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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der volumetrischen Phasenanteile eines in einem Förderbohrloch strömenden Fluids mit einem in dem Bohrloch aufgehangenen langgestreckten Sondenkörper mit einem Abschnitt verringerten Durchmessers, der der Strömung einen relativ geringen Widerstand bietet, und mit einem Muffenteil, der auf dem Sondenkörper gleitbeweglich zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung angeordnet ist, in deren ersterer er mit dem Sondenkörper eine umschlossene Probekammer rings um den Abschnitt verringerten Durchmessers definiert, wogegen in der zweiten Stellung die Probekammer für Bohrlochströmungsfluid zugänglich ist.
Das in einem Förderbohrloch strömende Fluid stammt im allgemeinen aus verschiedenen Förderzonen an unterschiedlichen Tiefen, wobei jede dieser Zonen in der Lage ist, Wasser, Erdöl, gasförmige Kohlenwasserstoffe oder Gemische dieser Phasen abzugeben. Es ist sehr wichtig, die Natur und Quantität der verschiedenen Fluide, welche aus jeder Zone gefördert werden, zu ermitteln, um festzulegen, welche Arbeitsgänge erforderlich sein könnten, um die Förderung des Bohrloches zu verbessern. Die Hauptaufgabe vieler in dem Bohrloch durchgeführten Messungen besteht demgemäss darin, die Natur und die Quantität der verschiedenen Fluide zu bestimmen, aus denen das mehrphasige Bohrlochfluid in den verschiedenen Tiefen zusammengesetzt ist.
Eine bekannte, nicht der eingangs genannten Art angehörende Messvorrichtung zur Bestimmung der volumetrischen Phasenanteile eines mehrphasigen, in einem Förderbohrloch strömenden Fluids umfasst einen ausdehnbaren Packer und eine Probekammer, die so angeordnet sind, dass bei Positionierung der Vorrichtung in einer gewünschten Tiefe des Bohrloches das aufwärts strömende Fluid durch den Packer in die Probekammer für den Messvorgang geleitet wird.
Die Verwendung eines Packers erhöht jedoch die Kompliziertheit und Anfälligkeit der Vorrichtung, und die Probekammer, in die das gesamte Bohrlochfluid geleitet wird, kann die Verteilung der Geschwindigkeiten der verschiedenen Phasen modifizieren und Kopfverluste einführen, welche die Strömung des Bohrloches modifizieren, so dass das Fluid in der Probekammer nicht eine tatsächlich repräsentative Probe des im Bohrloch normalerweise strömenden Fluids darstellt. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten können darüber hinaus die Kopfverluste so gross werden, dass sich eine aufwärts gerichtete Kraft auf die Vorrichtung ergibt, welche verhindert, dass diese an der gewünschten Tiefe stillgehalten wird.
Es ist auch bereits eine Vorrichtung zur Entnahme flüssiger Proben aus den an das Bohrloch angrenzenden Erdformationen bekannt, die eine Probekammer zur Aufnahme der gezogenen Probe aufweist, mittels welcher diese von der im Bohrloch strömenden Flüssigkeit separiert an die Oberfläche gebracht werden kann. Diese bekannte Vorrichtung hat neben ihrem grundsätzlich verschiedenen Zweck auch den Nachteil, dass sie nach jeder Probeziehung an die Oberfläche geholt und für weitere Proben immer wieder erneut in der richtigen Tiefe positioniert und festgelegt werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile der angeführten bekannten Messvorrichtungen mindert, indem sich eine mehr repräsentative Probe des im Bohrloch strömenden Fluids erhalten lässt, während zugleich ein geringerer modifizierender Effekt auf die Strömungsbedingungen des Bohrloches ausgeübt wird.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, welche gekennzeichnet ist durch eine Betätigungseinrichtung für die wahlweise Bewegung des Muffenteiles zwischen der ersten und der zweiten Stellung zum sukzessiven Zugänglichmachen der Kammer für das Bohrlochfluid und zum Auffangen einer Probe des der Probekammer zugeflossenen Fluids für die Separation der dieses bildenden Phasen, durch einen Sensor für die Erzeugung von für die jeweiligen Parameter, z. B. die Dichte, der Phasen des Fluids repräsentativen Ausgangssignalen mit unterschiedlichen Werten für jede der Phasen, und durch eine Versetzeinrichtung für das Bewirken einer, vorzugsweise konstanten, Relativbewegung zwischen Sensor und sukzessiven Anteilen der Phasen des separierten Fluids.
