<Desc/Clms Page number 1>
Gerät zur Messung der Druckdifferenz zweier übereinanderliegender
Zonen eines Bohrloches
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
partie der Stange an das bewegliche Organ eines elektrischen Umwandlers angeschlossen ist. Letzter wieder ist mit Steuerungskreisen verbunden, wozu Leiter durch die Seitenwände des Gerätes in der Gegend zwischen den beiden Bälgen hindurchgeführt sind.
EMI2.1
gesetzt. Ausserdem ist es gegen Temperaturänderungen wenig empfindlich, da die Ausdehnung der Verbindungsstange nicht die Lage des beweglichen Organs des Umwandlers beeinflusst.
Da indes die in Frage kommenden Trägheitsmassen, insbesondere diejenige der Verbindungsstange, relativ gross sind und die Steifheit der den Bälgen zugeordneten Federn gering ist, kann die durch ein solches System verursachte Beschleunigung zu Störsignalen nicht vernachlässigbarer Amplitude führen, wenngleich eine geeignete Dämpfung sie etwas herabmindern kann.
Schliesslich sind die durch die beiden Arten von Differentialmanometern erzielten Ergebnisse insofern ungünstig zu beurteilen, als jedes dieser Geräte in einen Beschleunigungszustand überführt wird, sobald es einen Stoss erfährt.
Ziel der Erfindung ist, ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei seiner Anwendung in Bohrlöchern sowohl gegen Temperaturschwankungen als auch Beschleunigungskräfte unempfindlich ist und auch unter der Voraussetzung, dass die zu messenden statischen Drücke Werte bis zu mehreren hundert Kilogramm/cm2 annehmen können, einwandfrei arbeitet.
Gemäss der Erfindung ist ein Gerät zur Messung der Druckdifferenz zweier übereinanderliegender Zonen eines Bohrloches mit zwei elastisch verformbaren Druckfühlern, deren jeder dem Flüssigkeitsdruck innerhalb der betreffenden Zonen ausgesetzt ist, und Messeinrichtungen zur Bestimmung der Verformungdifferenz der in einer Ausgleichskammer untergebrachten Drückfühler enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfühler Metallbälge sind, deren bewegliche Böden demselben Ende des Gerätes zugekehrt sind, und die mit einer Flüssigkeit bekannter Dichte und gleichem thermischem Ausdehnungsgradienten, vorzugsweise mit der gleichen Flüssigkeit, gefülllt sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzt die Differenz-Messeinrichtung einen metallischen Balg, dem vorzugsweise zwei einander entgegenwirkende Federn zugeordnet sind, wobei der bewegliche Boden des Balges mit einem Umwandler verbunden ist, der aus dessen Verschiebung eine elektrische Spannung liefert.
Im besonderen werden im Metallbalg in der Vergleichskammer zwei getrennte Volumina gebildet, die durch je einen Kanal mit einem der Metallbälge in Verbindung stehen. Die Kanäle können erfindunggemäss einen hydraulischen Hemmfilter bilden.
Die charakteristischen Eigenschaften der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung eines an Hand der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles, die einen Längsschnitt durch ein Druckdifferenz-Messgerät gemäss der Erfindung zeigt.
Nach dieser Zeichnung ist eine Sonde 4 in ein mit einer Flüssigkeit 6 gefülltes Bohrloch 8 gesenkt. Diese Sonde 4 besteht aus einem langgezogenen zylindrischen starren Dorn 10, in dem sich drei zylindrische und mit dem Dorn 10 koaxiale Aushöhlungen 12,14 und 16 befinden. Die beiden Aushöhlungen 12 und 14 sind in dem unteren und mittleren Teil des Dornes 10 vorgesehen und stehen durch Seitenöffnungen 18 und 20 verhältnismässig geringen Ausmasses mit der Flüssigkeit 6 in Verbindung. An dem oberen Boden 21 der Aushöhlung 12 ist ein metallischer Balg 22 etwa zylindrischer Form befestigt, der koaxial zum Dorn 10 angeordnet ist. Ein ähnlicher Balg 24 ist in gleicher Weise an dem oberen Boden 23 der Aushöhlung 14 befestigt. Anderseits hat die im oberen Teil des Domes gelegene Aushöhlung 16 dichte Wände 26.
Diese Aushöhlung 16 enthält von unten nach oben einen Messbalg 28 mit einer inneren Feder 30 und einer äusseren Feder 32, die gegeneinander wirken, und eine Verbindungsstange 34 zu einem linearen Differential-Transformator 36, dessen Stator an einem Kragen 38 befestigt ist, der an den Wänden 26 der Aushöhlung 16 festsitzt. Elektrische Verbindungen 40, die den Differential-Transformator 36 mit den elektronischen Verstärker- oder Schlüsselungskreisen 42 verbinden, sind durch dichte Führungen 44 hindurchgeführt, die in dem oberen Boden 46 der Aushöhlungen 16 befestigt sind. Fernerhin verbindet ein Kanal 48 von relativ beträchtlicher Länge und geringem Durchmesser die untere Druckaufnahmekammer 50 im Innern des Balges 22 mit dem Teil 52 des Volumens der Aushöhlung 16, der aussen um den Messbalg 28 gelegen ist.
