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Gerät für die Untersuchung von Bohrlöchern Die Erfindung bezieht sich
auf ein Gerät für die Untersuchung von Bohrlöchern, und zwar im besonderen auf ein
solches, wie es üblicherweise in den in Produktion befindlichen Erdölbohrlöchern
für die Messung der Druckdifferenzen zwischen zwei benachbarten Niveauhöhen verwendet
wird. Aus den Messungen der statischen Druckdifferenzen mit solchen Geräten lassen
sich Aufschlüsse über die Dichte der das Bohrloch anfüllenden Flüssigkeiten gewinnen.
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Aus der französischen Patentanmeldung PV 764 676 vom 2. 5.
1958 ist ein solches Gerät bekannt, das aus einem langgestreckten, mit Flüssigkeit
angefüllten Gehäuse besteht, welches an seinen oberen und unteren Partien durch
Membranen oder ähnliche Organe verschlossen ist, die der Wirkung der Bohrlochflüssigkeit
in unterschiedlichen Höhen ausgesetzt sind, wobei die Höhendifferenz im übrigen
konstant ist. In dem Gehäuse ist ein elastisches Organ untergebracht, das sich der
durch die Druckdifferenz in den Höhen der beiden Membranen hervorgerufenen Verschiebung
der Flüssigkeit in dem Gehäuse elastisch entgegenzustellen sucht, wobei die Verformung
dieses Organs gemessen wird, um so die gewünschten Anzeigen zu gewinnen.
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Bei dem in der vorerwähnten Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung bestehen die Druckaufnahmemembranen, die an den oberen und unteren
Enden des Geräts angeordnet sind, aus Elastomermaterial. Im praktischen Betrieb
hat sich die Verwendung von Elastomermaterial für die Membranen jedoch nicht bewährt,
da sich solche Membranen durch die Berührung mit den Flüssigkeiten des Bohrloches
schnell zerstören. Dies ist auch der Grund dafür, daß man es im Rahmen dieses Patentes
für notwendig angesehen hat, diese Membranen durch metallische Bälge zu ersetzen,
die gegen die chemische Einwirkung der Flüssigkeiten unempfindlich sind. Die Tatsache
jedoch, daß diese Bälge unter der Wirkung der Drücke nur ein axiales Zusammenquetschen
oder eine axiale Ausdehnung zulassen, wohingegen die Elastomermembranen eine radiale
Ausdehnung oder ein radiales Zusammenziehen gestatten, ist die Ursache für einen
schwierwiegenden Nachteil. Die Punkte, an denen die Drücke gemessen werden, werden
dadurch die Böden der Bälge und nicht mehr die Mittelzone der Membranen. Die Erhöhung
der Drücke und der Temperaturen der Flüssigkeiten, in die ein solcher Apparat eingetaucht
wird, verursachen bedeutende Änderungen des Volumens der in ihm enthaltenen Flüssigkeit.
Auf Grund dessen entfernen sich die Böden der Bälge voneinander oder nähern sich
einander, so daß sich wiederum der Meßabstand ändert, wodurch sich in den gemessenen
Wert der Dichte ein nicht unbeachtlicher Fehler einschleicht. Eine weitere Fehlerquelle
liegt in der Anzeige eines Differenzmanometers nach der zitierten Patentanmeldung,
durch sein Verhalten im Falle von Beschleunigungen. Die in dem Gerät enthaltene
Flüssigkeitssäule verursacht nämlich unter der Wirkung einer äußeren Beschleunigung
das plötzliche Zusammenziehen der drei elastischen Organe, die es enthält. Durch
den Umwandler werden beträchtliche Störsignale hervorgerufen, sobald sich ein Stoß
auf das Gerät auswirkt.
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An sich sind Differenzmanometer für Flüssigkeiten mit zwei metallischen
Membranen, denen je eine innere Feder zugeordnet ist, bekannt, wobei die beweglichen
Böden der Membranen jeder zu einem Ende des Gerätes gekehrt sind, während die Außenwände
in unmittelbarer Berührung mit der Flüssigkeit stehen und die beweglichen Böden
durch eine Metallstange miteinander verbunden sind, wobei die Mittelpartie der Stange
an das bewegliche Organ eines elektrischen Umwandlers angeschlossen ist. Letzterer
wiederum ist mit Steuerungskreisen verbunden, wozu Leiter durch die Seitenwände
des Gerätes in der Gegend zwischen den beiden Bälgen hindurchgeführt sind.
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Ein solches Differenzmanometer ist leicht der Berührung mit den korrodierenden
Flüssigkeiten ausgesetzt. Außerdem ist es gegen Temperaturänderungen wenig empfindlich,
da die Auslängungen der Verbindungsstange nicht die Lage des beweglichen Organs
des
Umwandlers beeinflussen. 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.