Dadurch ist es möglich, die Phasenanteile des im Bohrloch strömenden Fluids direkt im Bohrloch zu bestimmen, wodurch sich ein Herausholen der Vorrichtung aus dem Bohrloch und nach Entnahme der Probe erneutes Positionieren erübrigt.
Vorteilhafterweise kann die Betätigungseinrichtung eine Verschliesseinrichtung für eine relativ schnelle Bewegung des Muffenteiles aus der zweiten in die erste Stellung aufweisen, wodurch ein schnelles Schliessen des die Probe aufnehmenden Raumes erzielt wird, so dass während der Probenahme keine nachträgliche Veränderung der Phasenanteile erfolgen kann. Dabei kann sich die erste Stellung in der Gebrauchslage unterhalb der zweiten Stellung befinden und die Verschliesseinrichtung einer Feder umfassen, welche zwischen dem Muffenteil und dem Sondenkörper komprimierbar angeordnet ist für die Abwärtsbewegung des Muffenteiles in Richtung auf die erste Stellung.
Weiters kann die Betätigungseinrichtung eine Öffnungseinrichtung umfassen, die von ausserhalb des Bohrloches betätigbar ist für die Bewegung des Muffenteiles aus der ersten in die zweite Stellung, wobei bei dieser Bewegung vorzugsweise die Feder der Verschliesseinrichtung durch die Öffnungseinrichtung spannbar ist, wodurch sich eine gesonderte Antriebseinrichtung zum Spannen der Feder für die Verschliesseinrichtung erübrigt.
Ausserdem kann die Betätigungseinrichtung ein Halteglied mit einem vorspringenden Abschnitt und einer Nockenfläche aufweisen, das in der Versetzeinrichtung drehbeweglich gelagert und für das Zusammenwirken mit Umfangseinschnitten an dem Abschnitt verringerten Querschnittes und mit einer Umfangsnut an der Innenseite des verschiebbaren Muffenteiles ausgebildet ist. Dabei kann der eine Umfangseinschnitt im Bereich der Stellung des Haltegliedes bei der sich in ihrer oberen Endlage befindlichen Öffnungseinrichtung und der zweite
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Umfangseinschnitt im Bereich der Stellung des Haltegliedes bei der sich in ihrer unteren Endlage befindlicher Öffnungseinrichtung angeordnet sein.
Die Öffnungseinrichtung kann noch eine im Sondenkörper drehbare Schnecke, einen Motor in Antriebsverbindung mit der Schnecke, ein mit dieser kämmendes Gewindeglied und eine Drehsicherung zur Verhinderung einer Drehung des Gewindegliedes relativ zum Sondenkörper umfassen.
Vorteilhafterweise kann die Betätigungseinrichtung vollständig innerhalb des Sondenkörpers und des Muffenteiles angeordnet sein, wodurch eine geringere Störanfälligkeit gegeben ist. Dabei kann die Betätigungseinrichtung von einer im Sondenkörper befindlichen Flüssigkeit zumindest teilweise umgeben sein, deren Druck mindestens etwa gleich dem Druck des Bohrlochfluids ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Versetzeinrichtung ein längs der Probekammer bewegliches Glied umfassen und der Sensor an dem beweglichen Glied mit diesem durch die mit dem Bohrlochfluid gefüllte Probekammer bewegbar befestigt sein. Dabei kann die Versetzeinrichtung durch einen Kolben gebildet sein, der längs der Probekammer beweglich ist, und der Sondenkörper mit einem Durchlass versehen sein, durch den die Phasen des Fluids in der Kammer sukzessive durch Bewegen des die Verstelleinrichtung bildenden Kolbens dem in dem Durchlass angeordneten Sensor zuführbar sind.
Der Muffenteil kann hiebei mit mindestens einer Öffnung versehen sein, die mindestens dann, wenn der Muffenteil in der ersten Stellung befindlich ist, mit dem Bereich variablen Volumens innerhalb des Muffenteiles hinter dem die Versetzeinrichtung bildenden Kolben kommuniziert und ein Filter aufweist, durch welches der Bereich für die gefilterte Bohrlochflüssigkeit zugänglich ist. Um die Vorrichtung kompakt zu gestalten, kann im Bereich des variablen Volumens innerhalb des Muffenteiles mindestens einen Teil der Betätigungseinrichtung, z. B. die Feder, angeordnet sein.
Weiters kann ein Kraftübertragungsglied vorgesehen sein, das sich durch den die Verstelleinrichtung bildenden Kolben in abdichtendem Kontakt mit diesem hindurcherstreckt und relativ zu diesem beweglich ist, und der Muffenteil nahe seinem unteren Ende mit einem nach innen einspringenden Vorsprung versehen sein, auf dem sich die Feder über das Kraftübertragungsglied abstützt, solange sich der Muffenteil in der zweiten Stellung befindet. Vorteilhafterweise kann der die Versetzeinrichtung bildende Kolben fest mit dem Gewindeglied verbunden und mit diesem beweglich sein.
