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Vorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeitsproben aus Erdformationen
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Bohrloch 11 mit glatter Wand gezeigt, wie sie sich in Formationen in hartem Fels finden. Hiebei tritt die Bohrung 11 durch Erdformatonen 12, 13, 14 hindurch, wobei z.B. die Formation 13 zu untersuchen ist. Die Bohrung 11 enthält eine Flüssigkeit 15, welche einen hydrostatischen Steuerdruck für die Bohrung ergibt. Die Vorrichtung 10 ist durch ein Kabel 19, das mit einer Winde 20 verbunden ist, die sich auf der Oberfläche der Erde befindet, in der Bohrung 11 aufgehängt.
Die Vorrichtung 10 weist obere und untere druckfeste Gehäuseteile 16 und 17 auf, die durch einen Gehäuseabschnitt 18 miteinander verbunden sind. Der obere Abschnitt 16 enthält im allgemeinen hydraulische Bewegungsvorrichtungen für den Gehäuseabschnitt, während der untere Abschnitt 17 im allgemeinen die Vorrichtungen zur Aufnahme der Probe enthält. Der Gehäuseabschnitt 18 ist mit im Abstand voneinander angeordneten, die Flüssigkeitsprobe zuführenden Ansätzen 21, 22 versehen, die sich von dem Abschnitt aus nach aussen erstrecken und längs des Abschnittes angeordnet sind, so dass dieselben in einer Mittellinie liegen, die sich längsseits zu dem Prüfabschnitt erstreckt.
Diametralgegen- tiber den Ansätzen 21, 22 ist ein mit der Wand in Eingriff kommender Abstützteil 23 befestigt, derzwi-' schen zwei Endlagen hin-und herbewegbar ist.
Die Bohrung 11 kann mit einer Verrohrung 11'versehen sein, die in die Bohrung einzementiert i ist, wobei in der gezeigten äusseren Endlage des mit der Wand in Eingriff stehenden Abstutzteiles 23 \ die Entnahmevorrichtungen 21, 22 dicht an der Verrohrung 11'anliegen. In dieser Lage können
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Gehäuseabschnitt, die den Ansätzen 21, 22 zugeordnet sind, betätigt wer-sserenFläche der Erdformationen genommen, wodurch die Möglichkeiten des Verfehlens einer permeablen
Zone verringert und die Verlässlichkeit des Gewinnens einer Flüssigkeitsprobe bei einer bestimmten Prüf- tiefe erhöht wird. erhöht wird.
In Fig. 3 sind die Einzelteile der Vorrichtung 10 schematisch dargestellt, um deutlicher die Ar-' beitsweise der verschiedenen Teile zu zeigen. der verschiedenen Teile zu zeigen.
BeidererstenArbeitsstufe müssen die Ansätze 21, 22 dicht an der Bohrung bzw. der Verrohrung der
Erdölquelle anliegen. Hiezu wird der Abstützteil 23 mittels eines hydraulischen Systems relativ zum
Gehäuseabschnitt 18 bewegt, der eine hydraulische Druckvorrichtung 30 aufweist, die über ein druckregelndes Ventil 31 mit einer Hochdruckleitung 32 verbunden ist. Die Leitung 32 mündet in einen im Gehäuseabschnitt 18 angeordneten Zylinder 33. Im Zylinder 33 ist ein Kolben 34 gleitend angeordnet. Erweist einen Endteil auf, der an dem Abstützteil 23 dergestalt befestigt ist, dass. bei Betätigung der Andruckvorrichtung 30 sich der Kolben 34 in Richtung von dem Gehäuseab- ! schnitt 18 wegbewegt.
Der Abstützteil 23 bewirkt ein Anliegen an der Wand der Bohrung, so dass der auf dem Kolben 34 I lastende Druck die Ansätze 21, 22 an die Wand der Bohrung drückt.
Die Leitung 32 ist an ihrem unteren Ende mit einem normalerweise geschlossenen Ventil 36 versehen, das in der Offenstellung dazu dient, die Hochdrückleitung 32 über eine weitere Leitung 37 mit einem Ventil 38 zu verbinden. Diese Funktion wird weiter unten mit der Arbeitsfolge beschrieben.
