnten Art so zu verbessern, dass er eine sichere Abdichtung zwischen der zu prüfenden Erdformation und der Bohrflüssigkeit ergibt.
Gemäss der Erfindung besteht der Dichtungsschuh aus einem Träger, der in Arbeitsstellung gebracht und aus ihr zurückgezogen werden kann, und einem flachen Dichtungskörper aus nachgiebigem Stoff. Der Dichtumgskörper ist an mehreren Stellen seines Umfanges mit dem Träger verbunden ; sein vorderer Teil liegt gewöhnlich in Richtung nach der Arbeitsstellung zu in einer gewissen Entfernung von einer durch den Träger bestimmten Bezugsebene.
Wenn demnach der Träger in Verbindung mit einer, durch ein Bohrloch hindurchgeführten Vorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeitsproben aus der Ruhestellung in die Arbeitsstellung gebracht wird, kommt die Sei- tenw. aI1ld, des Bohrloches zuerst zur Anlage an dem vorderen Teil des Dichtungskörpers, danach wird die Bohrflüssigkeit aus dem Raum zwi- schen der Seitenwand und dem Dichtungskörper verdrängt, indem ein weiterer Teil des Dichtungkörpers sich der Wand nähert und sich gegen sie legt, so dass eine wirksame Abdichtung erfolgen kann.
Die Zeichnungsfiguren zeigen als Beispiel einige Ausführungsformen der Erfindung, u. zw. ist Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer vollständigen Vorrichtung zur Entnahme von Fl'issigkeitsproben aus der Seitenwand eines Bohrloches mit einem Abdichtungsschuh gemäss der Erfindung und veranschaulicht einen Teil des Arbeitskreislaufes der Einrichtung. Fig. 2 ist ein Querschnitt in Richtung der Linie 2-2 von
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Fig.Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 in dem Massstab von Fig. 2 in Anpress- b w. Arbeitsstel-
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geschnitten sind, um gewisse innere Einzelteile freizulassen. Fig. 4 ist ein Querschnitt in Richtung der Linie 4-4 von Fig. 3. Fig. 5 ist ein ähnlicher Schnitt wie Fig. 3, jedoch in einem andern Zeitpunkt der Arbeit, wobei die Fig. 1-5 eine Ausführungsart darstellen.
Die Fig. 6 und 8 sind Querschnitte entlang der Linie x-x von Fig. 1 und zeigen eine abgeänderte Ausführungsform des Abldichtungsschuhes gemäss der Erfindung in zurückgezogener Stellung. Die Fig. 7 und 9 zeigen den Abdichtungsschuh entsprechend den beiden Varianten nach den Fig. 6 und 8 in ausgedehnter Stellung. In der Zeichnung sind somit , drei voneinander verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt, nach den Fig. 1, 2,3 und 4, ferner den Fig. 6,7, bzw. den Fi, g. 8, 9. Nach Fig. 1 befindet sich die Vorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeitsproben mit einem Dichtungsschuh gemäss der Erfindung in einem Bohrloch 10, das die Erdformationen 11, 12 und 13 durchteuft und eine Bohrfl'üssl'gkelt j ? z. B.
Schlamm auf Wassergrundlage oder Olgrundlage, enthält Es sei angenommen, dass die Formation 12 von Interesse ist und aus ihr eine Flüssigkeitsprobe
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entnommen werden soll. Die Vorrichtung zur Entnahme der Flüssigkeitsprobe besteht aus einem oberen 15 und einem unteren druckfesten Ge- häuseteil16, die durch zwei seitliche Schienen 17 und 18 in der Längsrichtung in einer gewissen Entfernung voneinander verbunden sind (Fig. 2).
Die Vorrichtung ist in dem Bohrloch 10 mittels eines Kabels 19 aufgehängt, das in Verbindung mit einer, an der Erdoberfläche stehenden (in der Zeichnung nicht dargestellten) Winde steht, die die Vorrichtung in dem Bohrloch in der üblichen Weise hebt und senkt. In der Nähe dsr Seitenschienen 17 und 18 ist ein (gewöhnlich zurückgezogenes) Kissen oder ein Abdichtungsschuh 20 vorgesehen. Der Schuh ist im Schnitt parallel zu der Längsachse der Vorichtung oval gestaltet und besitzt einen Ahdichtungskörper 21, der aus einer Platte aus biegsamem Stoff, z. B. Gummi, besteht. An der Vorderseite ist er in der Mitte mit einem Einsatz 22 mit einer oberen und einer unteren Bohrung 23 bzw. 24 versehen, deren Bedeutung später beschrieben wird.