Um ein Verklemmen zu verhindern, kann der die Versetzeinrichtung bildende Kolben mit einem Abstreifer für das Abstreifen körniger Teile, wie Sand, von der Innenfläche des Muffenteiles und der Aussenfläche des Abschnittes verringerten Querschnittes bei Durchtreiben der Phasen der Bohrlochflüssigkeit aus der Probekammer mittels des Kolbens versehen sein. Auch der Muffenteil kann mit einem Abstreifer für das Abstreifen körniger Teile, wie Sand, bei Bewegung des Muffenteiles aus der ersten in die zweite Stellung versehen sein. Der Abschnitt verringerten Querschnittes kann mehrmals, vorzugsweise etwa dreimal so lang sein als der Aussendurchmesser des Muffenteiles.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert, welche ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes darstellt. Fig. 1 ist eine Längsschnittdarstellung der erfindungsgemässen Messvorrichtung für die Bestimmung der volumetrischen Phasenanteile eines mehrphasigen Fluids, das in einer Produktionsbohrung strömt, u. zw. in einer der Betriebsstellungen der Vorrichtung. Fig. 2 gibt die gleiche Vorrichtung in einer andern Betriebsstellung wieder. Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltkreise für die Verwendung in Verbindung mit der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2. Fig. 4 zeigt eine typische Messaufzeichnung, die von der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 geliefert wird.
Fig. 1 und 2 zeigen die Messvorrichtung, die insgesamt mit--10--bezeichnet ist, aufgehangen an einem elektrischen Kabel--11--in einem ausgekleideten Bohrloch--12--. Die Vorrichtung--10--kann aufund abwärts in der Bohrung--12--bewegt werden mittels einer (nicht dargestellten) Winde an der
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--10-- istunmischbaren Fluidphasen (z. B. Wasser, Öl, Gas), von denen eine eine kontinuierlich strömende Phase ist, in der die andern Phasen mitgeführt werden in Form einzelner Blasen oder Tropfen, wie bei--16--angedeutet.
Die Vorrichtung --10-- umfasst einen langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Körper--17-- mit axial ausgefluchteten, im Abstand liegenden oberen und unteren Gehäusen--18, 19--, welche miteinander verbunden sind, durch einen langgestreckten mittleren Abschnitt --20-- verringerter Querschnittsfläche. Die Querschnittsfläche und die Gesamtlänge des Abschnittes--20--sind so gewählt, dass der normalen Aufwärtsströmung des Fluids --14-- in dem Bohrloch --12-- nur minimaler Widerstand geboten wird. Eine langgestreckte Muffe --21-- ist gleitbeweglich auf dem Körper-17-zwischen einer oberen Stellung, in
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-18-- umgibt,Gehäuses --19-- ragt, wie in Fig. 2 gezeigt.
In der unteren Stellung dichtet die Muffe--21--mit dem Gehäuse --19-- mittels eines O-Ringes --23-- ab, der in der Aussenfläche des oberen Endes--22--des Gehäuses --19-- angeordnet ist.
Das obere Gehäuse--18--enthält in axialem Abstand obere und untere Kammern--24, 25--, von denen die erstere einen elektrischen Zweiphasenmotor--26--konstanter Drehzahl und eine Steuerschaltung --27-- four diesen enthält. Die Schaltung --27-- soll nachstehend noch im einzelnen beschrieben werden.
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Der Motor --26-- hat eine Antriebswelle --28--, die in einer Trennwandung --29-- zwischen den Kammern-24, 25-gelagert ist und sich durch diese erstreckt sowie in Antriebsverbindung steht mit einer Führungsschraube --30--, die drehbar in der Kammer --25-- angeordnet ist.
Die Kammern--24 und 25-kommunizieren über das Spiel um die Welle --28-- in der Wandung --29-- und können mit sauberem öl gefüllt sein, dessen Druck etwa gleich dem Druck im Bohrloch gehalten wird.
Die Führungsschraube oder-schnecke--30--erstreckt sich koaxial zum oberen Gehäuse --18-- und ihr unteres Ende ist in der unteren Endwandung--32--der Kammer-25--gelagert. Eine Mutter --33-ist auf die Schnecke --30-- geschraubt und gegen Drehung gesichert relativ zum Gehäuse-18-durch
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Teilen der Mutter --33-- und lagern auf den Wandungen der Nuten--34--, um die Reibung zwischen der Mutter --33-- und den Nuten --34-- zu verringern. Vorzugsweise sind die Schnecke --30-- und die Mutter--33--vom"Kugel-und Nutentyp", d. h. weisen jeweils entsprechende schraubenlinienförmige Nuten von halbkugelförmigem Querschnitt auf, in denen Lagerkugeln angeordnet sind, da eine solche Anordnung einen relativ guten Wirkungsgrad besitzt.