Es ist notwendig, für eine Verringerung des hydraulischen Druckes Sorge zu tragen, wenn man den Abstützteil 23 zurückzuziehen wünscht, welcher Vorgang im folgenden beschrieben wird. In diesem Zusammenhang wird festgestellt, dass die Leitung 32 eine Verlängerung 39 aufweist, die zu einem normalerweise geschlossenen Ventil 40 führt, welches die Leitung 32 von einer Ablasskammer 41 trennt.
Um Hinweise auf den Druck des hydraulischen Systemes zu erhalten, ist über eine Leitungsverlänge- rung 43 ein Druckwandler 42 mit der Leitung 32 verbunden. Dieser Druckwandler gibt auf Grund von Druckveränderungen elektrische Signale ab. Ein mit dem Druckwandler 42 verbu : > denerLeiter 42a' führtdurchdasKabel 19 zu einer üblichen Anzeigevorrichtung 44 (Fig. 1) und einer bekannten Aufzeichnungsvorrichtung 45, die Hinweise auf den Druck des hydraulischen Systems ergeben, j
Von den oben angegebenen Teilen der Vorrichtung sind die Druckvorrichtung 30, das Regulier- !
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Ventilbunden, das bei 52 nach aussen ausmündet, so dass bei Betätigung desselben Bohrflüssigkeit in den obe- ren Endteil des Zylinders 46 eintreten kann.
Das Ventil 51 ist elektromagnetisch steuerbar und wird übereinenLeiter 51a erregt, der durch das Kabel 19 zurSteuerausrüstung 53 geführt ist (Fig. 1).
Wenn somit Bohrflüssigkeit 15 unter hydrostatischem Druck in den Zylinder 46 eintritt, bewegt sich der Kolben 48 nach unten, so dass der mit ihm verbundene Kolben 49 im Zylinder 47 sich eben- falls nach unten bewegt, wodurch die Flüssigkeit in dem hydraulischen System zusammengedrUckt wird.
Auf Grund des kleineren Durchmessers des Kolbens 49 wirkt die Druckvorrichtung 30 als eine den
Druck vervielfachende Vorrichtung, wodurch der Druck im Zylinder 47 erhöht wird. Das Ventil 31 in der Leitung 32 bewirkt, dass der Druck in der Leitung 32 auf einen vorherbestimmten Sicherheitswert begrenzt wird, unabhängig von dem hydrostatischen Druck im Bohrloch.
Im Gehäuseabschnitt 18 sind Ansätze 21, 22 angeordnet, die ringförmige Dichtungen 55, 56 aufweisen, die dünnwandige Teile 57, 58 einschliessen. Diese liegen vor geformten Ladungen 59, 60, die in den Kammern 59', 60'angeordnet sind. Die Ladungen 59, 60 sind mit Zündvorrichtungen verbunden, wie einer Zündschnur 61 und einer Sprengkapsel 62, wobei die Sprengkapsel von der Steuervorrichtung 53 (Fig. 1) über einen im Kabel 19 angeordneten Leiter 62a elektrisch gezündet wird. Es ist ersichtlich, dass bei Anliegen der Dichtungskissen 55, 56 an der Wand der Bohrung durch Zündung der geformten Ladungen 59, 60 in den benachbarten Erdformationen Durchlöcherungen gebildet werden, wodurch Flüssigkeit durch die nun auch durchlöcherten Wandteile 57,58 in die Kammern 59', 60' fliessen kann.
Die Kammern R9', c0' sind miteinander mittels einer Leitung 65 verbunden. Die untere Kammer 60'ist mittels einer Leitung 66 mit einem normalerweise geschlossenen Ventil 67 verbunden. Das Ventil 67 ist mit einem elektrischen Leiter 67a versehen, der durch das Kabel 19 zu der an der Oberfläche befindlichen Steuervorrichtung 53 führt. Mit der Leitung 66 ist ebenfalls ein Druckwandler 68 verbunden, der in seiner Bauart dem Druckwandler 42 entspricht und dazu dient, Hinweise über den Druck in der Leitung 66 zu geben, wodurch sich wieder eine Druckinformation be- züglich der Flüssigkeiten in den Erdformationen ergibt. Der Druckwandler c8 ist wie bei 42 durch einen Leiter 68a mit Anzeigevorrichtungen 69 (Fig. 1) an der Erdoberfläche und ebenfalls mit einer Aufzeichnungsvorrichtung 45 verbunden.