Der Dichtungskör- per 21 ist an mehreren Stellen seines Umfanges mit einem etwa. oval geformten waagrecht liegenden, gewölbten Tragring 2J verbunden. Der obe- re und untere Teil des Tragringes 25 liegt etwas vor seinen Seitenteilen und er ist an den Stellen, die den oberen und unteren Teil mit den Seitenteilen verbinden, gekrümmt. Die Seitenteile des Trägers 25 bilden eine Bezugsebene, die parallel zur Längsachse der Vorrichtung liegt. In der ge- wöhnlichen Ruhelage des Schuhes 20 liegt der mittlere Teil des Körpers 21 mit dem Einsatz 22 in Richtung der Längsachse der Vorrichtung in einer gewissen Entfernung von der Bezugsebene.
Mit andern Worten, die Entfernung zwischen
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einen kanalarti-gen Querschnitt und umfasst die ganze Umfangkante des Körpers 21.
Wie am besten aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen, ist eine, in der Waagrechten gekrümmte Antriebsplatte 26 mit dem Trägerring 25 verschweiss oder in sonstiger Weise am Umfang mit ihm verbunden. Sie ist mit einer mttleren öff- nung 27 versehen, durch die ein (später noch zu beschreibender) Teil und ein Teil des Einsatzes 22 hindurchgehen kann : ferner ist die Platte mit oberen und unteren Treibkolben 28 und 29 verbunden. Die Kolben 28 und 29 gehören zu je einem hydraulischen Zylinder 30'bzw. 31 in einem oberen und unteren Zylindergehäuse 32 bzw. 33, die zwischen den Seitenschienen 17 und 18 liegen und an ihnen befestigt sind.
Die Zylinder und Kolben können der Antriebsplatte 26 eine Querbewegung erteilen und sie dadurch in die Ruhelage und auch in die Arbeitslage gegen- über der Längsachse der Vorrichtung 15, 16 bewegen. Die Gehäuse 32 und 33 sind mit weiteren hydraulischen Zylindern 34 und 35 versehen, in denen Kolben 36 bzw. 37 laufen. Diese Kolben sind mit einem in waagrechter Ebene gekrümmten Rückenschild 38 verbunden, das sich entgegengesetzt zu dem Schuh 20 bewegen kann. An die Enden der Treibplatte 26 und des Rückenschildes 38 sind z'wei Zugfedern 39 bzw. 40 angeschlossen, die der Platte und dem Schild eine Vorspannung gegeneinander erteilen und sie in der gewöhnliche Ruhestellung halten, in der sie in Fig. 1 und 2 dargestellt sind.
Um den Schuh 20 und das Schild 38 in der Ruhelage verhältnismässig nahe aneinander bringen zu können, ist die Treib- platte 26 mit einer oberen (41) und einer unteren Bohrung 42 zur Aufnahme der hinteren Teils der Zylinder 34 und 35 versehen. In ähnlicher Weise ist das Schild 38 mit Bohrungen 43 und 44 zur Aufnahme der Zylinder 30 und 31 versehen. Die Zylinder 30, 31, 34 und 35 sind durch Flüssig- keilsleitungen mit einer hydraulischen (in der Zeichnung nicht dargestellten) Druckflüssigkeit liefernden Quelle verbunden, die in dem oberen Teil des Gehäuses 15 untergebracht sein kann.
Natürlich kann man auch andere bekannte Mittel zur Bewegung der Platte 26 und des Schildes 38 verwenden, z. B. eine motorisch angetriebene Schraubenwinde.
Um in eine gewünschte Formation einzudringen und dadurch das Herausfliessen der Flüssigkeit aus der Formation zu erleichtern, ist die Vorrichtung mit einer Schiesseinrichtung 45 versehen, die in einem Kanal 46 des Gehäuses 47 liegt. Das Gehäuse 47 ist mit Bolzen oder in anderer Weise mit dem Einsatz 22 unter Zwischen-
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Raum hinein und aus ihm heraus bewegen.
Die Schiess einrichtung 45 besitzt ein Geschoss 49 und einen Lauf 50, der in gleicher Richtung mit der Öffnung 24 in dem Einsatz 22 liegt. Ge-
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46 und den Bohrungen 52 und 53 in den Teilen 47 und 48, die in gleicher Richtung mit der Öffnung 24 liegen, ab. Der Lauf 50 ist mit mehreren radialen Bohrungen 54 versehen, so dass, wie Fig. 4 zeigt, das Innere des Laufes in Verbindung mit einem Kanal 55 steht, der den Kanal 46 mit einem abwärts gebogenen Rohr 56 verbindet, das Ende des Rohres 56 mündet in einem biegsamen Schlauch 57, der sich an der Schiene 17 entlang erstreckt, sich aber frei'bewegen kann, so dass er die Bewegung des Gehäuses 47 nicht behindert.