Man erkennt, dass eine Drehung der Schnecke --30-- dazu führt, dass die Mutter --33-- nach oben oder unten längs der Schnecke verschoben wird, abhängig von der Drehrichtung des Motors-26--.
Zwei Mikroschalter--S1 und S2-- sind in den Wandungen--29 bzw. 32-- innerhalb der Kammer --25-- angeordnet, u. zw. so, dass sie durch die Mutter --33-- an ihrem oberen bzw. unteren Ende des Bewegungspfades betätigt werden. Die Schalter--Sl und S2--sind elektrisch mit der Steuerschaltung --27-- verbunden.
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--33-- ist--37--, der gleitbeweglich auf dem mittleren Abschnitt --20-- des Körpers --17-- sitzt. Die Stangen --36-- sind um 180 im Winkel versetzt. Der Kolben --37-- ist in Fig. 1 nahe seiner obersten Stellung dargestellt, in der er sich gerade innerhalb des unteren Endes --39-- der Muffe --21-- befindet.
Der Kolben --37-- ist in einem Ausschnitt mit einem schwenkbeweglichen Halteglied --40-- versehen, dessen Achse senkrecht auf der Achse des Kolbens --37-- steht, und in Richtung auf einen (nicht dargestellten) Anschlag im Kolben --37-- mittels einer Spiralfeder--41--vorgespannt ist, die im Uhrzeigersinn wirkt (wie in Fig. 1 und 2 gezeigt).
Das Halteglied--40--weist einen radialen auswärts vorspringenden Abschnitt --42-- auf, der in eine Umfangsnut --43-- der Innenfläche des unteren Endes --39-- in der Muffe --21-- eingreift sowie eine Nockenfläche--44--, die zusammenwirkt mit der Aussenfläche des mittleren
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wird, dass der Abschnitt-42-ausser Eingriff mit der Nut --43-- gelangt, bis der Kolben --37-- zu einer solchen Höhe gehoben worden ist, in der sich die Nockenfläche--44--gegenüber einem Umfangseinschnitt--45--nahe der Oberseite des mittleren Abschnittes --20-- befindet. Man erkennt demgemäss, dass auch die Aussenfläche des mittleren Abschnittes --20-- eine Nockenfläche aufweist.
Eine ähnliche Ausnehmung --46-- nahe dem Bodenende des mittleren Abschnittes --20-- stellt sicher, dass der Abschnitt --42-- des Haltegliedes -40-- wieder in die Nut--43-einfallen kann, wenn der Kolben --37-- nach unten bis zu der Höhe der Ausnehmung --46-- bewegt worden ist, d. h. bis zu seiner tiefsten Stellung.
In der obersten Stellung befindet sich der Kolben --37-- im Abstand von der Wandung --32-- und
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--21--, welcher--55--, die gleitbeweglich durch den Kolben --37-- sich erstrecken und die Ringe-51 und 52-miteinander verbinden. Die Stangen --55-- sind in 1800-Winkelabstand zueinander angeordnet. Aus Gründen der Vereinfachung sind die Stangen--36, 54--und das Halteglied --40-- in Fig. 1 und 2 in derselben Ebene dargestellt ; in der Praxis sind jedoch die Stangen --55-- in einer zur Ebene der Fig. 1 und 2 um 900 versetzten Ebene angeordnet.
Der Kolben --37-- ist ferner in entsprechenden Ausschnitten mit zwei Rollen --57-- versehen, deren Achsen parallelliegend zur Achse des Haltegliedes --40-- und im 1800-Winkelabstand zueinander liegen. Die Rollen -57-- dienen als Lagerung auf der Innenfläche der Muffe-21-. In ähnlicher Weise angeordnete Rollen, die bei--58--angedeutet sind, werden in Ausschnitten des unteren Endes des Kolbens vorgesehen.
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Auch die Rollen --58-- bilden Lager auf der Innenfläche der Muffe--21--. Wieder aus Gründen der Vereinfachung sind die Rollen-58-in der Ebene der Fig. 1 und 2 dargestellt, während sie tatsächlich in einer um 900 zu dieser Ebene versetzten Ebene liegen.