Es ergibt sich somit, dass bei Öffnen der Entnahmevorrich- tungen 1, 22 zwecks Zuführung einer Flüssigkeitsprobe der anfängliche Druck der Flüssigkeiten in den Formationen durch den Druckwandler 68 festgestellt und durch die an der Oberfläche angeordnete Anzeigevorrichtung aufgezeichnet wird.
Wenn das Ventil 67 geöffnet ist, verbindet es die Leitung 66 mit einer Leitung 70, die. sich in ein Sicherheitsventil 71 öffnet, das seinerseits durch eine Leitung 72 mit dem Ventil 38 verbunden ist. Das Ventil 38 öffnet sich in eine die Probe aufnehmende Kammer 73. Wenn somit das Ventil 67 geöffnet ist, können Flüssigkeiten aus der Formation über die Leitung 70, das Ventil 71, die Leitung 72 und das Abdichtventil 38 zu der die Probe aufnehmenden Kammer 73 fliessen.
Naturgemäss kann der Druck der fliessenden Probeuflüssigkeiten kontinuierlich durch den Druckwandler 68 festgestellt und aufgezeichnet werden.
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sigkeit 15 auf Grund eines Leckens der Dichtungen 55 oder 56 verunreinigt wird, oder wenn das Abdichtungsventil nicht richtig arbeitet. Das Ventil 71 verhindert ebenfalls ein Austreten oder eine Verunreinigung der Probe bei Herausführen der Vorrichtung aus dem Bohrloch. Der Kolben 76 ist durch einen starren Bauteil 77 mit einem weiteren Kolben 78 mit entsprechendem Durchmesser verbunden, der im Zylinder 79 aufgenommen ist.
Der Zylinder 79 ist an einem Ende mit einem sich verjUngenden Sitz 80 versehen und öffnet nach aussen am Gehäuseabschnitt 18, so dass der hydrostati- scheDruck der BohrflUssigkeit auf die eine Seite des Kolbens 78, der Druck der FormationsflUssigkeiten auf die andere Seite einwirkt. Da der Druck der BohrflUssigkeit immer grösser als der Druck der Forma- tionsflUssigkeit gehalten wird (um so eine richtige Steuerung der Erdölquelle sicherzustellen), wird der Kolben 78 nach links gedrUckt und ermöglicht den Durchtritt der FormationsflUssigkeiten durch das Ventil.
Eine Feder 81 ist zwischen dem Kolben 7 Ci und der Wand des Gehäuseabschnittes vorgesehen und wird normalerweise zusammengedrückt, wenn der Druck der BohrlochflUssigkeit über dem Druck der FormationsflUssigkeit liegt. Wenn somit die Dichtung 55, 56 oder irgendein anderer Teil der Vorrichtung lecken sollte, d. h. Bohrflussigkeit 15 durchtritt, wird der Druck Über dem Kolben 78 ausgeglichen, so dass die Kraft der Feder 81 den Kolben 76 in den Zylinder 75 hineinbewegt, wodurch die Leitung 72 von der Leitung 70 getrennt wird. Es ergibt
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sich somit, dass bei einem Versagen der Dichtungen oder irgendwelcher anderer Teile der Vorrichtung das
Ventil 71 sich schliesst und die bereits gewonnene Flüssigkeitsprobe praktisch frei bleibt von Verunrei- nigung durch die Bohrflüssigkeit.
Das Ventil 38 weist obere und untere Zylinder 85, 86 auf, die einen oberen Kolben 87 und einenunteren Ventilkopf 88 aufnehmen, wobei der Kolben 87 und der Kopf 88 miteinander durch einen Bauteil 89 verbunden sind. In Ruhestellung liegt der Kolben 87 am oberen Ende des Zylin- der 85 an. so dass der Ventilkopf 88 den Zylinder 86 nicht blockiert und somit eine Flüssigkeit zwi- schen der Leitung 72 und der Probekammer 73 fliessen kann. Um das Ventil 38 zum Abschliessen der die Probe aufnehmenden Vorrichtung 73 zu betätigen, wird das obere Ende des Zylinders 85 durch die Leitung 37 mit dem normalerweise geschlossenen Ventil 36 der Hochdruckleitung 32 verbunden.