Der Schlauch ist mit einer (in der Zeichnung nicht dangestellten) Kammer zur Aufnahme der in dem unteren Gehäuseteil 16 befind- lichen Probe verbunden. Die Kammer kann beliebiger bekannter Bauart sein und dient zur Aufnahme einer gleichförmigen, die Flüssigkeit in der Formation darstellenden Probe. Da der Abschluss durch den Körper 21 so wirksam ist, dass der
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Schuh 20 nach der Aufnahme der Flüssigkeitsprobe nicht abgezogen werden kann, ist das Gehäuse 47 für die Schiesseinrichtung mit einem Kanal 58 versehen, in dem eine zum Abdrücken des Schuhes dienende Schiesseinrichtung 59 enthalten ist. Diese Vorrichtung enthält ein Geschoss 60 ; ihr Lauf 61 liegt in gleicher Richtung mit der öffnung 23 des Einsatzes 22 und auch mit den öffnungen 62 und 63 in den Teilen 47 und 48.
Ein zerbrechbarer Pfropfen 64 verschliesst gewöhnlich die Flüssigkeitsverbindung zwischen den öffnungen 58 und 62 und ein zweiter derartiger Pfropfen 65 in der öffnung 23 sperrt die Flüssigkeit- verbindung zwischen der äusseren und inneren Seite des Körpers 21 ab, die über die öffnung 23 und einem senkrecht verlaufenden Verbindungskanal 66 vorhanden sein könnte.
'Die verschiedenen Steuerkreise für den (in der Zeichnung nicht dargestellten) hydraulischen Antrieb im Gehäuse 15 für die Schiesseinrichtungen 45 und 59 werden durch isolierte elektrische Leiter in dem Kanal 19 vervollständigt. Diese Kreise können die übliche Anordnung haben. Bei der Arbeit wird das Gehäuse 15, 16 mit Hilfe des Ka- bels 19 in das Bohrloch 10 bis in eine Stellung gesenkt, in der der Einsatz 22 der zu prüfenden Formation gegenüberliegt. Bei dem Ausführungsbeispiel ist es die Formation 12.
Es wird nun den Zylindern 30, 31, 34 und 35 Druckflüssigkeit zugeführt, so dass die Kolben 28, 29, 36 und 37 verschoben werden und die Platte 26 und das hintere Schild 38 entgegen der Verspannung der Federn 39 und 40 gegen die Seitenwand des Bohrloches bewegen. Wie aus Fig.
2 zu ersehen, kommt der mittlere vordere Teil des Dichtungskörpers 21, der den Einsatz 22 enthält, zuerst mit der Seitenwand in Eingriff. Hierauf wird die Bohrflüssigkeit aus dem Raum zwischen der Seitenwand und dem Dichtungskörper entfernt, indem sich zusätzliche Teile des letzteren gegen die Seitenwand legen, während gleichzeitig das hintere Schild 38 mit dem gegenüberlie-
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! denDa die Oberflächenentfernung auf dem Dichtungskörper 21 zwischen jedem Paar gegenüberliegender Punkte an dem Ring 26 länger ist als die lineare Entfernung zwischen diesen Punkten, werden tangentiale Kräfte in dem Dichtungskör- per entwickelt, d. h. Kräfte, die das Bestreben haben, die Abmessung des Dichtungskörpers zu verringern und der Stoff, aus dem der Körper besteht, wird dadurch dicker.
Infolgedessen wird die Aussenfläche des Abdichtungskörpers kräftig gegen die Seitenwand des Bohrloches 10 gedrückt.
Infolge dieser konstruktiven Ausbildung legt sich der A (bschlusskörper 21, wenn sich die Einrichtung zur Probeentnahme in dem Teil eines Arbeitskreislaufs befindet, der in Fig. 3 gezeigt ist, ganz dicht gegen einen verhältnismässig gro- ssen Teil der Seitenwand. Es wird dadurch eine sehr wirksame Dichtung zwischen der Seitenwand des Bohrloches 10 und der Bohrflüssigkeit 14 er- zielt. Natürlich ist die Bewegung des Einsatzes 22 mit einer Verschiebung des Gehäuses 47 f*jr die Schiesseinrichtung verbunden und wenn der Schuh 20 und der Schild 38 fest in ihrer Arbeics- lage liegen, wird die Schiesseinrichtung 45 auge- feuert, so dass das Geschoss 49 herausfliesst.