Ein Kanal 54, ebenfalls geringen Durchmessers, verbindet die obere Druckaufnahmekammer 56, die sich im Innern des Balges 24 befindet, mit dem Innenvolumen des Messbalges 28. Dieser Kanal 54 ist mehrmals nach oben gewunden, um eine Serpentine 60 zu bilden. Die beiden dichten Einschlüsse, die entsprechend durch die Kammer 50, den Kanal 48 und das Volumen 52 sowie durch die Kammer 56, den Kanal 54 und das Volumen 58 gebildet
<Desc/Clms Page number 3>
werden, haben etwa das gleiche Gesamtvolumen. Diese beiden Einschlüsse sind sorgfältig mittels einer Vakuumpumpe mit Kerosin gefüllt, derart, dass keine Luftblase eingeschlossen bleibt.
Unter der Wirkung einer starken Temperaturerhöhung auf die Sonde 4 dehnt sich das Kerosin beträchtlich aus, und die Bälge 22 und 24 nehmen diese Ausdehnung auf. Anderseits erfahren die Bälge 22 und 24 unter der Wirkung des Druckes der das Bohrloch anfüllenden Flüssigkeiten, mit denen sie durch die Seitenöffnungen 18 und 20 in Kontakt stehen, Längsdehnungen, die den absolut auftretenden Drücken proportional und dem Kompressibilitäts-Koeffizienten des Kerosins umgekehrt proportional sind.
Auf diese Weise ist der tatsächlich auf der Wand der Bälge lastende Druck in jedem Moment sehr gering.
Im Falle von Kerosin, dessen Verwendung durch seine Eigenschaften besonders empfehlenswert ist, ist die Ausdehnung auf Grund der Temperatur wesentlich grösser als seine Kompression infolge des Druckes.
Über die Kanäle 48 und 54 werden die Druckerhöhungen auf die Druckaufnahmekammern 50 und 56 mit einer bestimmten Zeitkonstante in die zugeordneten Kammern in der Aushöhlung 16 übertragen. Da die Volumina der beiden zuvor definierten dichten und durch die Wand des Balges 28 voneinander getrennten Einschlüsse im wesentlichen gleich sind, wirken sich die Dilatationen, die durch die Temperaturerhöhung bedingt sind, durch im wesentlichen gleiche Verschiebungen der beweglichen Böden der Bälge 22 und 24 aus. Eine konstante Höhe trennt somit diese beiden hierauf ansprechenden Flächen.
Die Seitenöffnungen 18 und 20 weisen eine verhältnismässig geringe Gesamtfläche auf und bilden dadurch Hemmfilter zwischen der Aussenflüssigkeit. und den Druckaufnahmebälgen 22 und 24.
Allein die statischen Drücke kommen auf die Bälge zur Auswirkung. Wenn man das Gerät in ein Erdölbohrloch absenkt, ist die Verschiebung des beweglichen Bodens des Messbalges 28 einzig eine Funktion der relativen Gewichte der inneren und äusseren Flüssigkeitssäulen im Gerät, die die beiden von den Böden derDruckaufnahmebälge 22 und 24 eingenommenen Niveau-Höhen in konstantem Abstand halten. Der Apparat zeigt also die relative mittlere Dichte der Flüssigkeit an, in die er eingetaucht ist, da der Messbalg einem Differentialdruck zwischen dem Gewicht der inneren Flüssigkeitssäule und demjenigen der äusseren Flüssigkeitssäule ausgesetzt ist, die ein inhomogenes Gemisch sein kann.
Wenn die äussere Flüssigkeit im Gerät dichter ist als die innere Flüssigkeit, überträgt sich die Differenz der entsprechend auf den Böden der Bälge 22 und 24 lastenden und durch die Kanäle 48 und 54 fortgepflanzten Drücke durch eine Ausdehnungskraft auf den Böden 29 des Messbalges 28. Diese Ausdehnungskraft verschiebt den Boden 29 um ein Stück, das umgekehrt proportional der Gesamtsteifigkeit der Innenfeder 30 sowie der Aussenfeder 32 und der elastischen Bälge 22, 24 und 28 ist. Bei der Verwendung eines Paares entgegengesetzt wirkender Federn von beachtlicher Steifigkeit gegenüber derjenigen der Bälge kommt man von den Nichtlinearitäten der Elastizitäts-Verschiebungskurve der erwähnten Bälge frei, jedoch ebenso von der Unbestimmtheit um den Null-Zusammenziehungspunkt der Federn.