Das Ventil 36 weist einen elektrischen Leiter 36a auf. der durch das Kabel 19 zu der an der Oberfläche angeordneten Steuervorrichtung 53 ftihrt. Wenn somit das Ventil 36 geöffnet ist, wird der Kolben 87 nach unten bewegt, so dass der Kolben 88 in den Zylinder 86 eintritt, um so unter Druck die Öffnung der die Probe aufnehmenden Kammer 73 abzudichten, wodurch ein weiterer Flüssigkeitsfluss in den Behälter oder aus ihm verhindert wird.
Der Probebehälter 73 weist eine obere und untere Kammer 91, 92 auf, die durch eine Wand 93 mit einer den Flüssigkeitsdurchtritt hemmenden Öffnung 94 getrennt werden. In der oberen Kammer 91 befindet sich eine Flüssigkeit 95, wie Wasser, welche von dem Zylinder 86 durch einen schwimmenden Kolben 96 getrennt ist, der sich anfänglich im oberen Ende der Kammer 91 befindet. Die untere Kammer 92 enthält Luft, wobei der Kolben 96 durch die Reibungskräfte der Kolbenabdichtung in seiner Lage gehalten wird, z. B. durch O-Ringe. Somit führen die in den Zylinder 86 eintretendenFormationsflUssigkeiten zu einer nach unten gerichteten Bewegung desKolbens 96, u. zw. mit einer Geschwindigkeit, die durch den Fluss der Flüssigkeit durch die Öffnung 94 bestimmt wird.
Nach Aufnahme einer Probe ist es zur Rückführung der Vorrichtung 10 an die Erdoberfläche not- wendig, den Abstützteil 23 und die Dichtungen 55,56 von dem Bohrloch zu lösen. Das Ventil 40 ist mit einem Leiter 40a versehen, der durch das Kabel 19 zu der an der Oberfläche angeordneten Steuervorrichtung 53 führt. Wenn das Ventil 40 durch die Steuervorrichtung 53 betätigt wird, kann die Flüssigkeit im hydraulischen System in die Ablasskammer 41 fliessen. Die Kammer 41 ist mit einem ausreichenden Volumen zur Aufnahme der Flüssigkeit des Drucksystemes konstruiert, wodurch der Druck auf die Flüssigkeit indem System auf einen kleinen Wert verringert wird.
Die Ablasskammer 41 weist eine erste Kammer 100 und eine zweite Kammer'101 auf, die miteinander durch eine den Fluss verringernde Öffnung 102 verbunden sind. Die Kammer 100 ist durch eine Leitung 103 mit dem hinteren Ende eines Zylinders 104 eines Druckausgleichventiles 105 verbunden. Ein Kolben 106 ist im Zylinder 104 aufgenommen und wird von einer Endwand des Zylinders durch eine Verlängerung 106'im Abstand gehalten. Ein weiterer Kolben 108 kleineren Durchmessers istineiner Bohrung 109 aufgenommen und besitzt eine Verlängerung 107, die an dem Kolben 106 anliegt.
Die Bohrung 109 verbindet den Zylinder 104 mit dem Äusseren des Gehäuseabschnittes, so dass die Bohrlochflüssigkeit 15 auf den Kolben 108 einwirken kann, um denselben nach innen in Richtung auf den Zylinder 104 zu drängen, wobei der Kolben 108 die Bohrlochflüssigkeit daran hindert, in die Bohrung 109 einzutreten.
ZwischenderBohrung 109 und der oberen Kammer 59'der Entnahmevorrichtung 21 erstreckt sich ein Kanal 110. Wenn das Ventil 40 geöffnet wird, drosselt die Öffnung 102 augenblicklich
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bewegt ihn nach links und damit den Kolben 108 ;messer als der Kolben 108 auf, so dass Bohrlochflüssigkeit in den Kanal 110 einfliessenkann. Ftir diese Stellung sind Vorrichtungen vorgesehen, um die Lage des Kolbens beizubehalten. Diese Vorrichtungen werden nachfolgend im einzelnen beschrieben. Somit kann in der offenen Lage des Kolbens 108 Bohrlochflflssigkeit 15 in den Zylinder 109 eintreten und durch den Kanal 110 in die Kammern 59', 60' der Entnahmevorrichtungen 21, 22 eintreten.