Das Geschoss durchbricht den Pfropfen 51, geht durch die Öffnungen 52 und 53 und 24 hindurch und kommt innerhalb der Formation 12 zur Ruhe, wie in gestrichelten Linien 49' gezeigt ist. Wenn das in, der Formation 12 enthaltene Gas oder öl entnommen werden kann, steht es unter einem gewissen Druck und kann über die öffnungen 24, 53, 52 den Lauf 50, die radialen Öffnungen 3 Kanäle 46 und 55 und das Rohr bzw. den Schlauch 56 und 57 in die, durch das Geschoss geschaffene Öffnung in der Formation und in die in der Zeichnung nicht dargestellte, zur Aufnahme der Probe bestimmte Kammer des Gehäuseteil. es 16 fliessen. Die Probeflüssigkeit fliesst solange weiter in die Probekammer, bis die gewünschte Menge vorhanden ist. Alsdann wird de Kammer geschlossen, die Vorrichtung ist fertig
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Bevor jedoch das Gehäuse 15 und 16 angehoben werden kann, müssen die Teile 20 und 38 zurückgezogen werden. Zu diesem Zweck wird der hydraulische Druck auf die Kolben 28, 29, 36 und 37 ungefähr auf Atmosphärendruck ver- ringert ; der hydraulische Druck des Schlammes 14 auf die Kolben, zusammen mit der Vorspannung der Federn 39 und 40, schiebt die Teile 20 und 38 gegeneinander.
Infolge der dichten Anlage des Dichtungskörpers 21 an der Seitenwand des Bohrloches wirkt der Dichtungskörper wie ein Saugnapf, d. h., die Anlagehaftung der beiden Flächen aneinander zuzüglich des Druckes der Bohrflüssigkeit 14 auf die Rückseite des Körpers 21 ist so gross, dass die Federn 39 und 40, obwohl sie, wie in Fig. 5 zu sehen, die Treibplatte 26 zurückziehen, nicht imstande sind, den Körper 21 ausser Eingriff mit der Seitenwand zu bringen. In diesem Falle wird die Ablöse-Schiesseinrich- tung 59 abgefeuert. Ihr Geschoss durchbricht die Pfropfen 64 und 65 und stellt über die öffnung 23 und den Kanal 66 einen Flüssigkeitsweg zwischen der vorderen und hinteren Seite der Dich- tungsfl, äche 21 her (Fig. 5).
Der Druckunterschied zwischen diesen beiden Seiten wird dadurch ausgeglichen und der Schuh 20 kann abgezogen werden. Wenn dann beide Teile 20 und 38 in der Endphase des Arbeitskreislaufes zurückgezogen sind, kann die Vorrichtung aus dem Bohrloch 10 : herausgezogen werden. An der Erdoberfläche wird die die Probe aufnehmende Kammer aus dem Gehäuseteil 16 entnommen und die darin enthaltene Probe analysiert.
Eine weitere Ausführung eines Abdichtungsschuhes gemäss der Erfindung ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Die biegsame Platte 21'ist an ih- rem Umfang mit einem Tragring 25 verbunden, der seinerseits mit einer abgeänderten Treibplatte
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26'verbunden ist. Die Treibplatte hat einen flachen mittleren Teil 70 und ist nicht gekrümmt, so dass sie dicht an eine Rückenplatte 71'herangebracht werden kann, die hinter der Abschlussplatte 21'liegt. Die Platte 71'ist gewölbt und entspricht der Krümmung der Abschlussplatte 21', wenn diese zurückgezogen ist. Sie ist mit ihr mittels einer Schraube 72 verbunden, die durch ihre Mitte hindurchgeht und in einen mittleren Einsatz 22'einfasst, der etwas länger ist als der Einsatz 22 nach Fig. 1-3.
Diese Ausführung der Erfindung arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die nach Fig. 1-3. Wenn jedoch der Rückenschild 38'und die Treibplatte 26'gegen entsprechende Teile der Seitenwand des Bohrloches gedrückt sind, wie in Fig. 7 zu sehen, ist die Treibplatte um einen grösseren Betrag verschoben als bei der Ausführungsform nach Fig. 1-3. Es werden dadurch grössere tangentiale Kräfte in der Abschlussplatte 21'entwickelt und diese Kräfte pressen die Abschlussplatte gegen die Seitenwand des Bohrloches. So kann durch mechanische Erzeugung tangentialer Kräfte in der Abschlussplatte eine wirksame Dichtung gegenüber der Seitenwand des Bohrloches 10 erzielt werden.