Die Unterfläche oder Stirnseite des Kolbens --37-- ist mit einem kombinierten Abdichtabstreifer --595 versehen, der ringförmige Gestalt aufweist und abdichtend zusammenwirkt mit der Innenfläche der Muffe-21--, der Aussenfläche des mittleren Abschnittes --20-- und den Stangen--55-. In ähnlicher Weise ist das obere Ende der Muffe --21-- mit einem kombinierten Abdichtabstreifer --60-- versehen, der ringförmige Gestalt aufweist und abdichtend im Eingriff steht mit der Aussenfläche des oberen Gehäuses - -18--. Das obere Ende der Muffe --21-- ist ferner ebenfalls versehen mit einer Öffnung-61-, welche ein feinmaschiges Filter --62-- enthält und kommuniziert mit dem Bereich --47-- in einer noch zu beschreibenden Weise.
Das Untergehäuse--19--enthält eine Kammer--63--, die über eine Leitung --64-- und ein Filter - mit der Oberfläche des gehäuses --19-- kommuniziert innerhalb der Muffe --21--, wenn diese Muffe sich in ihrer unteren Stellung befindet. Die Peripherie der oberen Oberfläche des Gehäuses --19-- it nach aussen und unten abgeschrägt, wie bei --66-- angedeutet. Die Kammer --63-- kommuniziert ferner mit dem Bohrloch --12-- über ein erstes Rückschlagventil --67--, das nur den Fluiddurchfluss von der Kammer --63-- in das Bohrloch --12-- ermöglicht, und über ein zweites Rückschlagventil (nicht
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der USA-Patentschrift Nr. 3, 225, 588 oder der franz.
Patentschrift Nr. 1. 338. 320. Das Gerät-68-ist mit Vibrationserregerspulen-69-versehen sowie mit Vibrationsdetektorspulen-70--, die mit dem Schaltkreis --27 - über elektrische Leitungen --71-- verbunden sind. Die Eigenfrequenz der Vibration des Gerätes--68--hängt ab von der Dichte des Fluids, in welchem das Gerät vibriert.
Im Betrieb wird die Vorrichtung--10--mittels der Winde und mittels des Kabels --11-- bis zur gewünschten Tiefe im Bohrloch herabgelassen, wobei die Muffe --21-- und der Kolben --37-- sich zunächst in ihrer unteren Stellung befinden. Dann wird der Motor--26--in Betrieb gesetzt, so dass die
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untere Ende --39-- der Muffe --21-- über die Abdichtung --23-- gehoben worden ist und damit die Ausbildung eines Vakuums unter dem Kolben --37-- verhindert wird. Wenn die Muffe --21-- ihre untere Stellung erreicht, komprimiert sie die Feder --49-- über den Ring--53--und das Kraftübertragungsglied --50--.
Ferner beginnt das Bohrlochfluid --14-- nach oben zu strömen hinter den mittleren Abschnitt
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Aussenoberfläche des Gehäuses --18-- irgendwelche Partikel ab, wie Sand, die von dem Fluid --14-- dort abgesetzt worden sein können.
Wenn die Muffe --21-- und der Kolben --37-- ihre obere Stellung erreicht haben, wird das Halteglied --40-- ausgelöst durch das Zusammenwirken der Nockenfläche --44-- und der Ausnehmung
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demgemäss sukzessive die getrennten Phasen der eingefangenen Probe durch das Filter --65-- und die Leitung --64-- zum Sensor --68-- in der Kammer --63-- und wieder nach aussen in das Bohrloch--12-durch das Ventil-67--.
Während der gesamten Abwärtsbewegung des Kolbens --37-- wird das Ausgangssignal des Sensors --68-- als Funktion der Bewegungsgrösse des Kolbens--37--aufgezeichnet, die nachfolgend noch beschrieben wird ; da die Kammer --70-- gleichförmigen Querschnitt besitzt, ist die
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von der Innenfläche der Muffe --21-- und der Aussenfläche des mittleren Abschnittes --20-- jeglichen Sand oder andere körnigen Materialien, die dort durch das Fluid --14-- abgesetzt worden sein können.
Das
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Eindringen dieser Partikel in die Leitung --64-- wird durch das Filter --65-- verhindert und neigt dazu, von der schrägen Umfangsfläche-66-an der Oberfläche des Gehäuses-19-nach unten zu rutschen,
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- gegenüber dem Bereich --47-- zwischen dem Kolben --37-- und der Wandung-32--.