Hiebei wird der Druck über den Dichtungen 55, 56 ausgeglichen, so dass ihre Entfernung von der Bohrlochwand erleichtert ist.
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der hydraulische Druck in der Leitungals der Druck des hydraulischen Systemes auf den Kolben 34. Dies führt dazu, dass der Teil 23 in seine innere Endlage gedrängt wird. Um dies zu erleichtern, falls derselbe an der Wand des Bohrloches verklebt ist, sind starke Federn 112, 113 zwischen dem Teil 23 und dem Gehäuseabschnitt angeordnet.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die an der Oberfläche angeordnete Steuervorrichtung 53 einen beweglichen Kontaktarm 115 für einen Mehrfachkontakt-Schalter 116 auf, wobei dessen Kontakte mit den Leitern 51a, 62a, 67a, 36a und 40a verbunden sind, die den Leitern in der Vorrichtung 10 in der weiter oben beschriebenen Weise entsprechen. Der Kontaktarm 115 ist mit einer Stromquelle
117 verbunden.
Beim Betrieb wird die Vorrichtung 10 in das Bohrloch 11 vermittels des Kabels 19 auf die zu prüfende Tiefe mit derWinde 20 abgesenkt, s. Fig. l. Der bewegliehe Armkontakt 115 erregt zu- nächst über den Leiter 51a das Ventil 51. Das Ventil 51 öffnet, so dass die Bohrlochflüssigkeit 15 die hydraulische Druckvorrichtung 30 betätigen kann und ein verstärkter hydraulischer Druck für das hydraulische System gebildet wird. Der Druck im hydraulischen System wird durch das Regelventil 31 reguliert, welches über die Leitung 32 den Zylinder 33 beaufschlagt, der den Kolben 34 enthält, der den Abstützteil 23 relativ zu dem Gehäuseabschnitt 18 so lange bewegt, bis die Dichtungen
55, 56 der Entnahmevorrichtungen 21,22 an derWand des Bohrloches anliegen, entsprechend Fig. 2.
Es ergibt sich, dass die Ventile 40 und 36, die der Leitung 32 zugeordnet sind, normalerweise ge- schlossen sind.
Sobald sich die Dichtungen 55,56 derEntnahmevorrichtungen 21,22 an der Bohrlochwand 11 anlegen, steigt Druck in dem hydraulischen System auf einen grösstmöglichenwert an, wodurch die Dich- tungen 55, 56 weiter zusammengedrückt werden. Der Druck des hydraulischen Systems wird durch den
Druckwandler 42 festgestellt und bei 120 aufgezeichnet.
Sodann werden die geformten Ladungen 59,60 in dem Gehäuseabschnitt 18 durch Verbinden der elektrischen Energiequelle 117 mit dem Leiter 62a gezündet und die Erdformationen durchlö- chert 24,25, wie Fig. 2 zeigt. Die dünnen Wandteile 57, 58 werden durch die Explosion geöffnet, so dass Formationsflüssigkeiten in dieKammern 59', 60'des Gehäuseabschnittes 18 und in die Pro- beentnahme-Leitungen 65, 66 zu dem normalerweise geschlossenen Ventil 67 fliessen können. Zu diesem Zeitpunkt wird der Druck der Formationsflüssigkeiten in dem Gehäuseabschnitt 18 erhöht und durch die auf Druck ansprechende Vorrichtung 68 festgestellt, wodurch sich ein Hinweis auf die an- fänglicheDruckcharakteristik der Formationsflüssigkeiten innerhalb einer gewissen Zeitspanne ergibt.
Der bezüglich desDruckanstieges erhaltene Hinweis wurde durch das Bezugszeichen 121 in der Fig. 4 dargestellt, während die Druckcharakteristik durch das Bezugszeichen 122 angezeigt ist.