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Schließlich sind die: durch die beiden Arten von Differenzmanometern
erzielten Ergebnisse insofern ungünstig zu beurteile,, weil jedes dieser Geräte
in einen Beschleunigungszustand übergeführt wird, sobald es einen Stoß erfährt.
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Bei einer vorgeschlagenen Sonde zur Messung des Druckes innerhalb
eines Erdölbohrloches ist zur Druckmessung ein elastisches Organ vorgesehen, das
aus einem metallischen Balg besteht. Der bewegliche Boden dieses Balges ist mit
dem einen der Gelenkpunkte eines Gestänges nach Art einer Nürnberger Schere verbunden,
dessen gegenüberliegender Gelenkpunkt örtlich fest mit der Sonde Verbindung hat,
während die beiden diagonalen Gelenkpunkte, die sich je nach der Bewegung des Balges
einander nähern oder entfernen, einen elektrisch variablen Widerstand betätigen.
Durch eine solche Einrichtung werden jedoch nicht die Temperatur- und Stoßkompensation
verwirklicht, die für 'genaue und einwandfreie Messungen angestrebt werden muß.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Differenzmanometers, das
leicht in Erdölbohrlöchern verwendet werden kann und in Hinsicht auf Temperatur
praktisch kompensiert und gegen Beschleunigungen wenig empfindlich ist: Ein solches
Gerät. gemäß der Erfindung, das zur Messung der Druckdifferenzen zwischen zwei benachbarten
Niveauhöhen eines Erdölbohrloches bestimmt ist und zwei verformbare Druckaufnahmeorgane
besitzt, die einerseits unmittelbar in die Bohrlochflüssigkeit eingetaucht werden
und andererseits mit einer Flüssigkeit bekannter Dichte angefüllt sind, sowie Differenzmeßmittel
für die Verformungen der Druckaufnahmeorgane aufweist, wobei diese Mittel in einer
Vergleichskammer angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Druckaufnahmeorgane
metallische Membranen sind, deren bewegliche Böden zu dem gleichen Ende des Gerätes
hin gekehrt sind und deren innere Volumina Druckaufnahmekammern bilden.
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Die Differenzmeßmittel für die Verformungen der Druckaufnahmeorgane
weisen einen metallischen Meßbalg auf; dessen beweglicherBoden an einen elektrischen
Umwandlerangeschlössen ist. Gemäß der Erfindung steht das Innenvolumen dieses Balges
durch einen Kanal geringen Durchmessers mit einer der Druckaufnahmekammern in Verbindung,
während die andere Druckaufnahmekammer durch einen zweiten ähnlichen Kanal mit dem
Teil der Vergleichskammer außen um den Balg herum in Verbindung steht.
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Nach einem kennzeichnenden Merkmal dieser besonderen Ausführungsform
bilden die Kanäle, die die Verbindungen der Druckaufnahmekammern mit in der Vergleichskammer
durch die Wandung des Differenzmeßbalges getrennten Volumina herstellen, zwei hydraulische
Hemmfilter für die die Kammern anfüllende Flüssigkeit.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durchdringen die von dem
dem Meßbalg zugeordneten Umwandler herkommenden elektrischen Verbindungen die obere
Wand der Vergleichskammer mit Hilfe von dichten Führungskörpern. Auf Grund dieser
Anordnungen verschieben die Wärmeausdehnungen der jede der Druckaufnahmekammern
und jedes der Volumina der Vergleichskammern anfüllenden Flüssigkeiten in dem gleichen
Sinn und um die gleiche Größe den Boden jedes der Druckaufnahmebälge: auf diese
Weise ist der Abstand zwischen den beiden Druckaufnahmen konstant, gleich wie die
Temperatur ist. Bei der Bestimmung der Dichte der Flüssigkeiten, in die das Gerät
eingetaucht wird, unterdrückt man so den nicht unbeachtlichen Fehler, der zuvor
durch die Änderung der Entfernung zwischen den Meßniveauhöhen verursacht wurde.
Außerdem werden durch eine solche Anordnung die Folgen von auf das Gerät sich auswirkenden
Beschleunigungen stark abgeschwächt. Die hydraulischen Hemmfilter nämlich, die die
Verbindungskanäle zwischen den Druckaufnahmekammern und den beiden Volumina der
Vergleichskammer bilden, unterbinden die unmittelbare Beaufschlagung des Meßbalges
mit vorübergehenden Druckänderungen, die die das Gerät anfüllende Flüssigkeit erfährt.
Diese Änderungen werden in den Kanälen beträchtlich abgefangen und beeinträchtigen
so nur wenig die Messung.
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Die charakteristischen Eigenschaften der Erfindung ergeben sich im
übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels, die einen Längsschnitt durch ein Druckdifferenzmeßgerät gemäß
der Erfindung zeigt.