Die Verschiebung des Bodens 29, proportional zu dem an die Bälge 22 und 24 angelegten Differentialdruck und zur Dichte des die verschiedenen Kammern anfüllenden Kerosins, wird durch die Verbindungsstange 34 auf den beweglichen Teil des variablen, linearen Differential-Transformators 36 übertragen, der eine Spannung entsprechender Phase und Amplitude, proportional zu der erwähnten Verschiebung, liefert.
Diese Spannung wird durch die Leiter 40 über die dichte Führung 44 zu den elektronischen Verstärkungsstufen 42 oder Umwandlungsstufen durch Schlüsselung übertragen, bevor sie zu den an der Erdoberfläche befindlichen, nicht dargestellten Empfängern gelangt. Die Dichte des Kerosins ändert sich in bekannter Weise in Funktion der Temperatur. Ausgehend von den gemessenen Temperaturen kann man somit an der Erdoberfläche die empfangenen Informationen durch das Differentialmanometer gemäss der Erfindung korrigieren.
Wenn ein solches Gerät sich in einem Bohrloch verschiebt, erfährt es relativ heftige Stösse, da die durch diese Stösse auf die Flüssigkeitssäule, welche in dem Gerät enthalten ist und die die beiden Messniveaus trennt, ausgeübten Beschleunigungen klar von den Beschleunigungen verschieden sind, welche auf die Aussenflüssigkeit im Gerät wirksam werden, werden die vom variablen Transformator 36 gelieferten Anzeigen durch solche Stösse geändert. Indes vollzieht sich die Übertragung der vorübergehen- den Drücke durch die Kanäle 48 und 54 mit einer ziemlichen Abschwächung. Der geringe Durchmesser und die grosse Länge dieser Kanäle sind nämlich dazu bestimmt, dass sie für das verwendete Kerosin einen Hemmfilter grosser Zeitkonstante bilden.
Hieraus folgt, dass die Stösse die Verschiebungen des Bodens 29 des Messbalges 28 wenig beeinträchtigen und demzufolge den Umwandler 36, der mit ihm fest verbunden ist. Ein Differentialmanometer gemäss der Erfindung ist somit ein Gerät, das besonders zur Verwendung in Erdölbohrlöchern geeignet ist. Einerseits verträgt es ohne Schaden die Berührung mit verhältnismässig korrosiven und unter beträchtlichen Drücken zur Einwirkung kommenden Flüssigkeiten, und anderseits liefert es Informationen frei von ins Gewicht fallenden Fehlern, obwohl die auftre-
<Desc/Clms Page number 4>
tenden Temperaturen sehr hoch sind und starke Stösse im Verlauf der Verfahrensdurchführung auftreten.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, die nur als Ausführungbeispiel anderer möglicher Varianten gelten sollen.
So z. B. kann die Vergleichskammer 16 zwischen den beiden Druckaufnahmebälgen und nicht oberhalb dieser angeordnet sein. Dies würde ermöglichen, die Grösse des Apparates zu reduzieren. Die dichten elektrischen Verbindungen würden durch ein Metallrohr geführt, das beispielsweise einem ähnlichen Weg zu folgen hätte, wie er in der Zeichnung durch den Kanal 48 angedeutet ist.
Man kann auch ein Differentialmanometer gemäss der Erfindung verwenden, bei dem die beweglichen Böden der Druckaufnahmebälge nach oben und nicht nach unten gekehrt sind, wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel. Man kann auch die Verbindungskanäle dieser beiden Druckaufnahmekammern wahlweise mit dem Innen- und Aussenvolumen des Messbalges verbinden, welche die Vergleichskammern bilden.
Ausserdem kann der lineare Differential-Transformator durch jeden andern geeigneten Umwandler ersetzt werden, der eine lineare Verschiebung in ein lineares Signal umwandelt : Potentiometer, Konden- sator oder Schlüssler.
Ausserdem kann man den Messbalg 28 durch jede mechanische Einrichtung oder jedwede andere ersetzen, die auf Druck anspricht, beispielsweise eine Bourdon-Röhre.
Was die Serpentine 60 angeht, so kann sie fortgelassen werden, wenn der Durchmesser des Kanals 54 genügend eng gewählt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gerät zur Messung der Druckdifferenz zweier übereinanderliegender Zonen eines Bohrloches mit zwei elastisch verformbaren Druckfühlem, deren jeder dem Flüssigkeitsdruck innerhalb der betreffenden Zonen ausgesetzt ist, und Messeinrichtungen zur Bestimmung der Verformungsdifferenz der in einer
EMI4.1
ler Metallbälge (50,56) sind, deren bewegliche Böden demselben Ende des Gerätes zugekehrt sind und die mit einer Flüssigkeit bekannter Dichte und gleichem thermischem Ausdehmngsgradienten, vorzugweise mit der gleichen Flüssigkeit, gefüllt sind.