Bei der Ausführung einer zweiten Variante der Erfindung nach den Fig. 8 und 9 ist ein mittlerer Träger 80 in dem Teil 16 des Hauptgehäuses angeordnet. Ein rinnenartiger Teil 81 ist an dem Träger 80 befestigt und steht seinerseits starr mit einer gewölbten Platte 82 in Verbindung. Letztere entspricht im wesentlichen der Platte 71 nach Fig. 6 und 7, aber er erstreckt sich über die ganze Dichtungsplatte 21". Sie ist mit einer Schraulbe 83 an einem mittleren Einsatz 22"befestigt und an ihrem Umfang mit einem Tragring 25" versehen, der eine verhältnismässig tiefe Rinne 84 aufweist, in die der Rand der Abschlussplatte 21" einfasst. Der Träger hat also einen gekrümmten Teil 82 und sein Rand liegt in dem Tragring 25".
Der Kanal 84
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Stellen des Umfanges der Dichtungsplatte 21" auf. An dem durch den Kanal 84 und die Kante der Dichtungsplatte 21" begrenzten Raum liegt
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einem (in der Zeichnung nicht dargestellten) Ende geschlossen ist und eine Flüssigkeitsverbindung mit der Druckwasserquelle besitzt, die die Kol- bsn des rückwärtigen Schildes 38" antreibt. Einer dieser Kolben 37" ist in Fig. 8 und 9 gezeigt. Bei der Arbeit wird der rückwärtige Schild 38" gegen einen Teil der Seitenwand des Bohrloches 10 gedrückt und dadurch die ganze Einheit einschliesslich Hauptgehäuse, Träger 80 und 81, Platte 82 und Dichtungsplatte 21" nach der entge- gengesetzten Seite der Seitenwand hin verschoben.
Infolgedessen kommt der Einsatz 22" der Dichtungsplatte 21" in Anlage an die Seitenwand des Bohrloches und gleichzeitig wird dem
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wird die Bohrflüssigkeit aus dem Raum zwischen der Dichtungsplatte und der Seitenwand des Bohrloches verdrängt. Die Ausdehnung des Schlauches 85 in der Querrichtung bewirkt. eine Bewegung der Umfangskante der Dichtungsplatte gegenüber der Rinne 84 und es werden quergerichtete Kräfte entwickelt.
Mit anderen Worten, bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um nach Belieben einen Druck gegen gegenüberliegende Stellen des Umfanges der Dichtungsplatte 21"oder des Rinnenteiles des
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auszuüben.nisch erzeugter Querkräfte in der Dichtungsplatte 21" und infolge des Vorhandenseins der Platte 82 wird eine wirksame Dichtung gegenüber der
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Aus der Beschreibung ist ersichtlich, dass ein Abdichtungsschuh entsprechend der Erfindung einen wirksameren Flüssigkeitsabschluss bildet als es bisher möglich war. Infolgedessen wird die Arbeit der Entnahme einer Flüssigkeitsprobe erheblich erleichtert und die Möglichkeit der Verschmutzung der Probe mit Bohrflüssigkeit stark verringert.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Abdichtungsschuh so dargestellt, dass er von einer Vorrichtung zur Entnahme einer Flüssigkeitsprobe umgeben ist. Er kann aber auch in andern Vorrichtungen benutzt werden, bei denen ein Flüssigkeitsabschluss oder eine dichte Anlage an die Seitenwand des Bohrloches erforderlich ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeitsproben aus Tiefbohrlöchern, versehen mit einem, in diesen Löchern verstellbar vorgesehenen, mit der Seitenwand eines Bohrloches in Anlage verschiebbaren Dichtungsschuh mit einem Träger und einem, mit diesem Träger verbundenen Dich- tungskorper, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Teil des aus einem biegsamen Werkstoff g, ebildeten iDichtUngs'körpers (21) von seinem Trä-
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ter Seitenteil mit diesem Träger (25) verbunden ist, der durch eine Treibeinrichtung, insbesondere eine Treibplatte (26) mit der Gesamtvorrichtung (5, 6, 17 und 18) verbunden ist, so dass der vorzugsweise ringförmig geformte Träger (25)
zwischen der Ruhestellung und der wirksamen Stellung senkrecht zur Bohrlochwand verstellt werden kann (Fig. 3).