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Nach dieser Zeichnung ist eine Sonde 4 in ein mit einer Flüssigkeit
6 angefülltes Bohrloch 8 hinabgesenkt. Diese Sonde 4 besteht aus einem langgezogenen
zylindrischen starren Körper 10, in dem sich drei zylindrische und mit dem Körper
10 koaxiale Aushöhlungen 12, 14 und 16 befinden. Die beiden Aushöhlungen 12 und
14 sind in dem unteren und mittleren Teil des Körpers 10 vorgesehen und stehen durch
Seitenöffnungen 18 und 20 verhältnismäßig geringen Ausmaßes mit außen in Verbindung.
An der oberen Fläche 21 der Aushöhlung 12 ist ein metallischer Balg 22 etwa zylindrischer
Form befestigt, der koaxial zum Körper 10 angeordnet ist. Ein ähnlicher Balg 24
ist in gleicher Weise an der oberen Fläche 23 der Aushöhlung 14 befestigt. Andererseits
hat die im oberen Teil des Körpers 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 gegeneinanderwirken, und eine Verbindungsstange
34 zu einem Meßgerät, das einen dem Differenzdruck entsprechenden Weg linear in
eine elektrische Steuergröße umformt, dessen Stator an einem Kragen 38 befestigt
ist, der an den Wänden 26 der Aushöhlung 16 festsitzt. Elektrische
Verbindungen 40, die den elektrischen Umwandler 36 mit den elektronischen Verstärker-
oder Schlüsselungskreisen 42 verbinden, sind durch dichte Führungen 44 hindurchgeführt,
die in der oberen Fläche 46 der Aushöhlung 16 befestigt wird. Fernerhin verbindet
ein Kanal 48 von relativ beträchtlicher Länge und geringem Durchmesser die untere
Druckaufnahmekammer 50 im Innern des Balges 22 mit dem Volumen 52 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 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. Andererseits 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 Kompressibilitätskoeffizienten
des Kerosins umgekehrt proportional sind. Auf diese Weise ist der tatsächlich auf
der Wand der Bälge lastende Druck in jedem Monat sehr gering.
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Im Falle von Kerosin, dessen Verwendung durch seine Eigenschaften
besonders empfehlenswert ist, ist die Ausdehnung auf Grund der Temperatur mehrere
Male größer als seine Kompression infolge des Druckes.
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über die Kanäle 48 und 54 werden die Druckerhöhungen auf die Druckaufnahmekammer
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 Ausdehnungen, 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.
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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 hinabsenkt, 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
der Druckaufnahmebälge 22 und 24 eingenommenen Niveauhöhen in konstantem Abstand
halten. Der Apparat zeigt also die relative mittlere Dichte der Flüssigkeit an,
in die er eingetaucht ist, da der Meßbalg einem Differenzdruck 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 Boden 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
Elastizitätsverschiebungskurve der erwähnten Bälge frei, ebenso von der Unbestimmtheit
um den Ruhelagepunkt der Federn. Die Verschiebung des Bodens 29, proportional zu
dem an die Bälge 22 und 24
angelegten Differenzdruck und zur Dichte des die
verschiedenen Kammern anfüllenden Kerosins wird durch die Verbindungsstange 34 auf
den beweglichen Teil des Umformers 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 Differenzmanometer gemäß der Erfindung korrigieren.
Wenn ein solches Gerät in einem Bohrloch bewegt wird, 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 Umformer 36 gelieferten Anzeigen durch solche Stöße geändert.
Indes vollzieht sich die übertragung der vorübergehenden 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 Umformer
36, der mit ihm fest verbunden ist. Ein Differenzmanometer 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 andererseits
liefert es Informationen frei von ins Gewicht fallenden Fehlern, obwohl die auftretenden
Temperaturen sehr hoch sind und starke Stöße im Verlauf der Verfahrensdurchführung
auftreten.
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Die Erfindung ist wohlgemerkt nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, die nur als Ausführungsbeispiel anderer möglicher Varianten gelten sollen.
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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.
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Man kann auch ein Differenzmanometer 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- oder Außenvolumen des
Meßbalges verbinden, welche die Vergleichskammern bilden.
Als elektrischer
Umformer kann jeder andere geeignete Umwandler verwendet werden, der eine lineare
Verschiebung in ein lineares Signal umwandelt: Potentiometer, Kondensator oder Digitalumsetzer.
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Außerdem kann man den Meßbalg 28 durch jede mechanische Einrichtung
oder jedwede andere ersetzen, die auf Druck anspricht, beispielsweise eine Bourdon-Röhre.
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Was die Serpentine 60 angeht, so kann sie fortgelassen werden,
wenn der Durchmesser des Kanals 54 genügend eng gewählt wird.