Demgemäss wird während der Abwärtsbewegung des Kolbens--37--gefiltertes Bohrlochfluid in den Bereich - gesaugt infolge der Volumenzunahme dieses Bereiches ; dies dient zum Ausgleich von Innen- und Aussendruck, die auf die Muffe --21- wirken. Das gefilterte Bohrlochfluid ist von der Probe in der Kammer --72- isoliert durch den kombinierten Abdichtabkratzer-59-des Kolbens-37--. Wenn der Kolben - seine untere Stellung erreicht, gelangt das Halteglied --40-- wieder in Eingriff mit der Muffe --21--, und der gesamte vorbeschriebene Zyklus des Betriebes kann an einer andern gewünschten Tiefe des Bohrloches -12-- wiederholt werden.
Man erkennt, dass beim Anheben des Kolbens --37-- und der Muffe --21-- das gefilterte Fluid in dem Bereich --47-- in dem Bohrloch --12-- durch die Oberseite (oder Rückseite) des Kolbens --37-- herausgedrückt wird, u. zw. durch das Spiel zwischen der Muffe --21-- und dem Gehäuse --18-- sowie die Öffnung--61--. Falls erwünscht, kann dieses Spiel vergrössert werden, indem die Aussenoberfläche des Gehäuses --18-- mit einem oder mehreren sich in Längsrichtung erstreckenden flachen Abschnitten versehen wird.
Man erkennt in Fig. l, dass das untere Ende der Muffe --21- niedriger liegt als die Unterfläche des Kolbens--37--um einen Betrag, der mindestens gleich ist der Höhe des oberen Endes--22--des unteren Gehäuses --19--, so dass sich ein etwa glockenförmiger Raum --72-- ergibt. Dieser glockenförmige Raum hat die Tendenz, sich mit der leichtesten Phase, also dem Gas, zu füllen, bevor die Fluidprobe genommen wird. In ähnlicher Weise hat die Kammer--63--die Tendenz, sich mit der schwersten Phase, also dem Wasser, zu füllen, bevor die Probe genommen ist. Die Messfehler, die sonst auftreten würden als Ergebnis dieses Verhaltens,
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man eine wirklich repräsentative Probe entnimmt.
In der Praxis ergeben sich geringfügige Störungen in der Strömung als Ergebnis der Veränderung des Strömungsquerschnittes an jedem Ende des mittleren Abschnittes - und als Ergebnis der Grenzschicht um den Abschnitt--20--. Die erstgenannte Störung nimmt ab mit zunehmender Länge des Abschnittes--20--, während die letztere abnimmt mit abnehmendem Durchmesser des Abschnittes--20--. Tests haben ergeben, dass bei einer Vorrichtung --10-- mit einem Aussendurchmesser von 43 mm befriedigende Resultate erzielbar sind mit einem mittleren Abschnitt--20-von 30 mm Länge und 20 mm Durchmesser. Wenn jedoch die Länge des Abschnittes --20-- auf 20 cm verkürzt wurde, ergaben sich erhebliche Fehler.
Der elektronische Schaltkreis für die Anwendung mit der Vorrichtung --10-- ist in Fig. 3 dargestellt ; er umfasst einen Steuerschaltkreis --75-- an der Oberfläche, der über das Kabel--11--mit der Vorrichtung verbunden ist. Der Steuerschaltkreis--75--umfasst eine Wechselspannungsstromversorgung-76--, deren Ausgang über einen handbetätigten Schalter--77--mit einem isolierten Leiter --78-- verbunden ist, der einen Teil des Kabels--11--bildet. Das untere Ende des Leiters --78-- ist verbunden mit dem Eingang einer Gleichspannungsstromversorgung--79--,
die einen Teil des bereits erwähnten Steuerschaltkreises
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--10-- bildet.Kondensator --82-- mit dem Setzeingang eines bistabilen Schaltkreises--83--.
Jeder der erwähnten Mikroschalter--Sl und S2-- umfasst zwei gleichzeitig betätigbare Kontaktsätze - Sla, Sib, S2a, S2b-. Die Kontaktsätze-Sla und S2a-- sind parallelgeschaltet zwischen den Ausgang des RC-Schaltkreises --80-- und den Rückstelleingang des bistabilen Schaltkreises--83--, während die Kontaktsätze--Sib und S2b-- zwischen einerseits den Ausgang der Stromversorgung--79--und anderseits den Rücksetz- bzw. Setzeingang eines bistabilen Schaltkreises--84--geschaltet sind. Die Setz- und Rücksetzausgänge des bistabilen Schalkreises--84--steuern Gattern--85 bzw. 86--.