Nach Verstreichen einer geeigneten Zeitspanne zwecks Erzielung des Hinweises auf den Formationsdruck wird der Leiter 67a mit der Stromquelle 117 verbunden, und das Ventil 67 geöffnet. Hiedurch kann die Flüssigkeit in die Probekammer 73 über den Leiter 70, das Sicherheitsventil 71, den Leiter 72 und das Ventil 38 fliessen. Der Druck der fliessenden Flüssigkeiten wird aufgezeichnet, wie in der Fig. 4 durch das Bezugszeichen 123 wiedergegeben. Sobald die Probenkammer 91 die Formationsflüssigkeiten erhält, wird der schwimmende Kolben 96 nach unten bewegt, wodurch die Flüssigkeit 95 unter demselben, durch dieöffnung 94, in die untere Kammer 92 verdrängt wird.
Wenn zu irgendeinem Zeitpunkt die Wirkung der Dichtung 55 oder 56 versagt oder die Bohrlochflüssigkeit 15 in irgendeiner andern Weise in die Leitung 66 eintritt, wird der Druck über dem Kolben 78 in dem Sicherheitsventil 71 ausgeglichen, so dass die Feder 81 den Kolben 76 in den Zylinder 75 drückt, wodurch der Weg des Probenflusses abgeschnitten und eine Verunreinigung der be- reits gewonnenen Flüssigkeitsprobe verhindert wird.
Nach Verstreichen einergeeigneten ZeitspannezurGewinnung einer Flüssigkeitsprobe wird die Stromquelle 117 mit dem Leiter 36a verbunden, und das Unterbrechventil 36 öffnet. Das Ventil 36 ermöglicht eine Verbindung zwischen dem Druck des hydraulischen Systems und dem Ventil 38, so dass der Kolben 8'7'der AbdichtVentil-Vorrichtung betätigt wird, wodurch der Kolben 88 in die Bohrung 86 bewegt wird. Hiedurcb wird die die Probe aufnehmende Kammer 73 verschlossen. Wenn die Probenkammer 73 sich füllt, erfolgt eine abschliessende Druckanzeige, ehe das Ventil geschlossen wird.
Für den Fall, dass sich die Kammer 91 jedoch nicht innerhalb einer gewissen Zeitspanne füllt, gestattet das Schliessen des Ventils 38 eine abschliessende Ablesung des Formationsdruckes durch den Wandler 68, wie in der Fig. 4 durch das Bezugszeichen 124 angezeigt ist.
Sodann wird die Stromquelle 117 mit dem Leiter 40a verbunden und das Ventil 40 betätigt, um den hydraulischen Druck des Systems zu verringern. Die Öffnung 102 verlangsamt den Druckabfall, so dass eine hydraulische Druckwelle über die Leitung 103 das Druckausgleichsventil 105 beaufschlagt, um so die Kolben 106 und 108 nach links zu bewegen, wodurch die Bohrung 109 freigegeben wird und die Bohrlochflüssigkeit 15 in die Leitung 110 zu den Entnahmevorrichtungen 21 und 22 eintreten kann. Somit gestattet das den Druck ausgleichende Ventil über den Dichtungen 55,56
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einen Ausgleich der Drucke. Der Druck der Bohrlochflüssigkeit 15 wird auch durch den Druckwandler 68 festgestellt und ergibt einen Wert, der durch die Kurve 125 in der Fig. 4 aufgezeigt ist.
Sobald der Druck des hydraulischen Systems abnimmt, drängt der Druck der Bohrlochflüssigkeit 15 denAbstUtzteil 23 in seine innere Endlage. Diese Bewegung wird durch die Federn 112 und 113 unterstützt. Wenn der Abstützteil 23 vollständig zurückgezogen ist, wird die Vorrichtung 10 aus dem Bohrloch an die Oberfläche zurückgebracht und die gesammelte Probe analysiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeitsproben aus Erdformationen, bestehend aus einem in ein Bohrloch absenkbaren, an einem Kabel hängenden, langgestreckten Gehäuse, das mit einer an die Wand des Bohrloches anpressbaren Dichtung versehen ist, die eine mittels einer Schiessvorrichtung perforierbare Öffnung einer in eine Probekammer führenden Probenentnahmeleitung umgibt, einer auf diesem Gehäuse angeordneten, hydraulisch betätigbaren Andrückvorrichtung zum Andrücken der Dichtung an die Bohrlochwand, und einem an diese Leitung angeschlossenen. Druckänderungen elektrisch fernanzeigenden Druckmesser, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der hoffnung(58) der Probenentnahmeleitung (66) in dieser ein von Obertage aus betätigbares Ventil (67) angeordnet ist.