Der Setzausgang des bistabilen Schaltkreises--83--ist verbunden zur Steuerung eines Gatters--87--, dessen Eingang verbunden ist mit der Leitung-78--. Der Ausgang des Gatters --87-- ist über das Gatter --85-- mit dem Eingang für die Rückwärtsdrehung des elektrischen Motors--26--verbunden sowie ferner über das Gatter--86--mit dem Eingang für die Vorwärtsdrehbewegung des Motors--26-. Der Eingang des Verstärkers --81--, der 900 phasenverschoben ist, ist verbunden mit den Detektorspulen-70-des Dichtesensors--68--, während der Ausgang dieses Verstärkers mit den Erregerspulen--69--verbunden ist.
Die Spulen-70--sind ferner über ein Hochpassfilter--88--mit dem isolierten Leiter-78--in dem Kabel--11--verbunden, und der Rücksetzausgang des bistabilen Schaltkreises --83-- ist ebenfalls verbunden mit dem Leiter --78--.
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--78-- istStufenwechseldetektor--93--mit dem"Stop"-Eingang eines Zähler-Zeitgebers--94--, der mit einem Rückstell/Start-Eingang verbunden ist, welcher über einen Schalter--95-erregt werden kann.
Der Schalter --95-- ist wirkungsmässig verbunden mit dem Schalter--77--. Der Zählausgang/Zeitgeber--94--ist verbunden mit einem weiteren Eingang des Aufzeichnungsgerätes--92--sowie mit einer (nicht dargestellten) visuellen Anzeige.
Wenn die Vorrichtung --10-- in das Bohrloch -12-- abgesenkt wird, sind die Schalter--S2a und S2b--geschlossen, da-wie bereits erwähnt-die Mutter--33--sich in ihrer unteren Stellung befindet. An der gewünschten Tiefe wird der Schalter--77--geschlossen, womit der Zähler/Zeitgeber--94--rückgestellt und gestartet wird über den Schalter--95--, wobei zugleich die Gleichstromversorgung--79--mit Energie
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womit der Motor--26--gestoppt wird. Der Kontaktsatz--Slb--stellt den bistabilen Schaltkreis--84-zurück, womit das Gatter--85--gesperrt und das Gatter --86-- dafür geöffnet wird. Die Mutter --33-bleibt demgemäss in ihrer obersten Lage, wie auch der Kolben--37--, während der Muffenteil --21-- eine Probe einfängt, wie bereits beschrieben wurde.
Die Sichtanzeige des Zähler/Zeitgebers --94-- ändert sich nicht mehr, womit sich eine visuelle Anzeige an der Oberfläche dafür ergibt, dass die Mutter--33--ihre oberste Stellung erreicht hat.
Nachdem die oben erwähnte Beruhigungszeit von etwa 30 sec verstrichen ist, wird der Schalter--77-- geöffnet und wieder geschlossen. Wie zuvor, werden damit der Zähler/Zeitgeber--94--rückgestellt und
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ist der Betrag dieser Bewegung direkt proportional der Zeit, während der diese Bewegung stattfand ; die Proportionalitätskonstante wird bestimmt durch die Gesamtzeit, innerhalb der der Kolben --37-- die bekannte Strecke von der obersten zur untersten Stellung durchläuft.
Fig. 4 zeigt ein typisches Beispiel für eine Aufzeichnung, gewonnen mit der Vorrichtung nach Fig. 1 und 3, unter der Annahme, dass die eingefangene Probe Wasser, Öl und Gas enthält. Das Ausgangssignal des Umsetzers --91-- ist in Abszissenrichtung aufgetragen, während die Zählung des Zähler/Zeitgebers--94--als Ordinate angesetzt wird. Die erhaltene Kurve ist mit--96--bezeichnet, und der erste Abschnitt --97-- derselben entspricht der Zeit, die erforderlich ist, das zunächst in der Kammer--93--eingeschlossene Wasser aus dieser Kammer auszutreiben. Die Länge dieses Abschnittes der Kurve wird ignoriert aus den oben bereits erläuterten Gründen. Die gemessene Dichte jedoch ist die des Wassers.
Der zweite Abschnitt--98--der Kurve--96-entspricht dem Durchgang der Wasserphase der Probe durch die Kammer --63-- und führt in eine Übergangszone--99--, die anzeigt, dass sich die Kammer --63-- allmählich mit Öl füllt. Der nächste Abschnitt --100-- entspricht dem Durchgang der ölphase durch die Kammer --63-- und wird gefolgt von einem weiteren Übergangsabschnitt--101--, wenn das Gas in die Kammer --63-- eindringt und diese füllt.
Der letzte Abschnitt --102-- zeigt an, dass das Gas durch die Kammer --63-- gelangt. Die Dichte jeder Phase wird repräsentiert durch die Höhe der jeweiligen Abschnitte--98, 100,102, während die jeweiligen Anteile jeder Phase in Fig. 4 als (Pwasser'Pöl und PGas) angegeben sind.
Man erkennt, dass selbst dann, wenn der Gasanteil sehr klein ist, der Raum --73-- immer noch mit Gas gefüllt wird, so dass mindestens der Ausgangspunkt des Abschnittes--101--der Kurve--96--erhalten wird, so dass man die Dichte des Gases bestimmen kann. Wenn jedoch die Menge einer der Phasen kleiner ist als
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das freie Volumen der Kammer--63-, ist es immer noch möglich, seine Dichte von der Neigung der übergangszone ausgehend abzuschätzen. Da die Messungen in situ durchgeführt werden, d. h. unter Druck- und Temperaturbedingungen des Bohrloches--12-, beziehen sie sich auch auf den Status jeder Phase während der Strömung.
Demgemäss erleichtern sie die Berechnung der Massenströmung jeder Phase, die Abschätzung der Gleitgeschwindigkeiten (d. h. der relativen Geschwindigkeiten zwischen den Phasen) und die Interpretation anderer Bohrlochmessungen, wie sie etwa erhalten werden mittels eines Gradiomanometers.
Zweckmässige Abweichungen können bei den Ausführungsbeispielen vorgenommen werden, ohne vom Sinn der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die Welle--28--des Motors--26-mit einem Drehcodierer versehen werden, beispielsweise einem nockenbetätigten Schalter oder einem Zahnrad mit
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die Position des Kolbens--37--genauer bestimmbar ist durch Zählung der Anzahl von Antriebsimpulsen, welche dem Schrittschaltmotor zugeführt werden.
In manchen Fällen ist es darüber hinaus möglich, das erste und zweite Rückschlagventil in Kommunikation mit der Kammer --63-- wegzulassen und sie zu ersetzen durch eine einzige Leitung mit Kapillarwirkung zwischen der Kammer --63-- und dem Bohrloch--12--.
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ausgeschnitten so weit, dass er nicht mehr länger als Kolben wirkt, sondern nur noch als ein in Längsrichtung der Kammer --71-- bewegliches Glied, wobei eine Abdichtung vorgesehen ist zwischen der Muffe --21-- und dem unteren Ende des Kolbens--18--.
In diesem Falle ist an der Unterseite dieses beweglichen Gliedes ein Dichtewandler, wie ein schwingender Kristall oder eine Keramikanordnung, angeordnet, deren Vibrationsfrequenz dichteabhängig ist, und dieser Wandler wird demgemäss sukzessiv nach unten durch die abgeschiedenen Phasen in der Kammer --72'-- bewegt. Die erhaltene Kurve mit dieser Anordnung ist im wesentlichen eine invertierte Version der Kurve--96--, da der Wandler sich durch die Phasen in der Reihenfolge zunehmender Dichte bewegt. Falls erwünscht, kann dieser Typ von Wandler mit offenliegenden, d. h. nicht isolierten elektrischen Verbindungen ausgestattet sein, so dass er kurzgeschlossen wird, sobald er die elektrisch leitende Wasserphase erreicht, um eine Anzeige für die Position der Wasser-Ölgrenzfläche zu erreichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Bestimmung der volumetrischen Phasenanteile eines in einem Förderbohrloch strömenden Fluids mit einem in dem Bohrloch aufgehangenen langgestreckten Sondenkörper mit einem Abschnitt verringerten Durchmessers, der der Strömung einen relativ geringen Widerstand bietet, und mit einem Muffenteil, der auf dem Sondenkörper gleitbeweglich zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung angeordnet ist, in deren ersterer er mit dem Sondenkörper eine umschlossene Probekammer rings um den Abschnitt verringerten Durchmessers definiert, wogegen in der zweiten Stellung die Probekammer für Bohrlochströmungsfluid zugänglich ist, gekennzeichnet durch eine Betätigungseinrichtung (26,30, 33, 34,40, 49,50) für die wahlweise Bewegung des Muffenteiles (21)
zwischen der ersten und der zweiten Stellung zum sukzessiven Zugänglichmachen der Kammer (72) für das Bohrlochfluid und zum Auffangen einer Probe des der Probekammer (72) zugeflossenen Fluids für die Separation der dieses bildenden Phasen, durch einen Sensor (68) für die Erzeugung von für die jeweiligen Parameter, z. B. die Dichte, der Phasen des Fluids repräsentativen Ausgangssignalen mit unterschiedlichen Werten für jede der Phasen, und durch eine Versetzeinrichtung (37) für das Bewirken einer, vorzugsweise konstanten, Relativebewegung zwischen Sensor (68) und sukzessiven Anteilen der Phasen des separierten Fluids.
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